JP6297462B2

JP6297462B2 - 地震及び津波作用を受ける、既設橋桁の落橋防止工法

Info

Publication number: JP6297462B2
Application number: JP2014207718A
Authority: JP
Inventors: 俊太朗轟; 渡辺　健; 健渡辺; 田中　章; 章田中; 又稔大野
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2034-10-09
Also published as: JP2016075120A

Description

本発明は、地震及び津波作用を受ける、既設橋桁の落橋防止工法に関するものである。

従来、種々のコンクリート部材の耐震工法は既に実施されている（下記特許文献１〜３参照）
しかしながら、２０１１年３月１１日の東北地方太平洋沖地震では、地震や津波により海岸に隣接する橋が倒壊・落橋した。

交通ネットワークである鉄道・道路橋の倒壊・落橋は、医療や援助物資、救援部隊の派遣を途絶し、人命を脅かす。また、橋の架け替えに多大な時間がかかり、復旧を遅らせる。

そこで、震災後のライフライン確保・早期復旧のため、橋脚の倒壊、橋桁の落橋防止対策が求められる。

また、流失した橋桁は、家屋や堤防等に接触し被害を拡大する。さらには人に接触し、人命に関わる問題へと繋がる。そのため、落橋を防止すると共に、じん性に富む構造とし、倒壊・落橋する時間をなるべく遅延させ、地域住民の避難時間を稼ぐ必要がある。

特開２０１１−９９２０１号公報特開２０１１−８９２７５号公報特開２０１３−１１９５１１３号公報

２０１１年３月１１日の東北地方太平洋沖地震以降、鉄道・道路橋に作用する津波波力の研究から津波作用による落橋及び抵抗メカニズムが明らかとなってきた。

しかしながら、落橋を防止する対策方法に関する研究は少ない。特に既設構造物を対象とした対策工法はない。

補強対策を施す場合には、それを用いた補強設計手法が必要である。しかし、補強工法と同様に補強設計手法も皆無である。

ところで、津波伝播速度は地盤伝達速度と比べ遅く、一般的に津波波力は地震波力の後に橋へ作用する。

それらの補強対策は、地震と津波の両作用を考慮した工法を用いる必要がある。

本発明は、地震力および津波波力の両作用に対する既設橋桁の落橋防止工法に関するものである。

その既設橋桁の落橋防止工法に併せて、それを用いた補強設計手法を提案した。

ところで、橋脚と橋桁を各々に補強すると、補強の効果が一方に影響し、合理的な補強設計とはならない。

したがって、橋脚と橋桁を単独に補強するのではなく、橋脚と橋桁の構造系を考慮した地震及び津波対策工法とすることが望ましい。

本発明は、上記状況に鑑みて、地震及び津波作用を受ける、橋脚と橋桁の構造系を考慮した既設橋桁の落橋防止工法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕地震及び津波作用を受ける、既設橋桁の落橋防止工法において、左右の既設橋桁に鉄筋径に応じた孔を削孔し、該削孔に鉄筋を挿入し、接着することにより鉄筋を設置し、橋脚に受け梁用の孔を鉄筋径に応じて削孔し、この受け梁用の孔に鉄筋を挿入し、接着することにより鉄筋を設置し、型枠を設置し、配筋、落橋防止装置の据え付けを行い、コンクリートを打設するとともに、前記落橋防止装置には、事前に鉄筋挿入用の孔を設けて受け梁を設置し、落橋防止装置と両橋桁の間に衝撃緩衝材を設置する地震及び津波作用を受ける、既設橋桁の落橋防止工法であって、地震時の抵抗機構として、前記落橋防止装置が作用し、地震に対して線路方向及び線路直角方向の落橋を防止し、津波時の抵抗機構として、前記落橋防止装置が作用するとともに、前記鉄筋が前記橋桁の上揚力に抵抗することを特徴とする。

本発明によれば、地震及び津波作用を受ける、橋脚と橋桁の構造系を考慮した既設橋桁の落橋防止工法を提供することができる。

本発明の実施例を示す既設橋桁（例えば、ＲＣ, ＰＣ橋桁）の落橋防止工法の概要図である。本発明に係る津波作用により橋桁に作用する力を示す図である。本発明に係る津波解析シミュレーションの結果例（水平力）を示す図である。本発明の実施例の設計フローチャートである。地震時損傷なしの場合の橋脚を示す図である。橋脚の地震時残留変形と津波作用の算出方法の説明図である。

