JP4782269B2 - ケーブル構造物およびその耐震改修方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主構造と、主構造をケーブルを介して支持する支持構造とを備えたケーブル構造物およびその耐震改修方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のケーブル構造物としては、図８（ａ）に示すような、主塔１からケーブル２，２，…によって主桁３が支持された斜張橋４や、図９（ａ）に示すような、アーチ弦材５からケーブル６，６，…によって桁７が支持されたニールセン式ローゼ桁橋８が知られている。
【０００３】
ところで、このような橋梁において耐震性の向上を図るには、図８に示す斜張橋４においては、（ｂ）に示すように、主桁３と橋脚９との間に積層ゴムおよびダンパーからなる免震装置１０を新たに介装したり、また、図９に示すニールセン式ローゼ桁橋８においては、（ｂ）に示す桁７およびアーチ弦材５を橋脚１１から支持するための支承構造１２を、（Ｃ）に示すように積層ゴム１３に交換するようにしている。
【０００４】
また、その他にも、地震時に損傷すると考えられる部材（例えば、図１０に示す斜張橋４においては主塔１の下部１ａ、図１１に示すニールセン式ローゼ桁橋８においては、アーチ弦材５の基端部５ａやアーチ弦材５同士を連結する梁材１４などの各部材）を直接補強することにより、耐震改修を行うことも一般的である。
【０００５】
図１２から図１６は、このような際に補強対象の部材が内部が中空のボックス型部材１６である場合の耐震改修例である。この場合、図１２に示すように、ボックス型部材１６の内部にコンクリートＣを充填して、耐力を増強したり、図１３のように、ボックス型部材１６の内部に既存のリブプレート１７，１７，…に加えて、新たにリブプレート１８，１８，…を増設するようにしている。また、図１４は、既存のリブプレート１７を断面略Ｔ字型の補強材１９により補強し、リブプレート１７の剛性を向上させるようにした場合の例であり、図１５は、ボックス型部材１６の内部の補強が不可能な場合に、ボックス型部材１６の外面に鋼板２０を配置してボックス型部材１６を増厚補強したもの、図１６は、同様の場合に、ボックス型部材１６の外面にリブプレート２１を溶接したものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような耐震補強方法は、それぞれ、以下のような問題点を有している。
図８（ｂ）や図９（ｃ）のように、主桁３または桁７を免震化する場合には、主桁３や桁７をジャッキアップし、これにより、主桁３、桁７と橋脚９，１１との間に生じた空間に免震装置１０、積層ゴム１３を介装することが必要であるが、主桁３や桁７およびアーチ弦材５の重量が大きい場合には、ジャッキアップのための装置が大がかりなものとなり、作業性やコストの面で問題がある。また、上述のように、主桁３または桁７を免震化したとしても、これら主桁３や桁７およびアーチ弦材５が一体化されたものは、大重量となり、したがって、地震時の慣性力も大きく、主桁３や桁７の地震時の変位が過大となって、斜張橋４やニールセン式ローゼ桁橋８に接続する隣接橋との間に衝突が生じることが懸念される。
【０００７】
一方、図１２から図１６に示したような部材の補強を行う場合、特に補強数量が多いと、補強工事による交通遮断の時間も長くなり、また、足場架設なども広範囲にわたるために費用が増大する。また、図１５，１６のように、補強対象の部材を外面から補強する場合には、外観的にも問題が生じる。さらに、これら図１２から図１６に示す補強は、橋脚自体の重量を増大させるものであるから、基礎の補強が必要となる場合がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来の耐震補強がなされた橋梁に比較して、低コストで実現可能であり、なおかつ、安全性の面においてもより優れた橋梁を提供することを課題とする。また、このような橋梁を実現するための耐震補強方法を提供することを別の課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明においては以下の手段を採用した。
請求項１記載の発明は、主構造と、該主構造をケーブルを介して支持する支持構造とを備えたケーブル構造物であって、前記主構造、前記支持構造、および前記ケーブルからなる振動系において、地震力が作用した時に、前記支持構造の基端部に作用する曲げモーメントが最小となるように、前記ケーブルの重量のみが調整されていることを特徴としている。
【００１０】
このような構成により、ケーブル構造物の全体系において最も負担の大きい支持構造の安全性を確保することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明は、前記ケーブルに対して設けられた付加質量により、前記ケーブルの重量のみが調整されていることを特徴としている。
【００１２】
このような構成により、既設のケーブル構造物において容易に、支持構造の安全性を増大させることができる。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のケーブル構造物であって、前記主構造および前記支持構造は、一体となって橋梁構造物を構成し、前記主構造は、該橋梁構造物の主桁であることを特徴としている。
【００１４】
このような構成により、主桁を支持する支持構造（例えば、斜張橋では主塔、ニールセン式ローゼ桁橋においてはアーチ）の負担を軽減することが可能となる。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項２または３記載のケーブル構造物であって、
前記付加質量は、前記ケーブルに外嵌された筒状体により構成され、
該筒状体は、周方向に複数の分割体に分割可能とされていることを特徴としている。
【００１６】
このような構成により、容易に付加質量をケーブルに対して取り付けることができる。
【００１７】
