JP2019031827A

JP2019031827A - 機能分離型衝撃吸収装置及び機能分離型衝撃吸収装置を備えた橋梁

Info

Publication number: JP2019031827A
Application number: JP2017153324A
Authority: JP
Inventors: 稔前島; Minoru Maejima
Original assignee: Yokogawa Sumikin Bridge Co Ltd
Current assignee: Yokogawa Sumikin Bridge Co Ltd
Priority date: 2017-08-08
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2019-02-28
Anticipated expiration: 2037-08-08
Also published as: JP7017879B2

Abstract

【課題】引張り及び圧縮両方向の変形能力とエネルギー吸収能力が高く、主として橋桁の端部と橋桁の端部を支える橋台との間に落橋防止材として設置される機能分離型衝撃吸収装置及び機能分離型衝撃吸収装置を備えた橋梁を提供する。【解決手段】橋軸方向の両端部に継手部5と継手部6を取り付ける。継手部5と継手部6間の同一材軸線上に第1及び第2変形芯材7A,7Bと変位芯材8を橋軸方向に隣接して設置する。第1及び第2変形芯材7A,7Bと変位芯材8の軸直角方向の外側に複数の座屈拘束材９を設置する。第1,2変形芯材7A,7Bは橋軸方向の圧縮及び引張り荷重を受けて弾性又は塑性変形するように設置する。変位芯材8は橋軸方向の圧縮及び引張り荷重を受けて、継手部5との連結が切り離された状態で橋軸方向に無抵抗で変位するように設置する。【選択図】図１

Description

本発明は、従来の棒状制振部材に対し、材軸方向の引張りおよび圧縮両方向の荷重に対する変形能力とエネルギー吸収能力に優れた機能分離型衝撃吸収装置及び機能分離型衝撃吸収装置を備えた橋梁に関するものであり、例えば、橋桁の端部と橋桁の端部を支える橋台との間に設置して、地震時の衝撃吸収部材として用いることができる。

構造物の耐震性能、制震性能を高めるものとして、制振部材と構造部材を兼ねた制振ブレースなどの棒状制振部材が種々開発され、製品化されている。

例えば、特許文献１、特許文献２には、平板または断面十字形の鋼材からなる芯材とその座屈変形を拘束する山形鋼からなる拘束材を用いた座屈拘束型の軸力負担部材が記載されている。

また特許文献３には、鋼製芯材の外周をアンボンド層を介して座屈拘束用コンクリート部材で覆い、その座屈拘束用コンクリート部材の外周を鋼管で覆って補強した軸降伏型弾塑性履歴ブレースの改良技術が記載されている。

図20(a),(b)は、従来の棒状制振部材の一例として、平板芯材を用いた座屈拘束型の棒状制振部材の具体例を示したものである。

基本的な構成は、低降伏点鋼あるいは普通鋼からなるエネルギー吸収材としての芯材30本体の両端部に断面が拡大された継手部31、32を形成し、芯材30本体を四方より変形拘束部材33としての山形鋼で抑え、スペーサー34を介して変形拘束部材33どうしを高力ボルト35で締め付けて、芯材30本体が座屈しないようにしたものである。

この例で、芯材30と変形拘束部材33とは、図20(a)における奥側の固定側継手部31と、手前側の可動側継手部32の２箇所において、それぞれ高力ボルト35で接合されており、可動側継手部32の高力ボルト35は芯材30に軸方向の引張力または圧縮力が作用したときに、変形拘束部材33に形成した長孔33aに沿って軸方向に摺動可能となっている。

すなわち、芯材30に軸方向の引張力が作用したときは芯材30が弾性範囲または弾塑性範囲で伸び、芯材30に軸方向の圧縮力が作用したときは芯材30が弾性範囲または弾塑性範囲で縮み、変形拘束部材33には実質的に軸方向力が作用しないようになっている。

また、芯材30に軸方向の圧縮力が作用したとき、変形拘束部材33が芯材30本体を四方から拘束していることで、芯材30本体の座屈変形が生じないため、制振部材としてのエネルギー吸収能力をフルに発揮させることができる。

図21(a),(b)は、従来の棒状制振部材の一例として十字芯材を用いた座屈拘束ブレースの具体例を示したものであり、芯材30本体の断面を十字断面とした点以外の構成および作用効果は図18の平板の場合と同様であるが、同じ変形が生じた場合芯材30の方が断面が大きい分、エネルギー吸収能力が高い。

ところで、道路橋などの橋梁においては、大規模地震時に上部工である橋桁の端部が橋桁端部を支える橋台や橋脚などの下部工から落橋しないように、下部工側に桁かかり長を十分に確保をしたり、上部工側の橋桁端部と下部工側の橋台や橋脚とを落橋防止材で連結することが行われ、また、特に近年では、棒状制振部材に落橋防止材としての機能を兼用させる検討をしたり，落橋防止材単体として使用をする検討がなされたりしている。

