JP4545920B2 - 橋梁における免震構造系 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、橋梁における免震構造系に関し、更に詳しくは、水平の全方向に変位可能な弾性支承により橋桁を連続的に支持してなる連続桁橋梁の免震構造系に関する。特には、曲線状の橋桁を有する橋梁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
曲線橋、斜橋あるいは下部構造すなわち橋脚の頂部幅が狭い橋梁等においては支点部において橋軸直角方向に地震時の橋桁に生じる急激な水平変位を制限する構造体（装置）すなわち変位制限構造が設けられるものであるが、従来の変位制限構造は移動体と非移動体（拘束体）とが一定の遊間を存して衝接作用をもって当該水平変位を制限し、かつ一方向のみの変位に対応する構造となっており、このため変位途中において何らの抵抗作用もなく、作動時において大きな衝撃を惹起するものであり、その衝撃作用による悪影響は無視しえないものがある。なお、橋軸直角方向の変位制限構造の必要とする橋梁は上記構造以外に、一支承線上の支承数の少ない橋、地盤の流動化により橋軸直角方向に橋脚の移動が生じる可能性のある橋もその対象となる。
なお、上記した橋梁構造において、曲線橋及び斜橋はその端支点部に変位制限構造が配され、それ以外の橋梁には端支点部に加えて中間支点部にも変位制限構造が配されるものである。
更に、曲線橋においてその桁端部に上記構造のいわゆる剛な変位制限構造を用いた場合、温度変化による橋桁の伸縮を拘束したり、地震時の急激な変位に際し惹起されやすいこと、更に、橋軸直角方向の上部構造慣性力が桁端部に集中すること、等の懸念がある。これを避けるために変位制限構造の遊間を広くすると地震時に衝撃力が大きくなることになる。
【０００３】
一方、近時、橋梁の支承に弾性体を主体とする免震支承を使用したいわゆる免震構造系の橋梁が採用されつつある。すなわち、この免震構造系によれば、下部構造から伝播される地震動をこの免震支承をもって長周期化し、有害な振動（特には共振）を上部構造に伝えないことにより、地震動による構造物の被害を防止するものである。この免震支承はゴム支承（積層ゴム）あるいは該ゴム支承に鉛体の封入された鉛プラグ入りゴム支承（Ｌ．Ｒ．Ｂ．）が採用される。
この免震支承を有する曲線橋、斜橋等においても、上記の見地から過大な変位に対応するべく変位制限構造が設置される必要があるが、従来の変位制限構造によっては上記欠点をそのまま残存させるばかりでなく、当該免震支承は水平の全方向への機能が発揮できる特長を有するものであるが、この変位制限構造によっては一方向の変位を強制的に制限するものであり、該免震支承の特長が喪失してしまうことになる。
なお又、この免震構造は、その連続橋（曲線橋）において、橋軸直角方向の慣性力の分散が各橋脚位置で不均衡になる傾向が解析されており、その均衡化を図ることも技術的課題の一つとなっている。
そこで、当該免震系において、全方向への機能を発揮する免震支承の特長を喪失することなく、有害な変位を制限できる新たな変位制限構造を開発・ 適用し、もって当該免震構造系の特性の改善をなすことが望まれるところである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記実情に鑑みなされたものであり、水平の全方向に変位可能な弾性系の免震支承により橋桁を支持してなる橋梁構造において、免震支承の特長を失わず、直線橋、曲線橋等の橋の線型特性に応じて有効に地震時の過大な変位を阻止し得る新規な免震構造系を提供することを目的とする。
