JP4336857B1

JP4336857B1 - 緩衝装置付橋梁群及びその衝撃緩衝方法

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Publication number: JP4336857B1
Application number: JP2008108026A
Authority: JP
Inventors: 朋代谷口
Original assignee: Tottori University
Current assignee: Tottori University
Priority date: 2008-04-17
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2028-04-17
Also published as: WO2009128447A1; JP2009256982A

Abstract

【課題】桁間衝突に起因する固定支沓の損傷等を防止する。
【解決手段】橋脚（１４）の上に固定支沓（２４）を介して第１の橋桁（１８）を支持するとともに可動支沓（２６）を介して第２の橋桁（２０）を支持した橋梁群（１０）において、第１の橋桁（１８）と第２の橋脚（２０）が衝突したときに第１の橋桁（１８）が第２の橋桁（２０）から受ける衝撃力を、第２の橋脚（１４）と第１の橋桁（１８）との間に連結した緩衝装置（３２）で緩衝する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の橋桁を連続的に配置して構成される橋梁群であって、橋桁同士の衝突による衝撃によって支沓が破壊するのを防止する緩衝装置付連梁群及びその衝撃緩衝方法に関する。

地震時における橋桁の振動を抑制する制振構造が、特許文献１に開示されている。この制振構造は、可動支沓を介してのみ橋脚又は橋台に支持された橋桁と各橋脚又は橋台とをブレーキダンパで連結したものである。

別の特許文献２には、橋桁と複数の橋脚又は橋台との間のすべての支点に可動支沓（滑り支沓装置）を採用し、少なくとも一つの支点に橋桁と橋脚又は橋台との相対移動を可能とするダンパを設けた制振構造が開示されている。
特開２００４−１９７５０２号公報特開２００７−３２０４６号公報

これら制振構造は、地震動に伴う橋桁と橋脚又は橋台との相対移動を抑制するという点では確かに有効な手段であると考えられる。しかし、地震時における橋梁の挙動として、従来見落とされていた重大なことがある。それは、複数の橋桁を連続的に配置して構成される橋梁群において、隣接する橋桁の間で発生し得る衝突及びそれに伴う支沓の破壊や橋桁の移動の問題である。

この問題について、図５を参照して説明する。図５（ａ）は、連続橋梁の一例を模式的に示した図である。この図において、橋梁群１００は、間隔をあけて連続的に配置された３つの第１〜第３の橋脚（又は橋台）１０２，１０４，１０６と、第１と第２の橋脚１０２，１０４に支持された第１の橋桁１０８と、第２と第３の橋脚１０４，１０６に支持された第２の橋桁１１０を有する。この橋梁群１００では、第１の橋桁１０８は、第１の固定支沓１１２を介して第１の橋脚１０２に支持され、第１の可動支沓１１４を介して第２の橋脚１０４に支持されている。第２の橋桁１１０は、第２の固定支沓１１６を介して第２の橋脚１０４に支持され、第２の可動支沓１１８を介して第３の橋脚１０６に支持されている。

この橋梁群１００が地震動を受けたとき、橋梁群１００は図５に破線で示す振動単位１３０、１３２で応答する。振動単位１３０は、橋梁、橋脚からなる系を一自由度バネ−質点系でモデル化したものである。大雑把な構成として、橋梁１０８の質量が一自由度バネ−質点系の質量に、橋脚１０２の剛性を一自由度バネ−質点系のバネと見なすことができ、バネと質量は、固定支沓１１２で連結されている。振動単位１３２も同様に、橋梁、橋脚からなる系を一自由度バネ−質点系でモデル化したもので、橋梁１１０の質量が一自由度バネ−質点系の質量に、橋脚１０４の剛性を一自由度バネ−質点系のバネと見なすことができ、バネと質量は、固定支沓１１６で連結されている。

