JP4452603B2 - 杭式桟橋の補強方法、補強構造、及び杭式桟橋 - Google Patents

Description

本発明は、杭式桟橋の補強方法、補強構造、及び杭式桟橋に関する。

港湾や漁港において、船舶を係留するため各種の桟橋が設けられている。これらの桟橋の中には、下端部が水中の地盤に埋設された複数の杭と、これらの杭で支持された上部工材とを有する杭式桟橋がある。

杭式桟橋をはじめ船舶の係留施設は、地震後の人員及び物資の流通において非常に重要な役割を担っている。

しかし、杭式桟橋の多くは、大地震に耐えるように設計されておらず、過去、大地震によって杭式桟橋が破壊された例は少なくない。そのため、今後発生が予想される大地震に対して新設する杭式桟橋、或いは既存の杭式桟橋が耐えられるように耐震補強することは、震災後の速やかな社会機能の回復にとって極めて有用である。

従来、新設或いは既設の杭式桟橋を補強する技術として、杭にブレース部材を取り付ける方法、杭式桟橋に新設の杭式桟橋を増設する方法、杭のみを増設する方法、杭式桟橋の背面における護岸に地盤改良を施す方法、杭の支持地盤を薬液の注入によって補強する方法などが知られている。

しかしながら、従来の杭式桟橋における杭にブレースを取り付ける方法では、杭の耐力向上には役立つものの、変形性能の向上や地震後の復旧性の向上を測ることができないという問題があった。

また、既設の杭式桟橋に新設の杭式桟橋を増設する方法、及び杭のみを増設する方法では、杭式桟橋の構成を大幅に変更する必要があり、材料費及び工事費が嵩むという問題があった。

更に、護岸に地盤改良を施す方法、杭の支持地盤を薬液の注入によって改良する方法では、杭式桟橋自体の補強が行われないため、補強効果が低いという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みなされたもので、杭式桟橋の耐力及び変形性能の両方に加え、更に復旧性を向上させることができる杭式桟橋の補強方法、補強構造及び杭式桟橋の提供を課題とする。

本発明は、前記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
（１）すなわち、本発明の杭式桟橋の補強構造は、水中の地盤に下端部が埋設された複数の杭と、前記複数の杭によって支持された上部工材とを有する杭式桟橋の補強構造であって、前記複数の杭と前記上部工材との間に設けられたブレース部材と、前記ブレース部材と前記上部工材との間、又は前記ブレース部材と前記杭との間の何れか一方、又は両方に設けられたダンパー部材とを備え、前記ダンパー部材、前記ブレース部材のそれぞれの降伏応力が、この順に大きくなることを特徴とする。

上記の杭としては、鋼管や各種の鋼材を例示できる。また、上部工材は、鋼板及び鋼材によって比較的厚さの大きい平板状に形成できる。ブレース部材は、鋼管、鋼棒、各種の鋼材などで形成できる。ダンパー部材としては、履歴減衰型ダンパーが好ましい。

上記のダンパー部材を設ける場所は、発生が予想される地震の大きさ、杭式桟橋の構成、各構成要素の材質及び強度、杭式桟橋の設置条件及び周囲の環境などに応じて適宜選択できる。

本発明では、ブレース部材及びダンパー材を取り付けるだけで杭式桟橋を簡単に補強でき、しかも耐力及び変形性能の両方の補強が可能になる。

従って、杭式桟橋を新設する場合には、簡単な構成で耐力及び変形性能の高い杭式桟橋を構築でき、また、既設の杭式桟橋を補強する際には、ダンパー部材とブレース部材を後付で設けるだけで簡単に且つ早期に補強できる。

（２）ここで、前記ダンパー部材の降伏応力は、所定の大きさを有する第１段階の地震が発生した際に、前記ダンパー部材が降伏するせん断応力であり、
前記ブレース部材の降伏応力は、前記第１段階の地震より大きい第２段階の地震が発生した際に、前記ブレース部材が降伏するせん断応力とすることができる。

