JP7128786B2 - ノックオフ型ボルトの取付構造 - Google Patents

Description

この発明は、ノックオフ型ボルトの取付構造に関し、より詳細には橋梁における上部構造と、これに対してすべりを生じる支承とを固定するために取り付けられ、想定最大荷重によって破壊するようにしたノックオフ型ボルトの取付構造に関する。

この出願人は、先に橋梁における支承部を可動化する工法を提案した（特許文献１参照）。図５は、同文献記載の可動化施工を完了した状態を示している。図に示す既設支承は、固定支承の１つであるピン支承５０であり、上沓５１及び下沓５２を備え、両者に形成された半円筒形ボス部にピン５３が嵌まっている。下沓５２は下部構造５４に固定されている。上部構造５５のフランジ６０の下面には、可動化施工によりステンレス板からなる上部構造側すべりプレート５６が取り付けられている。上沓５１の上面に設けられたボスは、可動化施工により切断除去され、一部がボス残部５７として残されている。上沓５１の上面にはボス残部５７が嵌まる穴を有する支承側すべりプレート５８が載置されている。

支承側すべりプレート５８は図６に拡大して示すように、上面に四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）板からなる、すべり材５９が設けられている。これにより上部構造側すべりプレート５６と支承側すべりプレート５８との間で、すなわち上部構造５５と既設支承５０との間で水平方向全方向にすべりが生じるようになり、支承部が可動化することになる。

上記のように可動化した支承部において、セットボルトとしてノックオフ型ボルト６１を用いて、上部構造５５と既設支承５０とを固定することにより、支承部をレベル１地震動までは固定、レベル２地震時には可動とすることができる。ノックオフ型ボルト６１は図６に示すように、その軸部６２に外径を小さくした環状ノッチ部６３を設けることにより、水平荷重によりせん断破壊するようにしたボルトである。符号６４はせん断破壊面を示している。ノックオフ型ボルト６１は、せん断破壊面６４が、上部構造側すべりプレート５６と支承側すべりプレート５８（具体的にはすべり材５９）との接する面であるすべり面６５近くに位置するように取り付けられる（以上、詳細は特許文献１参照）。

上部構造側すべりプレート５６及び支承側すべりプレート５８は、それぞれ上部構造５５のフランジ６０及び支承５０の上沓５１に個別に取り付けられるため、しかもノックオフ型ボルト６１は複数本（例えば４本）用いられるため、上部構造側すべりプレート５６及び支承側すべりプレート５８にそれぞれ形成されるボルト孔の孔芯ずれを避けることは困難である。このため、各ボルト孔の孔径をノックオフ型ボルト６１の直径よりも大きくしてクリアランスが形成されるようにすることにより、上部構造側すべりプレート５６及び支承側すべりプレート５８を貫通してのノックオフ型ボルトの取付けを可能としている。

しかしながら、このようなノックオフ型ボルト６１の取付け態様は、場合によっては、通常時（温度変化により上部構造の伸縮が生じる、以下同じ）やレベル１地震時において複数あるノックオフ型ボルト６１の個別破壊という現象を招く。このノックオフ型ボルト６１の個別破壊が仮にボルトごとに全てにわたって生じると、上部構造５５と支承５０とは非固定状態となり、支承部をレベル１地震動までは固定、レベル２地震時には可動とするという機能を果たせなくなってしまう。

このことを図１を参照して説明する。同図（ａ）はノックオフ型ボルト６１（複数本のうち２本を符号６１ａ、６１ｂで示す）を取り付けて上部構造と支承とを固定した初期状態を示している。この初期状態において、上部構造側すべりプレート５６に設けたボルト孔７０と、支承側すべりプレート５８に設けたボルト孔７１との間に生じる孔芯ずれによって、例えば、ボルト６１ａとボルト６１ｂとではボルト孔７０、７１の周壁に接触する周面が互いに反対位置となり、結果として最大クリアランスＣが形成される位置も互いに反対位置となるということが起こりうる。

ここで同図（ｂ）に示すように、通常時やレベル１地震動により上部構造側すべりプレート５６に図中矢印方向のすべり変位が生じると、一方のボルト６１ａにはすべりと同時に荷重が作用してせん断変形し、他方のボルト６１ｂには荷重が作用せずにボルト６１ａのみがせん断破壊するという現象が生じうる。このような現象が上述したボルトの個別破壊である。

また、ノックオフ型ボルト６１のせん断破壊の際には、環状ノッチ部６３の上方及び下方のボルト部分がボルト孔７０、７１の周壁に接触することでカエリ（突起）が発生した破断面を形成し、すべりプレート５６、５８を損傷するおそれがある。このようなすべりプレートの損傷は支承部の可動化に影響を及ぼす。