地震時の橋梁群１００の挙動を詳細に説明する。例えば主桁方向の地震動が作用した場合、図５（ｂ）に示すように、地震発生直後の橋梁が振動を開始した直後の段階（振動開始時）では、橋脚１０２と橋桁１０８で構成される振動単位１３０と，橋脚１０４と橋桁１１０で構成される振動単位１３２は同一方向（図の右側方向）に変形しようとする。しかし、振動単位１３０、１３２の固有振動数の違いや減衰定数の違いなどから、その後も同一の挙動を示すわけではなく、例えば、図５（ｃ）に示すように第１の橋脚１０２と第２の橋脚１０４の上部が互いに接近する方向に変形しようとする状況が発生することがある。この場合、図示するように、第１の橋脚１０２に固定支沓１１２を介して支持されている第１の橋桁１０８は図の右側に向かって移動し、逆に、第２の橋脚１０４に固定支沓１１６を介して支持されている第２の橋桁１１０は図の左側に向かって移動する。そして、第１の橋桁１０８と第２の橋脚１０４の移動量の合計が第１の橋脚１０２と第２の橋脚１０４に設けられている隙間１２０を越えると第１の橋脚１０２と第２の橋脚１０４が衝突（以下、この衝突を「桁端衝突」という。）し、その衝突時の衝撃によって第１の橋桁１０８と第２の橋桁１２０は互いに逆の方向の衝撃力を受け（図５（ｄ）参照）、これにより、振動単位1１３０と振動単位１３２の反発が始まる。

振動単位が完全に反発状態になるためには、この衝撃力が橋桁と橋脚を連結している支沓を介して橋脚に伝達され、橋脚の運動の向きが反対になることが必要であるが、第１の橋桁１０８と第２の橋脚１０４との間にある支沓は可動支沓１１４であることから、この可動支沓１１４に衝撃力はまったく又は殆ど作用しない。しかし、第２の橋桁１１０と第２の橋脚１０４との間にある支沓は固定支沓１１６であるため、この固定支沓１１６に衝撃力がそのまま作用する。その結果、第２の橋脚１０４に対して第２の橋桁１１０を支持する固定支沓１１６が破壊する、また、最悪の場合は、第２の橋桁１１０が第２の橋脚から脱落するという事態が生じる。また、第１の橋桁１０８と第１の橋脚１０２との間にある固定支沓１１２も破壊する。

そこで、本発明は、上述のように、地震の発生直後に生じ得る桁端衝突に起因して橋桁を支持する固定支沓が損傷したり、橋桁が橋脚から脱落する危険を回避する緩衝装置付の橋梁群及びその衝撃緩衝方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明は、間隔をあけて配置された複数の橋脚（１２，１４，１６）で複数の橋桁（１８，２０）を連続的に支持して構成される橋梁群（１０）であって、
間隔をあけて配置された少なくとも第１、第２、第３の橋脚（１２，１４，１６）と、
第１の橋脚（１２）と第２の橋脚（１４）に支持された第１の橋桁（１８）及び第２の橋脚（１４）と第３の橋脚（１６）に支持された第２の橋桁（２０）と、
第２の橋脚（１４）と第１の橋桁（１８）との間に配置された固定支沓（２４）と、
第２の橋脚（１４）と第２の橋桁（２０）との間に配置された可動支沓（２６）と、
第２の橋脚（１４）と第１の橋桁（１８）にそれぞれ連結され、橋桁（１８）に作用する主桁方向の衝撃を緩衝する緩衝装置（３２）を備えたことを特徴とする緩衝装置付き橋梁群を提供するものである。

