JPH08144291A

JPH08144291A - 免震機構を内臓する段階型基礎

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Publication number: JPH08144291A
Application number: JP31249294A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Yamada; 勝彦山田
Original assignee: CHIYOUDAI KK
Current assignee: CHIYOUDAI KK
Priority date: 1994-11-22
Filing date: 1994-11-22
Publication date: 1996-06-04

Abstract

(57)【要約】【目的】免震性が高く地震時の地盤への負荷が比較的少
ない剛体基礎の提供。【構成】高剛性の基礎躯体を上部躯体と下部躯体とに分
割し、上部躯体と下部躯体の間に高減衰性の免震支承を
設け、該免震支承を介して上部躯体を支持させることに
より基礎躯体自体に制振機能を形成したことを特徴とす
る免震機構を内臓する段階型基礎。【効果】上部躯体が水平方向に弾性支持され、一定の
変位に伴うエネルギー逸散による減衰効果が得られ、基
礎の固有振動周期を長くすることができる。従って、地
耐力が比較的小さい地盤においても長大橋などを支える
免震性の高い大型基礎を建設することができ、大型基礎
が地震を受けても地盤に過重な負荷が集中せず、地盤が
崩壊する虞がない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は橋梁基礎などの構造形態
に関する。詳細には、地震の際に地盤へ過重な負荷が集
中しないように基礎自体に制振機能を付与した基礎構造
に関する。本発明の基礎は、基礎躯体を上部躯体と下部
躯体に分離し、その間に設けた免震支承によって上部躯
体を支持させることにより当該部分の長周期化を図り、
また該免震支承の高減衰性によって地震による慣性力を
低いレベルに押さえ、地盤に過重な負荷が集中しないよ
うにしたものであり、長大橋などの巨大基礎構造として
特に有用である。

【０００２】

【従来の技術】従来の剛体基礎の模式図を図１に示す。
同図は長大橋の基礎として内外に多くの実績がある代表
的な海中の橋梁基礎を例示したものであり、従来の剛体
基礎は図示するように、一体の巨大な塊である基礎躯体
１が用いられ、これが根入層３の下側の支持地盤２に安
定に設置される。基礎躯体１の上部は海面５から突き出
ており、その上面に吊橋主塔などの上部工４が固定され
る。この従来の基礎は、躯体１の背が高い場合、非常に
重くなることから地震の影響が大きく、支持地盤２への
荷重が厳しい。このため、支持層の条件によっては図２
のように基礎躯体１の下部に支持杭６を継ぎ足した、杭
あるいは脚付きケーソン基礎も施工されている。

【０００３】上記剛体基礎構造の動的モデル図を図３に
示した。同図は、基礎躯体１を剛体とみなし、支持基盤
２の剛性を水平バネＫ１と回転バネＫ２の２つの等価バ
ネに評価したもので、並進と回転とからなる１質点−２
自由度系の力学モデルとして示したものである。なお図
中、Ｇは躯体の重心、Ｒは１次モードの時の回転中心を
示している。このモデルに基づく既往データから見た剛
体基礎の１次固有周期は長くて１秒程度、概して０．５
秒を越えないものが多い。長周期のものとしては、現状
では世界最大の吊橋である明石海峡大橋（中央支間長20
00ｍ）の砂礫層を支持層とする主塔基礎の例が報告され
ており、この例では基礎・地盤系の動的相互作用を考慮
した解析値によれば剛体基礎の１次固有周期は０．６〜
１秒である。また、図３の回転角θから判るように、地
震時における基礎の変位は上方程変位が大きくなり、従
って大きな地震力を受けることになる。これは上部工が
支点移動としての影響を受け、また剛体基礎自体も大き
な水平力を頂部に受け、転倒モーメントが大きくなるこ
とを意味する。

【０００４】一方、図４に示す構造の剛体基礎も建設さ
れており、これは基礎頂部を上部工の条件など許される
範囲で削減し、トップヘビーな状態を軽減させた基礎で
ある。この型式は空気ケーソン工法の場合によく採用さ
れており、材料の節約が画れ、且つ重心を低くできる利
点はあるものの、傾向として、１次の固有周期は短くな
る方向にあり、積極的に応答震度を下げることを目的と
して採用されるものではない。