特開２０００−２６５７０６号公報特開２００６−３２８６８８号公報特開２０１４−０３１６５４号公報

従来の棒状制振部材の設計では、大規模地震時には芯材を必ず降伏させて履歴減衰により地震エネルギーを吸収させる設計をしていたが、想定外の地震も考慮した設計対応も要求されることがある。また、棒状制振部材には、引張り荷重と共に圧縮荷重が引張り荷重と交互に作用するため、圧縮荷重を受けて降伏する芯材を取り付けることにより、変形能力および地震エネルギーの吸収能力は倍増させることができる。

例えば、橋桁と橋桁を支える橋台との間に取り付けて使用する場合、棒状制振部材の芯材が仮に大規模地震時の繰り返し履歴で既に破断をしていたとすると、それ以降の落橋防止材としての変形挙動に対しては地震エネルギーの吸収ができないことになる。

また、主として落橋防止材を設計する場合は、落橋防止システムとして、支承部の機能が喪失するまでは、芯材を塑性変形させる必要はなく、その間、支承部の変形に追随できる構造が要求される。つまり、想定外の地震挙動で支承部の機能が喪失した場合、芯材を塑性変形させれば良いことになり、使用目的により芯材を塑性変形させる設計のタイミングが異なってくるのである。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、地震時の引張りおよび圧縮両方の荷重に対する変形能力とエネルギー吸収能力がきわめて高く、想定し得る範囲内で最大規模の地震(レベル２の地震動)に対してだけでなく、レベル２の範囲を超える想定外の大地震に対しても対応可能で、例えば、橋桁の端部と橋桁の端部を支える橋台との間に取り付けられる落橋防止材として適した機能分離型衝撃吸収装置及び機能分離型衝撃吸収装置を備えた橋梁を提供することを目的とするものである。

本発明は、材軸方向の両端部に継手部を有し、引張りおよび圧縮荷重を受けて材軸方向に伸縮する棒状の機能分離型衝撃吸収装置であって、引張り荷重を受けて、塑性変形領域として設定される引張り側の第１の変位区間では、衝撃吸収装置を構成する引張り側の特定の第１の軸方向変形部材が弾性変形または塑性変形しつつ、前記第１の変位区間の上限において変位が拘束される構成とし、前記第１の変位区間を超え、引張り側の第２の塑性変形領域として設定される引張り側の第２の変位区間では、衝撃吸収装置を構成する引張り側の特定の第２の軸方向変形部材が弾性変形または塑性変形する構成とし、かつ圧縮荷重を受けて、圧縮側の塑性変形領域として設定された圧縮側の変位区間では、衝撃吸収装置を構成する圧縮側の軸方向変形部材が弾性変形または塑性変形する構成としたことを特徴とするものである。

請求項１記載の機能分離型衝撃吸収装置において、引張り荷重を受けて、前記第２の軸方向変形部材が第２の変位区間を超え、第３の塑性変形領域として設定される第３の変位区間では、衝撃吸収装置を構成する特定の第３の軸方向変形部材が弾性変形または塑性変形する構成とすることができる。

また、請求項１または２記載の機能分離型衝撃吸収装置において、引張りおよび圧縮荷重を受けて、衝撃吸収装置を構成する引張り側の特定の軸方向変位部材が、前記継手部の一方との連結が切り離された状態で実質的に無抵抗に引張り方向および圧縮方向に変位する遊間領域として設定される変位区間を備えた構成とすることができる。

さらに、請求項１〜３のいずれかひとつの機能分離型衝撃吸収装置において、衝撃吸収装置を構成する引張り側の特定の軸方向変形部材に、設定された引張り荷重で破断する破断誘発部を設けることにより、想定外の引張り荷重を受けた際に損傷が他の部分まで及ぶのを防止することができ、また、これにより早期にかつきわめて経済的に復旧させることができる。この場合の破断誘発部は、断面欠損を目的とした凹部または貫通孔などでよい。

軸方向変形部材の材料としては、要求性能に応じて、JIS材である普通鋼に加えて、変形能に優れた低降伏点鋼または形状記憶合金等を用いることができる。

本発明の機能分離型衝撃吸収装置は、レベル２地震動以上の地震動での支承の破壊を許容する構成とした橋梁の下部工と上部工との間に設置することができ、さらにレベル２地震動以上の地震動により一方の芯材が破壊したとしても、他方の芯材が衝撃吸収装置として機能するように、芯材の降伏荷重の階層化を行うことで対応できる。

本発明の機能分離型衝撃吸収装置は、棒状制振部材の衝撃吸収装置の吸収材となる芯材を２つに切り離すことで、それぞれの機能を明確にし、芯材の降伏荷重の階層化が実現できる。また、切り離された芯材間に遊間長を設けることで、常時に対する変形の追随性を付加することに加え、従来のケーブルタイプでは対応ができなかった圧縮力に対しても衝撃吸収が可能となる。

さらに、圧縮荷重を受けて、圧縮側の塑性変形領域として設定された圧縮側の変位区間を備え、当該圧縮側の変位区間では、衝撃吸収装置を構成する圧縮側の軸方向変形部材が弾性変形または塑性変形する構成としたことで、材軸方向の引張りおよび圧縮両方向の変形能力とエネルギー吸収能力に優れ、例えば、橋桁の端部と橋桁の端部を支える橋台との間に設置して地震時の衝撃吸収部材として用いることができる。

