JP6563791B2 - 脚柱構造体 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道橋や道路橋、高架橋といった橋梁の上部工を支持する脚柱構造体に関する。

従来、筒体からなる脚柱本体内の軸心に芯材が配設されている脚柱構造体が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この脚柱構造体は、脚柱本体で橋梁の上部工を支持しており、芯材は、脚柱本体の内壁面に上下に間隔を空けて設置した複数の軸力伝達板を介して取り付けられている。
そして、この脚柱構造体は、大地震により脚柱本体（筒体）に過大な水平力が加わった場合に、軸力伝達板が設置されている領域では筒体から芯材に軸力が伝達されて分散されるようになっており、また軸力伝達板が設置されていない領域では筒体が塑性変形して地震のエネルギーを吸収するようになっているので、地震によって損傷し難い構造を有しているとされている。

特開２０００−２７３８２５号公報

しかしながら、上記特許文献１の脚柱構造体の一部が塑性変形して脚柱構造体全体が長周期化することによる減衰効果で地震のエネルギーを吸収する場合、その脚柱構造体が軟弱地盤に構築されていると、脚柱構造体が長周期化する際に共振し易く、その振幅が大きくなり過ぎてしまうことがあった。
振幅が大きくなり過ぎ、脚柱構造体が大きく変形してしまうと、脚柱構造体に疲労がたまるなどして損傷する虞があった。

本発明の目的は、過度に共振するのを抑制できる脚柱構造体を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明は、
上端部が上部工に接合されて、鉛直向きに立設された芯柱と、
前記芯柱が軸心に配置され、前記上部工とは接合されない筒状外柱と、
前記芯柱と前記筒状外柱の間に取り付けられた降伏ヒューズ部材と、
前記芯柱と前記筒状外柱の間に取り付けられた弾性変形体と、
を備えている脚柱構造体であって、
前記降伏ヒューズ部材が前記芯柱と前記筒状外柱とを一体的に繋いでいる状態では、前記芯柱が前記上部工を支持することによる軸力を負担し、前記筒状外柱が前記降伏ヒューズ部材及び前記弾性変形体を介して前記芯柱から伝達される水平力を負担するように構成されており、
前記降伏ヒューズ部材が所定の限度を超える大きさの地震動によって破壊された後は、前記芯柱と前記筒状外柱との間で弾性変形可能になる前記弾性変形体によって当該脚柱構造体の固有周期を長周期化させて入力地震動を低減するように構成されており、その弾性変形体は、地震動による当該脚柱構造体の振幅が所定値より小さい状態から所定値より大きい状態に変化した際、前記弾性変形体の弾性係数が大きな値に切り替わるように構成されているようにした。

かかる構成の脚柱構造体は、通常時（地震が起きていない状態）あるいはＬ１地震発生時には、降伏ヒューズ部材によって芯柱と筒状外柱とが繋がれており、鉄道や車両が走行する上部工を適切に支持する剛性を有する構造を有している。そして、上部工から作用する鉛直方向の力と水平方向の力をそれぞれ芯柱と筒状外柱とで分担するようにして、その上部工を好適に支持することができる優れた荷重保持性能を備えている。
また、所定の限度を超える大きさの地震動であるＬ２地震発生時に降伏ヒューズ部材が破壊された脚柱構造体は、弾性変形体が弾性変形することによってその固有周期を長周期化する柔構造に変化することで、芯柱および筒状外柱の過大変位を防止して、脚柱構造体が損傷することを防ぐことができる優れた地震時耐荷性能を備えている。

更に、この脚柱構造体における降伏ヒューズ部材が破壊された後、弾性変形体が弾性変形することによって当該脚柱構造体の固有周期を長周期化させる際に、その弾性変形体は地震動による脚柱構造体の振幅が所定値より小さい状態から所定値より大きい状態に変化した際、前記弾性変形体の弾性係数が大きな値に切り替わるので、脚柱構造体が過度に共振するのを抑制することができる。
具体的に、弾性変形体が弾性変形することによって脚柱構造体の固有周期を長周期化させる際に、地盤の固有周期と脚柱構造体の固有周期とが一致して共振現象が起こり、脚柱構造体の揺れが増幅されてしまった場合に、弾性変形体の弾性係数が切り替わることで、脚柱構造体はその固有周期を地盤の固有周期からずらし、脚柱構造体が過度に共振するのを抑制する共振自己回避機能を備えている。
そして、弾性変形体の弾性係数が第１の値から、該第１の値よりも大きな第２の値に切り替わり、弾性変形体の弾性力が相対的に剛に変化すれば、脚柱構造体が共振するのを好適に治めることができる。
つまり、この脚柱構造体は、荷重保持性能と地震時耐荷性能を兼ね備え、さらに共振自己回避機能を備えた優れた構造物であり、鉄道橋や道路橋、高架橋などの脚柱に適用することができる。

ここで「Ｌ１地震」とは、中規模の地震であって、その構造物の耐用年数中に一度以上は受ける可能性が高い地震動（供用期間中に複数回起こる地震動）を指す。
また「Ｌ２地震」とは、その構造物が将来に亘って受けることが予想される最強と考えられる地震動、想定しうる範囲内で最大規模の地震動を指す。

また、望ましくは、
前記弾性変形体は、前記降伏ヒューズ部材が破壊された後、地震動による当該脚柱構造体が揺れると弾性変形する第１弾性部材と、前記振幅が所定値より大きい状態で弾性変形する第２弾性部材を有するようした。
地震動によって揺れる脚柱構造体の振幅がどのような値でも弾性変形する第１弾性部材と、その振幅が所定値より大きい状態で弾性変形する第２弾性部材を有している弾性変形体であれば、脚柱構造体の振幅が所定値より大きい状態になった際に弾性変形体の弾性係数が切り替わり、直ちに脚柱構造体が共振するのを抑制できる。