【０００５】このような剛体基礎の地震による振動の固
有周期と加速度との関係例を図５に示した。図５のグラ
フは基礎の固有周期に対する加速度応答スペルトルを示
したものであり、スペクトル１は東京湾横断道路の設計
に用いられているものであり、構造物の耐用年数内に希
にしか発生しない地震に対して崩壊を防止するＬ−２レ
ベルの基盤における加速度応答スペクトルである。また
スペクトル２は地震時保有水平耐力の照査に用いる標準
加速度の応答スペクトル（Ｉ種地盤）である。因みに、
一般の道路橋について、“道路橋示方書・Ｖ耐震設計
編、社団法人・日本道路協会編、初版”には、鉄筋コン
クリート橋脚の地震時保有水平耐力の照査が規定されて
おり、安全性の照査に用いる設計水平震度は図５のスペ
クトル２と同等のレベルに設定されている。

【０００６】

【従来技術の問題点】図５から明らかなように、基礎の
固有周期が短いと大きな加速度が作用し、これによる水
平力や転倒モーメントが地盤に加わることになる。一例
として、スペクトル１において０．３秒以下では１００
０gal に及ぶ加速度が対象になり、これに減衰の効果を
考慮して非常に大きな設計震度を考えなければならない
ことになる。従って、地盤に対する基礎の安定を確保に
はその固有周期を十分長くするか、または基礎の構造減
衰を大きくして応答加速度の低下を図る必要がある。具
体的には、加速度応答スペクトルにもよるが、効果的に
は１次固有周期で概ね１〜１．５秒以上とし、かつ躯体
自体に一定以上の構造減衰性を付与することが望まれ
る。ところが、従来の剛体基礎では躯体自体の剛性が極
めて高いため変形の影響は無視され、また支持地盤も大
きな荷重に備え、安定確保に足る強度と面積を必要とす
るので、地盤のバネとしての剛性を簡単には変えられな
い。地質などの条件によっては、基礎底面寸法を小さく
して無理に長周期化することもできなくはないが、地震
時の応答回転角（図３のθ）が著しく大きくなり、上部
工へ悪影響を及ぼすなど、他の面で問題を生ずる。すな
わち、振動特性を選択するに全く自由度の低い構造物と
言える。従って、どうしても従来の基礎構造では固有周
期の長い剛体基礎を得ることは難しい。

【０００７】このような剛体基礎の耐震対策として、何
等かの形で制振装置を付加することも考えられるが、一
般に基礎の重量が極めて大きいために根本的な対策とは
なり難い。なお、基礎地盤系だけでなく上部工を免震支
承で支持し、上下部工合せて応答震度の低下を画ること
も可能であり、こうした観点から計画される例は高架橋
に多い。しかし、基礎が大型で振動質量が大きい場合
は、それ自体の応答が大きな問題であり、橋梁型式、例
えば吊橋にあっては支承の構成が容易ではなく実際にも
施工例は見当らない。特に強い地震の発生が予測される
地域において、基礎の規模に見合った堅硬な支持地盤が
得られない場合、応答震度を逓減できないと構造寸法が
実用外の大きさとなるか、または設計が行き詰ることに
もなる。

【０００８】以上のように従来の基礎構造では、巨大基
礎の場合、地震による地盤崩壊の虞が懸念される。現在
施工されている巨大基礎の重量は数万ないし百万ton を
超えるものがあり、地盤にはこの重量を支える極めて膨
大な荷重が加わっている。一例として本四架橋の場合に
は、橋梁上部工部分の重量は数万ton であるのに対して
基礎の重量は３０万ton 前後、両端のアンカー部分の基
礎重量は２００万tonにも及ぶものがあり、上部工の重
量よりも基礎の重量がはるかに大きく、地震による基礎
躯体の振動がその周辺地盤に及ぼす影響は重大である。
花崗岩質のように堅い岩磐であればかなりの地震でも巨
大基礎を支えることができるが、軟岩や砂礫層などの場
合、地震による振動を受けると地盤が巨大基礎を支えき
れない場合が生じる。即ち、基礎はその全荷重に耐える
地盤の上に構築されるが、基礎が地震による振動を受け
ると、慣性力による水平力とそれによる転倒モーメント
が底面に作用することになり、基礎および上部工の全重
量が、図１５に示すように、基礎の周辺に向かって偏心
して作用するようになる。従って膨大な荷重が基礎底面
周縁の地盤に周期的に集中して加わるために、地盤がこ
の荷重に耐えられなくなって崩壊する危険性を生じる。

