JP2010031558A - 耐震補強構造および耐震補強方法 - Google Patents

Abstract

【課題】既設構造物を構成する部材を取り替えることなく、耐震補強を行うことが可能な耐震補強構造および耐震補強方法を提供する。
【解決手段】既設構造物Ｂを構成する部材のうち軸方向の力を受ける軸部材１０（Ｂ１）に取り付けられ、この軸部材１０の軸方向の変形を許容する状態で前記軸部材１０を被覆することで、前記軸部材１０の座屈を拘束する座屈拘束材２０を有する。これにより、既設構造物Ｂのうち座屈拘束材２０が取り付けられた部分は、地震エネルギーを吸収する制震ダンパーとして機能する。したがって、既設構造物Ｂを構成する部材を取り替えることなく、耐震補強を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、既設構造物の耐震補強構造および耐震補強方法に関する。

従来より、各種構造物の耐震性能を高めるために、地震エネルギーを吸収する制震ダンパーを、構造物に組み込むことが行われている。この制震ダンパーの一つとして、塑性変形で地震エネルギーを吸収する座屈拘束ブレースが知られている（例えば特許文献１）。座屈拘束ブレースは、一般に、エネルギーを吸収する部材としての芯材（芯ブレース）と、芯材の座屈を拘束する拘束材とを組み付けて製造したものである。
特開２００８−２１３３公報

ところで、上記のような座屈拘束ブレースを用いて、既設構造物の耐震補強を行う場合には、既設構造物を構成する部材のうち所定の部材を、座屈拘束ブレースに置き換える方法がとられることが多い。しかしながら、既設構造物の一部の部材を取り替える工事は、例えば既設構造物が大型構造物である場合には、その分取り扱う部材も大きくなるため、施工時の安全性確保が難しい等の問題がある。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、既設構造物を構成する部材を取り替えることなく、耐震補強を行うことが可能な耐震補強構造および耐震補強方法を提供することを目的とする。

本発明の耐震補強構造は、既設構造物を構成する部材のうち軸方向の力を受ける軸部材に取り付けられ、この軸部材の軸方向の変形を許容する状態で前記軸部材を被覆することで、前記軸部材の座屈を拘束する座屈拘束材を有することに特徴を有する。

このような構成によれば、既設構造物のうち座屈拘束材が取り付けられた部分は、地震エネルギーを吸収する制震ダンパーとして機能する。したがって、既設構造物を構成する部材を取り替えることなく、耐震補強を行うことができる。

また、前記座屈拘束材は、組み合わせると前記軸部材を被覆する形状をなす複数の拘束部材と、前記複数の拘束部材を接合する接合部材とを有するものとしてもよい。このような構成によれば、複数の拘束部材を接合部材で接合することにより、座屈拘束材を組み立てることができる。したがって、耐震補強を行う際には、比較的小さな部材である拘束部材を取り扱うことになるから、施工性を向上することができる。

また、フランジを有する前記軸部材に取り付けられるものであって、前記座屈拘束材は、前記フランジに沿って配されるリブを有するものとしてもよい。このような構成によれば、リブによりフランジ部の座屈が拘束されるから、変形性能をより向上させることができる。
また、前記複数の拘束部材は鋼材であり、前記接合部材はボルトであるものとしてもよい。

本発明の耐震補強方法は、既設構造物を構成する部材のうち軸方向の力を受ける軸部材に、この軸部材の軸方向の変形を許容する状態で座屈拘束材を被覆し、前記軸部材の座屈を拘束することに特徴を有する。

また、前記軸部材のうち前記座屈拘束材から露出する部分を補強するものとしてもよい。これにより、軸部材のうち座屈拘束材から露出する部分の座屈を防止することができるから、耐震性能をより高めることができる。

本発明によれば、既設構造物を構成する部材を取り替えることなく、耐震補強を行うことが可能な耐震補強構造および耐震補強方法を提供することができる。

＜実施形態１＞
以下、本発明の実施形態１を図１〜図４によって説明する。
本実施形態における耐震補強構造は、既設構造物を構成する部材のうち軸方向の力を受ける軸部材１０に取り付けられる座屈拘束材２０を有するものである。なお、以下では、既設構造物の軸部材１０がＨ形鋼（フランジを有する部材）である場合について説明する。また、各構成部材において、図１の上側を上方、下側を下方、左側を左方、右側を右方として説明する。