また、望ましくは、
前記降伏ヒューズ部材は、上下に間隔を空けた複数箇所に取り付けられており、前記複数箇所毎に前記降伏ヒューズ部材が前記芯柱の外周面の周方向に所定間隔で複数配設されているようにした。
芯柱と筒状外柱の間に複数の降伏ヒューズ部材が取り付けられていて、上下に間隔を空けた複数箇所毎に降伏ヒューズ部材が芯柱の外周面に所定間隔に配設されていれば、芯柱と筒状外柱とをバランスよく適切に繋ぐことができるので、降伏ヒューズ部材が芯柱と筒状外柱とを一体的に繋いでいる状態において、脚柱構造体は上部工を好適に支持することができる。

また、望ましくは、
前記弾性変形体は、上下に間隔を空けた複数箇所に取り付けられており、前記複数箇所毎に前記弾性変形体が前記芯柱の外周面の周方向に所定間隔で複数配設されているようにした。
芯柱と筒状外柱の間に複数の弾性変形体が取り付けられていて、上下に間隔を空けた複数箇所毎に弾性変形体が芯柱の外周面に所定間隔に配設されていれば、柱と筒状外柱とをバランスよく適切に繋ぐことができるので、降伏ヒューズ部材が地震動によって破壊された後、その地震動の入力方向によらず、複数の弾性変形体がそれぞれ弾性変形することで、入力地震動を好適に低減することや、脚柱構造体が過度に共振するのを抑制することができる。

また、望ましくは、
前記芯柱と前記筒状外柱の間に取り付けられた粘性部材を備え、
前記粘性部材は、上下に間隔を空けた複数箇所に取り付けられており、前記複数箇所毎に前記粘性部材が前記芯柱の外周面の周方向に所定間隔で複数配設されているようにした。
芯柱と筒状外柱の間に複数の粘性部材が取り付けられていて、上下に間隔を空けた複数箇所毎に粘性部材が芯柱の外周面に所定間隔に配設されていれば、地震時応答を低減する際の減衰性能を向上させることができる。

また、望ましくは、
前記芯柱は円柱形状を有し、前記筒状外柱は円筒形状を有しているようにした。
芯柱が円柱形状を有し、筒状外柱が円筒形状を有していれば、脚柱構造体は地震動の入力方向によらず、優れた荷重保持性能および地震時耐荷性能や共振自己回避機能を発揮できる。

本発明によれば、過度に共振するのを抑制できる脚柱構造体が得られる。

本実施形態の脚柱構造体を示す側面図（ａ）と断面図（ｂ）である。 図１のII−II線における断面図である。 図１のIII−III線における断面図である。 芯材と筒材の接続部分を示す拡大図である。 図１のII−II線における断面図であり、降伏ヒューズ部材の変形例を示している。 降伏ヒューズ部材の変形例を示す説明図である。 降伏ヒューズ部材の変形例を示す説明図である。 図１のIII−III線における断面図であり、脚柱構造体の振幅が比較的小さな状態を示している。 図１のIII−III線における断面図であり、脚柱構造体の振幅が比較的大きな状態を示している。 図１のIII−III線における断面図であり、粘性部材を配設した変形例である。 脚柱構造体の第１の施工方法に関する説明図であり、第１工程（ａ）、第２工程（ｂ）を示している。 脚柱構造体の第２の施工方法に関する説明図であり、第１工程（ａ）、第２工程（ｂ）、第３工程（ｃ）を示している。 脚柱構造体の第３の施工方法に関する説明図であり、第１工程（ａ）、第２工程（ｂ）、第３工程（ｃ）を示している。 本実施形態の橋梁構造を示す側面図である。 本実施形態の橋梁構造の変形例を示す側面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る脚柱構造体の実施形態について詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

図１（ａ）は脚柱構造体１００を示す側面図、図１（ｂ）は脚柱構造体１００を示す断面図である。この脚柱構造体１００は、鉄道橋や道路橋、高架橋といった橋梁の上部工１を支持する構造物である。

本実施形態の脚柱構造体１００は、図１（ａ）（ｂ）、図２、図３に示すように、上端部１０ｕが上部工１に接合されて鉛直向きに立設された芯柱１０と、芯柱１０が軸心に配置されて上部工１とは接合されない筒状外柱２０と、芯柱１０と筒状外柱２０の間に取り付けられた降伏ヒューズ部材３０と、芯柱１０と筒状外柱２０の間に取り付けられた弾性変形体４０と、を備えている。
この脚柱構造体１００は、基礎杭２ａが設けられているフーチング２上に立設されて、上部工１を支持している。なお、芯柱１０の下端部１０ｄはフーチング２に接合されている。

芯柱１０は、円柱形状を有する柱体であり、例えば、鋼管１０ａの内部にコンクリートなどの固化材料１０ｂを充填したコンクリート充填鋼管構造（ＣＦＴ；Concrete Filled Steel Tube）の柱体である。
この芯柱１０は、後述するように、複数の芯材１１（図１１参照）を軸方向に積み重ねるようにして形成することができる。
例えば、図４に示すように、芯材１１の上部には第１接続部１１ｉが設けられ、芯材１１の下部には第２接続部１１ｏが設けられており、第１接続部１１ｉと第２接続部１１ｏとが嵌合することで、芯材１１を積み重ねることが可能になっている。
なお、芯柱１０の上端部１０ｕは、上部工１にピン接合されていることが好ましい。

筒状外柱２０は、円筒形状を有する筒体であり、芯柱１０よりも径が大きい鋼管などからなる筒体である。
この筒状外柱２０は、後述するように、複数の筒材２１（図１１参照）の軸心を合わせるように積み重ねて形成することができる。
例えば、図４に示すように、筒材２１の上部には第１接続部２１ｉが設けられ、筒材２１の下部には第２接続部２１ｏが設けられており、第１接続部２１ｉと第２接続部２１ｏとが嵌合することで、筒材２１を好適に積み重ねることが可能になっている。

