JP2013224730A - ボイラ制振用のサイスミックタイおよびこれを用いたボイラ耐震構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラ本体の振動エネルギーの吸収性能を増加し、支持架構に作用する地震荷重を低減するサイスミックタイを提供すること。
【解決手段】複数の柱と梁からなる支持架構と上部梁から吊り下げられるボイラ本体との間に設置され、地震振動エネルギを吸収するサイスミックタイであって、サイスミックタイは、弾性部材であるリンクと弾塑性部材であるピン材１６とからなるヒンジ結合構造を有し、ピン材１６は、中央部に断面円形の支圧部１６Ｃを有し、さらに、ヒンジ結合部位に向かって径を漸次小とする紡錘型ピン材を部分的に切断加工したウエブ部１６Ｗと、ウエブ部の外縁側に残存したフランジ部１６Ｆと、からなるピン紡錘形状切断加工部１６Ｂを有し、ウエブ部１６Ｗはピン軸方向にその両側部を平板状に切断した形状であり、ピン軸方向と垂直方向の断面において、ウエブ部の断面面積に対するフランジ部の断面面積の比が１．３〜１．７である。
【選択図】図２

Description

本発明は、主に火力発電プラント用大型ボイラの耐震構造に係わり、特にボイラに設置される振動吸収装置であるサイスミックタイに関する。

主に火力発電プラントに用いられる大型ボイラは、通常、複数の柱と上下方向に複数配される主梁との組合せにより構成される支持架構の上部からそのボイラ本体が吊下げられた構造である。そこで、従来採用されており、且つ本発明の実施形態に係るサイスミックタイを適用可能とするボイラの耐震構造について、図１５〜図２０を参照しながら、以下説明する。

ここで、図１５は、従来技術に関する、ボイラ本体４と、支持架構７の柱１及び主梁２と、サイスミックタイ６とを備えたボイラ耐震構造の側面図である。図１７は、ボイラ耐震構造における支持架構の複数層に形成されたサイスミックタイ６の配置を示す図であり、図１８は、従来技術に関するボイラ耐震構造に適用されるサイスミックタイ６の構造を示す見取図であり、図１９は、従来技術に関するサイスミックタイ６の紡錘型ピンの構造を示す図であり、図２０は、サイスミックタイによるエネルギー吸収の原理を説明する図である（本発明の原理説明図でもある）。

ボイラ本体４は運転中に上下方向に熱伸びする。この熱伸びを拘束しないようにするため、ボイラ本体４は主梁２と柱１（鉄骨柱とも称する）から成る支持架構７により、吊りボルト３を介して吊下げ支持されている。

ここで、主梁２とは、水平方向に配置する耐震用の梁２を意味する。主梁２（以下、梁または鉄骨梁とも称する）は、地面３２からの高さ方向に配置される。下方から順に支持架構７の基礎部分から最下部の主梁２までを第１層、最下部の主梁２から次の主梁２までを第２層として、ボイラ本体４を吊下げる主梁２まで複数の層構造を成し、図１５の例では第７層まで形成されている。

支持架構７における層構造の複数層に支持架構７とボイラ本体４とを接続してボイラ本体４と支持架構７の振動エネルギーを吸収するサイスミックタイ６が設けられている。

図１５において、サイスミックタイ６は、主梁２の裏側に隠れた状態で配置され、支持架構７とボイラ本体４に連結されている（図１７をも参照）。

図１５に示すボイラ耐震構造において、サイスミックタイ６は、第１層の上部、第２層の上部、第４層の上部、第５層の上部、第６層の上部に設置されている。図１５におけるサイスミックタイ６の配置を平面表示したものが図１７である。Ａ−Ａ〜Ｇ−Ｇ断面で計１４個のサイスミックタイ６が配置されている。

ボイラ本体４と支持架構７の間には、複数のサイスミックタイ６が設置されており、このサイスミックタイ６で地震荷重５による地震エネルギーを吸収してボイラ本体４と支持架構７を制振する。

図１８は、従来技術に関するボイラ耐震構造に適用されるサイスミックタイの構造を示す見取図である。図１８に示す紡錘型ピン６Ｂを有するサイスミックタイ６の構造例は、例えば特許文献１に開示されている。このサイスミックタイ６は支圧部６Ｃを介して、ボイラ４及び支持架構７に連結されている。サイスミックタイ６は、紡錘型ピン６Ｂ（柔な鋼材）と、リンク６Ａ（剛な鋼材）をヒンジ結合して構成される。この特許文献１によると、ボイラ本体と支持鉄骨との間に掛け渡された振れ止め構造体は、平行な２本のリンクとこのリンクに結合されたピン材とから構成され、このピン材は、中央部から両端に向かって漸次、ピン径を小さくする紡錘型形状を構成することが開示されている（図１８と図１９を参照）。

図１９に、特許文献１に開示されたサイスミックタイ６の内で紡錘型ピン６Ｂと支圧部６Ｃの構造を示す。このピン６Ｂは、支圧部６Ｃから軸方向に断面が小さくなる、いわゆる紡錘型（ラグビーボール型）となっている。断面形状は、支圧部６Ｃにおける断面（Ｃ−Ｃ断面）、及びその他の部分の断面（Ｄ−Ｄ断面）が円形となっている。

図２０は、従来技術及び本発明に関するサイスミックタイによるエネルギー吸収の原理を説明する図であるが、図１９に示す紡錘型ピンの従来構造におけるサイスミックタイの反力Ｆｉと変位δｉの関係を図２０の実線で表す。この実線で囲まれる面積が、振動エネルギ吸収量に相当する。なお、図２０において座標の原点を通る実線は後述する第１勾配を説明するための線である。

