JP2015094075A - 構造物の耐震補強用ダンパー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地震荷重の方向に関わらず均一で安定した制振機能を発揮することができ、構造が簡素かつ小型で、メンテナンス（保守点検）が容易で、長期的に安定した制振機能を発揮し、さらに、狭小なスペースに設置することができる構造物の耐震補強用ダンパー装置を提供する。【解決手段】構造物の耐震補強用ダンパー装置１０は、下部構造物３０に設置される下端面プレート１と、下端面プレート１に一方の端面が固定されているせん断部材２と、せん断部材２の他方の端面に固定され、下端面プレート１に平行な上端面プレート３と、上部構造物４０に設置される反力部材４とを有し、下端面プレート１が下部構造物３０に水平に設置され、かつ、反力部材４が上部構造物４０に水平に設置された際、反力部材４の内周面は上端面プレート３の外周面を隙間を空けて包囲する。【選択図】図１

Description

本発明は構造物の耐震補強用ダンパー装置、特に、ビル、倉庫、駐車場などの建築構造物、あるいは橋梁、桟橋などの土木構造物が地震によって水平荷重を受ける場合に、当該建築構造物あるいは土木構造物に組み込まれて地震エネルギーを吸収する構造物の耐震補強用ダンパー装置に関する。

例えば、橋梁構造の場合、上部工に作用する地震荷重を橋脚や基礎の設計荷重として考慮し、これに対して十分安全になるように、橋脚や基礎の構造を決定している。
しかし、阪神淡路大震災や東日本大震災などの大地震による地震荷重を考慮して設計した場合、非常に大きい地震荷重に耐えるようにするために、橋脚や基礎が大規模になり、多額の工事費、長い工期が必要となる。また、河川や道路に近接した場所では橋脚や基礎が占有できる範囲に制限があり、強大な地震荷重に対して適切な構造設計ができない場合がある。
さらに、既設の橋梁を耐震補強する場合、大地震の荷重を設計荷重として考慮すると、既設の橋脚や基礎を大規模に改修することが必要となり、耐震補強が困難なことがある。
このような場合に対処するために、橋梁の上部工と橋脚との間に制振ダンパーを組み込んで、地震エネルギーを減衰させることにより、橋脚に作用する地震荷重を低減させる方法が発明されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−６４０２８号公報（第６−８頁、図１）

しかしながら、特許文献１に記載された橋梁では、地震エネルギーを吸収するパネル部（板材）を具備するせん断パネルダンパーが組み込まれたものであって、橋梁の橋軸方向および橋軸直角方向を含む任意の方向に地震荷重が作用する場合に、制振機能を発揮させるため、複数のせん断パネルダンパーを、それぞれのパネル部が複数の方向に向くように設置している。このため、以下のような問題点がある。
（ａ）せん断パネルダンパーは、パネル面に対して平行な方向に作用する荷重が作用した場合は、制振機能が十分発揮されるが、パネル面に対して平行でない方向（外れた方向）に作用する荷重に対しては、制振機能が低減する。
（ｂ）また、パネル面に対して直角方向の荷重成分を受けた場合には、パネル部の座屈が発生し、制振機能が発揮されない。
（ｃ）また、任意の方向に作用する地震力に対して制振機能を発揮させるために、複数のせん断パネルダンパーを複数方向に向けて設置しようとすると、広いスペースが必要になる。このため、橋梁の上部工と橋脚との狭小な空間に適切なスペースがない場合には、複数方向に向けての設置ができなかったり、あるいは、複数方向に向けての設置を可能にするため、パネル面を小さくしたりすることから、任意の方向に作用する強大な地震力に対して制振機能を発揮させることが困難になる。

本発明は上記問題点を解決するものであって、任意の方向に作用する地震荷重に対して、地震荷重の方向に関わらず均一で安定した制振機能を発揮することができ、また、構造が簡素かつ小型であって、例えば、ほこり、落葉、錆等に晒される橋梁に組み込まれた場合でも、メンテナンス（保守点検）が容易で、長期的に安定した制振機能を発揮し、さらに、例えば、橋梁の上部工と橋脚との様な狭小なスペースに設置することができる、構造物の耐震補強用ダンパー装置を提供することにある。

（１）本発明に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置は、下部構造物と上部構造物との間に組み込まれる構造物の耐震補強用ダンパー装置であって、
前記下部構造物に設置される下端面プレートと、前記下端面プレートに一方の端面が固定されているせん断部材と、該せん断部材の他方の端面に固定され、前記下端面プレートに平行な上端面プレートと、前記上部構造物に設置される反力部材と、を有し、
前記下端面プレートが前記下部構造物に水平に設置され、かつ、前記反力部材が前記上部構造物に水平に設置された際、前記反力部材の内周面は前記上端面プレートの外周面を隙間を空けて包囲することを特徴とする。
（２）また、前記（１）において、前記上端面プレートの外周面は断面円形であって、前記反力部材の内周面は断面円形の貫通孔または凹部であることを特徴とする。
（３）また、前記（１）において、前記上端面プレートの外周面が断面矩形であって、前記上部構造物の内周面は断面矩形の貫通孔または凹部であることを特徴とする。
（４）また、前記（１）において、前記上端面プレートの外周面が断面矩形であって、前記反力部材が、前記上端面プレートの四隅にそれぞれ対向する４個のＬ字状部材、または前記上端面プレートの四辺にそれぞれ対向する４個の棒材によって構成されていることを特徴とする。

（５）さらに、前記（１）〜（４）の何れかにおいて、前記せん断部材は、１本または複数本の筒状体によって構成され、前記筒状体の水平断面が、円形、楕円形および多角形の何れかであることを特徴とする。
（６）また、前記（５）において、前記筒状体の鉛直断面が、波状であることを特徴とする。
（７）また、前記（５）または（６）において、前記筒状体に複数の開口部が形成され、前記開口部の形状が、円形、楕円形および多角形の何れかであることを特徴とする。
（８）また、前記筒状体は、低降伏点鋼、高延性普通鋼、アルミニューム合金、銅、銅合金、および非磁性鋼の何れかであることを特徴とする。

