JP5706952B1 - 橋梁構造及び既存橋梁の補強方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的低いコストで地震動を十分に低減できる橋梁構造及び既存橋梁の補強方法を提供すること。【解決手段】上部構造４を支持する既存橋脚２の間に、水平荷重のみを支持する水平支持橋脚３を設置する。既存橋脚２は、矩形断面の鋼製の柱２１と梁２２を有し、梁２２に設置された弾性支承５により、上部構造４からの鉛直荷重と水平荷重を支持する。水平支持橋脚３は、鋼管で形成された４つの柱部材３１と、隣り合う柱部材３１を接続する横つなぎ材３２と、梁３３を有し、梁３３に設置された水平荷重伝達機構６により、上部構造４からの水平荷重のみを支持する。地震時において、水平支持橋脚３は、上部構造４からの水平荷重で降伏し、履歴減衰作用によって、上部構造４から作用する水平荷重を減衰する。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば高架橋等に適用される橋梁構造及び既存橋梁の補強方法に関する。

都市高速道路等に設置される高架橋では、交通量の増加に伴う車線の追加又は拡幅、交通量の増大、又は、関連法規の改正等により、既存の橋梁に作用する活荷重や地震荷重や自重の増大が見込まれる場合がある。このような荷重の増大に対応するために、橋梁の補強が行われる。

従来、橋梁の荷重の増大に対応する補強方法としては、例えばＲＣ橋脚の場合、橋脚の外周に鋼板を巻き立てる方法や、増杭を行う方法や、既存の橋脚と同等の橋脚を追加する方法等がある。いずれの補強方法においても、全ての橋脚に支承を設置し、支承を介して上部構造からの鉛直荷重と水平荷重を受け持つように形成される。

ところで、地震による橋梁の被害を低減するために、鉛プラグを内蔵した積層ゴムや高減衰積層ゴム等を用いた免震支承が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。このような免震支承は、鉛プラグの降伏や高減衰積層ゴムの変形により、上部構造から下部構造に伝達する水平力を低減するように形成されている。免震支承は、前述のような既存の橋梁の補強を行う場合のほか、新築の橋梁の耐震性能を高めるために採用される。また、前記免震支承のほか、滑り支承が採用されることがある。

特開２００６−３３５０５２号公報 特開平７−９７８２７号公報

前記橋脚の外周に鋼板を巻き立てる補強方法及び増杭を行う補強方法は、橋脚と基礎の耐力を増大させて荷重の増大に対応するものであり、既存の橋脚と同等の橋脚を追加する補強方法は、増大する荷重を複数の橋脚に分散させて受け持たせ、橋脚１基あたりに作用する荷重を減少させるものである。しかしながら、いずれの補強方法も、全ての橋脚は、上部構造からの鉛直荷重と水平荷重が作用するので、互いに同等の構造に形成する必要がある。また、橋脚の補強に伴い、当該橋脚の基礎の補強も必要となることがある。したがって、橋梁の補強工事に関する手間とコストが増大する問題がある。

また、前記免震支承は、メンテナンスの手間と費用がかかり、特に、高減衰積層ゴムを用いた免震支承は、ゴムの経年劣化が生じるので一定期間毎に積層ゴム部品の交換が必要となる問題がある。また、前記免震支承は、鉛直荷重と水平荷重の両方を支持するので、地震に伴って損傷しやすく、地震に伴う交換頻度が高い問題がある。また、前記免震支承を既存の橋梁に適用する場合、既存の支承を免震支承に交換するために上部構造の受け替えが必要となるので、工事の手間と費用がかかる問題がある。

そこで、本発明の課題は、比較的低いコストで耐震性を確保でき、また、メンテナンスの手間と費用の少ない橋梁構造と、適用の手間とコストが比較的少ない既存橋梁の補強方法を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明の橋梁構造は、上部構造と、当該上部構造を支持する複数の橋脚とを備えた橋梁構造であって、
前記複数の橋脚が、前記上部構造から少なくとも鉛直荷重を支持する主橋脚と、前記上部構造から作用する水平荷重のみを支持する水平支持橋脚とを含んで構成されていることを特徴としている。

