JP3822356B2 - ボックスカルバートトンネルの応力開放装置並びにボックスカルバートトンネルの耐震構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、地下鉄道トンネル等の地下に埋設されるボックスカルバート形式の地中構造物に対する耐震対策技術に関し、更に詳しくは、中柱あるいは隔壁等の中間鉛直部材を有するボックスカルバート形式の地中埋設構造物において、その中間鉛直部材に配される応力開放装置に関し、更には該応力開放装置に特徴付けられる地中埋設構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地下に埋設されるボックスカルバート形式の地中構造物として、例えば地下鉄道のトンネル並びにその地下駅舎等があるが、当該地中構造物に対する耐震対策が近年注目されつつある。
その耐震対策の技術の一つとして、特開平９−２１２９９号公報、特開平９−１９５６６４号公報等において提案されているように、中柱もしくは隔壁に応力開放装置としてのゴム支承体を介して当該ボックスカルバートの枠構造と隔離し、常時はこのゴム支承体を介して中柱・隔壁に鉛直荷重を伝え、非常時すなわち地震時においては鉛直荷重以外の荷重とは絶縁させ、ボックスカルバートの枠構造の変形で地震力に対抗させるという方策がある。
しかしながら、当該ゴム支承体は中柱・隔壁及び構造物に定着されたものとなっており、当該部位での変形を吸収するために丈高の高いゴム層を確保する必要があり、それだけゴム消費量が多くなり、不経済となる。加えて、このゴム支承体では鉛直成分の圧縮量が大きくなりその変動誤差が重なり、このため設置精度を要し、施工能率の悪化を招くこととなる。これを解消するためには、鋼板とゴム層とを交互に積層した積層ゴム支承を使用するとよいが、製作費用の割高化は避けられない。
更にまた、特開平９−２１２９８号公報においては、中柱の上下端を摺動自在に支持したものが提案されている。
しかしながら、この技術従来においては、その第１形態において、中柱の平端面はボックスカルバートと直接当接したものとなっており、当該部に生じる曲げに対しては吸収できず、集中応力を受け、当該部の破損の原因ともなる。また、その第２形態において、中柱の端面は球面座とされ曲げを許容する構成を採るが、上下端が把持されており、上下の動きが拘束されるため水平移動が自由とならず、無理な応力を受け破損の原因となる。
そこで、本出願人等は、このボックスカルバート形式の地中構造物に付いて更に研究・解析を進めた結果、ボックスカルバートの変形に伴い、中柱の柱頭部位の挙動に付き、当該部位で生じる回転変位及び水平変位において回転変位に比し水平変位が卓越するとの知見を得た。この知見によれば、上記いずれの従来技術も不合理な設計と言わざるを得ないものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、また、上述の知見に基づいてなされたものであり、中柱・隔壁部分に介装され、地震時のボックスカルバートの枠構造と中柱・隔壁部分との間に生じる変位を許容するとともに、該中柱・隔壁の鉛直支持機能を確実に保持できるボックスカルバート形式の地中構造物に配される新規な応力開放装置を得ることを目的とする。
更には、新規な応力開放装置を備えてなる地中構造物の耐震構造を得ることも他の目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、以下の構成を採る。
