JP6795483B2

JP6795483B2 - 橋脚およびその製造方法

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Publication number: JP6795483B2
Application number: JP2017223298A
Authority: JP
Inventors: 山本　伸一; 伸一山本; 政弘松下
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2037-11-21
Also published as: JP2019094644A

Description

本発明は、橋脚およびその製造方法に関する。

従来より、橋脚などの各種構造物を作るための構造材料として鋼材が用いられている。例えば、施工に要する期間が短く地震の多い場所の高架橋などには、鉄筋コンクリート製の橋脚に代えて、鋼材を用いた鋼製橋脚が採用されている。このような鋼構造物である鋼製橋脚では、鋼材に局部座屈が生じてさらに塑性化することも想定して設計が行われる。例えば局部座屈を防止するために、中空鋼材の内側に、補剛板として平板状の板リブを溶接して取り付けることが行われている（特許文献１参照）。

特開２００２−９７７４３号公報

一方で、日本では道路橋示方書において、橋脚の断面サイズに応じたリブのサイズ、本数などの橋脚の設計方法、および使用可能な鋼材が規定されており、原則的にはその規定に従わなければならない。道路橋示方書に記載のルール通り設計して鋼材を適用すれば、一定の耐震性を確保することができる。

しかしながら、想定を上回る地震が発生した場合、例えば１回目の地震には耐えられても２回目の地震に耐えられないなど、耐震性が不十分な場合も考えられる。特許文献１の構成を含めて、耐震性をより向上させる技術の開発が求められている。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、耐震性を向上させた橋脚およびその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の橋脚は、箱型断面を有する外板と、前記外板の内壁面のそれぞれに前記外板の長手方向に延びるように複数設けられたリブとを備える橋脚であって、前記外板と前記リブに同一規格（道路橋示方書に準拠）の鋼材を用いるとともに、前記外板の鋼材の方が前記リブの鋼材よりもＹＲの値が小さいものを用いた。

また、本発明の橋脚の製造方法は、箱型断面を有する外板と、前記外板の内壁面のそれぞれに前記外板の長手方向に延びるように複数設けられたリブとを備える橋脚を用いて構造物を製造する方法であって、前記外板と前記リブに同一規格（道路橋示方書に準拠）の鋼材を用いるとともに、前記外板の鋼材の方が前記リブの鋼材よりもＹＲの値が小さいものを用いる。

本発明によれば、耐震性を向上させることができる。

橋脚の斜視図橋脚の切欠き斜視図実施例１の条件を示す図耐震性の算出方法を示す図実施例１の解析結果で、横軸に外板ＹＲ比、縦軸に耐震性をプロットした図実施例２の条件を示す図橋脚の横断面図実施例３の条件を示す図

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態）
図１、図２は、実施形態における橋脚２を示す。図１は、橋脚２の斜視図であり、図２は、橋脚２の半分を切り欠いた切欠き斜視図である。

図１、２に示すように、実施形態の橋脚２は、一般的な鋼製橋脚と同様の形状を有するものであって、外板４と、リブ６と、ダイヤフラム８（図２）とを備える。「橋脚」とは、桁橋、吊り橋などの一般的な橋梁の脚全般を指し、脚のタイプは単柱、門型なども含む。また、斜張橋のタワーと呼ばれる上部構造も含む。

外板４は、箱型断面を有する板状の部材である。本実施形態の外板４は正方形断面を有する。

リブ６は、外板４の内壁面のそれぞれに複数設けられた補剛用の板状の部材である。本実施形態のリブ６は１つの内壁面に４枚ずつ設けられており、合計１６枚設けられている。それぞれのリブ６は鉛直方向、すなわち外板４の長手方向Ａに延びている。また複数のリブ６は水平方向、すなわち外板４の短手方向Ｂに間隔を空けて設けられている。

ダイヤフラム８は、外板４の内周に接触するように延びた補剛用の板状の部材である。本実施形態のダイヤフラム８は外板４の長手方向Ａに間隔を空けて４枚設けられている。

外板４、リブ６およびダイヤフラム８はともに鋼材で構成される。特に外板４、リブ６およびダイヤフラム８は「道路橋示方書」に記載の同一規格の鋼材で構成される。道路橋示方書に記載の鋼材規格には例えば、ＳＭ４００、ＳＭ４９０Ｙなどがある。