本発明はこのため、橋の変位を強制的に制限することなく、地震時変位を制限したい方向に減衰力を付与して変位を低減する摩擦減衰型の変位制限構造を付加することにより目的を達成しうるとの知見に基づいてなされたものである。
本発明は更に、この知見に基づいて、ゴム支承による地震時水平分散構造への適用を図ることも目的の一つとする。
【０００５】
【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。
本発明の橋梁における免震構造系は、請求項１に記載のとおり、
水平の全方向に変位可能にして減衰性能を有する弾性支承により曲線状の橋桁を３以上の下部構造上でそれぞれ支持してなる連続桁曲線橋梁構造において、
前記弾性支承に支持される１又は複数の支持点において、前記橋桁の橋軸直角方向の過大な変位を制限するべく、下部構造と前記橋桁との間に一軸方向に作動するとともに鉛体の塑性流動化による塑性流動型鉛ダンパーが橋桁の橋軸直角方向変位及び橋軸方向変位に対して連続的に作動して両端をいずれの方向の回転変位を許容する自在継手を介して橋軸直角方向に取り付けられてなることを特徴とする。
【０００６】
上記構成において、
1)塑性流動型鉛ダンパーの配される支持点は少なくとも橋桁の端部の支持点が選ばれること、
2)弾性支承は鉛プラグ入り弾性支承であること、
は適宜選択される事項である。
【０００７】
（作用）
常時において、温度変化による橋桁の緩慢な伸縮変位は、橋軸方向の変位が橋幅方向（橋軸直角方向) よりも卓越し、弾性支承の弾性変形により回転変位と共に当該伸縮変位を吸収する。橋軸直角方向に配された変位制限装置（塑性流動型鉛ダンパー）はこの変位に干渉せず抵抗することなく追従する。
地震の発生により橋脚が振動するとき、この振動は上部構造に伝播するが、弾性支承において、その弾性機能により短周期成分は除かれ、長周期成分が残り、上部構造に有害な振動（共振振動）を伝えない。そして、上部構造はその固有周期（長周期）をもって振動する。弾性支承が減衰性能を有するとき、この振動を速やかに減衰する。このとき同時に、橋軸直角方向に配された塑性流動型鉛ダンパーも作動し、その減衰に寄与する。
過大な地震力が入力され、橋桁の支持点において橋軸直角方向の急激な変位が現れたとき、この変位の開始より塑性流動型鉛ダンパーが起動し、その変位とともに作動を続け、その設定極大値に達して規定距離以上の変位を阻止する。この作動は連続的になされ、極大値における衝撃作用はない。
更にまた、本連続桁曲線橋において、各支持点の塑性流動型鉛ダンパーの抵抗力を増大させることにより各支持点上の橋桁の横変位を極小化することができる。すなわち、本免震系において、支持点部での慣性力の分散がなされ、均等化が図られる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の橋梁における免震構造系の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図５はその一実施形態の橋梁の免震構造系を示し、連続桁曲線橋への適用例を示す。すなわち、図１は当該免震構造系の支点部の全体構成を示し、図２〜図５はその部分構成を示す。
図において、Ｂは橋脚・橋台等の下部構造であり、Ｇは橋桁等の上部構造である。
この橋梁は、多径間連続桁曲線橋をなし、橋桁Ｇは線形（平面形状）が所定の曲率半径の曲線形をなし、かつ所定の横断勾配をなし、支承体Ｓを介して複数の橋脚Ｂに荷重をあずける。
【０００９】
図１にその全体が示されるように、本免震構造系は、これらの下部構造Ｂと上部構造Ｇとの間に支承体Ｓを主体とする免震支承部１とダンパーＤを主体とする変位制限機構部２とからなり、これらは所定の配置関係をもつて介装され、かつ所定の免震機能を発揮する。すなわち、免震支承部１は支持機能と免震機能とを少なくとも有し、変位制限機構部２は変位の始まりとともに作動する摩擦減衰型を探り、かつ、該変位制限機構部２は橋軸直角方向に配される。