（９）さらに、本発明に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置は、下部構造物と上部構造物との間に組み込まれる構造物の耐震補強用ダンパー装置であって、
前記下部構造物に設置される下端面プレートと、前記下端面プレートに一方の端面が固定されている下せん断部材と、該下せん断部材の他方の端面に固定され、前記下端面プレートに平行な中端面プレートと、前記中端面プレートに一方の端面が固定されている上せん断部材と、該上せん断部材の他方の端面に固定され、前記中端面プレートに平行な上端面プレートと、前記上部構造物に設置される反力部材と、を有し、
前記下せん断部材の剛性は前記上せん断部材の剛性より高く、
前記反力部材が、中反力部材および上反力部材を具備し、
前記下端面プレートが前記下部構造物に水平に設置され、かつ、前記反力部材が前記上部構造物に水平に設置された際、前記中反力部材の内周面は前記中端面プレートの外周面を中隙間を空けて包囲すると共に、前記上反力部材の内周面は前記上端面プレートの外周面を上隙間を空けて包囲し、前記中隙間が前記上隙間よりも広いことを特徴とする。

（１０）さらに、本発明に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置は、下部構造物と上部構造物との間に組み込まれる構造物の耐震補強用ダンパー装置であって、
前記下部構造物に設置される下端面プレートと、前記下端面プレートに一方の端面が固定されているせん断部材と、該せん断部材の他方の端面に固定され、前記下端面プレートに平行な上端面プレートと、前記下部構造物に設置される反力部材と、を有し、
前記反力部材が前記下部構造物に水平に設置され、かつ、前記上端面プレートが前記上部構造物に水平に設置された際、前記反力部材の内周面は前記下端面プレートの外周面を隙間を空けて包囲することを特徴とする。

（ｉ）本発明に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置は、両端にそれぞれ下端面プレートおよび上端面プレートが固定されたせん断部材と、上部構造物に設置される反力部材と、を有し、せん断部材（正確には下端面プレート）が下部構造物に設置された際、反力部材の内周面は上端面プレートの外周面を隙間を空けて包囲する。
このため、地震の発生によって、下部構造物と上部構造物との間に水平方向の相対変位が生じた場合、相対変位が小さい間は、反力部材の内周面は上端面プレートの外周面に接触しないものの、相対変位が大きくなると、相対変位の方向が何れの方向であっても、反力部材の内周面は上端面プレートの外周面に接触して、せん断部材はせん断変形する。すなわち、何れの方向に地震荷重が作用しても、せん断部材は地震のエネルギーを吸収するから、地震荷重の方向に関わらず均一で安定した制振機能を発揮する。
また、構造が簡素かつ小型であるから、メンテナンス（保守点検）が容易で、長期的に安定した制振機能を発揮し、さらに、狭小なスペースに設置することができる。

（ｉｉ）上端面プレートの外周面は断面円形であって、反力部材の内周面は断面円形の貫通孔または凹部であるから、また、上端面プレートの外周面が断面矩形であって、反力部材の内周面は断面矩形の貫通孔または凹部であるから、若しくは、反力部材の内周面が不連続で、上端面プレートの四隅にそれぞれ対向する４個のＬ字状部材または上端面プレートの四辺にそれぞれ対向する４個の棒材によって構成されているから、構造が簡素で、製造コストが安価になる。

（ｉｉｉ）さらに、せん断部材は、１本または複数本の筒状体によって構成され、筒状体の水平断面が、円形、楕円形および多角形の何れかであるから、構造が簡素であって、構造物への組み込み条件に応じて制振機能を調整することができる。例えば、予測される地震荷重の方向に異方性がある場合、特定の方向における地震荷重に対する地震エネルギーの吸収量を多くして、余計な重量増加を防止することができる。
（ｉｖ）また、せん断部材を形成する筒状体の鉛直断面を波状にしたり、筒状体に複数の開口部を形成したりするから、終局破断までの変形量が増加する。
（ｖ）また、筒状体は低降伏点鋼、高延性普通鋼、アルミニューム合金、銅、銅合金、および非磁性鋼の何れかであるから、終局破断までの変形量が大きく、せん断変形によるエネルギー吸収量が多い。

（ｖｉ）さらに、本発明に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置は、下せん断部材と、これよりも剛性が低い上せん断部材を具備し、中反力部材の内周面は中端面プレートの外周面を中隙間を空けて包囲すると共に、上反力部材の内周面は上端面プレートの外周面を上隙間を空けて包囲し、中隙間が上隙間よりも広いから、地震荷重が比較的小さい間は、主に、剛性が低い上せん断部材が地震のエネルギーを吸収し、地震荷重が比較的大きくなったときは、剛性が低い上せん断部材の変形は一定に維持された状態で、剛性が高い下せん断部材が地震のエネルギーを吸収する。すなわち、地震荷重が小さい場合の制振を剛性が低い上せん断部材が主に受け持ち、地震荷重が大きい場合の制振を剛性が高い下せん断部材が主に受け持つから、設計が容易になり、効果的な制振機能が発揮される。また、剛性が低い上せん断部材は一定の変形量以上に変形しないから、地震荷重が大きくなっても破損（せん断破断）することがない。
（ｖｉｉ）さらに、本発明に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置は、反力部材が下部構造物に水平に設置され、かつ、上端面プレートが上部構造物に水平に設置された際、反力部材の内周面は下端面プレートの外周面を隙間を空けて包囲するから、前記（ｉ）と同様の効果が得られる。