本発明の第１番目の発明（第１発明）はボックスカルバート形式の地中構造物に配される応力開放装置に係り、横断面形状において四角枠体をなすラーメン構造の地中構造物において、当該四角枠体の中間部に幅方向に１列又は複数列の鉛直荷重を負担する中間鉛直部材が配され、その中間鉛直部材に介装されるとともに当該地中構造物の変形に伴う応力を開放する装置であって、当該装置が介装される当該地中構造物の上位部分に定着され、その下面が平滑とされた上沓、前記上沓と対置され、当該装置が介装される当該地中構造物の下位部分に定着される下沓、前記上沓と前記下沓との間に介装されるとともに、上下の鋼板により可及的薄いゴム層を挟着した単一の基層の上面にすべり板を配してなり、前記基層を下沓に固定され、前記すべり板を上沓のすべり面に常時密接状態を保持して当接して配される中間沓、からなることを特徴とする。
上記構成において、1)すべり板はＰＴＦＥを主材として形成される態様、2)上沓の下面には中間沓のすべり板の相手材としてステンレス鋼板が取着されてなる態様、3)中間沓は、基層の上部にゴム層を介してすべり板を取り付け、加硫接着により一体化してなる態様、はそれぞれ選択的事項である。
また、中間沓を下沓の凹部に嵌め込み、該中間沓の基層のゴム層を拘束状態となす態様を採ることも選択的事項である。
【０００５】
本発明の第２番目の発明（第２発明）はボックスカルバート形式の地中構造物の耐震構造に係り、横断面形状において四角枠体をなすラーメン構造の地中構造物において、当該四角枠体の中間部に幅方向に１列又は複数列の鉛直荷重を負担する中間鉛直部材が配され、該中間鉛直部材は当該地中構造物の変形に伴う応力を開放する応力開放装置を介して前記四角枠体とはすべり自在に関係付けられてなり、前記応力開放装置は、当該中間鉛直部材の柱頭部位に配されるとともに、当該応力開放装置が介装される当該構造物の上位部分に定着され、その下面が平滑とされた上沓；前記上沓と対置され、当該応力開放装置が介装される当該構造物の下位部分に定着される下沓；前記上沓と下沓との間に介装されるとともに、上下の鋼板により可及的薄いゴム層を挟着した単一の基層の上面にすべり板を配してなり、前記基層を下沓に固定され、前記すべり板を上沓のすべり面に常時密接状態を保持して当接して配される中間沓；からなることを特徴とする。
【０００６】
（作用）
常時において、地中構造物に負荷される鉛直荷重は、一部は側壁部に伝達され、他の一部は本応力開放装置を介して中間鉛直部材に伝達される。
本応力開放装置において、中間沓を構成するすべり板及び基層は高荷重性を示すものであって、しかも基層は可及的薄く、長期載荷に伴う有害なクリープ現象を生じさせない。
地震時において、地中構造物に過大な地震力が作用すると、地中構造物の枠構造によって許容された変形をもって地震力に対抗する。中間鉛直部材においては、枠構造との間に介装された応力開放装置をもってその水平変形は上沓と中間沓とのすべりにより逃がされ、同時に曲げ変形成分は中間沓の弾性により逃がされる。中間鉛直部材は鉛直状態を保持し、所定の荷重支持機能を保持する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明のボックスカルバートトンネルにおける応力開放装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１〜図４はその一実施形態（第１実施形態）のボックスカルバートにおける応力開放装置Ｓを示す。すなわち、図１及び図２はその全体構成を示し、図３・図４はその部分構成を示す。なお、図において、Ｘは本装置Ｓの設置されるボックスカルバートトンネルの長手方向を示し、ＹはＸに直交する平面方向を示す。
【０００８】
本応力開放装置Ｓは、上部の構造体に定着され、その下面が平滑とされた上沓１と、上記上沓１と対置され、下部の構造体に定着され、その上面が平滑とされた下沓２と、上沓１と下沓２との間に介装され、上下の鋼板によりゴム体を挟着した平板状のゴムパッド上にすべり板を固着してなる弾性すべり中間沓３と、からなり、更には、上沓１の下面に取り付けられる介装板４、及び上下のアンカー鋼材５，６を含む。
