JP4891891B2 - 荷重検知機能を備えた積層ゴム、その製造方法及びゴム支承 - Google Patents
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Description
この発明は、荷重検知機能を備えた積層ゴム、その製造方法及びゴム支承に関し、より詳細には橋梁や建築物などの構造物の支承として適用される積層ゴムの構造及びその製造方法に関する。
橋梁において上部構造（橋桁）と下部構造（橋脚、橋台）との間に設置される支承として、ゴム支承が知られている。このゴム支承は上部構造に固定される上沓、下部構造に固定される下沓及びこれら上下沓間に配置されるゴム沓で構成されている。ゴム沓は鋼板とゴム層とを交互に積層してなる積層ゴムからなり、上下部構造の水平力を伝達するためにせん断キーが設けられている。
このようなゴム支承は、複数箇所の上下部構造間に、また各上下部構造間に複数個設置されるが、各々の支承に実際に加わっている鉛直荷重を計測し、設計荷重と照合することは施工上またその後の維持管理上、極めて重要である。
非特許文献１には、ゴム支承の回転特性を知るために圧縮応力分布を測定する技術が開示されている。この技術は積層ゴムの下部鋼板に多数の測定孔を設け、オイルを媒体として圧力センサーで圧縮応力を測定するものである。そして、その測定原理は、積層ゴムに鉛直荷重が加わった際、下部鋼板に隣接するゴム層の一部が変形して測定孔に入り込みオイルを加圧するので、その圧力を測定しようとするものである。しかしなながら、この測定方法は、測定孔の径を大きくしないと孔のまわりの鋼板の影響でゴムの内部圧がオイルに伝わりにくく、測定精度が良くないという問題がある。また、測定孔の長さを鋼板の厚みのみで確保しているので、これに測定用のセンサーの取付け長さを加えると鋼板が厚くならざるをえず、コスト的にも高くなる。
「道路橋支承便覧」、平成１６年４月、社団法人 日本道路協会、ｐ．３９２−４０１
「道路橋支承便覧」、平成１６年４月、社団法人 日本道路協会、ｐ．３９２−４０１
この発明は上記のような技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目的を達成するものである。
この発明の目的は、測定精度に優れた荷重検知機能を備えた積層ゴム、その製造方法及びゴム支承を提供することにある。
この発明の目的は、測定精度に優れた荷重検知機能を備えた積層ゴム、その製造方法及びゴム支承を提供することにある。
この発明は上記課題を達成するために、次のような手段を採用している。
すなわち、この発明は、厚肉の上下部鋼板及び薄肉の複数の中間部鋼板からなる鋼板とゴム層とを交互に積層してなる積層ゴムであって、
前記上下部鋼板のいずれか一方からその厚み方向に貫通して、隣接するゴム層内部に達する複数の測定孔を互いに間隔を置いて設け、各測定孔に粘性流体を充填するとともに、各測定孔の鋼板側部分に圧力センサーを取り付けて該測定孔を閉鎖したことを特徴とする荷重検知機能を備えた積層ゴムにある。
すなわち、この発明は、厚肉の上下部鋼板及び薄肉の複数の中間部鋼板からなる鋼板とゴム層とを交互に積層してなる積層ゴムであって、
前記上下部鋼板のいずれか一方からその厚み方向に貫通して、隣接するゴム層内部に達する複数の測定孔を互いに間隔を置いて設け、各測定孔に粘性流体を充填するとともに、各測定孔の鋼板側部分に圧力センサーを取り付けて該測定孔を閉鎖したことを特徴とする荷重検知機能を備えた積層ゴムにある。
より具体的には、前記各測定孔の鋼板側部分はねじ孔であり、このねじ孔に前記圧力センサーとしてボルト型圧力計を取り付けたことを特徴とする。また、前記各測定孔のゴム層側部分は内周がシ前記粘性流体との接触によって性状変化を受けにくいゴム材料でライニングされている。
また、この発明は、厚肉の上下部鋼板及び薄肉の複数の中間部鋼板からなる鋼板とゴム層とを交互に積層し、加硫接着によって成型する積層ゴムの製造方法であって、
前記上下部鋼板のいずれか一方にその厚み方向に貫通する複数のねじ孔を互いに間隔を置いて設け、加硫接着時に各ねじ孔に先端部が隣接する前記ゴム層に貫入する差し込みボルトを取付けておき、
成型後、前記差し込みボルトを抜き取ることにより前記ゴム層に形成される孔及び該孔と連通する前記ねじ孔によって複数の測定孔を形成し、