本発明者らは、図１、２に示す橋脚２に関して、特に外板４およびリブ６の耐震性に寄与する特性を見出すために解析を行った。具体的には、外板４とリブ６それぞれの降伏強度ＹＳ、引張強度ＴＳ、降伏比ＹＲ（＝ＹＳ／ＴＳ×１００）を規格の範囲内で変化させて、シミュレーション解析を行った。その結果に基づいて橋脚２の耐震性を評価した。以下、実施例について説明する。

まず、橋脚２の寸法に関して２つのモデルを用いた。具体的には、次の表１に示すようなモデル１とモデル２の寸法を用いた。

Ｂｆ、Ｂｗは、図１に示す外板４の短手方向Ｂの長さ、ｔｆ、ｔｗは、外板４の板厚、ｂｒは、リブ６の水平方向の長さ、ｔｒは、リブ６の板厚、Ｌは、外板４およびリブ６の長手方向Ａの長さ、ａは、ダイヤフラム８の間隔（図２）である。

またモデル１、２では、鋼材の幅厚比パラメータR_Rを０．３〜０．５の範囲とした。幅圧比パラメータR_Rは、以下の数１により算出される。

ｂｒ、ｔｒは、前述の通りである。σ_Ｙは鋼材の降伏応力、Ｅは鋼材のヤング率、μは鋼材のポアソン比（＝０．３）である。ｎは、ダイヤフラム８によって区切られる橋脚２の区画数（パネル数）である。

（実施例１）
実施例１では、図１、２に示した橋脚２を用いて、図３に示す条件のもとで耐震性の解析を行った。実施例１では特に、橋脚２における外板４の望ましい特性を調査した。耐震性の評価における方法はプッシュオーバーや正負交番の漸増型など様々あるが，本件では一番基礎的な方法であるプッシュオーバーを用いた。具体的には，FEM解析を用いて，図１，２に示す橋脚２に対して，上端部に１方向に矯正変位Ｐ（図１）を付与した。

図３に示すように、実施例１では３つのパターンで解析を行った。パターン１では、橋脚２の鋼材規格としてＳＭ４００を用い、パターン２、３では、ＳＭ４９０Ｙを用いた。図３の各欄の内容について、左側から順に説明する。

「鋼材規格」は、道路橋示方書に記載の鋼材の規格、すなわち鋼材の種類・記号である。
「ＹＳ下限値」は、道路橋示方書に記載の鋼材規格ごとに定められたＹＳ値の下限値である（単位：ＭＰａ）。
「ＴＳ上限値」は、道路橋示方書に記載の鋼材規格ごとに定められたＴＳ値の上限値である（単位：ＭＰａ）。
「ＹＳ下限値／ＴＳ上限値」は、ＹＳ下限値をＴＳ上限値で除した値である（単位：％）。
「モデル」は、前述した橋脚２の寸法に関するモデル１、２のいずれを使用したかを示す。

「適用鋼材」は、外板４とリブ６のそれぞれに関して、同じ鋼材規格の中で複数種類あるうちのどの種類の鋼材を適用したかを示す。図３に示すように、実施例１では、外板４は同じ鋼材規格の中でも複数種類の鋼材（Ａ〜Ｋ）を適用し、リブ６は同じ鋼材規格の１種類のみの鋼材（Ａ）を適用した。外板４とリブ６の両方に同じ種類（Ａ）の鋼材を用いたものが比較例であり、網掛けで表示している。

「特性（外板）」はそれぞれ、外板４の実際のＹＳ値、ＴＳ値、ＹＲ値（＝ＹＳ値／ＴＳ値）である（単位：ＭＰａ、ＭＰａ、％）。
「特性（リブ）」はそれぞれ、リブ６の実際のＹＳ値、ＴＳ値、ＹＲ値である（単位：ＭＰａ、ＭＰａ、％）。

「外板ＹＲ比」は、「特性（外板）」の「ＹＲ」の欄の値を、「ＹＳ下限値／ＴＳ上限値」の値で除したものである（単位なし）。すなわち、「外板ＹＲ比」は、鋼材規格におけるＹＳ下限値をＴＳ上限値で除した値を１とした場合の外板４のＹＲの値である。

「耐震性」は、耐震性を示す指標の値であって（単位なし）、図４に示す方法により求められる。図４は、実施例１の解析結果より得られた橋脚２の上端部の水平変位δおよび水平荷重Ｐを、降伏水平変位δ_Ｙおよび降伏水変位荷重Ｐ_Ｙ（いずれも各パターンの外板４の降伏応力から算出）でそれぞれ除して無次元化し、プロットしたものである。これより、図４に示す水平荷重―水平変位曲線を得た。図４の曲線のうち実線が比較例であり、点線が実施例である。

