JP5298836B2

JP5298836B2 - 桟橋の補強構造、補強方法

Info

Publication number: JP5298836B2
Application number: JP2008328934A
Authority: JP
Inventors: 禎郎塩崎; 玄森; 晃司沖; 謙治河野
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2008-12-25
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2028-12-25
Also published as: JP2010150787A

Description

本発明は、上部工を杭によって支持してなる杭式桟橋の耐震補強技術に関する。

上部工を複数の杭によって支持してなる杭式桟橋において、近年、耐震補強を行う技術が種々提案されている。
例えば、特許文献１に提案された杭式桟橋の補強構造は、複数の杭と該杭によって支持される上部工との間にブレース部材を設け、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ようにしたものである（特許文献１参照）。

また、上記特許文献１のものでは具体的なダンパー部材の施工方法が不明であることから、特許文献１と同一の出願人より、特許文献１に記載の発明の進化型とも言える技術が特許文献２に提案されている。特許文献２に提案された杭式桟橋は、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構造体とを有する既設桟橋の前記杭と杭の間に補強ユニットが設けられた杭式桟橋であって、前記補強ユニットは、矩形枠状のフレームと、そのフレームに設けられたブレースとを有し、前記フレームが前記杭に固定されていることを特徴とするものである（請求項１参照）。また、特許文献２には、前記補強ユニットの他の態様としてフレームとブレースの間にダンパーが設けられたものも開示されている（請求項５参照）。

さらに、既設桟橋の補強に関する技術ではないが、制震機能を持たせた桟橋として特許文献３には以下のような制震桟橋が提案されている。
「杭と上部工を構成要素とする１つの桟橋を、それぞれ杭および上部工を構成要素とし異なる固有周期を有する複数の桟橋ブロックに分割し、前記桟橋ブロックどうしの間をダンパーを介在させて連結したことを特徴とする制震桟橋。」
特開２００６−１２５１５２号公報（請求項１参照）特開２００７−２１７９５２号公報（請求項１、５参照）特開平１０−７７６１６号公報（請求項１参照）

特許文献１に提案されたものでは、ダンパーと杭とをどのように接合するのかが不明であり、それ故にその効果も不明である。また、ブレース部材と杭との間にダンパーを設ける場合には、ダンパーが水中に配置されることになり、ダンパーが腐食劣化するという問題もある。

特許文献２のものでは、フレームにダンパーを予め接合して補強ユニットにしていることから、ダンパーの接合方法は特許文献１よりも明確である。
しかしながら、特許文献２に開示された具体例を見ると、補強ユニットを構成するブレース下端側を杭と接合し、ブレースの上端側にダンパーを接合する構造であるため、ダンパー部で発生する変位が小さく、制震効果があまり期待できないという問題がある。

他方、特許文献３に記載のものは、桟橋を新設する場合を想定していると思われるが、仮に、特許文献３に記載の技術を既設桟橋の補強に適用するとしても、既存桟橋を固有周期の異なる桟橋に分解しなおすのは、コストが高くなってしまうという問題がある。

以上のように、特許文献１〜３のものはそれぞれ個別の問題点を有しているが、このような個別の問題点に加えて以下のような共通する問題点も有している。

桟橋の耐震性能を向上するために必要な要件は、地震時に桟橋に発生する加速度（応答加速度）を現状よりも増加させないで、かつ変位（応答変位）を小さくすることである。桟橋の地震時の応答加速度と応答変位は、地震動特性とともに、桟橋の固有周期に大きく依存する。したがって、桟橋の耐震性能を向上するために、なんらかの補強構造を取付ける場合には、桟橋の固有周期の変化に留意する必要がある。

地震動に対する桟橋の応答加速度と応答変位は、一般的に図１０（ａ）、（ｂ）のようになる。桟橋の固有周期が図１０（ａ）、（ｂ）に示すｂの領域の場合、桟橋に増し杭などをして、桟橋の剛性を高くすると、桟橋の固有周期が短くなり桟橋の変位は減少し、加速度は増加しない。ただし、比較的固有周期の長い構造物の場合（図１０（ａ）、（ｂ）のcの領域）では、桟橋の剛性を高くすると、桟橋の固有周期が短くなり桟橋の変位は減少するが、加速度は大きくなってしまう。このような場合には、地震のエネルギーを吸収するような制振化や、地震動のエネルギーを上部構造に伝えないような免震化が有効である。