前記構成の橋梁構造によれば、上部構造を支持する複数の橋脚のうち、前記上部構造から作用する荷重のうち、主橋脚が少なくとも鉛直荷重を支持する一方、水平支持橋脚が水平荷重のみを支持する。したがって、主橋脚が支持する水平荷重を効果的に軽減できる。地震時では、水平支持橋脚が上部構造から水平荷重を受けて変形することによって地震動のエネルギーを散逸させ、上部構造から主橋脚に作用する水平荷重を効果的に低減できる。したがって、主橋脚は、上部構造から作用する鉛直荷重を安定して保持することができ、その結果、上部構造の落下を防止することができる。ここで、主橋脚は、地震時に上部構造から作用する水平荷重が軽減されるので、水平支持橋脚を有しない橋梁の橋脚と比較して、保有すべき耐力が少なくてよいから、構造を簡易にできる。また、水平支持橋脚は、水平荷重のみを支持すればよいので、比較的簡易な構造にできる。その結果、主橋脚及び水平支持橋脚を有する橋梁の建設費用を効果的に抑えることができる。また、本発明の橋梁構造は、水平支持橋脚で水平荷重を減衰させることにより、主橋脚に作用する水平荷重を低減するので、高減衰積層ゴムを用いた免震支承のような経年劣化が少ない。また、水平支持橋脚は水平荷重のみを支持するので、鉛プラグや高減衰積層ゴムを用いた免震支承よりも損傷し難く、地震に伴う交換頻度が低い。したがって、免震支承を用いた橋梁よりも、メンテナンスの手間と費用を低廉にできる。

前記構成の橋梁構造は、新設の橋梁に適用してもよく、また、既存の橋梁に適用してもよいが、既存の橋梁に適用する場合は、次のような効果が得られる。すなわち、上部構造の拡幅や関連法規の改正等に伴って橋梁の補強を行う場合、既存の橋梁の橋脚を本発明の主橋脚とし、既存の橋脚の間に水平支持橋脚を設置することにより、主橋脚が支持すべき水平荷重を、既存の橋脚が支持していた水平荷重と同等又はそれ以下にできる。したがって、既存の橋脚に対する補強を軽減でき、或いは、不要にできるので、橋梁の補強工事の容易化と低コスト化を図ることができる。

一実施形態の橋梁構造は、前記主橋脚は、鉛直荷重及び水平荷重の両方を支持する。

前記実施形態によれば、上部構造から橋脚に作用する水平荷重のうち、主橋脚が支持する水平荷重が、水平支持橋脚によって軽減される。したがって、地震時において、上部構造から主橋脚に作用する水平荷重を効果的に低減できるので、主橋脚が備えるべき強度を従来の橋脚よりも軽減できる。

一実施形態の橋梁構造は、前記主橋脚は、鉛直荷重のみを支持する。

前記実施形態によれば、上部構造から橋脚に作用する水平荷重が水平支持橋脚に支持されるので、特に地震時において、上部構造から主橋脚に作用する水平荷重を効果的に低減できる。したがって、主橋脚が備えるべき強度を従来の橋脚よりも効果的に軽減できる。

一実施形態の橋梁構造は、前記主橋脚は、鉛直荷重及び水平荷重の両方を支持する第１主橋脚と、鉛直荷重のみを支持する第２主橋脚とを含む。

前記実施形態によれば、上部構造から橋脚に作用する水平荷重のうち、第１主橋脚が支持する水平荷重が、水平支持橋脚によって軽減される。したがって、地震時において、上部構造から第１主橋脚に作用する水平荷重を効果的に低減できるので、第１主橋脚が備えるべき強度を従来の橋脚よりも効果的に軽減できる。また、第２主橋脚は水平荷重を支持しないので、第２主橋脚が備えるべき強度を従来の橋脚よりも大幅に軽減できる。

一実施形態の橋梁構造は、前記水平支持橋脚は、降伏水平耐力が前記主橋脚の降伏水平耐力よりも小さく形成されている。

前記実施形態によれば、水平支持橋脚は、降伏水平耐力が主橋脚の降伏水平耐力よりも小さいので、地震時に上部構造から受ける水平荷重により、主橋脚よりも先に降伏する。したがって、降伏の後に水平荷重を受けることに伴う履歴減衰作用により、上部構造から主橋脚に作用する水平荷重を効果的に低減できる。

一実施形態の橋梁構造は、前記水平支持橋脚が水平荷重のみを受けて使用限界状態に達するときに、前記主橋脚は少なくとも鉛直荷重を支持可能に形成されている。

前記実施形態によれば、地震時において、水平支持橋脚が水平荷重を受けて使用限界状態に達したときにおいても、主橋脚は、少なくとも鉛直荷重を支持可能に形成されている。これにより、地震力を受けても、主橋脚は使用可能な状態に留まるので、上部構造の落下を防止でき、例えば緊急車両等の通行に供することができる。ここで、使用限界状態とは、ＩＳＯ２３９４「構造物の信頼性に関する一般原則」で定められる限界状態をいう。