請求項５記載の発明は、主構造と、該主構造をケーブルを介して支持する支持構造とを備えたケーブル構造物に対して適用されて、該ケーブル構造物の耐震性を向上させるための改修方法であって、前記ケーブルに付加質量のみを設けることにより、前記主構造、前記支持構造、および前記ケーブルからなる振動系の応答を調整する構成となっており、前記付加質量を設けるにあたっては、その質量を、地震力が作用した時に、前記支持構造の基端部に作用する曲げモーメントが最小となるように決定しておくことを特徴としている。
【００１８】
このような構成により、ケーブル構造物の全体系において最も負担の大きい支持構造の安全性を確保することができる。
【００１９】
請求項６記載の発明は、請求項５記載のケーブル構造物の耐震改修方法であって、前記主構造および前記支持構造は、一体となって橋梁構造物を構成し、前記主構造は、該橋梁構造物の主桁であることを特徴としている。
【００２０】
このような構成により、主桁を支持する支持構造（例えば、斜張橋では主塔、ニールセン式ローゼ桁橋においてはアーチ）の負担を軽減することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態を模式的に示す図であり、図中、符号３１は斜張橋を示す。この斜張橋３１は、主塔（支持構造）３２および主桁（主構造）３３と、主塔３２と主桁３３との間に張設されて、主塔３２から主桁３３を支持するためのケーブル３５，３５，…とを備えた構成の既存の斜張橋に対して、耐震性向上のためにケーブル３５，３５，…に対して、付加質量３６，３６，…を取り付けたものである。
【００２２】
ここで、付加質量３６は、例えば、図２に示すように、各ケーブル３５の全長に亘って、所定間隔をおいて、複数個取り付けられている。これにより、付加質量３６によるケーブル３５の重量の増加が、各ケーブル３５の全長に亘って均一なものとなるようにしている。
【００２３】
ここで、付加質量３６，３６，…による各ケーブル３５の重量の増加量は、主塔３２、主桁３３、およびケーブル３５，３５，…からなる振動系を考えた場合に、この振動系に対して地震力が作用した際に、主塔３２の基端部３２ａに作用する曲げモーメントが最小となるように定められている。つまり、ここでは、付加質量３６として、主塔３２、主桁３３、およびケーブル３５，３５，…からなる振動系に地震力が作用した際に、主塔基端部３２ａの曲げモーメントを最小とするように、その重量が定められたものが用いられている。
【００２４】
図３は、ケーブル３５のうち、付加質量３６が取り付けられた部分を拡大して示した図である。図中に示すように、付加質量３６は、ケーブル３５に対して外嵌された筒状体３７によって構成されている。この筒状体３７は、図３および４に示すように、半円筒状の一対の分割体３８，３８をボルト３９によって結合することにより形成されており、一方の分割体３８をケーブル３５に取付け、さらにこの分割体３８に対して他方の分割体３８をボルト３９によって結合することにより、容易にケーブル３５に取り付けることができるようになっている。
【００２５】
次に、既存の斜張橋を改修して斜張橋３１とするための手順（斜張橋の耐震改修方法）について説明する。
まず、各ケーブル３５に取り付けるべき付加質量３６の重量を決定する。これには、主塔３２の基端部３２ａに地震時に作用する曲げモーメントＭを、各ケーブル３５の付加質量比率、すなわち、ケーブル３５の質量に対する、当該ケーブル３５に取り付けられた付加質量３６，３６，…の全質量の比：ｘi（ｉ＝１，２，…，ｎ、ｎは一の主塔３２から架設されたケーブル３５の全本数）の関数として表し、さらに、Ｍを最小とするようなｘiの値を決定するようにする。
【００２６】
具体的には、各ケーブル３５の付加質量比率ｘi（ｉ＝１，２，…，ｎ）を要素とするベクトルＸの関数とした主塔基端部３２ａの曲げモーメントＭを、ある値において展開して、
【数１】
のように表し、準ニュートン法などを適用してＭの極小値を求めるようにする。
ここで、ｋは収束計算における繰り返し回数を表す。そして、収束計算を、
【数２】
となるまで繰り返し、その場合の付加質量比率ｘiからケーブル３５に対して設置すべき付加質量３６，３６，…の質量を決定する。なお、付加質量比率ｘiには、
【数３】
のように、上下限を設定し、ケーブル３５に設置する付加質量３６の質量が過大なものとなったり、あるいは、マイナスの値にならないようにする。
【００２７】
このようにして各ケーブル３５の付加質量比率ｘiを求め、さらに、ケーブル３５に付加すべき付加質量３６の質量を決定したら、次に、実際に各ケーブル３５に、図３に示したような付加質量３６を設置する。この場合、付加質量３６としては、すべて、同形状、同寸法のものを用い、付加質量３６同士の設置間隔を調整することにより、各ケーブル３５に所望の付加質量比率で付加質量３６が設置されるようにする。このようにして、図１に示したような斜張橋３１の構成を得ることができる。
【００２８】
上述の斜張橋３１においては、主塔３２に作用する振動応答を最小とするように、ケーブル３５，３５，…の重量が調整されているために、斜張橋３１の全体系において、最も耐力的に厳しいと考えられる主塔３２の安全性を確保することができる。すなわち、主桁３３が損傷したとしても落橋にはつながらないが、主塔３２の損傷は全体系の崩壊につながるおそれがあるのに対し、上述の斜張橋３１においては、主塔３２の負担を軽減することにより、斜張橋３１の崩壊などの大きな被害を防止し、これにより地震時における優れた安全性を発揮することが可能となる。
【００２９】
また、この場合、ケーブル３５に対して付加質量３６を設けることにより、ケーブル３５の重量が調整されるため、ケーブル３５の重量調整が容易なものとなり、施工性がよい。
【００３０】
そして、付加質量３６が、ケーブル３５に外嵌された筒状体３７により構成され、さらに、筒状体３７が、周方向に一対の分割体３８，３８に分割可能とされているために、容易に付加質量３６をケーブル３５に対して取り付けることが可能であり、施工性に優れている。
【００３１】
