JP2010209576A - 橋梁設計プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】任意な格子構造に対しても、橋桁の主桁や横桁について、その強度計算に対する数値の入替えを自動で行うことができる橋梁設計プログラムを提供すること。
【解決手段】線形計算上のラインにライン名を付して橋梁の縦断ラインおよび横断ラインを定義し、各ラインが交差する位置の格点、格点間の部材要素及び荷重の作用位置あるいは作用範囲をライン名で特定することにより、データの入力及び出力を行うようにしたものであって、線形データに基づいた骨組み構造モデルの作成に際し、主桁及び横桁とその他の部材とを区別した入力画面を表示し、各入力画面から入力されたデータを各々別ファイルにして保存し、その各ファイルに基づいて整形及び非整形格子構造部分を選択し、数値の自動入替えを行った構造解析を実行する橋梁設計プログラム。
【選択図】 図６

Description

本発明は、橋梁設計における骨組構造を解析するための橋梁設計プログラムに関し、特に、任意な格子構造に対しても主桁および横桁の断面の剛度や面積の自動入替えを実行する橋梁設計プログラムに関する。

橋梁の設計を行う場合には、主桁及び横桁を組んだ骨組み構造モデルを作成し、橋梁自体の自重や移動荷重および分布荷重といった様々な荷重を想定して橋梁に作用する荷重を解析し、十分な強度をもった構造を設計する必要がある。橋梁設計は、大きく分けて実際に荷重が作用した場合の橋梁構造解析と、安全に橋梁を構成し得る主桁及び横桁の断面設計である。こうした作業には従来から橋梁設計ソフトが使用され、コンピュータに読み込まれた当該構造解析プログラムに従って設計が行われていた。

その構造解析プログラムでは、橋梁の骨組み構造モデルの作成が行われ、そのモデル化には橋梁に基づいて線形計算した線形データが入力される。モデルは、図１４及び図１５に示すようにディスプレイ上に表示される平面形状の橋梁の骨組みであり、ここでは単純な形状の橋梁について説明するため、骨組み構造は橋梁の長手方向に掛けられる主桁と、それに直交する橋梁の幅方向に掛けられる横桁のみを示している。

構造モデルには、主桁と横桁とが交差する格点と格点間の要素（部材）番号が設定される。例えば、格点番号が「１０１」から順に付され、要素番号がその格点番号を結ぶ「１０１」と「２０１」とが対応して表示される。格点番号に対応した線形計算結果からの座標（Ｘ，Ｙ）及び載荷条件の入力が格点ごとに行われ、格点間ごとの部材に対して両端（ｉ端，ｊ端）の断面形状や結合条件について要素入力が行われる。そして、橋梁を構成する骨組み構造のモデルが作成されると、次に橋梁にかかる荷重入力が行われ、コンピュータの演算処理によってモデル化した骨組み構造に従い、主桁や横桁などの断面剛度や断面積などについて構造解析が行われる。

その後、橋梁の構造解析が行われた後は主桁設計に移行し、主桁と横桁とについて設計条件が入力され、構造解析の結果に基づいて設計条件に応じた主桁及び横桁の断面設計が行われる。

特開２００４−３３２４７６号公報 特許第３８５９６１６号公報

図１４及び図１５に示した従来の構造解析プログラムでは、骨組み構造をモデル化するために先ず格点番号を設定入力する。そのため設計者は、その後の作業において格点番号に基づいてデータ入力を行っていた。従って、設計者は格点番号と実際に橋梁を構成する主桁及び横桁との対応をとりながら作業を進める必要があり、その都度行う確認作業が煩雑で、しかも分かり難いため、作業効率が悪く入力ミスも起きやすかった。出力も格点番号との対応をとりながら確認するため、一見しただけで分かるというものではなく、確認し難いものであった。そこで、本出願人は、設計者にとってデータの入力作業などを容易にする構造解析プログラムを前記特許文献２において提案した。

ところが近年、橋梁設計では立体解析が増えてきており、その際、主桁と横桁の他にも、橋脚などがモデル化されている。そうした主桁部材、横桁部材、脚部材などは、共に同じ部材の性質を持つものであり、プログラムの実行においても各データが区別されているわけではなく、それぞれ一つの部材として取り扱われている。従って、主桁及び横桁の設計では、強度が不十分なため数値の入替えが必要になった場合でも、コンピュータによる自動入替えが出来ず、依然として構造解析に手間と時間を要していた。