本発明はまた、橋脚（１４）の上に固定支沓（２４）を介して第１の橋桁（１８）を支持するとともに可動支沓（２６）を介して第２の橋桁（２０）を支持した橋梁群（１０）の衝撃緩衝方法であって、第１の橋桁（１８）と第２の橋脚（２０）が衝突したときに第１の橋桁（１８）が第２の橋桁（２０）から受ける衝撃力を、第２の橋脚（１４）と第１の橋桁（１８）との間に連結した緩衝装置（３２）で緩衝することを特徴とする、連続橋梁の衝撃緩衝方法を提供するものである。図１に示すように、第１の橋桁（１８）の質量と第２の橋桁（２０）の質量に明らかに差がある場合には、運動量保存則から質量の小さい橋桁の方が衝突後に受ける衝撃は大きいことから、緩衝装置（３２）は質量の小さい橋桁に取り付けることが好ましい。

以上の構成を備えた本発明によれば、地震の発生直後に桁端衝突が発生しても、その衝突エネルギは緩衝装置に吸収されるため、橋桁を支持する固定支沓が損傷したり、橋桁が橋脚から脱落したりする危険がない。

以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。なお、以下の説明では、図面を参照した発明の説明及び理解を容易にするために、特定の方向を示す用語、例えば、「右」、「左」を使用するが、その主旨からこれらの用語は発明の技術的範囲を画定するうえで参考にされるべきものでないことは当然である。

図１は、本発明の実施形態に係る橋梁群１０の概略構成を示す。本実施形態において、橋梁群１０は、間隔をあけて配置された３つの下部構造−第１の橋脚１２、第２の橋脚１４、第３の橋脚１６−を有する。橋梁群１０はまた、２つの上部構造−第１の橋桁１８と第２の橋桁２０−を有する。第１の橋桁１８は、可動支沓２２を介して第１の橋脚１２に連結され、固定支沓２４を介して第２の橋脚１４に連結されている。第２の橋桁２０は、可動支沓２６を介して第２の橋脚１４に連結され、固定支沓２８を介して第３の橋脚１６に連結されている。そして、第２の橋脚１４に支持されている第１の橋桁１８と第２の橋桁２０との間には、主桁方向（図の左右方向）に適当な大きさの桁間隙３０が設けてある。

発明の理解を容易にするため、図示する橋梁群１０は極めて単純な形で表されているが、そこに表されている橋梁、橋脚、橋台等は、公知の任意の構造を採り得る。例えば、複数の橋脚は一列に整列して配置されている必要はなく、曲線経路に沿って配置されていてもよい。明細書では、橋脚は、橋桁を支持するあらゆる形式の下部構造（例えば、「橋台」）を含む概念で使用されており、橋脚を構成する材料、橋脚の構造又は形式等によって特定の種類の下部構造に限定されるべきものでない。橋桁は、下部構造に支持されるあらゆる形成の上部構造を含む概念で使用されており、公知の任意の構造又は形式によって特定の種類の上部構造に限定されるべきものでない。固定支沓及び可動支沓は、橋梁の上部構造と下部構造の間に設置され、上部構造の荷重を下部構造に伝達する役割を果たすものである。また、固定支沓は、下部構造に対する上部構造の回転変位のみを吸収する支沓であり、可動支沓は、下部構造に対する上部構造の回転と伸縮（水平方向の移動）を吸収する支沓である。そして、これら固定支沓と可動支沓には、公知の構造を採用することができる。

以上の一般的構造に加えて、本発明に係る橋梁群１０は、地震直後の揺れに起因する桁端衝突によって固定支沓が損傷又は破壊するのを防止するため、第２の橋脚１４と第１の橋桁１８を互いに連結する一つ又は複数の緩衝装置３２が設けてある。図２，３を参照すると、緩衝装置３２は、衝撃吸収ダンパ３４を有する。ダンパ３４は、長手方向−衝撃吸収方向−の一端部３６と他端部３８を有し、長手方向を主桁方向に向けて、端部３６，３８が連結機構６０、６２を介して第２の橋脚１４の壁面４４と第１の橋桁１８の底部４６に連結されている。ダンパ３４は、シリンダ型ショックアブソーバであるオイルダンパ（粘性型ダンパ）、鉛の塑性変形を利用する鉛ダンパ（履歴型ダンパ）のいずれであってもよい。また、オイルダンパは、単筒式、複筒式のいずれであってもよい。