降伏ヒューズ部材３０は、上下に間隔を空けた複数箇所（図１では４箇所）に取り付けられており、その複数箇所毎に複数（図２では４つ）の降伏ヒューズ部材３０が芯柱１０の外周面の周方向に等間隔に配設されている。
降伏ヒューズ部材３０は、所定の限度を超える大きさの地震動によって破壊されるように設計された脆性部材であり、一端が芯柱１０の外周面に固定され、他端が筒状外柱２０の内周面に固定されている。例えば、降伏ヒューズ部材３０は、Ｌ１地震によっては破壊されず、Ｌ２地震によって破壊される強度を有している。所定の強度を有している降伏ヒューズ部材３０が、芯柱１０と筒状外柱２０とを繋いでいる状態では、芯柱１０と筒状外柱２０が一体的に挙動するようになっている。

この降伏ヒューズ部材３０は、例えば後述するように、芯柱１０と筒状外柱２０の間で膨張可能な袋体３０ａ内にモルタルなどの固化材料３０ｂを充填して形成することができる。袋体３０ａ内に固化材料３０ｂを充填して形成した降伏ヒューズ部材３０であれば、降伏ヒューズ部材３０が破壊された際に袋体３０ａから固化材料３０ｂが飛散することを防止できるので、降伏ヒューズ部材３０の破片などによって弾性変形体４０が伸縮する動作が妨げられることがない。

また、図２に示すように、当初４つの降伏ヒューズ部材３０が芯柱１０の外周面に等間隔に配設されている場合、各降伏ヒューズ部材３０間に予め袋体３０ａを取り付けておくことが好ましい。
降伏ヒューズ部材３０間に所定数（ここでは４つ）の袋体３０ａを予め取り付けておけば、例えば、Ｌ２地震が発生して降伏ヒューズ部材３０が破壊された後、袋体３０ａ内に固化材料３０ｂを充填して新たな降伏ヒューズ部材３０を速やかに形成することができるので、脚柱構造体１００の仮復旧を迅速に行うことができる。

また、降伏ヒューズ部材３０は、袋体３０ａ内に固化材料３０ｂを充填してなるものに限らない。
例えば、モルタルなどの固化材料を型枠に流し込む製法で、図２に示したような扇形の降伏ヒューズ部材３０を予め形成しておき、その降伏ヒューズ部材３０を芯柱１０と筒状外柱２０の間に取り付けるようにしてもよい。
モルタルなどの固化材料で作製された降伏ヒューズ部材３０であれば、袋体３０ａの有無によらず、地震動によって破壊される際、複数の降伏ヒューズ部材３０の破壊が段階的に進んでいき、脚柱構造体１００の固有周期が段階的に変化していくので、その固有周期が急激に長周期化することはない。
つまり、モルタル材料からなる降伏ヒューズ部材３０を用いていれば、脚柱構造体１００の固有周期が急激に長周期化することを防ぐことができる。例えば、脚柱構造体１００の固有周期が急激に長周期化してしまうと、後述する橋梁構造２００が不安定になってしまうので、脚柱構造体１００の固有周期を急激に変化させないようにすることが好ましい。

また、モルタル材料からなる降伏ヒューズ部材３０は、扇形であることに限らない。
例えば、図５に示すように、切欠３１が形成されている降伏ヒューズ部材３０でもよい。
降伏ヒューズ部材３０に形成する切欠３１の位置や大きさを調整したり、あるいは降伏ヒューズ部材３０の形状を調整したりすることによって、その降伏ヒューズ部材３０の強度を調整することができる。
所定の強度で破壊されるように調整された降伏ヒューズ部材３０であれば、その降伏ヒューズ部材３０が地震動によって破壊されるタイミングを調節することができるので、地震動による複数の降伏ヒューズ部材３０の破壊の進行を調節するようにして、脚柱構造体１００の固有周期が段階的に変化するのをコントロールすることが可能になる。

また、降伏ヒューズ部材３０は、モルタルなどの固化材料からなることに限らず、例えば、鋼棒や鋼板など鋼材からなる降伏ヒューズ部材３０であってもよい。鋼材からなる降伏ヒューズ部材３０であれば、地震動に対し要求される強度を高い精度で調整することができる。また、鋼材からなる降伏ヒューズ部材３０であれば、破壊された際に生じる破片がモルタル材料のものに比べて細かくなり難く、飛散対策を講じる必要がない。
例えば、図６に示すように、円柱状の鋼棒を用いた降伏ヒューズ部材３０を芯柱１０と筒状外柱２０の間に取り付けてもよい。この降伏ヒューズ部材３０の一端が芯柱１０の外周面に突き当てられ、他端が筒状外柱２０の内周面に突き当てられており、その一端と他端の少なくとも一方が突き当てられた箇所に溶接によって固定されている。
この降伏ヒューズ部材３０は、所定の限度を超える大きさの地震動によって折れ曲がり、破壊されるようになっている。例えば、降伏ヒューズ部材３０（鋼棒）の太さを調整することによって、その降伏ヒューズ部材３０の強度を調整することができ、その降伏ヒューズ部材３０が地震動によって破壊されるタイミングを調節することができる。
また、鋼棒の所定箇所に切欠や括れなどを設けておくことで、所望する箇所で降伏ヒューズ部材３０が折れ曲がるようにすることができる。

また、図７に示すように、鋼板を用いた降伏ヒューズ部材３０を芯柱１０と筒状外柱２０の間に取り付けてもよい。この降伏ヒューズ部材３０は、芯柱１０に一端側が溶接などによって固定された第１鋼板３２と、筒状外柱２０に一端側が溶接などによって固定された２枚の第２鋼板３３と、第１鋼板３２と第２鋼板３３を接合しているボルト３４を有している。具体的に、第１鋼板３２の一部が２枚の第２鋼板３３に挟まれており、その３枚の鋼板を貫くように接合部材であるボルト３４が取り付けられている。
この降伏ヒューズ部材３０は、所定の限度を超える大きさの地震動によってボルト３４が剪断されて、破壊されるようになっている。例えば、ボルト３４の太さや本数を調整することによって、その降伏ヒューズ部材３０の強度を調整することができ、その降伏ヒューズ部材３０が地震動によって破壊されるタイミングを調節することができる。