本発明の機能分離型衝撃吸収装置の第１の実施形態を図示したものであり、図1(a)は初期状態、図1(b)は橋軸方向の引張り力が作用し、左側の芯材が軸降伏後、塑性変形をして作動した状態、図1(c)は仮に継手部を破壊させた場合の最終破壊状態の斜視図である。図１に図示する機能分離型衝撃吸収装置の分解斜視図である。第１変形芯材の端部の端部を図示したものであり、図3(a)は連結部が破断する前の状態を示す斜視図、図3(b)は連結部が破断した後の状態を示す斜視図である。図4(a),(b)は、それぞれ図1(a)及び図15(a)におけるイ−イ線、ロ−ロ線断面図である。本発明の衝撃吸収装置の設置例を図示したものであり、橋桁の端部と橋桁を支える橋台との間に設置された機能分離型衝撃吸収装置の側面図である。橋桁端部と橋台との間に設置された本発明の機能分離型衝撃吸収装置の作動状態のうち引張り変形を示す側面図である。橋桁端部と橋台との間に設置された本発明の機能分離型衝撃吸収装置の作動状態のうち圧縮変形を示す側面図である。第１および第２変形芯材と変位芯材の引張りおよび圧縮荷重による挙動を示す説明図である。図８の荷重−変位設計曲線を示すグラフである。図１の機能分離型衝撃吸収装置に橋軸方向の荷重(圧縮および引張力)が作用した際の荷重−変位設計曲線を示すグラフである。圧縮側には橋台があり変位が限定される。引張り側は、設計最大荷重で破断する設計とした事例である。本発明の機能分離型衝撃吸収装置の第２の実施形態を図示したものであり、図11(a)は初期状態、図11(b)は引張り力が作用し、左側の芯材が軸降伏して作動した状態、図11(c)はその後、右側の芯材が軸降伏後塑性変形をし、仮に継手部を破壊させた場合の最終破壊状態の斜視図である。図11に図示する機能分離型衝撃吸収装置に橋軸方向の荷重(圧縮および引張力)が作用した際の荷重−変位設計曲線を示すグラフである。分割された芯材が降伏荷重の階層化によりそれぞれ軸降伏した後、塑性変形をし、設計最大荷重で破断する設計とした事例である。本発明の機能分離型衝撃吸収装置の第３の実施形態を図示したものであり、図13(a)は初期状態、図13(b)は引張り力が作用し、左側の芯材が軸降伏して作動した状態の斜視図である。図13に図示する機能分離型衝撃吸収装置に橋軸方向の荷重(圧縮および引張力)が作用した際の荷重−変位設計曲線を示すグラフである。本発明の機能分離型衝撃吸収装置の第４の実施形態を図示したものであり、図15(a)は初期状態、図15(b)は左側の芯材が軸降伏後、圧縮・引張りの変位を繰り返した後、引張り荷重が右側の芯材の降伏荷重に達して塑性変形をした作動状態の斜視図である。図15に図示する機能分離型衝撃吸収装置に橋軸方向の荷重(圧縮および引張力)が作用した際の荷重−変位設計曲線を示すグラフである。本発明の機能分離型衝撃吸収装置の第５の実施形態の機能分離型衝撃吸収装置に橋軸方向の荷重(圧縮および引張力)が作用した際の荷重−変位設計曲線を示すグラフである。本発明の機能分離型衝撃吸収装置の第６の実施形態の衝撃吸収装置に橋軸方向の荷重(圧縮および引張力)が作用した際の荷重−変位設計曲線を示すグラフである。本発明の機能分離型衝撃吸収装置において芯材として用いられる代表的な鋼材の応力ひずみ曲線を示すグラフである。図20(a)は従来の棒状制振部材としての座屈拘束ブレースの一例（平板芯材の場合）を示す部分透過斜視図、図20(b)は軸直角方向の断面図である。図21(a)は従来の棒状制振部材としての座屈拘束ブレースの他の例（十字芯材の場合）を示す部分透過斜視図、図21 (b)は軸直角方向の断面図である。

[実施形態１]
図１〜図10は、本発明の第１の実施形態であり、機能分離型衝撃吸収装置(以下「落橋防止材」)とその設置例を図示したものである。図において、橋桁１の端部と橋桁１の端部を支える橋台２との間に複数の落橋防止材３と支承４がそれぞれ設置され(図5,6,7参照)、いずれも、橋桁１の橋軸直角方向に間隔をおいて設置されている。符号17は橋桁１と橋台２間の挙動に追従して伸縮する伸縮装置である。

落橋防止材３は、落橋防止材３の材軸方向(以下「橋桁１の橋軸方向」)に伸縮する棒状に構成され、橋軸方向の両端部に継手部５と継手部６がそれぞれ取り付けられている。継手部５は橋台２の側面に固定され、継手部６は橋桁１端部の下端面に固定されている。