連結機構４０は、特にその構造が限定されるものでないが、例えば、橋脚１８と橋桁１８に固定される固定板４８と、固定板４８に対して垂直に且つ平行に固定された一対の垂直板５０を有する。２つの垂直板５０は、一列に配置されたボルト貫通孔５２をそれぞれ有する。一方、ダンパ３４の一端部３６と他端部３８には環状リング５４が固定されており、リング５４が２つの垂直板５０の間に配置される。そして、垂直板５０の貫通孔５２とリング５４にボルト５６が挿通される。

このように構成された橋梁群１０によれば、橋桁１８，２０の主桁方向（図１の左右方向）に地震動が作用すると、第１と振動単位６０と第２の振動単位６２（図１参照）の固有振動数や減衰定数などの違いから、第１と第２の橋脚１２，１４が向かい合う方向に変形し、第１と第２の橋桁１８，２０が衝突することがある。この場合、衝突によって第１の橋桁１８に加わる衝撃力は、第１の橋桁１８と第２の橋脚１４を連結している緩衝装置３２のダンパ３４に完全に又は殆ど吸収される。その結果、第１の橋桁１８を第２の橋脚１４に連結する固定支沓２４は損傷することがないし、たとえ損傷することがあってもその度合いは僅かである。

なお、本発明は、種々の形態の橋梁群に対して適用可能である。具体的に、図６（ａ）〜（ｄ）は上部構造と下部構造の他の組み合わせ例を示す。図中、１１０は橋脚又は橋台を示し、１１２は橋桁、１１４は固定支沓、１１６は可動支沓、１１８は緩衝装置、１２０は振動単位を示す。

実際に観測された地震波を用いて、桁端衝突による橋桁（第２の橋桁２０）の速度・加速度を算出し、桁端衝突に起因する支沓破壊を防止するダンパの仕様を検討した。

検討対象とした橋桁（第１の橋桁）は、ＲＣ床版を有する鋼製単純桁橋（幅員:９．７ｍ、橋長:３３．９ｍ、自重:４００トン）である。図１の橋梁群を左右２組の橋脚−橋桁系から成る振動単位６０，６２に分け、図４に示すように、それぞれの橋脚−橋梁系をバネ−質点系に置換した力学モデル１，２を作成した。ここで、左右の橋脚−橋桁系は、橋桁の質量と橋脚の減衰定数およびバネ定数から成る１自由度系モデルとして表し、桁遊間の隙間（Ｘ）（図１に符号３０で示す隙間）をあけて並べて配置することで隣接する橋脚−橋桁系を表した。なお、図４において、ｍ_１は力学モデル１の質量、ｍ_２は力学モデル２の質量、Ｔ_１は力学モデル１の固有周期、Ｔ_２は力学モデル２の固有周期、Ｖ_１は力学モデル１の速度、Ｖ_２は力学モデル２の速度、ｋ_１は力学モデル１のバネ定数、ｋ_２は力学モデル２のバネ定数である。

以上の条件で、衝突速度とその時の加速度を調べるために、力学モデル１、２の固有周期（Ｔ_１,Ｔ_２）として２組の固有周期（０．５ｓ,０．６ｓ）、（０．６ｓ,１．０ｓ）〔ｓ：秒〕について、桁遊間の隙間Ｘを５ｃｍ、１０ｃｍとして、実地震波を用いて時刻歴応答解析を行った。力学モデル１，２の減衰定数はそれぞれ５％とした。時刻歴応答解析に用いた地震波は、阪神・淡路大震災の際に記録された６種類（神戸海洋気象N-S、神戸海洋気象E-W、JR鷹取駅N-S、JR鷹取駅E-W、ポートアイランドN-S、ポートアイランドE-W）である。

