JP2016199866A - 橋桁の免震構造 - Google Patents

Abstract

【課題】地震後のメンテナンス作業を軽減することができる橋桁の免震構造を実現する。
【解決手段】地震によって支持構造物１０上で橋桁２０が揺れた場合、支持構造物１０の凹部１１と橋桁２０の凸部２１の間に介装されている緩衝部材３０が変形し、緩衝部材３０の袋体内で粘性流体が移動することによって、橋桁２０が揺動する移動エネルギーを効率よく吸収し、その橋桁２０の揺れを抑えるようにした。また、橋桁２０が揺動する移動エネルギーが大きく、緩衝部材３０の変形だけでは橋桁２０の移動エネルギーを吸収しきれない場合には、橋桁２０を傾斜面１３に沿って迫り上がらせるようにして、支持構造物１０に伝わる橋桁２０の移動エネルギーを最小限にするようにした。そして、地震が治まった後に緩衝部材３０が復元することに伴い、凸部２１が凹部１１内の元の位置に戻ることによって、橋桁２０を所定の配置に復元させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、橋脚や橋台などの支持構造物に支持されている橋桁の免震構造に関する。

従来、大規模地震に備えた取り組みとして、橋桁が橋脚や橋台などの支持構造物から逸脱して落橋するのを防ぐ対策が講じられている。
例えば、橋桁の移動を制限するためのストッパー（例えば鋼角ストッパー）を、橋桁と橋桁を支持する支持構造物との間に設置し、橋桁が支持構造物から逸脱するのを防ぐ技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、橋桁と橋桁を支持する支持構造物との間に免震ゴム支承を設置し、橋桁を弾性支持するようにして支持構造物からの逸脱を防ぐ技術が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。

特開２００２−１６７７１１号公報（図６）

横浜ゴム株式会社ホームページ、［平成２７年３月１９日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.yrc.co.jp/industrial/products/bridge_construction_05.html＞

しかしながら、上記特許文献１のようなストッパーを用いた場合に、地震により振動した橋桁の慣性力がストッパーを介して支持構造物に伝わり、支持構造物に大きな反力が作用することがあり、ストッパーや支持構造物などがダメージを受けてしまったときには、地震後に損傷した箇所の復旧工事が必要になる。

また、上記非特許文献１のような免震ゴム支承を用いた場合に、地震による橋桁の揺動が大きく、免震ゴム支承が弾性変形し過ぎて地震後に復元しないときには、ダメージを受けたものを交換するなどの復旧工事が必要になる。

本発明の目的は、地震後のメンテナンス作業を軽減することができる橋桁の免震構造を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明は、
支持構造物に支持されている橋桁の免震構造であって、
前記支持構造物の上部には、水平な底面と、前記底面の外縁から外側に向かって上り傾斜する傾斜面とを有する凹部が設けられ、前記凹部はその水平断面が前記底面側ほど小さな多角形あるいは円形を呈するように形成されており、
前記橋桁の下部には、下方に突き出た突起体の先端側に、その水平断面が前記凹部の水平断面と相似形を呈するとともに、前記凹部の傾斜面と同じ傾斜角度の傾斜面を有して、前記凹部内で移動可能となる凸部が設けられており、
前記凹部と前記凸部の間に、変形可能な袋体内に粘性流体が封入されている緩衝部材が介装されているようにした。

