JP6122744B2 - ボイラ制振用のサイスミックタイおよびこれを用いたボイラ耐震構造体 - Google Patents

Description

本発明は、主に火力発電プラント用大型ボイラの耐震構造体に係り、特にボイラプラントに設置される振動吸収装置であるボイラ制振用のサイスミックタイに関するものである。

主に火力発電プラントに用いられる大型ボイラは、通常、垂直方向に複数本配置される鉄骨柱と水平方向に複数本配置される主梁との組合せにより構成される支持架構（ボイラ建屋）の上部から、ボイラ本体が吊下げられた構造になっている。

従来から採用されており、且つ本発明の実施形態にも関わるボイラの耐震構造について、図１１ならびに図１２を用いて説明する。図１１はボイラ耐震構造の側面図、図１２は支持架構の各層でのサイスミックタイの配置関係を示す図である。

図１１に示すように、支持架構７は垂直方向に複数本配置される鉄骨柱１と、水平方向に複数本配置される主梁２との組合せにより構成される。ボイラ本体４は運転中に上下方向に熱伸びするため、この熱伸びを拘束しないようにするために、ボイラ本体４は吊りボルト３により支持架構７の上部から吊下げられている。

ここで主梁２とは、水平方向に配置する耐震用の梁を意味する。主梁２は、地面３２からの高さ方向に沿って複数段に配置される。下方から順に支持架構７の基礎部分から最下部の主梁２までを第１層、最下部の主梁２から次の上の主梁２までを第２層として、ボイラ本体４を吊下げる最上部の主梁２まで複数の層構造を成し、図１１の例では第７層まで形成されている。

図１２（１）は図１１Ａ−Ａ線上から見た断面図、図１２（２）は図１１Ｂ−Ｂ線上から見た断面図、図１２（３）は図１１Ｃ−Ｃ線上から見た断面図、図１２（４）は図１１Ｄ−Ｄ線上から見た断面図、図１２（５）は図１１Ｅ−Ｅ線上から見た断面図、図１２（６）は図１１Ｆ−Ｆ線上から見た断面図、図１２（７）は図１１Ｇ−Ｇ線上から見た断面図である。

図１１ならびに図１２に示すボイラ耐震構造において、ボイラ本体４と支持架構７の間には、複数個のサイスミックタイ６が設置されており、このサイスミックタイ６で地震荷重５（図１１参照）による振動エネルギーを吸収して、支持架構７を制振する。

具体的には図１１に示すように、第１層の上部、第２層の上部、第４層の上部、第５層の上部、第６層の上部にそれぞれサイスミックタイ６が設置されている。本例の場合図１２に示すように、合計で１４個のサイスミックタイ６が用いられている。

図１１に示すように各サイスミックタイ６は主梁２の裏側に隠れた状態で配置され、各サイスミックタイ６の両端部は図１２に示すように支持架構７（鉄骨柱１）とボイラ本体４に連結されている。

図１３は、サイスミックタイ６の構成とそれの取り付け状態を示す一部斜視図である。この図に示す従来のサイスミックタイ６は、例えば特許第２５７２４０３号公報（特許文献１）に開示されている。

このサイスミックタイ６は、支持架構７とボイラ本体４が地震時に相対変位する方向に対して水平方向に配置された剛な鋼材からなる２本のリンク部材１６Ａと、前記相対変位の発生する方向に対して垂直方向に配置された柔な鋼材からなる２本のピン部材１６Ｂから構成されている。

リンク部材１６Ａとピン部材１６Ｂの両端部は互いにヒンジ結合されており、符号１６Ｃはヒンジ結合部で、ヒンジ孔と、それに挿入されるヒンジピンから構成されている。

図１４は従来のピン部材１６Ｂを示す図であり、図１４（１）はピン部材１６Ｂの正面図、図１４（２）は図１４（１）Ａ−Ａ線上から見た断面図、図１４（３）は図１４（１）Ｂ−Ｂ線上から見た断面図である。

図１４（１）に示すようにピン部材１６Ｂは、それの軸方向の中央部に配置された支圧部１６Ｂ−１と、その支圧部１６Ｂ−１の上下面からヒンジ結合部１６Ｃに向かって外径を徐々に小さくした略紡錘形状（ラグビーボール形状）をしたピン部１６Ｂ−２から構成されている。

図１４（２）に示すように支圧部１６Ｂ−１の断面形状は円形をしており、図１４（３）に示すようにピン部１６Ｂ−２の断面形状も円形をしている。

そして図１３に示すように、２本ある内の一方（図面に向かって左側）のピン部材１６Ｂの支圧部１６Ｂ−１が間接的にボイラ本体４に連結され、他方（図面に向かって右側）のピン部材１６Ｂの支圧部１６Ｂ−１が直接支持架構７に連結されている。

図１５は、サイスミックタイによるエネルギー吸収の原理を説明する図であり、図１４に示した従来構造におけるサイスミックタイの反力Ｆｉと変位δｉの関係を図１５の実線で表す。この実線で囲まれる面積が、振動エネルギー吸収量に相当する。なお、図１５において座標の原点を通る実線は後述する第１勾配を説明するための線である。