【００１０】
以下、各部の細部構造を説明する。
免震支承部１（図１〜図４参照）
免震支承部１は、本実施形態では、鉛プラグ入り積層ゴム支承体Ｓを主体として構成される。本鉛プラグ入り積層ゴム支承体（以下単に支承体という。) Ｓは、全体として矩形状をなし、所定厚さの積層ゴム体１０と、積層ゴム体１０の中心部に封入される鉛プラグ１１とからなり、これらは上下の取付け鋼板１２，１３に挟着されるとともに該取付け鋼板１２，１３を介して上部構造Ｇ、下部構造Ｂに固定される。なお、下部構造Ｂに対しては該下部構造Ｂの上面の傾斜を均す均し台１４を介して支承体Ｓが設置される。均し台１４は橋脚Ｂと一体であっても、別体であってもよい。更に、支承体Ｓの積層ゴム体１０に付いては、鋼板１５とゴム板もしくはゴム層１６が相互に積層され、加硫接着をもって一体化されてなるものであり、水平変形が容易で、大きな鉛直剛性を有する特性を持つ。１２ａ，１３ａは取付け鋼板１２，１３に穿設された取付け孔であって、上部構造Ｇ及び下部構造Ｂ（均し台１４）に埋設固定されたアンカーボルト（図示せず）を挿通し、ナット（図示せず）をもって緊定される。なお、上部構造Ｇ、下部構造Ｂが鋼製であれば支承体Ｓは溶接により固定されうることは勿論である。
本免震支承部１の支承体Ｓは、各橋脚Ｂにおいて、２個併置される。しかし、その設置個数は２個に限定されるものではなく、上部構造Ｇを安定的に設置するため更に個数を付加される。
しかして、この免震支承部１は、上部構造（橋桁）Ｇの支持機能と下部構造（橋脚）Ｂを介して伝播される地震動の免震機能を担う。
【００１１】
変位制限機構部２（図１、図２、図５参照）
変位制限機構部２は、本実施形態では、減衰力を付加する機能を有する摩擦減衰型の鉛押出しダンパー（以下単に「鉛ダンパー」という）Ｄを主体として構成される。
該鉛ダンバーＤは、図５（ａ）に示すように、円筒状をなすシリンダ部２０と、該シリンダ２０内に進退動されるピストンロッド部２１と、該シリンダ部２０に封入される鉛体２２とからなる。ピストンロッド部２１は鉛体２２中に位置する隆起部２１ａ及びその先端のストッパー部２１ｂを有し、ストッパー部２１ｂの前後にａ，ｂの空隙距離を保つ。隆起部２１ａは鉛体２２中を強制力をもって移動することにより鉛体２２を塑性流動化し、その変形エネルギーをもって強制力を吸収する。シリンダ部２０の先端並びにピストンロッド部２１の先端にはそれぞれ取付け部２３Ａ，２３Ｂを有する。
本鉛ダンパーＤはその鉛体２２の塑性流動化をなすことにより、その特性は図５(b) の履歴曲線で示されるように、極めて明確な履歴特性を有し、摩擦減衰特性を有する。すなわち、変位に対して定まった水平抵抗力が現れる。エネルギー吸収効率が高い。
本鉛ダンパーＤのストロークはストッパー部２１ｂの規制によるよりも、隆起部２１ａの受ける塑性流動抵抗に規制される。
【００１２】
本実施形態の変位制限機構部２では、2 つの鉛ダンパーＤが配される。このため、相並ぶ２つの免震支承Ｓの中間部位に柱状の反力受け部材２５が下部構造Ｂに強固に固定され、反力受け部材２５にはリブ２６Ａが突設され、該リブ２６Ａに対向して上部構造にはリブ２６Ｂが突設される。そして、各鉛ダンパーＤは各免震支承Ｓの対応する上部構造Ｇの部位とこの反力受け部材２５との間に、取付け部２３Ａとリブ２６Ａ、及び取付け部２３Ｂとリブ２６Ｂとを各ピン２７を介して揺動自在に取り付けられる。かつ、リブ２６Ａ、リブ２６Ｂは水平方向に揺動自在とされ、リブ２６Ａ、２６Ｂはピン２７とともにいずれの方向の回転変位を許容するいわゆる自在継手を構成する。