本発明の実施の形態１に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置を説明するものであって、（ａ）は使用状況１を模式的に示す側面視の断面図、（ｂ）は使用状況２を模式的に示す側面視の断面図、（ｃ）は使用状況３を模式的に示す平面視の断面図。 図１の（ａ）に示す構造物の耐震補強用ダンパー装置の水平変位と水平荷重との関係を示す荷重−変位図。 図１の（ａ）に示す構造物の耐震補強用ダンパー装置の地震が発生する前の段階を示す、（ａ）は側面視の断面図、（ｂ）は平面視の断面図。 図１の（ａ）に示す構造物の耐震補強用ダンパー装置の地震が発生して一方に向かう相対変位が生じた際の状況を示す（ａ）は側面視の断面図、（ｂ）は平面視の断面図。 図１の（ａ）に示す構造物の耐震補強用ダンパー装置の地震が発生して一方に向かう相対変位が生じた際の状況を示す（ａ）は側面視の断面図、（ｂ）は平面視の断面図。 図１の（ａ）に示す構造物の耐震補強用ダンパー装置の地震が発生して一方に向かう相対変位が生じた際の状況を示す（ａ）は側面視の断面図、（ｂ）は平面視の断面図。 図１の（ａ）に示す構造物の耐震補強用ダンパー装置の地震が発生して一方に向かう相対変位の後に他方に向かう相対変位が生じた際の状況を段階を追って示す側面視の断面図。 図１の（ａ）に示す構造物の耐震補強用ダンパー装置の地震が発生して一方に向かう相対変位の後に他方に向かう相対変位が生じた際の状況を段階を追って示す側面視の断面図。 図１の（ａ）に示す構造物の耐震補強用ダンパー装置の地震が発生して一方に向かう相対変位の後に他方に向かう相対変位が生じた際の状況を段階を追って示す側面視の断面図。 図１の（ａ）に示す構造物の耐震補強用ダンパー装置の地震が発生して一方に向かう相対変位の後に他方に向かう相対変位が生じた際の状況を段階を追って示す側面視の断面図。 図１の（ａ）に示す構造物の耐震補強用ダンパー装置の地震が発生して他方に向かう相対変位の後に、再度一方に向かう相対変位が生じた際の状況を示す側面視の断面図。 図１の（ａ）に示す構造物の耐震補強用ダンパー装置の地震が発生して他方に向かう相対変位の後に、再度一方に向かう相対変位が生じた際の状況を示す側面視の断面図。 図１の（ａ）に示す構造物の耐震補強用ダンパー装置の地震が発生して他方に向かう相対変位の後に、再度一方に向かう相対変位が生じた際の状況を示す側面視の断面図。 本発明の実施の形態１に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置を説明するものであって、使用状況４を模式的に示す側面視の断面図。 本発明の実施の形態１に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置を説明するものであって、（ａ）は上端面プレートを矩形板にして反力部材をＬ字状にした実施例、（ｂ）は上端面プレートを矩形板にして反力部材を棒材にした実施例、（ｃ）はせん断部材を断面矩形にした実施例、（ｄ）はせん断部材を断面楕円にした実施例。 本発明の実施の形態１に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置を説明するものであって、せん断部材を複数本の円筒にした実施例。 本発明の実施の形態１に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置を説明するものであって、（ａ）はせん断部材に円形の開口部を形成した実施例、（ｂ）はせん断部材に矩形の開口部を形成した実施例。 本発明の実施の形態２に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置を説明するものであって、（ａ）は変形挙動を示す荷重−変位図、（ｂ）は地震が発生する前の段階を示す側面視の断面図、（ｃ）は地震が発生した段階を示す平面視の断面図。 本発明の実施の形態３に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置を説明するものであって、（ａ）〜（ｄ）は構造物に組み込まれて水平荷重を受けた状況を段階を追って示す断面図。 図１９に示す構造物の耐震補強用ダンパー装置を説明するものであって、（ａ）はせん断部材２のせん断変形状況を示す側面図、（ｂ）は下せん断部材２８のせん断変形状況を示す側面図、（ｃ）は下せん断部材２８および上せん断部材２９の変形挙動を示す荷重−変位図。 図１９に示す構造物の耐震補強用ダンパー装置を説明するものであって、（ａ）は上せん断部材２９のせん断変形状況を示す側面図、（ｂ）は下せん断部材２８と上せん断部材２９との接合体のせん断変形状況を示す側面図、（ｃ）は下せん断部材２８、上せん断部材２９、および下せん断部材２８と上せん断部材２９との接合体のそれぞれの変形挙動を示す荷重−変位図。 図１９に示す構造物の耐震補強用ダンパー装置の変形挙動を示す荷重−変位図。

［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置を説明するものであって、（ａ）は使用状況１を模式的に示す側面視の断面図、（ｂ）は使用状況２を模式的に示す側面視の断面図、（ｃ）は使用状況３を模式的に示す平面視の断面図である。なお、各部は模式的に示すものであって、本発明は図示された形態（形状や数量等）に限定されるものではない。

（使用状況１）
図１の（ａ）において、下部構造物である橋脚３０と、上部構造物である上部工４０との間に、構造物の耐震補強用ダンパー装置（以下「ダンパー装置」と称す）１０および支承２０が組み込まれている。
なお、以下の説明の便宜上、上部工４０の長手方向をＸ方向、上部工４０の幅方向をＹ方向、橋脚３０の上下方向をＺ方向とし、Ｘ−Ｙ面は水平面に平行であるとする。
橋脚３０は脚部３２と、脚部３２の上端に一体的に形成された張り出し部３１とを具備し、脚部３２上面に支承２０が配置され、張り出し部３１の上面にダンパー装置１０が配置されている。