この点、特許文献１、２に記載のものは、ブレース材を設けることで剛性を高くすると共にダンパーによってある程度の変位を許容しつつダンパーで変位時のエネルギーを吸収しようとするものである。
しかしながら、ダンパーの両端が共に杭と上部工を含む桟橋と同じ系内に設置されているため、ダンパー両端での変位量が小さく、効果的に地震動のエネルギーを吸収することはできない。

この点、特許文献３のものについては、ダンパーの両端が独立の杭で支持されている各上部工に設置されるものであるため、ダンパーに対して変位を伝達してエネルギー吸収を行わせることは容易であると考えられる。
しかしながら、各上部工は桟橋の一部であり、地震後においても桟橋として機能させる必要がある場合、各上部工からなる桟橋への被災を抑制するように各上部工を支持する杭の剛性やダンパーの剛性を設定する必要があるが、これは非常に難しい。例えば、２つの上部工間に設置したダンパーでのエネルギー吸収を効果的に行わせるために一方の上部工を支持する杭の剛性を高くすると、剛性を高くした上部工側での加速度が大きくなってしまうことが考えられる。
また、特許文献３の構造は、桟橋を新規に建設する場合には有効な方法と考えられるが、既存の桟橋の補強には困難がともなう。

以上のように、特許文献１〜３はそれぞれ個別の問題点を有していると共に、地震時に発生する加速度と変位を適切な範囲に抑制して制震効果を確実に期待できるような構造にすることが難しいという問題がある。

本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、構造が簡単であり、コストがかからず、制震効果を確実に期待できる桟橋の補強構造、補強方法を得ることを目的としている。

発明者は、従来の制震構造は、ダンパー両端を桟橋と同じ系内に設置し、その系内においてダンパーに変位を与えてエネルギー吸収を行わせようとしているが、そのダンパー設置方法に問題があると考えた。
そこで、発明者はダンパー設置に関する上記従来の考えを転換することを発想し、ダンパーを、桟橋を構成する部材とは別の系にある構造物と桟橋の上部工との間に設置するという発想を得た。このようにすることで、地震時に発生する加速度と変位をダンパーで調整するのが極めて容易となり、すぐれた制震性能を発揮する補強構造を簡易に得ることができるとの知見を得た。
本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、具体的には以下の構成からなるものである。

（１）本発明に係る桟橋の補強構造は、杭と上部工を有する桟橋の補強構造であって、前記桟橋と独立しており別の系にあり、かつ水平方向の剛性が前記桟橋の水平方向の剛性の1.5倍以上ある構造物を設置し、ダンパーの一端側を該構造物に連結し、他端側を前記上部工に連結するようにダンパーを設置したことを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記ダンパーは前記上部工において視認可能な部位に設けられていることを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記構造物は、水中にある部分が上部工のエリア内に設けられていることを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）〜（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記構造物は斜杭を交差方向に組み合わせた組杭であり、該組杭の交差方向がダンパーの変位方向と同方向になっていることを特徴とするものである。

（５）また、本発明に係る桟橋の補強方法は、桟橋の上部工に開口部を設ける工程と、該開口部を貫通して杭を打設する工程と、該杭の上端部と前記上部工との間にダンパーを設置する工程と、前記開口部を修復する工程を備え、前記杭を打設する工程においては、前記杭の上端部における水平方向の剛性が桟橋の水平方向の剛性の1.5倍以上になるように杭を打設することを特徴とするものである。

本発明によれば、杭と上部工を有する桟橋の補強構造であって、前記桟橋と独立しており別の系にあり、かつ水平方向の剛性が前記桟橋の水平方向の剛性の1.5倍以上ある構造物を設置し、ダンパーの一端側を該構造物に連結し、他端側を前記上部工に連結するようにダンパーを設置した簡易な構造でかつ確実な制震を可能にすることができる。

［実施の形態１］
図１、図２は本発明の一実施の形態に係る桟橋の補強構造の説明図であり、図１は補強後の桟橋の平面図、図２は同じく補強後の桟橋の側面図である。図３、図４は本実施の形態の補強構造を説明するための説明図であり、図３は補強前の桟橋の平面図、図４は、同じく補強前の桟橋の側面図である。

