JPH11303011A - 橋桁の耐風制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】能動制御型として現実の橋桁に適用可能な制御
システムを提供する。 【解決手段】本発明に係る橋桁の耐風制御システムは、
橋桁１周辺に生じている風の向き及び速度を計測する風
向風速レーザ計２と、橋桁１の断面に形成された開口３
ａ、３ｂに設置され該開口を通り抜ける上下方向気流の
方向及び流量を制御する可動整流板４ａ、４ｂと、コン
ピュータ５とから概ね構成してある。コンピュータ５の
記憶部６には、所定の風向き及び風速に対して橋桁１に
生じる振動が最小となるように該橋桁に通過させるべき
上下方向気流の方向及び流量を定めた制御データを記憶
してあり、演算制御部７は、かかる制御データを用いる
ことによって風向風速レーザ計２による計測値に対応す
る上下方向気流の方向及び流量を目標値として演算する
とともに、開口３ａ、３ｂを通り抜ける気流が該目標値
に一致するように可動整流板４ａ、４ｂを駆動制御する
ようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、橋桁、特に長大橋
を構成する橋桁の耐風制御システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】橋桁における耐風設計を行うにあたって
は、風を受けた橋桁がどのような挙動を示すかを把握し
ておくことが重要である。風の作用によって生じる橋桁
の現象としては、平均的な挙動としての静的なものと振
動的な挙動としての動的なものとに大別されるが、これ
らのうち、動的なもの、特にフラッターと呼ばれる自己
励起型の振動が橋桁の破壊や落橋につながることはよく
知られているところである。したがって、かかるフラッ
ターを発生させないことが耐風設計上きわめて重要な事
項となる。

【０００３】フラッターにはさらにいくつかの種類があ
るが、橋桁断面に生じるフラッターのほとんどは剥離流
フラッター、すなわち構造物の前縁で剥がれた剥離流が
要因となって生じるねじれ１自由度の自励振動であると
言われており、このような剥離流を発生させない対策と
して、橋桁の両縁部に整流板を配置する方法や、かかる
整流板を能動的に駆動制御する方法が採用されてきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、整流板
を単に配置するだけでは、地表面に対する風の傾きであ
る傾斜角、あるいは橋桁に対する入射角である迎角が変
動した場合に柔軟に対応することができず、きわめて限
られた条件でしか有効に作用しないという問題を生じて
いた。

【０００５】また、整流板を能動的に駆動制御する方法
については、現在のところ定性的な研究段階にとどまっ
ており、その現実的な手法については未だ確立されてい
ないのが現状である。

【０００６】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、能動駆動型として現実の橋桁に適用すること
が可能な橋桁の耐風制御システムを提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る橋桁の耐風制御システムは請求項１に
記載したように、橋桁周辺に生じている風の向き及び速
度を計測する計測手段と、前記橋桁断面に形成された開
口に設置され該開口を通り抜ける上下方向気流の方向及
び流量の少なくともいずれかを制御する気流制御手段
と、所定の風向き及び風速に対して前記橋桁に生じる振
動が最小となるように該橋桁に通過させるべき上下方向
気流の方向及び流量を定めた制御データが記憶された制
御手段とからなり、該制御手段は、前記計測手段による
計測値に対応する上下方向気流の方向及び流量を前記制
御データを用いて目標値として演算するとともに、前記
開口を通り抜ける気流が前記目標値に一致するように前
記気流制御手段を駆動制御するようになっているもので
ある。

【０００８】また、本発明に係る橋桁の耐風制御システ
ムは、前記開口及び前記気流制御手段を複数組設けたも
のである。

【０００９】本発明に係る橋桁の耐風制御システムにお
いては、所定の風向き及び風速に対して橋桁に生じる振
動が最小となるように該橋桁に通過させるべき上下方向
気流の方向及び流量を制御データとして予め定め、これ
を制御手段に記憶しておく。そして、橋桁周辺に生じて
いる風の向き及び速度を計測手段で計測し、かかる計測
値に対応する上下方向気流の方向及び流量を制御手段に
記憶してある制御データから導き出して目標値とし、次
いで、橋桁の開口を通り抜ける気流がかかる目標値に一
致するように気流制御手段を駆動制御する。

【００１０】このようないわばシーケンス制御で気流制
御手段を駆動制御するようにすればシステム全体を比較
的簡易なものとすることができるとともに、実際に吹い
ている風の向きや速度が制御データを作成したときの対
象範囲内である限り、該風による橋桁の振動は確実に抑
制される。