ダンパー装置１０は、橋脚３０の張り出し部３１の上面に設置される下端面プレート１と、下端面プレート１に一方の端面が固定されているせん断部材２と、せん断部材２の他方の端面に固定され、下端面プレート１に平行な上端面プレート３と、上部工４０の下面に設置される反力部材４と、を有している。
そして、下端面プレート１が張り出し部３１の上面に水平に設置され、かつ、反力部材４が上部工４０の下面に水平に設置された状態で、反力部材４は上端面プレート３を包囲し、反力部材４の内周面と上端面プレート３の外周面との間には、水平方向の隙間が形成されている。
なお、反力部材４は環状体（筒状体）を示しているが、本発明はこれに限定するものではなく、板材に凹部が形成されたもの、あるいは、板材に環状の凸部が形成されたものであってもよい。また、上部工４０の下面（反力部材４に包囲された範囲の下面）と上端面プレート３の上面との間に隙間が形成されているが、本発明はこれに限定するものではなく、上部工４０の下面と上端面プレート３の上面とが、相対的な移動が可能な状態で、直接または間接的（例えば、テフロン（登録商標）や硬質ゴム等を介して）に接触してもよい。

支承２０は、上部工４０を橋脚３０に対して移動可能に支持するものであって、橋脚３０の脚部３２の上面に固定される下支承板５と、上部工４０の下面に設置される上支承板７と、下支承板５と上支承板７とによって挟まれた支承球体６と、を具備している。このとき、支承球体６は球体であるから、何れの方向に向かっても回転することができるため、上部工４０は、橋脚３０に対して水平面内を何れの方向に向かっても移動可能に支持されている。
したがって、ダンパー装置１０は、任意の方向に作用する地震荷重に対して、地震荷重の方向に関わらず制振機能を発揮することができ、また、構造が簡素かつ小型であって、例えば、ほこり、落葉、錆等に晒される橋梁に組み込まれた場合でも、メンテナンス（保守点検）が容易で、長期的に安定した制振機能を発揮し、さらに、例えば、橋梁の上部工と橋脚との様な狭小なスペースに設置することができる。

（使用状況２）
図１の（ｂ）において、下部構造物である橋脚３０の上端にはＸ方向の両側にそれぞれ張り出し部３１ａおよび張り出し部３１ｂが一体的に形成され、それぞれに、ダンパー装置１０ａおよびダンパー装置１０ｂが配置されている。ダンパー装置１０ａおよびダンパー装置１０ｂはダンパー装置１０（図１の（ａ）参照）に同じ構成であって、説明の便宜上、配置される位置に対応して符号に「ａ、ｂ」を付したものであるから、説明を省略する。

（使用状況３）
図１の（ｃ）において、橋脚３０の張り出し部３１の上面に、ダンパー装置１０ａおよびダンパー装置１０ｂがＹ方向で離して配置されている。ダンパー装置１０ａおよびダンパー装置１０ｂはダンパー装置１０（図１の（ａ）参照）に同じ構成であって、説明の便宜上、配置される位置に対応して符号に「ａ、ｂ」を付したものであるから、説明を省略する。
また、橋脚３０の脚部３２の上面に支承２０ａおよび支承２０ｂがＹ方向で離して配置されている。なお、図１の（ｃ）には、支承２０ａを構成する上支承板７ａおよび支承２０ｂを構成する上支承板７ｂを示しているが、支承２０ａおよび支承２０ｂは支承２０（図１の（ａ）参照）に同じ構成であって、説明の便宜上、配置される位置に対応して符号に「ａ、ｂ」を付したものであるから、説明を省略する。

図１の（ｃ）において、上部工４０は橋脚３０に対して、水平面（Ｘ−Ｙ面）内を、Ｘ方向でもＹ方向でもない任意の方向（以下「Ｖ方向」と称す）に移動し、上端面プレート３ａの外周は反力部材４ａの内周と位置Ｐａにおいて接触し、上端面プレート３ｂの外周は反力部材４ｂの内周と位置Ｐｂにおいて接触している。

（制振特性）
図２〜図１０は本発明の実施の形態１に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置を説明するものであって、図２は水平変位と水平荷重との関係を示す荷重−変位図、図３は地震が発生する前の段階、図４〜図６は地震が発生して一方に向かう相対変位が生じた際の状況を段階を追って示す（ａ）は側面視の断面図、（ｂ）は平面視の断面図、図７〜図１０は一方に向かう相対変位の後に他方に向かう相対変位が生じた際の状況を段階を追って示す側面視の断面図、図１１〜図１３は他方に向かう相対変位の後に、再度一方に向かう相対変位が生じた際の状況を段階を追って示す側面視の断面図である。
以下に記載する「状態Ａ・・・Ｋ、Ｎ」は図２に記載された「Ａ・・・Ｋ、Ｎ」の状態に対応している。また、表１に、以下に説明する各状態における、水平変位（下端面プレート１と上端面プレート３との相対変位に同じ）、せん断部材２のせん断変形量、および水平荷重をまとめて示す。

図３の（ａ）および（ｂ）において、地震が発生する前のダンパー装置１０を示している。このとき、上端面プレート３の外周が円形の円盤であり、反力部材４の内周が円形の円環であって、上端面プレート３の中心と反力部材４の中心とが一致するように組み込まれている。したがって上端面プレート３の外周と反力部材４の内周との間には、水平面内の何れの方向においても均一な隙間（δ１）が形成されている。また、水平荷重が作用していないから、水平変位も「０（ゼロ）」である（状態Ａに対応している）。

図４の（ａ）および（ｂ）において、地震が発生した初期段階であって、水平方向（説明の便宜上、「＋Ｖ方向」とする）に相対変位が、上端面プレート３の外周が反力部材４の内周に初めて接触している（状態Ｂに対応している）。すなわち、上部工４０は橋脚３０に対して、＋Ｖ方向に隙間（δ１）だけ水平変位して、位置Ｐにおいて接触し、位置Ｐの対角位置において、上端面プレート３の外周と反力部材４の内周との間に隙間（２δ１）が形成されている。
なお、図２において、状態Ａから状態Ｂの間は、上端面プレート３の外周が反力部材４の内周に接触していないから、せん断部材２は変形していない。