前記各測定孔に粘性流体を充填するとともに、前記ねじ孔にボルト型圧力センサーを取り付けて該測定孔を閉鎖することを特徴とする荷重検知機能を備えた積層ゴムの製造方法にある。
前記上下部鋼板のいずれか一方にその厚み方向に貫通する複数のねじ孔を互いに間隔を置いて設け、加硫接着時に各ねじ孔に先端部が隣接する前記ゴム層に貫入する差し込みボルトを取付けておき、
成型後、前記差し込みボルトを抜き取ることにより前記ゴム層に形成される孔及び該孔と連通する前記ねじ孔によって複数の測定孔を形成し、
前記各測定孔に粘性流体を充填するとともに、前記ねじ孔にボルト型圧力センサーを取り付けて該測定孔を閉鎖することを特徴とする荷重検知機能を備えた積層ゴムの製造方法にある。
さらに、この発明は、上部構造と下部構造との間に設置され、前記上部構造に固定される上沓と、前記下部構造に固定される下沓と、前記上沓と下沓との間に配置されるゴム沓とを備えたゴム支承であって、
前記ゴム沓は前記荷重検知機能を備えた積層ゴムからなり、
前記下沓には前記各測定孔に開口する穴と、各穴と連通して下沓の側面に開口する溝とが設けられ、
前記圧力センサーの入出力ケーブルは前記穴及び溝を通して外部に引き出されていることを特徴とするゴム支承にある。
前記ゴム沓は前記荷重検知機能を備えた積層ゴムからなり、
前記下沓には前記各測定孔に開口する穴と、各穴と連通して下沓の側面に開口する溝とが設けられ、
前記圧力センサーの入出力ケーブルは前記穴及び溝を通して外部に引き出されていることを特徴とするゴム支承にある。
この発明によれば、上下部鋼板のいずれか一方からその厚み方向に貫通して隣接するゴム層の内部に達する孔を設けてこれを測定孔としたので、積層ゴムに鉛直荷重が加わってゴム層が膨出しようとすると、その膨出しようとする力は測定孔のゴム層側部分の内面全体に作用することから、高感度で感知される。したがって測定孔内部に発生する圧力を粘性流体によりセンサーに確実に伝達することができ、測定精度を向上させることができる。
この発明の実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、この発明の実施形態を示す鉛直方向断面図、図２は図１の線Ａによる矢視断面図である。橋桁である上部構造２と橋脚や橋台である下部構造３との間に設置されるゴム支承１は、上沓４、下沓５及びこれらの上下沓４，５間に配置されるゴム沓６を備えている。これら上沓４、下沓５及びゴム沓６はいずれも平面形状が矩形形状又は円形形状（建築用の場合）のものである。上沓４は複数のセットボルト７（鋼桁の場合）により上部構造２に固定される。この上沓４には上面中央に上部構造２との間で水平力を伝達するためのせん断キー８が設けられている。
下沓５は複数のボルト９によりベースプレート１０に固定されている。ベースプレート１０は、複数のアンカーボルト１１により下部構造３に固定され、このアンカーボルト１１は、上端部の雄ねじ１２がベースプレート１０にねじ込まれる形式のもので、上端部はベースプレート１０の上面から突出しない。
ゴム沓６は積層ゴムからなり（以下、積層ゴムとも称する）、鋼板１３，１４，１５とゴム層１６を交互に積層して形成される。鋼板１３，１４，１５のうち、鋼板１３，１４はゴム沓６のそれぞれ上下部に配置される厚肉の上下部鋼板であり、鋼板１５は中間部に複数配置される薄肉の中間部鋼板である。上部鋼板１３は複数のボルト１７により上沓４に固定されている。また、上部鋼板１３には上面中央に上沓４との間で水平力を伝達するためのせん断キー１８が設けられている。下部鋼板１４は複数のボルト１９により下沓５に固定されている。また、下部鋼板１４には下面中央に下沓５との間で水平力を伝達するためのせん断キー２０が設けられている。
この発明によれば、下部鋼板１４からその厚み方向に貫通して隣接するゴム層１６の内部に達する測定孔２１が設けられている。この測定孔２１は、図２に示すように、せん断キー２０のまわりに等間隔を置いて複数（この実施形態では４）設けられている。図３に拡大して示すように、下部鋼板１４の下面には座繰り穴２２が設けられ、測定孔２１はこの座繰り穴２２の底部から、下部鋼板１４に隣接するゴム層１６の内部に亘って設けられている。測定孔２１の鋼板側部分２１ａは雌ねじが形成されたねじ孔であり、ゴム層側部分２１ｂは鋼板側部分２１ａよりも径が幾分か小さな空洞である。測定孔２１は、５〜１０ｍｍの小径のものであり、ゴム支承の性能に影響を与えることはない。