【０００９】

【発明の解決課題】本発明は以上説明した状況に鑑み、
従来の基礎構造における上記課題を解消した基礎を提供
することを目的とするものであり、本発明によれば、基
礎躯体自体が変形性能と減衰性を有し、従来の剛体基礎
よりも固有振動周期が長く、免震性の高い基礎が提供さ
れる。従って本発明の基礎構造によれば地震時における
支持地盤への過大な荷重の集中が防止され、地盤に対す
る安定性を高めることができる。

【００１０】

【課題の解決手段】すなわち、本発明によれば以下の構
成からなる免震機構を内臓する段階型基礎が提供され
る。（１）高剛性の基礎躯体を上部躯体と下部躯体とに分
割し、上部躯体と下部躯体の間に高減衰性の免震支承を
設け、該免震支承を介して上部躯体を支持させることに
より基礎躯体自体に制振機能を形成したことを特徴とす
る免震機構を内臓する段階型基礎。（２）免震支承が、複数の高減衰ゴムを補強板を介し
積層してなる積層ゴムである上記(1) の基礎。（３）免震支承の外周に被覆材を有する上記(1) また
は(2) の基礎。

【００１１】

【具体的な説明】以下、本発明を図面に従い詳細に説明
する。図６は本発明に係る段階型基礎の模式図であり、
該基礎を海中に設置した例を示す。図示するように、基
礎躯体１０は上部躯体１１と下部躯体１２に分かれてお
り、これらの間には高減衰性の免震支承１３が介在され
ている。上部躯体１１は下部躯体１２の上面に設けた上
記免震支承１３によって支持されている。下部躯体１２
は根入層１５を貫通して支持地盤１４に達し、該支持地
盤１４に床付けされている。一方、上部躯体１１の上部
は海面５より突出し、その上面には上部工１６が設置さ
れている。なお、図示する基礎は上部躯体と下部躯体の
上下２段階に分離した例であるが、分離する態様は２段
階に限らず、高減衰性の免震支承を介して２段以上に形
成する態様も含む。また下部躯体１２は図２に示すよう
な支持杭を有するものでも良い。なお、基礎躯体各部の
構造は基礎躯体上部の振動重量の配分に配慮する他は、
上部工からの荷重、最終的な地震時応答震度およびその
他の荷重に応じて通常の手法により設計することができ
る。

【００１２】上記免震支承１３は高減衰性の部材からな
る支承であり、好適には高減衰ゴムを積層してなる積層
ゴム支承が用いられる。この具体例を図７に示す。同図
において、免震支承１３は複数の高減衰ゴム１３ａを補
強板１３ｂを介し積層して形成されたものである。高減
衰ゴム１３ａとしてはゴム支承として現在使用されてい
る減衰性の高いゴムを用いることができる。なお、図で
は高減衰ゴム１３ａを４段に積層した例を示したが、ゴ
ム１３ａの寸法、厚さおよび積層段数などは施工条件に
応じて適宜定められる。免震支承１３の上側と下側には
上部躯体１１の下面および下部躯体１２の上面に各々接
触する鋼製の支承フランジ１３ｃが設けられている。該
支承フランジ１３ｃには棒状のズレ止め１３ｄが植設さ
れており、このズレ止め１３ｄは各々上部躯体１１ない
し下部躯体１２の内部に埋め込み、免震支承１３を上部
躯体１１および下部躯体１２に固定し、その位置ズレを
防止している。さらに図示する免震支承１３には海中で
の耐久性を高めるように、その外周が被覆ゴムなどの被
覆材１３ｅによって２重に覆われている。なお、陸上に
設置する場合には該被覆材１３ｅを１重としてもよい。

【００１３】免震支承１３は下部躯体１２の上面に複数
個配設され、該免震支承１３を介して上部躯体１１が支
えられる。下部躯体１２の上面に設けた免震支承１３の
配列状態を図８に示す。免震支承１３の配置は、図示す
るように躯体上方部分からの転倒モーメントに対処する
ため周縁部を優先し、下部躯体１２の上面において、そ
の周縁に沿って配設するのが有利である。免震支承１３
の個数を増やす必要のあるときは、同図の破線に示すよ
うに、周縁部に沿って設けた配列の内側に対称に設ける
と良い。