ボイラ構造物の場合、ボイラ本体４と支持架構７の相対変位がサイスミックタイ６に作用する変位δｉとなり、この変位δｉによってサイスミックタイ６に反力Ｆｉが発生する。地震時に配管など に損傷が生じないようにするため、実際のボイラ構造物におけるサイスミックタイ６の変位δｉを最大値以下に抑える必要があり、図１５ではその最大変位δｉ，ｍａｘを１５ｃｍに設定している。

図１４に示した従来構造におけるサイスミックタイの課題を、別の面から見て説明する。図１４に示すようにピン部材１６Ｂは断面形状が丸型をしており、このピン部材１６Ｂは比較的、中規模レベルの地震が起こった場合のエネルギーを吸収するために発明されたものであり、図１５中の荷重変位曲線における従来構造(実線)に相当する。
ところがこの構造では、図中の第１勾配に対する第２勾配の比が大きいので、弾性的な変形をするためにエネルギー吸収が少ないことが課題であった。

特許第２５７２４０３号公報

ここで、サイスミックタイによるエネルギー吸収の原理について図１５を用いて説明する。実線で示す従来構造（図１４参照）における最大変位δｉ，ｍａｘ（＝１５ｃｍ）、最大反力Ｆｉ，ｍａｘを超えない条件下で、振動エネルギー吸収量を最大にするのが、図中の点線（図中で目標と記載）で示す矩形の面積である。

この矩形面積に極力近づけるように、実線で示す従来構造による振動吸収エネルギー面積をさらに広げるようにしたのが、本出願人が先に提案した構造である（特願２０１２−１９５２９８号）。

図１６はその先に提案した構造におるピン部材１６Ｂの正面図、図１７はそのピン部材１６Ｂの斜視図、図１８（１）は図１６Ａ−Ａ線上から見た断面図、図１８（２）は図１６Ｂ−Ｂ線上から見た断面図、図１８（３）は図１６Ｃ−Ｃ線上から見た断面図、図１８（４）は図１６Ｄ−Ｄ線上から見た断面図である。

この先に提案した構造において前記従来構造と相違する点は、ピン部１６Ｂ−２の構造である。すなわち、ピン部１６Ｂ−２の部分を、それの軸方向にその軸を対称中心線として両側面を部分的に凹状のウエブ部１６Ｂ−３を形成し、そのウエブ部１６Ｂ−３の両側にフランジ部１６Ｂ−４を残存形成した形状になっている。

図１８（１）は支圧部１６Ｂ−１の断面形状を示しており、支圧部１６Ｂ−１は円形をしている。一方、図１８（２）〜（４）はピン部１６Ｂ−２の断面形状を示しており、ウエブ部１６Ｂ−３とフランジ部１６Ｂ−４の形成により、断面形状が略Ｈ形をしている。

図１６と図１８には、サイスミックタイの反力Ｆｉが作用する軸１００１を示している。支圧部１６Ｂ−１ならびにピン部１６Ｂ−２の断面形状は、サイスミックタイ反力Ｆｉが作用する軸１００１に対して対称形となっている。そして、前記軸１００１がサイスミックタイ反力Ｆｉの方向と一致するようにサイスミックタイが、ボイラ本体と支持架構の間に設置される。

図１９は変形前の先に提案した構造におるピン部材１６Ｂの正面図、図２０は図１９Ａ−Ａ線上から見た断面図、図２１は繰り返し変形後の先に提案した構造におるピン部材１６Ｂの正面図、図２２は図２１Ｂ−Ｂ線上から見た断面図である。

先に提案した構造では、図１８（２）〜（４）ならびに図１９に示すようにピン部材１６Ｂの軸方向と略直交する方向のフランジ部１６Ｂ−４の厚さｔ（ｘ）がピン部材１６Ｂの軸方向のどこでも一定であった。この例の場合、フランジ部１６Ｅの厚さｔ（ｘ）は一様に４０ｍｍである（図１８（２）〜（４）参照）。

そのため、ピン部材１６Ｂ（サイスミックタイ６）を繰り返して使用していると、図２２に示すように、支圧部１６Ｂ−１の近傍のフランジ部１６Ｂ−４に亀裂１７が発生し、その亀裂１７がウエブ部１６Ｂ−３に進展し、ひいてはウエブ部１６Ｂ−３が破断１８に至り、サイスミックタイの寿命が短いという課題があった。

この寿命を表すパラメータである累積塑性変形量比と荷重比との関係を図２３に示す。累積塑性変形量比とは、図１５に示す反力Ｆｉ（荷重Ｆｉ）と変位δｉ（変形量δｉ）の関係における変形量の絶対値を累積して、規定値で無次元化した値である。また荷重比とは、荷重の絶対値を累積して、規定値で無次元化した値である。