また、継手部５と継手部６との間に橋軸引張り方向の荷重によって弾塑性変形する引張り側第１変位区間L₁と引張り側第２変位区間L₂がそれぞれ設けられている(図１、図８参照)。引張り側第１変位区間L₁は継手部５側に、引張り側第２変位区間L₂は継手部６側にそれぞれ設けられている。

また、引張り側第１変位区間L₁と引張り側第２変位区間L₂との間に、橋軸圧縮方向の荷重によって弾塑性変形する圧縮側変位区間L₃が引張り側第１変位区間L₁および引張り側第２変位区間L₂と同一材軸線上で互いに隣接して設けられている(図１、図８参照)。

引張り側第１変位区間L₁と圧縮側変位区間L₃に第１変形芯材7Aと第２変形芯材7Bがそれぞれ設置され、引張り側第２変位区間L₂には変位芯材８が設置されている。また、第１および第２変形芯材7A,7Bと変位芯材８の橋軸直角方向の外側に複数の座屈拘束材９が設置されている。

第１および第２変形芯材7A,7Bは、橋軸方向に連続する単体の細長い平板状に形成され、かつその橋軸方向の両端部に拡径部7a,7b、第１変形芯材7Aと第２変形芯材7B間に拡径部7cがそれぞれ形成されている。拡径部7a,7b,7cは、いずれも断面略十字形状に形成されている。

また、第１変形芯材7Aの継手部５側の端部に拡径部7aと同じ幅で継手部５側に延びる平板状の連結部7dが形成され、連結部7dは継手部５に回転自在に連結されている。さらに、拡径部7aと連結部7dとの境界部に破断誘発凹部7eと座屈拘束リブ7fがそれぞれ形成されている(図3(a),(b)参照)。

破断誘発凹部7eは、継手部５と６間に橋軸方向の引張り荷重が設計値以上作用した際に、
当該破断誘発凹部7eで計画的に破断させることで、破断等の破損が他の部分に及ばないようにするために設けられており、図示するような凹部の他、単に貫通孔であってもよい。

また、座屈拘束リブ7fは、継手部５と６間に作用する橋軸方向の圧縮荷重で、連結部7dが座屈しないように形成されている。当該座屈拘束リブ7fは、連結部7dの上下両面の中央に第１変形芯材7Aの拡径部7a,7aと同一鉛直面内で、拡径部7a,7aの端面と互いに当接するように形成されており、軸圧縮荷重のみを伝達し、引張り荷重は伝達しない。

また、第１および第２変形芯材7A,7Bは橋軸方向に作用する引張り荷重に対して、連結部7dより先に弾塑性変形するように形成され、例えば、連結部7dより小径断面に形成されているか、或いは低降伏点鋼(例えば、LY225規格等)等から形成されている(図19参照)。

変位芯材８は、橋軸方向に細長く連続する断面略十字形状に形成され、また、橋軸方向の両端部に拡径部8a,8aが形成されている。拡径部8aは変位芯材８より大径の断面略十字形状に形成されている。また、継手部６側の端部に拡径部8aと同じ幅で継手部６側に延びる平板状の連結部8bが形成され、連結部8bは継手部６に回転自在に連結されている。

さらに、変位芯材８は橋軸方向の引張り荷重に対して、連結部7dより先に降伏破断しないように形成され、例えば、連結部7dより大断面形に形成されているか、或いは普通鋼(例えば、SM400)などから形成されている(図19参照)。

座屈拘束材９は、第１および第２変形芯材7A,7Bと変位芯材８の橋軸方向に連続し、第１および第２変形芯材7A,7Bと変位芯材８の全長とほぼ同等の長さを有し、かつ断面略等辺山形状に形成されている。

また、第１および第２変形芯材7A,7Bと変位芯材８の軸直角方向の外側に第１および第２変形芯材7A,7Bと変位芯材８を四方から挟み込むように設置されている。そして、第１および第２変形芯材7A,7Bの拡径部7a,7cおよび変位芯材８の拡径部8a,8aの両側面に複数の締付けボルト10aとガイドボルト10bによって接合され、また、拡径部7a,7c間、拡径部7b,7c間および拡径部8a,8a間において、それぞれスペーサー11を介在し、複数の締付けボルト10aによって互いに接合されている。

なお、ガイドボルト10bのボルト孔9aは、橋軸方向に長い長孔に形成されている。また、拡径部8a,8aとスペーサー11間、拡径部8aと7b間に、それぞれ橋軸方向に幅広な遊間Lt,Lcが設けられている。

このような構成において、継手部５と継手部６間に作用する橋軸方向の荷重(引張りおよび圧縮荷重)に対し、レベル２に至る大規模の地震エネルギー(想定し得る範囲内で最大規模の地震エネルギー)に対しては、変位芯材８が、継手部５との連結が切り離された状態で橋軸方向に実質的に無抵抗で変位し、座屈拘束材９のボルト孔9aの長孔の範囲内で橋軸方向に相対変位する(図8(a),(b),(c)、図9,10参照)。符号Lt,Lcは、変位芯材８が実施的に無抵抗で変位可能な遊間を示す。