すなわち、前述した構造解析プログラムは、各データが区別されていないため、橋脚の他、主桁の一部であっても張出部を構成する枝桁などのような整形格子構造でない非整形格子構造部分は、強度計算に対する数値の自動入替えをすることができなかった。そのため、断面積などの数値を手入力しなければならず、しかも、橋梁全体の各部材について強度が十分になるまで、すなわち各部材の数値が所定の範囲に入るまで（値が収束するまで）、数値の入替え作業が数回から数十回、或いはそれ以上になる場合もあり、その入替え作業は膨大なものであった。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、任意な格子構造に対しても、橋桁の主桁や横桁について、その強度計算に対する数値の入替えを自動で行うことができる橋梁設計プログラムを提供することを目的とする。

本発明に係る橋梁設計プログラムは、主桁や横桁を有する橋梁の骨組み構造をモデル化し、そのモデルに基づいて所定のデータを入力してコンピュータ上で構造解析を実行するものであり、線形計算上のラインにライン名を付して橋梁の縦断ラインおよび横断ラインを定義し、各ラインが交差する位置の格点、格点間の部材要素及び荷重の作用位置あるいは作用範囲をライン名で特定することにより、データの入力及び出力を行うようにしたものであって、線形データに基づいた骨組み構造モデルの作成に際し、主桁及び横桁とその他の部材とを区別した入力画面を表示し、各入力画面から入力されたデータを各々別ファイルにして保存し、その各ファイルに基づいて整形及び非整形格子構造部分を選択し、数値の自動入替えを行った構造解析を実行するものであることを特徴とする。

本発明によれば、整形格子構造部分である主桁や横桁と、非整形格子部分である枝桁やその他の部材（橋脚など）を区別して入力するため、整形及び非整形格子構造部分である橋桁について、断面剛度などを求める橋梁設計の算出において数値の自動入替えを可能にした。これにより、従来膨大であった作業量を格段に減らすことができるようになる。

鋼橋を示した平面図である。 鋼橋を示した側面図である。 鋼橋を示した断面図である。 鋼橋設計のフローチャートを示した図である。 構造解析プログラムの一実施形態における線形データを入力するための画面である。 構造解析プログラムの一実施形態における主桁名及び横桁名の指定を行う入力画面である。 構造解析プログラムの一実施形態における主桁及び横桁要素の断面定数及び材料の入力画面である。 構造解析プログラムの一実施形態における荷重入力画面である。 橋脚などその他の部材について格点入力を行う入力画面である。 橋脚などその他の部材について要素入力を行う入力画面である。 骨組み構造モデルの一部を示した図である。 断面剛度や断面積の自動入替えを行う画面である。 構造解析プログラムにおける出力データを示した図である。 従来の構造解析プログラムにおいて、ディスプレイ上に表示された座標（Ｘ，Ｙ）及び載荷条件の入力画面である。 従来の構造解析プログラムにおいて、ディスプレイ上に表示された要素入力画面である。

次に、本発明に係る橋梁設計プログラムについて図面を参照しながら以下に説明する。図１は、橋梁の橋桁部分を示した平面図であり、図２は、その長手方向を示した側面図、そして図３は、その幅方向の断面図である。この橋梁１は、長手方向に主桁を有し、その主桁に対して直交するように横桁が組まれた格子構造をしている。本実施形態では、図１に示すように主桁がＧ１〜Ｇ８の８本であり、横桁が両端のＳ１，Ｓ２と中間のＣ１〜Ｃ１０の計１２本で構成されている。なお、ここでは橋桁のみを示し橋脚は省略しているが、実際の橋梁設計に当たっては橋脚なども考慮される。

この橋梁１は、図３に示すように車道２と歩道３とを有する道路橋であり、主桁と横桁からなる骨組み構造上に、鉄筋コンクリート床板４が載置され、その上にアスファルト舗装５が施されている。橋梁１上には、中央に分離帯６が形成されその左右に車道２が設けられ、更に外側にはその車道とガードレール７を隔てて歩道３が設けられている。そして、橋梁１の両サイドには歩道の外側に落下防止柵８が設けられている。