図２３に示すように、累積塑性変形量比と荷重比の関係曲線は鋸波形となる。先に提案した構造では、累積塑性変形量比が１．１程度で亀裂が発生している。将来的には、持続時間の長い地震波（長周期地震波）に耐える必要があり、この累積塑性変形量比を倍増させて、長寿命化することが課題であった。

先に提案した構造の別の面から見た課題を説明する。
この先に提案した構造は、前述の特許文献１に開示されている構造(図１４参照)の課題を解決すべく、ピン部材１６Ｂの形状、構造を図１６〜図１８に示すように根本的に変えたものである。

このピン部材１６Ｂは、大規模レベルの地震が起こった場合のエネルギーを吸収するために発明されたものであり、その断面形状は図１８に示すように略Ｉ（略Ｈ）型であり、図１４に示すように断面形状が丸型のものとは根本的に異なるのが特徴である。

この略Ｉ（略Ｈ）型の構造では、地震が起こったときに極限的な力が作用することになり、それが故に変形が弾塑性的となり、その荷重変位曲線が図１５中の目標に近づくのが利点である。しかしながら、この利点の反面、本構造独特の課題として、フランジ部１６Ｂ−４において局所的な応力集中が発生するため、この課題を解決する必要があった。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、長周期地震などの比較的継続時間の長い地震波に対してもサイスミクタイが十分に機能し、長寿命のサイスミックタイならびにそれを備えたボイラ耐震構造体を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、
垂直方向に複数本配置される柱と水平方向に複数本配置される梁との組み合わせからなる支持架構と、その支持架構の上部梁から吊り下げられるボイラ本体の間に配置されて、一端が前記支持架構側に接続され、他端が前記ボイラ本体側に接続されて、前記支持架構とボイラ本体の地震時の相対変位を利用して地震の振動エネルギーを吸収するボイラ制振用のサイスミックタイであって、
前記サイスミックタイは、前記相対変位の発生する方向に対して水平方向に配置された剛性のある２本のリンク部材と、前記相対変位の発生する方向に対して垂直方向に配置された前記リンク部材よりも柔軟な２本のピン部材を備え、前記リンク部材と前記ピン部材の両端部を互いにヒンジ結合した構造を有し、
前記ピン部材は、そのピン部材の軸方向の中央部に、断面形状が円形であって前記支持架構および前記ボイラ本体の連結部となる支圧部と、前記支圧部からヒンジ結合部に向かって外径を徐々に小さくした略紡錘形状のピン部を有し、
前記ピン部は、外周部に凹状のウエブ部と、そのウエブ部の外縁側にフランジ部を残存形成した形状をしており、
前記ピン部材の軸方向と略直交する方向の前記フランジ部の厚さｔ（Ｘ）を、前記支圧部から前記ヒンジ結合部に向かって徐々に薄くし、
前記フランジ部の厚さｔ（Ｘ）は、下式によって算出されることを特徴とするものである。

ｔ（Ｘ）＝ｔ_０・（Ｘ／Ｌ）^α
式中
ｔ（Ｘ）：ヒンジ結合部の中心点から支圧部側にＸｍｍ離れた位置でのフランジ部の厚さ、
ｔ_０：支圧部の反力が作用する軸線上におけるフランジ部の厚さ、
Ｘ：ヒンジ結合部の中心点からフランジ部の厚さを算出しようとしている位置までの長さ、
Ｌ：ヒンジ結合部の中心点から支圧部の反力が作用する軸線上までの長さ、
α：０．３ 〜０．４の範囲から選択される数値。
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、
地震時の相対変位に対する前記支圧部への反力が作用するピン部材の軸に対して両側部の断面形状を対称形としたことを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第２の手段において、
前記ピン部材の軸が前記支圧部への反力の方向と一致するように、当該サイスミックタイが前記ボイラ本体と前記支持架構の間に設置されることを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は、
垂直方向に複数本配置される柱と上下方向に複数本配置される梁との組み合わせからなる支持架構と、
その支持架構の上部梁から吊り下げられるボイラ本体と、
前記支持架構と前記ボイラ本体の間に配置されて、一端が前記支持架構に接続され、他端が前記ボイラ本体に接続されて、前記支持架構とボイラ本体の地震時の振動エネルギーを吸収するサイスミックタイを備えたボイラ耐震構造体において、
前記サイスミックタイが前記第１ないし第３の手段サイスミックタイであって、
前記サイスミックタイを、少なくとも前記ボイラ耐震構造体の重心位置に相当する層に設けたことを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、長周期地震などの比較的継続時間の長い地震波に対してもサイスミクタイが十分に機能し、長寿命のサイスミックタイを提供することにある。

そのため、新設ボイラ装置の場合は耐震性を向上するとともに支持架構に要する鉄骨使用量を低減し、また、既設ボイラ装置の場合は耐震性を向上するボイラ耐震構造体の提供が可能となる。

