JP4491645B2

JP4491645B2 - 管橋構造

Info

Publication number: JP4491645B2
Application number: JP2006090855A
Authority: JP
Inventors: 智徳吉峯
Original assignee: IHI Infrastructure Systems Co Ltd
Current assignee: IHI Infrastructure Systems Co Ltd
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: JP2007262786A

Description

この発明は、管体を橋梁形式で河川等を横断させる管橋の構造に関するものである。

一般に、ガス管や、水道管、電信、電力ケーブル等を配設した電らん管などは、河川等を横断する際に、道路橋などの桁に添架されることが多い。しかし、その添架する桁の強度が足りない場合、添架するスペースがない場合、あるいは、その桁の架設位置が管体の配設ルートとして最適でない場合等は、その管体のみを渡す専用の管橋が設けられる場合もある。これらの管橋としては、例えば、その用途に応じて、ガス管橋、電らん管橋、水管橋などに分類される。

このような管橋は、その支間長が長い場合は、剛性を高めるために補剛桁を併設したり、あるいはトラス構造等にする手法（図８参照）が採用される。
また、支間長が比較的短い場合は、管体自体の断面強度で自身を保持する単純梁状の両端固定パイプビーム形式（図９参照）、あるいは、両端固定アーチ形式（図１０参照）等を採用することができる。

さらに、上記パイプビーム形式において、図１１に示すように、管桁１０を橋台１や橋脚１’に支持する水平支持部９，９のうち、一方を固定支持部、他方を可動支持部とした一端固定パイプビーム形式とし、その可動支持部においては、管体を軸方向に移動可能とするとともに、管体の曲げに対しては固定支持部と同様に機能するようにしたものもある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−９００１１号公報

図１０に示す上記両端固定アーチ形式によれば、管体の支間中央を頂部として湾曲させているので、まっすぐな管体を渡した上記単純梁状のパイプビーム形式よりも、比較的長い支間を渡すことが可能である。
しかし、その両端固定アーチ形式において、管体の橋台への支持部は水平反力に対抗するために両側とも固定支持となるので、温度変化、地盤ひずみ等による下部工の大きな変位への対応が困難である。

また、両端固定アーチ形式は、弧状に湾曲した管体同士を接続して構成するため、その構造が複雑であるとともに、個々の管体の長さ、湾曲度合いは管橋の支間長によって異なるものとなる。このため、部材の共通化が困難であり、その製造には手間と時間を要し、コスト的に劣るという欠点がある。

また、アーチ形式を採用すると、特に水管橋においては、管内の気体を排出する空気弁を頂部、すなわち支間中央に設置しなければならない。この空気弁が、橋台への支持部から遠い支間中央に設けられるため、その空気弁の操作、維持管理が困難であるという問題がある。
さらに、その空気弁の操作、維持管理を行うために、例えば、上記橋台への支持部から空気弁設置箇所に至る管理用通路を設ければ便利であるが、その通路が、管橋の死荷重を増加させ、構造を複雑にするという欠点がある。

そこで、この発明は、温度変化、地盤ひずみ等による下部工の大きな変位に対応できるようにし、シンプルで製造容易、維持管理が容易な構造形式の管橋とすることを課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明は、管橋の両端支点部を鉛直配管とし、その各鉛直配管の上部に横方向の配管を剛に接続したラーメン構造を採用したのである。
このラーメン構造によれば、例えば、両支点部がヒンジ構造であれば、その支点部が横管の管軸方向に横変位すると、その支点部が回転するようにラーメン構造全体が変形する。
このため、温度変化、地盤ひずみ等による下部工の変位に対応できるようになる。
また、支点部が固定構造であれば、横管が温度変化により伸縮すると、その鉛直配管の支点部に微小な部材角を生じさせるようにラーメン構造全体が変形する。このため、温度変化による変位に対応できるようになる。
また、鉛直配管に横方向の配管を接続したラーメン構造であれば、鉛直配管、横方向の配管及びその両配管を接続する曲管等の部材は、支間長の異なる他の管橋に用いられる管体や、一般的な管路に使用される管体との設計上の共通化が図りやすい。このため、シンプルで製造容易なものとすることができる。なお、前記支点部における横管の管軸方向への横変位とは、対の橋台に設けた各支点部間の距離が変化する方向への前記両支点部間の相対移動をいい、各支点同士の位置関係が径間方向へ相対移動する場合のほか、径間直角方向へ相対移動する場合も含まれる。