測定孔２１には粘性流体２３、例えばシリコーンオイルあるいはフッ素オイルが充填され、測定孔２１は鋼板側部分２１ａに圧力センサー２４を取り付けることにより閉鎖されている。なお、粘性流体２３は、積層ゴム６を上下逆にし、すなわち下部鋼板１４を上側にした状態で測定孔２１に充填され、充填後エア抜きをしたうえで圧力センサー２４が取り付けられる。
この実施形態で用いられる圧力センサー２４はボルト型圧力計であり、ねじ部２５の先端に受圧部２６をもち、後端にフランジ付きの六角頭部２７をもつセンサーである。この圧力センサー２４は、ねじ部２５を測定孔２１の鋼板側部分２１ａに螺着することによって測定孔２１に取り付けられる。この圧力センサー２４の取付けによって測定孔２１が閉鎖され、センサーの取付け状態で六角頭部２７は座繰り穴２２に収容される。下沓５には各座繰り穴２２に開口する穴２８と、各穴２８と連通して下沓５の側面に開口するＵ字形の溝２９が設けられている。圧力センサー２４に通電するための入出力ケーブル３０は、これら穴２８及び溝２９を通して外部に引き出されている。
積層ゴム６は、上下部鋼板１３，１４、中間部鋼板１５及びゴム層１６を成形型内で積層し、加硫接着して成型される。測定孔２１のゴム層側部分２１ａは、積層ゴム６の成型後に、錐により孔明け加工して形成することも可能であるが、この場合、バリ等が生じやすい。このような不具合は、成型と同時に測定孔２１を形成することにより解消される。
すなわち、図４に示すように、成型時において、下部鋼板１４に形成したねじ孔２１ａ（測定孔２１の鋼板側部分）に差し込みボルト３１を取り付けておく。差し込みボルト３１は、ねじ部３２の先端にねじ孔２１ａから突出してゴム層１６に貫入する突出部３３をもち、この突出部３３には周面にねじが形成されていない。また、この突出部３３には剥離剤を塗布しておく。そして、型内で積層ゴム６を加硫成型した後、差し込みボルト３１を抜き取る。これによって、ねじ孔２１ａと、これと連通するゴム層１６側の孔２１ｂとからなる測定孔２１が形成される。測定孔２１の形成後は、上記したように粘性流体２３を測定孔２１に充填し、圧力センサー２４をねじ孔２１ａに取り付けて測定孔２１を閉鎖する。
粘性流体２３として用いられるシリコーンオイルは、ゴム層１６を構成するゴム材料によってはシリコーンオイルが接触することによりその性状を変化させてしまうことがある。例えば、ゴム層１６の材料としてブチルゴムを使用すると、ゴムの重量や体積が変化することが知られている。図５は、このようなゴム性状の変化を避けるための実施形態である。すなわち、測定孔２１のゴム層側部分２１ｂは内面がライニングされている。ライニング３５は、シリコーンオイルとの接触によって性状変化を受けにくいゴム材料からなり、例えばフッ素ゴムが使用される。このライニング３５を施すには、図４を参照して説明したように、積層ゴムの加硫成型時に、差し込みボルト３１の突出部３３にライニング３５をキャップ状に被せておき、成型後差し込みボルト３１を抜き取ればよい。
次に、鉛直荷重の測定方法について説明する。工場で製作された積層ゴム６は、図示しない圧縮試験機にかけられる。また、圧力センサー２４は入出力ケーブル３０を介して図示しないコンピュータに接続される。試験中、荷重は徐々に載荷され、この載荷によってゴム層１６が圧縮される。この結果、ゴム層１６には膨出しようとする力が働き、これによって測定孔２１内部の粘性流体２３が加圧される。この粘性流体２３の圧力は、圧力センサー２４によって測定される。その際、ゴムの膨出しようとする力は測定孔２１のゴム層側部分２１ｂの内面全体に作用することから、高感度で感知される。したがって測定孔２１内部に発生する圧力を粘性流体２３により圧力センサー２４に確実に伝達することができ、測定精度を向上させることができる。圧力センサー２４の測定値はコンピュータに入力され、コンピュータにより圧力の平均値（センサー４個の測定値の平均値）と載荷した荷重との関係が演算処理される。図６は、このようにして得られた荷重−圧力の関係を示している。