なお、後述するように降伏ヒューズ部材３０が破壊された後、芯柱１０と筒状外柱２０とを繋ぐ弾性変形体４０が弾性変形することによって当該脚柱構造体１００の固有周期を長周期化させて入力地震動を低減するようになっている。
ここで図７に示した降伏ヒューズ部材３０の場合、ボルト３４が剪断された後、弾性変形体４０が弾性変形することに加え、第１鋼板３２と第２鋼板３３とが摺接することで鋼板間に摩擦が生じるので、その摩擦による減衰効果で脚柱構造体１００の揺れが収まり易くなっている。

また、ボルト３４の素材として粘りのある鋼材を用いることで、地震動によってボルト３４が剪断されるまで、そのボルト３４を展延させることができる。つまり、所定の限度を超える大きさの地震動によってボルト３４が剪断されるまで、そのボルト３４が粘性ダンパーのように機能し、入力地震動を低減させることができる。
また、ボルト３４が剪断される際、第１鋼板３２や第２鋼板３３の一部が塑性変形することもある。この第１鋼板３２や第２鋼板３３の一部が塑性変形する際の展延によっても入力地震動を低減させることができる。

弾性変形体４０は、上下に間隔を空けた複数箇所（図１では４箇所）に取り付けられており、その複数箇所毎に複数（図３では４つ）の弾性変形体４０が芯柱１０の外周面の周方向に等間隔に配設されている。
この弾性変形体４０は、図３に示すように、芯柱１０に当接している板ばね４３と、一端が筒状外柱２０の内周面に固定され、他端が板ばね４３に固定されている第１弾性部材４１と、一端が筒状外柱２０の内周面に固定され、他端が自由端部とされている第２弾性部材４２とを備えており、芯柱１０と筒状外柱２０の間で弾性変形可能に取り付けられている。但し、降伏ヒューズ部材３０が芯柱１０と筒状外柱２０とを繋いでいる状態では、芯柱１０と筒状外柱２０は一体的に挙動するので、芯柱１０が筒状外柱２０の軸心から殆どずれることはなく、弾性変形体４０は殆ど弾性変形しない。
つまり、降伏ヒューズ部材３０が芯柱１０と筒状外柱２０を繋いでいる状態で、各弾性変形体４０は、第１弾性部材４１が伸長する付勢力によって板ばね４３を芯柱１０に突き当てるようにして、芯柱１０と筒状外柱２０を繋いでいる。
なお、第１弾性部材４１と第２弾性部材４２のばね定数は異なり、それぞれ異なる弾性力を有している。具体的に、第２弾性部材４２は第１弾性部材４１よりもばね定数が大きい硬いばねである。

そして、芯柱１０と筒状外柱２０とを繋ぐ降伏ヒューズ部材３０が破壊された後、芯柱１０と筒状外柱２０とが別体となってそれぞれが個別に挙動する際に、芯柱１０と筒状外柱２０の間に取り付けられている弾性変形体４０が弾性変形するようになり、剛性を有する構造であった脚柱構造体１００が柔構造に変化する。ここでいう柔構造とは、一般的な免震で考えられるような剛性の低い構造変形を期待するものではなく、脚柱構造体１００の過大変形や残留変位を抑えるための構造変形を許容するものであり、弾性変形体４０の強度（ばね定数）は小さ過ぎないよう設定する必要がある。

ここで、降伏ヒューズ部材３０が破壊された後、芯柱１０と筒状外柱２０とが別体となってそれぞれが個別に挙動する際に弾性変形する弾性変形体４０の機能について説明する。

脚柱構造体１００における降伏ヒューズ部材３０が所定の限度を超える大きさの地震動によって破壊され、柔構造になった脚柱構造体１００が揺れ、芯柱１０と筒状外柱２０とが個別に挙動し、芯柱１０が筒状外柱２０の軸心からずれるのに対応し、例えば図８に示すように、弾性変形体４０の第１弾性部材４１が弾性変形することによって当該脚柱構造体１００の固有周期を長周期化させて入力地震動を低減するようになっている。
例えば、降伏ヒューズ部材３０が破壊された脚柱構造体１００は、弾性変形体４０の第１弾性部材４１が弾性変形することによってその固有周期を長周期化する柔構造に変化することで、芯柱１０および筒状外柱２０の過大変位を防止して、芯柱１０や筒状外柱２０が損傷することを防ぐようになっている。

一方、弾性変形体４０の第１弾性部材４１が弾性変形することによって、脚柱構造体１００の固有周期を長周期化する際に、地盤の固有周期と脚柱構造体１００の固有周期とが一致するなどした場合に共振現象が起こり、脚柱構造体１００の揺れが増幅されてしまい、その振幅が大きくなり過ぎてしまうことがある。
そこで、脚柱構造体１００の振幅が大きくなり過ぎた場合には、第１弾性部材４１に加えて第２弾性部材４２が弾性変形することで弾性変形体４０の弾性係数を切り替え、脚柱構造体１００が過度に共振するのを抑制するようになっている。

例えば、図８に示した状態よりも脚柱構造体１００の振幅が大きくなると、弾性変形体４０の第２弾性部材４２も弾性変形するようになる。
具体的に、脚柱構造体１００の振幅がより一層大きくなると、芯柱１０が筒状外柱２０の軸心から更にずれるように揺れて、芯柱１０と筒状外柱２０の間隙がより一層狭くなる箇所が生じる。そして、図９に示すように、芯柱１０と筒状外柱２０の間隙が一層狭くなる箇所では、弾性変形体４０の第２弾性部材４２の自由端部が板ばね４３に当接し、更にその板ばね４３に押し込まれるように第２弾性部材４２が収縮するようになっている。

このように弾性変形体４０は、地震動によって揺れる脚柱構造体１００の振幅がどのような値でも弾性変形する第１弾性部材４１と、脚柱構造体１００の振幅が所定値より大きい状態で弾性変形する第２弾性部材４２を有している。
そして、第２弾性部材４２の自由端部が板ばね４３に当接することがない脚柱構造体１００の振幅が所定値より小さい状態では、弾性変形体４０の第１弾性部材４１が弾性変形し、少なくとも１つの第２弾性部材４２の自由端部が板ばね４３に当接することになる脚柱構造体１００の振幅が所定値より大きい状態では、弾性変形体４０の第１弾性部材４１と第２弾性部材４２とが弾性変形するようになっている。
つまり、脚柱構造体１００の振幅が所定値より小さい状態では、弾性変形体４０は第１弾性部材４１の弾性力に起因する弾性係数（第１の値）を有する弾性体として機能し、脚柱構造体１００の振幅が所定値より大きい状態では、弾性変形体４０は第１弾性部材４１と第２弾性部材４２の弾性力に起因する弾性係数（第２の値）を有する弾性体として機能するようになっている。