本発明の実施形態に係るサイスミックタイに用いるピン部材の正面図である。 そのピン部材におけるフランジ部の厚さの変化を説明するための図である。 図１Ａ−Ａ線上から見た断面図である。 そのピン部材の繰り返し変形後の正面図である。 図４Ｂ−Ｂ線上から見た断面図である。 本出願人が先に検討したピン部材の正面図である。 ピン部材におけるαの値を変化させた場合の、αの値と応力均一度との関係を検討した結果を示す図である。 先に提案したサイスミックタイに対する本発明によるエネルギー吸収量の増加率を示した特性図である。 本発明の実施形態に係るサイスミックタイの累積塑性変形量比と荷重比との関係を示す特性図である。 ボイラ本体、ボイラ建屋、タービン建屋、ボイラ建屋とタービン建屋の間に配設される主配管の全体構成を示す概略図である。 ボイラ耐震構造の側面図である。 支持架構の各層でのサイスミックタイの配置関係を示す図であり、 図１２（１）は図１１Ａ−Ａ線上から見た断面図、図１２（２）は図１１Ｂ−Ｂ線上から見た断面図、図１２（３）は図１１Ｃ−Ｃ線上から見た断面図、図１２（４）は図１１Ｄ−Ｄ線上から見た断面図、図１２（５）は図１１Ｅ−Ｅ線上から見た断面図、図１２（６）は図１１Ｆ−Ｆ線上から見た断面図、図１２（７）は図１１Ｇ−Ｇ線上から見た断面図である。 サイスミックタイの構成とそれの取り付け状態を示す一部斜視図である。 従来のピン部材を示す図であり、図１４（１）はピン部材の正面図、図１４（２）は図１４（１）Ａ−Ａ線上から見た断面図、図１４（３）は図１４（１）Ｂ−Ｂ線上から見た断面図である。 サイスミックタイによるエネルギー吸収の原理を説明する図である。 本出願人が先に提案した構造におるピン部材の正面図である。 そのピン部材の斜視図である。 そのピン部材の各部の断面図であり、図１８（１）は図１６Ａ−Ａ線上から見た断面図、図１８（２）は図１６Ｂ−Ｂ線上から見た断面図、図１８（３）は図１６Ｃ−Ｃ線上から見た断面図、図１８（４）は図１６Ｄ−Ｄ線上から見た断面図である。 そのピン部材の変形前の正面図である。 図１９Ａ−Ａ線上から見た断面図である。 そのピン部材の変形後の正面図である。 図２１Ｂ−Ｂ線上から見た断面図である。 先に提案したサイスミックタイの累積塑性変形量比と荷重比との関係を示す特性図である。

まず、本実施形態に係るサイスミックタイ６について、鉄骨柱１と主梁２からなるボイラ建屋７と、そのボイラ建屋７に吊り下げられたボイラ本体４と、ボイラ本体４からタービン建屋３０へ配設された主配管２４を含めた全体構造からみて、地震時対応としてのサイスミックタイ６の必要性について説明する。

図１０は、火炉２０、側壁部２１、後部壁部２２及びペントハウス部２３からなるボイラ本体４と、支持架構であるボイラ建屋７と、タービン建屋３０と、ボイラ建屋７とタービン建屋３０の間に配設される主配管２４の全体構成を示す概略図である。なお、図１１〜図１３は、従来技術を説明するための構成を示す図ではあるが、本実施形態においても適用される基盤的な技術である。

図１０において、火力発電プラントに用いられる大型ボイラは、そのボイラ本体４が通常、複数本の鉄骨柱１と複数本の主梁２との組合せにより構成される鉄骨構造であるボイラ建屋７（支持架構体７とも称する）の最上部の主梁２から吊下げられている。

ボイラ本体４は周囲を伝熱壁（周壁とも称する）で囲まれた筐体構造を成しており、前記伝熱壁に設けたバーナ等により化石燃料等の燃料と共に燃焼用空気を供給して燃焼させる火炉２０と、その火炉２０の上部に連通して水平方向に設けられ、燃焼により生じた燃焼排ガスが流れる側壁部２１と、その側壁部２１に連通して設けられ燃焼排ガスが下降流となって流れる後部壁部２２とから構成されている。

火炉２０の上部には吊下げ型の過熱器や再熱器が燃焼排ガス流路内に設けられており、火炉２０からの例えば約１４００℃〜１５００℃の高温の燃焼排ガスと過熱器、再熱器および周壁の内部を流通する水蒸気または水との間で熱交換を行う。側壁部２１においても燃焼排ガスは周壁の内部を流通する水蒸気または水との間で熱交換を行い、例えば約１０００℃〜１１００℃の燃焼排ガスとなり後部壁部２２に流入する。

後部壁部２２においては横置き型の過熱器、再熱器、節炭器が同じく燃焼排ガス流路内に設けられており、側壁部２１からの燃焼排ガスは過熱器、再熱器、節炭器および周壁の内部を流通する水蒸気または水との間で熱交換を行い、例えば約３００℃〜４００℃の燃焼排ガスとなる。