また、上記構成を水管橋に採用した場合、空気弁を設けるべき管体の最上部は上記横方向の配管のいずれかの部分となるが、その横方向の配管を水平とするか、あるいは片勾配とすれば、空気弁の設置位置は鉛直配管との接続部近く、すなわち橋台上又は橋台に近い場所となる。
このため、水管橋にラーメン構造を採用すれば、必ずしも支間中央に空気弁を設ける必要はなく、管理用通路等の施設を不要とし得るとともに、シンプルで且つ維持管理が容易な構造形式とすることができる。

さらに、ラーメン構造を採用したことにより、支間中央において管体に作用するモーメントは、同一の管を同一の支間に渡した単純梁状を成す上記パイプビーム形式と比較して小さくなる。このため、その管体に生じるたわみ量を低減し得る。たわみが小さい構造であれば、より長い支間を渡すことも可能となる。

この発明は、管橋の両支点部を鉛直配管とし、その各鉛直配管と水平配管とを剛に接続したラーメン構造を採用したので、支点部が横管の管軸方向に横変位すると、両支点部がヒンジ構造であれば、その支点部が回転するように、ラーメン構造全体が変形するので、管橋は、温度変化、地盤ひずみ等による下部工の変位に対応できるようになる。
また、両支点部が固定構造であれば、鉛直配管が支点部に微小な部材角を生じさせるようにラーメン構造全体が変形するので、管橋は、温度変化に対応できるようになる。
また、ラーメン構造とすれば、部材の共通化が図りやすいので、管橋をシンプルで製造容易なものとすることができる。

また、上記構成を水管橋に採用した場合、空気弁の設置位置を必ずしも支間中央としなくてもよいので、シンプルで維持管理が容易な構造形式とすることができる。

具体的な実施形態として、対の橋台間に連続する管体で構成される管桁を一径間で掛け渡し、その管桁を、前記管体自身の強度により前記対の橋台間に支持させた管橋構造において、上記管桁は、上記対の橋台からそれぞれ上方に立ち上がる鉛直管と、前記両鉛直管間を横方向に結びその両端がそれぞれ前記各鉛直管の上部に剛に接続される横管とを有し、その横管を通じて前記両鉛直管同士が連通し、上記各鉛直管は、上部鉛直管と下部鉛直管とが伸縮可撓管により屈曲自在に接続され、上記管桁は、前記上部鉛直管が下部鉛直管に対し屈曲可能な状態で上記各橋台に支持される構成を採用し得る。

このようにすれば、鉛直管を支持する橋台などの下部工が、横管の管軸方向に横変位すると、その横変位に伴って鉛直管の上部鉛直管と下部鉛直管とが屈曲するように管桁全体が変形する。このため、鉛直管と橋台とはいわゆるヒンジ構造となって、管桁各部に作用する応力を低減し得る。

また、他の実施形態として、対の橋台間に連続する管体で構成される管桁を一径間で掛け渡し、その管桁を、前記管体自身の強度により前記対の橋台間に支持させた管橋構造において、上記管桁は、上記対の橋台からそれぞれ上方に立ち上がる鉛直管と、前記両鉛直管間を横方向に結びその両端がそれぞれ前記各鉛直管の上部に剛に接続される横管とを有し、その横管を通じて前記両鉛直管同士が連通して、前記管桁は、前記両鉛直管の下部で前記各橋台に支持される構成を採用し得る。

このようにすれば、温度変化等により横管が伸縮すると、その伸縮に伴って鉛直管の橋台から立ち上がる部分に微小な部材角を生じさせるように管桁全体が変形する。このため、下部工の変位に対し、管桁全体が変形することにより対応できるようになる。

なお、鉛直管、横管及びその両管を節点において接続する部材は、支間長の異なる他の管橋に用いられる管体や、一般的な管路に使用される管体との設計上の共通化が図りやすい。このため、シンプルで製造容易なものとすることができる。