図４に示すように、横軸と縦軸の値がともに１．０の基準点に「●」をプロットし、ピークを過ぎた後のピーク荷重の９５％まで荷重が低下した点に▲をプロットした。水平荷重―水平変位曲線がピークを過ぎ、ピーク荷重の９５％まで荷重が低下した点の水平変位としてδ₉₅を求め、同曲線におけるピーク荷重の際の水平変位としてδ_maxを求めた。さらに、δ₉₅/δ_maxを求め、その値の比較例に対する比δ_ratioを、耐震性を示す指標とした。

図３において、δ₉₅/δ_maxで求められる耐震性の値は、比較例の値である１．０よりも大きいほど、耐震性が高いことを意味する。「耐震性評価」の欄は、耐震性の値が１．００よりも大きい場合を「○」と記載し、１．００よりも小さい場合を「△」と記載した。

図３の結果に示すように、特性（外板）のＹＲの値が特性（リブ）のＹＲの値よりも小さい場合には、耐震性の値が１．００よりも大きくなっており、高い耐震性が得られることがわかる。このように、外板４のＹＲの値をリブ６のＹＲの値よりも小さく設定することで、高い耐震性を実現することができる。

この原理について説明する。まず、橋脚２の耐震性とは、倒壊しにくさを意味しており、橋脚２としての変形能力（靭性）が大きく、かつ、局部座屈による崩壊が起こりにくいことが重要である。変形能力を向上させるには、地震という外部エネルギーを吸収するために、外板４のできるだけ広い範囲で弾塑性変形させることが重要である。外板４の局所に弾塑性変形が集中してしまうと、外板４の広い範囲に変形が及ぶ（ひずみが分布する）前に、その局所を起点に最大荷重を迎え、その後、一気に倒壊につながる。そのため、外板４にはひずみの分散しやすさが求められ、すなわち、ＹＲの値が低い（＝加工硬化が高い）鋼材が耐震性向上に優位になる。

また図３の結果に示すように、外板ＹＲ比と耐震性の間に強い相関性があることがわかった。具体的には、外板ＹＲ比の値が比較例の値である１．３４よりも小さい場合には、耐震性の値が１．００よりも大きくなり、高い耐震性が得られることがわかる。

この点に関して、本発明者らはさらに鋭意検討を行った。具体的には図５を用いて説明する。

図５は、実施例１の解析結果に関して、横軸に外板ＹＲ比、縦軸に耐震性をプロットした表である。図５に示すように、外板ＹＲ比の値が小さくなるにつれて耐震性が向上する傾向にあることがわかる。本発明者らは、プロットした値に関する近似式Ｘ１を算出した。本実施例１では、一般的な直線近似法により近似式Ｘ１を算出した。横軸をｘ、縦軸をｙとしたとき、近似式Ｘ１はｙ＝−１．０８６ｘ＋２．５２９であった。

求められる耐震性の値はケースによって様々であり、その耐震性の値を満たすような外板４の材質を決定できるようにすることが望ましい。本実施例１では、近似式Ｘ１を算出することで、耐震性の値およびその値を達成するための外板ＹＲ比を算出することができる。すなわち、求められる耐震性ｙ１の値に基づいて近似式Ｘ１から対応する外板ＹＲ比ｘ１を算出することができる。算出した外板ＹＲ比ｘ１よりも小さい外板ＹＲ比を有する外板４の材料を選択すれば、求められる耐震性の値を満足することができる。このような設計方法によれば、望ましい外板４の材料の種類を簡単に選択しながら、高い耐震性を実現することができる。

例えば、求められる耐震性の値を１．１とした場合、図５に示す近似式Ｘ１に基づけば外板ＹＲ比を１．３２以下に設定すればよい。また、求められる耐震性の値を１．１５とした場合、外板ＹＲ比を１．２７以下に設定すればよい。さらに、求められる耐震性の値を１．２２とした場合、外板ＹＲ比を１．２２以下に設定すればよい。このような外板ＹＲ比の設定によれば、簡便な方法で耐震性を向上させることができる。

上述したように、本実施形態の橋脚２は、箱型断面を有する外板４と、外板４の内壁面のそれぞれに外板４の長手方向Ａに延びるように複数設けられたリブ６とを備える。当該橋脚２およびその製造方法によれば、外板４とリブ６に同一規格（道路橋示方書に準拠）の鋼材を用いるとともに、外板４の鋼材の方がリブ６の鋼材よりもＹＲの値が小さいものを用いている。このような構成および方法によれば、橋脚２の耐震性を向上させることができる。