ボイラ構造物の場合、ボイラ本体と支持架構の相対変位がサイスミックタイに作用する変位δｉとなり、この作用によってサイスミックタイに反力Ｆｉが発生する。地震時に配管に損傷が生じないようにするため、実機におけるサイスミックタイの変位δｉを最大値（図１６で、最大変位δｉ、ｍａｘ＝１５ｃｍ）以下に抑える必要がある。

特許第２５７２４０３号公報

ここで、サイスミックタイによるエネルギ吸収の原理について図２０を用いて説明する。実線で示す図１９に示す紡錘型ピンの従来構造における最大変位（δｉ、ｍａｘ＝１５ｃｍ）、最大反力Ｆｉ、ｍａｘを超えない条件下で、振動エネルギー吸収量の最大値は、図２０に示す点線（図２０で、目標と記載）で示す矩形の面積である。

この矩形面積に極力近づけるように、実線で示す紡錘型ピンの従来構造による振動吸収エネルギー面積を広げるような構造が望まれる。従来構造からエネルギー吸収性能を増加するには、図２０に示すサイスミックタイにおけるピン材の第１勾配（サイスミックタイにおけるピン材が弾性時の勾配）を増加させ、第２勾配（サイスミックタイにおけるピン材が塑性時の勾配）を低減する必要がある（ピン材６は弾塑性特性を有している）。

上述した第１勾配の増加には、従来構造よりも断面２次モーメントを増加する必要があり、第２勾配の低減には、塑性応力面積部分を広げてかつその応力分布を平準化する必要がある。

上述の施策として、断面２次モーメントを増加するように従来構造におけるピン材６の直径を大きくすると、断面積も増加してしまい塑性応力面積が低減するため、エネルギー吸収増加につながらない。この逆に、塑性応力面積部分を広げるため、サイスミックタイの直径を小さくすると、断面２次モーメントが減少するため、エネルギー吸収増加につながらない。このように、断面２次モーメントを増加することと塑性応力面積部分を広げることには相反関係にあるため、両者を両立する構造を見出すことは非常に困難な課題であった。

換言すると、サイスミックタイにおけるピン材の直径を大きくすると、断面２次モーメントが増加し第１勾配の上昇で変位に対する反力が強くなりエネルギー吸収増加となるが、一方で、ピン材における内部応力の高低分布差が大きくなり応力分布平準化とならず塑性応力面積が少なくなって第２勾配が上昇するためエネルギー吸収増加につながらない（後述する図１２と図１３の説明を参照）。

本発明は、上述の課題を解決すべく断面２次モーメントの増加と塑性応力面積部分の拡大の両立を図るサイスミックタイを採用することによって、ボイラ本体の振動エネルギーの吸収性能を増加し、支持架構に作用する地震荷重を低減するボイラ耐震構造を提供することにある。

付け加えると、本発明の課題は、地震時の振動エネルギの吸収性能を増加し、かつ地震後の復旧作業の迅速化を考慮して配管など装置への被害を最小限にするサイスミクタイを提供すること、およびボイラ本体の支持架構であるボイラ建屋に作用する地震荷重を低減するボイラ制振構造体を提供することである。これにより地震時の振動エネルギの吸収性能をサイスミックタイにより増加することができるので、従来のように支持架構の剛性を増加する必要が無く、新設ボイラの場合は支持架構であるボイラ建屋に使用する鉄骨重量を低減することができる。また、既設ボイラの場合は耐震性を向上したボイラ耐震構造体を提供することができる。

前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
複数の鉄骨柱と鉄骨梁からなる支持架構と、該支持架構の上部の鉄骨梁から吊り下げ支持されるボイラ本体とを接続し、前記支持架構と前記ボイラ本体の地震時の相対変位を利用して地震の振動エネルギを吸収するサイスミックタイにおいて、
該サイスミックタイは、弾性部材であるリンク材と、該リンク材に垂直方向に弾塑性部材であるピン材とからなり、前記リンク材と前記ピン材の両端部を互いにヒンジ結合した構造を有し、前記ピン材は、該ピン材の軸方向の中央部に断面形状が円形の支圧部を有するとともに、該支圧部から前記ヒンジ結合の部位に向かって外径を漸次小とする略紡錘形状を有し、前記ピン材の支圧部は、前記支持架構と前記ボイラ本体に連結されており、前記略紡錘形状は、ウエブ部と該ウエブ部の外縁側に設置するフランジ部とで形成した構造である。

また、前記サイスミックタイにおいて、前記略紡錘形状は、ウエブ板と該ウエブ板の外縁側に設置したフランジ板とで形成した構造であり、前記ウエブ板は、前記ピン材の軸を中心としてピン材の軸方向にウエブ板の両側部を対称に配置した形状であり、前記ピン材の軸方向と前記ピン材の軸に対して垂直方向の断面において、前記ウエブ板の断面面積に対する前記フランジ板の断面面積の比が１．３〜１．７である構成とする。さらに、前記サイスミックタイを、複数の鉄骨柱と鉄骨梁とからなり且つ複数の層構造からなる支持架構と前記ボイラ本体とからなるボイラ耐震構造体において、前記ボイラ耐震構造体の重心位置に相当する層に、少なくとも設けたボイラ耐震構造体とする。上記のサイスミックタイにより振動エネルギ吸収量を増加することで支持架構に作用する地震荷重を低減可能とする構成である。

本発明によれば、サイスミックタイにおける紡錘形状切断加工部をもつピン構造をウエブ部とフランジ部で構成し、ウエブ部の断面積に対するフランジ部の断面積を適宜に設定することで、断面２次モーメントの増加と塑性応力面積部分の拡大の両立を図って、サイスミックタイでボイラ本体の振動エネルギーを吸収して支持架構に作用する地震荷重を低減することができる。