かかる構成の橋桁の免震構造は、地震動によって支持構造物上で橋桁が揺れた場合、支持構造物の凹部と橋桁の凸部の間に介装されている緩衝部材が変形し、緩衝部材の袋体内で粘性流体が移動することによって、橋桁が揺動する移動エネルギーを効率よく吸収し、その橋桁の揺れを抑えることができる。また、緩衝部材によって橋桁を支持構造物に衝突させないようにして、橋桁や支持構造物が損傷するのを防ぐことができる。
また、橋桁が揺動する移動エネルギーが大きく、緩衝部材の変形だけでは橋桁の移動エネルギーを吸収しきれない場合には、その移動エネルギーを逃がすように、橋桁を凹部の傾斜面に沿って迫り上がらせるようにして、支持構造物に伝わる橋桁の移動エネルギーを最小限にすることで、支持構造物が損傷するのを防ぐことができる。また、地震が治まると、凹部の傾斜面に沿って迫り上がった橋桁は自重によってその傾斜面を滑り下りることができる。
そして、地震が治まった後に緩衝部材が復元することに伴い、凸部が凹部内の元の位置に戻ることによって、橋桁を所定の配置に復元させることができる。
つまり、このような橋桁の免震構造であれば、地震によって橋桁や支持構造物が損傷するのを防ぐことができるとともに、地震が治まった後、橋桁を支持構造物上での所定の配置に復元させることができるので、ずれた橋桁を所定位置に戻すような復旧工事が不要になり、地震後のメンテナンス作業を軽減することができる。

また、望ましくは、
前記凸部の傾斜面と前記凹部の傾斜面の少なくとも一方に平滑性を有する第１の板状部材が設けられ、
前記緩衝部材の表面の一部に、前記第１の板状部材と対向して対を成すように、平滑性を有する第２の板状部材が設けられているようにした。

例えば、凸部の傾斜面に第１の板状部材が設けられ、緩衝部材の表面の一部に第１の板状部材と対向して対を成す第２の板状部材が設けられていれば、支持構造物の凹部内で橋桁の凸部が移動する際、第１の板状部材と第２の板状部材とが滑らかに摺接するので、橋桁がスムーズに移動することができる。
また、凹部の傾斜面に第１の板状部材が設けられ、緩衝部材の表面の一部に第１の板状部材と対向して対を成す第２の板状部材が設けられていれば、緩衝部材が変形する際に、第１の板状部材と第２の板状部材とが滑らかに摺接するので、緩衝部材の表面（袋体）が凹部と擦れないようにすることができる。

また、望ましくは、
前記凹部の傾斜面の傾斜角度は、前記底面からの仰角が１°以上２０°以下であるようにした。

凹部の傾斜面の傾斜角度が１°以上２０°以下であれば、その傾斜面に沿って橋桁が好適に迫り上がったり滑り下りたりすることができる。
例えば、凹部の傾斜面の傾斜角度が１°未満であると、傾斜面に沿って橋桁が迫り上がることでは移動エネルギーを吸収しきれないことがあり、橋桁の凸部が支持構造物の凹部から抜け出してしまう虞がある。
また、凹部の傾斜面の傾斜角度が２０°を超えると、傾斜面に沿って橋桁が迫り上がることができず、支持構造物に負荷がかかることになる虞がある。
なお、凹部の傾斜面の傾斜角度が６°以上１２°以下であれば、より好適に橋桁が傾斜面を迫り上がったり滑り下りたりすることができる。

本発明によれば、支持構造物に支持されている橋桁において、地震後のメンテナンス作業を軽減することができる。

本実施形態の橋桁の免震構造を示す断面図である。 本実施形態の橋桁の免震構造を分解して示す斜視図である。 支持構造物の凹部内で移動する橋桁の凸部に関する説明図であり、支持構造物に対して橋桁が図中左方へ移動した状態（ａ）と、支持構造物に対して橋桁が図中右方へ移動した状態（ｂ）を示している。 橋桁の凸部が凹部の傾斜面に沿って迫り上がった状態（ａ）と、橋桁の凸部が凹部の傾斜面に沿って滑り下りた状態（ｂ）を示している。 橋桁の免震構造の変形例を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る橋桁の免震構造の実施形態について詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

図１は、橋桁の免震構造１００を示す断面図である。図２は、橋桁の免震構造１００を分解して示す斜視図である。
橋桁の免震構造１００は、橋脚や橋台などの支持構造物１０に支持されている橋桁２０が、地震時に支持構造物１０から逸脱するのを防ぐための構造体である。なお、支持構造物１０と橋桁２０の間には、沓９０が配設されている。