図５の（ａ）および（ｂ）において、さらに、＋Ｖ方向の相対変位が増加して、上部工４０は橋脚３０に対して、＋Ｖ方向に隙間（δ１）よりも大きな距離（＋δ２）だけ水平変位している。このとき、せん断部材２はせん断変形している（状態Ｃに対応している）。すなわち、状態Ｂから状態Ｃの間、せん断部材２は弾性変形をし、状態Ｃにおいて、せん断部材２は弾性限δｅ（δｅ＝δ２−δ１）に到達している。このとき、「＋Ｆｄ」の水平荷重が作用している。

図６の（ａ）および（ｂ）において、さらに、＋Ｖ方向の相対変位が増加して、上部工４０は橋脚３０に対して、＋Ｖ方向に最大距離（＋δ３）だけ水平変位している。このとき、せん断部材２は最大のせん断変形をしている（状態Ｄに対応している）。すなわち、状態Ｃから状態Ｄの間、せん断部材２は残留変形量δｐ（δｐ＝δ３−δ２＝δ３−δｅ−δ１）だけ塑性変形をするから、弾性限δｅと残留変形量δｐとを合計した変形（δｅ＋δｐ）をし、水平荷重は一定の値（＋Ｆｄ）に維持されている。

図７において、相対変位の方向が「−Ｖ方向」に変わると、上端面プレート３の外周は反力部材４の内周に位置Ｐにおいて接触した状態で、せん断部材２は弾性復元して、水平荷重が「０（ゼロ）」になる（状態Ｅに対応している）。すなわち、相対変位量は弾性限δｅだけ減少して、「δ３−δｅ」になり、せん断部材２は「残留変形量δｐ」を維持している。

図８において、さらに「２・δ１」だけ−Ｖ方向に相対変位すると、上端面プレート３の外周は、位置Ｐの対角位置である位置Ｑにおいて、反力部材４の内周に接触する（状態Ｆに対応している）。このとき、相対変位量は「δ３−δｅ−２・δ１」になり、せん断部材２は残留変形量δｐの変形を維持している。また、状態Ｅから状態Ｆの間、上端面プレート３の外周と反力部材４の内周とは離れているから、水平荷重は「０（ゼロ）」であって、せん断部材２は「残留変形量δｐ」を維持している。

図９において、さらに弾性限δｅに相当する距離だけ−Ｖ方向の相対変位が増加すると、上端面プレート３の外周は、位置Ｐの対角位置である位置Ｑにおいて反力部材４の内周に押し付けられ、弾性限δｅだけ弾性変形している（状態Ｇに対応している）。このとき、弾性変形の方向が状態Ｂと状態Ｃとの間とは反対であるから、状態Ｆから状態Ｇになることで「−δｅ」の弾性変形をしたことになる。
したがって、せん断部材２は「δｐ−δｅ」の変形をしている。なお、以下、変更方向が反対方向で、絶対値が弾性限δｅと同じ大きさの変形を「弾性限（−δｅ）」と称す。このとき、状態Ｃとは方向が反対で絶対値が同じ大きさの水平荷重（「−Ｆｄ」の水平荷重）を受けている。
さらに、状態Ｇと状態Ｈとの間において、−Ｖ方向の相対変位が増加すると、上端面プレート３の外周は反力部材４の内周により強く押し付けられ、塑性変形が進む。このとき、せん断部材２のせん断変形の方向は、状態Ｃと状態Ｄとの間におけるせん断変形の方向とは反対であるから、せん断部材２の塑性変形量は減少する。そして、せん断部材２は、状態Ｎにおいて塑性変形が消滅し（δｐ−δｅ−δｐ＝−δｅ）、「弾性限（−δｅ）」である弾性変形のみになる。

図１０において、さらに−Ｖ方向の相対変位が増加すると、せん断部材２は、状態Ｃと状態Ｄとの間とは反対方向のせん断変形をし、−δ３だけ相対変位したところで、状態Ｃと状態Ｄとの間とは反対方向で、絶対値が残留変形量δｐに同じ大きさの塑性変形が追加され、合計「−δｅ−δｐ」の変形をする（状態Ｈに対応している）。なお、以下、変更方向が反対方向で、絶対値が残留変形量δｐと同じ大きさの変形を「残留変形（−δｐ）」と称す。

図１１において、−Ｖ方向の相対変位が停止し、＋Ｖ方向に相対移動すると、弾性復元し、「＋δｅ」だけ相対移動したところで、せん断部材２は、弾性変形がなくなり、「残留変形（−δｐ）」のみの塑性変形をした状態になる（状態Ｉに対応している）。このとき、「−δ３＋δｅ」の相対変位をしている。

図１２において、さらに、＋Ｖ方向に相対移動すると、状態Ｅと状態Ｆとの間と同様に、状態Ｉから状態Ｊの間、上端面プレート３の外周と反力部材４の内周とは離れているから、水平荷重は「０（ゼロ）」であって、せん断部材２は残留変形（−δｐ）を維持している。

図１３において、さらに、＋Ｖ方向に相対移動すると、状態Ｂと状態Ｃとの間と同様に、弾性変形が進み、弾性限δｅだけ移動して、状態Ｊから状態Ｋになったところで、せん断部材２は「−δｐ＋δｅ」の変形し、水平荷重Ｆｄを受けている。
さらに、＋Ｖ方向に相対移動すると、状態Ｇと状態Ｈとの間とは変形の方向が反対であるが、同様に、塑性変形量が増加して、状態Ｃにおいて、塑性変形がなくなり弾性限δｅのみになる。
以上のように、せん断部材２は交番荷重を受けた際、ヒステリシスを描くことになる。
したがって、地震荷重が、Ｖ方向と、Ｖ方向とは反対の方向の「−Ｖ方向」との１サイクルだけ作用したとき、せん断部材２は、図２の斜線で囲まれた範囲に相当するエネルギー（地震エネルギー）を吸収する。
なお、以上は、せん断部材２を形成する材料が、荷重−変形特性に対称性を有することを前提にしているから、実際に、バウシンガ効果や加工硬化を有する場合には、閉塞したヒステリシスループを描くものではない。