地震及び津波作用を受ける、既設橋桁の落橋防止工法は、左右の既設橋桁に鉄筋径に応じた孔を削孔し、該削孔に鉄筋を挿入し、接着することにより鉄筋を設置し、橋脚に受け梁用の孔を鉄筋径に応じて削孔し、この受け梁用の孔に鉄筋を挿入し、接着することにより鉄筋を設置し、型枠を設置し、配筋、落橋防止装置の据え付けを行い、コンクリートを打設するとともに、前記落橋防止装置には、事前に鉄筋挿入用の孔を設けて受け梁を設置し、落橋防止装置と両橋桁の間に衝撃緩衝材を設置する地震及び津波作用を受ける、既設橋桁の落橋防止工法であって、地震時の抵抗機構として、前記落橋防止装置が作用し、地震に対して線路方向及び線路直角方向の落橋を防止し、津波時の抵抗機構として、前記落橋防止装置が作用するとともに、前記鉄筋が前記橋桁の上揚力に抵抗する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

本発明の対象となる構造物は、主に、下部工がく形橋脚、上部工が橋桁（例えば、ＲＣ，ＰＣ橋桁）から成る既設構造物である。

新設橋桁に対する対策は、津波作用を受け難い断面形状にすることや、津波を受けない立地に路線計画をすることなど多様な対応策が考えられる。そのため、本発明にかかる主な対象とはしないが、新設橋桁にも適用は可能である。
〔１〕既設橋桁（例えば、ＲＣ, ＰＣ橋桁）の落橋防止工法の概要並びに本工法の地震及び津波に対する抵抗機構
図１は本発明の実施例を示す既設橋桁（例えば、ＲＣ, ＰＣ橋桁）の落橋防止工法の概要図であり、図１（ａ）は橋軸直角方向の模式図、図１（ｂ）は橋軸方向の模式図である。

これらの図において、Ａは下部工としての矩形橋脚、Ｂは上部工としての橋桁（ＲＣ，ＰＣ橋桁）であり、落橋防止装置１、受け梁２、鉄筋３、衝撃緩衝材４の４部材・材料から成る。既設橋脚に落橋防止装置１の受け梁２を設置する。また、既設橋桁に鉄筋３を挿入し、落橋防止装置１及び衝撃緩衝材４を設置する。すなわち、（ａ）左右の既設橋桁に鉄筋径に応じた孔を削孔し、該削孔に鉄筋を挿入し、接着することにより鉄筋を設置し、（ｂ）橋脚に受け梁用の孔を鉄筋径に応じて削孔し、この受け梁用の孔に鉄筋を挿入し、接着することにより鉄筋を設置し、型枠を設置し、配筋、落橋防止装置の据え付けを行い、コンクリートを打設するとともに、前記落橋防止装置には、事前に鉄筋挿入用の孔を設けて受け梁を設置し、（ｃ）落橋防止装置と両橋桁の間に衝撃緩衝材を設置する。

地震時の抵抗機構としては、落橋防止装置１のストッパーにより、線路方向および線路直角方向の既設橋脚Ｂの下部工としての矩形橋脚Ａからの落橋を防止する。鉄筋３は、津波作用による上揚力のみに抵抗するため、橋軸方向には自由に動ける隙間５を有する緩衝緩衝材４を設ける。

津波時の抵抗機構としては、津波時は、地震時と同様に落橋防止装置１のストッパーにより、線路方向および線路直角方向の下部工としての矩形橋脚Ａからの橋桁Ｂの落橋を防止する。