【００１４】以上のように、本発明の基礎は、従来は１
体で構成される剛性の高い基礎躯体を上下に分割し、そ
の間に高減衰ゴムを積層した免震ゴム支承を介在させ、
該免震支承によって上部躯体を支える段階型基礎である
ので、上部躯体が水平方向に弾性支持され、一定の変位
に伴うエネルギー逸散による減衰効果が得られ、基礎の
固有振動周期を長くすることができる。これを図９を参
照して説明すると、同図は図６の基礎構造に対応する２
段型基礎とした場合の力学モデル図であり、１１ａは上
部躯体の重心で、積層ゴム支承１３は可動沓２０ａ、水
平バネＫ_Hおよびダッシュポット２０ｂの組合わせとし
て表されている。なお積層ゴム支承１３は鉛方向には非
常に剛性が高く、水平方向には変位に応じた反力を生
じ、かつその変位の非線形性によるエネルギーの消費が
ある。また１２ａは下部躯体１２の重心であり、Ｋ₁お
よびＫ₂は支持地盤の剛性と等価なバネで各々水平バネ
および回転バネを表す。このモデルから振動モードは図
３に示した１質点２自由度系のモデルに対し、上部躯体
１０と下部躯体１２の間の相対的なズレ移動が生じるの
で、結局、２質点４自由度系の動的モデルで表される。
図１０は、図９の振動モードのうち、地震時の最も大き
な影響を持つ１次モードを定性的に示したものである。
図６の基礎構造をさらに３段、４段と段数を多くする
と、それだけ変位自由度が高くなるが振動モードは上記
と同様である。

【００１５】本発明の段階型基礎では、免震支承１３の
水平バネＫ_Hの剛性度を小さくして低次振動モードの固
有周期を長くすることを１つの眼目とする。今、この卓
越するバネに注目し、他の剛性の大きな地盤剛性および
下部躯体１２の質量を無視すると、上部躯体１１の振動
周期Ｔは、式１で与えられる。ここで、Ｗは上方躯体の
重量（水中では水の付加重量を含む）であり、Ｋ_Hは積
層ゴム支承１３の水平方向バネ力の総和、Ｇは重力加速
度（9.8m/sec²）である。

【００１６】

【数１】

【００１７】下部躯体１２と上部躯体１１とは免震支承
１３を介して図１０に示すような動的相互作用があるの
で一概には言えないが、傾向として、上記式１から明ら
かなように、その重量と免震支承１３の水平バネ力の総
和（Ｋ_H）を調節することにより、下部躯体１２に対し
てその振動周期を大幅に長くすることが可能であり、し
かも減衰性を付加できるため、上部躯体１１自体の重量
をそのまま生かした制振装置としての機能も果す。すな
わち、基礎全体として、下部躯体１２自体は応答震度を
格段に低下させることは期待できないが、上部躯体１１
の応答震度を著しく低下させることができるので、基礎
全体として地震の影響を小さくすることができる。従っ
て、地震時の基礎底面における荷重の偏心・傾斜の度合
を低くとどめ得ることになり、地盤への過度な集中を避
け得ることになる。

【００１８】この点を図１１および図１２を参照して説
明すると、図９の力学モデルから図１１(a) 〜(d) に示
す１次モードから４次モードの各振動モードが導かれ
る。この各振動モードの応答加速度Ｓと各モードごとの
寄与率から減衰効果を考慮して加速度、変位の最大応答
値を得ることができる。この値に基づく各振動モードの
加速度応答スペクトルに対応する固有振動周期は図１２
のとおりであり、１次振動モードから４次振動モードに
対応する各周期Ｔ₁、Ｔ₂、Ｔ₃、Ｔ₄は図示するよう
に次数が低くなるにつれて長周期となる。なお通常は１
次モードの寄与率が高いので、簡単に概略を把握するに
は１次モードの固有周期Ｔ₁を検討すればよい。因み
に、スペクトル２において１次モードの応答加速度Ｓ₁
が４００galのとき、固有周期Ｔ₁は約２．５秒であ
る。また、減衰の効果は減衰定数(h) に基づく補正係数
(C₀) を各モードに乗じて求めることができる。

【００１９】すでに述べたように、一体型の従来の剛体
基礎は、図３の力学モデルに示すように、応答加速度が
大きく、固有振動Ｔを長周期化することができない。一
方、本発明の段階型基礎では振動を受けた場合に、上部
躯体１１と下部躯体１２の間に介設した免震支承１３に
よってその振動が減衰されるので、上部躯体１１の振動
が大幅に長周期化され、応答加速度(K_H11) が小さくな
り、下部躯体１２の応答加速度(K_H12) は従来の一体型
基礎と同等でも、基礎底面の水平力Ｈは上部躯体１１の
荷重Ｗ₁₁とその応答加速度の積（Ｗ₁₁×Ｋ_H11）が大き
く減少するので、従来の剛体基礎よりも大幅に低下し、
荷重偏心量ｅも小さくなる。この結果、図１５の模式図
に示すように、従来の一体型基礎は荷重偏心量ｅが大き
く、過大な荷重が基礎底面の地盤に加わるが、本発明の
段階型基礎では図１３のように荷重偏心量ｅが小さく、
載荷面積が広いので基礎底面の地盤に加わる荷重が小さ
くなる。