さらに、上述の斜張橋の耐震改修方法は、ケーブル３５に付加質量３６を設けることにより、主桁３３、主塔３２、およびケーブル３５からなる振動系の振動応答を調整する構成となっており、特に、付加質量３６を設けるにあたって、その質量を、主塔基端部３２ａの振動応答が最小となるように決定しておくこととしたため、斜張橋３１の全体系において最も負担の大きい主塔３２の耐震安全性を、簡易な施工のみにより確保することができる。したがって、従来の橋梁の耐震改修方法に比較して、大規模な作業等を必要とせずに、なおかつ、外観に影響を与えずに工事を行うことができ、コストおよび作業性の面において有利であるばかりでなく、適用範囲が広く汎用性が高い。
【００３２】
なお、以下に、本発明の効果を確認するために行った解析計算の具体例を示す。
この応答解析は、図５から図７に示すような、側径間および中央径間に１０段のケーブル４１，４１，…が架設された斜張橋４２を対象としたものである。なお、ここでは、図１に示した斜張橋３１と同様、すべてのケーブル４１，４１，…に付加質量を付加することとし、また、付加質量は、各ケーブル４１の全長に亘って単位長さあたり均一な重量設けられているとしている。
【００３３】
まず、上述の式（１）〜（３）を用いて、ケーブル４１に対して設置すべき付加質量の最適値を計算した際の結果を、表１に示す。
【表１】
【００３４】
なお、表１において、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２０として表すものは、ケーブル４１，４１，…を特定するために各ケーブル４１に付された番号であり、ここでは、斜張橋４２の主塔４３から架設されたケーブル４１，４１，…に対して、図中、左側に位置するものから順に番号ｉを付すこととしている（図５参照）。なお、この番号は、付加質量比ｘiのｉに対応したものとなっている。また、この計算において、付加質量比ｘiの上下限値は、すべてのケーブル４１，４１，…において、０≦ｘi≦1.0としている。
【００３５】
また、表１に示す「付加質量比の初期値」は、最適化計算を開始するにあたって、付加質量比ｘiに設定した初期値である。つまり、上式（１）〜（３）を満たす解は、一般に局所的な最適解であるため、全域的な最適解を得るためには、初期値をいくつか変化させてみる必要がある。そこで、ここでは、付加質量比ｘiの初期値を、ケーブル４１，４１，…の全てについて一律に、0.2，0.4，0.5，0.6，0.8として最適化計算を行うようにした。
【００３６】
表１に示されているように、計算によって求められた主塔４３の基端部４３ａの曲げモーメントＭは、50254〜63837kN・mの範囲にばらついている。一方、表１中には示していないが、付加質量をケーブル４１，４１，…に設けない場合の主塔４３の基端部４３ａの曲げモーメントＭは計算により、146951kN・mとして求められている。したがって、いずれのケースにおいても、主塔基端部４３ａの曲げモーメントＭが著しく減少していることがわかる。
【００３７】
次に、表１に示した各計算ケースのうち、主塔基端部４３ａの曲げモーメントＭが最小となる場合（付加質量比が0.5の場合）の各部の応答を、付加質量を設けない場合と比較したものを表２に示す。
【表２】
【００３８】
これによれば、ケーブル４１に付加質量を設けない場合（「標準」として示した場合）に比較して、ケーブル４１の応答は、No.1,2、およびNo.19,20（すなわち、上２段のケーブル）の振幅が大きく低下しているが、その他の変動は比較的小さい。一方、主桁４４（図５〜７参照）の曲げモーメントは、約２０％増加している。
【００３９】
これらの結果より、本発明は、主塔−ケーブル−主桁で構成される振動系においてケーブルの振動特性を変化させることにより、塔と桁との運動エネルギーのバランスを変化させているものであると考えられる。ここで、一般に、塔は桁に比べスレンダーな構造であるために耐力的に桁よりも厳しい状況にあり、また、損傷を受けた場合でも塔の方が致命的な結果をもたらすものと考えられる。したがって、桁に運動エネルギーがより多く分担されるようにケーブルの振動特性を変化させることによって、橋梁の安全性を向上させることが可能となる。また、塔と桁との質量差を考えると、この場合の桁の応答の増加は、比較的小さなものに抑制できると考えられる。
【００４０】
以上のように、本発明は、塔と桁との運動エネルギーの分担を望ましい状態に調整することによって全体系の耐震安全性を向上させるものであるといえる。
【００４１】
なお、上記実施の形態において、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、他の構成を採用するようにしてもよい。
例えば、上記実施の形態においては、ケーブル３５に設置すべき付加質量３６のケーブル３５に対する重量の比率（付加質量比率）に上限ｘuiを設定して、収束計算を行うこととなっているが、これに限定されず、上限を設定せずに計算を行ってもよい。この場合、より良好に、主塔基端部３２ａの曲げモーメントを低減することができる。
【００４２】
また、ケーブル３５に付加すべき付加質量３６の質量の計算は、以下のように行ってもよい。
すなわち、主塔基端部３２ａの曲げモーメントＭが比較的容易に許容範囲以下に減少できる場合、あるいは、ケーブル３５へ取り付けるべき付加質量に制限がある場合などに関しては、付加質量Ｗを目的関数、主塔基端部３２ａの曲げモーメントを制約条件（上限値Ｍａ）として、
【数４】
から、最適なｘｉを求めるようにしてもよい。
【００４３】
また、上記実施の形態において、付加質量３６である筒状体３７は、一対の分割体３８により構成されているが、これに限らず、分割体３８を、筒状体３７をその周方向に３以上の複数に分割した構成としてもよい。
【００４４】
また、上記実施の形態においては、すべてのケーブル３５に対して、付加質量３６を設置するようにしていたが、これに限定されず、一部のケーブル３５のみに付加質量３６を設置するようにしてもよい。これにより、付加質量３６の設置作業の容易化を図ることができる。
【００４５】
また、上記実施の形態においては、ケーブル３５に付加質量３６を設置することによって斜張橋３１の全体系の振動特性を変化させて、主塔基端部３２ａの曲げモーメントを最小にするようになっているが、これに代えて、斜張橋３１の新設時に、あらかじめ、主塔基端部３２ａの曲げモーメントを最小にするように、ケーブル３５自体の重量を調整しておくようにしてもよい。