座屈拘束材２０は、軸部材１０の軸方向の変形を許容する状態で軸部材１０を被覆することで、軸部材１０の座屈を拘束するものである。座屈拘束材２０は、全体として細長い略筒状をなし、その内側は軸部材１０よりもわずかに大きい略方形断面をなしている。座屈拘束材２０の軸方向寸法は、軸部材１０の軸方向寸法よりも若干小さく設定されている（図２および図３参照）。

座屈拘束材２０は、組み合わせると軸部材１０を取り囲む形状をなす複数の拘束部材と、複数の拘束部材を接合する接合部材とを有している。複数の拘束部材は鋼材であり、具体的には溝形鋼２１および平鋼板２３である。

平鋼板２３は、座屈拘束材２０のうち軸部材１０の上下に配される上壁と下壁とを構成するものであり、軸部材１０の上下に一対、フランジ１０Ｆの上面および下面に沿って配されている。平鋼板２３は、軸部材１０のフランジ１０Ｆの幅寸法よりも大きい幅寸法を有するものであり、詳しくは、平鋼板２３の幅寸法は、軸部材１０のフランジ１０Ｆの幅寸法と、溝形鋼２１のフランジ２１Ｆの幅寸法の２倍の寸法と、さらには軸部材１０の側方に確保する隙間分（座屈拘束材２０と軸部材１０との間に設ける隙間分）とを加算した寸法とされている。なお、本実施形態では軸部材１０の左右に１ｍｍずつの隙間を確保している。

一対の平鋼板２３は、幅方向の両端部を軸部材１０から左右に突出させ、言い換えると、平鋼板２３の幅方向中央部分を軸部材１０のフランジ１０Ｆに対向させて設置され、各平鋼板２３の幅方向中央位置に、軸部材１０のウェブ１０Ｗが配された状態になっている。平鋼板２３のうち軸部材１０から側方に突出する部分の幅寸法は、左右で略同一とされ、この突出部分は、溝形鋼２１と接合される接合部２４を構成している。平鋼板２３の接合部２４は、軸部材１０の左右において互いに略平行をなして上下に対向している。

溝形鋼２１は、座屈拘束材２０のうち軸部材１０の左右に配される側壁を構成するものであり、軸部材１０の左右に一対配され、対向する接合部２４の間に嵌め込まれている。左右の溝形鋼２１は、それぞれウェブ２１Ｗを軸部材１０側に向け、フランジ２１Ｆを平鋼板２３に沿わせた状態で設置されている。左右の溝形鋼２１のウェブ２１Ｗと軸部材１０のウェブ１０Ｗとは略平行をなしている。また、溝形鋼２１は、フランジ２１Ｆの端縁が平鋼板２３の端縁に揃う位置に配され、溝形鋼２１と軸部材１０との間には、所定の隙間が確保されている。なお、溝形鋼２１のフランジ２１Ｆは、平鋼板２３と接合される接合部２２を構成している。

平鋼板２３と溝形鋼２１との間には、フィラープレート２５が挿入されている。本実施形態では、フィラープレート２５の厚さ寸法は２．３ｍｍとされ、これにより、軸部材１０の上下（軸部材１０と平鋼板２３との間）には２．３ｍｍずつの隙間が空くようにしている。なお、フィラープレート２５の厚さ寸法は、溝形鋼２１のサイズと軸部材１０のサイズ等とに基づいて、適宜算出するのがよい。

座屈拘束材２０には、軸部材１０との係合を図る係合部２６が設けられている。係合部は、座屈拘束材２０の一端寄りの位置に設けられている。係合部２６は、一対の平鋼板２３のうち一方の平鋼板２３に貫通形成された貫通孔であり、後述する軸部材１０の係合部１１が係合可能とされている。座屈拘束材２０の係合部２６と軸部材１０の係合部１１との係合により、座屈拘束材２０は、軸部材１０に対して軸方向の所定の位置（軸部材１０の両端部を露出させる位置）に保持される。このような位置に座屈拘束材２０を取り付けることで、軸部材１０の十分な塑性伸縮を可能としている。なお、軸部材１０の露出寸法は、各軸部材１０に作用する力等、様々な条件に基づいて適宜設定するものとする。

軸部材１０と座屈拘束材２０との間には、アンボンド材としてゴムシート２７が配されている。ゴムシート２７は、軸部材１０のフランジ１０Ｆに貼り付けられ、詳しくは、軸部材１０のフランジ１０Ｆの上面または下面から、それぞれフランジ１０Ｆの両端面を覆ってフランジ１０Ｆの対向面に至る部分に貼り付けられている。すなわちゴムシート２７は、少なくとも軸部材１０のうち座屈拘束材２０と接触する部分の全面に貼り付けられている。なお、ゴムシート２７の厚さ寸法は、本実施形態では１ｍｍとされている。