本実施形態の橋桁の免震構造１００は、例えば図１、図２に示すように、支持構造物１０の上部に設けられている凹部１１と、橋桁２０の下部の突起体２０ａに設けられている凸部２１と、支持構造物１０の凹部１１と橋桁２０の凸部２１の間に介装される緩衝部材３０等を備えた構造を有している。

支持構造物１０の凹部１１は、水平な底面１２と、その底面１２の外縁から外側に向かって上り傾斜する傾斜面１３とを有しており、その凹部１１の水平断面が底面１２側ほど小さな正多角形（本実施形態では正四角形）を呈するようになっている。
つまり、この凹部１１は、その内部空間が四角錐台形状を呈するように形成されており、底面１２が正四角形（正方形）を呈し、４つの傾斜面１３がそれぞれ台形を呈している。
この凹部１１の傾斜面１３の傾斜角度は、底面１２からの仰角が１°以上２０°以下であることが好ましく、より好ましくは６°以上１２°以下である。

橋桁２０の下部には、下方に突き出た突起体２０ａが設けられており、この突起体２０ａの先端側に凸部２１が設けられている。
橋桁２０の凸部２１は、その水平断面が支持構造物１０の凹部１１の水平断面と相似形（本実施形態では正四角形）を呈するとともに、凹部１１の傾斜面１３と同じ傾斜角度の傾斜面２３を有している。
つまり、凸部２１は、その下面２２側ほど小さな断面を呈する四角錐台形状に形成されており、下面２２が正四角形（正方形）を呈し、４つの傾斜面２３がそれぞれ台形を呈している。
特に、橋桁２０の凸部２１は、凹部１１内で移動可能となるように、支持構造物１０の凹部１１の内部空間よりも小さな四角錐台形状に形成されている。
そして、凸部２１が凹部２１内に配置された状態で、凸部２１の下面２２は凹部１１の底面１２と平行向きになり、凸部２１の傾斜面２３は凹部１１の傾斜面１３と平行向きになる。なお、凸部２１の下面２２と凹部１１の底面１２とが摺接しないように、下面２２と底面１２との間には僅かな隙間が設けられるようになっている。

緩衝部材３０は、袋体内に粘性流体が封入されてなる変形可能なクッション材であり、支持構造物１０の凹部１１と橋桁２０の凸部２１の間に挟まれた状態で、その外周面が凹部１１の傾斜面１３側に密着し、その内周面が凸部２１の傾斜面２３側に密着するように変形する。なお、図２に示した緩衝部材３０の形状は、凹部１１と凸部２１に挟まれた状態での一形態を示すものである。

袋体は、変形可能な材料であって、内部に封入した粘性流体が染み出ない材料からなる、例えば浮き輪やタイヤチューブのような部材である。この袋体の素材としては、ゴムなどの樹脂材料や、布の表面を樹脂コーティングした材料などを用いることができる。
粘性流体は、例えば、瀝青材やシリコーンオイルなどを用いることができる。
この緩衝部材３０が押圧されて変形する際、緩衝部材３０の袋体内で粘性流体が移動するようになっている。

また、橋桁２０の凸部２１の傾斜面２３には、平滑性を有する第１の板状部材４０が設けられている。
第１の板状部材４０は、傾斜面２３の形状に応じて形成された台形状の薄板であり、例えば、ステンレスなどの金属製の薄板や、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）などの樹脂製の薄板を用いることができる。ここでは、４つの傾斜面２３を覆うため、４枚の第１の板状部材４０が凸部２１に貼付されている。なお、第１の板状部材４０の表面の摩擦抵抗を減らすために、フッ素コーティング等の公知の表面処理を施すことが好ましい。

また、緩衝部材３０の表面の一部には、平滑性を有する第２の板状部材５０が、第１の板状部材４０と対を成して設けられている。
第２の板状部材５０は、第１の板状部材４０よりも小さな薄板であり、第１の板状部材４０と対向する緩衝部材３０の内周面に貼付されている。この第２の板状部材５０も、第１の板状部材４０と同様に、ステンレスなどの金属製の薄板や、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）などの樹脂製の薄板を用いることができる。なお、第２の板状部材５０の表面の摩擦抵抗を減らすために、フッ素コーティング等の公知の表面処理を施すことが好ましい。

