JP2019108659A

JP2019108659A - 構造物の被害判定方法及び構造物の補強工法選定方法

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Publication number: JP2019108659A
Application number: JP2017240251A
Authority: JP
Inventors: 渡辺　健; Takeshi Watanabe; 健渡辺; 又稔大野; Yuto Ono; 俊太朗轟; Shuntaro Todoroki
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: JP6883509B2

Abstract

【課題】事前に被害の有無や損傷部位を特定するといった、被害判定を実施可能な被害判定方法及び、既設の橋梁などの構造物に対し、優先的に対策すべき構造物の選定や橋桁流出防止工法及び橋脚補強工法を適切に選定することができる補強工法選定方法を提供する。【解決手段】想定水位及び想定流速を決定する工程と、前記想定水位及び前記想定流速を用いて、構造物に対して作用する水平流体力及び鉛直流体力を求める工程と、前記鉛直流体力を用いて、前記構造物の支承・落橋防止の破壊耐力を求める工程と、前記構造物の橋脚の破壊耐力を求める工程と、前記水平流体力と前記支承・落橋防止の破壊耐力を比較する工程と、前記水平流体力と前記破壊耐力を比較する工程と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、構造物の被害判定方法及び構造物の補強工法選定方法に関する。より具体的には、津波や河川の増水による橋梁の被害判定に関するもの、橋梁の新規設計時に被害予想するための判定方法に関するもの及び橋梁の補強設計に関し、どの補強工法を選択するかを決定する選定方法に関する。

従来、流体によって構造物に対して発生する流体力を算出する手法としてモリソン式等を用いて評価する判定方法が知られている（特許文献１）。ここで、モリソン式とは、構造物が流体から受ける水平流体力を算出する方法であって、次式を用いて算出される。

ここで、ρ_wは、水の密度（ｋｇ／ｍ³）、Ｃ_dは、抗力係数，νは、流速（ｍ／ｓ）、Ａ_hは、有効鉛直投影面積（ｍ²）とする。

また、モリソン式などを用いて得られた水平流体力を構造物である橋梁の橋桁、橋脚及び支承部等が受けた場合のこれらの構造物の破壊耐力の算定方法が知られている。さらに、地震や津波による被害を防止するための橋梁の落橋防止工法や耐震・津波補強工法が知られている（特許文献２及び３）。

特開２０１２−１４９４６６号公報特開２０１６−７５１２０号公報特開２０１６−７５１２１号公報

しかしながら、モリソン式による判定方法では、桁高が高く、橋桁の上下流で水位差が生じる場合に橋梁が受ける水平力が過小に評価されており、判定精度が低く適切な評価が困難であった。また、橋桁、橋脚及び支承部等における部位ごとの被害判定方法については、個別に評価することが可能であったが、橋梁全体で橋桁の流出や橋脚の破壊などを適切に評価する判定方法は知られていない。

さらに、地震や津波による橋桁の流出や橋脚の破壊に対して橋桁の流出を防止する橋桁流出補強工法や橋脚を補強する橋脚補強工法は知られているが、橋梁に津波が来襲した場合に想定される増水量や流速に応じて、いずれの補強工法を適用すべきであるか評価することができる方法は知られていなかった。

そこで、本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、津波や河川の大雨などによる増水に対する橋梁の被害軽減や、早期復旧を実現するために、事前に被害の有無や損傷部位を特定するといった、被害判定を実施可能な被害判定方法及び、既設の橋梁などの構造物に対し、優先的に対策すべき構造物の選定や橋桁流出補強工法及び橋脚補強工法を適切に選定することができる補強工法選定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明にかかる構造物の被害判定方法は、想定水位及び想定流速を決定する工程と、前記想定水位及び前記想定流速を用いて、構造物に対して作用する水平流体力及び鉛直流体力を求める工程と、前記鉛直流体力を用いて、前記構造物の支承・落橋防止の破壊耐力を求める工程と、前記構造物の橋脚の破壊耐力を求める工程と、前記水平流体力と前記支承・落橋防止の破壊耐力を比較する工程と、前記水平流体力と前記破壊耐力を比較する工程と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る構造物の補強工法選定方法は、想定水位及び想定流速を決定する工程と、前記想定水位及び前記想定流速を用いて、構造物に対して作用する水平流体力及び鉛直流体力を求める工程と、前記鉛直流体力を用いて、前記構造物の支承・落橋防止の破壊耐力を求める工程と、前記構造物の橋脚の破壊耐力を求める工程と、前記水平流体力と前記支承・落橋防止の破壊耐力又は前記構造物の橋脚の破壊耐力とを比較して構造物の補強工法を選択する工程とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る構造物の補強工法選定方法において、前記水平流体力が前記支承・落橋防止の破壊耐力よりも大きい場合に、橋桁流出補強工法を選択すると好適である。