【００４６】
さらに、上述の耐震改修方法の適用対象は、斜張橋に限定されるものでなく、ニールセン式ローゼ桁橋など、ケーブルを用いて形成される他の形式の橋梁について、ケーブルに付加質量を設置することによって、その全体系の振動特性を変化させて耐震安全性を向上させるようにしてもよい。
【００４７】
さらに、吊り屋根構造物や鉄塔など、ケーブルを用いたその他の構造物において、上記実施の形態と同様にケーブルに付加質量を設置することによって、耐震安全性を向上させるようにしてもよい。
【００４８】
また、風荷重による振動応答低減のために、上述の耐震改修方法を適用するようにしてもよい。
【００４９】
また、この他にも、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で他の構成を採用するようにしてもよく、上述したような変形例を適宜選択的に採用するようにしても良いのは言うまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明においては、主構造と、該主構造をケーブルを介して支持する支持構造とを備えたケーブル構造物において、前記主構造、前記支持構造、および前記ケーブルからなる振動系に地震力が作用した時に、前記支持構造の基端部に作用する曲げモーメントが最小となるように、ケーブルの重量のみが調整されているために、ケーブル構造物の全体系において最も負担の大きい支持構造の安全性を確保することができる。これにより、全体系の崩壊などの大きな被害を防止し、地震時における優れた安全性を発揮することが可能となる。
【００５１】
請求項２に係る発明においては、ケーブルに対して付加質量を設けることにより、ケーブルの重量が調整されるため、ケーブルの重量調整を容易に行うことができ、施工性がよいとともに、コストが嵩むものとならない。
【００５２】
請求項３に係る発明においては、主構造が橋梁構造物の主桁とされているため主桁を支持する支持構造（例えば、斜張橋では主塔、ニールセン式ローゼ桁橋においてはアーチ）の負担を軽減することが可能となる。これにより安全な橋梁構造物を実現することができる。
【００５３】
請求項４に係る発明においては、付加質量が、ケーブルに外嵌された筒状体により構成され、さらに、筒状体が、周方向に一対の分割体に分割可能とされているために、容易に付加質量をケーブルに対して後から取り付けることが可能であり、施工性に優れている。
【００５４】
請求項５に係る発明によれば、支持構造に地震力が作用した時に、前記支持構造の基端部に作用する曲げモーメントが最小となるように、付加質量の質量を決定したために、ケーブル構造物の全体系において最も耐力的に厳しいと考えられる支持構造の負担を軽減することができ、これにより、支持構造の損傷に伴う全体系の崩壊などの大きな被害を防止し、耐震安全性の増大化を図ることができる。
【００５５】
請求項６に係る発明によれば、主桁を支持する支持構造（例えば、斜張橋では主塔、ニールセン式ローゼ桁橋においてはアーチ）の負担を軽減して、橋梁構造物の耐震安全性を著しく増大することができる。また、従来の橋梁の耐震改修方法に比較して、大規模な作業等を必要とせずに、なおかつ、外観に影響を与えずに工事を行うことができるため、コストおよび作業性の面において有利であるばかりでなく、適用範囲が広く汎用性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態を模式的に示す斜張橋の斜視図である。
【図２】 図１に示した斜張橋において付加質量が設置されたケーブルを拡大して示した正面図である。
【図３】 図２に示したケーブルのうち、付加質量が設置された部分を拡大して示した斜視断面図である。
【図４】 図３に示した付加質量を拡大して示す図であって、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図５】 本発明の効果を確認するための数値計算においてモデルとして使用された斜張橋の側面図である。
【図６】 同、平面図である。
【図７】 図５におけるＩ−Ｉ線矢視断面図である。
【図８】 本発明の従来の技術を示す図であって、（ａ）は、既存の斜張橋を模式的に示す斜視図、（ｂ）は、（ａ）に示した斜張橋を耐震改修した場合の部分拡大斜視図である。
【図９】 本発明の従来の技術の他の例を示す図であって、（ａ）は、既存のニールセン式ローゼ桁橋を示す斜視図、（ｂ）は、（ａ）に示した橋梁において橋脚から桁を支持するための支承構造を模式的に示す正面図、（ｃ）は、耐震改修により（ｂ）に示した支承構造を積層ゴムに交換した場合の状況を示す正面図である。
【図１０】 図８（ａ）に示した既存の斜張橋において、耐震改修の際に補強すべき部材を示した斜視図である。
【図１１】 図９（ａ）に示した既存のニールセン式ローゼ桁橋において、耐震改修の際に補強すべき部材を示した斜視図である。
【図１２】 図１０、１１に示した部材を補強した場合の例を示す断面図である。
【図１３】 同、他の例を示す平断面図である。
【図１４】 同、さらに他の例を示す平断面図である。
【図１５】 図１０、１１に示した部材の内部を補強できないときに、その外側から補強した場合の例を示す平断面図である。
【図１６】 同、さらに他の例を示す平断面図である。
【符号の説明】
３１，４２ 斜張橋
３２，４３ 主塔（支持構造）
３３，４４ 主桁（主構造）
３５，４１ ケーブル
３６ 付加質量
３７ 筒状体
３８ 分割体
【発明の属する技術分野】
本発明は、主構造と、主構造をケーブルを介して支持する支持構造とを備えたケーブル構造物およびその耐震改修方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のケーブル構造物としては、図８（ａ）に示すような、主塔１からケーブル２，２，…によって主桁３が支持された斜張橋４や、図９（ａ）に示すような、アーチ弦材５からケーブル６，６，…によって桁７が支持されたニールセン式ローゼ桁橋８が知られている。
【０００３】