上記の構成において、上記管桁を送水管とし、上記横管の端部に空気弁を設ければ、空気弁は橋台近くに位置して、その維持管理が容易である。

一実施例を図１乃至図４に基づいて説明する。この実施例の管橋は、河川１１を挟んで設けた対の橋台１，１間に、管桁１０を橋脚を介することなく一径間で掛け渡した２ヒンジラーメン構造の水管橋である。

管桁１０は、上記対の橋台１，１からそれぞれ上方に立ち上がる鉛直管２，２の上端に、水平に配設された横管３の両端がそれぞれ曲管６，６を介して剛に接続されたラーメン構造となっている。横管３を通じて前記両鉛直管２，２同士が連通し、その鉛直管２の下方は、橋台１内に埋設されて送水管に接続されているので、その送水管の水が管桁１０内を流通できるようになっている。

また、横管３の一方の端部には、管内に溜まった空気を排出する空気弁４が設けられている。橋台１上には、鉛直管２に沿ってはしご等の昇降手段（図示せず）が設けられているので、その昇降手段によって空気弁４を設けた場所に昇ることができる。このため、空気弁４を操作、メンテナンスすることが容易である。
さらに、その鉛直管２は、橋台１上を鉛直に立ち上がるので、その橋台１上の占有面積が小さくなり、施工時の工事費低減にも寄与し得る。

鉛直管２は、上部鉛直管２ａと下部鉛直管２ｂとが伸縮可撓管５により屈曲自在に接続されて構成されている。
可撓管５としては、摺動型、波型、ゴム型、その他、周知の可撓管構造、又は伸縮可撓管構造を採用することができる。例えば、波型に分類されるものとして、スチールベローズ型の伸縮可撓管５を採用し得る。
この伸縮可撓管５をヒンジ部２０として、上部鉛直管２ａと下部鉛直管２ｂとは、両者の軸方向が一致した状態を基準に、自由な方向へ折れ曲がるようになっている。

上部鉛直管２ａの周囲には、ウェブ１５とフランジ１５ａからなる箱状等の補剛部材が溶接により取付けられており、その補剛部材が、図４（ａ）（ｂ）に示すように、内側２枚の支承プレート１４ｂ，１４ｃを介して、橋台１の立上がり部７の側面にアンカーボルト１６で固定されて、ピン支承１４を構成している。

そのアンカーボルト１６は、外側の支承プレート１４ｃに設けた孔１４ｄに挿通されているので、アンカーボルト１６により鉛直荷重を負担する構造である。
また、この実施例では、前記支承プレート１４ｃの前記円弧状の接触面は、円筒面状に形成されているが、球面状に形成してもよい。また、適宜部材間にゴム等の弾性部材を介在させ、前記上部鉛直管２ａと下部鉛直管２ｂとが屈曲することにより、その弾性部材が変形する構成及び道路橋等に使用する鋼製支承を採用してもよい。

このラーメン構造によれば、例えば、支点部である橋台１に、地震等により、両支点部間の距離が変化する方向、すなわち、横管の管軸方向への横変位が生じた場合、その横変位に伴って鉛直管２が伸縮可撓管５の部分をヒンジとして回転するように管桁全体が変形する。このとき、鉛直管２と横管３とを剛に接続した節点も、その変形に追随して適宜移動する。
また、図２（ａ）に示すように、外力Ｐが管桁１０の上部に作用した場合に、節点Ｂ，Ｃ（鉛直管２と横管３とを曲管６を介して剛に接続した部分）は横方向へわずかに移動し、その鉛直管２には、図２（ｂ）に示すように、橋台１への支点部Ａ，Ｄにおいて、微小な回転角Ｒ_Ａ，Ｒ_Ｄを、また、節点Ｂ、Ｃには、それぞれ微小なたわみ角θ_Ｂ，θ_Ｃを生じさせるように管桁１０全体が変形する。
このため、温度変化、地盤ひずみ等による下部工の比較的大きな変位、あるいは管桁１０に作用する外力に対しても、管桁１０全体が変形してその動きに追随し、管体の破損、損傷が回避される。