平鋼板２３と溝形鋼２１とを接合する接合部材は、ボルト（高強度ボルト２８）である。高強度ボルト２８は、フィラープレート２５を挟んで重ね合わされた平鋼板２３の接合部２４と溝形鋼２１の接合部２２とを締め付けるものである。平鋼板２３の接合部２４と溝形鋼２１の接合部２２とには、高強度ボルト２８用のボルト孔（図示せず）が所定ピッチで形成されている。高強度ボルト２８のサイズやピッチ等は、軸部材１０の座屈変形に対して必要な拘束力を、座屈拘束材２０が十分に発揮できるよう、適宜設定するものとする。

次に、上記の耐震補強構造を用いた既設構造物の耐震補強方法について説明する。ここでは、既設構造物として既設の橋梁Ｂ（方杖ラーメン橋）を補強する場合について述べる（図４参照）。

まず、座屈拘束材２０の取り付け対象となる対傾構および横構（いずれも前述した軸部材１０と同様のＨ形鋼であるとし、以後、補強対象部材Ｂ１と称する）に、係合部１１を形成する（係合部の形成工程）。具体的には、各補強対象部材Ｂ１の一端寄りの位置に鉄筋を溶接することで係合部１１を形成する。係合部１１は、補強対象部材Ｂ１のフランジ１０Ｆの上面または下面の幅方向中央位置（ウェブ１０Ｗの位置）からフランジ１０Ｆに対して略垂直に突出する形状とする。なお、係合部１１として用いる鉄筋のサイズや材質等は、補強対象部材Ｂ１毎に適宜設定するものとする。

次いで、補強対象部材Ｂ１の両端部を補強する（露出部分の補強工程）。具体的には、補強対象部材Ｂ１のうち座屈拘束材２０から露出する部分のフランジ１０Ｆ間に補強リブ（図示せず）を取り付けて箱型断面とする。

そして、補強対象部材Ｂ１に座屈拘束材２０を取り付ける（座屈拘束材の取り付け工程）。まず、補強対象部材Ｂ１の所定部分（座屈拘束材２０との接触部分）にゴムシート２７を貼り付ける。その後、補強対象部材Ｂ１の周りに平鋼板２３と溝形鋼２１とを組み付けた状態にする。このとき、補強対象部材Ｂ１の係合部１１に座屈拘束材２０の係合部２６を係合させた状態にする。そして、平鋼板２３の接合部２４と溝形鋼２１の接合部２２とを高強度ボルト２８で締め付けて接合する。これにより、座屈拘束材２０は、補強対象部材Ｂ１の両端部を露出させる位置に取り付けられ、補強対象部材Ｂ１の軸方向の変形を許容する状態で補強対象部材Ｂ１を被覆した状態になる。
なお、係合部の形成工程、露出部分の補強工程、座屈拘束材の取り付け工程は、どのような順番で行ってもよい。

次に、上記のように構成された実施形態１の作用および効果について説明する。
本実施形態の耐震補強構造は、既設構造物を構成する部材のうち軸方向の力を受ける軸部材１０（補強対象部材Ｂ１）に取り付けられて、軸部材１０の軸方向の変形を許容する状態で軸部材１０を被覆することで、軸部材１０の座屈を拘束する座屈拘束材２０を有している。したがって、地震の際には、座屈拘束材２０が取り付けられた軸部材１０が塑性変形して、既設構造物にかかる地震エネルギーを吸収する。すなわち、既設構造物のうち座屈拘束材２０が取り付けられた部分が、地震エネルギーを吸収する制震ダンパーとして機能することになる。そして、この耐震補強は、既設構造物を構成する部材１０に座屈拘束材２０を取り付けることで実現され、すなわち既設構造物の部材１０を利用するものであるから、既設構造物を構成する部材を取り替えることなく、耐震補強を行うことができる。

また、座屈拘束材２０は、組み合わせると軸部材１０を被覆する形状をなす複数の平鋼板２３および溝形鋼２１（拘束部材）と、これら鋼材２１，２３同士を接合する高強度ボルト２８（接合部材）とを有するものである。したがって、複数の鋼材２１，２３を組み合わせて高強度ボルト２８で接合することにより、座屈拘束材２０を製作することができる。このため、耐震補強工事を行う際に現場で取り扱う部材は、例えば座屈拘束材が一体物である場合に比べて小さくなり、取り扱いが容易になる分、施工性を向上することができる。なお、本実施形態においては、規格品の溝形鋼２１を用いているから、コストを抑える効果を得ることができる。