また、地震荷重の低減によって、新設ボイラの場合は支持架構の軽量化を達成でき、既設ボイラの場合はその耐震性を向上することができる。

本発明の実施形態に係るサイスミックタイにおけるピン材の構造を示す正面図である。 本実施形態に係るサイスミックタイにおけるピン材の構造を示す見取図である。 本実施形態に係るサイスミックタイにおけるピン材の他の構造を示す側面図と平面図である。 本実施形態に係るサイスミックタイにおけるピン材の他の構造を示すウエブ板、フランジ板、固定板、支圧部部品を示す図である。 図１に示すピン材におけるピン軸方向の各部位でのピン軸垂直方向の断面形状を示す図である。 図３に示すピン材の他の構造におけるピン軸方向の各部位（Ｅ−Ｅ切断〜Ｊ−Ｊ切断部位）でのピン軸垂直方向の断面形状を示す図である。 本実施形態に関するピン材におけるピン軸垂直方向の断面形状とその寸法関係を示す図である。 本実施形態に係るサイスミックタイの振動エネルギ吸収量と、ピン材のウエブ部断面積に対するフランジ部断面積の比と、の関係を示す図である。 本実施形態に係るサイスミックタイの有限要素解析モデルの１／４分割モデルを示す図である。 本実施形態に係るサイスミックタイの有限要素解析モデルの１／４分割モデルの境界条件を表す図である。 本実施形態に係るサイスミックタイの有限要素解析モデルの解析結果である荷重変位曲線を示す図である。 従来技術に関するサイスミックタイの有限要素解析モデルの解析結果である荷重変位曲線における最大反力点における応力分布を示す図である。 本実施形態に係るサイスミックタイの有限要素解析モデルの解析結果である荷重変位曲線における最大反力点における応力分布を示す図である。 本実施形態に係るサイスミックタイをボイラ本体に適用した場合の水平方向の地震荷重について、従来技術と比較しながら、ボイラ支持架構の高さ方向の分布で表す図である。 従来技術に関する、ボイラ本体と、支持架構の柱及び主梁と、サイスミックタイとを備えたボイラ耐震構造の側面図である。 従来技術に関する、火炉、側壁部、後部壁部及びペントハウス部からなるボイラ本体と、支持架構であるボイラ建屋と、タービン建屋と、ボイラ建屋とタービン建屋間に配設される主配管と、の全体構成を示す概略図である。 ボイラ耐震構造における支持架構の複数層に形成されたサイスミックタイの配置を示す図である。 従来技術に関するボイラ耐震構造に適用されるサイスミックタイの全体構造を示す見取図である。 従来技術に関するサイスミックタイの紡錘型ピンの構造を示す図である。 サイスミックタイによるエネルギー吸収の原理を説明する図である。

本発明の実施形態に係るサイスミックタイについて、図面を参照しながら以下説明する。本実施形態に係るサイスミックタイ６は、図１５と図１８に示すように、ボイラ本体４と支持架構（ボイラ建屋とも称する）７の間に複数設置されており、サイスミックタイ６で地震荷重５による地震エネルギーを吸収してボイラ本体４と支持架構７を制振するものである。

ここで、本実施形態に係るサイスミックタイ６について、鉄骨柱１と鉄骨梁２からなるボイラ建屋７と、ボイラ建屋７に吊り下げられたボイラ本体４と、ボイラ本体４からタービン建屋３０へ配設された主配管２４と、を含めた全体構造からみて、地震時対応としてのサイスミックタイの必要性を敷衍して説明する。図１６は、従来技術に関する、火炉、側壁部、後部壁部及びペントハウス部からなるボイラ本体と、支持架構であるボイラ建屋と、タービン建屋と、ボイラ建屋とタービン建屋間に配設される主配管と、の全体構成を示す概略図である。なお、図１５〜図１８、図２０は、従来技術を説明するための構成を示す図ではあるが、本実施形態においても適用される基盤的な技術である。

図１６において、火力発電プラントに用いられる大型ボイラは、そのボイラ本体が通常、複数の鉄骨柱１と鉄骨梁２との組合せにより構成される鉄骨構造であるボイラ建屋７（支持架構体７とも称する）の最上部の鉄骨梁から吊下げられている。

ボイラ本体は周囲を伝熱壁（周壁とも称する）で囲まれた筐体構造を成しており、前記伝熱壁に設けたバーナ等により化石燃料等の燃料と共に燃焼用空気を供給して燃焼させる火炉と、該火炉の上部に連通して水平方向に設けられ、燃焼により生じた燃焼排ガスが流れる流路（側壁部２１とも称する）と、該流路に連通して設けられ燃焼排ガスが下降流となり流れる流路（後部壁部２２とも称する）と、からなる。

火炉２０の上部には吊下げ型の過熱器や再熱器が燃焼排ガス流路内に設けられており、火炉２０からの例えば約１４００℃から１５００℃の高温の燃焼排ガスと過熱器、再熱器および周壁の内部を流通する水蒸気または水との間で熱交換を行う。側壁部２１においても燃焼排ガスは周壁の内部を流通する水蒸気または水との間で熱交換を行い、例えば約１０００℃から１１００℃の燃焼排ガスとなり後部壁部２２に流入する。

後部壁部２２においては横置き型の過熱器、再熱器、節炭器が同じく燃焼排ガス流路内に設けられており、側壁部２１からの燃焼排ガスは過熱器、再熱器、節炭器および周壁の内部を流通する水蒸気または水との間で熱交換を行い、例えば約３００℃から４００℃の燃焼排ガスとなる。

ボイラ本体４（図１５参照）の最上部には、天井壁およびシール構造により火炉２０、側壁部２１および後部壁部２２の内部とは断熱遮断されたペントハウス部２３があり、過熱器や再熱器の管寄せが設けられている。過熱器や再熱器で高温となった蒸気はペントハウス部２３内の管寄せを経由して管寄せに連通して設けられた主蒸気管や再熱蒸気管（これらをまとめて主配管２４と称する）を介して、ボイラ建屋７とは別に独立して設けられたタービン建屋３０側に伸延される。