また、本発明に係る構造物の補強工法選定方法において、前記水平流体力が前記構造物の橋脚の破壊耐力よりも大きい場合に、橋脚補強工法を選択すると好適である。

本発明に係る構造物の被害判定方法によれば、鉛直流体力を用いて、構造物の支承・落橋防止の破壊耐力を求め、構造物の橋脚の破壊耐力を求める工程を備えているので、鉛直方向の流体力である揚力、浮力及びダウンフォースを加味した抵抗力算定を行うことができ、従来のモリソン式を用いた判定方法では適切な評価が難しかった桁高が高い橋桁を有する橋梁についても適切な被害判定を行うことが可能となる。

また、本発明に係る構造物の補強工法選定方法によれば、想定される水位や流速に対して構造物がどのような補強工法を必要とするか精度よく被害判定を行うことができるので、この判定結果に基づいて適切な工法を選定することが可能となる。

橋梁に加わる流体力を説明するための図。本実施形態に係る構造物の被害判定方法及び補強工法選定方法のフロー図。橋梁の橋桁の流出を説明するための図。橋梁の橋脚の破壊を説明するための図。

以下に、本願発明の実施形態にかかる構造物の被害判定方法及び補強工法選定方法について図面を用いて詳細に説明する。

図１は、橋梁に加わる流体力を説明するための図であり、図２は、本実施形態に係る構造物の被害判定方法及び補強工法選定方法のフロー図であり、図３は、橋梁の橋桁の流出を説明するための図であり、図４は、橋梁の橋脚の破壊を説明するための図である。

図１に示すように、本実施形態にかかる構造物の被害判定方法及び構造物の補強工法選定方法は、例えば、構造物としての橋梁１０に津波が来襲した場合を想定して、該津波による被害を想定し、その想定される被害に応じた補強工法を選定するものである。

橋梁１０は、下部工としての橋脚１１と、上部工としての橋桁１２とを有しており、橋桁１２は、橋脚１１の上部に載置された支承部１４を介して橋脚１１に載置された構成となっている。また、橋脚１１と橋桁１２とは、落橋防止装置１３によって連結固定されている。この落橋防止装置１３は、従来周知の種々の構成が採用される。

ここで、本実施形態に係る構造物の被害判定方法は、図２に示すように、想定水位Ｈ₀及び想定流速Ｖ₀を決定する工程（Ｓ１０１）と、想定水位Ｈ₀及び想定流速Ｖ₀を用いて橋梁１０に対して作用する水平流体力Ｆ_xを求める工程（Ｓ１０２）と、想定水位Ｈ₀及び想定流速Ｖ₀を用いて橋梁１０に対して作用する鉛直流体力Ｆ_zを求める工程（Ｓ１０３）と、鉛直流体力Ｆ_zを用いて橋梁１０の支承・落橋防止の破壊耐力Ｒ_桁を算出する工程（Ｓ１０４）と橋梁１０の橋脚１１の破壊耐力Ｒ_柱を算出する工程（Ｓ１０５）と、水平流体力Ｆ_xと支承・落橋防止の破壊耐力Ｒ_桁を比較する工程（Ｓ１０６）と、水平流体力Ｆ_xと橋脚１１の破壊耐力Ｒ_柱を比較する工程（Ｓ１０７）とを備えている。

想定水位Ｈ₀及び想定流速Ｖ₀を決定する工程（Ｓ１０１）では、被害判定を行う対象である橋梁１０の周辺環境や地震や大雨などの要因によってどの程度の増水が生じるのか、その際の流速はどの程度であるのか、を決定する。

想定水位Ｈ₀及び想定流速Ｖ₀を用いて橋梁１０に対して作用する水平流体力Ｆ_xを求める工程（Ｓ１０２）では、桁高が高い場合も含めて、橋梁１０の形状に基づいて水平方向に働く水平流体力Ｆ_xを算出する。この算出方法については、水平方向の流体力を算出することができれば、どのような算出方法を採用しても構わないが、桁高を考慮すると、以下の数式を用いて算出されると好適である。

ここで、ρは、水の密度（ｋｇ／ｍ³）、gは、重力加速度（ｍ／ｓｅｃ²）、Ｈ₁は、上流側水位（ｍ）、νは、流速（ｍ／ｓ）、Ｃ_cは、縮脈係数とする。また、ｑは、流量（ｍ²／Ｓ）であって、流速νと上流側水位Ｈ₁の積である。