本変位制限機構部２においては、鉛ダンパーＤの配置は、２つの免震支承Ｓの中心を含む線上に、すなわち橋軸直角方向に配され、当該橋軸直角方向への変位に対応するものであるが、当該橋軸直角方向とは異なる変位並びに多少の傾き
（ずれ）は許容される。すなわち、設置におけるずれ、橋桁の橋軸方向の変位を許容する。
しかして、この変位制限機構部２は、上部構造Ｇの過度な移動を抑制する機能を果たす。
【００１３】
（曲線橋の変位特性）
橋軸方向の長さが卓越する橋桁においては、橋軸方向の伸縮が橋軸直角方向よりも大きくなるが、曲線橋においては各支点部において橋軸直角方向への変位分も加わる。また、橋桁に載荷される移動荷重により各支点に回転変位が加わる。
本曲線橋においては、各支承の弾性変形をもって上記の支点変位を吸収する。
【００１４】
（本実施形態の作用・ 効果)
この免震構造系は、多径間連続桁曲線橋に適用されて以下に述べるような作用を発揮し、効果を有する。
図６はこの多径間連続桁曲線橋を示す。ここに、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４は橋脚であって、曲線をなす橋桁Ｇはこれらの橋脚Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４上に各２つの本免震支承Ｓをもって支持され、かつ各橋脚において鉛ダンパーＤよりなる変位制限機構部２が橋軸直角方向に配される。図１は各橋脚におけるこの配置態様を示す。
【００１５】
常時において、温度変化による橋桁Ｇの緩慢な伸縮変位は、橋軸方向の変位が橋幅方向よりも卓越し、免震支承Ｓの弾性変形により回転変位と共に当該伸縮変位を吸収する。また、該緩慢な変位に対しては各免震支承Ｓの鉛プラグ１１及び鉛ダンパーＤの鉛体２２が格別大きな抵抗となることはなく、許容する。
連続桁曲線橋においては、端橋脚Ｂ１（又はＢ４) で橋軸直角方向への変位が現れるが、この変位も全方向型の免震支承Ｓ並びに鉛ダンバーＤは許容する。
【００１６】
地震の発生により、橋脚Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４が振動するとき、この振動は上部構造Ｇに伝播するが、本免震支持部１の免震支承Ｓにおいて、その積層ゴム体１０の柔構造機能により短周期成分は除かれ、長周期成分が残り、上部構造Ｇに有害な振動（共振振動）を伝えない。そして、上部構造Ｇはその固有周期（長周期）をもって振動する。本免震支承Ｓはその鉛プラグ１１の変形により大きなエネルギー吸収特性を発揮し、この上部構造Ｇの振動を速やかに減衰する。このとき同時に、変位制限機構部２の鉛ダンパーＤも作動し、その履歴特性をもって上部構造Ｇの減衰に寄与する。
連続桁曲線橋においては、各橋脚Ｂ１〜Ｂ４において橋軸直角方向の振動も大きく現れるが、全方向型の免震支承Ｓはこの横振動を減衰させ、かつ、各橋脚に設置された鉛ダンパーＤにより横振動は更に速やかに減衰する。なお、鉛ダンパーＤの抵抗力と横変位との関係は図７(a) に示されるとおりであり、該鉛ダンパーＤの抵抗力を適当値（例えば２０トン程度）に採ることにより各橋脚上の横変位は殆ど現れない。
【００１７】
しかして、過大な地震力が入力されたとき、橋桁Ｇは橋脚Ｂに対して更に大きく横方向へ変位することになるが、この変位とともに変位制限機構部２の鉛ダンパーＤがその設定極大植に達し、規定距離以上には変位しない。
これにより上部構造Ｇの過大な変位が阻止され、かつ免震支承Ｓの横変位を抑え、有害な座屈を阻止する。