こうした橋梁１について、鉄筋コンクリート床板４やアスファルト舗装５が施された場合の自重（死荷重）や、その橋梁１上を走行する自動車の移動荷重（活荷重）の掛かり方などについて調べ、その荷重に十分耐え得るための骨組みの構造解析を行う必要がある。そして、その構造解析に基づいて主桁及び横桁の設計が行われる。こうした橋梁１の設計に関する作業の流れは、図４のフローチャートに従って行われる。図４は、主桁について示したものである。

橋梁設計は、大きく分けて実際に橋梁に荷重が作用した場合の橋梁構造解析と、安全に橋梁を構成し得る主桁及び横桁の断面設計である。橋梁設計プログラムでは、まず橋梁の骨組み構造についてモデルの作成が行われる（Ｓ１１０）。骨組み構造のモデル化は線形データの入力によって行われる。そして、各種荷重の入力が行われ、コンピュータの演算処理によってモデル化した骨組み構造に従って構造解析が行われ（Ｓ１２０）、構造解析計算書が出力される（Ｓ１３０）。橋梁の構造解析が行われた後は、主桁設計に移行する。具体的に図示しないが、主桁と横桁とについて番号を付し、その番号を用いて設計条件が入力され（Ｓ１４０）、構造解析された主桁及び横桁に基づいて設計条件に応じた主桁計算が行われる（Ｓ１５０）。

その際、本実施形態では、構造解析について橋桁部分と橋脚などその他の部分を自動的に区別し、橋桁部分については以下に示す自動入替えを実行し、その他の部分については従来の方法を採用する。すなわち、橋梁の各部材における強度計算に際して数値が収束しない場合、従来は、橋桁部分であっても整形格子でない非整形格子構造部分は数値の自動入替えを行うことができなかった。そこで、本実施形態では、橋桁とその他の部分とを区別し、更に整形格子部分と非整形格子部分とを区別したデータファイルを作成することによって数値の自動入替えを可能にしている。つまり橋桁においても、主桁と横桁とは図６に示すように区別して入力することによって別ファイルにし、枝桁を有する場合にでも枝桁と主桁が区別できるようになっている。

次に、本実施形態の橋梁設計プログラムの作用について説明する。橋梁設計プログラムはコンピュータに読み込まれ、設計者の入力作業によってコンピュータが演算処理することにより実行される。そこで、以下に設計者が操作するコンピュータのディスプレイを示しながら、橋梁設計プログラムによる作業手順を説明していく。ここで、図５乃至図８は、構造解析を実行するのに際して設計者に表示される、ディスプレイの作業画面を表したものである。なお、橋脚を含めて示した図６では、本来８本あるＧ１〜Ｇ８の主桁のうち２本の主桁（Ｇ１，Ｇ２）を入力した状況を示している。

先ず、設計者は設計対象となる図１乃至図３に示した完成時の橋梁１についてその線形データを入力する。線形データは、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の座標と角度、そして端部からの延べ長さである。

次に、その線形データに基づいて骨組み構造モデルが作成される。それには橋梁の基本形状ライン、すなわち縦断ラインおよび横断ラインが定義される。例えば図１乃至図３の橋桁では、先ず線形計算上のラインにライン名がつけられる。Ｘ軸方向の縦断ラインには、図３に示す骨組みを構成する主桁Ｇ１〜Ｇ８の他に、それに支持される道路部分について車線や歩道に応じて設定したラインＬ１〜Ｒ１が定義され、それぞれがライン名として設定される。横断ラインには、図２に示すＡ１〜Ａ２がそれぞれ定義され、ライン名として設定される。

この場合、縦断ラインのうち、ラインＬ１が最上側のラインであり、ラインＣＬは橋梁１の形状において左右の中心を示すラインであり、さらにラインＧ−ＣＬＲは橋梁の左右方向の重心を示すラインである。一方、横断ラインにおいては、横桁Ｓ１，Ｓ２，Ｃ１〜Ｃ１０以外のラインＡ１，Ａ２はたもと位置を、ラインＧＥＡ，ＧＥ２，Ｐ１は支承位置をそれぞれ示すラインである。