【００２０】

【実施例】本発明の基礎構造を中央支間長2,000m級の吊
橋主塔基礎に適用した例を図１４（Ａ）（Ｂ）に示す。
本例は、地震入力として図５に示すスペクトル２を用
い、基礎躯体１０の上方躯体１１の応答震度を０．２前
後に設定したときの段階型基礎の一例について、その形
状の概略を示したものであり、図(A) はその正面図、図
(B) は側面図である。各部分の寸法は基礎の全高Ｈが８
５ｍのとき、下部躯体の正面長ａ、側面長ｂおよび下部
躯体の高さｈについて、ａ＝８０ｍ、ｂ＝７５ｍ、ｈ＝
２０ｍの場合を示す。なお具体的には、地盤の地質条
件、地盤定数（密度、内部摩擦、粘着力、剪断弾性波の
速度など）に基づき設計される。本例では，積層ゴム支
承の設置面積は上部基礎躯体１１の底面積の２０％程度
未満、ゴム総厚は３００mm前後において、上部躯体１１
の固有振動周期は３秒台とし、この減衰定数は０．１５
である。因みに、この支承全体の耐荷力は巨大船の衝突
力や暴風時の上部工からの風荷重にも対抗できる大きさ
である。

【００２１】

【発明の効果】本発明の段階型基礎は基礎躯体全体を上
下に分割する高さや上下の重量配分を調節することがで
き、また積層ゴム支承についても支持面積やゴム総厚な
らびに支承の配置を適宜設定できるので広い範囲で振動
特性を選択できる。従って、地耐力が比較的小さい地盤
においても長大橋などを支える免震性の高い大型基礎を
建設することができ、大型基礎が地震を受けても地盤に
過重な負荷が集中せず、地盤が崩壊する虞がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の剛体基礎の模式図。

【図２】従来の脚付きケーソン基礎の模式図。

【図３】従来の剛体基礎の振動変位を示すモデル図。

【図４】上部を軽くした従来の剛体基礎の模式図。

【図５】基礎の固有振動周期に対する加速度応答スペク
トルを示すグラフ。

【図６】本発明に係る段階型基礎の模式図。

【図７】本発明に用いる高減衰ゴムを積層してなる免震
支承の模式図。

【図８】免震積層ゴム支承の配置図。

【図９】本発明の段階型基礎の力学モデル図。

【図１０】本発明の段階型基礎の卓越振動モード（１
次）の模式図。

【図１１】図９の段階型基礎における振動モードを示す
模式図であり、（Ａ）は１次モード、（Ｂ）は２次モー
ド、（Ｃ）は３次モード、（Ｄ）は４次モードを示す。

【図１２】図１１の各振動モードに対応する加速度応答
スペクトルを示すグラフ。

【図１３】図９の段階型基礎における地盤への荷重状態
を示す模式図。

【図１４】（Ａ）（Ｂ）実施例の段階型基礎の模式図で
あり、（Ａ）はその正面図、（Ｂ）はその側面図。

【図１５】従来の剛体基礎の地盤への荷重状態を示す模
式図。

【符号の説明】

１−基礎躯体、２−支持地盤、３−根入層、
４−上部工５−海面、６−支持杭、１０−剛体基礎、
１１−上部躯体、１２−下部躯体、１３−免震支
承、Ｗ₁₁−上部躯体重心、Ｗ₁₂−下部躯体重心。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高剛性の基礎躯体を上部躯体と下部躯体
とに分割し、上部躯体と下部躯体の間に高減衰性の免震
支承を設け、該免震支承を介して上部躯体を支持させる
ことにより基礎躯体自体に制振機能を形成したことを特
徴とする免震機構を内臓する段階型基礎。
【請求項２】免震支承が、複数の高減衰ゴムを補強板
を介し積層してなる積層ゴムである請求項１の基礎。
【請求項３】免震支承の外周に被覆材が設けられてい
る請求項１または２の基礎。