図２は本発明に係る津波作用により橋桁に作用する力を示す図である。

この図において、津波作用により、Ｔ形ＰＣ橋桁Ｂに上揚力Ｆ_Xが作用する。なお、Ｆ₁は水平力、Ｆ₂はモーメントである。

ここで、最も早く構造物に到達・作用する第一波の波力は衝撃力を伴うため、衝撃緩衝材によりこの衝撃力を解消する。

図３は本発明に係る津波解析シミュレーションの結果例（水平力）を示す図である。

津波作用による上揚力_Xに対しては、鉄筋３が抵抗する。

〔２〕施工方法
（ａ）既設橋桁（例えば、ＲＣ, ＰＣ橋桁）の落橋防止工法
（ｉ）鉄筋の設置：左右の既設橋桁に鉄筋径に応じた孔を削孔する。鉄筋を挿入し、接着する。
（ii）受け梁の設置：橋脚に受け梁用の孔を鉄筋径に応じて削孔する。鉄筋を挿入し、接着する。型枠設置、配筋、落橋防止装置の据え付けを行い、コンクリートを打設する。落橋防止装置には、事前に鉄筋挿入用の孔を設ける。
（iii)衝撃緩衝材の設置：落橋防止装置と両橋桁の間に衝撃緩衝材を設置する。
（ｂ）既設橋脚の耐震・津波補強工法
（ｉ）軸方向・せん断補強鉄筋の配置
（ii）型枠・支保工の組立・据付け
（iii)コンクリート・モルタルの打設
〔３〕補強設計手法の概要
地震と津波作用の特徴とそれによる橋脚の損傷履歴
津波を伴う地震の発生により、構造物は地震作用、その後の津波作用を受ける。

そのため、構造物は地震作用により受けた載荷履歴を残したまま、津波作用により再載荷を受ける。

表１に地震作用及び津波作用の特徴と部材損傷履歴を示す。

地震作用はランダムな方向の瞬間的な繰返しであるため、部材の損傷履歴は鉄筋降伏（Ｙ点）、コンクリートの剥落・鉄筋座屈（Ｍ点）、繰返し載荷に起因するコアコンクリートの圧縮破壊・低サイクル疲労による鉄筋破断となる。

津波作用は一方向に単調に生じるため、部材の損傷履歴は鉄筋降伏（Ｙ点）、鉄筋破断である。

地震と津波作用の特徴により部材の損傷履歴・変形性能はＭ点以降で異なる。
〔４〕補強設計上の留意点
地震作用によりＭ点以降の損傷が生じた場合には、津波作用による再載荷履歴は予測できない。

津波作用は荷重一定の単調載荷であるため、Ｙ点を超えた場合、急激に変位が増加して破壊に至る。
〔５〕補強設計フローチャート
図４は本発明の実施例の設計フローチャートである。前半が地震、後半が津波に対する設計フローチャートを表す。

本発明の設計フローチャートは、地震後の津波発生を前提に構成する。別途、地震動レベルに応じた津波レベルは、津波発生シミュレーションを用いる。
（１）地震に対する設計フローチャート
（ａ）想定する地震動の設定（ステップＳ１）
（ｂ）要求性能の設定（ステップＳ２）
人命確保を前提に復旧にかかる時間や経済的な損失等の安全性・修復性・経済性を考慮して、想定する地震動レベルと要求性能を設定する。

表２に想定する地震動と要求性能の考え方を示す。供用期間中に数回程度発生するＬ１地震動では、経済性を考慮して補修が必要とならない損傷レベル１とする。

修復性や経済性を考慮して復旧性を検討するための地震動を設定し、津波による落橋防止の観点から橋脚の損傷レベルは２とする。損傷レベルを３としてもよいが、その場合には、津波による落橋を前提として、人命を確保するための広範な対策を講じなければならない。

供用期間中に生じる最大級の地震動に対しては、人命確保を必要条件とし、地震により構造物が倒壊しないように橋脚の損傷レベルを３に留める。Ｌ２地震時に橋脚の損傷レベルを３とした場合、補強設計上の留意点で示した通り、津波作用による再載荷履歴は予測できないため、橋桁が落橋し、人命を脅かすリスクは増加する。そのため、なるべく橋桁の落橋までの時間を遅らせ、近隣住民の避難時間を稼ぐため、じん性に富む補強とする。

本発明の設計フローチャートは復旧性を検討するための地震動に対して損傷レベル２を満足する場合を対象とする。
（ｃ）地震応答解析（ステップＳ３）
地震応答解析により、地震作用による構造物の応答を算出する。
（ｄ）橋脚の破壊形態の判定と変形の照査（ステップＳ４）
橋脚は、地震及び津波に対して、じん性を確保するため、脆性的なせん断破壊よりもじん性的な曲げ破壊が先行するように、曲げ耐力時のせん断力Ｖｍｕがせん断耐力Ｖｕよりも小さくなるように設計する。

損傷レベル２の限界値を曲げ耐力時の部材角θｍとして、最大応答部材角θｄｍａｘがそれより小さいことを確認する。
（ｅ）曲げ・せん断補強
この曲げ・せん断補強を満たさない場合には、曲げやせん断補強を施す。