【００１１】制御データを定める手順例としては、ま
ず、現地での観測結果等から対象とする風向（例えば迎
角）と風速とをそれらの時間変動を考慮して決定して設
計外力とするとともに、断面に開口が形成された橋桁の
解析モデル若しくは実験模型を作成する。ここで、開口
についてはさまざまな流量性能を有するものを準備して
おく。なお、設計外力としての風速や風向は、現地で観
測されたものをそのまま時刻歴で採用してもよいし、現
地で観測された結果を参考にして人工的に作成したもの
でもよい。後者の場合には、例えば風速を一定、風向を
正弦波的に変動するものとして取り扱うことが考えられ
る。

【００１２】次に、コンピュータ解析若しくは風洞実験
によって解析モデルや実験模型に設計外力を与え、橋桁
に生じる振動の応答を求める。解析若しくは実験を行う
にあたっては、橋桁断面に形成された開口を通り抜ける
気流の方向及び流量をパラメータとし、該橋桁の応答値
が最小となるような気流の方向及び流量を設計外力ごと
に決定する。

【００１３】すなわち、本発明に係る橋桁の耐風制御シ
ステムは、開口を通り抜ける気流の流量やその方向が橋
桁に生じる剥離流や渦の発生に対してどのような影響を
及ぼすかを定量的あるいは定性的に予め把握した上でそ
れらを気流制御手段の駆動制御に反映させるというもの
ではなく、剥離流等の影響については解析や実験を通し
て得られる振動の応答値の中に実質的に反映させるもの
である。なお、振動の応答に関する指標としては、加速
度のみならず速度や変位も採用することができることは
言うまでもない。

【００１４】気流制御手段は、開口を通り抜ける気流の
方向及び流量の両方を必ずしも制御できる必要はなく、
場合によっては、流量だけあるいは気流の方向だけを制
御することも考えられる。また、気流制御手段の構造は
任意であり、所定の整流板を航空機のフラップと同様に
所望の角度に上下させて流量及び向きを制御する、開口
縁部に設けた整流板を昇降させて流量及び向きを制御す
る、カメラの絞り機構のごとく開口面積を変化させて流
量だけを変化させるなどの構造が考えられる。

【００１５】計測手段としては、例えばレーザ風向風速
計を使用することが考えられる。

【００１６】開口や該開口に設置される気流制御手段の
位置あるいは数は任意であるが、かかる開口及び気流制
御手段を複数組設けたならば、橋桁断面を通過する気流
の流量や方向が橋桁の異なる複数箇所で制御されるの
で、橋桁の振動をたわみ及び橋軸回りのねじれといった
２以上の自由度で抑制することが可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る橋桁の耐風制
御システムの実施の形態について、添付図面を参照して
説明する。なお、従来技術と実質的に同一の部品等につ
いては同一の符号を付してその説明を省略する。

【００１８】図１は、本実施形態に係る橋桁の耐風制御
システムの配置図及び全体ブロック図である。同図でわ
かるように、本実施形態に係る橋桁の耐風制御システム
は、橋桁１周辺に生じている風の向き及び速度を計測す
る計測手段としてのレーザ風向風速計２と、橋桁１の断
面に形成された開口３ａ、３ｂに設置され該開口を通り
抜ける上下方向気流の方向及び流量を制御する気流制御
手段としての可動整流板４ａ、４ｂと、コンピュータ５
とから概ね構成してある。

【００１９】コンピュータ５は、例えば橋梁近傍に設置
された運転制御室内に装備しておくことができる。ここ
で、コンピュータ５の記憶部６には、所定の風向き及び
風速に対して橋桁１に生じる振動が最小となるように該
橋桁に通過させるべき上下方向気流の方向及び流量を定
めた制御データを記憶してあり、コンピュータ５の制御
手段としての演算制御部７は、かかる制御データを用い
ることによってレーザ風向風速計２による計測値に対応
する上下方向気流の方向及び流量を目標値として演算す
るとともに、開口３ａ、３ｂを通り抜ける気流が該目標
値に一致するように可動整流板４ａ、４ｂを駆動制御す
るようになっている。