一実施形態の橋梁構造は、前記水平支持橋脚と上部構造との間に、鉛直荷重を伝達しない一方、水平荷重を伝達する水平荷重伝達機構を備える。

前記実施形態によれば、水平荷重伝達機構により、上部構造から水平支持橋脚へ効果的に水平荷重のみを伝達できる。

一実施形態の橋梁構造は、前記水平荷重伝達機構は、前記水平支持橋脚及び前記上部構造のうちの一方に設置されて概ね鉛直方向に延在する鉛直部材と、当該鉛直部材の周囲を取り囲むように前記水平支持橋脚及び前記上部構造のうちの他方に配置された接触部材とを有し、前記鉛直部材と前記接触部材との間に水平方向の相対変位が生じたときに、前記鉛直部材と前記接触部材とが接触可能に形成されている。

前記実施形態によれば、水平支持橋脚及び上部構造のうちの一方に設けた鉛直部材と、水平支持橋脚及び上部構造のうちの他方に設けた接触部材とを接触可能に形成するという簡易な構成により、上部構造から水平支持橋脚へ効果的に水平荷重のみを伝達する水平荷重伝達機構を形成できる。

一実施形態の橋梁構造は、前記水平荷重伝達機構は、前記水平支持橋脚及び上部構造のうちの一方に設置され、概ね鉛直方向に没入した凹部を有する凹部材と、前記水平支持橋脚及び上部構造のうちの他方に設置され、前記凹部材の凹部内に収容される凸部を有する凸部材とを有し、前記凸部材と凹部材との間に水平方向の相対変位が生じたときに、前記凸部材の凸部と前記凹部材の凹部とが係合可能に形成されている。

前記実施形態によれば、水平支持橋脚及び上部構造のうちの一方に設けた凹部と、前記水平支持橋脚及び上部構造のうちの他方に設けた凸部とを係合可能に形成するという簡易な構成により、上部構造から水平支持橋脚へ効果的に水平荷重のみを伝達する水平荷重伝達機構を形成できる。

一実施形態の橋梁構造は、前記水平支持橋脚は、複数の柱部材と、隣り合う前記柱部材の間に架け渡された横つなぎ材と、当該横つなぎ材に設けられた減衰機構とを有する。

前記実施形態によれば、地震時において上部構造から水平支持橋脚に水平荷重が作用すると、複数の柱部材及び横つなぎ材が変形する。このとき、横つなぎ材の減衰機構によって地震動のエネルギーが散逸するので、上部構造から主橋脚に作用する水平荷重を効果的に低減できる。

一実施形態の橋梁構造は、前記水平支持橋脚は、前記上部構造の下方に位置する梁を有し、前記上部構造が鉛直方向に変位したときに前記梁で前記上部構造を支持して、前記上部構造の落下を防止するように形成されている。

前記実施形態によれば、水平支持橋脚は、上部構造の下方に位置する梁を有し、この梁により、上部構造が鉛直方向に変位したときに、この上部構造を支持するように形成されている。すなわち、橋梁構造に、想定を超えた地震動が作用し、上部構造と水平支持橋脚との間に想定を超える鉛直方向の相対変位が生じ、水平支持橋脚が上部構造から水平荷重を受けて変形することによる地震動のエネルギー散逸機能が実質的に停止した場合、上記梁によって上部構造が緊急的に支持され、上部構造の落下が防止される。したがって、本実施形態によれば、地震動が想定を超える場合においても、上部構造の落下に対するフェールセーフを実現することができる。

本発明の既存橋梁の補強方法は、上部構造と、当該上部構造を支持して少なくとも鉛直荷重を支持する複数の既存橋脚とを有する既存橋梁を補強する方法であって、
前記複数の既存橋脚の間に、前記上部構造からの水平荷重のみを支持する水平支持橋脚を設置することを特徴としている。

前記構成の既存橋梁の補強方法によれば、既存橋梁の複数の既存橋脚の間に、上部構造からの水平荷重のみを支持する水平支持橋脚を設置する。この水平支持橋脚は、上部構造からの水平荷重のみを支持すればよいので、既存橋脚よりも簡易な構造を採用できる。したがって、比較的低廉なコストで既存橋梁を補強することができる。こうして補強された既存橋梁は、上部構造から作用する荷重のうち、既存橋脚が少なくとも鉛直荷重を支持する一方、水平支持橋脚が水平荷重のみを支持する。したがって、既存橋脚が支持する水平荷重を効果的に軽減できる。地震時では、水平支持橋脚が上部構造から水平荷重を受けて変形することにより、上部構造から既存橋脚に作用する水平荷重を効果的に低減できる。したがって、既存橋脚は、上部構造からの鉛直荷重を安定して保持することができ、その結果、上部構造の落下を効果的に防止できる。