まず、補強前の桟橋の構造を説明すると、図３、図４に示すように、補強の対象となる桟橋１は海底地盤３に打設された複数の直杭５と、直杭５の杭頭部に設置された床版や梁等からなる上部工７とを備えている。図３、図４に示された例では、直杭５が陸側から海側に向かって等間隔で４本設けられ、これら４本からなる一組の直杭５が海岸線に平行に４組設けられている。さらに、このような桟橋のユニットが岸壁法線方向に複数配置され、岸壁として機能することになる。

上記の補強前の桟橋１に対して補強したものが本実施の形態に係る桟橋の補強構造であり、図１、図２に示すように、２本の斜杭９からなる組杭１１が上部工７のエリア内に二箇所設けられている。そして、一端側が組杭１１の頭部１４に連結され、他端側が桟橋１の上部工７に連結されたダンパー１３を備えている。
各構成を詳細に説明する。

＜組杭＞
組杭１１は、例えば２本の鋼管杭をそれらがハの字を形成するように斜めに打設して斜杭９とし、これら斜杭９の上端部を剛結して構成されるものである。各斜杭９は上部工７の床版に設けた開口部から貫通するようにして打設されている。もっとも、打設後には開口部は修復され、杭頭部１４は、図２に示すように、上部工７の床版の下方に床版と接触しない高さになっている。
組杭１１は、図２に示されるように、海中にある部分が上部工７のエリア内、すなわち平面視で上部工７外に出ないように配置されている。つまり、組杭１１下端のように海底地盤３内にある部分は上部工７のエリア外であってもよいが、海底よりも上方の海中にある部分は上部工７のエリア内に配置されている。組杭１１の設置状態をこのような配置にすることで、接岸する船舶の邪魔にならないという効果がある。
杭頭部１４の剛結方法としては、例えば鉄筋コンクリートで結合する。

組杭１１は、水平方向の剛性を桟橋１のそれに比較して高くし、固定点として機能するようにしている。本明細書において固定点とは、桟橋１に対して剛性が高く、それ故に地震時において桟橋１よりも揺れにくい点をいい、固定点であるためには水平方向の剛性が桟橋１の水平方向の剛性によりも高いことを要する。好ましくは、桟橋１の水平方向の剛性に対する組杭１１の水平方向の剛性の剛性倍率を１．５倍以上、さらに好ましくは２倍以上になるように設定する。組杭１１の剛性倍率とは、既存の桟橋１の水平方向剛性と組杭１１の水平方向剛性の比率である。

＜ダンパー＞
ダンパー１３は、一端側が組杭１１の頭部１４に連結され、他端が上部工７側に連結され、地震時のエネルギーを吸収するものである。なお、組杭１１の杭頭部１４と上部工７にはそれぞれダンパー１３の端部を連結するための連結部材１５が設けられている。
ダンパー１３は、例えば地震エネルギーを吸収する軸力管と、軸力管の座屈を防止するために軸力管の外側または内側に補剛管を設置して二重管構造とした二重管型の制振ブレースを用いることができる。
もっとも、ダンパーは地震エネルギーを吸収することができるものであれば特に限定されるものではない。

図１、図２に示す例では、ダンパー１３の変位は図中左右方向であるが、これは図２に示されるように、組杭１１の交差方向と同方向になっている。

上記のように構成された本実施の形態に係る補強構造においては、地震が発生したとき上部工７に発生する慣性力が、上部工７からダンパー１３に伝達され、ダンパー１３の塑性変形によってそのエネルギーが吸収される。これにより、補強前にくらべ、桟橋１の加速度の増加を抑えながら、変位を低減することができる。

桟橋の耐震補強の検討においては、桟橋１に発生する加速度と水平変位を適切な範囲に抑制することが重要である。そして、本実施の形態の補強構造によればこれを極めて簡易に行なうことができる。
つまり、本実施の形態においては、ダンパー１３の一端を桟橋１とは独立した組杭１１の頭部１４に連結しているため、地震時に桟橋１に発生する加速度と変位をそれぞれどの程度に抑制するかについては、組杭１１の剛性とダンパー１３の剛性を設定することによって決定することができる。