また本実施形態の橋脚２およびその製造方法によれば、外板４として、ＹＲの値が、規格におけるＹＳ下限値をＴＳ上限値で除した値を１とした場合に１．３２以下、好ましくは１．２７以下、より好ましくは１．２２以下となる鋼材を用いている。このような構成および方法によれば、橋脚２の耐震性をさらに向上させることができる。

また本実施形態の橋脚２の製造方法は、鋼材規格におけるＹＳ下限値をＴＳ上限値で除した値を１とした場合の外板４のＹＲの値と耐震性の関係を表す近似式を算出し、近似式に基づいて、外板４に用いるＹＲの値の上限値を設定する。このような方法によれば、外板４の材料を簡易な方法により選択しながら、高い耐震性を実現することができる。

（実施例２）
次に、実施例２では、図１、２に示した橋脚２を用いて、図６に示す条件のもとで耐震性の解析を行った。実施例２では特に、橋脚２におけるリブ６の望ましい特性を調査した。評価方法については実施例１と同様であるため、説明を省略する。

図６に示すように、実施例２では３つのパターンで解析を行った（パターン４−６）。

「適用鋼材」の欄に示すように、実施例２では、外板４は同じ鋼材規格で１種類のみの鋼材（Ａ）を用い、リブ６は同じ鋼材規格の中でも複数種類の鋼材（Ａ、Ｆ、Ｈ、Ｊ、Ｍ、Ｎ、Ｏ）を用いた。外板４とリブ６の両方に同じ種類（Ａ）の鋼材を用いたものが比較例であり、網掛けで表示している。

「リブＹＳ比」は、「特性（リブ）」の「ＹＳ」の欄の値を、「ＹＳ下限値」の欄の値で除したものである（単位なし）。すなわち、「リブＹＳ比」は、鋼材規格におけるＹＳ下限値を１とした場合のリブ６のＹＳの値である。

「耐震性」の欄は、実施例１と同様に耐震性の指標を示す欄であるが、実施例１とは算出方法が異なる。具体的には、図４に示すグラフにおいて、ピーク荷重発生点における最大荷重Ｐ_ｍａｘに関して、比較例の値を１．００としてそれぞれのパターンの最大荷重Ｐ_ｍａｘを耐震性として算出した（単位なし）。

図６の結果に示すように、リブＹＳ比と耐震性の間に強い相関性があることがわかった。具体的には、リブＹＳ比の値を比較例の値である１．２６よりも大きく、すなわち１．２７以上に設定することで、耐震性の値が１．００よりも大きくなり、高い耐震性が得られることがわかる。特に、リブＹＳ比の値を１．３以上に設定することで、材料のばらつきを考慮しながら、高い耐震性をより確実に得られる。

また図６の結果に示すように、「特性（リブ）」の「ＹＳ」の欄の値が「特性（外板）」の「ＹＳ」の欄の値よりも大きい場合には、耐震性の欄の値が１．００よりも大きくなっており、高い耐震性が得られることがわかる。このように、リブ６のＹＳの値を外板４のＹＳの値よりも大きく設定することで、高い耐震性を実現することができる。

この原理について説明する。前述したように、橋脚２の耐震性としては、橋脚２としての変形能力（靭性）に加えて、局部座屈による崩壊が起こりにくいことが重要である。局部座屈を生じにくくするためには、外板４にリブ６を溶接したパネルとしての剛性が重要である。リブ６は外板４を補剛する機能であるが、塑性変形が発生するような大きな地震の際、リブ６付きの外板４（パネル）が座屈し始めると、最初に降伏が懸念されるのが図７に示すようなパネルの中立軸１０から最も遠いリブ６の先端６ａである。図７は橋脚２の横断面図である。リブ６がひとたび塑性変形すると、初期不整によりリブ６が横倒れを起こして一気に変形してしまい、リブ６は補剛の機能を失う。これにより、外板４の座屈が進行し、その局所を起点に橋脚２が倒壊してしまう。よって、リブ６が補剛の機能を発揮するためには、剛性を大きく保てる弾性域の大きい高ＹＳ（高ＹＲ)の鋼材を用いることが有効となる。また、リブ６の高ＹＳ化は最大荷重の向上にもつながるため、エネルギー吸収量の増加にも効果を発揮することができる。

上述したように、本実施形態の橋脚２およびその製造方法によれば、リブ６の鋼材の方が外板４の鋼材よりもＹＳの値が大きいものを用いている。このような構成・方法によれば、橋脚２の耐震性を向上させることができる。

