JP2015121035A - 鋼製ベローズ型ダンパー - Google Patents

Abstract

【課題】低サイクル疲労耐久性を向上させることができる鋼製ベローズ型ダンパーを提供する。【解決手段】２つの構造物１０、１０間を連結して、これら２つの構造物１０、１０間に生じる相対変位を抑制するための鋼製ベローズ型ダンパー１であって、湾曲板部４と、湾曲板部４の両端から互いに略平行となるように延びる１対の平板部５、５とを有し、構造物１０に作用する外力により平板部５、５が互いに接近又は離間するように弾塑性変形するする本体２と、各平板部５の外面に添接される添接部６と、添接部６に略直角に設けられ構造物１０に取り付けられる取付部７とを有する断面Ｌ字形のブラケット３とからなる。【選択図】図１

Description

この発明は、鋼製ベローズ型ダンパーに関し、より詳細には２つの構造物間を連結して、これら２つの構造物間に生じる相対変位を抑制するためのダンパーに関する。

兵庫県南部地震以来、新設橋梁においては橋脚の耐震性能が高められ、さらに落橋防止システムの適用、反力分散構造や免震構造の採用などが図られている。一方、既設橋梁においても、下部構造の補強や支承取り替え及び落橋防止システムの付加などの耐震補強工事が実施されている。しかし、既設橋梁の場合は、施工条件が困難である場合や既設構造の耐力や遊間が不足する場合なども多く、補強工事はいまだに完了していない。

このような状況において、近年、制震ダンパーを用いた既設橋梁の耐震補強が多く実施されている。制震ダンパーは種々のものが提案・開発されているが、金属の弾塑性履歴エネルギー吸収機構を利用した履歴型ダンパーとして鋼製ベローズが知られ、その研究がなされ（非特許文献１参照）あるいはその適用例が提案されている（特許文献１，２参照）。

図９は、この鋼製ベローズ型ダンパーを示す平面図である。従来の鋼製ベローズ型ダンパー５０は、湾曲板部５１と、この湾曲板部５１の両端から外側に曲げ形成された１対の平板部５２、５２とを有している。平板部５２、５２は構造物への取付部であり、ボルトの挿入穴５３が設けられている。

したがって、鋼製ベローズ型ダンパー５０は図９から理解されるように、湾曲板部５１による曲げ半径が大きい曲げ部と、湾曲板部５１と平板部５２、５２との境界部５４、５４による曲げ半径が小さい曲げ部との２種の曲げ部を有していることになる。

この発明の発明者らは、上記のような従来の鋼製ベローズ型ダンパー５０について、繰り返し載荷試験を行ったところ境界部５４、５４より疲労破断することを見出した。境界部５４、５４は曲げ半径が小さく加工硬化の影響があり、さらに湾曲板部５１に比べて境界部５４、５４のひずみが大きく、このことが従来の鋼製ベローズ型ダンパーに低サイクル疲労耐久性の点で問題を与えている。

その他、この発明に関連する先行技術文献として特許文献３，４を挙げることができる。これらの文献には、湾曲板部と１対の平板部とからなるＵ字形の免震ダンパーが開示されている。しかしながら、これらの文献に開示のダンパーは、いずれも平板部が平行を保ったまま互いに逆方向に変位することにより、湾曲板部に弾塑性変形を与えるものであり、この発明による鋼製ベローズ型ダンパーとは変形の態様が異なる。

頭井洋、外４名，「桁制震装置の桁温度伸縮に対するー設計法と最大応答変位予測法」，鋼構造論文集，一般社団法人日本鋼構造協会，Vol.19,No.75,PP.41-53,2012.9

特開２００１ー４０６１６号公報 特開２００９ー２３５８４７号公報 特許第３５３３１１０号公報 特開２００４−２７８２０５号公報

この発明は上記のような技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目的を達成するものである。
この発明の目的は、低サイクル疲労耐久性を向上させることができる鋼製ベローズ型ダンパーを提供することにある。