しかして、この応力開放装置Ｓは平面的に長方形状をなし、その長手方向は前記したＸ軸に一致し、幅方向はＹ軸に一致する。
【０００９】
以下、各部の細部構造を説明する。
上沓１
上沓１は、鋼製よりなり、下面１ａは平滑に仕上げられる。また、両側の下縁には一定幅及び一定高さを有する突条体１０が長手方向（Ｘ方向）にわたって連続して垂設される。
下沓２
下沓２は、鋼製よりなり、上面には凹陥部２ａが浅い深さで凹設される。また、両側の上縁には一定幅及び一定高さの突条体１２が長手方向（Ｘ方向）にわたって連続して突設される。該下沓２は長手方向の長さにおいて上沓１と同一長さを採るが、幅においては上沓１の突条体１０間に余裕長さ、すなわち上沓１の許容されるすべり移動長さ、を存して配される長さを採る。
【００１０】
中間沓３
中間沓３は、長手方向に長い長方形状の薄平板体をなし、その幅は下沓２の凹陥部２ａに一致し、該凹陥部２ａに嵌合して装着される。従って、該中間沓３は下沓２に対して固定状態となる。該中間沓３は下方より、ゴム層１４を上下のステンレス鋼板１５で挟着してなる基層１６、該基層１６上の薄ゴム層１７、及びすべり板１８が一体的に固着されてなる。
図４の中間沓３の拡大された断面構造に基づいてその詳細構造を説明する。
基層１６は所定厚さを保持するゴム層１４をステンレス鋼板１５で上下に挟着してなる。ゴム層１４の厚さは当該ボックスカルバートの曲げ変形を許容する最小厚さをもって、可及的薄く設定されるものであって、１０ｍｍ程度を目安とされる。ゴム層１４とステンレス鋼板１５とは加硫接着をもって一体的に固着される。この基層１６は、ボックスカルバートの地震時における曲げ変形を許容するとともに、鉛直荷重を支持する。
基層１６に薄ゴム層１７を介してすべり板１８が固着される。
すべり板１８は、合成樹脂材として四フッ化エチレン樹脂（ポリ・テトラ・フルオロ・エチレン、以下「ＰＴＦＥ」と略記する。）を主材料とし、耐摩耗性及び機械的強度を向上させるためガラス繊維、黒鉛等の充填材を配合した摩擦係数の小さい素材より平板体に形成される。この材料素材により摩擦係数は0.05程度の極めて小さな値を示す。更に、このすべり板１８は耐高荷重性を示すとともに、わずかな弾性を持つ。
すべり板１８は好ましくはオイレス工業株式会社製のグライト板（商品名）が適用されるが、これと同等のものを除外するものではない。
この中間沓３はゴム層１４，１７を介して加硫接着をもって一体的に成形されるものであって、容易に剥離はしない。
【００１１】
介装板４
介装板４は、ステンレス鋼板よりなり、いわゆるすべり板１８の相手材として上沓１の下面に取り付けられる。介装板４のすべり板１８に当接する面は極めてなめらかに形成される。ステンレス鋼板以外では、鋼板に硬質クロムメッキを施したものであっても、あるいはポリアミドのコーティングを施したものであってもよい。
なお、この介装板４は省略されうるが、その場合には、上沓１の下面にコーティングが施され、平滑面とされる。
【００１２】
アンカー鋼材５，６
上下のアンカー鋼材５，６はそれぞれ、上沓１の上面及び下沓２の下面に鉛直状に植設され、ボックスカルバートのコンクリート体中に埋設設置される。
【００１３】
図３は本応力開放装置Ｓの組立ての態様を示す。
これによれば、上沓１の下面１ａには介装板４が固定され、上沓２の上面の凹陥部２ａには中間沓３が嵌合固定される。そして、上沓１と下沓２とは中心を一致して配され、これにより、上沓１の突条体１０と下沓２の突条体１２とは両側において等距離を存して対置する。
【００１４】
