JP7272858B2

JP7272858B2 - 制振機構

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Publication number: JP7272858B2
Application number: JP2019091945A
Authority: JP
Inventors: 和彦磯田
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: JP2020186578A

Description

本発明は、制振機構に関するものである。

近年、橋梁技術のめざましい進歩に伴い、振動・騒音の減少や走行性の向上に有効な多径間連続桁橋が多く設計されるようになってきている。多径間連続桁橋では、各橋脚頂部と上部構造（橋桁）との間に支承を設け、地震時の慣性力や温度による伸縮に対応できるようにしている。

支承には鋼製支承やゴム支承が用いられ、近年は積層ゴム支承が増えているが、既存の橋梁では鋼製支承が多用されていた。

一般に、図９に示すように、橋梁１０１の下部構造（ＲＣ橋脚）１０２と上部構造１０３との間に設置される橋梁の鋼製支承は、１箇所を固定支承１０６とし、他の箇所を可動支承（すべり支承）１０７とすることで、温度変化による橋梁１０１の橋軸方向Ｚ１の伸縮に対処している。

図１０に示すように、鋼製の可動支承１０７は、橋桁１０３に接合される上沓１１１と橋脚１０２に接合される下沓１１２との間に、図１１に示すすべり板１１３を挟んだ構成となっている。例えば、下沓１１２の上面には円柱状の凹部１１２ａが形成され、凹部１１２ａにはゴムプレート１１４、中間プレート１１５及びシールリング１１６が設けられたすべり板１１３が配置されている。可動支承１０７の橋軸直角方向Ｚ２の両側をサイドブロック１１８で挟み込み、可動支承１０７の橋軸直角方向Ｚ２の変位を拘束して、可動支承１０７を橋軸方向Ｚ１にのみ変位できるようにしている。

上記のような構成のため、地震時には、固定支承１０６のみが大きな水平力を負担することになり、固定支承１０６が設置された橋脚１０２だけに大きな応力を生じる。可動支承１０７は、従来のピン支承よりはるかに水平剛性が小さく変形能力が大きい。しかし、可動支承１０７は、ＬＲＢ（鉛プラグ入り積層ゴム）や高減衰ゴム支承のような免震装置と比較すると、減衰性能は数分の１程度しかなく、変形能力も小さい。そのため、設計時に想定された地震時慣性力を上回る過大な地震力が作用すると、支承部や下部構造が損傷するおそれがある。特に、近年は阪神大震災や東日本大震災を受け、設計用地震動が見直されて（地震力が増大して）おり、長周期地震動への対応など既存インフラの耐震性向上技術が求められている。

耐震性能向上に有効な技術として、免震構造や制振構造が採用されている。橋梁用免震構造では、変形抑制のため、せん断剛性Ｇが大きな積層ゴム支承を使用している。そのため、あまり長周期化せず、地盤条件が悪い場合や長周期地震動には効果を発揮しにくい。また、既存橋梁を免震化するにはコストがかかり、施工時にコスト面から積層ゴム支承を使用できないなどの問題があった。

一方、制振構造は、下部構造と上部構造との間に制振ダンパーを追加し減衰性能を付与することで応答低減するものである。制振構造では、下部構造が変形するためダンパーの効きが悪く、支承部の変形を抑制するためにダンパー性能を増大すると下部構造のせん断力や上部構造の加速度が増加してしまう問題があった。例えば、下記の特許文献１では、制振構造が提案されているものの、ダンパーの適正量に関する内容は記載されていない。

そこで、制振構造によって確実且つ効果的に耐震性を向上させるために、慣性質量ダンパーやオイルダンパー等を用いた制振機構が提案されている（下記の特許文献２～５参照）。

特開２００４－３３２４７８号公報特開２０１６－０２３４４３号公報特開２０１６－０２３４４４号公報特開２０１６－０２３４４５号公報特開２０１６－１４８１４７号公報

しかしながら、上記の特許文献２～５の制振機構は、いずれもゴム支承を対象としたものである。そのため、鋼製支承を用いた既存の高架橋に対する合理的な耐震性の向上が望まれている。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、鋼製支承を用いて、高架橋の耐震性を向上させた制振機構を提案するものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る制振機構は、高架橋の橋脚と橋桁との間に設置される鋼製支承を用いた制振機構であって、少なくとも粘性減衰を含む第一要素と、該第一要素と直列に配置されたばね部材と、を備えることを特徴とする。

このように構成された制振機構では、高架橋の橋脚と橋桁との間に、少なくとも粘性減衰を含む第一要素とばね部材とを直列に配置することで、地震時応答を低減させて、耐震性を向上させることができる。