【００２０】可動整流板４ａ、４ｂは回動自在に開口３
ａ、３ｂに取り付けてあり、航空機のフラップのごと
く、油圧、空気圧等で上げ下げできるようになってい
る。

【００２１】本実施形態に係る橋桁の耐風制御システム
においては、所定の風向き及び風速に対して橋桁１に生
じる振動が最小となるように該橋桁に通過させるべき上
下方向気流の方向及び流量を定め、これを制御データと
して予めコンピュータ５の記憶部６に記録しておく。

【００２２】制御データの求め方としては、例えば、ま
ず橋梁が設置される予定地域での観測結果等から対象と
する風向（例えば迎角）と風速とをそれらの時間変動を
考慮して決定して設計外力とするとともに、断面に開口
が形成された橋桁の解析モデル若しくは実験模型を作成
する。ここで、開口についてはさまざまなサイズや形状
を準備しておく。また、設計外力としての風速や風向
は、現地で観測されたものをそのまま時刻歴で採用して
もよいし、現地で観測された結果を参考にして人工的に
作成したものでもよい。後者の場合には、例えば風速を
一定、風向を正弦波的に変動するものとして取り扱うこ
とが考えられる。

【００２３】次に、コンピュータ解析若しくは風洞実験
によって解析モデルや実験模型に設計外力を与え、橋桁
の解析モデルや実験模型に生じる振動の応答を例えば時
刻歴加速度で求める。かかる振動を評価するにあたり、
例えば橋桁全体を剛体と仮定してその異なる２点におけ
る上下成分の加速度値を評価すれば、橋桁の振動を図１
に示すように鉛直たわみ成分Ｖと橋軸回りのねじれ成分
Ｒとに分離して評価することができる。

【００２４】解析若しくは実験を行うにあたっては、橋
桁断面に形成された開口を通り抜ける気流の方向及び流
量（すなわち開口のサイズや形状）をパラメータとし、
該橋桁の応答値が最小となるような気流の方向及び流量
を設計外力ごとに決定し、これらを制御データとする。

【００２５】このようにして制御データを予め求めて記
憶部６に記憶しておき、橋梁竣工後、橋桁１周辺に生じ
ている風の向き及び速度をレーザ風向風速計２で計測
し、かかる計測値に対応する上下方向気流の方向及び流
量を記憶部６に記憶してある制御データから算出する。
なお、実際に計測された風向及び風速に対応する気流の
方向及び流量の値が、必ずしもそのまま制御データ内に
存在するとは限らないので、その場合には、必要に応じ
て制御データを適宜補間することで、計測値に対応した
気流の方向及び流量を演算すればよい。

【００２６】次に、算出された上下方向気流の方向及び
流量を目標値とし、橋桁１の開口３ａ、３ｂを通り抜け
る気流がかかる目標値に一致するように可動整流板４
ａ、４ｂを駆動制御する。

【００２７】図２は、目標値に一致するように可動整流
板４ａ、４ｂを駆動制御することで橋桁１の振動を抑制
している様子を示した例であり、同図(a)は、橋桁１に
たわみ変形とねじれ変形の両方が生じている場合におい
て、開口３ａ、３ｂをともに下から上に気流が通過する
ように、かつ開口３ａの方に大流量の気流が通過するよ
うに可動整流板４ａ、４ｂを駆動している様子を示した
ものである。また、同図(b)は、たわみ変形のみが生じ
ている場合において、開口３ａ、３ｂをともに上から下
に気流が通過するように、かつ開口３ａ、３ｂに同じ流
量の気流が通過するように可動整流板４ａ、４ｂを駆動
している様子を示したものである。また、同図(c)は、
ねじれ変形のみが生じている場合において、開口３ａ、
３ｂをそれぞれ下から上、上から下に気流が通過するよ
うに、かつ開口３ａ、３ｂに同じ流量の気流が通過する
ように可動整流板４ａ、４ｂを駆動している様子を示し
たものである。なお、これらの駆動形態は説明の便宜
上、仮に定めたにすぎず、上述の手順で定められた目標
値が各図に示された駆動形態と必ずしも一致するもので
はないことを念のため付言しておく。

【００２８】以上説明したように、本実施形態に係る耐
風制御システムによれば、現地で計測された風向き及び
風速に対して橋桁１の振動を最小に抑えることができる
気流の方向及び流量を制御データから算出して目標値と
し、次いで、実際に橋桁１の開口３ａ、３ｂ内を通過す
る気流の方向及び流量が目標値となるように可動整流板
４ａ、４ｂを駆動制御するようにしたので、比較的簡易
な制御システムで橋桁１に生じている振動を抑制するこ
とが可能となる。そして、かかる橋桁１の振動は、実際
に吹いている風の向きや速度が制御データを作成したと
きの対象範囲内である限り、確実に抑制することができ
る。