また、後部壁部２２の下部または後方からボイラ建屋７の外部に連通して排ガスダクトが設けられている。排ガスダクトの経路内には脱硝装置、除塵装置および脱硫装置などの環境装置や熱交換器が設けられており、後部壁部２２からの燃焼排ガスは脱硫装置出口で約５０℃となった後、最終的に煙突から大気へ放出される。

この他、図１６には図示していないが、ボイラ本体４からボイラ建屋７を経てタービン建屋３０近傍に連通しているものとしてはボイラ本体４への給水を供給する主給水管などがある。主蒸気管や再熱蒸気管はボイラ本体からボイラ建屋７を経由してタービン建屋３０に至る経路において、ボイラ建屋７内、タービン建屋３０内および両者間の鉄骨構造物に設けられたスプリングハンガなどの支持サポートに吊下げられており、各構造物における配管の熱伸びに対応できるようにしている。また、排ガスダクトはボイラ建屋７からの出口部などにエクスパンション構造が設けられており、ボイラ本体の熱伸びに対応できるようにしている。

これらの配管やダクトは少なくともボイラ本体４（図１５参照）の熱伸びには対応可能に設計されているが、振幅の大きな地震時の対応には限界がある。特に、ボイラ本体４とボイラ建屋７間においては、地震時のボイラ本体４とボイラ建屋７との干渉を防止するためボイラ本体４とボイラ建屋７との相対変位量には制限があり、仮に制限を越えた変位が生じた場合には主配管２４等の破損が生じるため、地震後の復旧に多大の時間を要することになる。このためボイラ本体４とボイラ建屋７間には弾性変形に加えて塑性変形により振動エネルギを吸収するサイスミックタイ６を用いて対応する。

図１５に、ボイラ耐震構造体を説明するための側面図を示す。図１５において鉄骨梁２と鉄骨柱１から成る支持架構であるボイラ建屋７内に、ボイラ本体４が吊下げられている。ここでは鉄骨柱１と鉄骨梁２との内でボイラ耐震構造体の重要構成部品については特に主鉄骨柱１と主鉄骨梁２と称することとする。ボイラ本体４は吊りボルト３を介して最上部の主鉄骨梁２ａに吊下げ支持されており、運転中に吊下げ支持部を起点として上下方向を下向きに非拘束で熱伸びする。また、図示していないが、吊下げ支持部の任意の位置を水平方向に移動する基準点として設定し、水平移動を可能とするようにスライドやエキスパンション代を設けている。

ここで、主鉄骨梁２は、ボイラ建屋において水平方向に配置されておりボイラ耐震構造体の重要構成部品を成しており、地面（基礎部とも称する）３２からの高さ方向に複数が水平方向に配置されている。ボイラ耐震構造体は、下から順に基礎部から最下部の主鉄骨梁２までを第１層、最下部の主鉄骨梁２から次の主鉄骨梁２までを第２層と称しており、ボイラ本体４を吊下げる主鉄骨梁２まで複数の層構造を成している。図１５の例では第１層から第７層までからなるボイラ耐震構造体が形成されている。

複数の層構造からなるボイラ耐震構造体であるボイラ建屋７では複数層において主鉄骨柱１または主鉄骨梁２のいずれかとボイラ本体４とを接続してボイラ本体４の地震時の振動エネルギを吸収する構造体であるサイスミックタイ６が設けられている。なお、サイスミックタイ６の一方は、通常は主鉄骨柱１に接続されているが、剛性が高ければ主鉄骨梁２に接続することも可能である。また、サイスミックタイ６の他方は、通常、ボイラ本体４の火炉を取り囲むようにバックステと称する周壁を拘束する構造体が設けてあり（図１８参照）、バックステを介して接続される。

図１５において、サイスミックタイ６は、一方が主鉄骨梁２と同じ高さ位置で主鉄骨柱１に接続され、他方が図示していないバックステに接続されており、バックステを介してボイラ本体４に連結されている。このように、サイスミックタイ６の主鉄骨柱１への接続位置を主鉄骨梁２と同じレベルにしたのは、両者が設けられていることによりボイラ建屋側の剛性が最も高い部分となることによる。

また、図１５において、サイスミックタイ６は、第１層の上部、第２層の上部、第４層の上部、第５層の上部、第６層の上部に設置されている。図１５におけるサイスミックタイ６の配置を平面表示したものが図１７である。図１５と図１７に示すＢ−Ｂ断面〜Ｇ−Ｇ断面に全１４個のサイスミックタイ６が配置されている。火炉側に１０個、後部壁部側に４個である。また、各サイスミックタイ６の鉄骨柱１への取り付け角度は例えば３０度〜４５度としており（図１７に示す長尺形状のサイスミックタイ６が鉄骨柱１に当接する角度）、ボイラ本体の平面上のあらゆる変位方向に対応できるようにしている。なおまた、ボイラ本体の熱伸び（上下移動）に対しても対応できる構造になっている。このように、サイスミックタイ６により地震荷重５による地震エネルギを吸収してボイラ本体４とボイラ建屋７とのボイラ構造物を制振する。

図１８にはサイスミックタイ６の従来例を示しており、これによると、サイスミックタイ６は、鋼板などの剛な鋼材２枚を１組として長さ方向の端部を溶接して１枚の板状にしたもの（リンク材６Ａと称する）をボイラの高さ方向に上下１組ずつ平行に配置したものと、リンク材６Ａの上下の両端部にそれぞれ垂直方向に鋼材２枚の間に差し込んで配置した紡錘型の柔な２本の鋼材（ピン材６Ｂと称する）と、から構成され、ピン材６Ｂの両端部とリンク材６Ａの両端部を小径の丸鋼（ピン）によりヒンジ接続している。