図５は、基本条件入力画面、すなわちディスプレイに表示された線形データを入力するための画面である。この線形データは、入力手段によって橋梁の線形座標値などを入力し、あるいは線形ファイルから入力されるが、ここでは線形データのファイルが用意され、そのファイルからの読み込みが行われる。なお、基本条件にはその他に、解析タイプ、トラス構造、主桁タイプの設定が行われる。解析タイプを平面構造（２Ｄ）のモデルとするため、Ｚ座標一括修正量としてゼロを入力する。

次に、図６は、主桁名及び横桁名の指定を行うディスプレイに表した入力画面を示した図である。ここでは、先に入力したライン名と主桁及び横桁とを対応させるための作業が行われる。先ず、主桁の場合、線形欄には先に入力された線形データのうち、縦断ラインのライン名が表示される。そして、例えばＧ１をクリックした後、矢印「→」をクリックすることにより、入力主桁欄にはラインＧ１が主桁として登録される。同じようにしてラインＧ２についても行われる。なお、主桁には橋梁の骨組みを構成するラインＧ１〜Ｇ８が登録される。

一方、横桁の場合も同じように、線形欄には先に入力された線形データのうち、横断ラインのライン名が表示される。そして、例えばラインＳ１をクリックした後、矢印「→」をクリックすることにより、入力横桁欄にはラインＳ１が横桁として登録される。これを同じようにラインＳ２及びラインＣ１〜Ｃ１０についても行うことにより、橋梁の骨組みを構成するラインＳ１，Ｓ２及びラインＣ１〜Ｃ１０が横桁として登録される。
以上の作業によって、図５に示すようにライン名の記入された主桁及び横桁について区別したデータファイルが作成される。

一方、主桁や横桁の他にも橋脚などについて入力が行われる。すなわち、図９及び図１０に示す入力画面から、その他の要素データを区別した入力が行われる。図９は、橋脚などその他の部分の節点（格点）の入力画面であり、図１０は、橋脚などその他の部分の要素（部材）の入力画面である。このように、本実施形態では、格子構造の橋桁部分以外については、その他部材に関する入力画面を選択し、それについてデータ入力を行うことで、橋梁における骨組み構造モデルに関するデータを橋桁部分と、それ以外のその他の部分とに区別したファイル管理が行われる。
以上の入力作業によって、ライン名の記入された主桁及び横桁からなる鋼橋の骨組み構造についてモデルがつくられる。

次に、主桁及び横桁について断面定数及び材料の入力が行われる。この入力は図７に示す入力画面から行われる。また、ここで図１１は、骨組み構造モデルの一部を示した図である。
例えば、図８に示す主桁要素１１について入力が行われる場合、図７に示す入力欄（１）には、「主桁／横桁」「横桁／主桁始」「横桁／主桁終」の各欄にライン名（Ｇ１，Ｓ１，Ｃ１）が入力され、その主桁要素１１が特定される。従って、設計者は、そのライン名を参照して入力すべき主桁及び横桁要素を特定し、仮定断面積、仮定剛度Ｉｙ、仮定剛度Ｉｚをそれぞれ入力することになる。

そして、各要素の断面定数などの入力が行われた後、更に荷重の入力が行われる。荷重には、床板、舗装及びハンチなどによる面荷重、縁石や分離帯、添加物などによる線荷重、そして節点荷重や活荷重、更に死荷重などが区別して入力される。例えば、図１１に示す格点２１に節点荷重がかかる場合、図８に示す入力欄（２３）には、横桁と主桁の各ライン名によってその格点２１が特定される。従って、設計者は、そのライン名を参照して入力すべき格点を特定し、荷重をそれぞれ入力することになる。

こうして各種荷重の入力が行われた後、コンピュータの演算処理により、モデル化した骨組み構造に従って有限要素法に基づく構造解析が行われ、主桁Ｇ１〜Ｇ８や横桁Ｓ１，Ｓ２，Ｃ１〜Ｃ１０、その他の部材について断面剛度や断面積の算出が行われる。それには、先に入力された仮定剛度や仮定断面積に従って格子構造解析が行われ、それに基づいて橋梁全体について断面剛度及び断面積が算出される。このとき、橋桁全体の各部材について十分な強度が得られればよいが、そうでない場合には、主桁や横桁の断面剛度及び断面積が所定の範囲に入るまで（値が収束するまで）数値の入替えによる構造解析が繰り返される。