また、本発明に係る制振機構では、前記第一要素は、前記粘性減衰と慣性質量ダンパーとが並列配置されて構成されていることが好ましい。

このように構成された制振機構では、第一要素として、粘性減衰と慣性質量ダンパーとを並列配置することで、耐震性をより一層向上させることができる。

また、本発明に係る制振機構では、前記高架橋の１次固有振動数近傍における周波数伝達関数の応答倍率のピーク値が最小となるように設定していてもよい。

このように構成された制振機構では、高架橋の１次固有振動数近傍における周波数伝達関数の応答倍率のピーク値が最小となるように設定することで、地震時応答を大幅に低減させることができる。

本発明に係る制振機構によれば、鋼製支承を用いて、高架橋の耐震性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る制振機構の設置例を示す図である。本発明の一実施形態に係る制振機構の振動解析モデルの一例を示す図である。本発明の一実施形態に係る制振機構にて使用する振動解析モデルを示す図である。本発明の一実施形態に係る制振機構において、ψ_ｄ／Ｍとｋ_ｄ／ｋ_１との関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る制振機構において、制振機構の減衰定数ｈ_ｄとｋ_ｄ／ｋ_１との関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る制振機構において、最大応答倍率αとｋ_ｄ／ｋ_１との関係を示すグラフである。本発明の一実施形態の変形例に係る制振機構の振動解析モデルの一例を示す図である。本発明の一実施形態、変形例及び制振機構無しの３つについての周波数伝達関数を示すグラフである。従来の鋼製支承が設置された橋梁を示す図である。従来の鋼製支承の可動支承を示す図であり、（ａ）橋軸直角方向（Ｚ２方向）に沿う図であり、（ｂ）橋軸方向（Ｚ１方向）に沿う図である。従来の鋼製支承を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る制振機構について、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る一実施形態に係る制振機構の設置例を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る制振機構１は、高架橋１０の橋脚１１の頂部１１ａ（以下、橋脚頂部１１ａと称することがある）と橋桁（上部構造）１２との間に設置されるものである。制振機構１、鋼製支承で構成されている。
本実施形態では、複数の橋脚１１のうち橋脚１１Ａと橋桁１２との間には制振機構１が設置され、橋脚１１Ｂと橋桁１２との間には固定支承６が設置されている。

複数の橋脚１１に跨がる橋桁１２の自重は、各橋脚１１に設置された制振機構１及び固定支承６を介して支持される。一方、橋桁１２の水平地震力は固定支承６のある橋脚１１Ｂに作用するとともに、制振機構１の負担力はその設置された橋脚１１Ａに作用する。なお、制振機構１の設置される橋脚１１Ａは、複数あってもよい。

図２は、制振機構１の振動解析モデルの一例を示す図である。
制振機構１、鋼製支承で構成されている。図２に示すように、制振機構１は、第一要素２とばね部材３とが直列に配置されて構成されている。第一要素２は、粘性減衰２１と慣性質量ダンパー２２とが並列配置されて構成されている。

本実施形態では、粘性減衰２１として、オイルダンパー（以下、粘性減衰２１をオイルダンパー２１と称することがある）を採用することができる。

慣性質量ダンパー２２は、ボールねじ機構等によってダンパー両端に作用する相対変位で錘を回転させることにより、錘質量の数千倍もの大きな慣性質量効果が得られるものである。慣性質量ダンパー２２は、ダンパーに作用する相対加速度に比例した反力が得られる特徴がある。したがって、制振機構１は、橋桁１２や桁梁の温度による伸縮（低速）にはほとんど反力を生じず追従することとなる。

慣性質量ダンパー２２の慣性質量をψ_ｄ、オイルダンパー２１の粘性減衰や慣性質量ダンパー２２の内部減衰を合計して減衰係数をｃ_ｄ、ばね部材３のばね剛性をｋ_０としてモデル化する。

そして、制振機構１は、高架橋１０の１次固有振動数近傍における周波数伝達関数の応答倍率のピーク値が最小となるように設定したものである。高架橋１０の水平剛性ｋ（ｋ_１，ｋ_ｄ等）を与条件として、周波数伝達関数で応答倍率のピーク値を最小化させる振動諸元（慣性質量ψ_ｄ、減衰係数ｃ_ｄ）を最適諸元として設定する。