また、２本のピン材６Ｂの中央部に設けた支圧部６Ｃにそれぞれ接続部材を設け、一方を支圧部６Ｃを介して、支持架構７の鉄骨柱１に連結し、他方をバックステに連結している。すなわち、サイスミックタイ６は、ピン６Ｂ（柔な鋼材）と、リンク６Ａ（剛な鋼材）をピンによりヒンジ結合して構成されている（上述した特許文献１を参照）。

図１９に、図１８で説明した従来構造のサイスミックタイに使用されているピン材６Ｂを示す。このピン材６Ｂは、ピン材の軸方向の中央部に設けた支圧部６Ｃから軸方向に離間するに従い断面が小さくなる、いわゆる紡錘型(ラグビーボール型)となっており、断面形状は、支圧部６Ｃにおける断面（Ｃ−Ｃ断面）、及びその他の部分の断面（Ｄ−Ｄ断面）とは同心円形となっている。

この従来構造におけるサイスミックタイの反力Ｆｉと変位δiの関係を、図２０中の実線で示す。この実線で囲まれる菱形の面積が、地震時の振動エネルギ吸収量に相当する。

次に、本発明の実施形態におけるボイラ耐震構造物の場合について説明する。ボイラ本体４とボイラ建屋７との相対変位がサイスミックタイに作用する変位δｉとなり、この変位によってサイスミックタイに反力Ｆｉが発生する。地震時に図１６で示した主配管２４等に損傷が生じないようにするため、実機におけるサイスミックタイの変位δｉを最大値（最大変位とも称する）以下に抑える必要がある。すなわち最大変位は主配管２４等が損傷しない範囲で変位する最大の相対変位となり、ボイラ本体４とボイラ建屋７とが地震時の振動により相対変位したときに、ボイラ本体４と同じ変位をする主配管２４がボイラ建屋７側でのスプリングハンガー等による変位吸収量を超えてボイラ建屋７に干渉する相対変位以下になるように考慮して任意に設定する。

ここでは、最大変位δｉ，ｍａｘを１５ｃｍと仮定して、サイスミックタイによる地震時の振動エネルギ吸収の原理について、図２０を用いて以下に説明する。図２０の実線は、地震時のサイスミックタイが変位に対して作用する反力の状態を示したものである。変位開始前は原点にあり、右側の変位に応じて右上がりに増加する。この勾配を第１勾配と称し、弾性変形により反力が増加する。変位が進むと弾性変形から塑性変形へとなり、ここからの勾配を第２勾配と称する。この第２勾配は変位が最大変位（１５ｃｍ）に達するまで続く。

次に、変位が右から左に方向を変えると反力の方向が逆になり、弾性変形により前記最大変位から連続して第１勾配と平行に逆進し、原点まで戻らない位置で塑性変形となり、左側の変位に対して第２勾配と平行に最大変位（−１５ｃｍ）に達するまで進む。さらに変位が左から右に方向を変えると反力の方向がまた逆、すなわち最初の方向と同じになり、弾性変形により第１勾配と平行に塑性変形に変わるまで進み、塑性変形後は第２勾配で最大変位（１５ｃｍ）まで進むことになる。

図２０において、実線で示す従来構造における最大変位(δｉ，ｍａｘ＝１５ｃｍ)、最大反力Ｆｉ，ｍａｘを超えない条件下で、地震時の振動エネルギ（以下、単に振動エネルギとも称する）吸収量を最大にするのが、図２０の点線(図２０で、目標と記載)で示す矩形の面積（以下、振動吸収エネルギ面積とも称する）である。

この矩形面積に極力近づけるように、実線で示す従来構造による振動吸収エネルギ面積を広げるような構造が望まれる。従来構造から振動エネルギの吸収性能を増加するには、図２０に示すサイスミックタイの第１勾配(サイスミックタイが弾性時の勾配)を増加させ、第２勾配(サイスミックタイが塑性時の勾配)を低減する必要がある。

上述した第１勾配の増加には、従来構造よりも断面２次モーメントを増加する必要があり、第２勾配の低減には、塑性応力面積部分を広げてかつその応力分布を平準化する必要がある。

上述の施策として、断面２次モーメントを増加するように従来構造におけるサイスミックタイの直径を大きくすると、断面積も増加してしまい塑性応力面積が低減するため、振動エネルギの吸収増加につながらない。この逆に、塑性応力面積部分を広げるため、サイスミックタイの直径を小さくすると、断面２次モーメントが減少するため、振動エネルギの吸収増加につながらない。

このように、断面２次モーメントを増加することと塑性応力面積部分を広げることには相反関係にあるため、両者を両立させる構造を見出すことには非常に困難な課題が伴うものであった。本発明の実施形態ではこのような課題を解決するために、上述した両立する構造を提供するものであり、以下に説明する。

本実施形態に係るサイスミックタイ６は、支圧部６Ｃ（図１８を参照）を介して、ボイラ本体４及び支持架構７に連結されていて、地震時の支持架構７とボイラ本体４の相対変位を利用して振動エネルギを吸収する鋼製のものである。サイスミックタイ６の具体的構造としては、相対変位の発生する方向に対して水平方向に２本の弾性部材であるリンク６Ａを設け、かつ相対変位の発生する方向に対して垂直方向に２本の弾塑性部材であるピン６Ｂを設け、リンク６Ａとピン６Ｂの端部をヒンジ結合した構造である。

本発明の特徴は、概して云えば、サイスミックタイ６におけるピン材１６が、以下に説明する図１〜図７に示す具体的構造を備えていることにある。

ここで、本実施形態に関するピン材１６はその軸方向の中央部に設けたピン支圧部１６Ｃの断面形状が円形である。この理由は、ボイラ本体４の熱膨張時に、ボイラ本体４と支持架構７に対してサイスミックタイ６を回転自由にして連結するためである。そして、ピン材１６のピン支圧部１６Ｃの直径が、図１９に示す紡錘型の支圧部６Ｃに比べて、サイスミックタイの取り付け上の制約から１．５倍程度を上限としている。