この発明は上記課題を達成するために、次のような手段を採用している。
すなわち、この発明は、２つの構造物間を連結して、これら２つの構造物間に生じる相対変位を抑制するための鋼製ベローズ型ダンパーであって、
湾曲板部と、この湾曲板部の両端から互いに略平行となるように延びる１対の平板部とを有し、前記構造物に作用する外力により前記平板部が互いに接近及び離間するように弾塑性変形する本体と、
前記各平板部の外面に添接される添接部と、この添接部に略直角に設けられ前記構造物に取り付けられる取付部とを有する断面Ｌ字形のブラケットとからなることを特徴とする鋼製ベローズ型ダンパーにある。

上記鋼製ベローズ型ダンパーにおいて、前記平板部は剛性急変を緩和する手段を有している構成を採用することができる。前記剛性急変緩和手段は、例えば、平板部の内面及び外面の少なくとも一方に設けられ、前記添接部との重なり合い部端を越えて前記湾曲板部側に延びるプレートからなる。

前記剛性急変緩和手段は、あるいは、前記平板部と前記添接部との重なり合い部において前記平板部の板厚を前記本体の内方側及び外方側の少なくとも一方側に増大させた厚肉部と、前記湾曲板部と前記平板部との境界から前記厚肉部にかけて形成されたテーパ部とからなる。前記剛性急変緩和手段は、あるいは、前記平板部の幅を湾曲板部の幅よりも大きくすることである。

この発明によれば、地震時の繰り返し変形により生じる最大ひずみの位置が、従来のベローズにおける曲げ半径が小さい曲げ部から、曲げ加工の影響を受けない本体の平板部に移動するため、低サイクル疲労耐久性の向上を期待できる。

この発明による鋼製ベローズ型ダンパーの実施形態を示す平面図である。 同実施形態の正面図である。 同実施形態の橋梁への適用例を示す正面図である。 従来のベローズ（ａ）及び本発明によるベローズ（ｂ）に、それぞれ圧縮変形を加えた場合に生じる、ＦＥＭ解析によるひずみ分布を示す図である。 インナープレートが無いベローズ（ａ）及びインナープレートが有るベローズ（ｂ）に、それぞれ引張変形を加えた場合に生じる、ＦＥＭ解析によるひずみ分布を示す図である。 剛性急変緩和手段の別の実施形態を示す平面図である。 剛性急変緩和手段のさらに別の実施形態を示す側面図である。 剛性急変緩和手段のさらに別の実施形態を示す側面図である。 従来の鋼製ベローズ型ダンパーを示す平面図である。

この発明の実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、この発明による鋼製ベローズ型ダンパー（以下、単にベローズという）の実施形態を示す平面図であり、図２は同実施形態の正面図である。ベローズ１は、通常、２つが対になって２つの構造物１０、１０間に設置される。各ベローズ１は本体２と１対のブラケット３、３とで構成されている。各ベローズ１の一方のブラケット３、３が一方の構造物１０を挟むように取り付けられ、他方のブラケット３、３が他方の構造物１０を挟むように取り付けられる。

ベローズ１の本体２は湾曲板部４と、その両端４ａ、４ａから互いに平行となるように延びる１対の平板部５、５とからなり、全体としてＵ字形を呈している。湾曲板部４は略半円筒形に形成され、Ｃは曲げ中心を示している。１対のブラケット３、３は平板部５、５の外側にそれぞれ設けられる。

各ブラケット３は、平板部５の外面に添接される添接部６と、この添接部６に略直角に設けられた構造物１０への取付部７とを有し、全体として断面Ｌ字形を呈している。これら添接部６と取付部７との間には複数のリブ８が適宜間隔を置いて配置され、これらの添接部６、取付部７及びリブ８は鋳造により一体化された鋳鋼品である。ブラケット３は、添接部６が平板部５にボルト１１及びこれに螺着されるナットによって接合されことによって本体２に取り付けられるが、溶接によって添接部６を平板部５に接合するようにしてもよい。

平板部５の内面にはインナープレート１２が前記したボルト１１及びナットによって接合されている。このインナープレート１２は、湾曲板部４及び平板部５からなる本体２の厚み（例えば22mm）の1/2の厚みで、平板部５から添接部６との重なり合い部端を越えて湾曲板部４側に延びている。したがって、インナープレート１２の湾曲板部４側の端縁はＲ加工されている。