一方、支承の設置現場においては積層ゴム６に上部構造２の鉛直荷重が載荷され、その鉛直荷重に基づいて粘性流体に発生する圧力が、圧力センサー２４によって測定される。圧力センサー２４の測定値は、圧縮試験の場合と同様にコンピュータに入力され、コンピュータは予め圧縮試験によって得られた荷重−圧力特性データからその圧力に対応する荷重を演算し表示する。このようにして得られた荷重値と、設計荷重値とを照合することにより、その後の維持管理を適切なものとすることができる。なお、支承の設置現場においては圧力センサー２４の測定値を無線送信機に入力して送信し、そのデータを現場事務所等の無線受信機で受信し、コンピュータに入力するようにしてもよい。この場合、後述するように測定孔及びセンサーを上部鋼板１３側に設置するとともに、無線送信機を桁に固定すれば、入出力ケーブルや無線送信機が支承のメンテナンスをする際の障害にならない。
上下部構造２，３間に設置されたゴム支承１において、温度変化等により上部構造２が伸縮するとそれに伴い積層ゴム６がせん断変形する。このせん断変形により測定孔２１のゴム層側部分２１ｂも形状変化するが、ゴム支承１は体積変化がないためせん断変形しても高さが変わらないので、この孔の体積＝底面積×高さは一定している。なお、ゴム支承の形状が小さい場合、鉛直荷重の応力分布が変わるため、せん断方向に配置した２個のセンサーの圧力に差が生じるが、これを平均するとせん断変形しないときの２個の平均値と一致する。これは実験的にも確認されている。
上記実施形態では、測定孔を下部鋼板及びそれに隣接するゴム層に設けて、圧力センサーを取り付けたが、これに限るものではなく、測定孔を上部鋼板及びそれに隣接するゴム層に設けて、圧力センサーを取り付けるようにしてもよい。また、圧力センサーは、積層ゴムに偏荷重が加わる場合を考慮し、上記実施形態で示した取付け位置に加えて、さらに中央に取り付けるようにしてもよい。
１ ゴム支承
２ 上部構造
３ 下部構造
４ 上沓
５ 下沓
６ ゴム沓（積層ゴム）
１３ 上部鋼板
１４ 下部鋼板
１５ 中間鋼板
１６ ゴム層
２１ 測定孔
２１ａ 測定孔の鋼板側部分
２１ｂ 測定孔のゴム層側部分
２３ 粘性流体
２４ 圧力センサー
２６ 受圧部
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５ 下沓
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２１ａ 測定孔の鋼板側部分
２１ｂ 測定孔のゴム層側部分
２３ 粘性流体
２４ 圧力センサー
２６ 受圧部
Claims (5)
- 厚肉の上下部鋼板及び薄肉の複数の中間部鋼板からなる鋼板とゴム層とを交互に積層してなる積層ゴムであって、
前記上下部鋼板のいずれか一方からその厚み方向に貫通して、隣接するゴム層内部に達する複数の測定孔を互いに間隔を置いて設け、各測定孔に粘性流体を充填するとともに、各測定孔の鋼板側部分に圧力センサーを取り付けて該測定孔を閉鎖したことを特徴とする荷重検知機能を備えた積層ゴム。 - 前記各測定孔の鋼板側部分はねじ孔であり、このねじ孔に前記圧力センサーとしてボルト型圧力計を取り付けたことを特徴とする請求項１記載の荷重検知機能を備えた積層ゴム。
- 前記各測定孔のゴム層側部分は内周が前記粘性流体との接触によって性状変化を受けにくいゴム材料でライニングされていることを特徴とする請求項１又は２記載の荷重検知機能を備えた積層ゴム。
- 厚肉の上下部鋼板及び薄肉の複数の中間部鋼板からなる鋼板とゴム層とを交互に積層し、加硫接着によって成型する積層ゴムの製造方法であって、
前記上下部鋼板のいずれか一方にその厚み方向に貫通する複数のねじ孔を互いに間隔を置いて設け、加硫接着時に各ねじ孔に先端部が隣接する前記ゴム層に貫入する差し込みボルトを取付けておき、
成型後、前記差し込みボルトを抜き取ることにより前記ゴム層に形成される孔及び該孔と連通する前記ねじ孔によって複数の測定孔を形成し、
前記各測定孔に粘性流体を充填するとともに、前記ねじ孔にボルト型圧力センサーを取り付けて該測定孔を閉鎖することを特徴とする荷重検知機能を備えた積層ゴムの製造方法。 - 上部構造と下部構造との間に設置され、前記上部構造に固定される上沓と、前記下部構造に固定される下沓と、前記上沓と下沓との間に配置されるゴム沓とを備えたゴム支承であって、
前記ゴム沓は請求項１〜３のいずれか１に記載の積層ゴムからなり、
前記下沓には前記各測定孔に開口する穴と、各穴と連通して前記下沓の側面に開口するする溝とが設けられ、
前記圧力センサーの入出力ケーブルは前記穴及び溝を通して外部に引き出されていることを特徴とするゴム支承。
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