これにより、橋桁１と橋台２間で引張りおよび圧縮荷重の伝達は起こらず、橋桁１の端部と橋台２間に作用するレベル２に至る大規模の地震エネルギーを吸収することができる(図10の荷重-変位設計曲線(1)-(2)-(2)'参照)。

また、レベル２を超える想定外の地震エネルギー(大地震)に対し、圧縮荷重に対しては、変位芯材８が継手部６方向に座屈拘束材９と相対変位して、変位芯材８の拡径部8aの端部が第２変形芯材7Bの拡径部7aの端部に面タッチする(図8(c)参照)。

そして、変位芯材８、第２変形芯材7Bおよび座屈拘束材９を介して、継手部５と継手部６間、すなわち橋桁１の端部と橋台２間で圧縮荷重が伝達され、第２変形芯材7Bが橋軸圧縮方向に弾性または塑性変形する(図8(d),(e)、図９,10の荷重-変位設計曲線(2)'-(3)'-(4)'-(5)'参照)。これによりレベル２を越える想定外の地震エネルギー(圧縮荷重)を吸収することができる。

なお、その際、第１変形芯材7Aと変位芯材８の外側に複数の座屈拘束材９が設置されていることにより、第１変形芯材7Aと変位芯材8が圧縮荷重で座屈することはない。また、連結部7dの上下面部に座屈拘束リブ7fが形成されていることにより、連結部7dも圧縮荷重で座屈することはない。

一方、引張り荷重に対しては、第１変形芯材7Aが橋軸引張り方向に弾塑性変形し(図8(f),(g),、図9,10の荷重-変位設計曲線(2)-(3)-(4)参照)、引張り荷重の増大と共に第１変形芯材7Aの連結部7dが弾性または塑性変形する(図9,10の荷重-変位設計曲線(4)-(5)参照)。これによりレベル２を越える想定外の地震エネルギー(引張り荷重)を吸収することができる。また、引張り荷重がPmaxに達した時点で連結部7dが破断することにより(図8(h)、図9,10の荷重-変位設計曲線((5)参照)、致命的な損傷に至るのを未然に防止することができる。

なお、連結部7dは、継手部５と６間に作用する橋軸方向の引張り荷重が予め設定された荷重を越えた時点で破断誘発凹部7eで計画的に破断させることができる。

[実施形態２]
図11と図12は、本発明の第２の実施形態を図示したものである。図において、各座屈拘束材９が変位芯材８のほぼ中間部で、橋軸方向に座屈拘束材ユニット(以下「ユニット」)9Aと9Bに分割され、かつ各ユニット9Aと9Bが棒状ストッパー12で連結された構成になっている点で、実施形態１の落橋防止材と構成が異なっている。このように構成されていることで、継手部５と６間に作用する想定外の地震エネルギーに対して変位芯材８を塑性変形芯材としても機能させることができる。

詳しく説明すると、各座屈拘束材９は、変位芯材８のほぼ中間部を境に継手部５側のユニット9Aと継手部６側のユニット9Bの２本のユニットから形成されている。各ユニット9Aは、第１および第２変形芯材7A,7Bの拡径部7a,7cの側面に複数の締付けボルト10aとガイドボルト10bによって接合され、また、拡径部7a,7c間および拡径部7b,7c間においてスペーサー11を介在し、複数の締付けボルト10aによって互いに接合されている。

ユニット9Bは、変位芯材８の継手部６側に位置する拡径部8aの側面にガイドボルト10bによって接合され、かつ拡径部8a,8a間においてスペーサー11を介在し、複数の締付けボルト10aによって互いに接合されている。

棒状ストッパー12は、ユニット9Aと9B間の離間距離を制御するための制御部材であり、各ユニット9Aおよびユニット9Bの軸直角方向の外側に橋軸方向とほぼ平行に設置され、かつユニット9Aおよび9Bの両方向に所定長延長されている。

各棒状ストッパー12のユニット9B側の端部12bは、ユニット9Bの側部に突設された定着用リブ13に固定され、ユニット9A側の端部12aは、ユニット9Aの側部に突設された定着用リブ14に形成されたルーズ孔(図省略)を貫通し、先端部12aに抜止めストッパー15が取り付けられている。

なお、棒状ストッパー12には長ボルト、抜止めストッパー15にはナットがそれぞれ用いられている。また、抜止めストッパー15にゴムなどの緩衝材(図省略)を取り付けることで、ユニット9Aと9B間の離間制限時に緩衝効果を高めることができる。

このような構成において、継手部５と継手部６間に作用する橋軸方向の荷重(引張りおよび圧縮荷重)に対し、レベル２に至る規模の地震エネルギーに対しては、変位芯材８が、継手部５との連結が切り離された状態で橋軸方向に実質的に無抵抗で変位し、座屈拘束材９のボルト孔9aの長孔の範囲内で橋軸方向に相対変位する(図8(a),(b),(c)参照)。