また、補強対象部材Ｂ１のうち座屈拘束材２０から露出する部分を補強しているから、補強対象部材Ｂ１の露出部分の座屈を防止することができ、より耐震性能を高めることができる。

＜実施形態２＞
次に、本発明の実施形態２に係る耐震補強構造を図５によって説明する。
本実施形態の耐震補強構造は、座屈拘束材５０を、軸部材１０のフランジ１０Ｆに沿って配されるリブ５１を有するものとした点で、実施形態１とは相違する。なお、実施形態１と同様の構成には同一符号を付して重複する説明を省略する。

本実施形態に係る耐震補強構造は、実施形態１と同様に、軸部材１０の軸方向の変形を許容する状態で軸部材１０を被覆することで、軸部材１０の座屈を拘束する座屈拘束材５０を有するものである。

座屈拘束材５０は、実施形態１と同様、複数の拘束部材（溝形鋼２１および平鋼板２３）と、これらを接合する接合部材（高強度ボルト２８）とを有している。

平鋼板２３は、軸部材１０を囲う座屈拘束材５０のうち軸部材１０の左右に配される側壁を構成するものであり、軸部材１０の左右に一対、軸部材１０のウェブ１０Ｆと略平行に配されている。平鋼板２３の幅寸法は、軸部材１０の全高よりも大きく、詳しくは、軸部材１０の全高と、溝形鋼２１のフランジ２１Ｆの幅寸法の２倍の寸法と、軸部材１０の上下に確保する隙間分（本実施形態では軸部材１０の上下に１ｍｍずつ）とを加算した寸法とされている。

平鋼板２３は、幅方向の両端部を軸部材１０から上下に突出させ、言い換えると、平鋼板２３の幅方向中央部分を軸部材１０のウェブ１０Ｆに対向させて、軸部材１０の左右に設置されている。平鋼板２３のうち軸部材１０から上下に突出する部分の突出寸法は上下で略同一とされ、この突出部分は、溝形鋼２１と接合される接合部２４を構成している。平鋼板２３の接合部２４は、軸部材１０の上下において互いに略平行をなして左右に対向している。

溝形鋼２１は、座屈拘束材５０のうち軸部材１０の上下に配される上壁および下壁を構成するものである。溝形鋼２１は、軸部材１０の上下に一対、対向する平鋼板２３の接合部２４の間に嵌め込まれている。溝形鋼２１のウェブ２１Ｗは、軸部材１０のフランジ１０Ｆの上面および下面に沿って配されている。また、溝形鋼２１は、フランジ２１Ｆの端縁が平鋼板２３の端縁に揃う位置に配され、溝形鋼２１と軸部材１０との間には、所定の隙間が確保されている。溝形鋼２１のフランジ２１Ｆは、平鋼板２３と接続される接合部２４を構成している。

平鋼板２３と溝形鋼２１とは、実施形態１と同様、高強度ボルト２８により接合されている。なお、平鋼板２３と溝形鋼２１との間には、実施形態１と同様、フィラープレート２５が挿入され、また軸部材１０にはゴムシート２７が貼り付けられている。

さて、座屈拘束材５０には、４つのリブ５１が設けられている。４つのリブ５１は、座屈拘束材５０の側壁に一対ずつ、すなわち各平鋼板２３に一対ずつ、互いに所定の間隔をあけて設けられている。各平鋼板２３に設けられた一対のリブ５１は、平鋼板２３の表裏両面のうち一方の面から略垂直に立ち上がり、平鋼板２３の軸方向に沿って略平行に連続して延びる形状とされている。一対のリブ５１の間隔は、軸部材１０のフランジ１０Ｆの間に嵌合する間隔とされ、一対のリブ５１は、それぞれ軸部材１０のフランジ１０Ｆの内側（対向面側）に沿って配される。リブ５１の平鋼板２３からの立ち上がり寸法は、フランジ１０Ｆの端縁とウェブ１０Ｗとの間の略半部分に対向する寸法とされている。

平鋼板２３のリブ５１は、溝形鋼２１のウェブ２１Ｗと略平行をなし、すなわち座屈拘束材５０のリブ５１と上壁または下壁とは略平行をなしている。平鋼板２３のリブ５１と溝形鋼２１のウェブ２１Ｗとの間（リブ５１と上壁または下壁との間）には、軸部材１０のフランジ１０Ｆの厚さ寸法よりも若干大きい間隔が空けられており、このリブ５１とウェブ２１Ｗとの間の部分、言い換えると座屈拘束材５０の内側の角部には、軸部材１０のフランジ１０Ｆの端縁が差し入れられる差入溝５２が形成されている。