さらに、この構造において、管桁１０に作用するモーメント、せん断力は、それぞれ図３（ｃ）（ｄ）に示すものとなる。図中の符号Ｌは支間長を示し、符号Ｈは鉛直管２の立上がり高さ、符号Ｐは管内の水を想定した等分布荷重を示す。
支間中央において、横管３に作用するモーメントは、図中に示す「ｃ（ｃ＝ａ−ｂ）」であり、この値は、同一の管を同一の支間に渡した一端固定パイプビーム形式を想定した図３（ａ）に示す値「ａ」と比較して、小さくなっていることがわかる。これは、図３（ｃ）のモーメント図に示すように、横管３に作用するモーメントが、全体的に節点Ｂ，Ｃに生じる材端モーメントｂ分減殺されているからである。このため、同一の管を同一の支間に渡した単純梁状の管桁を採用した場合と比較して、管体に生じるたわみ量を低減し得ることとなる。たわみが小さい構造であれば、より長い支間を渡すことも可能となるので有利である。

他の実施例を図５乃至図７に基づいて説明する。この実施例の管橋は、前述の実施例のヒンジ支承を固定支承に変更したものである。

管桁１０は、上記両鉛直管２，２の下部にそれぞれ設けた支持部１２，１２のみで前記各橋台１，１に支持される。支持部１２は、鉛直管２の外周に、水平なプレート等からなる台座１３がリブ１３ａ等を介して固定されており、その台座１３が、図５に示すように、橋台１の上面にアンカーボルト等で動かないように固定されている。管桁１０は、この支持部１２，１２のみで橋台１，１に支持されて、他の補剛桁等に支えられることなく自身の断面強度により河川１１を横断した状態に支えられる。

このラーメン構造によれば、例えば、温度変化等により、横管が伸縮した場合、その伸縮に伴って鉛直管２の橋台１から立ち上がる部分に微小な部材角を生じさせるように管桁全体が変形する。このとき、鉛直管２と横管３とを剛に接続した節点も、その変形に追随して適宜移動する。
また、図６（ａ）に示すように、外力Ｐが管桁１０の上部に作用した場合に、節点Ｂ，Ｃ（鉛直管２と横管３とを曲管６を介して剛に接続した部分）は横方向へわずかに移動し、その鉛直管２には、図６（ｂ）に示すように、橋台１への支点部Ａ，Ｄにおいて、微小な部材角Ｒ_Ａ，Ｒ_Ｄを、また、節点Ｂ、Ｃには、それぞれ微小なたわみ角θ_Ｂ，θ_Ｃを生じさせるように管桁１０全体が変形する。
このため、温度変化等による横管の伸縮、あるいは管桁１０に作用する外力に対しても、管桁１０全体が変形してその動きに追随し、管体の破損、損傷が回避される。なお、一方の鉛直管２に、前述の実施形態におけるヒンジ部２０を採用した構成とすることもできる。

さらに、この構造において、管桁１０に作用するモーメント、せん断力は、それぞれ図７（ｃ）（ｄ）に示すものとなる。図中の符号Ｌは支間長を示し、符号Ｈは鉛直管２の立上がり高さ、符号Ｐは管内の水を想定した等分布荷重を示す。
支間中央において、横管３に作用するモーメントは、図中に示す「ｃ（ｃ＝ａ−ｂ）」であり、この値は、同一の管を同一の支間に渡した単純梁状の管桁（一端固定パイプビーム形式）を想定した図７（ａ）に示す値「ａ」と比較して小さくなっている点は、前述の実施例の場合と同様である。

（たわみ量比較）
上記各実施例において、横管３に生じるたわみ量は、同一の管を同一の支間に渡した一端固定パイプビーム形式（図５参照）の場合と比較すると、図１に示す２ヒンジラーメン構造の場合は、たわみ量が、
［数１］１０ｋ＋３／２．１（２ｋ＋３）倍
となり、
［数２］ｋ＝Ｉ_２Ｈ／Ｉ_１Ｌ
Ｉ_１：柱部（鉛直管２に相当）の断面二次モーメント
Ｉ_２：梁部（横管３に相当）の断面二次モーメント
Ｌ：支間長
Ｈ：柱高さ（鉛直管２の立上がり高さに相当）
であるので、例えば、Ｉ_２＝Ｉ_１、Ｈ＝２．０ｍ、Ｌ＝３０．０ｍとすれば、ｋ＝０．０６７となり、上記［数１］の値は、１／１．８倍となり、たわみ量が少なくなっていることがわかる。