【００２９】すなわち、本実施形態に係る橋桁の耐風制
御システムは、開口３ａ、３ｂを通り抜ける気流の流量
やその方向が橋桁１に生じる剥離流や渦の発生に対して
どのような影響を及ぼすかを定量的あるいは定性的に予
め把握した上でそれらを可動整流板４ａ、４ｂの駆動制
御に反映させるというものではなく、剥離流等の影響に
ついては解析や実験を通して得られる振動の応答値の中
に実質的に反映させるものである。

【００３０】また、本実施形態に係る橋桁の耐風制御シ
ステムによれば、２組の開口３ａ、３ｂ及び可動整流板
４ａ、４ｂを設けるようにしたので、橋桁１の振動をた
わみ及び橋軸回りのねじれといった２以上の自由度で抑
制することが可能となる。

【００３１】本実施形態では、２組の開口３ａ、３ｂ及
び可動整流板４ａ、４ｂを設けたが、これに代えて、図
３に示すように一組の開口３及び可動整流板４を設ける
ようにしてもよい。かかる構成においても、橋桁１に生
じる振動がたわみ成分を主とした振動であるのであれば
該橋桁の振動を十分に抑制することができる。

【００３２】また、本実施形態では、可動整流板４ａ、
４ｂを回動自在とし航空機のフラップのごとく上下に振
ることができるように構成したが、必ずしもかかる構成
に限定されるものではなく、図４に示すような変形例が
可能である。

【００３３】これらのうち、同図(a)の変形例は、昇降
自在な可動整流板１１で気流制御手段を構成し、同図
(b)の変形例は、水平移動自在な可動整流板１２で構成
したものである。かかる変形例の作用効果についても、
上述した実施形態とほぼ同様であるのでその詳細な説明
は省略する。なお、同図(b)の可動整流板１２について
は、気流の方向を制御することはできないが、たわみ成
分が卓越する橋桁の振動を抑制するには、流量だけを制
御すれば足りる場合も考えられる。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、請求項１の発明に係
る橋桁の耐風制御システムによれば、比較的簡易な制御
システムで橋桁に生じている振動を抑制することが可能
となる。そして、かかる橋桁の振動は、実際に吹いてい
る風の向きや速度が制御データを作成したときの対象範
囲内である限り、確実に抑制することができる。

【００３５】また、請求項２の発明に係る橋桁の耐風制
御システムによれば、橋桁の振動をたわみ及び橋軸回り
のねじれといった２以上の自由度で抑制することが可能
となるという作用効果も奏する。

【００３６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態に係る橋桁の耐風制御システムを示
した図であり、(a)はその配置図、(b)は全体ブロック
図。

【図２】本実施形態に係る橋桁の耐風制御システムで橋
桁の振動を抑制している様子を橋軸方向から見たときの
断面図。

【図３】変形例に係る耐風制御システムを示した断面
図。

【図４】別の変形例に係る耐風制御システムを示した断
面図。

【符号の説明】

１ 橋桁 ２ レーザ風向風速計（計測
手段） ３ａ、３ｂ、３ 開口 ４ａ、４ｂ、４、１１、１２可動整流板（気流制御手
段） ５ コンピュータ ６ 記憶部（記憶手段） ７ 演算制御部（制御手段）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 橋桁周辺に生じている風の向き及び速度
   を計測する計測手段と、前記橋桁断面に形成された開口
   に設置され該開口を通り抜ける上下方向気流の方向及び
   流量の少なくともいずれかを制御する気流制御手段と、
   所定の風向き及び風速に対して前記橋桁に生じる振動が
   最小となるように該橋桁に通過させるべき上下方向気流
   の方向及び流量を定めた制御データが記憶された制御手
   段とからなり、該制御手段は、前記計測手段による計測
   値に対応する上下方向気流の方向及び流量を前記制御デ
   ータを用いて目標値として演算するとともに、前記開口
   を通り抜ける気流が前記目標値に一致するように前記気
   流制御手段を駆動制御するようになっていることを特徴
   とする橋桁の耐風制御システム。
2. 【請求項２】 前記開口及び前記気流制御手段を複数組
   設けた請求項１記載の橋桁の耐風制御システム。