また、前記杭の降伏応力は、前記第２段階の地震より大きい第３段階の地震が発生した際に、前記杭が降伏するせん断応力とすることができる。

前記ブレース部材は、互いに対向する一対の前記杭間に逆Ｖ字形に設けられていることが好ましい。この場合は、ブレース部材による補強効果が高くなる。

また、前記逆Ｖ字形のブレース部材における両辺部と前記杭との接続部分に、前記ダンパー部材が設けられていることが好ましい。この場合は、杭式桟橋の変形性能が高くなる。

また、前記逆Ｖ字形のブレース部材における両辺部と前記杭との交点間に、水平部材が設けられていることが好ましい。この場合は、杭式桟橋の剛性が更に補強される。

（３）また、本発明の杭式桟橋は、上記（１）又は（２）に記載の杭式桟橋の補強構造によって補強されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、地震の大きさに応じて、ダンパー部材、ブレース部材がこの順に段階的に降伏するので、小規模又は中規模の地震が発生した際には、ダンパー部材のみ、或いはダンパー部材及びブレース部材を降伏させて、復旧する際にはダンパー部材のみ、或いはダンパー部材及びブレース部材の交換で済むようにできる。

これにより、地震発生後に杭式桟橋を簡単且つ早期に復旧できるので、杭式桟橋を人員及び物資の流通に有効に活用できる。

以下、本発明の実施の形態を添付した図１から図４に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１に示すように、本発明に係る第１実施形態の杭式桟橋１は、水中の地盤１０に下端部が埋設された複数の杭１１と、これらの複数の杭１１によって支持された上部工材１２とを有している。

また、この杭式桟橋１は、上記の複数の杭１１と上部工材１２との間に設けられたブレース部材１３と、これらのブレース部材１３と上部工材１２との間、及びブレース部材１３と杭１１との間に設けられたダンパー部材１４とを備えている。

更に、この杭式桟橋１は、上記のブレース部材１３と杭１１との交点間に、水平部材１５が設けられている。

次に、上記の各構成要素について説明する。上記の杭１１は、例えば鋼管を使用できるが、鋼管以外の各種の鋼材も使用できる。

上記の上部工材１２は、鋼材及び鋼板によって比較的厚い平板状に形成されている。ブレース部材１３は、所定の降伏応力を有する鋼棒によって形成されている。ブレース部材１３は、鋼棒以外に各種の材料を使用できる。

ダンパー部材１４は、例えば履歴減衰型のダンパー部材を使用するのが好ましいが、これ以外の各種のダンパー部材を使用できる。履歴減衰型ダンパーとしては、鋼材ダンパー、鉛ダンパー、摩擦ダンパーなどを例示できる。

上記の鋼材ダンパーは、鋼材の塑性化に伴う履歴吸収エネルギーを利用するもので、一般に紡錘形の履歴特性を持つ。

更に、上記の鋼材ダンパーのうち、特にせん断降伏形ダンパーを上記のダンパー部材１４として使用するのが好ましい。このせん断降伏形ダンパーには、Ｉ字形断面のウエブ部分をせん断降伏させることにより減衰を図るもの、棒状の鋼材を曲げ降伏させることにより減衰を図るもの（曲げ降伏型ダンパー）などがある。

上記の鉛ダンパーは、鋼材ダンパーと同様に塑性化による履歴吸収エネルギーを利用するものである。この鉛ダンパーは超過塑性のため、摩擦ダンパーのように履歴特性が矩形に近いこと、又、鉛は一度塑性化した後、時間が経過すると内部組織が再結晶するため、性質が元に戻る等の特徴がある。この鉛ダンパーの種類には、せん断変形型、押出型などがある。

上記の摩擦ダンパーは、地震エネルギーを摩擦による熱エネルギーに変換するものである。この摩擦ダンパーは、すべり面に摩擦材を使用し、摩擦面に安定した面厚が作用するように工夫されている。摩擦特性は矩形状となる。また、地震のような数十回程度の繰り返し履歴に対して大きな性能劣化がないため、交換が不要である。

上記の履歴減衰型ダンパーの他に、粘性減衰型ダンパー、粘性減衰型ダンパーと履歴減衰型ダンパーとを組み合わせた組み合わせダンパー、質量効果機構のダンパーなどを使用できる。これらのダンパーについては周知であるので、その詳細な説明を省略する。

上記のダンバー部材１４及びブレース部材１３は、着脱自在に取り付けることが好ましく、これにより、降伏した場合に簡単に交換できる。また、上記のブレース部材１３は、互いに隣接する一対の杭１１，１１間に、逆Ｖ字形に設けられている。