また本実施形態の橋脚２およびその製造方法によれば、リブ６として、ＹＳの値が、鋼材規格におけるＹＳ下限値を１とした場合に１．２７以上、好ましくは１．３以上となる鋼材を用いることで、橋脚２の耐震性をより確実に向上させることができる。

（実施例３）
次に、実施例３では、図１、２に示した橋脚２を用いて、図８に示す条件のもとで耐震性の解析を行った。実施例３では特に、橋脚２における外板４とリブ６の組合せについて調査した。評価方法については実施例１、２と同様であるため、説明を省略する。

図８に示すように、実施例３では３つのパターンで解析を行った（パターン７−９）。

「適用鋼材」の欄に示すように、実施例３では、外板４は同じ鋼材規格の中で複数種類の鋼材（Ａ、Ｂ、Ｈ）を用い、リブ６も同じ鋼材規格の中で複数種類の鋼材（Ａ、Ｊ、Ｍ）を用いた。外板４とリブ６の両方に同じ種類（Ａ）の鋼材を用いたものが比較例であり、網掛けで表示している。これより、外板４およびリブ６の組合せと耐震性の関係を調査した。

「外板」の「１．３２以下」の欄は、「ＹＲ比」の欄の値が１．３２以下を満たすかどうかを判定したものである。「ＹＲ比」の欄の値が１．３２以下の場合は「○」と表記した。
「リブ」の「１．２７以下」の欄は、「ＹＳ比」の欄の値が１．２７以上を満たすかどうかを判定したものである。「ＹＳ比」の欄の値が１．２７以上の場合は「○」と表記し、１．２７未満の場合は「△」と表記した。

「耐震性」の欄は、実施例１と同じ算出方法で算出した値を示す。

図８の結果に示すように、外板ＹＲ比が１．３２以下、かつ、リブＹＳ比が１．２７以上の鋼材を用いることで、実施例１、２の結果よりも耐震性をより向上できることがわかる。すなわち、実施例１で検証した外板ＹＲ比の好ましい値と、実施例２で検証したリブＹＳ比の好ましい値を組み合わせることで、耐震性の相乗的な向上効果を奏することができた。

以上、上述の実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載等に基づいて上述の実施形態に種々の変更を加えてもよい。例えば、図１、２に示す橋脚２のサイズ、リブ６およびダイヤフラム８の枚数などはあくまで例示であって、これに限定されない。

本発明は、橋脚およびその製造方法であれば適用可能である。

２橋脚
４外板
６リブ
６ａ先端
８ダイヤフラム
１０中立軸

Claims

箱型断面を有する外板と、前記外板の内壁面のそれぞれに前記外板の長手方向に延びるように複数設けられたリブとを備える橋脚であって、
前記外板と前記リブに同一規格（道路橋示方書に準拠）の鋼材を用いるとともに、前記外板の鋼材の方が前記リブの鋼材よりもＹＲの値が小さいものを用いて、
前記外板として、ＹＲの値が、前記規格におけるＹＳ下限値をＴＳ上限値で除した値を１とした場合に１．００以上１．３２以下となる鋼材を用いた、橋脚。
前記リブの鋼材の方が前記外板の鋼材よりもＹＳの値が大きいものを用いて、
前記リブとして、ＹＳの値が、前記規格におけるＹＳ下限値を１とした場合に１．２７以上となる鋼材を用いた、請求項１に記載の橋脚。
箱型断面を有する外板と、前記外板の内壁面のそれぞれに前記外板の長手方向に延びるように複数設けられたリブとを備える橋脚を用いて構造物を製造する方法であって、
前記外板と前記リブに同一規格（道路橋示方書に準拠）の鋼材を用いるとともに、前記外板の鋼材の方が前記リブの鋼材よりもＹＲの値が小さいものを用いて、
前記外板として、ＹＲの値が、前記規格におけるＹＳ下限値をＴＳ上限値で除した値を１とした場合に１．００以上１．３２以下となる鋼材を用いた、構造物の製造方法。
前記規格におけるＹＳ下限値をＴＳ上限値で除した値を１とした場合の前記外板のＹＲの値と、耐震性との関係を表す近似式を算出し、前記近似式に基づいて、前記外板に用いるＹＲの値の上限値を設定する、請求項３に記載の構造物の製造方法。
前記リブの鋼材の方が前記外板の鋼材よりもＹＳの値が大きいものを用いて、
前記リブとして、ＹＳの値が、前記規格におけるＹＳ下限値を１とした場合に１．２７以上となる鋼材を用いた、請求項３又は４に記載の構造物の製造方法。