ここで、インナープレート１２の厚みを本体２の厚みの1/2としたのは、次の理由による。すなわち、本体２の厚みを22mmとしてインナープレートの厚みを9mm,11mm,13mmと変化させ、それぞれの場合についてベローズに引張変形を与えたときのひずみ値ををＦＥＭ解析によって測定した。その結果、最大ひずみの減少率はインナープレートの厚みを9mmから11mmと変化させた場合が8%、11mmから13mmと変化させた場合が3%となり、インナープレートの厚みを本体の厚み22mmの1/2とすることが最大ひずみ減少の点から最も効果があることが判明したからである。

次に、上記ベローズ１の使用形態について説明する。図３に示すように、ベローズ１は例えば橋脚１５上に支承１６を介して設置される２つの鋼桁１７、１７を連結するために用いられる。鋼桁１７、１７のウェブ１０が図１に示した構造物１０に相当する。鋼桁１７、１７間には温度変化による鋼桁１７、１７の伸縮を吸収するための遊間１８が設けられている。ベローズ１は、この遊間１８を跨ぐように鋼桁１７、１７間に設置される。

ベローズ１は前述のように２つが対になって用いられ、各ベローズ１の一方のブラケット３、３が一方の鋼桁１７のウェブ１０を挟むように取り付けられ、他方のブラケット３、３が他方の鋼桁１７のウェブ１０を挟むように取り付けられる。図２に示すように、ブラケット３の取付部７には複数のボルト孔１３が形成され、これらのボルト孔１３に挿入されてウェブ１０を貫通するボルト１４及びこれに螺着されるナットにより、ベローズ１、１がウェブ１０、１０に固定される。

上記のようなベローズ１によれば、地震時において構造物である鋼桁１０、１０に橋軸方向の外力が作用すると、本体２は平板部５、５が互いに接近（圧縮）及び離間（引張）するように弾塑性変形する。これにより、鋼桁１７、１７間の相対変位が抑制されて桁端衝突や鋼桁の落下が回避されるとともに、橋脚１５に作用する地震力を低減させる効果を期待できる。そして、地震時の繰り返し変形により生じる最大ひずみの位置が、従来のベローズにおける曲げ半径が小さい曲げ部５４（図９参照）から、曲げ加工の影響を受けない平板部５に移動するため、低サイクル疲労耐久性の向上を期待できる。

図４は、従来のベローズ（ａ）及び本発明によるベローズ（ｂ）に、それぞれ７２ｍｍの圧縮変形を加えた場合に生じる、ＦＥＭ解析によるひずみ分布を示している。図においてひずみ分布の濃淡はひずみの大きさに対応し、黒色の度合いが大きいほどひずみが大きいことを示している。このＦＥＭ解析の結果からも従来のベローズでは、最大ひずみが曲げ半径の小さい曲げ部に生じていたが、本発明では平板部に移動していることが理解される。

その一方、この発明によるベローズ１の場合、繰り返し変形により生じる最大ひずみの位置がボルト接合部である平板部５に移動する結果、疲労破断が平板部５と添接部６との重なり合いがなくなって板厚が急変する部分、すなわち剛性が急変する部分に生じてしまう。しかしながら、この発明では平板部５の内側に添接部６との重なり合い部端を越えて湾曲板部４側に延びるインナープレート１２を設けたので、板厚の急変（剛性の急変）に伴う応力集中を緩和させることができ、低サイクル疲労耐久性を向上させることができる。

図５は、インナープレートが無いベローズ（ａ）及びインナープレートが有るベローズ（ｂ）に、それぞれ７２ｍｍの引張変形を加えた場合に生じる、ＦＥＭ解析によるひずみ分布を示す図である。インナープレートが有る場合には、無い場合に比べてひずみ分布が拡がり、最大ひずみがプラス側及びマイナス側ともに30%減少するという結果が得られた。