上記のように構成された本実施形態の耐震補強構造は、既設構造物の軸部材１０に取り付けられ、この軸部材１０の軸方向の変形を許容する状態で軸部材１０を被覆することで軸部材１０の座屈を拘束する座屈拘束材５０を有しているから、実施形態１と同様、既設構造物のうち座屈拘束材５０を取り付けられた部分は、地震エネルギーを吸収する制震ダンパーとして機能するので、既設構造物を構成する部材を取り替えることなく、耐震補強を行うことができる。

さらに、本実施形態の耐震補強構造の座屈拘束材５０は、フランジ１０Ｆに沿って配されるリブ５１を有するから、このリブ５１によってフランジ１０Ｆの座屈が拘束される。したがって、軸部材１０の変形性能（軸部材１０が塑性変形域に入ったとしても、著しい耐力の低下を生じるような変形にまで至らず、ねばりを発揮することができる、すなわち変形しても壊れにくい性能）をより向上させることができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

（１）上記実施形態では、拘束部材として溝形鋼２１と平鋼板２３とを用いているが、これに限らず、拘束部材としてどのような鋼材を用いてもよく、既設構造物の補強対象部材の形状に合わせて、適宜最適な拘束部材を用いるのがよい。

（２）上記実施形態では、本発明の耐震補強構造および耐震補強方法を既設橋梁Ｂの耐震補強に適用した場合について説明したが、本発明は、既設の橋梁に限らず、各種構造物に適用することができ、例えば超高層ビルなどの建築物の耐震補強にも適用することができる。

（３）上記実施形態では、補強対象部材Ｂ１が、方杖ラーメン橋Ｂの対傾構および横構である場合について説明したが、これに限らず、補強対象部材は、どのような形式の橋梁の部材であってもよく、例えば、上路式トラス橋の対傾構、上路式アーチ橋の対傾構および下横構、下路トラスの上横構および下横構、またはランガー桁橋の上横構および下横構等、であってもよい。

（４）上記実施形態では、軸部材１０の係合部１１および座屈拘束材２０（５０）の係合部２６を、軸部材１０に溶接した鉄筋、および座屈拘束材２０（５０）に貫通形成された貫通孔としているが、これに限らず、軸部材と座屈拘束材とが係合可能であれば、係合部をどのような構成としてもよい。

（５）上記実施形態では、平鋼板２３と溝形鋼２１とを接合する接合部材を、高強度ボルト２８としているが、これに限らず、接合部材は例えば溶接等であってもよく、またボルト接合と溶接とを併用したものであってもよい。

（６）上記実施形態では、補強対象部材Ｂ１の両端部に補強リブを取り付けることにより、露出部分の補強を行っているが、これに限らず、補強対象部材の露出部分の補強は、補強対象部材の形状等に合わせてその都度適切な補強を施すのがよく、また補強対象部材の露出部分の補強は、必ずしも行わなくてもよい。

実施形態１にかかる耐震補強構造を表す断面図 同平面図 同側面図 耐震補強を行う既設構造物の一例を表す斜視図 実施形態２にかかる耐震補強構造を表す断面図

符号の説明

Ｂ…橋梁（既設構造物）
１０…軸部材
１０Ｆ…フランジ
２０，５０…座屈拘束材
２１…溝形鋼（拘束部材）
２３…平鋼板（拘束部材）
２８…高強度ボルト（接合部材）
５１…リブ

Claims (6)

1. 既設構造物を構成する部材のうち軸方向の力を受ける軸部材に取り付けられ、この軸部材の軸方向の変形を許容する状態で前記軸部材を被覆することで、前記軸部材の座屈を拘束する座屈拘束材を有することを特徴とする耐震補強構造。
2. 前記座屈拘束材は、組み合わせると前記軸部材を被覆する形状をなす複数の拘束部材と、前記複数の拘束部材を接合する接合部材とを有することを特徴とする請求項１に記載の耐震補強構造。
3. フランジを有する前記軸部材に取り付けられるものであって、前記座屈拘束材は、前記フランジに沿って配されるリブを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐震補強構造。
4. 前記複数の拘束部材は鋼材であり、前記接合部材はボルトであることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の耐震補強構造。
5. 既設構造物を構成する部材のうち軸方向の力を受ける軸部材に、この軸部材の軸方向の変形を許容する状態で座屈拘束材を被覆し、前記軸部材の座屈を拘束することを特徴とする耐震補強方法。
6. 前記軸部材のうち前記座屈拘束材から露出する部分を補強することを特徴とする請求項５に記載の耐震補強方法。

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