そして、ブレース部材１３における逆Ｖ字形の頂点部分が、ダンバー部材１４を介して上部工材１２の底面における略中心部に接続され、逆Ｖ字形の両辺部における下端部分がそれぞれダンバー部材１４を介して杭１１，１１に接続されている。また、水平部材１５としては、鋼管、鋼棒、各種の鋼材などを使用できる。

上記のダンパー部材１４、ブレース部材１３、及び杭１１は、それぞれの降伏応力がこの順に段階的に大きくなるように設定されている。

図２は、ダンパー部材１４、ブレース部材１３及び杭１１のそれぞれの荷重−ひずみ曲線を示す。図２の横軸は変位δを示し、縦軸は荷重Ｐを示す。

ダンパー部材１４の降伏荷重Ｐ１は、ブレース部材１３の降伏荷重Ｐ２より小さい。また、ブレース部材１３の降伏荷重Ｐ２は、杭１１の降伏荷重Ｐ３より小さい。すなわち、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３の関係にある。

図３は、上記のダンパー部材１４，ブレース部材１３、及び杭１１を一体化した場合の荷重−変位曲線を示す。

図３から分かるように、ダンパー部材１４，ブレース部材１３及び杭１１を一体化した場合の荷重−変位曲線は、ダンパー部材１４、ブレース部材１３及び杭１１の荷重−変位曲線が合成されたものである。

そして、本例では、ダンパー部材１４の加重Ｐ１が、所定の大きさを有する第１段階の
地震が発生したときに、ダンパー部材１４が降伏する応力となるように設定されている。

また、ブレース部材１３の荷重Ｐ２は、上記の第１段階の地震より大きな第２段階の地震が発生したときに、ブレース部材１３が降伏する応力となるように設定されている。

更に、杭１１の荷重Ｐ３は、第２段階の地震より大きな第３段階の地震が発生したときに、杭１１が降伏する応力となるように設定されている。

また、本例では、第１段階〜第３段階の地震を、構造物の耐震レベル１，２における地震の大きさと対応させている。耐震レベル１の地震は、比較的小さく、構造物の耐用期間内に頻繁に発生する地震（再現期間５０年程度）であり、耐震レベル２の地震は、想定しうる範囲内でかなり大きく、構造物の耐用期間内に発生する確率が極めて小さい地震（再現期間１００年以上）である。

本例では、第１段階の地震が耐震レベル１の地震に対応している。第２段階の地震は、耐震レベル１の地震と耐震レベル２の地震との略中間の地震に対応している。また、第３段階の地震は耐震レベル２の地震に対応している。

次に、本発明の作用を説明する。地震が発生すると、杭式桟橋１に地震力が作用し、ダンパー部材１４，ブレース部材１３及び杭１１に応力が発生する。このとき、地震が第１段階の地震すなわち耐震レベル１における地震かそれより小さい地震の場合は、ダンパー部材１４，ブレース部材１３及び杭１１が弾性変形の範囲内で変形するだけである。従って、地震発生後、杭式桟橋１を何らの補修をすることなくそのまま使用できる。

第１段階すなわち耐震レベル１の地震が発生した場合は、ダンパー部材１４のみが降伏する。従って、地震発生後、杭１１，上部工材１２，ブレース部材１３及び水平部材１５を変えることなく、ダンパー部材１４のみを交換することによって、杭式桟橋１を復旧できる。

第２段階すなわち耐震レベル１と耐震レベル２との中間の地震が発生した場合は、ダンパー部材１４及びブレース部材１３が降伏する。従って、地震発生後、ダンパー部材１４及びブレース部材１３を交換することにより、杭式桟橋１を復旧できる。

第３段階すなわち耐震レベル２の地震が発生した場合は、ダンパー部材１４、ブレース部材１３及び杭１１が降伏するので、これらの部材を修復する必要がある。

このように、本発明によれば、杭式桟橋１の杭１１と上部工材１２との間に、ブレース材１３を設け、ブレース材１３と上部工材１２の接続部分、及びブレース部材１３と杭１１との接続部分にダンパー部材１４を設けたので、杭式桟橋１の耐力及び変形性能を高めることができ、耐震性能の向上を図ることができる。