このように第１弾性部材４１と第２弾性部材４２を有する弾性変形体４０は、脚柱構造体１００の振幅が所定値より小さい状態と大きい状態とで異なる弾性係数に切り替わるようになっている。特に、第２弾性部材４２の方が第１弾性部材４１よりも硬いばねであるので、脚柱構造体１００の振幅が所定値より大きい状態に変化した際、弾性変形体４０の弾性係数が第１の値から、該第１の値よりも大きな第２の値に切り替わるようになっている。
このような弾性変形体４０であれば、地盤の固有周期と脚柱構造体１００の固有周期とが一致して共振現象が起こり、脚柱構造体１００の揺れが増幅されてしまった場合でも、脚柱構造体１００の振幅が所定値より大きい状態に変化した際に弾性変形体４０の弾性係数が切り替わることで、脚柱構造体１００の固有周期を地盤の固有周期からずらすことができるので、脚柱構造体１００が過度に共振するのを抑制することができる。

なお、図９に示すように、板ばね４３が筒状外柱２０の内周面に押し付けられた場合、板ばね４３が弾性変形するようになっている。
脚柱構造体１００の振幅が所定値より大きい状態で、弾性変形体４０の第１弾性部材４１と第２弾性部材４２と板ばね４３とが弾性変形する場合でも、同様に弾性変形体４０の弾性係数が切り替わるので、脚柱構造体１００の固有周期を地盤の固有周期からずらすことができ、脚柱構造体１００が過度に共振するのを抑制することができる。

また、図１０に示すように、粘性部材４５を弾性変形体４０と併用してもよい。ここで粘性部材４５とは、振動を減衰させる機能を有する部材である。例えば、粘性体からなる粘性部材４５を用いることができ、またダンパーも粘性部材４５として用いることができる。
この粘性部材４５を配設することで、地震時応答を低減する際の減衰性能を向上させることができる。粘性部材４５は弾性変形体４０と同様に、芯柱１０の外周面の周方向に等間隔に複数（図４では４つ）配設されている。

以上のように、降伏ヒューズ部材３０が芯柱１０と筒状外柱２０とを一体的に繋いでいる状態の脚柱構造体１００では、上部工１に接合されている芯柱１０が上部工１を支持することによる軸力（鉛直荷重）を負担し、上部工１に接合されていない筒状外柱２０が降伏ヒューズ部材３０及び弾性変形体４０を介して芯柱１０から伝達される水平力（水平荷重）を負担するように構成されている。
具体的には、通常時（地震が起きていない状態）あるいはＬ１地震発生時において、降伏ヒューズ部材３０によって芯柱１０と筒状外柱２０とが繋がれている脚柱構造体１００は、鉄道や車両が走行する上部工１を適切に支持する剛性を有する構造を有しており、上部工１から作用する鉛直方向の力と水平方向の力をそれぞれ芯柱１０と筒状外柱２０とで分担するようにして、上部工１を良好に支持することができる。
こうして、上部工１の荷重を芯柱１０と筒状外柱２０とで負担して、上部工１を好適に支持することができる脚柱構造体１００は、優れた荷重保持性能を備えた構造物であるといえる。

また、この脚柱構造体１００における降伏ヒューズ部材３０が所定の限度を超える大きさの地震動によって破壊された後は、芯柱１０と筒状外柱２０との間に取り付けられている弾性変形体４０の第１弾性部材４１が弾性変形することによって当該脚柱構造体１００の固有周期を長周期化させて入力地震動を低減するように構成されている。
具体的には、Ｌ２地震発生時に降伏ヒューズ部材３０が破壊された脚柱構造体１００は、弾性変形体４０の第１弾性部材４１が弾性変形することによってその固有周期を長周期化することによって、芯柱１０および筒状外柱２０の過大変位を防止して、芯柱１０や筒状外柱２０が損傷することを防ぐことができる。
こうして、降伏ヒューズ部材３０が破壊された後、芯柱１０と筒状外柱２０との間で弾性変形体４０の第１弾性部材４１が弾性変形することによる免震機能を有する脚柱構造体１００は、優れた地震時耐荷性能を備えた構造物であるといえる。

更に、この脚柱構造体１００における降伏ヒューズ部材３０が破壊された後、弾性変形体４０の第１弾性部材４１が弾性変形することによって当該脚柱構造体１００の固有周期を長周期化させる際に、地盤の固有周期と脚柱構造体１００の固有周期とが一致して共振現象が起こって脚柱構造体１００の揺れが増幅されてしまった場合に、弾性変形体４０の弾性係数が切り替わり、脚柱構造体１００の固有周期を地盤の固有周期からずらすように構成されている。
具体的には、脚柱構造体１００の振幅が所定値より小さい状態では弾性変形体４０の第１弾性部材４１が弾性変形し、脚柱構造体１００の振幅が所定値より大きい状態になると弾性変形体４０の第１弾性部材４１と第２弾性部材４２とが弾性変形するように切り替わり、弾性変形体４０の弾性係数が切り替わることで、脚柱構造体１００の固有周期を地盤の固有周期からずらすようにして、脚柱構造体１００が過度に共振するのを抑制することができる。
こうして、弾性変形体４０の弾性係数が切り替わることで、その固有周期を切り替え、過度に共振するのを抑制する機能を有する脚柱構造体１００は、共振自己回避機能を備えた構造物であるといえる。
つまり、この脚柱構造体１００は、荷重保持性能と地震時耐荷性能を兼ね備え、さらに共振自己回避機能を備えている。