数値の入替えが必要な場合には、図１２に示す画面から自動入替えが行われる。本実施形態の橋梁設計プログラムでは、オペレータが行っていた従来の数値入替え入力をコンピュータが自動で行うよう構成されている。すなわち、図６に示す入力によって、橋桁の主桁及び横桁について各々ライン名と線形データとが一対一に対応しているため、ライン名から強度が不十分な箇所を特定することが可能であり、プログラム内で強度不足を補う必要のある箇所について数値の自動入替えが行われる。

その際、図１２に示す自動入替え画面で「剛度入替え再計算」をクリックする。すると、強度が不十分な箇所について断面剛度と断面積が自動で入替えられ、格子構造解析が再び実行される。そして、格子構造解析を再実行した後の最新断面力を用いて、応力などが再計算され板厚等が自動的に変更される。強度に余裕ある場合には板厚を小さくし、逆に強度不足の場合には板厚を大きくし、そうした再計算の結果が再び画面表示される。

実際の画面では、「仮断面定数」欄に、最初は初期値が表示され、計算が実行された後に１回目の計算結果が「実断面定数」欄に表示され、同時に「実／仮定」欄の数値が表示される。そして、自動入替えによってコンピュータが自動的に板厚などを変更した場合には、変更した結果が「仮断面定数」欄に表示された後に２回目の計算が行われ、その結果が「実断面定数」欄に表示される。こうした動作が繰り返され、「実／仮定」欄の数値が所定の範囲に入った時点で収束となり、計算が終了する。

一方、図９及び図１０に示す入力画面から入力した要素データを基に、格子でないその他の部分の断面剛度や断面積の算出が行われる。ただし、橋脚などは、下部工設計などの他の設計プログラムで取り扱い、本プログラムでは取り扱わない。

そして、図１３に示すような橋桁に関する構造解析計算書が出力される。この構造解析計算書は、データ入力時と同様にライン名に対応して出力される。例えば、要素名「Ｇ１−Ｓ１＆Ｇ１−Ｃ１」は、図８に示すように「Ｇ１−Ｓ１」と「Ｇ１−Ｃ１」とで特定される格点２１，２２を結ぶ要素１１である。

よって、本実施形態の橋梁設計プログラムでは、主桁（枝桁を含む）や横桁とその他の部材として橋脚などを区別して入力したため、特に整形及び非整形格子構造部分である橋桁について、断面剛度などを求める構造解析の算出において数値の自動入替えを可能にした。これにより、従来膨大であった作業量を格段に減らすことができるようになった。

また、本実施形態の橋梁設計プログラムによれば、設計者が馴染んだＧ１，Ｓ１，Ｃ１…といった主桁名及び横桁名をライン名にして格点や部材要素を特定できるようにしたため、荷重入力などを行う場合、あるいは出力データを読む場合、設計者が格点や部材要素の位置の把握が非常にわかりやすく、取り扱いが極めて容易になった。
更に、主桁や横桁が追加された場合には、格点番号を追加しなければならず、設計者にとってより格点位置の把握が難しくなるが、本実施形態では、桁名を追加するだけなので格点や部材の追加が容易になり、また番号ではなく追加した主桁や横桁のラインに基づいて格点を把握していくため、追加後の入力にも入力ミスなどが起き難くなった。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

１ 橋梁
２ 車道
３ 歩道
４ 鉄筋コンクリート床板
５ アスファルト舗装
Ｇ１〜Ｇ８ 主桁
Ｓ１，Ｓ２，Ｃ１〜Ｃ１０ 横桁

Claims (1)

1. 主桁や横桁を有する橋梁の骨組み構造をモデル化し、そのモデルに基づいて所定のデータを入力してコンピュータ上で構造解析を実行するものであり、線形計算上のラインにライン名を付して橋梁の縦断ラインおよび横断ラインを定義し、各ラインが交差する位置の格点、格点間の部材要素及び荷重の作用位置あるいは作用範囲をライン名で特定することにより、データの入力及び出力を行うようにした橋梁設計プログラムにおいて、
   線形データに基づいた骨組み構造モデルの作成に際し、主桁及び横桁とその他の部材とを区別した入力画面を表示し、各入力画面から入力されたデータを各々別ファイルにして保存し、その各ファイルに基づいて整形及び非整形格子構造部分を選択し、数値の自動入替えを行った構造解析を実行するものであることを特徴とする橋梁設計プログラム。