ところで、このような橋梁において耐震性の向上を図るには、図８に示す斜張橋４においては、（ｂ）に示すように、主桁３と橋脚９との間に積層ゴムおよびダンパーからなる免震装置１０を新たに介装したり、また、図９に示すニールセン式ローゼ桁橋８においては、（ｂ）に示す桁７およびアーチ弦材５を橋脚１１から支持するための支承構造１２を、（Ｃ）に示すように積層ゴム１３に交換するようにしている。
【０００４】
また、その他にも、地震時に損傷すると考えられる部材（例えば、図１０に示す斜張橋４においては主塔１の下部１ａ、図１１に示すニールセン式ローゼ桁橋８においては、アーチ弦材５の基端部５ａやアーチ弦材５同士を連結する梁材１４などの各部材）を直接補強することにより、耐震改修を行うことも一般的である。
【０００５】
図１２から図１６は、このような際に補強対象の部材が内部が中空のボックス型部材１６である場合の耐震改修例である。この場合、図１２に示すように、ボックス型部材１６の内部にコンクリートＣを充填して、耐力を増強したり、図１３のように、ボックス型部材１６の内部に既存のリブプレート１７，１７，…に加えて、新たにリブプレート１８，１８，…を増設するようにしている。また、図１４は、既存のリブプレート１７を断面略Ｔ字型の補強材１９により補強し、リブプレート１７の剛性を向上させるようにした場合の例であり、図１５は、ボックス型部材１６の内部の補強が不可能な場合に、ボックス型部材１６の外面に鋼板２０を配置してボックス型部材１６を増厚補強したもの、図１６は、同様の場合に、ボックス型部材１６の外面にリブプレート２１を溶接したものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような耐震補強方法は、それぞれ、以下のような問題点を有している。
図８（ｂ）や図９（ｃ）のように、主桁３または桁７を免震化する場合には、主桁３や桁７をジャッキアップし、これにより、主桁３、桁７と橋脚９，１１との間に生じた空間に免震装置１０、積層ゴム１３を介装することが必要であるが、主桁３や桁７およびアーチ弦材５の重量が大きい場合には、ジャッキアップのための装置が大がかりなものとなり、作業性やコストの面で問題がある。また、上述のように、主桁３または桁７を免震化したとしても、これら主桁３や桁７およびアーチ弦材５が一体化されたものは、大重量となり、したがって、地震時の慣性力も大きく、主桁３や桁７の地震時の変位が過大となって、斜張橋４やニールセン式ローゼ桁橋８に接続する隣接橋との間に衝突が生じることが懸念される。
【０００７】
一方、図１２から図１６に示したような部材の補強を行う場合、特に補強数量が多いと、補強工事による交通遮断の時間も長くなり、また、足場架設なども広範囲にわたるために費用が増大する。また、図１５，１６のように、補強対象の部材を外面から補強する場合には、外観的にも問題が生じる。さらに、これら図１２から図１６に示す補強は、橋脚自体の重量を増大させるものであるから、基礎の補強が必要となる場合がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来の耐震補強がなされた橋梁に比較して、低コストで実現可能であり、なおかつ、安全性の面においてもより優れた橋梁を提供することを課題とする。また、このような橋梁を実現するための耐震補強方法を提供することを別の課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明においては以下の手段を採用した。
請求項１記載の発明は、主構造と、該主構造をケーブルを介して支持する支持構造とを備えたケーブル構造物であって、前記主構造、前記支持構造、および前記ケーブルからなる振動系において、地震力が作用した時に、前記支持構造の基端部に作用する曲げモーメントが最小となるように、前記ケーブルの重量のみが調整されていることを特徴としている。
【００１０】
このような構成により、ケーブル構造物の全体系において最も負担の大きい支持構造の安全性を確保することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明は、前記ケーブルに対して設けられた付加質量により、前記ケーブルの重量のみが調整されていることを特徴としている。
【００１２】
このような構成により、既設のケーブル構造物において容易に、支持構造の安全性を増大させることができる。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のケーブル構造物であって、前記主構造および前記支持構造は、一体となって橋梁構造物を構成し、前記主構造は、該橋梁構造物の主桁であることを特徴としている。
【００１４】
このような構成により、主桁を支持する支持構造（例えば、斜張橋では主塔、ニールセン式ローゼ桁橋においてはアーチ）の負担を軽減することが可能となる。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項２または３記載のケーブル構造物であって、
前記付加質量は、前記ケーブルに外嵌された筒状体により構成され、
該筒状体は、周方向に複数の分割体に分割可能とされていることを特徴としている。
【００１６】
このような構成により、容易に付加質量をケーブルに対して取り付けることができる。
【００１７】
請求項５記載の発明は、主構造と、該主構造をケーブルを介して支持する支持構造とを備えたケーブル構造物に対して適用されて、該ケーブル構造物の耐震性を向上させるための改修方法であって、前記ケーブルに付加質量のみを設けることにより、前記主構造、前記支持構造、および前記ケーブルからなる振動系の応答を調整する構成となっており、前記付加質量を設けるにあたっては、その質量を、地震力が作用した時に、前記支持構造の基端部に作用する曲げモーメントが最小となるように決定しておくことを特徴としている。
【００１８】
このような構成により、ケーブル構造物の全体系において最も負担の大きい支持構造の安全性を確保することができる。
【００１９】
請求項６記載の発明は、請求項５記載のケーブル構造物の耐震改修方法であって、前記主構造および前記支持構造は、一体となって橋梁構造物を構成し、前記主構造は、該橋梁構造物の主桁であることを特徴としている。