一実施形態の既存橋梁の補強方法は、前記上部構造と前記水平支持橋脚の間に、互いの間に鉛直荷重を伝達しない一方、水平荷重を伝達する水平荷重伝達機構を設置する。

前記実施形態によれば、水平荷重伝達機構により、上部構造から水平支持橋脚へ効果的に水平荷重のみを伝達できる。

本発明の実施形態の橋梁構造を示す縦断面図である。 実施形態の橋梁構造の既存橋脚における横断面図である。 実施形態の橋梁構造の水平支持橋脚における横断面図である。 水平荷重伝達機構を示す横断面図である。 水平荷重伝達機構を示す平断面図である。 他の水平荷重伝達機構を有する水平支持橋脚における橋梁構造の横断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態の橋梁構造を示す縦断面図である。実施形態の橋梁構造は、都市高速道路の高架橋１に適用され、床版４５上の車線を増やすための改築が行われたものである。この高架橋１は、上部構造４と、上部構造４から作用する鉛直荷重及び水平荷重を支持する主橋脚としての既存橋脚２と、上部構造４から作用する水平荷重のみを支持する水平支持橋脚３を含んで構成されている。

この高架橋１は鋼Ｉ桁橋であり、図２の既存橋脚における横断面図に示すように、上部構造４が、Ｉ型鋼で形成された４つの既存主桁４１と、新設の２つの主桁４３と、既存主桁４１の相互間を接続する３つの横桁４２と、既存及び新設の主桁４１，４３の相互間を接続する５つの補強横桁４４と、主桁４１，４３に支持された床版４５を含んで構成されている。床版４５は、既存主桁４１に支持された既存部分４５ａと、新設の主桁４３に支持された新設部分４５ｂとで形成されている。この橋梁構造の上部構造４は、車線を追加するために、床版４５の既存部分４５ａの一方の側に新設部分４５ｂが追加されて拡幅され、この床版４５の新設部分４５ｂを支持するために、既存主桁４１と平行をなす新たな主桁４３が追加されたものである。このような上部構造４の改築に対応して、新設の主桁４３を支持するために既存橋脚２の梁２２ｂが延長されると共に、高架橋１に作用する水平荷重を支持するため、隣り合う橋脚２，２の間に新たな水平支持橋脚３が追加されたものである。

主橋脚としての既存橋脚２は鋼製橋脚であり、図２に示すように、矩形断面の鋼製の柱２１と、柱２１の上端に連なり、幅方向の外側に向かって梁せいが縮小する鋼製の梁２２と、柱２１の下端に連なるコンクリート製のフーチング２３と、フーチング２３を支持する複数の基礎杭２４を有する。梁２２は、上部構造４の既存主桁４１を支持する既存部分２２ａと、上部構造４の新設の主桁４３を支持する新設部分２２ｂとで形成されている。基礎杭２４とフーチング２３と柱２１の下部は、地表面１０の下方に埋設されている。

既存橋脚２と上部構造４との間には、上部構造４からの鉛直荷重と水平荷重を橋脚２に伝達する弾性支承５が設けられている。弾性支承５は、橋脚２の梁２２の上端面に固定されたベースプレートと、上部構造４の主桁４１，４３の下側フランジに固定されたソールプレートと、前記ベースプレートとソールプレートの間に配置され、複数のゴムシートが積層されてなる積層ゴムとを有する。この弾性支承５は、常時及び地震時において、上部構造４からの鉛直荷重を橋脚２に伝達すると共に、上部構造４からの水平荷重を橋脚２に伝達する。なお、既存橋脚２と上部構造４との間に設置される支承は、固定支承又は免震支承でもよく、少なくとも鉛直荷重を支持するのであれば、支承の構造は特に限定されない。

図３は、水平支持橋脚３における高架橋１の横断面図である。新たに設置された水平支持橋脚３は、橋軸方向において、隣接する既存橋脚２，２の間の略中央に配置されている。水平支持橋脚３は、円形断面の鋼管で形成され、平面視において正方形の頂点の位置に配置された４つの柱部材３１と、隣り合う柱部材３１の間に架け渡された横つなぎ材３２と、４つの柱部材３１の上端に連結され、幅方向の外側に向かって梁せいが縮小する鋼製の梁３３と、４つの柱部材３１の各々の下端に連結され、円形断面の鋼管で形成された４つの基礎杭３４を有する。図３には、４つの柱部材３１のうち、橋軸直角方向に並んだ２つの柱部材３１と、２つの柱部材３１の各々の下端に連結された２つの基礎杭３４が示されている。横つなぎ材３２は、隣り合う２つの柱部材３１の間に、上部と下部との合計２段が設置されている。横つなぎ材３２は、普通鋼で形成されて隣り合う２つの柱部材３１の各々に固定された２つの固定部材３２ａ，３２ａと、当該２つの固定部材３２ａ，３２ａの間に接続され、板状の低降伏点鋼で形成されて減衰機構として機能するせん断パネル３２ｂを有する。