次に、本実施形態の脚柱構造体１００の施工方法について説明する。

（第１の施工方法）
第１の施工方法では、所定数の脚柱ユニット１００ａを準備する。
第１の施工方法で用いる脚柱ユニット１００ａは、図１１（ａ）に示すように、芯材１１を軸心に配置させた筒材２１と、芯材１１の外面と筒材２１の内面とを繋いだ状態に取り付けられた降伏ヒューズ部材３０と、芯材１１の外面と筒材２１の内面とを繋いだ状態に取り付けられた弾性変形体４０と、を備えている。
芯材１１は比較的細い鋼管材からなり、筒材２１は芯材１１よりも径が大きい鋼管材からなる。

まず、図１１（ａ）に示すように、脚柱ユニット１００ａをクレーンなどによってフーチング２上に積み重ね、複数の芯材１１からなる鋼管１０ａと、複数の筒体２１からなる筒状外柱２０を形成する。
脚柱ユニット１００ａを積み重ねる際、複数の芯材１１はその軸方向に積み重ね、複数の筒材２１はその軸心を合わせるように積み重ねるようにする。

次いで、図１１（ｂ）に示すように、鋼管１０ａ内にコンクリートなどの固化材料１０ｂを充填し、その固化材料１０ｂを硬化させて芯柱１０を形成する。
こうして脚柱構造体１００が構築される。

（第２の施工方法）
第２の施工方法では、所定数の脚柱ユニット１００ｂを準備する。
第２の施工方法で用いる脚柱ユニット１００ｂは、図１２（ａ）に示すように、芯材１１を軸心に配置させた筒材２１と、芯材１１の外面と筒材２１の内面とを繋いだ状態に取り付けられた弾性変形体４０と、芯材１１と筒材２１の間で膨張可能な袋体３０ａと、を備えている。
芯材１１は比較的細い鋼管材からなり、筒材２１は芯材１１よりも径が大きい鋼管材からなる。

まず、図１２（ａ）に示すように、脚柱ユニット１００ｂをクレーンなどによってフーチング２上に積み重ね、複数の芯材１１からなる鋼管１０ａと、複数の筒体２１からなる筒状外柱２０を形成する。
脚柱ユニット１００ｂを積み重ねる際、複数の芯材１１はその軸方向に積み重ね、複数の筒材２１はその軸心を合わせるように積み重ねるようにする。

次いで、図１２（ｂ）に示すように、鋼管１０ａ内にコンクリートなどの固化材料１０ｂを充填し、その固化材料１０ｂを硬化させて芯柱１０を形成する。

次いで、図１２（ｃ）に示すように、袋体３０ａ内にモルタルなどの固化材料３０ｂを充填して硬化させてなる降伏ヒューズ部材３０を、芯柱としての鋼管１０ａの外面と筒状外柱２０の内面とを繋いだ状態に形成する。なお、固化材料３０ｂは、筒状外柱２０（筒材２１）に形成されている図示しない注入口を通じて袋体３０ａ内に充填される。
こうして脚柱構造体１００が構築される。

（第３の施工方法）
第３の施工方法では、所定数の芯材１１と、所定数の脚柱ユニット１００ｃを準備する。
第３の施工方法で用いる芯材１１は、工場などで予め製造された鉄筋コンクリート製の芯材（ＰＣ材）である。
また、第３の施工方法で用いる脚柱ユニット１００ｃは、図１３（ｂ）に示すように、筒材２１と、筒材２１の内面に収縮した状態で取り付けられた弾性変形体４０と、筒材２１の内面側で膨張可能な袋体３０ａと、を備えている。筒材２１は芯材１１よりも径が大きい鋼管材からなる。

まず、図１３（ａ）に示すように、ＰＣ製の芯材１１をクレーンなどによってフーチング２上に積み重ね、特に複数の芯材１１を軸方向に積み重ねるようにして、複数の芯材１１からなる芯柱１０を形成する。なお、芯材１１には、積み重なったもの同士が互いに嵌合する接続部が設けられている。

次いで、図１３（ｂ）に示すように、芯柱１０を軸心に配置させるように、複数の筒材２１を積み重ねて筒状外柱２０を形成する。ここでは、筒材２１を含む脚柱ユニット１００ｃをクレーンなどによってフーチング２上に積み重ね、芯柱１０が軸心に配置された筒状外柱２０を形成する。
また、収縮した状態に拘束されている弾性変形体４０を解放し、芯材１１の外面と筒材２１の内面とを繋いだ状態に弾性変形体４０を取り付けるようにする。なお、予め筒材２１の内面に弾性変形体４０を取り付けておかずに、脚柱ユニット１００ｃ（筒材２１）を積み重ねる度に、芯柱１０の外面と筒状外柱２０（筒材２１）の内面とを繋ぐ弾性変形体４０を取り付けるようにしてもよい。

次いで、図１３（ｃ）に示すように、袋体３０ａ内にモルタルなどの固化材料３０ｂを充填して硬化させてなる降伏ヒューズ部材３０を、芯柱１０の外面と筒状外柱２０の内面とを繋いだ状態に取り付ける。なお、固化材料３０ｂは、筒状外柱２０（筒材２１）に形成されている図示しない注入口を通じて袋体３０ａ内に充填される。
こうして脚柱構造体１００が構築される。

このように、本実施形態の脚柱構造体１００は、複数の脚柱ユニット１００ａ，１００ｂを積み重ねることや、複数のＰＣ製の芯材１１と複数の脚柱ユニット１００ｃを積み重ねることで構築することができ、鉄筋コンクリート構造の脚柱を施工するときのような配筋が不要であるので、施工性に優れており、比較的短期間での施工が可能になる。

なお、脚柱構造体１００の施工方法は、上述した第１〜第３の施工方法に限られるものではない。
例えば、第１，第２の施工方法の用いた脚柱ユニット１００ａ，１００ｂにおける鋼管材の芯材１１が、ＰＣ製の芯材１１であってもよい。
また、第３の施工方法の変形例として、鋼管材の芯材１１を積み重ねて形成した鋼管１０ａ内に固化材料１０ｂを充填して芯柱１０を形成した後に、脚柱ユニット１００ｃを積み重ねるようにしてもよい。