ボイラ本体４の最上部には、天井壁およびシール構造により火炉２０、側壁部２１および後部壁部２２の内部とは断熱遮断されたペントハウス部２３があり、過熱器や再熱器の管寄せが設けられている。過熱器や再熱器で高温となった蒸気は、ペントハウス部２３内の管寄せを経由して管寄せに連通して設けられた主蒸気管や再熱蒸気管（これらをまとめて主配管２４と称する）を介して、ボイラ建屋７とは別に独立して設けられたタービン建屋３０へ送られる。

また、後部壁部２２の下部または後方からボイラ建屋７の外部に連通して排ガスダクトが設けられている。排ガスダクトの経路内には脱硝装置、除塵装置および脱硫装置などの環境装置や熱交換器が設けられており、後部壁部２２からの燃焼排ガスは脱硫装置出口で約５０℃となった後、最終的に煙突から大気へ放出される。

この他、図１０には図示していないが、ボイラ本体４からボイラ建屋７を経てタービン建屋３０近傍に連通しているものとしては、ボイラ本体４への給水を供給する主給水管などがある。主蒸気管や再熱蒸気管はボイラ本体４からボイラ建屋７を経由してタービン建屋３０に至る経路において、ボイラ建屋７内、タービン建屋３０内および両者間の鉄骨構造物に設けられたスプリングハンガなどの支持サポートに吊下げられており、各構造物における配管の熱伸びに対応できるようにしている。また、排ガスダクトはボイラ建屋７からの出口部などにエクスパンション構造が設けられており、ボイラ本体４の熱伸びに対応できるようにしている。

これらの配管やダクトは少なくともボイラ本体４の熱伸びには対応可能に設計されているが、振幅の大きな地震時の対応には限界がある。特に、ボイラ本体４とボイラ建屋７間においては、地震時のボイラ本体４とボイラ建屋７との干渉を防止するためボイラ本体４とボイラ建屋７との相対変位量には制限があり、仮に制限を越えた変位が生じた場合には主配管２４等の破損が生じるため、地震後の復旧に多大の時間を要することになる。

このためボイラ本体４とボイラ建屋７間には弾性変形に加えて塑性変形により振動エネルギーを吸収するサイスミックタイ６を用いて対応している。

図１１で説明したように、ボイラ本体４は吊りボルト３を介して最上部の主梁２に吊下げ支持されており、ボイラ運転中に吊下げ支持部を起点として上下方向を下向きに非拘束で熱伸びする。

複数の層構造からなるボイラ建屋７では、複数層において鉄骨柱１または主梁２のいずれかとボイラ本体４とを接続して、ボイラ本体４の地震時の振動エネルギーを吸収するためのサイスミックタイ６が設けられている。なお、サイスミックタイ６の一方は、通常は主鉄骨柱１に接続されているが、剛性が高ければ主梁２に接続することも可能である。また、サイスミックタイ６の他方は、通常、ボイラ本体４の火炉を取り囲むようにバックステと称する周壁を拘束する構造体が設けてあり、そのバックステを介してボイラ本体４と接続される。

サイスミックタイ６は、それの一方が主梁２と同じ高さ位置で主鉄骨柱１に接続されている。このようにサイスミックタイ６の主鉄骨柱１への接続位置を主梁２と同じレベルにしたのは、両者が設けられていることによりボイラ建屋７側の剛性が最も高い部分となることによる。

図１１に示す例ではサイスミックタイ６は、第１層の上部、第２層の上部、第４層の上部、第５層の上部、第６層の上部に、合計で１４個設置されている。また、各サイスミックタイ６の鉄骨柱１への取り付け角度は例えば３０度〜４５度としており（図１２に示す長尺状のサイスミックタイ６が鉄骨柱１に当接する角度）、ボイラ本体の平面上のあらゆる変位方向に対応できるようにしている。また、ボイラ本体の熱伸び（上下移動）に対しても対応できる構造になっている。このように、サイスミックタイ６により地震荷重５による振動エネルギーを吸収してボイラ本体４とボイラ建屋７とのボイラ構造物を制振する。

図１１ならびに図１２において点線で囲まれた部分８は、ボイラ本体４と支持架構７からなるボイラ耐震構造体の重心位置に相当する層を示す。この重心位置の相当層８に本実施形態に係るサイスミックタイ６を設けることにより耐震性を向上したボイラ構造体とすることができる。

また、図１１と図１０において、ボイラ本体が火炉２０と後部壁部２２とを有する層に対しては、本実施形態に係るサイスミックタイ６を、火炉２０と支持架構７の間、及び、後部壁部２２と支持架構７の間の両方に設けることにより、耐震性の向上が図れる。

本実施形態のサイスミックタイ６も図１３に示した従来技術と同じように、サイスミックタイ６の全体の構成は、鋼板などの剛な鋼材２枚を１組として長さ方向の端部を溶接して１枚の板状にしたリンク部材１６Ａをボイラ本体４の高さ方向に上下１組ずつ平行に配置する。