さらに、図１と図２に示す本実施形態に関するピン材１６は、図１９に示す紡錘型形状ピン６Ｂに対して、図１、図５、図７に示すように、その軸方向にその軸を対称中心線としてその両側面を部分的に切断加工して（刳り貫いて）、ウエブ部１６Ｗを形成し且つそのウエブ部１６の両端部にフランジ部１６Ｆを残存形成した構造である。図１に示すＦｉは、サイスミックタイ６の反力が作用する軸を示す。

ここで、図１８に示すボイラ本体４と支持架構７に取り付けられたサイスミックタイ６のピン支圧部１６Ｃへの反力の方向が、図５に示すピン紡錘形状切断加工部１６Ｂの反力Ｆｉの作用する軸となるように、すなわち、切断加工部１６Ｂの平板状加工面が反力Ｆｉを挟んで対称形となるように、図１と図２に示す構造のピン１６Ｂをリンク６Ａに取り付けて設置する。

図５に、サイスミックタイ６におけるピン材１６の支圧部１６Ｃの断面形（Ｅ−Ｅ断面）、紡錘部の断面形（Ｆ−Ｆ断面、Ｇ−Ｇ断面、Ｈ−Ｈ断面）を示す。図５においても、サイスミックタイの反力Ｆｉが作用する軸１００１を示す。図５に示すように、ピン支圧部６Ｃ及びピン紡錘形状切断加工部１６Ｂの断面形（Ｅ−Ｅ断面、Ｆ−Ｆ断面、Ｇ−Ｇ断面、Ｈ−Ｈ断面）は、サイスミックタイ反力Ｆｉが作用する軸に対して、図５の図示例で上下対称である。

図２と図５と図７において、本実施形態の構成例として、ピン材１６のウエブ部１６Ｗの断面形状の板厚ｔｗはピン紡錘形状切断加工部１６Ｂの軸方向において一定の厚さであり、フランジ部１６Ｆのピン軸垂直方向の寸法ｔFもピン軸方向において一定の長さとなっている。

また、本実施形態に関するピン紡錘形状切断加工部１６Ｂの特徴は、図７に示すように、ピン紡錘形状切断加工部１６Ｂの断面形状が一定の厚さｔｗをもつウエブ部１６Ｗ（板状体であり、さらにピン支圧部１６Ｃから遠ざかるにしたがって幅方向寸法（図７の図示例で左右方向の寸法）が小さくなるもの）と、このウエブ部１６Ｗの両端部に紡錘型ピンの残存したフランジ部１６Ｆと、を有する形状を備え、且つウエブ部１６Ｗの断面面積Ａｗに対するフランジ部１６Ｆの断面面積ＡFの比が１．３〜１．７である構造（断面面積比の技術的意義は図５の説明で後述する）を呈することである。

上述した紡錘型ピンの切断形状と断面面積比を有するピン１６Ｂの構造は、本発明者がパラメータサーベイを実施して得た最適な断面形状である。

図７に、本実施形態に関するピン紡錘形状切断加工部１６Ｂの断面形状のパラメータを示す。このパラメータとは、下式に示す断面フランジ部１６Ｆの面積ＡF、断面ウエブ部１６Ｗの面積Ａｗである。

ＡF＝１／２×ｒ^２×θ−ｒ^２×ｃｏｓ（θ／２）×ｓｉｎ（θ／２）…（１）
Ａｗ＝ｔｗ×Ｈ…（２）
図７（１）のフランジ部の面積ＡFの近傍部分を抜き出したものを、図７（２）に示す。図７（２）を用い、式（１）に示すフランジ部の面積ＡFについて以下に説明する。

式（１）中において、１／２×ｒ^２×θは扇型の面積Ａｚであり、ｒ^２×ｃｏｓ（θ／２）×ｓｉｎ（θ／２）は三角形面積ＡTである。この扇型の面積Ａｚから三角形の面積ＡTを引いたものが、フランジ部の面積ＡFとなる。
ここに、半径ｒ、ウエブ部高さＨ、角度θは、直径Ｄ、フランジ部厚ｔFを用いて
ｒ＝Ｄ／２…（３）
Ｈ＝ｒ−ｔF…（４）
θ＝２×ｃｏｓ^−１（Ｈ／ｒ）…（５）
ここで、ウエブ部面積Ａｗに対するフランジ部面積ＡFの比（ＡF／Ａｗ）をパラメータとして、図１９に示す従来構造に対する本実施形態の振動エネルギ吸収量の増加に役立つＡF／Ａｗをパラメータサーベイした結果を図８に示す。図８に示すように、従来構造に対する振動エネルギ吸収量が急激に増加する領域は、ＡF／Ａｗが１．３〜１．７の領域である。

以上のように、エネルギー吸収量を増加するピン材構造は、図２と図７に示すように、紡錘型ピンのピン軸方向両側面の切断断面形状のウエブ部１６Ｗの断面面積Ａｗに対するフランジ部１６Ｆの断面面積ＡFの比が１．３〜１．７であることがわかる。

次に、本発明の実施形態に係るサイスミックタイにおけるピン材の他の構造について、図３、図４、図６を参照して以下説明する。本実施形態に係るサイスミックタイ及びこれを用いたボイラ耐震構造体は下記の特徴を有する。
（１）ボイラの熱膨張時に、サイスミックタイを回転自由とするため、ピン材の軸方向の中央点に設けた支圧部の断面形状が円形である。
（２）サイスミックタイの取付上の幾何制約から、ピン材の支圧部の直径が、従来構造の１．５倍以下である。
（３）ピン材の支圧部以外の断面形状がＩ型形状であり、Ｉ型形状ウエブ部の面積に対してフランジ部の面積の比が、１．３〜１．７である。