因みに、この応力開放装置Ｓの諸元の一例を示すと、上沓１に付いてはその長さＬ１２００ｍｍ、幅６８０ｍｍ、突条体１０の幅２５ｍｍ、本体部の厚さ２０ｍｍ、内幅Ｂ６３０ｍｍを採る。下沓２に付いてはその幅ｂ５２０ｍｍ、突条体１２の幅２５ｍｍ、本体部の厚さ２０ｍｍを採る。また、中間沓３に付いてはその幅４５０ｍｍ、基層１６の厚さ１２ｍｍ（ゴム層１４の厚さ１０ｍｍ）、ゴム層１７の厚さ１ｍｍ、すべり板１８の厚さ２ｍｍを採る。従って、許容される移動長は１２０ｍｍとなる。
【００１５】
図５・図６に本応力開放装置Ｓの地中構造物Ｋへの設置の態様を示す。
この地中構造物Ｋは、横断面形状において、床スラブ２１と、該床スラブ２１の両側より立ち上がる側壁部２２と、該側壁部２２の上端部を繋ぐ天井スラブ２３とが剛結されたいわゆるラーメン構造を採り、鉄筋コンクリート（ＲＣ）造をもって長手方向に長く一体的に形成されてなる。更に、この躯体部の中間部にＲＣ造の中柱２５が長手方向に一列に、かつ所定間隔を保って鉛直荷重を支持すべく、天井スラブ２３と床スラブ２１との間に設置される。
この地中構造物Ｋは、例えば地下鉄の駅舎として使用され、地表面まで数メートルから１０数メートルの浅い土被りが存する。
そして、本応力開放装置Ｓはこの地中構造物Ｋの中柱２５の上部に介装設置される。
すなわち、本実施形態においては、中柱２５の上端面を天井スラブ２３のハンチ部分２３ａの下面に一定すき間を存して配し、このすき間内に本応力開放装置Ｓが介装設置される。上沓１のアンカー鋼材５は天井スラブ２３ａ内に埋設され、下沓２のアンカー鋼材６は中柱２５内に埋設される。この固設は種々の態様を採るものであって、本実施形態はその一例示であり、中柱２５が鋼製であれば、下沓２のアンカー鋼材６は省略され、下沓２を中柱２５に溶接をもって固定される。すなわち、アンカー鋼材５、６は本発明において非本質的事項である。
【００１６】
（本実施形態の作用）
本実施形態の応力開放装置Ｓは、ボックスカルバート形式の地中構造物Ｋに上述のとおり設置されて次のように作用する。
常時において、本構造物Ｋに載荷される鉛直荷重は、本構造物Ｋの側壁部２２及び中柱２５を介して床スラブ２１に伝えられ、地盤Ｅの地耐力をもって支持される。中柱２５はその応分の負担をなすものであって、鉛直荷重は本応力開放装置Ｓの上沓１、介装板４、すべり板１８、基層１６及び下沓２を介して中柱２５に伝達される。
この場合、中間沓３を構成するすべり板１８及び基層１６は高荷重性を示し、かつ基層１６は可及的薄く、長期載荷に伴う有害なクリープ現象を生じさせない。
【００１７】
地震時において、本地中構造物Ｋに大きな破壊力を持つ地震力が作用すると、横断面形状において変形を示す。図７はその誇張された変形状態を示すものであって、実線は非変形状態を示し、破線は変形状態を示す。この変形は地中構造物Ｋの枠体（２１，２２，２３）が抵抗体として地震力に対抗して許容された範囲内で変形する。なお、この変形は中央の対称軸をもって対称的に現れる。
実測によると、中柱２５の柱頭部においては天井スラブ２３と相対的水平変位が卓越し、同じく天井スラブ２３との相対的鉛直変位は殆どないものである。
中柱２５の柱頭部において、天井スラブ２３との間に本応力開放装置Ｓが介装され、当該中柱２５の柱頭部と天井スラブ２３との間に現れる相対的水平変位成分δは上沓１の下面と中間沓３のすべり板１８との低まさつによるすべりにより逃がされ、また、曲げ変形成分θは中間沓３の基層１６のゴム弾性により逃がされる。このとき、回転変位は高々１°であるのに対し、水平変位成分が振動をもって大きく現れ、本応力開放装置Ｓの弾性曲げ機能によりすべりは円滑になされ、水平変位を吸収する。
この結果、常時及び地震時を通じ、本応力開放装置Ｓを備えた中柱２５は所期の鉛直荷重を支持し、地中構造物Ｋの合理的な断面設計をなすことができる。
また、本実施形態では、上沓１の移動はその突条体１０が下沓２の突条体１２に衝接するまでなされ、過度な変形を有効に阻止することができる。