このリンク部材１６Ａの上下の両端部に、紡錘型の柔な２本の鋼材からなるピン部材１６Ｂを垂直方向に配置し、リンク部材１６Ａを構成している前記鋼材２枚の間に、ピン部材１６Ｂの上下両端部をそれぞれ差し込む。そしてリンク部材１６Ａの両端部とピン部材１６Ｂの両端部を丸鋼（ヒンジピン）によりヒンジ接続している。すなわち、サイスミックタイ６は、剛性のある鋼材から構成された２本のリンク部材１６Ａと、そのリンク部材１６Ａよりも柔軟な鋼材からなる２本のピン部材１６Ｂのリンク構造体となっている。

このように剛性のあるリンク部材１６Ａと、それよりも柔軟なピン部材１６Ｂを組み合わせて用いることにより、サイスミックタイ６の主たる変形箇所をピン部材１６Ｂに特定することができる。

また、２本のピン材１６Ｂの中央部に設けた支圧部１６Ｂ−１にそれぞれ接続部材を設け、一方のピン材１６Ｂは支圧部６Ｃを介して支持架構７の鉄骨柱１に連結され、他方のピン材１６Ｂはバックステを介してボイラ本体４に連結される。

図１５の実線は、地震時のサイスミックタイが変位に対して作用する反力の状態を示したものである。変位開始前は原点（図面中央の変位方向と反力方向が交差した点）にあり、右側の変位に応じて右上がりに増加する。この勾配を第１勾配と称し、弾性変形により反力が増加する。変位が進むと弾性変形から塑性変形へとなり、ここからの勾配を第２勾配と称する。この第２勾配は、変位が最大変位（１５ｃｍ）に達するまで続く。

次に、変位が右から左に方向を変えると反力の方向が逆になり、弾性変形により前記最大変位から連続して第１勾配と平行に逆進し、原点まで戻らない位置で塑性変形となり、左側の変位に対して第２勾配と平行に最大変位（−１５ｃｍ）に達するまで進む。

さらに変位が左から右に方向を変えると反力の方向がまた逆、すなわち最初の方向と同じになり、弾性変形により第１勾配と平行に塑性変形に変わるまで進み、塑性変形後は第２勾配で最大変位（１５ｃｍ）まで進むことになる。

このように、断面２次モーメントを増加することと塑性応力面積部分を広げることには相反関係にあるため、両者を両立させる構造を見出すことには非常に困難な課題が伴うものであった。

本発明の実施形態に係るサイスミックタイ６では、このような課題を解決することができた。なお、図１６〜図１８に示す先に提案したサイスミックタイ６でも、前述の課題を解決することができるが、ピン部材１６Ｂの軸方向と略直交する方向のフランジ部１６Ｂ−４の厚さｔがピン部材１６Ｂの軸方向のどこでも同じであったため、繰り返し変形時において、支圧部１６Ｂ−１近傍のフランジ部１６Ｂ−４に応力が集中して、図２１ならびに図２２に示したように亀裂１７が発生するという問題がある。

そこでこの解決策として、図６に示すように、支圧部１６Ｂ−１近傍のフランジ部１６Ｂ−４の厚さｔ（ｘ）を大きくした構造を検討した。しかし、この構造では、フランジ部１６Ｂ−４上の応力集中位置が移動するだけであって、亀裂発生の可能性があった。

本発明は、ピン部材１６Ｂの中間部に設けられている支圧部１６Ｂ−１からピン部材１６Ｂの両端部に設けられているヒンジ結合部１６Ｃに至る方向において、ピン部材１６Ｂの軸方向と直交するフランジ部１６Ｂ−４の厚さｔ（Ｘ）を、後述する式に従って順次薄くすることにより、フランジ部１６Ｂ−４上での応力の分布を均等にして、亀裂の発生を抑制したものである。

図１は本発明の実施形態に係るサイスミックタイ６に用いるピン部材１６Ｂの正面図、図２はそのピン部材１６Ｂにおけるフランジ部１６Ｂ−４の厚さｔ（Ｘ）の変化を説明するための図、図３は図１Ａ−Ａ線上から見た断面図、図４は繰り返し変形後のピン部材１６Ｂの正面図、図５は図４Ｂ−Ｂ線上から見た断面図である。

図１に示すようにピン部材１６Ｂは、それの軸方向の中央部に配置された支圧部１６Ｂ−１と、その支圧部１６Ｂ−１の両面からヒンジ結合部１６Ｃに向かって外径を徐々に小さくした略紡錘形状（ラグビーボール形状）をしたピン部１６Ｂ−２から構成されている。

ボイラ本体４の熱膨張時に、ボイラ本体４と支持架構７に対してサイスミックタイ６を回転自由に連結するため、支圧部１６Ｂ−１の断面形状は円形をしており（図示せず）、前述の接続部材に対して相対的に摺動する構造になっている。

ピン部材１６Ｂの軸方向にその軸を対称中心線としてその両側面を部分的に凹状のウエブ部１６Ｂ−３を形成し、且つそのウエブ部１６Ｂ−３の両端部にフランジ部１６Ｂ−４を残存形成している。