ところで、橋梁用鋼材の冷間曲げ加工を行う場合、内側半径は板厚の１５倍以上とするのが望ましいとされているが、シャルピー衝撃試験結果の吸収エネルギーが200J以上であって、かつ所定の鋼種を使用すれば、冷間曲げ加工の内側半径を板厚の５倍以上とすることができるとされている。したがって、この発明によれば、湾曲板部４のみの曲げ加工で済むため、上記の条件を満たす鋼材を使用することにより、板厚の５倍以上の曲げ半径としたベローズの製作が可能となる。

上記実施形態では、本体４の剛性急変を緩和する手段として、平板部５の内面にインナープレート１２を設けたが、剛性急変を緩和するためのプレートは図６に示すように、平板部５の外面にアウタープレート２２として設けるようにしてもよい。また、このようなプレートは、平板部５の内面及び外面の双方にインナープレート１２及びアウタープレート２２として設けるようにしてもよい。

剛性急変緩和手段は、上記プレートに限らず、種々の形態を採りうる。図７は、本体４の剛性急変緩和手段の別の実施形態を示している。この実施形態では、本体２の平板部５は、ブラケット３の添接部６との重なり合い部において、板厚を本体２の内方側（図７（ａ））又は外方側（同図（ｂ）に向けて増大させて、湾曲板部４よりも板厚を厚くした厚肉部５ａを有している。そして、平板部５と湾曲板部４との境界４ａから厚肉部５ａにかけては、板厚が徐々に大きくなるテーパ部５ｂが形成されている。これにより、本体２の板厚の急変、すなわち剛性の急変が緩和される。厚肉部５ａは、平板部５の板厚を本体２の内方側及び外方側の双方側に増大させることにより形成してもよい。

図８は、剛性急変緩和手段の別の実施形態を示している。この実施形態では、平板部５の幅が湾曲板部４との境界４ａから徐々に大きくなっている。このような実施形態によっても本体２の剛性の急変を緩和することができる。

上記実施形態は例示にすぎず、この発明は種々の態様を採ることができる。例えば、上記実施形態では、ブラケット３が添接部６、取付部７及びリブ８を鋳造により一体成形した鋳鋼品からなるが、これらブラケット３を構成する各部材６、７、８を溶接により一体化するようにしてもよい。

１ 鋼製ベローズ型ダンパー
２ 本体
３ ブラケット
４ 湾曲板部
４ａ 湾曲板部の端（湾曲板部と平板部との境界）
５ 平板部
６ 添接部
７ 取付部
８ リブ
１０ 構造物（ウェブ）
１１ ボルト
１２ インナープレート
１４ ボルト
１５ 橋脚
１７ 鋼桁

Claims (5)

1. ２つの構造物間を連結して、これら２つの構造物間に生じる相対変位を抑制するための鋼製ベローズ型ダンパーであって、
   湾曲板部と、この湾曲板部の両端から互いに略平行となるように延びる１対の平板部とを有し、前記構造物に作用する外力により前記平板部が互いに接近及び離間するように弾塑性変形する本体と、
   前記各平板部の外面に添接される添接部と、この添接部に略直角に設けられ前記構造物に取り付けられる取付部とを有する断面Ｌ字形のブラケットとからなることを特徴とする鋼製ベローズ型ダンパー。
2. 前記平板部は剛性急変を緩和する手段を有していることを特徴とする請求項１記載の鋼製ベローズ型ダンパー。
3. 前記剛性急変緩和手段は、前記平板部の内面及び外面の少なくとも一方に設けられ、前記添接部との重なり合い部端を越えて前記湾曲板部側に延びるプレートからなることを特徴とする請求項２記載の鋼製ベローズ型ダンパー。
4. 前記剛性急変緩和手段は、前記平板部と前記添接部との重なり合い部において前記平板部の板厚を前記本体の内方側及び外方側の少なくとも一方側に増大させた厚肉部と、前記湾曲板部と前記平板部との境界から前記厚肉部にかけて形成されたテーパ部とからなることを特徴とする請求項２記載の鋼製ベローズ型ダンパー。
5. 前記剛性急変緩和手段は、前記平板部の幅を湾曲板部の幅よりも大きくすることであることを特徴とする請求項２記載の鋼製ベローズ型ダンパー。

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