また、本発明では、ダンパー部材１４，ブレース部材１３及び杭１１の降伏加重P1，Ｐ２，Ｐ３を、この順に大きくすることにより、地震の大きさに応じてダンパー部材１４、ブレース部材１３、杭１１がこの順に段階的に降伏するようにしたので、地震発生後、地震の規模によってダンパー部材１４のみ、或いはダンパー部材１４及びブレース部材１３を交換するだけで、杭式桟橋１を復旧できる。

従って、地震発生後に、杭式桟橋１を早期に復旧できるので、杭式桟橋１を人員及び物資の流通に有効に活用できる。また、杭式桟橋１の補修費用を大幅に低減できる。

また、上記のように地震が発生した後に限らず、要求される耐震性能が変化した場合にも、ダンパー部材１４若しくはブレース部材１３の一方又は両方を交換することによって、杭式桟橋１に任意の耐震性能を付与できる。

更に、杭１１，１１間に水平部材１５を設けたので、杭式桟橋１の剛性、耐力及び変形性能を更に高くできる。なお、水平部材１５は、省略することができる。

また、ダンバー部材１４，ブレース部材１３，水平部材１５に耐食性の塗装を施したり、耐食性鋼板を用いることができ、これにより、各部材の耐食性能を向上させることができる。

また、上記の実施例では、地震の大きさを第１段階から第３段階に区分し、第１段階の地震を耐震レベル１における地震と対応させ、第２段階の地震を耐震レベル１と耐震レベル２との中間の地震と対応させ、第３段階の地震を耐震レベル２の地震と対応させたが、第１段階から第３段階の地震を、適宜な大きさの地震に対応させることによって、地震発生の状況や杭式桟橋１の使用目的などに応じて、適切な耐震性能を有する杭式桟橋１を構築できる。

なお、上記の実施形態では、ブレース部材１３と上部工１２との間、及びブレース部材１３と杭１１との間にダンパー部材１４を設けたが、ダンパー部材１４は、ブレース部材１３と上部工１２との間のみ、又はブレース部材１３と杭１１との間のみに設けてもよい。

＜第２実施形態＞
上記の第１実施形態では、杭式桟橋１を新設する場合について説明したが、図４に示すように、実線で示す杭１１及び上部工材１２によって構成されている既設の杭式桟橋２に、破線で示すブレース部材１３、ダンパー部材１４及び水平部材１５を後付で取り付けることによって、既設の杭式桟橋２の剛性及び耐力を早期に且つ低コストで補強し、耐震性能を高くすることができる。

本発明に係る第１実施形態の杭式桟橋を示す図である。 本発明に係る第１実施形態の杭式桟橋におけるダンパー部材、ブレース部材及び杭の荷重−変位曲線を示す図である。 本発明に係る第１実施形態のダンパー部材、ブレース部材及び杭を一体化した場合の荷重−変位曲線を示す図である。 本発明に係る第２実施形態の杭式桟橋の補強方法を示す図である。

符号の説明

１ 杭式桟橋
２ 既設の杭式桟橋
１０ 地盤
１１ 杭
１２ 上部工材
１３ ブレース部材
１４ ダンパー部材
１５ 水平部材

Claims (3)

1. 水中の地盤に下端部が埋設された複数の杭と、前記複数の杭によって支持された上部工材とを有する杭式桟橋の補強構造であって、
   前記複数の杭と前記上部工材との間に設けられたブレース部材と、
   前記ブレース部材と前記上部工材との間、又は前記ブレース部材と前記杭との間の何れか一方、又は両方に設けられたダンパー部材とを備え、
   前記ダンパー部材、前記ブレース部材、前記杭のそれぞれの降伏せん断応力が、この順に大きくなることを特徴とする杭式桟橋の補強構造。
2. 前記ダンパー部材の降伏応力は、所定の大きさを有する第１段階の地震が前記杭式桟橋に作用した際に、前記ダンパー部材が降伏するせん断応力であり、
   前記ブレース部材の降伏応力は、前記第１段階の地震より大きい第２段階の地震が前記杭式桟橋に作用した際に、前記ブレース部材が降伏するせん断応力であることを特徴とする請求項１に記載の杭式桟橋の補強構造。
3. 請求項１又は２に記載の杭式桟橋の補強構造によって補強されていることを特徴とする杭式桟橋。

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