橋桁質量（多径間の場合は一体化された橋桁１２の総重量）をＭ、固定支承６のある橋脚１１Ｂの水平剛性をｋ_１、制振機構１の取り付く橋脚１１Ａの水平剛性をｋ_２とする。直列関係となるｋ_０とｋ_２との合成剛性ｋ_ｄは、図２中の式で表される。なお、この制振機構１を複数の橋脚１１Ａに設置する場合は、振動解析モデルにおいて慣性質量ψ_ｄ、減衰係数ｃ_ｄ、合成剛性ｋ_ｄからなる制振機構１を複数並列すればよい。

これは、１質点系振動モデルに制振機構を加えたものであり、最適諸元が定式化されている（磯田和彦，半澤徹也，田村和夫：慣性質量ダンパーを組み込んだ低層集中制震に関する基礎的研究、日本建築学会構造系論文集第７８巻第６８６号、２０１３年４月）。

これは、上記論文に記載されている振動モデルと同じ形式となり、図３に示す振動解析モデルにある慣性質量ψ_ｄ、減衰係数ｃ_ｄ、合成剛性ｋ_ｄを制振機構１が設置される全ての橋脚１１Ａに対する合計とすれば、最適配置される慣性質量ψ_ｄと減衰係数ｃ_ｄは、下記の式（１），（２）で得られる。また、そのときの最大応答倍率αも、下記の式（３）で併せて示す。

上式は合成剛性ｋ_ｄを設定すれば、橋桁質量Ｍと固定支承６のある橋脚１１Ｂの水平剛性ｋ_１から一義的に求まるものであり、任意の合成剛性ｋ_ｄに対して最適な慣性質量ψ_ｄと減衰係数ｃ_ｄが得られる。なお、合成剛性ｋ_ｄは減衰を並列した慣性質量ψ_ｄに直列するばね剛性ｋ_０と制振機構１が設置される橋脚１１Ａの水平剛性ｋ_２との合成ばね剛性であり、直列ばねがない場合（ばね剛性ｋ_０→∞となり、ｋ_ｄ＝ｋ_２となる場合）も含まれる。

上式から明らかなように、合成剛性ｋ_ｄが大きくなるにつれ慣性質量ψ_ｄや減衰係数ｃ_ｄも大きくなるため、制振機構１の反力も大きくなること、及び最大応答倍率が小さくなり共振特性が改善される（共振し難くなる）ことがわかる。ダンパー諸元は小さすぎると応答低減効果がなく、大きすぎると制振機構１が設置される橋脚１１Ａや接合部に過大な応力が生じてしまう問題がある。これらを考慮して適切な合成剛性ｋ_ｄを設定する。

本実施形態の制振機構１の減衰定数ｈ_ｄを、下記の式（４）に示すものとして、上式の最適諸元を図４～図６に実線で示す。

なお、本実施形態の作用効果については、下記に示す変形例の作用効果とともに、実施形態及び変形例の性能の評価について記載した後に記載することとする。

（変形例）
次に、上記に示す実施形態の変形例に係る制振機構について説明する。
なお、以下の変形例において、前述した実施形態で用いた部材と同一の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図７は、本発明の一実施形態の変形例に係る制振機構の振動解析モデルの一例を示す図である。
図７に示すように、本変形例の制振機構１Ｘでは、橋桁１２と橋脚頂部１１ａ（図１参照。以下同じ。）との間に、慣性質量ダンパー２２を設置せずに、粘性減衰２１（第一要素２Ｘ）とばね部材３とが直列に配置されて構成されている。

粘性減衰２１としては、オイルダンパーやビンガムダンパーほかの粘性系ダンパーがある。ただし、設置するダンパーが過大だと支承部の変位は低減できるが下部工（橋脚部）の応答が増大するため、付加するダンパーの減衰係数ｃ_ｄ´は上記論文から求まる最適値ｃ_ｄ´を上限とする。最適配置される減衰係数ｃ_ｄ´は、下記の式（５）で得られる。また、そのときの最大応答倍率αも、下記の式（６）で併せて示す。

本変形例の制振機構１Ｘの減衰定数ｈ_ｄを、下記の式（７）に示すものとして、上式の最適諸元を図４～図６に破線で示す。

次に、図４～図６のグラフで、慣性質量ダンパー２２の有無を含め、制振機構１，１Ｘを可動支承に設置した際の性能を評価する。

（１）共振振動数における最大応答倍率α（地表加速度に対する橋桁加速度の比）は、制振機構１，１Ｘのない構造物では構造減衰をｈ（一般的にはｈ＝０．０２～０．０４）のとき、α＝１／（２ｈ）となることからα＞10となるが、慣性質量ダンパー２２の有無によらず粘性減衰２１を用いて制振すれば、α＜10の性能が容易に得られ、耐震性を大幅に向上できる。