これにより、橋桁１と橋台２間で引張りおよび圧縮荷重の伝達は起こらず、橋桁１の端部と橋台２間に作用するレベル２に至る規模の地震エネルギーを吸収することができる(図12の荷重-変位設計曲線(1)-(2)-(2)'参照)。

また、レベル２を超える想定外の地震エネルギー(大地震)に対し、圧縮荷重に対しては、変位芯材８が継手部６方向に座屈拘束材９と相対変位して、拡径部8aの端部が第２変形芯材7Bの拡径部7aの端部に面タッチする(図8(c)参照)。

そして、変位芯材８、第２変形芯材7Bおよび座屈拘束材９を介して、継手部５と継手部６間、すなわち橋桁１の端部と橋台２間で圧縮荷重が伝達され、第２変形芯材7Bが橋軸圧縮方向に弾性または塑性変形する(図12の荷重-変位設計曲線(2)'-(3)'-(4)'-(5)'-(6)'参照)。これによりレベル２を越える想定外の地震エネルギー(圧縮荷重)を吸収することができる。

一方、引張り荷重に対しては、第１変形芯材7Aが橋軸引張り方向に弾塑性変形する(図12の荷重-変位設計曲線(2)-(3)-(4))し、さらに、引張り荷重が設計荷重Py2に達すると(図12の荷重-変位設計曲線(4)-(5))、変位芯材８が軸降伏して塑性変形することで衝撃吸収に寄与する。また、引張り荷重が設計最大荷重Pmaxに達した時点で継手部５側の連結部7dが破断することにより(図12の荷重-変位設計曲線(5)-(6)参照)、致命的な損傷に至るのを未然に防止することができる。

なお、変位芯材８と座屈拘束材９間の相対変位がボルト孔9aの長孔の範囲を超えた時点で、継手部５と継手部６間に作用する橋軸方向の引張り荷重は、座屈拘束材９を介して変位芯材８に伝達される。また、ユニット9Aと9B間に棒状ストッパー12が設置されていることにより、変位芯材８が第１変形芯材7Aの連結部7dより先に破断してしまうことはない。但し、設計制御として耐力の階層化を行うことで棒状ストッパー12の軸部を破断させることは可能である。

[実施形態３]
図13と図14は、本発明の第３の実施形態を図示したものである。図において、各座屈拘束材９が第１変形芯材7Aのほぼ中間部で、橋軸方向に座屈拘束材ユニット(以下「ユニット」)9Aと9Bに分割され、かつユニット9Aと9Bが棒状ストッパー12で連結された構成になっている点でのみ、実施形態１の落橋防止材と構成が異なっている。

詳しく説明すると、各座屈拘束材９は、第１変形芯材7Aのほぼ中間部を境に継手部５側のユニット9Aと継手部６側のユニット9Bの２本のユニットより形成されている。

各ユニット9Aは、第１変形芯材7Aの継手部５側の拡径部7aの側面部に複数の締付けボルト10aによって接合され、かつ拡径部7a,7c間においてスペーサー11を介在し、複数の締付けボルト10aによって互いに接合されている。

各ユニット9Bは、第１および第２変形芯材7A,7B間の拡径部7cの側面部および変位芯材８の継手部６側に位置する拡径部8aの側面に複数の締付けボルト10aとガイドボルト10bによって接合され、かつ第２変形芯材7Bの拡径部7b,7c間と変位芯材８の拡径部8a,8a間においてスペーサー11を介在し、複数の締付けボルト10aによって互いに接合されている。ガイドボルト10bのボルト孔9aは橋軸方向に長軸を有する長孔に形成されている。

各棒状ストッパー12のユニット9B側の端部12bは、ユニット9Bの側部に突設された定着用リブ13に固定され、ユニット9A側の端部12aは、ユニット9Aの側部に突設された定着用リブ14に形成されたルーズ孔(図省略)を貫通し、その先端部12aに抜止めストッパー15が取り付けられている。

なお、棒状ストッパー12には長ボルト、抜止めストッパー15にはナットがそれぞれ用いられている。また、抜止めストッパー15にゴムなどの緩衝材(図省略)を取り付けることで、変位制限時に緩衝効果を高めることができる。

これにより、橋桁１と橋台２間で引張りおよび圧縮荷重の伝達は起こらず、橋桁１の端部と橋台２間に作用するレベル２に至る規模の地震エネルギーを吸収することができる(図14の荷重-変位設計曲線(1)-(2)-(2)'参照)。

また、レベル２を超える想定外の地震エネルギー(大地震)に対し、圧縮荷重に対しては、変位芯材８が継手部６方向に座屈拘束材９と相対変位して、変位芯材８の拡径部8aの端部が第２変形芯材7Bの拡径部7bの端部に面タッチする(図8(c)参照)。

そして、変位芯材８、第２変形芯材7Bおよび座屈拘束材９を介して、継手部５と継手部６間、すなわち橋桁１の端部と橋台２間で圧縮荷重が伝達されることにより、第２変形芯材7Bが橋軸圧縮方向に弾性または塑性変形する(図14の荷重-変位設計曲線(2)'-(3)'-(4)'-(5)'参照)。