特開２０１１－６９１９１号公報

この発明は上記のような技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目的を達成するものである。
この発明の第１の目的は、橋梁の上部構造と支承とを固定する複数のノックオフ型ボルトの取付構造において、通常時やレベル１地震時に個別破壊を起こさないようにしたノックオフ型ボルトの取付構造を提供することにある。

この発明の第２の目的は、ノックオフ型ボルトのせん断破壊の際に、破断面にカエリが発生することがなく、すべりプレートの損傷を防止することができるノックオフ型ボルトの取付構造を提供することにある。

この発明の発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねたところ、環状ノッチ部の深さｄに対するボルトの半径Ｂの比ｄ／Ｂ（ｄ、Ｂについては図２（ａ）参照）と、ノックオフ型ボルトが破断に至る想定最大荷重時の最大せん断変形寸法Ｕcr（図２（ｂ）参照）との間には、一定の関係があることを見出した。このｄ／ＢとＵcrとの関係は、ボルト材料によって異なり、例えばボルト材料がＳＮＲ４００Ｂの場合には、図３に示すグラフのようになる。そして、ノックオフ型ボルトの最大せん断変形寸法Ｕcrを、ボルト孔の最大クリアランス寸法Ｃよりも大きくすることにより、ノックオフ型ボルトの個別破壊が回避されることを見出した。

この発明は上記のような知見に基づいてなされたものであり、次のような手段を採用している。
すなわち、第１の目的を達成するためのこの発明は、橋梁における上部構造の下面に設けられた上部構造側すべりプレートと、前記上部構造と下部構造との間に設置された支承の上面に設けられ、前記上部構造側すべりプレートとの間ですべりを生じる支承側すべりプレートとを備え、
前記上部構造側すべりプレート及び前記支承側すべりプレートを貫通して、前記上部構造と前記支承とを固定するために取り付けられる複数のボルトであって、前記上部構造側すべりプレート及び前記支承側すべりプレートのすべり面に位置するように環状ノッチ部が軸部外周に設けられ、前記上部構造に作用する水平方向の想定最大荷重によって前記環状ノッチ部で破壊するようにしたノックオフ型ボルトの取付構造において、
前記環状ノッチ部の深さｄに対する前記ボルトの半径Ｂの比ｄ／Ｂによって定まる想定最大荷重時の前記ボルトの最大せん断変形寸法Ｕcrを、前記上部構造側すべりプレート及び前記支承側すべりプレートにそれぞれ形成されるボルト孔の最大クリアランス寸法Ｃよりも大きくしたことを特徴とするノックオフ型ボルトの取付構造にある。

第２の目的を達成するためのこの発明は、前記上部構造側すべりプレート及び前記支承側すべりプレートにそれぞれ形成される前記ボルト孔には、前記すべり面側に向けて拡径された拡径部が設けられ、この拡径部は直径ＤがＤ≧φ＋２Ｕcr（ただし、φ：ボルトの直径）であって、深さｈが４ｍｍ以上であるノックオフ型ボルトの取付構造にある。

この発明によれば、橋梁の上部構造と支承とを固定する複数のノックオフ型ボルトが通常時やレベル１地震時に個別破壊を起こすことを防止することができる。また、この発明によれば、ノックオフ型ボルトのせん断破壊の際に、破断面にカエリが発生することがなく、すべりプレートの損傷を防止することができる。

ノックオフ型ボルトのすべりプレートに対する取付け状態を示す断面図であり、（ａ）は初期状態、（ｂ）は上部構造側すべりプレートにすべり変位が生じた状態をそれぞれ示す。 この発明で使用する、ノックオフ型ボルトの諸元を示す図であり、（ａ）はボルト半径Ｂ及び環状ノッチ部の深さｄを示し、（ｂ）は最大せん断変形寸法Ｕcrを示す。 環状ノッチ部の深さｄに対するボルトの半径Ｂの比ｄ／Ｂと最大せん断変形寸法Ｕcrとの関係を例示するグラフである。 ノックオフ型ボルトのせん断破壊の際に、破断面にカエリが発生するのを防止するための取付構造を示す断面図である。 可動化施工した支承部を示す図である。 可動化施工した支承部をノックオフ型ボルトにより固定した状態を示す図である。

以下、この発明によって特定されるノックオフ型ボルトの取付構造を得る手順について説明する。

（１）最大クリアランス寸法Ｃの決定
ボルト軸部外周及びすべりプレートのボルト孔周壁に塗装膜厚を確保するために、膜厚を０．５ｍｍとすると、０．５×２＝１ｍｍのクリアランスが必要となる。なお、塗装膜は、すべりプレートのすべり時に荷重を受け止める部材には相当しないので、実質的にはクリアランスとみなすことができる。

また、ボルトの取付け作業を容易にするために、ボルト孔の直径を大きくしてそのぶんのクリアランスを１ｍｍとする。そうすると、合計のクリアランスすなわち最大クリアランス寸法Ｃは２ｍｍとなる。