（２）合成剛性ｋ_ｄは、減衰係数ｃ_ｄや慣性質量ψ_ｄに直列するばね剛性ｋ_０と制振機構１が設置される可動支承を有する橋脚１１Ａの水平剛性ｋ_２との合成ばね剛性であり、通常は固定支承を有する橋脚の水平剛性ｋ_１より小さく、下記の式（８）の関係にある。

（３）ｋ_ｄ／ｋ_１＝０．３のとき、慣性質量ダンパー２２を有する制振機構１の最適諸元はψ_ｄ／Ｍ＝０．２０，ｈ_ｄ＝０．０７で、最大応答倍率α＝２．７７となり、慣性質量ダンパー２２のない制振機構１Ｘの最適諸元はｈ_ｄ＝０．１２でα＝７．６７となる。このことから、慣性質量ダンパー２２を設ければ、付加減衰が小さくても大きな応答低減効果が得られることがわかる。なお、付加する減衰係数は減衰定数に比例し、最大応答倍率が小さいほど応答低減効果は大きい。

（４）慣性質量ダンパー２２を設けた場合、ｋ_ｄ／ｋ_１≧０．２であれば最大応答倍率α≦３．３２となり、ほぼ共振しない優れた振動特性が得られる。

（５）橋梁の構造減衰ｈ＝０．０３としたとき、慣性質量ダンパー２２なしで粘性減衰２１のみの減衰機構としたとき、及び慣性質量ダンパー２２ありの減衰機構としたときの３つについて周波数伝達関数を求め、図８に示す。

図８に示すように、横軸１．０の共振域における最大応答倍率αは、制振機構１，１Ｘなしで１６．７、慣性質量ダンパー２２のない制振機構１Ｘで７．６７、慣性質量ダンパー２２のある制振機構１で２．７７となり、本願の制振機構１，１Ｘによれば地震時応答を大幅に低減できることがわかる。慣性質量ダンパー２２を用いない場合（慣性質量ダンパー２２のない制振機構１Ｘ）でも、制振機構１，１Ｘなしの場合に比べれば地震時の応答を低減し、耐震性を向上させることができる。

以下に、上記に示す実施形態及び変形例の作用・効果について説明する。
上記に示す実施形態及び変形例に係る制振機構１，１Ｘによれば、高架橋１０の橋脚１１と橋桁１２との間に、少なくとも粘性減衰２１を含む第一要素２，２Ｘとばね部材３とを直列に配置することで、地震時応答を低減させて、耐震性を向上させることができる。

また、制振機構１では、第一要素２として、粘性減衰２１と慣性質量ダンパー２２とを並列配置することで、耐震性をより一層向上させることができる。

また、高架橋１０の１次固有振動数近傍における周波数伝達関数の応答倍率のピーク値が最小となるように設定することで、地震時応答を大幅に低減させることができる。

なお、上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１，１Ｘ…制振機構
２，２Ｘ…第一要素
３…ばね部材
６…固定支承
１０…高架橋
１１，１１Ａ，１１Ｂ…橋脚
１１ａ…頂部
１２…橋桁
２１…粘性減衰、オイルダンパー
２２…慣性質量ダンパー

Claims

高架橋の橋脚と橋桁との間に設置される鋼製支承を用いた制振機構であって、
少なくとも粘性減衰を含む第一要素と、
該第一要素と直列に配置されたばね部材と、を備え、
前記第一要素は、前記粘性減衰と慣性質量ダンパーとが並列配置されて構成されており、
前記橋桁の質量をＭ、固定支承が設けられた橋脚の水平剛性をｋ _１、前記ばね部材のばね剛性をｋ _０、前記制振機構が取り付けられる橋脚の水平剛性をｋ _２、ばね剛性ｋ _０と水平剛性ｋ _２との合成剛性をｋ _ｄ、とすると、
前記慣性質量ダンパーの慣性質量ψ _ｄは、以下の式（１）で求められ、

前記粘性減衰および前記慣性質量ダンパーの内部減衰を合計した減衰係数ｃ _ｄは、以下の式（２）で求められ、

前記高架橋の１次固有振動数近傍における周波数伝達関数の応答倍率αは、以下の式（３）で求められる

ことを特徴とする制振機構。
前記高架橋の１次固有振動数近傍における周波数伝達関数の応答倍率のピーク値が最小となるように設定していることを特徴とする請求項１に記載の制振機構。