一方、引張り荷重に対しては、第１変形芯材7Aと変位芯材８が橋軸引張り方向に弾塑性変形し(図14の荷重-変位設計曲線(2)-(3)-(4)参照)、さらに、ユニット9Aと9B間の離間距離が変位制御されると荷重が立ち上がり、最終的に設計最大荷重Pmaxに達した時点で継手部５側の連結部7dが破断することにより(図14の荷重-変位設計曲線(4)-(5)参照)、致命的な損傷に至るのを未然に防止することができる。

なお、変位芯材８と座屈拘束材９間の相対変位がボルト孔9aの長孔の範囲を超えた時点で、継手部５と継手部６間に作用する橋軸方向の引張り荷重は、座屈拘束材９を介して変位芯材８に伝達される。また、ユニット9Aと9B間に棒状ストッパー12が設置されていることにより、第１変形芯材7Aが連結部7dより先に破断してしまうことはない。

[実施形態４]
図15と図16は、本発明の第４の実施形態である。図において、変位芯材８に代えて変形芯材16が設置され、また、第１変形芯材7Aの弾塑性変形領域を広く設定することによりダンパー機能が付与されている点で実施形態１の落橋防止材と異なっている。

詳しく説明すると、第１変形芯材7Aは、第２変形芯材7Bおよび変形芯材16より長尺に形成され、これにより第１変形芯材7Aの弾塑性変形領域が広くなり、継手部５と６間に作用する地震エネルギーを減衰させるダンパー機能を備えている。それ以外については、第１変形芯材7Aと基本的に同一に形成されている。

また、変形芯材16は、橋軸方向に細長く連続する断面略十字形状に形成され、かつ橋軸方向の両端部に拡径部16a,16aが形成されており、基本的に変位芯材８とほぼ同じ形状に形成されている。

また、変形芯材16は、第２変形芯材7Bの継手部６側に第２変形芯材7Bと隣接して設置され、継手部６側の端部に拡径部16aと同じ幅で継手部６側に延びる平板状の連結部16bが形成され、連結部16bは継手部６に回転自在に連結されている。

さらに、継手部５と継手部６間に作用する橋軸方向の引張り荷重に対して、第１変形芯材7Aの連結部7dより先に降伏破断しないように形成され、例えば、連結部7dより大断面径に形成されているか、或いは普通鋼(例えば、SM400)などから形成されている(図19参照)。

なお、これらの部材は、設計の要求性能に応じて適宜選択、または組み合わせて使用することが望ましく、例えば同じ鋼材でも普通鋼あるいは低降伏点鋼や形状記憶合金では鋼材の降伏応力、伸び性能に違いがある(図18参照)。また、低ひずみの繰り返しを受ける場合は、これらの累積損傷度の度合いを主眼にした選定が望ましい。

また、これらの部材断面の強度の階層化を行うことにより、塑性化させる順番を設計制御することが可能となる。例えば、同一鋼材の選定をした場合に断面積は、第１変形芯材7Aが一番小さく、続いて変形芯材16、第１変形芯材7Aの連結部7dの順で大きく、連結部16bの断面積が一番大きくなるように形成することで、これらの部材をこの順番で弾塑性変形させることができる。

このような構成において、レベル２に至る規模の地震エネルギーに対しては、継手部５と継手部６間に作用する橋軸方向の軸力(引張りおよび圧縮荷重)に対し、第１変形芯材7Aが弾塑性変形する(図16の荷重-変位設計曲線(1)-(2)-(3) (4)-(5)-(6) -(7)参照)。これにより、継手部５と継手部６間に作用するレベル２に至る大規模の地震エネルギーを吸収することができる。

また、レベル２を越える想定外の地震エネルギーに対し、圧縮荷重に対しては、変形芯材16がボルト孔9aの長孔の範囲で継手部５方向に座屈拘束材９と相対変位することにより、変形芯材16の拡径部16aの端部が第２変形芯材7Bの拡径部7bの端部に面タッチする(図8(c)参照)。

そして、変形芯材16、第２変形芯材7Bおよび座屈拘束材９を介して、継手部５と継手部６間、すなわち橋桁１の端部と橋台２間で圧縮荷重が伝達され、第２変形芯材7Bが橋軸圧縮方向に弾性または塑性変形する(図16の荷重-変位設計曲線(8)'-(9)'-(10)'参照)。これによりレベル２を越える想定外の地震エネルギー(圧縮荷重)を吸収することができる。

一方、引張り荷重に対しては、変形芯材16が長孔16aの範囲で橋軸引張り方向に弾塑性変形し(図16の荷重-変位設計曲線(3)-(8)-(9)参照)、さらに、第１変形芯材7Aの連結部7dが弾性または塑性変形する(図16の荷重-変位設計曲線(9)-(10)参照)。これによりレベル２を越える想定外の地震エネルギー(引張り荷重)を吸収することができる。また、引張り荷重がPmaxに達した時点で連結部7dが破断することにより、致命的な損傷に至るのを未然に防止することができる。