【００２０】
このような構成により、主桁を支持する支持構造（例えば、斜張橋では主塔、ニールセン式ローゼ桁橋においてはアーチ）の負担を軽減することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態を模式的に示す図であり、図中、符号３１は斜張橋を示す。この斜張橋３１は、主塔（支持構造）３２および主桁（主構造）３３と、主塔３２と主桁３３との間に張設されて、主塔３２から主桁３３を支持するためのケーブル３５，３５，…とを備えた構成の既存の斜張橋に対して、耐震性向上のためにケーブル３５，３５，…に対して、付加質量３６，３６，…を取り付けたものである。
【００２２】
ここで、付加質量３６は、例えば、図２に示すように、各ケーブル３５の全長に亘って、所定間隔をおいて、複数個取り付けられている。これにより、付加質量３６によるケーブル３５の重量の増加が、各ケーブル３５の全長に亘って均一なものとなるようにしている。
【００２３】
ここで、付加質量３６，３６，…による各ケーブル３５の重量の増加量は、主塔３２、主桁３３、およびケーブル３５，３５，…からなる振動系を考えた場合に、この振動系に対して地震力が作用した際に、主塔３２の基端部３２ａに作用する曲げモーメントが最小となるように定められている。つまり、ここでは、付加質量３６として、主塔３２、主桁３３、およびケーブル３５，３５，…からなる振動系に地震力が作用した際に、主塔基端部３２ａの曲げモーメントを最小とするように、その重量が定められたものが用いられている。
【００２４】
図３は、ケーブル３５のうち、付加質量３６が取り付けられた部分を拡大して示した図である。図中に示すように、付加質量３６は、ケーブル３５に対して外嵌された筒状体３７によって構成されている。この筒状体３７は、図３および４に示すように、半円筒状の一対の分割体３８，３８をボルト３９によって結合することにより形成されており、一方の分割体３８をケーブル３５に取付け、さらにこの分割体３８に対して他方の分割体３８をボルト３９によって結合することにより、容易にケーブル３５に取り付けることができるようになっている。
【００２５】
次に、既存の斜張橋を改修して斜張橋３１とするための手順（斜張橋の耐震改修方法）について説明する。
まず、各ケーブル３５に取り付けるべき付加質量３６の重量を決定する。これには、主塔３２の基端部３２ａに地震時に作用する曲げモーメントＭを、各ケーブル３５の付加質量比率、すなわち、ケーブル３５の質量に対する、当該ケーブル３５に取り付けられた付加質量３６，３６，…の全質量の比：ｘi（ｉ＝１，２，…，ｎ、ｎは一の主塔３２から架設されたケーブル３５の全本数）の関数として表し、さらに、Ｍを最小とするようなｘiの値を決定するようにする。
【００２６】
具体的には、各ケーブル３５の付加質量比率ｘi（ｉ＝１，２，…，ｎ）を要素とするベクトルＸの関数とした主塔基端部３２ａの曲げモーメントＭを、ある値において展開して、
【数１】
ここで、ｋは収束計算における繰り返し回数を表す。そして、収束計算を、
【数２】
【数３】
【００２７】
このようにして各ケーブル３５の付加質量比率ｘiを求め、さらに、ケーブル３５に付加すべき付加質量３６の質量を決定したら、次に、実際に各ケーブル３５に、図３に示したような付加質量３６を設置する。この場合、付加質量３６としては、すべて、同形状、同寸法のものを用い、付加質量３６同士の設置間隔を調整することにより、各ケーブル３５に所望の付加質量比率で付加質量３６が設置されるようにする。このようにして、図１に示したような斜張橋３１の構成を得ることができる。
【００２８】
上述の斜張橋３１においては、主塔３２に作用する振動応答を最小とするように、ケーブル３５，３５，…の重量が調整されているために、斜張橋３１の全体系において、最も耐力的に厳しいと考えられる主塔３２の安全性を確保することができる。すなわち、主桁３３が損傷したとしても落橋にはつながらないが、主塔３２の損傷は全体系の崩壊につながるおそれがあるのに対し、上述の斜張橋３１においては、主塔３２の負担を軽減することにより、斜張橋３１の崩壊などの大きな被害を防止し、これにより地震時における優れた安全性を発揮することが可能となる。
【００２９】
また、この場合、ケーブル３５に対して付加質量３６を設けることにより、ケーブル３５の重量が調整されるため、ケーブル３５の重量調整が容易なものとなり、施工性がよい。
【００３０】
そして、付加質量３６が、ケーブル３５に外嵌された筒状体３７により構成され、さらに、筒状体３７が、周方向に一対の分割体３８，３８に分割可能とされているために、容易に付加質量３６をケーブル３５に対して取り付けることが可能であり、施工性に優れている。
【００３１】
さらに、上述の斜張橋の耐震改修方法は、ケーブル３５に付加質量３６を設けることにより、主桁３３、主塔３２、およびケーブル３５からなる振動系の振動応答を調整する構成となっており、特に、付加質量３６を設けるにあたって、その質量を、主塔基端部３２ａの振動応答が最小となるように決定しておくこととしたため、斜張橋３１の全体系において最も負担の大きい主塔３２の耐震安全性を、簡易な施工のみにより確保することができる。したがって、従来の橋梁の耐震改修方法に比較して、大規模な作業等を必要とせずに、なおかつ、外観に影響を与えずに工事を行うことができ、コストおよび作業性の面において有利であるばかりでなく、適用範囲が広く汎用性が高い。
【００３２】
なお、以下に、本発明の効果を確認するために行った解析計算の具体例を示す。
この応答解析は、図５から図７に示すような、側径間および中央径間に１０段のケーブル４１，４１，…が架設された斜張橋４２を対象としたものである。なお、ここでは、図１に示した斜張橋３１と同様、すべてのケーブル４１，４１，…に付加質量を付加することとし、また、付加質量は、各ケーブル４１の全長に亘って単位長さあたり均一な重量設けられているとしている。
【００３３】
まず、上述の式（１）〜（３）を用いて、ケーブル４１に対して設置すべき付加質量の最適値を計算した際の結果を、表１に示す。
【表１】