図１には、サイスミックタイ６の反力Ｆｉが作用する軸１００１を示している。支圧部１６Ｂ−１ならびにピン部１６Ｂ−２の断面形状は、サイスミックタイ反力Ｆｉが作用する軸１００１に対して対称形となっている。そして、前記軸１００１がサイスミックタイ反力Ｆｉの方向と一致するようにサイスミックタイ６が、ボイラ本体４と支持架構７の間に設置される。

前述のように本発明の特徴は、ピン部材１６Ｂの中間部に設けられている支圧部１６Ｂ−１からピン部材１６Ｂの両端部に設けられているヒンジ結合部１６Ｃに至る方向（図２中の−Ｘ方向）において、フランジ部１６Ｂ−４の厚さｔ（Ｘ）を、図２中に記載されている式ｔ（Ｘ）＝ｔ_０・（Ｘ／Ｌ）^αに従って、順次薄くしたことにある。

前記式は、地震発生時、フランジ部１６Ｂ−４の内部で発生する応力を均一にするように、式中のα値を解析検討により適正化して求めた式であり、その結果、α値は０．３〜０．４の範囲から選択される数値が適正値であることを、後述の検討結果から解明した。

なお、前記式中
ｔ（Ｘ）：ヒンジ結合部１６Ｃの中心点Ｏから支圧部１６Ｂ−１側にＸｍｍ離れた位置でのフランジ部１６Ｂ−４の厚さ（例えば図中のｔ（Ｘ_１），ｔ（Ｘ_２）参照）、
ｔ_０：支圧部１６Ｂ−１の中央部（サイスミックタイ６の反力Ｆｉが作用する軸１００１線上）におけるフランジ部１６Ｂ−４の厚さ、
Ｘ：ヒンジ結合部１６Ｃの中心点Ｏからフランジ部１６Ｂ−４の厚さを算出しようとしている位置までの長さ、
Ｌ：ヒンジ結合部１６Ｃの中心点Ｏから支圧部１６Ｂ−１の中央部（サイスミックタイの反力Ｆｉが作用する軸１００１線上）までの長さ、
α：０．３〜０．４の範囲から選択される数値
をそれぞれ示している。

図１に示すピン部材１６Ｂにおけるαの値を変化させた場合の、αの値と応力均一度との関係を検討した結果を図７に示した。同図の横軸にαの値を、縦軸に応力均一度を、それぞれとっている。

この図から明らかなように、αの値が０．３を超えると応力均一度は６０％超えて更に増える傾向にあり、一方、αの値が０．４を超えると応力均一度は６０％より更に下がる傾向にある。

従って、αの値を０．３〜０．４の範囲内に特定することにより、フランジ部１６Ｂ−４内部での応力均一度を極端に大きくすることができる。なお、先に検討した図６に示すピン部材１６Ｂでは、支圧部１６Ｂ−１近傍のフランジ部１６Ｂ−４の厚さｔ（ｘ）が極端に厚いため、αの値は０．３〜０．４の範囲から外れており、応力均一度は低い。

図８は、先に提案したサイスミックタイに対する本発明によるエネルギー吸収量の増加率を示した特性図である。前述のようにαの値を０．３〜０．４の範囲内に特定することにより、応力均一度を大きくすることができ、その影響で図８に示すように、α＝０．３〜０．４の領域において、先に提案したサイスミックタイよりもエネルギー吸収率を増加することができる。

図７に示す応力均一度が高いα値の領域と、図８に示すエネルギー吸収量が増加するα値の領域は、同じ領域であり、このことからα＝０．３〜０．４が最適値と判断した。

このように支圧部１６Ｂ−１からヒンジ結合部１６Ｃに至る方向において、フランジ部１６Ｂ−４の厚さｔ（Ｘ）の変化に緩やかな勾配を持たせることにより、図４に示すようにサイスミックタイ６が繰り返し変形した場合においても、フランジ部１６Ｂ−４での応力集中を防ぎ、それによりフランジ部１６Ｂ−４に割れが発生し難くなり、結果的にはサイスミックタイ６の長寿命化に寄与することになる。

図９は、本発明の実施形態に係るサイスミックタイ６の累積塑性変形量比と荷重比との関係を示す特性図である。この試験は、前記式においてＬ＝１６７ｍｍ、ｔ_０＝１０ｍｍ^２、Ｘ_１＝７５ｍｍ、ｔ（Ｘ_１）＝７ｍｍ、Ｘ_２＝１２２ｍｍ、ｔ（Ｘ_２）＝９ｍｍ、α＝０．３３で設計された、実際のピン部材１６Ｂの１／３の縮小モデルピン部材を作製して行った。