想定水位Ｈ₀及び想定流速Ｖ₀を用いて橋梁１０に対して作用する鉛直流体力Ｆ_zを求める工程（Ｓ１０３）は、桁高が高い場合も含めて、橋梁１０の形状に基づいて鉛直方向に働く鉛直流体力Ｆ_zを算出する。この算出方法については、鉛直方向の流体力を算出することができれば、どのような算出方法を採用しても構わないが、桁高を考慮すると、以下の数式を用いて算出されると好適である。

ここで、ｐ_上(x,z)は、任意点の上面圧力（Ｎ／ｍ²）であり、ｐ_下(x,z)は、任意点の下面圧力（Ｎ／ｍ²）であり、Ａは、任意点の面積（ｍ²）であり、ρは、水の密度（ｋｇ／ｍ³）であり、gは、重力加速度（ｍ／ｓｅｃ²）であり、ｈ▲₁▼、桁上流側水位（ｍ）であり、Ｈ_柱は、柱高さ（ｍ）であり、Ｈ_桁は、桁高（ｍ）であり、Ｈ_防音壁は、防音壁高さ（ｍ）であり、ｈ_(x)は、ｘ位置の水位（ｍ）であり、ν_x(x,z)は、座標（ｘ，ｚ）における水平方向の流速（ｍ／ｓ）であり、ν_x▲₁▼は、桁上流側水面の水平方向の流速（ｍ／ｓ）であり、ν_x▲₂▼は、桁下流側桁下の水平方向の最大流速（ｍ／ｓ）であり、ν_x▲₃▼は、桁下流側桁下面の水平方向の流速（ｍ／ｓ）であり、ｘ₀は、最大流速線の起点のｘ座標（ｍ）である。

鉛直流体力Ｆ_zを用いて橋梁１０の支承・落橋防止の破壊耐力Ｒ_桁を算出する工程（Ｓ１０４）は、既に算出した鉛直流体力Ｆ_zを用いて橋梁１０の支承・落橋防止の破壊耐力Ｒ_桁を算出する。ここで、橋梁１０の支承・落橋防止の破壊耐力Ｒ_桁とは、橋梁１０が流体力を受けた場合に、橋梁１０から橋桁１２が流出しない流体力の最大値をいい、橋桁１２の流出とは、図３に示すように橋梁１０が流体力を受けた場合に、橋脚１１は破損に至らないが、橋桁１２と橋脚１１を連結している落橋防止装置１３が破損して支承部１４から橋桁１２が脱落することをいう。この支承・落橋防止の破壊耐力Ｒ_桁の算出方法については、橋梁１０の支承・落橋防止の破壊耐力を算出することができれば、どのような算出方法を採用しても構わないが、以下の式を用いて支承摩擦抵抗を算出し、当該支承摩擦抵抗を支承・落橋防止の破壊耐力とみなして算出すると好適である。

ここで、μは、摩擦抵抗であり、Ｗは、上部工である橋桁１２の重量（Ｎ）である。

橋梁１０の橋脚１１の破壊耐力Ｒ_柱を算出する工程（Ｓ１０５）は、橋梁１０が流体力を受けた場合に橋脚１１が破損しない流体力の最大値をいい、橋脚１１の破損とは、図４に示すように、橋桁１２の流出には至らないが、橋脚１１が破損することをいう。この破壊耐力の算出方法については、橋脚１１の破壊耐力を算出することができれば、どのような算出方法を採用しても構わないが、以下の式を用いて橋脚１１が受ける曲げ・せん断耐力を算出し、当該曲げ・せん断耐力を破壊耐力とみなして算出すると好適である。

ここで、Ｍ_udは、橋脚の設計曲げ耐力（ｋＮ・ｍ）であり、Ｌ_aは、橋脚のせん断スパン（ｍ）であり、Ｖ_ydは、橋脚の設計せん断耐力（ｋＮ）である。

水平流体力Ｆ_xと支承・落橋防止の破壊耐力Ｒ_桁を比較する工程（Ｓ１０６）は、想定水位Ｈ₀及び想定流速Ｖ₀を用いて橋梁１０に対して作用する水平流体力Ｆ_xを求める工程（Ｓ１０２）と、鉛直流体力Ｆ_zを用いて橋梁１０の支承・落橋防止の破壊耐力Ｒ_桁を算出する工程（Ｓ１０４）とでそれぞれ算出した水平流体力Ｆ_xと支承・落橋防止の破壊耐力Ｒ_桁とを比較する。ここで、水平流体力Ｆ_xが支承・落橋防止の破壊耐力Ｒ_桁よりも小さい場合には、橋桁１２の流出が起こらないため、次の工程である水平流体力Ｆ_xと橋脚１１の破壊耐力Ｒ_柱を比較する工程（Ｓ１０７）を実行する。また、水平流体力Ｆ_xが支承・落橋防止の破壊耐力Ｒ_桁よりも大きい場合には、津波や大雨増水によって、想定水位Ｈ₀及び想定流速Ｖ₀による流体力を橋梁１０が受けると橋桁１２が橋脚１１から流出するという被害判定を行うことができる。