次に、本実施形態の橋桁の免震構造１００の免震の仕組みについて説明する。

地震による振動が支持構造物１０に支持されている橋桁２０に作用し、橋桁２０が支持構造物１０上で揺れた場合、例えば、図３（ａ）（ｂ）に示すように、支持構造物１０の凹部１１内で橋桁２０の凸部２１が左右方向や前後方向に移動する。図３（ａ）では支持構造物１０に対して橋桁２０が図中左方へ移動した状態を示し、図３（ｂ）では支持構造物１０に対して橋桁２０が図中右方へ移動した状態を示している。
このとき、橋桁２０が移動した側で、緩衝部材３０が凹部１１の傾斜面１３に向けて押し潰され、その反対側で緩衝部材３０が膨らむように変形する。このような緩衝部材３０の変形によって、橋桁２０が揺動する移動エネルギーを吸収している。
特に、緩衝部材３０の袋体内で粘性流体が移動することによって、橋桁２０の移動エネルギーを効率よく吸収することが可能になっている。

また、支持構造物１０の凹部１１内で橋桁２０の凸部２１が左右方向や前後方向に移動する際、凸部２１の傾斜面２３に貼付されている第１の板状部材４０と、緩衝部材３０の内周面に貼付されている第２の板状部材５０とが滑らかに摺接するようになっているので、橋桁２０はスムーズに移動することができ、その移動する橋桁２０が緩衝部材３０の表面に過大な負荷をかけないようになっている。

このように、橋桁２０が支持構造物１０上で揺れた場合、支持構造物１０の凹部１１と橋桁２０の凸部２１の間に介装されている緩衝部材３０が変形し、緩衝部材３０の袋体内で粘性流体が移動することによって、橋桁２０が揺動する移動エネルギーを効率よく吸収するようになっている。
つまり、この免震構造１００における緩衝部材３０は、橋桁２０の揺れを抑えるダンパーとしての機能を有している。

そして、地震が静まった後、緩衝部材３０が復元することに伴い、凸部２１が凹部１１内の元の位置に戻り、橋桁２０が所定の配置（図１参照）に復元する。

また、より大きな地震によって支持構造物１０上で橋桁２０がより大きく揺れた場合、例えば、図４（ａ）に示すように、橋桁２０の凸部２１が凹部１１の傾斜面１３に沿って迫り上がる。図４（ａ）では支持構造物１０に対して橋桁２０が図中右方へ移動するとともに、図中右斜め上に迫り上がった状態を示している。
このように、橋桁２０が揺動する移動エネルギーが大きく、袋体内で粘性流体が移動することによる緩衝部材３０の変形だけでは橋桁２０の移動エネルギーを吸収しきれない場合には、橋桁２０の移動エネルギーの一部を橋桁２０が凹部１１の傾斜面１３を上がるエネルギーに変換するようにして、支持構造物１０に伝わる橋桁２０の移動エネルギーを最小限にするようになっている。
つまり、この免震構造１００における凹部１１の傾斜面１３および凸部２１の傾斜面２３は、橋桁２０の揺れを支持構造物１０に伝え難くするアイソレーターとしての機能を有している。

そして、その大きな地震が静まった後、図４（ｂ）に示すように、傾斜面１３に沿って迫り上がった橋桁２０は自重によって傾斜面１３を滑り下り、緩衝部材３０が復元することに伴い、凸部２１が凹部１１内の元の位置に戻り、橋桁２０が所定の配置（図１参照）に復元する。

なお、上述したように、凸部２１の傾斜面２３に貼付されている第１の板状部材４０と、緩衝部材３０の内周面に貼付されている第２の板状部材５０とが滑らかに摺接するようになっているので、移動する橋桁２０が緩衝部材３０の表面に過大な負荷をかけないようにして、橋桁２０が傾斜面１３を迫り上がったり滑り下りたりすることが可能になっている。
特に、地震によって大きく揺れた橋桁２０が、好適に傾斜面１３を迫り上がったり滑り下りたりするように、第１の板状部材４０や第２の板状部材５０の素材（金属、樹脂など）の選定と、凹部１１の傾斜面１３の傾斜角度の設計がなされている。