時刻歴解析の結果を以下の表１〜表４に示す。表中、Ｖ_１、Ａ_１は力学モデル１の質量の衝突直前の速度と加速度、Ｖ_２、Ａ_２は力学モデル２の質量の衝突直前の速度と加速度である。

この解析結果をもとに、ダンパに必要な性能を評価した。ところで、以上の解析は橋桁同士の反撥係数、各橋桁の質量については詳細な設定を行っていない。そこで、大まかな計算として、時刻歴解析で得られた衝突速度の最大値の２倍と加速度の最大値を組み合わせて要求性能を算定した。その結果、桁端衝突によって第１の橋桁に生じる衝撃を緩衝するためにダンパに要求される最大速度は３００ｃｍ／ｓ（＝１４７．０×２）、減衰力は６４００ｋＮ（＝１５５１．０×４００トン）である。

したがって、例えば、オイレス工業株式会社製の橋梁用ビンガムダンパ−「オイレスＢＭ−Ｓ」（最大速度１５０ｃｍ／ｓ、定格減衰力２０００ｋＮ）を使用する場合、ダンパの最大速度が安全率を見込んで設定されていることを勘案すれば、このダンパを３〜４本橋脚と橋桁の間に設置することにより、実際の連続橋梁では桁端衝突に起因する固定支沓の損傷を完全に防止できるものと考えられる。

図１は、本発明に係る橋梁群を模式的に示した正面図。図２は、緩衝装置の正面図。図３は、図２に示す緩衝装置の一部を示す図。図４は、図１の連続橋梁を２つの橋桁−橋脚系力学モデルに置換した図。図５（ａ）は、桁間衝突を説明する図。図５（ｂ）は、桁間衝突を説明する図。図５（ｃ）は、桁間衝突を説明する図。図５（ｄ）は、桁間衝突を説明する図。図６は、上部構造と下部構造の組み合わせ例を示す。

符号の説明

１０：橋梁群
１２：第１の橋脚
１４：第２の橋脚
１６：第３の橋脚
１８：第１の橋桁
２０：第２の橋桁
２２：可動支沓
２４：固定支沓
２６：可動支沓
２８：固定支沓
３０：桁間隙
３２：緩衝装置
３４：ダンパ

Claims

間隔をあけて配置された複数の橋脚（１２，１４，１６）で複数の橋桁（１８，２０）を連続的に支持して構成される橋梁群（１０）であって、
間隔をあけて配置された少なくとも第１、第２、第３の橋脚（１２，１４，１６）と、
第１の橋脚（１２）と第２の橋脚（１４）に支持された第１の橋桁（１８）及び第２の橋脚（１４）と第３の橋脚（１６）に支持された第２の橋桁（２０）と、
第２の橋脚（１４）と第１の橋桁（１８）との間に配置された固定支沓（２４）と、
第２の橋脚（１４）と第２の橋桁（２０）との間に配置された可動支沓（２６）と、
第２の橋脚（１４）と第１の橋桁（１８）にそれぞれ連結され、第１の橋桁（１８）に作用する主桁方向の衝撃を緩衝する緩衝装置（３２）を備えたことを特徴とする緩衝装置付橋梁群。
緩衝装置（３２）は、ダンパ（３４）を備えていることを特徴とする請求項１の緩衝装置付橋梁群。
橋脚（１４）の上に固定支沓（２４）を介して第１の橋桁（１８）を支持するとともに可動支沓（２６）を介して第２の橋桁（２０）を支持した橋梁群（１０）の衝撃緩衝方法であって、第１の橋桁（１８）と第２の橋桁（２０）が衝突したときに第１の橋桁（１８）が第２の橋桁（２０）から受ける衝撃力によって固定支沓（２４）が破壊することを防止するために、その衝撃力を第２の橋脚（１４）と第１の橋桁（１８）との間に連結した緩衝装置（３２）で緩衝することを特徴とする、橋梁群の衝撃緩衝方法。
緩衝装置（３２）は、ダンパ（３４）を備えていることを特徴とする請求項３の方法。