なお、表１において、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２０として表すものは、ケーブル４１，４１，…を特定するために各ケーブル４１に付された番号であり、ここでは、斜張橋４２の主塔４３から架設されたケーブル４１，４１，…に対して、図中、左側に位置するものから順に番号ｉを付すこととしている（図５参照）。なお、この番号は、付加質量比ｘiのｉに対応したものとなっている。また、この計算において、付加質量比ｘiの上下限値は、すべてのケーブル４１，４１，…において、０≦ｘi≦1.0としている。
【００３５】
また、表１に示す「付加質量比の初期値」は、最適化計算を開始するにあたって、付加質量比ｘiに設定した初期値である。つまり、上式（１）〜（３）を満たす解は、一般に局所的な最適解であるため、全域的な最適解を得るためには、初期値をいくつか変化させてみる必要がある。そこで、ここでは、付加質量比ｘiの初期値を、ケーブル４１，４１，…の全てについて一律に、0.2，0.4，0.5，0.6，0.8として最適化計算を行うようにした。
【００３６】
表１に示されているように、計算によって求められた主塔４３の基端部４３ａの曲げモーメントＭは、50254〜63837kN・mの範囲にばらついている。一方、表１中には示していないが、付加質量をケーブル４１，４１，…に設けない場合の主塔４３の基端部４３ａの曲げモーメントＭは計算により、146951kN・mとして求められている。したがって、いずれのケースにおいても、主塔基端部４３ａの曲げモーメントＭが著しく減少していることがわかる。
【００３７】
次に、表１に示した各計算ケースのうち、主塔基端部４３ａの曲げモーメントＭが最小となる場合（付加質量比が0.5の場合）の各部の応答を、付加質量を設けない場合と比較したものを表２に示す。
【表２】
これによれば、ケーブル４１に付加質量を設けない場合（「標準」として示した場合）に比較して、ケーブル４１の応答は、No.1,2、およびNo.19,20（すなわち、上２段のケーブル）の振幅が大きく低下しているが、その他の変動は比較的小さい。一方、主桁４４（図５〜７参照）の曲げモーメントは、約２０％増加している。
【００３９】
これらの結果より、本発明は、主塔−ケーブル−主桁で構成される振動系においてケーブルの振動特性を変化させることにより、塔と桁との運動エネルギーのバランスを変化させているものであると考えられる。ここで、一般に、塔は桁に比べスレンダーな構造であるために耐力的に桁よりも厳しい状況にあり、また、損傷を受けた場合でも塔の方が致命的な結果をもたらすものと考えられる。したがって、桁に運動エネルギーがより多く分担されるようにケーブルの振動特性を変化させることによって、橋梁の安全性を向上させることが可能となる。また、塔と桁との質量差を考えると、この場合の桁の応答の増加は、比較的小さなものに抑制できると考えられる。
【００４０】
以上のように、本発明は、塔と桁との運動エネルギーの分担を望ましい状態に調整することによって全体系の耐震安全性を向上させるものであるといえる。
【００４１】
なお、上記実施の形態において、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、他の構成を採用するようにしてもよい。
例えば、上記実施の形態においては、ケーブル３５に設置すべき付加質量３６のケーブル３５に対する重量の比率（付加質量比率）に上限ｘuiを設定して、収束計算を行うこととなっているが、これに限定されず、上限を設定せずに計算を行ってもよい。この場合、より良好に、主塔基端部３２ａの曲げモーメントを低減することができる。
【００４２】
また、ケーブル３５に付加すべき付加質量３６の質量の計算は、以下のように行ってもよい。
すなわち、主塔基端部３２ａの曲げモーメントＭが比較的容易に許容範囲以下に減少できる場合、あるいは、ケーブル３５へ取り付けるべき付加質量に制限がある場合などに関しては、付加質量Ｗを目的関数、主塔基端部３２ａの曲げモーメントを制約条件（上限値Ｍａ）として、
【数４】
【００４３】
また、上記実施の形態において、付加質量３６である筒状体３７は、一対の分割体３８により構成されているが、これに限らず、分割体３８を、筒状体３７をその周方向に３以上の複数に分割した構成としてもよい。
【００４４】
また、上記実施の形態においては、すべてのケーブル３５に対して、付加質量３６を設置するようにしていたが、これに限定されず、一部のケーブル３５のみに付加質量３６を設置するようにしてもよい。これにより、付加質量３６の設置作業の容易化を図ることができる。
【００４５】
また、上記実施の形態においては、ケーブル３５に付加質量３６を設置することによって斜張橋３１の全体系の振動特性を変化させて、主塔基端部３２ａの曲げモーメントを最小にするようになっているが、これに代えて、斜張橋３１の新設時に、あらかじめ、主塔基端部３２ａの曲げモーメントを最小にするように、ケーブル３５自体の重量を調整しておくようにしてもよい。
【００４６】
さらに、上述の耐震改修方法の適用対象は、斜張橋に限定されるものでなく、ニールセン式ローゼ桁橋など、ケーブルを用いて形成される他の形式の橋梁について、ケーブルに付加質量を設置することによって、その全体系の振動特性を変化させて耐震安全性を向上させるようにしてもよい。
【００４７】
さらに、吊り屋根構造物や鉄塔など、ケーブルを用いたその他の構造物において、上記実施の形態と同様にケーブルに付加質量を設置することによって、耐震安全性を向上させるようにしてもよい。
【００４８】
また、風荷重による振動応答低減のために、上述の耐震改修方法を適用するようにしてもよい。
【００４９】
また、この他にも、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で他の構成を採用するようにしてもよく、上述したような変形例を適宜選択的に採用するようにしても良いのは言うまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明においては、主構造と、該主構造をケーブルを介して支持する支持構造とを備えたケーブル構造物において、前記主構造、前記支持構造、および前記ケーブルからなる振動系に地震力が作用した時に、前記支持構造の基端部に作用する曲げモーメントが最小となるように、ケーブルの重量のみが調整されているために、ケーブル構造物の全体系において最も負担の大きい支持構造の安全性を確保することができる。これにより、全体系の崩壊などの大きな被害を防止し、地震時における優れた安全性を発揮することが可能となる。