水平支持橋脚３の柱部材３１と基礎杭３４との連結部は、柱部材３１の下端部が基礎杭３４の上端部の内側に嵌合されて形成されている。この連結部には、基礎杭３４の上端部の内側に中詰コンクリートが配置され、柱部材３１の下端部の内側に充填コンクリートが配置され、更に、基礎杭３４の上端部と柱部材３１の下端部とを覆うように根巻コンクリート３６が配置されている。柱部材３１の下端部には、柱部材３１が基礎杭３４内に嵌合する位置の近傍に、隣接する柱部材３１を繋ぐ鋼製の地中梁３５が設けられている。この地中梁３５は、根巻コンクリート３６によって覆われている。なお、柱部材３１は、水平荷重に対する剛性が高い部材（例えば既成鋼管ＳＫＫ材）を使用することが望ましい。ただし、後述するように、既存橋脚２が水平荷重の一部を支持する場合、水平支持橋脚３の剛性は、既存橋脚２と弾性支承５とを併せた剛性よりも高く設定されているのが好ましい。

水平支持橋脚３と上部構造４との間には、上部構造４から水平荷重のみを水平支持橋脚３に伝達する水平荷重伝達機構６が設けられている。図４Ａは、水平荷重伝達機構６を示す橋軸直角方向の横断面図であり、図４Ｂは水平荷重伝達機構６を示す平断面図である。なお、図４Ａには、紙面の奥側の接触部材６１は図示していない。この水平荷重伝達機構６は、主桁４３の下側フランジに固定された鉛直部材６０と、水平支持橋脚３の梁３３に固定された４つの接触部材６１とを有する。鉛直部材６０は、矩形断面の鋼管で形成され、主桁４３のフランジの法線方向であって鉛直下方に延びる柱状の鉛直柱６２と、この鉛直柱６２が取り付けられた固定プレート６３と、この固定プレート６３を主桁４３の下側フランジに固定するボルトナット６４を有する。接触部材６１は、緩衝作用を有する弾性体としてのゴムで形成され、鉛直部材６０の鉛直柱６２の側面に接触する接触緩衝材６５と、接触緩衝材６５を支持する支持プレート６６と、支持プレート６６の接触緩衝材６５と反対側に配置された補強プレート６７とを有する。接触部材６１は、鉛直部材６０の鉛直柱６２を接触緩衝材６５で取り囲むように４つ配置されている。鉛直部材６０の鉛直柱６２と接触部材６１の接触緩衝材６５との間には、常時に数ミリメートルの隙間が形成されるように設定されている。４つのうちの３つの接触部材６１は、第１固定プレート６８に固定され、この第１固定プレート６８は梁３３にボルトナット６９で固定されている。４つのうちの１つの接触部材６１は、第１固定プレート６８とは別体の第２固定プレート７０に取り付けられ、この第２固定プレート７０は梁３３にボルトナット７１で固定されている。水平荷重伝達機構６を水平支持橋脚３と上部構造４の間に設置する際、３つの接触部材６１を有する第１固定プレート６８と、１つの接触部材６１を有する第２固定プレート７０とを分けて梁３３に固定することにより、鉛直部材６０を４つの接触部材６１で取り囲むように配置することができる。例えば、鉛直部材６０が予め固定された主桁４３が水平支持橋脚３の梁３３の上方に設置された後、前記鉛直部材６０の鉛直柱６２の３つの側面に３つの接触部材６１の接触緩衝材６５が対向するように、第１固定プレート６８を梁３３に固定する。この後、前記鉛直部材６０の鉛直柱６２の１つの側面に接触部材６１の接触緩衝材６５が対向するように、第２固定プレート７０を梁３３に固定する。こうして、主桁４３に固定された鉛直部材６０の鉛直柱６２を取り囲み、かつ、均一の隙間を有するように、４つの接触部材６１を梁３３に固定することができる。

この水平荷重伝達機構６は、水平支持橋脚３と上部構造４との間に水平方向の相対変位が生じたときに、鉛直部材６０の鉛直柱６２の側面と、接触部材６１の接触緩衝材６５の表面とが接触する。互いに接触した鉛直部材６０の鉛直柱６２と接触部材６１の接触緩衝材６５を通して、水平力が水平支持橋脚３と上部構造４との間で伝達されるように形成されている。これにより、上部構造４から作用する水平荷重を水平支持橋脚３で支持する構造となっている。また、水平荷重伝達機構６は、鉛直部材６０の鉛直柱６２が、接触部材６１、第１固定プレート６８及び第２固定プレート７０とのいずれとも鉛直方向に接触しないことにより、鉛直荷重が水平支持橋脚３と上部構造４との間で伝達されないように形成されている。これにより、上部構造４から作用する鉛直荷重を水平支持橋脚３で支持しない構造となっている。