以下においては、このことを実証するため、ダンパー１３を用い、組杭１１の剛性を変化させたときに桟橋１に発生する最大変位と最大加速度を求める地震応答解析を行った。

地震応答解析に用いた各条件は以下の通りである。
（１）入力地震動（レベル２地震相当の模擬地震動波形）、図５参照
（２）上部工７の条件
縦：24.0ｍ、横：22.0m
（３）地盤条件（図２参照）
捨石層、表層地盤（N=5）、下層地盤(N=10)
（４）直杭５の条件（図２参照）
鋼管杭（材質：SKK400、杭径：φ700、板厚：7mm）
配置：縦横6m間隔で設置
（５）組杭１１の条件（図２参照）
鋼管杭（材質：SKK400、杭径：φ700、板厚：4〜28mm）
直杭列の2列の間中央に各１カ所組杭１１を設ける（図１、図２参照）。
なお、解析に際して組杭１１の剛性倍率を、1.0〜5.8まで変化させた。
既存の桟橋と同じ鋼管杭を用いた場合（組杭１１の鋼管杭の板厚を7mmとした場
合）の剛性倍率は1.6倍である。
（６）ダンパー条件
ダンパー１３として、下記に示す二重管型の制振ブレースを用いた。
制振ブレース(軸力管の直径:130mm,板厚:6.5mm,下降伏点:100N/mm²,引張強さ:200N/mm²)
比較例として、ダンパーを用いないで組杭１１と上部工７を剛結合したものについても行った。

図６、図７は地震応答解析結果を示すグラフである。図６は縦軸を解析結果の最大変位（mm）を補強無しの場合の最大変位192mmで割った値（最大変位比）、横軸を組杭剛性倍率としたものである。また、図７は縦軸を解析結果の最大加速度（Gal）を補強無しの場合の最大加速度265Galで割った値（最大加速度比）、横軸を組杭剛性倍率としたものである。ここで、組杭剛性倍率とは、既存の桟橋の水平方向剛性と組杭の水平方向剛性の比率である。
図６に示すように、最大変位比については、いずれの例でも組杭剛性倍率が大きくなるに従って最大変位比が小さくなっている。制振ブレース（ダンパー１３）がある場合には、組杭剛性倍率が1.5倍程度までの間で急激に低下し、2.4倍までは最大変位比が小さくなるが、それ以降は組杭の剛性を上げても、最大変位比は変わらない。

他方、最大加速度比について見ると、図７に示すように、組杭１１を上部工７に剛結したものについては、組杭１１の剛性倍率が大きくなるに従って最大加速度比が大幅に増加していく。
一方、制振ブレース（ダンパー１３）を設置したものは、剛結したものに比べ最大加速度比は格段に小さく、組杭剛性倍率が2.4倍よりも大きくなっても最大加速度比は変わらない。

以上のように、本実施の形態で採用した構造、すなわちダンパー１３の一端を組杭１１に連結し、他端を上部工７側に連結する構造にすることにより、想定される地震波で桟橋１に発生する最大変位と最大加速度を容易に知ることができるので、組杭１１の剛性倍率とダンパー１３の剛性を最適値に設定することが可能となり、耐震性能に優れた補強構造にすることが容易にできる。
また、本実施の形態においては、130mm径の制振ブレースを用いる場合の最適な組杭１１の剛性倍率は、2.4倍程度であり、このように設定することにより、最大加速度の増加を微小な範囲に抑えつつ、最大変位の低減効果を有効に発揮させることができる。

なお、組杭１１の剛性倍率を上げるには、組杭１１を構成する鋼管の管径を大きくする、管厚を大きくする、杭数を増やすことが考えられる。

［実施の形態２］
図８、図９は本発明の実施の形態２の説明図であり、図８が補強構造の平面図、図９が側面図である。図８、図９において、図１、図２と同一部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態においては、組杭１１の頭部１４を上部工７に形成した開口部１７内に配置し、ダンパー１３を上部工７の上面側に形成した開口溝１９に設置して上部工７上からダンパー１３を視認可能にしたものである。ダンパー１３を上部工７の上面側に設置することにより、ダンパー１３を上部工７から視認できるようになり、地震後のダンパー１３の塑性変形の程度を確認することで桟橋１の被災の程度を推測することができる。つまり、ダンパー１３の塑性変形の程度が小さい場合には、桟橋１を支持する直杭５の被災状況が小さいと判断でき、逆にダンパー１３の塑性変形の程度が大きい場合には、桟橋１を支持する直杭５の被災の程度が大きいと判断できる。

このように、ダンパー１３を上部工７の上面側で視認できる位置に設けることにより、ダンパー１３が桟橋１の被災の程度を知る指標として機能するという効果を奏することができる。
この点、従来であれば、海中に潜って実際の杭の根元の確認をしなければならないことに比較すると、極めて便利である。
また、ダンパー１３を上部工７の上面側に設置することで、実施の形態１の場合よりも海面からより遠くなるため、防食の点でも有利である。