【００１８】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の基本的技術思想の範囲内で種々設計変更が可能である。すなわち、以下の態様は本発明の技術的範囲内に包含されるものである。
1)上沓１及び下沓２におけるそれぞれの突条体１０、１２は任意的事項であり、省略することができる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の応力開放装置によれば、ボックスカルバートの枠体が地震力によって変形を受けると、中間鉛直部材部分において、その水平変形は上沓と中間沓とのすべりにより逃がされ、同時に曲げ変形成分は中間沓の弾性により逃がされ、当該中間鉛直部材は鉛直状態を保持し、確実に鉛直荷重を支持する。
本応力開放装置を備えた地中構造物は、その中間鉛直部材が地震時においても鉛直状態を保持し、かつ荷重を確実に支持するので、地震時の鉛直荷重を分担させることができ、枠構造と一体となって合理的な免震設計を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のボックスカルバート内に設置される応力開放装置の一実施形態の全体構造を示す断面図（図２の１−１線の拡大断面図）。
【図２】 図１の２−２線断面図。
【図３】 応力開放装置の分解図。
【図４】 応力開放装置を構成する中間沓の一部分拡大断面図。
【図５】 本発明の応力開放装置の設置される地中構造物を含む地下断面図（図６の５−５線断面図）。
【図６】 図５の６−６線断面図。
【図７】 地中構造物の変形を示す模式図。
【符号の説明】
Ｓ…応力開放装置、１…上沓、２…下沓、３…中間沓、４…介装板、１４…ゴム層、１５…鋼板、１６…基尺、１８…すべり板、２１…床スラブ、２２…側壁部、２３…天床スラブ、２５…中柱

Claims (2)

1. 横断面形状において四角枠体をなすラーメン構造の地中構造物において、当該四角枠体の中間部に幅方向に１列又は複数列の鉛直荷重を負担する中間鉛直部材が配され、その中間鉛直部材に介装されるとともに当該地中構造物の変形に伴う応力を開放する装置であって、
   当該装置が介装される当該地中構造物の上位部分に定着され、その下面が平滑とされた上沓、
   前記上沓と対置され、当該装置が介装される当該地中構造物の下位部分に定着される下沓、
   前記上沓と前記下沓との間に介装されるとともに、上下の鋼板により可及的薄いゴム層を挟着した単一の基層の上面にすべり板を配してなり、前記基層を下沓に固定され、前記すべり板を上沓のすべり面に常時密接状態を保持して当接して配される中間沓、
   からなることを特徴とするボックスカルバート形式の地中構造物に配される応力開放装置。
2. 横断面形状において四角枠体をなすラーメン構造の地中構造物において、当該四角枠体の中間部に幅方向に１列又は複数列の鉛直荷重を負担する中間鉛直部材が配され、該中間鉛直部材は当該地中構造物の変形に伴う応力を開放する応力開放装置を介して前記四角枠体とはすべり自在に関係付けられてなり、
   前記応力開放装置は、当該中間鉛直部材の柱頭部位に配されるとともに、当該応力開放装置が介装される当該構造物の上位部分に定着され、その下面が平滑とされた上沓；前記上沓と対置され、当該応力開放装置が介装される当該構造物の下位部分に定着される下沓；前記上沓と下沓との間に介装されるとともに、上下の鋼板により可及的薄いゴム層を挟着した単一の基層の上面にすべり板を配してなり、前記基層を下沓に固定され、前記すべり板を上沓のすべり面に常時密接状態を保持して当接して配される中間沓；からなる、
   ことを特徴とするボックスカルバート形式の地中構造物の耐震構造。

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