【００５１】
請求項２に係る発明においては、ケーブルに対して付加質量を設けることにより、ケーブルの重量が調整されるため、ケーブルの重量調整を容易に行うことができ、施工性がよいとともに、コストが嵩むものとならない。
【００５２】
請求項３に係る発明においては、主構造が橋梁構造物の主桁とされているため主桁を支持する支持構造（例えば、斜張橋では主塔、ニールセン式ローゼ桁橋においてはアーチ）の負担を軽減することが可能となる。これにより安全な橋梁構造物を実現することができる。
【００５３】
請求項４に係る発明においては、付加質量が、ケーブルに外嵌された筒状体により構成され、さらに、筒状体が、周方向に一対の分割体に分割可能とされているために、容易に付加質量をケーブルに対して後から取り付けることが可能であり、施工性に優れている。
【００５４】
請求項５に係る発明によれば、支持構造に地震力が作用した時に、前記支持構造の基端部に作用する曲げモーメントが最小となるように、付加質量の質量を決定したために、ケーブル構造物の全体系において最も耐力的に厳しいと考えられる支持構造の負担を軽減することができ、これにより、支持構造の損傷に伴う全体系の崩壊などの大きな被害を防止し、耐震安全性の増大化を図ることができる。
【００５５】
請求項６に係る発明によれば、主桁を支持する支持構造（例えば、斜張橋では主塔、ニールセン式ローゼ桁橋においてはアーチ）の負担を軽減して、橋梁構造物の耐震安全性を著しく増大することができる。また、従来の橋梁の耐震改修方法に比較して、大規模な作業等を必要とせずに、なおかつ、外観に影響を与えずに工事を行うことができるため、コストおよび作業性の面において有利であるばかりでなく、適用範囲が広く汎用性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態を模式的に示す斜張橋の斜視図である。
【図２】 図１に示した斜張橋において付加質量が設置されたケーブルを拡大して示した正面図である。
【図３】 図２に示したケーブルのうち、付加質量が設置された部分を拡大して示した斜視断面図である。
【図４】 図３に示した付加質量を拡大して示す図であって、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図５】 本発明の効果を確認するための数値計算においてモデルとして使用された斜張橋の側面図である。
【図６】 同、平面図である。
【図７】 図５におけるＩ−Ｉ線矢視断面図である。
【図８】 本発明の従来の技術を示す図であって、（ａ）は、既存の斜張橋を模式的に示す斜視図、（ｂ）は、（ａ）に示した斜張橋を耐震改修した場合の部分拡大斜視図である。
【図９】 本発明の従来の技術の他の例を示す図であって、（ａ）は、既存のニールセン式ローゼ桁橋を示す斜視図、（ｂ）は、（ａ）に示した橋梁において橋脚から桁を支持するための支承構造を模式的に示す正面図、（ｃ）は、耐震改修により（ｂ）に示した支承構造を積層ゴムに交換した場合の状況を示す正面図である。
【図１０】 図８（ａ）に示した既存の斜張橋において、耐震改修の際に補強すべき部材を示した斜視図である。
【図１１】 図９（ａ）に示した既存のニールセン式ローゼ桁橋において、耐震改修の際に補強すべき部材を示した斜視図である。
【図１２】 図１０、１１に示した部材を補強した場合の例を示す断面図である。
【図１３】 同、他の例を示す平断面図である。
【図１４】 同、さらに他の例を示す平断面図である。
【図１５】 図１０、１１に示した部材の内部を補強できないときに、その外側から補強した場合の例を示す平断面図である。
【図１６】 同、さらに他の例を示す平断面図である。
【符号の説明】
３１，４２ 斜張橋
３２，４３ 主塔（支持構造）
３３，４４ 主桁（主構造）
３５，４１ ケーブル
３６ 付加質量
３７ 筒状体
３８ 分割体
Claims (6)
- 主構造と、該主構造をケーブルを介して支持する支持構造とを備えたケーブル構造物であって、
前記主構造、前記支持構造、および前記ケーブルからなる振動系において、地震力が作用した時に、前記支持構造の基端部に作用する曲げモーメントが最小となるように、前記ケーブルの重量のみが調整されていることを特徴とするケーブル構造物。 - 請求項１記載のケーブル構造物であって、
前記ケーブルに対して設けられた付加質量により、前記ケーブルの重量のみが調整されていることを特徴とするケーブル構造物。 - 請求項１または２記載のケーブル構造物であって、
前記主構造および前記支持構造は、一体となって橋梁構造物を構成し、
前記支持構造は、該橋梁構造物の主桁であることを特徴とするケーブル構造物。 - 請求項２または３記載のケーブル構造物であって、
前記付加質量は、前記ケーブルに外嵌された筒状体により構成され、該筒状体は、周方向に複数の分割体に分割可能とされていることを特徴とするケーブル構造物。 - 主構造と、該主構造をケーブルを介して支持する支持構造とを備えたケーブル構造物に対して適用されて、該ケーブル構造物の耐震性を向上させるための改修方法であって、
前記ケーブルに付加質量のみを設けることにより、前記主構造、前記支持構造、および前記ケーブルからなる振動系の応答を調整する構成となっており、
前記付加質量を設けるにあたっては、その質量を、地震力が作用した時に、前記支持構造の基端部に作用する曲げモーメントが最小となるように決定しておくことを特徴とするケーブル構造物の耐震改修方法。 - 請求項５記載のケーブル構造物の耐震改修方法であって、
前記主構造および前記支持構造は、一体となって橋梁構造物を構成し、
前記主構造は、該橋梁構造物の主桁であることを特徴とするケーブル構造物の耐震改修方法。
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