（使用状況４）
図１４は本発明の実施の形態１に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置を説明するものであって、使用状況４を模式的に示す側面視の断面図である。なお、図１の（ａ）と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図１４において、ダンパー装置１０は、下端面プレート１が上部工４０の下面に設置され、反力部材４が橋脚３０の張り出し部３１の上面に設置されている。そして、反力部材４の内周面は上端面プレート３の外周面を隙間を空けて包囲している。
すなわち、図１の（ａ）に示す姿勢のダンパー装置１０を、上下を逆にして組み込んだものであるから、せん断部材２は前記のような制振特性を発揮する。

（ダンパー装置の実施例）
図１５〜図１７は本発明の実施の形態１に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置を説明するものであって、図１５の（ａ）は上端面プレートを矩形板にして反力部材をＬ字状にした実施例、図１５の（ｂ）は上端面プレートを矩形板にして反力部材を棒材にした実施例、図１５の（ｃ）はせん断部材を断面矩形にした実施例、図１５の（ｄ）はせん断部材を断面楕円にした実施例、図１６はせん断部材を複数本の円筒にした実施例、図１７の（ａ）はせん断部材に円形の開口部を形成した実施例、図１７の（ｂ）はせん断部材に矩形の開口部を形成した実施例である。なお、図１の（ａ）と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。

図１５の（ａ）において、ダンパー装置１１は、円筒状のせん断部材２と、矩形状の上端面プレート３と、４個のＬ字状部材４１とを具備している。４個のＬ字状部材４１は、矩形状の内周を具備する枠体の四隅をそれぞれ形成している。
そして、上端面プレート３の外周とＬ字状部材４１の内周との間には、Ｘ方向の隙間（δｘ）とＹ方向の隙間（δｙ）とが形成され、上端面プレート３の外周の角とＬ字状部材４１の内周の隅との間には隙間（δｖ＝√（δｘ^２＋δｘ^２））が形成されている。
したがって、ダンパー装置１１に作用する地震荷重に異方性がある場合に対応して、Ｘ方向の隙間（δｘ）とＹ方向の隙間（δｙ）とを適宜設定することができる。すなわち、上端面プレート３を正方形または長方形にし、４個のＬ字状部材４１の内周が形成する形状を長方形または正方形にしたり、それぞれの長方形の縦横比を相違させたりすることができる。
なお、以上は、反力部材４を互いに離れた４個のＬ字状部材４１によって構成しているが、本発明はこれに限定するものではなく、４個のＬ字状部材４１が互いに連続したものに相当する枠体であってもよい。
図１５の（ｂ）において、ダンパー装置１９は、円筒状のせん断部材２と、矩形状の上端面プレート３と、４個の棒材４２とを具備している。４個の棒材４２はそれぞれ、上端面プレート３の四辺に対向している。したがって、ダンパー装置１９と同じ作用効果を奏する。

図１５の（ｃ）において、ダンパー装置１２は、断面矩形の筒状のせん断部材２２と、円盤状の上端面プレート３とを具備している。すなわち、せん断部材２２の剛性が異方性を有するから、ダンパー装置１２に作用する地震荷重に異方性がある場合に対応することができる。なお、このとき、ダンパー装置１１（図１５の（ａ）参照）に準じて、上端面プレート３を矩形にしてもよい。

図１５の（ｄ）において、ダンパー装置１３は、断面楕円形の筒状のせん断部材２３と、円盤状の上端面プレート３とを具備している。すなわち、せん断部材２３の剛性が異方性を有するから、ダンパー装置１３に作用する地震荷重に異方性がある場合に対応することができる。なお、このとき、上端面プレート３を楕円板にしてもよい。

図１５の（ａ）〜図１５の（ｄ）において、せん断部材２、せん断部材２２およびせん断部材２３の肉厚は、周方向で均一になっているが、本発明はこれに限定するものではなく、方向によって厚さを変えてもよい（例えば、Ｘ方向は厚く、Ｙ方向は薄い等）。

図１６において、ダンパー装置１４は、４本の断面円形の筒状のせん断部材２４と、円盤状の上端面プレート３とを具備している。したがって、断面矩形の筒状のせん断部材２２や断面楕円形の筒状のせん断部材２３を用いることなく、円管によって、せん断部材２４の剛性に異方性が付与されている。

図１７の（ａ）において、ダンパー装置１５は、円筒状のせん断部材２５と、円盤状の上端面プレート３とを具備し、せん断部材２５には円形の開口部２５ｈが複数個所に形成されている。したがって、せん断部材２５の変形が容易になっている。また、開口部２５ｈの分布を周方向で不均一にすることによって、せん断部材２５の剛性が異方性を有するようにすることができる。

図１７の（ｂ）において、ダンパー装置１６は、円筒状のせん断部材２６と、円盤状の上端面プレート３とを具備し、せん断部材２６には矩形の開口部２６ｈが複数個所に形成されている。したがって、せん断部材２６の変形が容易になっている。また、開口部２６ｈの分布を周方向で不均一にすることによって、せん断部材２６の剛性が異方性を有するようにすることができる。

［実施の形態２］
図１８は本発明の実施の形態２に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置を説明するものであって、図１８（ａ）は、変形挙動を示す荷重−変位図、図１８の（ｂ）は地震が発生する前の段階を示す側面視の断面図、図１８の（ｃ）は地震が発生した段階を示す平面視の断面図である。
図１８の（ｂ）において、ダンパー装置１７は、側面視で波状の断面を具備する筒状（コルゲートパイプ状）のせん断部材２７と、円盤状の上端面プレート３とを具備している。したがって、ダンパー装置１７に水平荷重が作用したとき、ダンパー装置１７は図１８の（ｃ）で示す状態に変形する。すなわち、せん断部材２７における、せん断変形に伴う見掛け状の軸方向歪みが、円筒状のせん断部材２に比較して小さい。
したがって、図１８の（ａ）に示すように、実線にて示すせん断部材２７では、塑性変形の開始（水平荷重が一定値になる水平変位の値）が、破線にて示すせん断部材２（図１の（ａ）参照）よりも遅くなり、終局までの塑性変形も大きくなっている。