（２）ノッチ深さｄの決定
この発明によれば、想定最大荷重時のボルトの最大せん断変形寸法Ｕcrを最大クリアランスＣよりも大きくするのであるから、図３に示される両者の関係からＵcr＞２ｍｍを満足するｄ／Ｂとして、０＜ｄ／Ｂ≦０．５を選択することができる。すなわち、０＜ｄ／Ｂ≦０．５を満足するノッチ深さｄの環状ノッチ部を加工・形成する。例えば、ボルト径Ｍ２４のボルトを選択した場合、ボルト半径Ｂ＝１２ｍｍであるからノッチ深さｄは６ｍｍ以下とする。

以上のようにしてノッチ深さｄが決定された、この発明によるノックオフ型ボルトの取付構造の作用について、再び図１を参照して説明する。図１（ａ）に示す初期状態において、背景技術の項で説明したと同様に、上部構造側すべりプレート５６のボルト孔７０と、支承側すべりプレート５８のボルト孔７１との間に生じる孔芯ずれによって、ボルト６１ａとボルト６１ｂとでボルト孔７０、７１の周壁に接触する周面が互いに反対位置となり、結果として最大クリアランスＣが形成される位置も互いに反対位置となったとする。

ここで同図（ｂ）に示すように、通常時やレベル１地震動により上部構造側すべりプレート５６に図中矢印方向のすべり変位が生じると、一方のボルト６１ａにはすべりと同時に荷重が作用してせん断変形するが、その最大せん断変形寸法Ｕcrが最大クリアランス寸法Ｃよりも大きいので、一方のボルト６１ａが最大せん断変形寸法Ｕcrに達する前に他方のボルト６１ｂにも荷重が作用することとなる。すなわち、ボルト６１ａ及びボルト６１ｂの双方で荷重を負担することになり、これにより通常時やレベル１地震動におけるノックオフ型ボルトの個別破壊を防止することができる。

図４は、ノックオフ型ボルトのせん断破壊の際に、破断面にカエリが発生するのを防止するための取付構造を示している。ノックオフ型ボルト６１が取り付けられる上部構造側すべりプレート５６及び支承側すべりプレート５８のボルト孔７０、７１には、座ぐりによって形成された拡径部７２、７３がそれぞれ設けられている。

この拡径部７２、７３はボルト孔７０、７１の一部をすべり面６５側に向けて拡径した空間であり、直径ＤがＤ≧φ＋２Ｕcr（ただし、φ：ボルトの直径）であって、深さｈが４ｍｍ以上である。このような拡径部７０、７１を設けることにより、ボルト６１の破断の際に、破断面にカエリが発生しないことが確認された。これにより、すべりプレート５６、５８を損傷の損傷を防止することができる。

上記実施形態は例示にすぎず、この発明は種々の態様を採ることができる。例えば、図３に示したＵcrとｄ／Ｂとの関係は、ボルト材料がＳＮＲ４００Ｂの場合であり、これとは異なる材質のボルトを用いる場合には、そのボルトについて実験・解析を行ってＵcrとｄ／Ｂとの関係を求めることになる。

５０：支承
５５：上部構造
５６：上部構造側すべりプレート
５８：支承側すべりプレート
６１（６１ａ、６１ｂ）：ノックオフ型ボルト
６３：環状ノッチ部
６５：すべり面
７０、７１：ボルト孔
７２、７３：拡径部
Ｃ：最大クリアランス寸法

Claims (2)

1. 橋梁における上部構造の下面に設けられた上部構造側すべりプレートと、前記上部構造と下部構造との間に設置された支承の上面に設けられ、前記上部構造側すべりプレートとの間ですべりを生じる支承側すべりプレートとを備え、
   前記上部構造側すべりプレート及び前記支承側すべりプレートを貫通して、前記上部構造と前記支承とを固定するために取り付けられる複数のボルトであって、前記上部構造側すべりプレート及び前記支承側すべりプレートのすべり面に位置するように環状ノッチ部が軸部外周に設けられ、前記上部構造に作用する水平方向の想定最大荷重によって前記環状ノッチ部で破壊するようにしたノックオフ型ボルトの取付構造において、
   前記環状ノッチ部の深さｄに対する前記ボルトの半径Ｂの比ｄ／Ｂによって定まる想定最大荷重時の前記ボルトの最大せん断変形寸法Ｕcrを、前記上部構造側すべりプレート及び前記支承側すべりプレートにそれぞれ形成されるボルト孔の最大クリアランス寸法Ｃよりも大きくしたことを特徴とするノックオフ型ボルトの取付構造。
2. 前記上部構造側すべりプレート及び前記支承側すべりプレートにそれぞれ形成される前記ボルト孔には、前記すべり面側に向けて拡径された拡径部が設けられ、この拡径部は直径ＤがＤ≧φ＋２Ｕcr（ただし、φ：ボルトの直径）であって、深さｈが４ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のノックオフ型ボルトの取付構造。

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