次に、この脚柱構造体１００が上部工１を支持してなる橋梁構造２００について説明する。
図１４は、橋梁構造２００を示す側面図である。

本実施形態の橋梁構造２００は、図１４に示すように、上部工１の延在方向に沿って並設された複数の脚柱構造体１００と、脚柱構造体１００の筒状外柱２０の上部同士を繋いでいる梁部材５０と、を備えている。
具体的に、橋梁構造２００は、上端部が上部工１に接合されて、その上部工１の延在方向に沿って並設されている複数の鉛直向きの芯柱１０と、芯柱１０がそれぞれの軸心に配置されて上部工１とは接合されない複数の筒状外柱２０と、隣接する筒状外柱２０間に取り付けられて筒状外柱２０の上部同士を繋いでいる梁部材５０と、芯柱１０と筒状外柱２０の間に取り付けられた降伏ヒューズ部材３０と、芯柱１０と筒状外柱２０の間に取り付けられた弾性変形体４０と、を備えている。

また、この橋梁構造２００は、複数の芯柱１０と上部工１とで構成される第１の構造体２００ａと、複数の筒状外柱２０と梁部材５０とで構成される第２の構造体２００ｂと、を有している。

梁部材５０は、例えばＨ形鋼などの鋼材であり、梁部材５０の両端が筒状外柱２０の上部にボルトなどによって接続されている。
この梁部材５０が筒状外柱２０の上部を繋ぐ構造をとることで、橋梁構造２００における水平方向の剛性が増すので、橋梁構造２００の荷重保持性能が向上する。また、梁部材５０によって橋梁構造２００の水平方向の剛性が増す分、上部工１をスリム化することが可能になる。

そして、この橋梁構造２００における降伏ヒューズ部材３０が芯柱１０と筒状外柱２０とを一体的に繋いでいる状態では、上部工１に接合されている芯柱１０が上部工１を支持することによる軸力（鉛直荷重）を負担し、上部工１に接合されていない筒状外柱２０が降伏ヒューズ部材３０及び弾性変形体４０を介して芯柱１０から伝達される水平力（水平荷重）を負担するように構成されている。
具体的には、通常時（地震が起きていない状態）あるいはＬ１地震発生時において、降伏ヒューズ部材３０によって芯柱１０と筒状外柱２０とが繋がれている脚柱構造体１００を備えた橋梁構造２００は、鉄道や車両が走行する上部工１を適切に支持する剛性を有する構造を有しており、上部工１から作用する鉛直方向の力と水平方向の力をそれぞれ芯柱１０と筒状外柱２０とで分担するようにして、上部工１を良好に支持することができる。

また、この橋梁構造２００における降伏ヒューズ部材３０が所定の限度を超える大きさの地震動によって破壊された後は、芯柱１０と筒状外柱２０とを繋ぐ弾性変形体４０が弾性変形することによって当該橋梁構造２００の固有周期を長周期化させて入力地震動を低減するように構成されている。
具体的には、Ｌ２地震発生時に降伏ヒューズ部材３０が破壊された脚柱構造体１００を備えた橋梁構造２００は、弾性変形体４０が弾性変形することによってその固有周期を長周期化する柔構造に変化することで、芯柱１０および筒状外柱２０の過大変位を防止して、芯柱１０や筒状外柱２０が損傷することを防ぐことができる。

更に、この橋梁構造２００における降伏ヒューズ部材３０が破壊された後、弾性変形体４０の第１弾性部材４１が弾性変形することによって当該橋梁構造２００の固有周期を長周期化させる際に、地盤の固有周期と橋梁構造２００の固有周期とが一致して共振現象が起こって橋梁構造２００の揺れが増幅されてしまった場合に、弾性変形体４０の弾性係数が切り替わり、脚柱構造体１００および橋梁構造２００の固有周期を地盤の固有周期からずらすように構成されている。
具体的には、脚柱構造体１００および橋梁構造２００の振幅が所定値より小さい状態では弾性変形体４０の第１弾性部材４１が弾性変形し、脚柱構造体１００および橋梁構造２００の振幅が所定値より大きい状態になると弾性変形体４０の第１弾性部材４１と第２弾性部材４２とが弾性変形するように切り替わり、弾性変形体４０の弾性係数が切り替わることで、脚柱構造体１００および橋梁構造２００の固有周期を地盤の固有周期からずらすようにして、脚柱構造体１００および橋梁構造２００が過度に共振するのを抑制することができる。こうして、弾性変形体４０の弾性係数が切り替わることで、その固有周期を切り替え、過度に共振するのを抑制する機能を有する橋梁構造２００は、共振自己回避機能を備えた構造物であるといえる。
つまり、この橋梁構造２００は、荷重保持性能と地震時耐荷性能を兼ね備え、さらに共振自己回避機能を備えている。

特に、橋梁構造２００は、第１の構造体２００ａと第２の構造体２００ｂとを有しており、降伏ヒューズ部材３０が地震動によって破壊された後、第１の構造体２００ａと第２の構造体２００ｂとは互いの挙動を相殺するように、それぞれ異なる振動特性で挙動するようになっている。
具体的には、芯柱１０と筒状外柱２０とを繋ぐ降伏ヒューズ部材３０が破壊された後、芯柱１０と筒状外柱２０とが別体となってそれぞれが個別に挙動することで、図１４に示すように、芯柱１０を含む第１の構造体２００ａと、筒状外柱２０を含む第２の構造体２００ｂとはそれぞれ異なる固有周期で挙動して、互いの挙動を相殺するようになる。

このように、橋梁構造２００の第１の構造体２００ａと第２の構造体２００ｂとが互いの挙動を相殺することによって、第１の構造体２００ａと第２の構造体２００ｂの揺れが収まり易くなっているので、第１の構造体２００ａと第２の構造体２００ｂの大変形を抑制することができ、橋梁構造２００が損傷することを防ぐことができる。
つまり、降伏ヒューズ部材３０が破壊された後、芯柱１０と筒状外柱２０とを繋ぐ弾性変形体４０が弾性変形することによる免震機能を有する脚柱構造体１００を備え、それぞれ異なる振動特性で挙動する第１の構造体２００ａと第２の構造体２００ｂを有する橋梁構造２００は、優れた地震時耐荷性能を備えた構造物であるといえる。