従って、実際の大きさのピン部材１６Ｂに換算すると、Ｘ_１は７５×３＝２２５ｍｍ、ｔ（Ｘ_１）は７×３＝２１ｍｍ、Ｘ_２は１２２×３＝３６６ｍｍ、ｔ（Ｘ_２）は９×３＝２７ｍｍとなる。従って図２に示す位置Ｘ_２と位置Ｘ_１の間（３６６−２２５＝）１４１ｍｍで、フランジ部１６Ｂ−４の厚さｔ（Ｘ）は（２７−２１＝）６ｍｍと僅かに薄くなっていることになる。

図９に示すように、本発明の実施形態に係るサイスミックタイ６は、累積塑性変形量比が２．０程度で破断するが、これは図２３に示す先に提案したサイスミックタイの累積塑性変形量比１．１の約２倍であり、サイスミックタイの耐用寿命を約２倍に延長することが可能となる。

詳細な構造は図示していないが、本発明の実施形態に係るサイスミックタイ６は、所定の形状に成形された複数枚の鋼板を組み合わせて接合することにより構成することができる。

１ 鉄骨柱、
２ 主梁、
４ ボイラ本体、
５ 地震荷重、
６ サイスミックタイ
７ 支持架構（ボイラ建屋）、
８ ボイラ耐震構造の重心位置に相当する層、
１６Ａ リンク部材、
１６Ｂ ピン部材、
１６Ｂ−１ 支圧部、
１６Ｂ−２ ピン部、
１６Ｂ−３ ウエブ部、
１６Ｂ−４ フランジ部、
１６Ｃ ヒンジ結合部、
δｉ 変位、
Ｆｉ 支圧部へ作用する反力、
１００１ 反力Ｆｉが作用する軸。

Claims (4)

1. 垂直方向に複数本配置される柱と水平方向に複数本配置される梁との組み合わせからなる支持架構と、その支持架構の上部梁から吊り下げられるボイラ本体の間に配置されて、一端が前記支持架構側に接続され、他端が前記ボイラ本体側に接続されて、前記支持架構とボイラ本体の地震時の相対変位を利用して地震の振動エネルギーを吸収するボイラ制振用のサイスミックタイであって、
   前記サイスミックタイは、前記相対変位の発生する方向に対して水平方向に配置された剛性のある２本のリンク部材と、前記相対変位の発生する方向に対して垂直方向に配置された前記リンク部材よりも柔軟な２本のピン部材を備え、前記リンク部材と前記ピン部材の両端部を互いにヒンジ結合した構造を有し、
   前記ピン部材は、そのピン部材の軸方向の中央部に、断面形状が円形であって前記支持架構および前記ボイラ本体の連結部となる支圧部と、前記支圧部からヒンジ結合部に向かって外径を徐々に小さくした略紡錘形状のピン部を有し、
   前記ピン部は、外周部に凹状のウエブ部と、そのウエブ部の外縁側にフランジ部を残存形成した形状をしており、
   前記ピン部材の軸方向と略直交する方向の前記フランジ部の厚さｔ（Ｘ）を、前記支圧部から前記ヒンジ結合部に向かって徐々に薄くし、
   前記フランジ部の厚さｔ（Ｘ）は、下式によって算出されることを特徴とするボイラ制振用のサイスミックタイ。
   ｔ（Ｘ）＝ｔ_０・（Ｘ／Ｌ）^α
   式中
   ｔ（Ｘ）：ヒンジ結合部の中心点から支圧部側にＸｍｍ離れた位置でのフランジ部の厚さ、
   ｔ_０：支圧部の反力が作用する軸線上におけるフランジ部の厚さ、
   Ｘ：ヒンジ結合部の中心点からフランジ部の厚さを算出しようとしている位置までの長さ、
   Ｌ：ヒンジ結合部の中心点から支圧部の反力が作用する軸線上までの長さ、
   α：０．３〜０．４の範囲から選択される数値。
2. 請求項１に記載のボイラ制振用のサイスミックタイにおいて、
   地震時の相対変位に対する前記支圧部への反力が作用するピン部材の軸に対して両側部の断面形状を対称形としたことを特徴とするボイラ制振用のサイスミックタイ。
3. 請求項２に記載のボイラ制振用のサイスミックタイにおいて、
   前記ピン部材の軸が前記支圧部への反力の方向と一致するように、当該サイスミックタイが前記ボイラ本体と前記支持架構の間に設置されることを特徴とするボイラ制振用のサイスミックタイ。
4. 垂直方向に複数本配置される柱と上下方向に複数本配置される梁との組み合わせからなる支持架構と、
   その支持架構の上部梁から吊り下げられるボイラ本体と、
   前記支持架構と前記ボイラ本体の間に配置されて、一端が前記支持架構に接続され、他端が前記ボイラ本体に接続されて、前記支持架構とボイラ本体の地震時の振動エネルギーを吸収するサイスミックタイを備えたボイラ耐震構造体において、
   前記サイスミックタイが請求項１ないし３のいずれか１項に記載のサイスミックタイであって、
   前記サイスミックタイを、少なくとも前記ボイラ耐震構造体の重心位置に相当する層に設けたことを特徴とするボイラ耐震構造体。