なお、第１変形芯材7Aの弾塑性変形がガイド孔10の範囲を超えた時点で、継手部５と継手部６間に作用する引張り荷重は座屈拘束材９を介して変形芯材16に伝達される。

[実施形態５]
図17は、本発明の第５の実施形態であり、第４の実施形態において、各座屈拘束材９を変形芯材16のほぼ中間部で、橋軸方向に２本の座屈拘束ユニットに分割すると共に、各ユニットどうしをユニット間の離間を制御する棒状ストッパーでそれぞれ連結した場合の設計事例であり、荷重−変位設計曲線を示している。

[実施形態６]
図18は、本発明の第６の実施形態であり、第４の実施形態において、変形芯材16に代えて実施形態１における変位芯材８を設置することにより、無抵抗で軸方向に変位する遊間領域を設定した場合の設計事例であり、荷重−変位設計曲線を示している。

本発明は、地震時の引張りおよび圧縮両方向の荷重に対する変形能力およびエネルギー吸収能力がきわめて大きく、想定し得る範囲内で最大規模の地震(レベル２の地震動)に対してだけでなく、レベル２の範囲を超える想定外の大地震に対しても対応が可能で、例えば、橋桁の端部と橋桁端部を支える橋台との間に取り付けられる落橋防止材として用いることができる。

１橋桁の端部
２橋台
３落橋防止材(機能分離型衝撃吸収装置)
４支承
５継手部
６継手部
7A 第１変形芯材(軸方向変形部材)
7B 第２変形芯材(軸方向変形部材)
7a 拡径部
7b 拡径部
7c 拡径部
7d 連結部
7e 破断誘発凹部(破断誘発部)
7f 座屈拘束リブ
８変位芯材(軸方向変位部材)
8a 拡径部
8b 連結部
９座屈拘束材
9A ユニット（座屈拘束材ユニット）
9B ユニット（座屈拘束材ユニット）
9a ボルト孔
10a 締付けボルト
10b ガイドボルト
11 スペーサー
12 棒状ストッパー
13 定着用リブ
14 定着用リブ
15 抜止めストッパー
16 変形芯材(軸方向変形部材)
16a 拡径部
16b 連結部
17 伸縮装置

Claims

材軸方向両端部に継手部を有し、引張りおよび圧縮荷重を受けて材軸方向に伸縮する棒状の衝撃吸収装置であって、引張り荷重を受けて、塑性変形領域として設定される引張り側の第１の変位区間では、衝撃吸収装置を構成する引張り側の第１の軸方向変形部材が弾性変形または塑性変形しつつ、前記第１の変位区間の上限において変位が拘束される構成とし、前記第１の変位区間を超え、引張り側の第２の塑性変形領域として設定される引張り側の第２の変位区間では、衝撃吸収装置を構成する引張り側の第２の軸方向変形部材が弾性変形または塑性変形する構成とし、かつ圧縮荷重を受けて、圧縮側の塑性変形領域として設定された圧縮側の変位区間では、衝撃吸収装置を構成する特定の圧縮側の軸方向変形部材が弾性変形または塑性変形する構成としたことを特徴とする機能分離型衝撃吸収装置。
請求項１記載の機能分離型衝撃吸収装置において、張り荷重を受けて、前記第２の軸方向変形部材が第２の変位区間を超え、第３の塑性変形領域として設定される第３の変位区間では、衝撃吸収装置を構成する特定の第３の軸方向変形部材が弾性変形または塑性変形する構成としたことを特徴とする機能分離型衝撃吸収装置。
請求項１または２記載の機能分離型衝撃吸収装置において、引張りおよび圧縮荷重を受けて、衝撃吸収装置を構成する特定の軸方向変位部材が、前記継手部の一方との連結が切り離された状態で実質的に無抵抗で軸引張り方向および軸圧縮方向に変位する遊間領域として設定される変位区間を備えていることを特徴とする機能分離型衝撃吸収装置。
請求項１〜３の何れか一項に記載の機能分離型衝撃吸収装置において、衝撃吸収装置を構成する引張り側の特定の軸方向変形部材に、設定された引張り荷重で破断する破断誘発部が設けられていることを特徴とする機能分離型衝撃吸収装置。
請求項１〜４の何れか一項に記載の機能分離型衝撃吸収装置において、前記軸方向変形部材の材料として、形状記憶合金または低降伏点鋼を用いていることを特徴とする機能分離型衝撃吸収装置。
請求項１〜５の何れか一項に記載の機能分離型衝撃吸収装置を、レベル２地震動以上の地震動での支承の破壊を許容する構成とした橋梁の下部工と上部工との間に介在させてあることを特徴とする機能分離型衝撃吸収装置を備えた橋梁。
請求項６記載の機能分離型衝撃吸収装置を備えた橋梁において、前記機能分離型衝撃吸収装置をレベル２地震動以上の地震動であって、前記支承が破壊する地震動以下の地震動で破壊することを許容するように設定してあることを特徴とする機能分離型衝撃吸収装置を備えた橋梁。