上記（１）〜（３）の特徴を有する断面形は、発明者らがパラメータサーベイ（パラメータを変えての数値解析の繰り返し）を実施して得た最適な断面形状である。

図７にピン材の断面形のパラメータを示す。このパラメータとは、下式に示す断面フランジ部の面積ＡF、ウエブ部の面積Ａｗである。
ＡF＝１／２×ｒ^２×θ−ｒ^２×ｃｏｓ（θ／２）×ｓｉｎ（θ／２）…（６）
Ａｗ＝ｔｗ×Ｈ…（７）
ここに、半径ｒ、ウエブ部高さＨ、角度θは、直径Ｄ、フランジ部厚ｔFを用いて
ｒ＝Ｄ／２…（８）
Ｈ＝ｒ−ｔF…（９）
θ＝２×ｃｏｓ^−１（Ｈ／ｒ）…（１０）
ここで、ウエブ部面積Ａｗに対するフランジ部面積ＡFの比（ＡF／Ａｗ）をパラメータとして、図１９に示す従来構造に対する本実施形態の振動エネルギ吸収量の増加に役立つＡF／Ａｗをパラメータサーベイした結果を図８に示す。

図８に示すように、従来における振動エネルギ吸収量が増加する領域は、ＡF／Ａｗが１．３〜１．７の領域であることがわかる。以上のように、振動エネルギ吸収を増加するピン構造は、Ｉ型形状ウエブ部の面積に対するフランジ部の面積の比が１．３〜１．７であることがわかる。

上述のサーベイで得られた最適な構造であるピン構造を図３に示す。図３は本実施形態に係るサイスミックタイにおけるピン材の他の構造を示す図であり、図３（１）はピン構造の側面図、図３（２）平面図である。また、図３（１）のＥ−Ｅ切断線、Ｆ−Ｆ切断線、Ｉ−Ｉ切断線、Ｊ−Ｊ切断線のそれぞれの断面形状を、各々、図６（１）〜図６（４）に示す。

図３、図６に示すように、本実施形態に関するピン材の構造は、ウエブ板２００１、フランジ板２００２、これらの板を固定するための板２００３、支圧部構成部品２００４を紡錘型に組み立て、溶接して成る構造である。

ウエブ板２００１、フランジ板２００２、固定板２００３、支圧部構成部品２００４を、各々、図４（１）図４（６）に示す。図４（１）はウエブ板２００１の平面図、図４（２）はフランジ板２００２の平面図、図４（３）はフランジ板２００２の側面図、図４（４）は固定板２００３の断面図、図４（５）は固定板２００３の側面図、図４（６）は支圧部構成部品の平面図を示す。

図６（１）に支圧部１６Ｃの断面形(Ｅ−Ｅ断面)を示し、図６（２）に紡錘部の断面形(Ｆ−Ｆ断面)を示す。図６（３）及び図６（４）はピン弾性部分の断面形を示す。図６（１）及び図６（２）に示すように、支圧部１６Ｃ及びピン１６Ｂの断面形(Ｅ−Ｅ断面、Ｆ−Ｆ断面)は、サイスミックタイ反力Ｆｉが作用する軸に対して、左右対称であることが分かる。

図３（１）、図６（１）及び図６（２）に示す支圧部１６Ｃとピン１６Ｂに記載のサイスミックタイ反力Ｆｉが作用する軸と、図１８に示す反力Ｆｉの方向が一致するように、支圧部１６Ｃとピン１６Ｂが図１８に示すサイスミックタイ６に設置される。

次に、本発明の実施形態に係るサイスミックタイの振動エネルギ吸収量について、図９〜図１３を参照しながら、有限要素解析で評価した結果を以下に説明する。図９は本実施形態に係るサイスミックタイの有限要素解析モデルの１／４分割モデルを示す図であり、図１０は本実施形態に係るサイスミックタイの有限要素解析モデルの１／４分割モデルの境界条件を表す図である。

図９に示すように、ピン６Ｂ、１６Ｂの有限要素解析モデル（ＦＥＭモデル）は、ピン６Ｂ、１６Ｂの形状の対称性を考慮し、それらのピン材を１／４に分割したモデルである。また、図１０にはこれらのモデルの境界条件を示し、図１０における完全固定点を反力の検出点とし、変位の入力点に図１０に示す繰り返し変位を与えて有限要素解析を実施した。

その実施の結果得られた荷重変位曲線を図１１に示す。図１１に示すように、従来構造による荷重変位曲線（実線）１０１で囲まれる振動エネルギ吸収面積に比べて、本実施形態によるサイスミックタイの荷重変位曲線（点線）１０２で囲まれる振動エネルギ吸収面積が大きくなっていることが分かる。この荷重変位曲線における最大反力点における応力分布（ミーゼス応力分布）を図１２と図１３に示している。

図１２に示す従来構造における応力分布に着目すると、ピン６Ｂの中心軸部に低応力部が現れ、ピン６Ｂの外縁側に高応力部が現れて、それらの応力の差が大きい。これに対して、図１３に示す本実施形態による応力分布に着目すると、ピン１６Ｂの外縁側に高応力部が現れるとともにピン１６Ｂの中心軸部で中応力部が現れ、それらの応力の差が小さく、ピン１６Ｂの応力分布が平準化していることが分かる。なお、図１２において、図示例で、ピン６Ｂの上と下の外縁部で応力が高く、その中心軸部で帯状に応力の低い部分が存在する。また、図１３において、図示例で、ピン１６Ｂの外縁側から中心軸に向かって椀状に応力の高い部分が現れ、中心軸部で応力の中程度が現れている。このように、本実施形態によるピン１６Ｂを有するサイスミックタイにおける応力差が小さいこと（応力分布の平準化）は、サイスミックタイの第２勾配（塑性時の勾配）の低減につながる（図２０の説明を参照）。