［実施の形態３］
図１９〜図２２は本発明の実施の形態３に係る構造物の耐震補強用ダンパー装置を説明するものであって、図１９の（ａ）〜（ｄ）は構造物に組み込まれて水平荷重を受けた状況を段階を追って示す断面図、図２０の（ａ）はせん断部材２のせん断変形状況を示す側面図、図２０の（ｂ）は下せん断部材２８のせん断変形状況を示す側面図、図２０の（ｃ）は下せん断部材２８および上せん断部材２９の変形挙動を示す荷重−変位図、図２１の（ａ）は上せん断部材２９のせん断変形状況を示す側面図、図２１の（ｂ）は下せん断部材２８と上せん断部材２９との接合体のせん断変形状況を示す側面図、図２１の（ｃ）は下せん断部材２８、上せん断部材２９、および下せん断部材２８と上せん断部材２９との接合体のそれぞれの変形挙動を示す荷重−変位図、図２２はダンパー装置１８の変形挙動を示す荷重−変位図である。なお、実施の形態１と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。

図１９の（ａ）において、ダンパー装置１８は、図示しない橋脚に設置された下端面プレート１と、下端面プレート１に一方の端面が固定されている下せん断部材２８と、下せん断部材２８の他方の端面に固定され、下端面プレート１に平行な中端面プレート８と、中端面プレート８に一方の端面が固定されている上せん断部材２９と、上せん断部材２９の他方の端面に固定され、中端面プレート８に平行な上端面プレート３と、上部工４０に設置された反力部材４ｃとを有している。
反力部材４ｃは、中端面プレート８を包囲する中反力部材４８と、上端面プレート３を包囲する上反力部材４３とを具備し、中端面プレート８の外周と中反力部材４８の内周との間には下隙間（δ２）が形成され、上端面プレート３の外周と上反力部材４３の内周との間には上隙間（δ１）が形成されている。
そして、上せん断部材２９の剛性が下せん断部材２８の剛性よりも小さくなっている。

図１９の（ｂ）において、上部工４０は水平方向に上隙間（δ１）だけ移動し、上端面プレート３の外周が上反力部材４３の内周に初めて接触している。すなわち、上部工４０が水平方向に移動する距離が上隙間（δ１）よりも小さい間は、上端面プレート３の外周が上反力部材４３の内周に接触しない。
図１９の（ｃ）において、上部工４０は水平方向に上隙間（δ１）よりも大きい距離（δ３）だけ移動している。このとき、剛性の低い上せん断部材２９は、剛性が高い下せん断部材２８よりも大きく変形している。

図１９の（ｄ）において、中端面プレート８の外周が中反力部材４８の内周に接触している。すなわち、中端面プレート８は上端面プレート３に対して水平方向に距離「δ２−δ１」だけ移動し、下端面プレート１は中端面プレート８に対して水平方向に距離「δ４」だけ移動しているから、上端面プレート３は下端面プレート１に対して水平方向に距離「δ２＋δ４」だけ移動している。このとき、上せん断部材２９のせん断変形は最大であって、これ以降、より大きな水平荷重が作用しても、上せん断部材２９のせん断変形量は増加しない。一方、より大きな水平荷重が作用すると、下せん断部材２８のせん断変形量は増加する。

図２０の（ａ）において、高さｈのせん断部材２が水平荷重Ｆを受けて、水平方向に「δ」だけ水平変位している。
図２０の（ｂ）において、下せん断部材２８は、せん断部材２の高さを半分（ｈ／２）にしたものであって、水平荷重Ｆを受けて、水平方向に「δ／２」だけ水平変位している。
図２０の（ｃ）において、水平荷重が増加するに伴って、下せん断部材２８およびせん断部材２は弾性変形して、前者は水平変位「δ／２」において塑性変形を開始し、後者は水平変位「δ」において塑性変形を開始し、塑性変形を開始した後は、何れも水位荷重「Ｆ」を維持する。そして、せん断部材２は「変位量δｆ」において終局を迎えている。

図２１の（ａ）において、高さ「ｈ／２」の上せん断部材２９は水平荷重Ｆを受けて、水平方向に「Δ」だけ水平変位している。
図２１の（ｂ）において、ダンパー装置１８の上端面プレート３は水平荷重Ｆを受けているから、上せん断部材２９は水平方向に「Δ」だけ水平変位し、下せん断部材２８は水平方向に「δ／２」だけ水平変位している。すなわち、全体で「Δ＋δ／２」だけ水平変位している。
図２１の（ｃ）において、ダンパー装置１８の変位−荷重線は、一点鎖線で示す下せん断部材２８と、点線で示す上せん断部材２９とを合計した、水平変位「Δ＋δ／２」において塑性変形を開始する実線で示すものになる。

図２２において、ダンパー装置１８の荷重−変位特定が、折れ線によって示されている。すなわち、図１９〜図２１に示す知見より、ダンパー装置１８は、水平変位が上隙間（δ１）に達するまではせん断変形をしない（水平荷重が「０（ゼロ）」である）。
そして、水平変位が上隙間（δ１）を越えて水平変位「δ２＋δ４」に到達するまでは、下せん断部材２８および上せん断部材２９の両者がせん断変形し、図２１の（ｃ）に示す最も傾斜の小さい線「２８＋２９」に平行な線に平行な変形挙動を示す。さらに、水平変位「δ２＋δ４」を超えると、上せん断部材２９はせん断変形の増分がなくなり、下せん断部材２８のせん断変形が増加する。すなわち、図２０の（ｃ）に示す最も傾斜の大きい線「２８」に平行な線に平行な変形挙動を示す。そして、下せん断部材２８は水平荷重Ｆにおいて、塑性変形を開始し、やがて、水平変形「δ２＋Δｅ＋Δｐ」において終局を迎える。