また、少なくとも一対の脚柱構造体１００を備えた橋梁構造２００であれば、脚柱構造体１００の曲げモーメントの発生を抑えることができる。
例えば、降伏ヒューズ部材３０が破壊された後、第１の構造体２００ａと第２の構造体２００ｂがそれぞれの振動特性で挙動する際、隣接する芯柱１０は上部工１によって曲げモーメントの発生が抑えられ、隣接する筒状外柱２０は梁部材５０によって曲げモーメントの発生が抑えられるので、芯柱１０および筒状外柱２０の過大変位を好適に防いで、芯柱１０や筒状外柱２０の損傷を防ぐことができる。
つまり、橋梁構造２００が単柱式であって１つの脚柱構造体１００で上部工１を支える場合よりも、少なくとも一対（２つ）の脚柱構造体１００、好ましくは３つ以上の脚柱構造体１００を備えた橋梁構造２００の方が、より安定した構造となって優れた地震時耐荷性能を発揮することができる。

なお、本発明の橋梁構造２００は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、図１５に示すように、上部工１の下面に摺接する位置に梁部材５０が設けられている橋梁構造２００であってもよい。
このような橋梁構造２００であれば、降伏ヒューズ部材３０が地震動によって破壊された後、第１の構造体２００ａと第２の構造体２００ｂとがそれぞれ異なる振動特性で挙動した際、梁部材５０と上部工１の境界面に摩擦抵抗が生じる。
つまり、芯柱１０と筒状外柱２０とを繋ぐ降伏ヒューズ部材３０が破壊された後、芯柱１０を含む第１の構造体２００ａと、筒状外柱２０を含む第２の構造体２００ｂとがそれぞれ異なる固有周期で挙動する際、梁部材５０と上部工１とが摺接してその境界面に摩擦抵抗が生じるので、第１の構造体２００ａと第２の構造体２００ｂの揺れがより一層収まり易くなっている。

このように、梁部材５０と上部工１の境界面に作用する摩擦抵抗によって、第１の構造体２００ａと第２の構造体２００ｂの揺れが収まり易くなっているので、第１の構造体２００ａと第２の構造体２００ｂの大変形を抑制することができ、橋梁構造２００が損傷することを防ぐことができる。
このような橋梁構造２００も、優れた地震時耐荷性能を有している。

なお、以上の実施の形態においては、脚柱構造体１００を橋梁構造２００の支持柱として用いた場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、脚柱構造体１００を壁式脚柱や杭などにも適用してもよい。

また、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

１ 上部工
２ フーチング
１０ 芯柱
１０ｕ 上端部
１０ａ 鋼管
１０ｂ 固化材料
１１ 芯材
１１ｉ 第１接続部
１１ｏ 第２接続部
２０ 筒状外柱
２１ 筒材
２１ｉ 第１接続部
２１ｏ 第２接続部
３０ 降伏ヒューズ部材
３０ａ 袋体
３０ｂ 固化材料
３１ 切欠
３２ 第１鋼板
３３ 第２鋼板
３４ ボルト
４０ 弾性変形体
４１ 第１弾性部材
４２ 第２弾性部材
４３ 板ばね
４５ 粘性部材
５０ 梁部材
１００ 脚柱構造体
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ 脚柱ユニット
２００ 橋梁構造
２００ａ 第１の構造体
２００ｂ 第２の構造体

Claims (6)

1. 上端部が上部工に接合されて、鉛直向きに立設された芯柱と、
   前記芯柱が軸心に配置され、前記上部工とは接合されない筒状外柱と、
   前記芯柱と前記筒状外柱の間に取り付けられた降伏ヒューズ部材と、
   前記芯柱と前記筒状外柱の間に取り付けられた弾性変形体と、
   を備えている脚柱構造体であって、
   前記降伏ヒューズ部材が前記芯柱と前記筒状外柱とを一体的に繋いでいる状態では、前記芯柱が前記上部工を支持することによる軸力を負担し、前記筒状外柱が前記降伏ヒューズ部材及び前記弾性変形体を介して前記芯柱から伝達される水平力を負担するように構成されており、
   前記降伏ヒューズ部材が所定の限度を超える大きさの地震動によって破壊された後は、前記芯柱と前記筒状外柱との間で弾性変形可能になる前記弾性変形体によって当該脚柱構造体の固有周期を長周期化させて入力地震動を低減するように構成されており、その弾性変形体は、地震動による当該脚柱構造体の振幅が所定値より小さい状態から所定値より大きい状態に変化した際、前記弾性変形体の弾性係数が大きな値に切り替わるように構成されていることを特徴とする脚柱構造体。
2. 前記弾性変形体は、前記降伏ヒューズ部材が破壊された後、地震動による当該脚柱構造体が揺れると弾性変形する第１弾性部材と、前記振幅が所定値より大きい状態で弾性変形する第２弾性部材を有することを特徴とする請求項１に記載の脚柱構造体。
3. 前記降伏ヒューズ部材は、上下に間隔を空けた複数箇所に取り付けられており、前記複数箇所毎に前記降伏ヒューズ部材が前記芯柱の外周面の周方向に所定間隔で複数配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の脚柱構造体。
4. 前記弾性変形体は、上下に間隔を空けた複数箇所に取り付けられており、前記複数箇所毎に前記弾性変形体が前記芯柱の外周面の周方向に所定間隔で複数配設されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の脚柱構造体。
5. 前記芯柱と前記筒状外柱の間に取り付けられた粘性部材を備え、
   前記粘性部材は、上下に間隔を空けた複数箇所に取り付けられており、前記複数箇所毎に前記粘性部材が前記芯柱の外周面の周方向に所定間隔で複数配設されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の脚柱構造体。
6. 前記芯柱は円柱形状を有し、前記筒状外柱は円筒形状を有していることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の脚柱構造体。

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