本実施形態によるサイスミックタイをボイラ本体４に適用した場合の地震時の横方向荷重を図１４に示す。本実施形態に示す紡錘形状切断加工部（ウエブ部１６Ｗとフランジ部１６Ｆからなる構成）をもつピン１６Ｂを採用したサイスミックタイが設置された支持架構７の地震時の横方向荷重（層せん断力）は、図１９に示す紡錘型ピン６Ｂを用いた従来構造よりも低減される。サイスミックタイによる振動エネルギ吸収量を増加すれば、支持架構７の地震時の横方向荷重が低減でき、ひいては支持架構の軽量化及び耐震性向上につながる。

なお、サイスミックタイのボイラ本体と鉄骨柱との取り付け方向は、図１８ではリンク材を高さ方向に平行に設け、それとは垂直方向、すなわち、鉄骨柱の軸方向にピン材を設け、両者を両端でピンにより接続し、ピン材の支圧部をそれぞれボイラ本体に接続したバックステと鉄骨柱に接続した支持部材にピン材の軸周りに回転自在に取り付けた例を示しているが、ピン材の支圧部での剛性の確保のためバックステの補強と、ボイラ本体が鉄骨柱に対して熱伸びしたときのスライド構造等の変位吸収する構造とすれば、これを９０度回転させた方向としたものでも構わない。

図１５に本実施形態に係るサイスミックタイを用いたボイラ耐震構造体の側面図を示す。図１５において点線で囲まれた部分８はボイラ本体４と支持架構７からなるボイラ耐震構造体の重心位置に相当する層を示す。この重心位置の相当層８に本実施形態に係るサイスミックタイ６を設けることにより耐震性を向上したボイラ構造体とすることができる。

また、図１５と図１６において、ボイラ本体は火炉２０と側壁部２１と後部壁部２２から成り立っているが、ボイラ本体が火炉２０と後部壁部２２とを有する層に対しては、本実施形態に係るサイスミックタイ６を、火炉２０と支持架構７間に、及び、後部壁部２２と支持架構７間の両方に設けることにより、耐震性を向上したボイラ構造体とすることができる。

１ 支持架構の柱（鉄骨柱）
２ 支持架構の梁（鉄骨梁）
３ 吊りボルト
４ ボイラ本体
５ 地震荷重
６ サイスミックタイ
６Ａ リンク（リンク材）
６Ｂ 紡錘型ピン
６Ｃ 支圧部
７ 支持架構（ボイラ建屋）
８ ボイラ本体と支持架構からなるボイラ耐震構造の重心位置
９ ボイラ鉛直部の最下部
１６ ピン材
１６Ｂ ピン材の紡錘形状切断加工部
１６Ｃ ピン支圧部
１６Ｄ リンクとのピン連結部
１６Ｆ ピン材のフランジ部
１６Ｗ ピン材のウエブ部
２０ 火炉
２１ 側壁部
２２ 後部壁部
２３ ペントハウス部
２４ 主配管
３０ タービン建屋
３２ 地面
１０１ 従来構造による荷重変位曲線
１０２ 本実施形態による荷重変位曲線
２０１ ホッパ部
１００１ サイスミックタイ反力Ｆｉが作用する軸
２００１ ウエブ板
２００２ フランジ板
２００３ 固定板
２００４ 支圧部構成部品

Claims (5)

1. 複数の鉄骨柱と鉄骨梁からなる支持架構と、該支持架構の上部の鉄骨梁から吊り下げ支持されるボイラ本体とを接続し、前記支持架構と前記ボイラ本体の地震時の相対変位を利用して地震の振動エネルギを吸収するサイスミックタイにおいて、
   該サイスミックタイは、弾性部材であるリンク材と、該リンク材に垂直方向に弾塑性部材であるピン材とからなり、前記リンク材と前記ピン材の両端部を互いにヒンジ結合した構造を有し、
   前記ピン材は、該ピン材の軸方向の中央部に断面形状が円形の支圧部を有するとともに、該支圧部から前記ヒンジ結合の部位に向かって外径を漸次小とする略紡錘形状を有し、
   前記ピン材の支圧部は、前記支持架構と前記ボイラ本体に連結されており、
   前記略紡錘形状は、ウエブ部と該ウエブ部の外縁側に設置するフランジ部とで形成した構造である
   ことを特徴とするサイスミックタイ。
2. 請求項１において、
   前記略紡錘形状は、ウエブ板と該ウエブ板の外縁側に設置したフランジ板とで形成した構造であり、
   前記ウエブ板は、前記ピン材の軸を中心としてピン材の軸方向にウエブ板の両側部を対称に配置した形状であり、
   前記ピン材の軸方向と前記ピン材の軸に対して垂直方向の断面において、前記ウエブ板の断面面積に対する前記フランジ板の断面面積の比が１．３〜１．７である
   ことを特徴とするサイスミックタイ。
3. 請求項１または２において、
   地震時の相対変位に対するサイスミックタイの前記支圧部への反力が作用するピン材の軸に対して両側部の断面形状を対称形としたことを特徴とするサイスミックタイ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載したサイスミックタイを、複数の鉄骨柱と鉄骨梁とからなり且つ複数の層構造からなる支持架構と前記ボイラ本体とからなるボイラ耐震構造体において、前記ボイラ耐震構造体の重心位置に相当する層に、少なくとも設けたことを特徴とするボイラ耐震構造体。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載したサイスミックタイを、複数の鉄骨柱と鉄骨梁とからなり且つ複数の層構造からなる支持架構とボイラ本体とからなるボイラ耐震構造体において、前記ボイラ本体が火炉と側壁部と後部壁部から構成される場合、前記火炉と後部壁部とを有する層には、前記火炉と前記支持架構との間に、前記後部壁部と前記支持架構との間の両方に設置したことを特徴とするボイラ耐震構造体。