前記水平荷重伝達機構６は、水平支持橋脚３と上部構造４との間に水平方向の相対変位が形成され始めて、上部構造４からの水平荷重を水平支持橋脚３で支持されるまでの間は、既存橋脚２の弾性支承５が弾性変形をするように設定されている。すなわち、鉛直部材６０の鉛直柱６２と接触部材６１の接触緩衝材６５との間の隙間の距離は、弾性支承５の積層ゴムが水平方向において弾性変形に留まる最大の変形量よりも小さくなるように設定されている。これにより、水平荷重伝達機構６は、地震力を受けて水平支持橋脚３と上部構造４が接触をするまでの間に、弾性支承５が安定して所定の水平荷重を支持するように形成されている。すなわち、水平支持橋脚３と上部構造４との間に水平方向の相対変位が生じ始めて水平荷重伝達機構６で上部構造４と水平支持橋脚３の間に荷重が伝達されるまでの間に、上部構造４から既存橋脚２へ作用する水平荷重が急激に変化して上部構造４から水平支持橋脚３へ水平荷重が急激に作用することがないように形成されている。

本実施形態の橋梁構造が適用された高架橋１は、地震の発生していない常時において、上部構造４から作用する鉛直荷重が、既存橋脚２によって支持される。一方、地震時において、地震力によって水平支持橋脚３と上部構造４の間に相対変位が生じ、これに伴い、水平荷重伝達機構６を介して水平荷重が上部構造４から水平支持橋脚３に伝達される。一方、鉛直荷重は、既存橋脚２のみに伝達される。

水平支持橋脚３は、上部構造４から水平荷重伝達機構６を介して梁３３に水平荷重のみが伝達されると、梁３３に結合された柱部材３１が曲げ変形すると共に横つなぎ材３２がせん断変形する。横つなぎ材３２では、せん断パネル３２ｂに荷重が集中して塑性変形し、地震動に伴って変形を繰り返す過程で、履歴減衰作用によって、上部構造４から作用する水平荷重が減衰される。また、地震動に伴って柱部材３１が弾性変形を繰り返すことにより、柱部材３１の内部減衰作用によって、上部構造４から作用する水平荷重が減衰される。地震動が大きい場合、横つなぎ材３２のせん断パネル３２ｂによる履歴減衰作用に加え、柱部材３１が塑性変形する。これにより発揮される柱部材３１の塑性域での履歴減衰作用により、上部構造４から作用する水平荷重が柱部材３１によって減衰される。このように、水平支持橋脚３は、地震力を受けると既存橋脚２よりも先に降伏し、弾性変形領域における減衰効果よりも大きな減衰効果を有する履歴減衰作用を発揮することができる。このようにして、上部構造４から作用する水平荷重の多くを水平支持橋脚３で減衰するので、上部構造４から既存橋脚２に伝達される水平荷重が効果的に低減される。したがって、既存橋脚２は、地震動による損傷が低減されるので、鉛直荷重を安定して支持できる。その結果、上部構造４の落下を効果的に防止できて、高架橋１の全体の耐震性を高めることができる。このように、水平支持橋脚３は、地震力を受けると既存橋脚２よりも先に降伏し、履歴減衰作用を発揮するように形成されているので、水平支持橋脚３が地震動に伴う水平荷重のみを受けて終局限界状態に達したときであっても、既存橋脚２は、上部構造４を支持可能な状態を保持することができる。よって、地震発生後においても、上部構造４を緊急車両等の通行に供することができ、災害時のライフライン機能を確保することができる。

本実施形態の橋梁構造は、水平支持橋脚３が、平面視において正方形の頂点の位置に配置された４つの柱部材３１と、隣り合う柱部材３１の間に架け渡されて減衰機構としてのせん断パネル３２ｂを有する横つなぎ材３２を有し、水平荷重伝達機構６は、鉛直部材６０を取り囲む４つの接触部材６１を有する。したがって、水平支持橋脚３は、上部構造４から水平支持橋脚３に、水平面上のいずれの方向に対しても水平荷重を伝達できるので、上部構造４から作用する水平荷重を効果的に低減することができる。

また、本実施形態の水平支持橋脚３は、汎用性を有する既製の鋼管で形成された４つの柱部材３１を用いて構成されるので、矩形断面の既存橋脚２よりも安価に作製できる。したがって、地震に対する耐久性の高い橋梁構造を安価に作製できる。また、本実施形態の水平支持橋脚３は、上部構造４からの水平荷重のみを支持すればよいので、基礎を構成する基礎杭３４、地中梁３５及び根巻コンクリート３６を、既存橋脚２の基礎を構成するフーチング２３及び基礎杭２４よりも簡易な構造にできる。したがって、水平支持橋脚３は、既存橋脚２よりも安価に基礎を作製できる。