また、図５に示す固定ラーメン構造の場合は、たわみ量が、
［数３］５ｋ＋２／２．１（ｋ＋２）倍
となるので、上記と同様に、Ｉ_２＝Ｉ_１、Ｈ＝２．０ｍ、Ｌ＝３０．０ｍとすれば、上記［数３］の値は、１／１．９倍となる。

（温度応力比較）
また、両端固定パイピビーム形式との比較では、図１に示す２ヒンジラーメン構造の場合は、温度応力が、
［数４］３ｒ／（２ｋ＋２）ｈ倍
ただし、ｒ：管外周半径
となり、上記と同様に、Ｉ_２＝Ｉ_１、Ｈ＝２．０ｍ、Ｌ＝３０．０ｍ、ｒ＝２５４ｍｍとすれば、上記［数４］の値は、１／５．６倍となり、温度応力が小さくなっていることがわかる。

また、図５に示す固定ラーメン構造の場合は、温度応力が、
［数５］３ｒ／（ｋ＋２）ｈ倍
となり、上記と同様に、Ｉ_２＝Ｉ_１、Ｈ＝２．０ｍ、Ｌ＝３０．０ｍ、ｒ＝２５４ｍｍとすれば、上記［数５］の値は、１／５．４倍となる。
なお、上記たわみ量の倍率算定式は、構造力学公式集（昭和６１年版土木学会）による。温度応力の倍率算定式は、同じく構造力学公式集（昭和６１年版土木学会）による。

（最大支間比較）
以下に、許容される最大支間長の比較例を示す。同一の管を用いた場合、２ヒンジラーメン構造の方が、一端固定パイプビーム形式よりも長い支間長とすることができることがわかる。

一実施例の正面図（ａ）（ｂ）は、同実施例の変形状態を示す模式図（ａ）は、一端固定形式の管橋の載荷状態、応力状態を示す模式図、（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、それぞれ図２のラーメン構造を有する管橋の載荷状態、応力状態を示す模式図図１の支持部を示す要部拡大図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図他の実施例の正面図（ａ）（ｂ）は、図５の変形状態を示す模式図（ａ）は、単純梁状の管橋の載荷状態、応力状態を示す模式図、（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、それぞれ図６のラーメン構造を有する管橋の載荷状態、応力状態を示す模式図従来例の正面図従来例の正面図従来例の正面図従来例の正面図

符号の説明

１橋台
１’ 橋脚
２鉛直管
２ａ上部鉛直管
２ｂ下部鉛直管
３横管
４空気弁
５伸縮可撓管
６曲管
７立上がり部
８トラス桁
９水平支持部
１０管桁
１１河川
１２支持部
１３台座
１４ピン支承
１５ａフランジ
１６アンカーボルト
２０ヒンジ部
Ｌ支間
Ｈ立上がり高さ

Claims

対の橋台（１，１）間に連続する管体で構成される管桁（１０）を一径間で掛け渡し、その管桁（１０）を、前記管体自身の強度により前記対の橋台（１，１）間に支持させた管橋構造において、
上記管桁（１０）は、上記対の橋台（１，１）からそれぞれ上方に立ち上がる鉛直管（２，２）と、前記両鉛直管（２，２）間を横方向に結びその両端がそれぞれ前記各鉛直管（２，２）の上部に剛に接続される横管（３）とを有し、その横管（３）を通じて前記両鉛直管（２，２）同士が連通し、
上記各鉛直管（２，２）は、上部鉛直管（２ａ）と下部鉛直管（２ｂ）とが伸縮可撓管（５）により屈曲自在に接続され、上記管桁（１０）は、前記上部鉛直管（２ａ）が下部鉛直管（２ｂ）に対し屈曲可能な状態で上記各橋台（１，１）に支持され、前記上部鉛直管（２ａ）は、前記橋台（１）に設けた立上がり部（７）に対して支持部（１２）によって支持され、その支持部（１２）は、前記上部鉛直管（２ａ）の外周を保持するとともに前記立上がり部（７）の側面にアンカーボルト（１６）でピン支承されていることを特徴とする管橋構造。
上記管桁（１０）は送水管であり、上記横管（３）の端部に空気弁（４）を設けたことを特徴とする請求項１に記載の管橋構造。