図７(b) は鉛ダンパーＤの設定抵抗値を変化させたときの各橋脚Ｂ１〜Ｂ４上の橋桁の横方向すなわち橋軸直角方向変位の変位を示す。イは鉛ダンパーＤがないときの各橋脚の変位を示し、ロ、ハ、ニは鉛ダンパーＤの設定抵抗値を順次大きくしたときの変位を示す。ニにおいて各橋脚上の橋桁の変位は均一化される。すなわち、慣性力の均等化がほぼ達成されたものとなっている。
【００１８】
以上のように本免震構造系によれば、免震支承Ｓの全方向変位機能を何ら妨げることがなく免震機能を発揮させ、かつ、過大な地震動による橋桁Ｇの横変位を阻止し、更にはこの阻止過程において連続して作動することから衝撃を発することがなく、免震支承Ｓにも、上部構造Ｇにも損壊を与えない。
また、各橋脚上の鉛ダンパーＤの設定値を適宜に選ぶことにより、各橋脚上の変位を自由に決定することができ、設計の自由度が大きい。更には、鉛ダンパーＤは全ての橋脚に配することもなく、適宜の橋脚（通常は端橋脚）を選ぶことによっても相応の効果を得ることができる。
【００１９】
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。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の橋梁における免震構造系によれば、免震支承の全方向変位機能を何ら妨げることがなく免震機能を発揮させ、かつ、過大な地震動による上部構造の横変位を阻止し、更にはこの阻止に至る変位において連続して作動することから衝撃を発することがなく、免震支承にも上部構造にも損壊を与えない。
また、各下部構造上の変位制限装置の設定抵抗値を適宜に選ぶことにより、各下部構造上の橋桁の変位を自由に決定することができ、設計の自由度が大きい。更には、変位制限装置は全ての橋脚に配することもなく、適宜の橋脚を選ぶことによっても相応の効果を得ることができる。
本発明の水平分散構造を採る橋梁における免震構造系によれば、鉛ダンパーのエネルギー吸収性能により地震時の変位の小さい免震構造が可能であり、そのためゴム支承を小さく設計でき、低コスト化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の橋梁における免震構造系の一実施形態の横断面図。
【図２】 その要部の拡大図。
【図３】 本免震構造系の一構成要素の支承体の構造図（図４の３−３線断面図）。
【図４】 図３の４−４線断面図。
【図５】 (a) 図は本免震構造系の一構成要素の鉛ダンパーの構成図。
(b) 図はその特性を示す図８（履歴曲線）。
【図６】 多径間連続桁曲線橋における免震構造系の概略図。
【図７】 (a) ダンパー抵抗力−変位図。
(b) 橋脚上の水平変位を示す図。
【符号の説明】
Ｇ…上部構造（橋桁) 、Ｂ…下部構造（橋脚) 、Ｓ…免震支承、Ｄ…摩擦減衰型ダンパー、Ｒ…ゴム弾性支承、１…免震支承部、２…変位制限機構部

Claims (2)

1. 水平の全方向に変位可能にして減衰性能を有する弾性支承により曲線状の橋桁を３以上の下部構造上でそれぞれ支持してなる連続桁曲線橋梁構造において、
   前記弾性支承に支持される１又は複数の支持点において、前記橋桁の橋軸直角方向の過大な変位を制限するべく、下部構造と前記橋桁との間に一軸方向に作動するとともに鉛体の塑性流動化による塑性流動型鉛ダンパーが、実質的に橋軸直角方向に連続的に作動するべく、両端を水平ピン回りの鉛直揺動と該鉛直揺動に対する水平揺動とによりいずれの方向の回転変位を許容して橋軸直角方向にピン固定により取り付けられてなる、
   ことを特徴とする橋梁における免震構造系。
2. 弾性支承は鉛プラグ入り弾性支承である請求項１に記載の橋梁における免震構造系。

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