また、本実施形態の橋梁構造１は、水平支持橋脚３で水平荷重を減衰させることにより、既存橋脚２に作用する水平荷重を低減するので、高減衰積層ゴムを用いた免震支承のような経年劣化が少ない。また、水平支持橋脚３は水平荷重のみを支持するので、鉛プラグや高減衰積層ゴムを用いた免震支承よりも損傷し難く、地震に伴う交換頻度が低い。したがって、本実施形態の橋梁構造１は、免震支承を用いた橋梁よりも、メンテナンスの手間と費用を低廉にできる。また、本実施形態の既存橋梁の補強方法によれば、補強後に既存橋脚２が支持する水平荷重を、補強前に既存橋脚２が支持していた水平荷重と同等又はそれ以下にできる。したがって、既存橋脚２は、本体や基礎に対する補強が不要であるので、橋梁の補強工事の容易化と低コスト化を図ることができる。

前記実施形態において、水平支持橋脚３の横つなぎ材３２に、減衰機構としてのせん断パネル３２ｂを設けたが、せん断パネル３２ｂ以外に、例えば粘性ダンパーや摩擦ダンパー等のように、減衰効果を有するものであれば、減衰機構は特に限定されない。

また、前記実施形態において、上部構造４から水平支持橋脚３へ水平荷重のみを伝達する水平荷重伝達機構６は、互いに水平変位を生じたときに接触する鉛直部材６０と接触部材６１を有したが、他の構造の水平荷重伝達機構を用いてもよい。

前記実施形態において、４つの柱部材３１の上端に連結されて水平荷重伝達機構６が設けられた梁３３は、上部構造４から水平荷重伝達機構６に伝達された水平荷重を柱部材３１に伝達する機能を有したが、想定を超えた地震動を受けた場合に、フェールセーフの観点から、上部構造４を緊急的に支持してもよい。すなわち、想定を超えた地震が発生した場合には、上部構造４と水平支持橋脚３との間に、想定を超える鉛直方向の相対変位が生じ、水平支持橋脚３が上部構造４から水平荷重を受けて変形することによるエネルギー散逸機能を発揮できなくなる。このような場合に、上部構造４を梁３３が緊急的に支持することにより、上部構造４の落下を防ぐことができる。

図５は、他の水平荷重伝達機構を有する水平支持橋脚３における高架橋１の横断面図である。図５において、図３の横断面図に示した部分と同一の部分には同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。この水平荷重伝達機構１６は、既存の主桁４１と新設の主桁４３の相互間に設けられた補強横梁４６に連なり、鉛直下方に延在する凸部４７と、水平支持橋脚３の梁３７の上側面に形成され、前記補強横梁４６の凸部４７を収容する凹部３８で構成されている。なお、上部構造４から作用する鉛直荷重は既存橋脚２で支持するので、水平支持橋脚３に設置される前記水平荷重伝達機構１６は、凸部４７の下端と凹部３８の底面部を接触しないように形成され、凸部４７と凹部３８が鉛直荷重を伝達しないように形成されている。この水平支持橋脚３の梁３７は、柱部材３１の連結部と凹部３８との間に延在するように、上部構造４の幅よりも小さく形成されている。この水平荷重伝達機構１６は、地震時に、地震力を受けた上部構造４が水平方向に変位し、これにより凸部４７の側面が凹部３８の内側面に係合することにより、上部構造４からの水平荷重を水平支持橋脚３へ伝達する。この水平荷重伝達機構１６によれば、上部構造４の凸部４７と、この凸部４７に係合可能な水平支持橋脚３の凹部３８との簡易な構成により、上部構造４から水平支持橋脚３へ効果的に水平荷重のみを伝達することができる。この水平荷重伝達機構１６は、構成が簡易であるので作製費用が低廉であり、したがって、水平支持橋脚３により上部構造４から作用する水平力を低減可能な橋梁構造を、安価に提供することができる。

前記実施形態において、高架橋１は、上部構造４の床版４５ａを拡幅すると共に新たな主桁４３を追加し、既存橋脚２，２の間に水平支持橋脚３を追加して改築を行ったものであるが、上部構造４と、少なくとも鉛直荷重を支持する既存橋脚２と同様の主橋脚と、水平荷重のみを支持する水平支持橋脚３とを有する高架橋１を新築してもよい。