津波は、流れ方向と直角な面に作用するため、補強をする際には、津波の作用面積が少なく、津波作用を低減する補強工法が必要である。そのため、本工法を用いる。
（ｆ）橋桁の落橋に関する照査
橋軸方向の桁掛かりと橋脚天端変位により橋桁の落橋に関する照査を行う。地震時では、一般的に橋軸直角方向は、橋脚天端幅が広いため、落橋を照査する必要はない。
（ｇ）落橋防止工法
橋軸方向の橋脚天端変位が桁掛かりより大きい場合には、落橋の恐れがあるため、落橋防止工法を施す。

曲げ補強により橋脚天端変位を小さくしても良いが、橋軸方向に多くの鉄筋を配置する必要があり、橋脚断面が大きくなることから、津波の作用面積が大きくなることに留意する。

図５は地震時損傷なしの場合の橋脚を示す図、図６は橋脚の地震時残留変形と津波作用の算出方法の説明図である。
（２）津波に対する設計フローチャート
（ａ）要求性能の設定
表３に想定する津波レベルと要求性能の考え方を示す。

損傷・落橋による人命の危険性や、ライフラインの寸断による復旧物資の途絶、復旧工事やダウンタイムによる経済的な損失を考慮して、想定する津波レベルと要求性能を設定する。

（ｂ）津波応答解析（橋脚と橋桁剛結一体モデル）
（ｃ）橋脚の曲げ破壊に関する照査
橋脚に発生する曲げモーメントＭｄが、曲げ降伏耐力Ｍｙより小さくなるように設計する。

補強設計上の留意点で示した通り、津波作用は荷重一定の単調載荷であるため、Ｙ点を超えた場合、急激に変位が増加して破壊に至る。そのため、曲げ降伏耐力Ｍｙを限界値として設計する。

（ｄ）曲げ補強
この曲げ補強を満たさない場合には、曲げ補強を実施する。

曲げ補強は、津波の作用面積が増加せず、津波作用を低減する本発明の工法を用いる。ただし、過大な曲げ補強となる場合には、橋桁を落橋させ、橋脚の破壊を防止する。橋桁の落橋を許容する場合には、他広範な対策により人命を確保する。

（ｅ）橋桁の落橋に関する照査
橋桁に作用する水平力、上揚力、モーメントと、橋桁の抵抗力である橋桁自重・摩擦、アンカーやストッパーによる抵抗を比較し、橋桁の落橋に関する照査を行う。

検討の結果、落橋防止、曲げ補強が過大となる場合には、橋桁の落橋を許容する。前記（ｄ）と同様、橋桁の落橋を許容する場合には、他広範な対策により人命を確保する対策を施す。

橋桁の落橋を許容する場合には、橋桁流出時の作用（抵抗力）を用いて、橋脚の照査を行う。

（ｆ）落橋防止工法
津波に対する橋桁の抵抗力が応答値より小さい場合、落橋防止工法を施す。津波作用に対する落橋防止工法は、必要に応じて、水平力、上揚力、モーメントに抵抗する機構を有するものを適用する。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の地震及び津波作用を受ける、既設橋脚上に橋桁を有する構造物の橋桁の落橋防止工法は、地震及び津波作用を受ける、橋脚と橋桁の構造系を考慮した既設橋桁の落橋防止工法として利用可能である。

Ａ橋脚
Ｂ橋桁
１落橋防止装置
２受け梁
３鉄筋
４衝撃緩衝材

Claims

（ａ）左右の既設橋桁に鉄筋径に応じた孔を削孔し、該削孔に鉄筋を挿入し、接着することにより鉄筋を設置し、
（ｂ）橋脚に受け梁用の孔を鉄筋径に応じて削孔し、該受け梁用の孔に鉄筋を挿入し、接着することにより鉄筋を設置し、型枠を設置し、配筋、落橋防止装置の据え付けを行い、コンクリートを打設するとともに、前記落橋防止装置には、事前に鉄筋挿入用の孔を設けて受け梁を設置し、
（ｃ）落橋防止装置と両橋桁の間に衝撃緩衝材を設置する地震及び津波作用を受ける、既設橋桁の落橋防止工法であって、
（ｄ）地震時の抵抗機構として、前記落橋防止装置が作用し、地震に対して線路方向及び線路直角方向の落橋を防止し、津波時の抵抗機構として、前記落橋防止装置が作用するとともに、前記鉄筋が前記橋桁の上揚力に抵抗することを特徴とする地震及び津波作用を受ける、既設橋脚上に橋桁を有する構造物の橋桁の落橋防止工法。