したがって、地震荷重が比較的小さい間は、主に、剛性が低い上せん断部材２９が地震のエネルギーを吸収し、地震荷重が比較的大きくなったときは、剛性が低い上せん断部材２９の変形は一定に維持された状態で、剛性が高い下せん断部材２８が地震のエネルギーを吸収する。すなわち、地震荷重が小さい場合の制振を剛性が低い上せん断部材２９が主に受け持ち、地震荷重が大きい場合の制振を剛性が高い下せん断部材２８が主に受け持つから、水平荷重が比較的小さい範囲において、上せん断部材２９が比較的大きく変形する。このため、地震発生直後に、上部工４０に作用する衝撃的な荷重が緩和されることになる。

本発明によれば、地震荷重の方向に関わらず制振機能を発揮することができ、また、構造が簡素かつ小型であって、メンテナンス（保守点検）が容易で、長期的に安定した制振機能を発揮し、狭小なスペースに設置することができるから、各種構造物および各種装置の耐震補強用ダンパー装置として広く使用することができる。

１ 下端面プレート
２ せん断部材
３ 上端面プレート
３ａ 上端面プレート
３ｂ 上端面プレート
４ 反力部材
４ａ 反力部材
４ｂ 反力部材
４ｃ 反力部材
５ 下支承板
６ 支承球体
７ 上支承板
７ａ 上支承板
７ｂ 上支承板
８ 中端面プレート
１０ ダンパー装置
１０ａ ダンパー装置
１０ｂ ダンパー装置
１１〜１９ ダンパー装置
２０ 支承
２０ａ 支承
２０ｂ 支承
２２〜２５ せん断部材
２５ｈ 開口部
２６ せん断部材
２６ｈ 開口部
２７ せん断部材
２８ 下せん断部材
２９ 上せん断部材
３０ 橋脚
３１ 張り出し部
３１ａ 張り出し部
３１ｂ 張り出し部
３２ 脚部
４０ 上部工
４１ Ｌ字状部材
４２ 棒材
４３ 上反力部材
４８ 中反力部材

Claims (10)

1. 下部構造物と上部構造物との間に組み込まれる構造物の耐震補強用ダンパー装置であって、
   前記下部構造物に設置される下端面プレートと、前記下端面プレートに一方の端面が固定されているせん断部材と、該せん断部材の他方の端面に固定され、前記下端面プレートに平行な上端面プレートと、前記上部構造物に設置される反力部材と、を有し、
   前記下端面プレートが前記下部構造物に水平に設置され、かつ、前記反力部材が前記上部構造物に水平に設置された際、前記反力部材の内周面は前記上端面プレートの外周面を隙間を空けて包囲することを特徴とする構造物の耐震補強用ダンパー装置。
2. 前記上端面プレートの外周面は断面円形であって、前記反力部材の内周面は断面円形の貫通孔または凹部であることを特徴とする請求項１記載の構造物の耐震補強用ダンパー装置。
3. 前記上端面プレートの外周面が断面矩形であって、前記上部構造物の内周面は断面矩形の貫通孔または凹部であることを特徴とする請求項１記載の構造物の耐震補強用ダンパー装置。
4. 前記上端面プレートの外周面が断面矩形であって、前記反力部材が、前記上端面プレートの四隅にそれぞれ対向する４個のＬ字状部材、または前記上端面プレートの四辺にそれぞれ対向する４個の棒材によって構成されていることを特徴とする請求項１記載の構造物の耐震補強用ダンパー装置。
5. 前記せん断部材は、１本または複数本の筒状体によって構成され、前記筒状体の水平断面が、円形、楕円形および多角形の何れかであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の構造物の耐震補強用ダンパー装置。
6. 前記筒状体の鉛直断面が、波状であることを特徴とする請求項５記載の構造物の耐震補強用ダンパー装置。
7. 前記筒状体に複数の開口部が形成され、前記開口部の形状が、円形、楕円形および多角形の何れかであることを特徴とする請求項５または６記載の構造物の耐震補強用ダンパー装置。
8. 前記筒状体は、低降伏点鋼、高延性普通鋼、アルミニューム合金、銅、銅合金、および非磁性鋼の何れかであることを特徴とする請求項５〜７の何れか一項に記載の構造物の耐震補強用ダンパー装置。
9. 下部構造物と上部構造物との間に組み込まれる構造物の耐震補強用ダンパー装置であって、
   前記下部構造物に設置される下端面プレートと、前記下端面プレートに一方の端面が固定されている下せん断部材と、該下せん断部材の他方の端面に固定され、前記下端面プレートに平行な中端面プレートと、前記中端面プレートに一方の端面が固定されている上せん断部材と、該上せん断部材の他方の端面に固定され、前記中端面プレートに平行な上端面プレートと、前記上部構造物に設置される反力部材と、を有し、
   前記下せん断部材の剛性は前記上せん断部材の剛性より高く、
   前記反力部材が、中反力部材および上反力部材を具備し、
   前記下端面プレートが前記下部構造物に水平に設置され、かつ、前記反力部材が前記上部構造物に水平に設置された際、前記中反力部材の内周面は前記中端面プレートの外周面を中隙間を空けて包囲すると共に、前記上反力部材の内周面は前記上端面プレートの外周面を上隙間を空けて包囲し、前記中隙間が前記上隙間よりも広いことを特徴とする構造物の耐震補強用ダンパー装置。
10. 下部構造物と上部構造物との間に組み込まれる構造物の耐震補強用ダンパー装置であって、
    前記下部構造物に設置される下端面プレートと、前記下端面プレートに一方の端面が固定されているせん断部材と、該せん断部材の他方の端面に固定され、前記下端面プレートに平行な上端面プレートと、前記下部構造物に設置される反力部材と、を有し、
    前記反力部材が前記下部構造物に水平に設置され、かつ、前記上端面プレートが前記上部構造物に水平に設置された際、前記反力部材の内周面は前記下端面プレートの外周面を隙間を空けて包囲することを特徴とする構造物の耐震補強用ダンパー装置。

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