また、前記実施形態において、高架橋１は、上部構造４にＩ型鋼の主桁を用いた鋼Ｉ桁橋であったが、鋼製やコンクリート製の箱桁を用いた箱桁橋や、トラス橋等の他の形式の橋梁でもよい。また、前記実施形態において、橋脚は、鋼製橋脚以外にＲＣ（Reinforced-Concrete）橋脚等の他の橋脚でもよい。また、高架橋１は、都市高速道路用であったが、鉄道用や人道用等の他の用途の橋梁にも本発明を適用することができる。

また、前記実施形態において、水平支持橋脚３は円形断面の鋼管で形成されたが、角形鋼管であってもよく、また、その材質は荷重や寸法等の条件に応じて種々に設定できる。また、前記実施形態において、水平支持橋脚３を形成する柱部材３１の本数は３本であっても６本であってもよく、柱部材３１の本数は、複数本であれば特に限定されない。

１ 高架橋
２ 既存橋脚
３ 水平支持橋脚
４ 上部構造
６ 水平荷重伝達機構
３１ 柱部材
３２ 横つなぎ材
３２ｂ せん断パネル
６０ 鉛直部材
６１ 接触部材
４７ 凸部
３８ 凹部

Claims (13)

1. 上部構造と、当該上部構造を支持する複数の橋脚とを備えた橋梁構造であって、
   前記複数の橋脚が、前記上部構造から少なくとも鉛直荷重を支持する主橋脚と、前記上部構造から作用する水平荷重のみを支持する水平支持橋脚とを含んで構成されていることを特徴とする橋梁構造。
2. 請求項１に記載の橋梁構造において、
   前記主橋脚は、鉛直荷重及び水平荷重の両方を支持することを特徴とする橋梁構造。
3. 請求項１に記載の橋梁構造において、
   前記主橋脚は、鉛直荷重のみを支持することを特徴とする橋梁構造。
4. 請求項１に記載の橋梁構造において、
   前記主橋脚は、鉛直荷重及び水平荷重の両方を支持する第１主橋脚と、鉛直荷重のみを支持する第２主橋脚とを含むことを特徴とする橋梁構造。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の橋梁構造において、
   前記水平支持橋脚は、降伏水平耐力が前記主橋脚の降伏水平耐力よりも小さく形成されていることを特徴とする橋梁構造。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の橋梁構造において、
   前記水平支持橋脚が水平荷重のみを受けて使用限界状態に達するときに、前記主橋脚は少なくとも鉛直荷重を支持可能に形成されていることを特徴とする橋梁構造。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の橋梁構造において、
   前記水平支持橋脚と上部構造との間に、鉛直荷重を伝達しない一方、水平荷重を伝達する水平荷重伝達機構を備えることを特徴とする橋梁構造。
8. 請求項７に記載の橋梁構造において、
   前記水平荷重伝達機構は、前記水平支持橋脚及び前記上部構造のうちの一方に設置されて概ね鉛直方向に延在する鉛直部材と、当該鉛直部材の周囲を取り囲むように前記水平支持橋脚及び前記上部構造のうちの他方に配置された接触部材とを有し、前記鉛直部材と前記接触部材との間に水平方向の相対変位が生じたときに、前記鉛直部材と前記接触部材とが接触可能に形成されていることを特徴とする橋梁構造。
9. 請求項７に記載の橋梁構造において、
   前記水平荷重伝達機構は、前記水平支持橋脚及び上部構造のうちの一方に設置され、概ね鉛直方向に没入した凹部を有する凹部材と、前記水平支持橋脚及び上部構造のうちの他方に設置され、前記凹部材の凹部内に収容される凸部を有する凸部材とを有し、前記凸部材と凹部材との間に水平方向の相対変位が生じたときに、前記凸部材の凸部と前記凹部材の凹部とが係合可能に形成されていることを特徴とする橋梁構造。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の橋梁構造において、
    前記水平支持橋脚は、複数の柱部材と、隣り合う前記柱部材の間に架け渡された横つなぎ材と、当該横つなぎ材に設けられた減衰機構とを有することを特徴とする橋梁構造。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の橋梁構造において、
    前記水平支持橋脚は、前記上部構造の下方に位置する梁を有し、前記上部構造が鉛直方向に変位したときに前記梁で前記上部構造を支持して、前記上部構造の落下を防止するように形成されていることを特徴とする橋梁構造。
12. 上部構造と、当該上部構造を支持して少なくとも鉛直荷重を支持する複数の既存橋脚とを有する既存橋梁を補強する方法であって、
    前記複数の既存橋脚の間に、前記上部構造からの水平荷重のみを支持する水平支持橋脚を設置することを特徴とする既存橋梁の補強方法。
13. 請求項１２に記載の既存橋梁の補強方法において、
    前記上部構造と前記水平支持橋脚の間に、互いの間に鉛直荷重を伝達しない一方、水平荷重を伝達する水平荷重伝達機構を設置することを特徴とする既存橋梁の補強方法。

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