また、この場合、橋桁流出補強工法が必要であると選択することができるので、適切な構造物の補強工法を選定することができる。この場合、どのような橋桁流出補強工法を適用するかは、種々の橋桁流出補強工法を採用することができる。

水平流体力Ｆ_xと橋脚１１の破壊耐力Ｒ_柱を比較する工程（Ｓ１０７）は、想定水位Ｈ₀及び想定流速Ｖ₀を用いて橋梁１０に対して作用する水平流体力Ｆ_xを求める工程（Ｓ１０２）と、橋梁１０の橋脚１１の破壊耐力Ｒ_柱を算出する工程（Ｓ１０５）とでそれぞれ算出した水平流体力Ｆ_xと橋脚１１の破壊耐力Ｒ_柱とを比較する。ここで、水平流体力Ｆ_xが橋脚１１の破壊耐力よりも小さい場合には、橋脚１１の破損が起こらないため、想定水位Ｈ₀及び想定流速Ｖ₀による津波や大雨増水は発生した場合でも、橋梁の破壊は起こらず、橋梁１０の補強は必要ないと判定することができる。

また、水平流体力Ｆ_xが橋脚１１の破壊耐力Ｒ_柱よりも大きい場合には、津波や大雨増水によって、想定水位Ｈ₀及び想定流速Ｖ₀による流体力を橋梁１０が受けると橋脚１１が破損するという被害判定を行うことができる。

また、この場合、橋脚補強工法が必要であると選択することができるので、適切な構造物の補強工法を選定することができる。この場合、どのような橋脚補強工法を適用するかは、種々の橋脚補強工法を採用することができる。

このように、本実施形態に係る構造物の被害判定方法及び構造物の補強工法選定方法によれば、鉛直流体力を用いて、構造物の支承・落橋防止の破壊耐力を求め、構造物の橋脚の破壊耐力を求める工程を備えているので、鉛直方向の流体力である揚力、浮力及びダウンフォースを加味した抵抗力算定を行うことができ、従来のモリソン式を用いた判定方法では適切な評価が難しかった桁高が高い橋桁を有する橋梁についても適切な被害判定を行うことが可能となり、想定される水位や流速に対して構造物がどのような補強工法を必要とするか精度よく被害判定を行うことができるので、この判定結果に基づいて適切な工法を選定することが可能となる。

なお、本実施形態に係る構造物の被害判定方法及び構造物の補強工法選定方法は、上記式２〜５を用いて水平流体力、鉛直流体力、支承・落橋防止の破壊耐力及び橋脚の破壊耐力を算出した場合について説明を行ったが、具体的な算出方法は、これらの数式に限定されず、種々の算出方法が適用可能である。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０橋梁，１１橋脚，１２橋桁，１３落橋防止装置，１４支承部。

Claims

想定水位及び想定流速を決定する工程と、
前記想定水位及び前記想定流速を用いて、構造物に対して作用する水平流体力及び鉛直流体力を求める工程と、
前記鉛直流体力を用いて、前記構造物の支承・落橋防止の破壊耐力を求める工程と、
前記構造物の橋脚の破壊耐力を求める工程と、
前記水平流体力と前記支承・落橋防止の破壊耐力を比較する工程と、
前記水平流体力と前記破壊耐力を比較する工程と、
を備えることを特徴とする構造物の被害判定方法。
想定水位及び想定流速を決定する工程と、
前記想定水位及び前記想定流速を用いて、構造物に対して作用する水平流体力及び鉛直流体力を求める工程と、
前記鉛直流体力を用いて、前記構造物の支承・落橋防止の破壊耐力を求める工程と、
前記構造物の橋脚の破壊耐力を求める工程と、
前記水平流体力と前記支承・落橋防止の破壊耐力又は前記破壊耐力とを比較して構造物の補強工法を選択する工程とを備えることを特徴とする構造物の補強工法選定方法。
請求項２に記載の構造物の補強工法選定方法において、
前記水平流体力が前記支承・落橋防止の破壊耐力よりも大きい場合に、橋桁流出補強工法を選択することを特徴とする構造物の補強工法選定方法。
請求項２に記載の構造物の補強工法選定方法において、
前記水平流体力が前記破壊耐力よりも大きい場合に、橋脚補強工法を選択することを特徴とする構造物の補強工法選定方法。