［実施の形態３］
次に上記のように構成される桟橋１の補強構造の施工手順を説明することで、本発明の補強方法を説明する。
（１）まず、既設桟橋１の床版に組杭打設用の開口部を設ける。なお、実施の形態２の場合には、組杭打設用の開口に加えてダンパー設置用の開口溝１９を併せて設ける。
（２）次に開口部を貫通するようにして、２本の鋼管杭を斜めに交差するように打設する。
杭打設後、２本の杭頭を鉄筋コンクリートによって結合する。なお、鋼管杭の打設に際しては、図２、図９に示すように、鋼管杭における海中に配置される部分が上部工７のエリア内に配置されるようにする。
（３）そして、結合した杭頭１４、及び上部工７にダンパー１３を連結するための連結部材１５を設置する。
（４）上記の連結部材１５を用いて、杭頭部１４と上部工７との間にダンパー１３を設置する。
（５）開口部を補修する。すなわち、実施の形態１の例では開口部を閉塞するようにし、実施の形態２の例では開口部１７として杭頭部１４との間に所定の隙間を生ずるようにしておく。
なお、ダンパー１３を上部工７の上面側に設置した実施の形態２場合には、ダンパー設置のための開口溝１９に蓋を設置する。

以上のように、本実施の形態の施工方法によれば、極めて簡易な方法によって効果的な耐震補強構造を施工できる。
なお、どのような組杭にするか、あるいはどのようなダンパーを設置するかについては、補強の対象になっている桟橋１の諸元や、想定される地震波に基づいて上述したような実験を行うことで決定することができる。

なお、上記の実施の形態においては、固定点となる構造物として組杭を例に挙げたが、本発明に係る構造物としてはこれに限られるものではなく、大径の直杭、鋼管矢板などであってもよい。
もっとも、組杭にすることで、組杭を構成する鋼管杭の管径や板厚を小さくできるので、コスト面で有利である。

本発明の一実施の形態に係る桟橋の補強構造の説明図であり、補強後の桟橋の平面図である。本発明の一実施の形態に係る桟橋の補強構造の説明図であり、補強後の桟橋の側面図である。本発明の一実施の形態の補強構造を説明するための説明図であり、補強前の桟橋の平面図である。本発明の一実施の形態の補強構造を説明するための説明図であり、補強前の桟橋の側面図である。本発明の一実施の形態の説明に用いた地震波の一例を示す図である。本発明の一実施の形態の効果を説明するためのグラフである。本発明の一実施の形態の効果を説明するためのグラフである。本発明の他の実施の形態に係る桟橋の補強構造の説明図であり、補強後の桟橋の平面図である。本発明の他の実施の形態に係る桟橋の補強構造の説明図であり、補強後の桟橋の側面図である。地震動に対する桟橋の固有周期と応答加速度、固有周期と応答変位の関係を示す説明図である。

符号の説明

１桟橋
３海底地盤
５直杭
７上部工
９斜杭
１１組杭
１３ダンパー
１４杭頭部
１５連結部材
１７開口部
１９開口溝

Claims

杭と上部工を有する桟橋の補強構造であって、前記桟橋と独立しており別の系にあり、かつ水平方向の剛性が前記桟橋の水平方向の剛性の1.5倍以上ある構造物を設置し、ダンパーの一端側を該構造物に連結し、他端側を前記上部工に連結するようにダンパーを設置したことを特徴とする桟橋の補強構造。
前記ダンパーは前記上部工において視認可能な部位に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の桟橋の補強構造。
前記構造物は、水中にある部分が上部工のエリア内に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の桟橋の補強構造。
前記構造物は斜杭を交差方向に組み合わせた組杭であり、該組杭の交差方向がダンパーの変位方向と同方向になっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の桟橋の補強構造。
桟橋の上部工に開口部を設ける工程と、該開口部を貫通して杭を打設する工程と、該杭の上端部と前記上部工との間にダンパーを設置する工程と、前記開口部を修復する工程を備え、前記杭を打設する工程においては、前記杭の上端部における水平方向の剛性が桟橋の水平方向の剛性の1.5倍以上になるように杭を打設することを特徴とする桟橋の補強方法。