例えば、傾斜面１３の傾斜角度が同じ条件では、摩擦係数が低い素材ならなる第１の板状部材４０や第２の板状部材５０を用いれば、橋桁２０が傾斜面１３を迫り上がりやすくなり、摩擦係数が高い素材ならなる第１の板状部材４０や第２の板状部材５０を用いれば、橋桁２０が傾斜面１３を迫り上がり難くなる。
また、第１の板状部材４０や第２の板状部材５０の素材が同じ条件では、傾斜面１３の傾斜角度が小さく０°寄りであれば、橋桁２０が傾斜面１３を迫り上がりやすくなり、傾斜面１３の傾斜角度が大きく９０°寄りであれば、橋桁２０が傾斜面１３を迫り上がり難くなる。
そして、想定する地震規模や、橋桁２０の大きさや重量に応じて、第１の板状部材４０や第２の板状部材５０の素材と、凹部１１の傾斜面１３の傾斜角度を適正に設定して、橋桁２０が好適に傾斜面１３を迫り上がったり滑り下りたりするように調整されている。

以上のように、本実施形態の橋桁の免震構造１００は、地震動によって支持構造物１０上で橋桁２０が揺れた場合、支持構造物１０の凹部１１と橋桁２０の凸部２１の間に介装されている緩衝部材３０が変形し、緩衝部材３０の袋体内で粘性流体が移動することによって、橋桁２０が揺動する移動エネルギーを効率よく吸収し、その橋桁２０の揺れを抑えることができる。また、緩衝部材３０によって橋桁２０を支持構造物１０に衝突させないようにして、橋桁２０や支持構造物３０が損傷するのを防ぐことができる。
また、橋桁２０が揺動する移動エネルギーが大きく、緩衝部材３０の変形だけでは橋桁２０の移動エネルギーを吸収しきれない場合には、その移動エネルギーを逃がすように、橋桁２０を傾斜面１３に沿って迫り上がらせるようにして、支持構造物１０に伝わる橋桁２０の移動エネルギーを最小限にすることで、支持構造物１０が損傷するのを防ぐことができる。
そして、地震が治まった後に緩衝部材３０が復元することに伴い、凸部２１が凹部１１内の元の位置に戻ることによって、橋桁２０を所定の配置に復元させることができる。

特に、橋桁２０の凸部２１と支持構造物１０の凹部１１は、その水平断面形状が正多角形（ここでは正方形）を呈するように形成されているので、地震の震動方向によらず、橋桁２０の凸部２１は支持構造物１０の凹部１１内で好適に移動したり迫り上がったりすることが可能になっている。
凸部２１が凹部１１内で前後方向や左右方向あるいは斜め方向に移動したり迫り上がったりすることが可能になっていることにより、橋桁２０が揺動する移動エネルギーを好適に逃がすことができ、また凸部２１が凹部１１内の元の位置に戻りやすくなっている。

このように、本実施形態の橋桁の免震構造１００であれば、地震によって橋桁２０や支持構造物１０が損傷するのを防ぐことができるとともに、地震が治まった後、橋桁２０を支持構造物１０上での所定の配置に復元させることができるので、ずれた橋桁２０を所定位置に戻すような復旧工事が不要になり、地震後のメンテナンス作業を軽減することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、図５に示すように、支持構造物１０の凹部１１の傾斜面１３に、平滑性を有する第１の板状部材４０が貼付され、緩衝部材３０の表面（外周面）の一部に、平滑性を有する第２の板状部材５０が、第１の板状部材４０と対を成すように貼付されている橋桁の免震構造１００であってもよい。
このような免震構造１００であれば、前述した橋桁の免震構造１００と同様の効果が得られることは勿論のこと、緩衝部材３０が変形する際に、傾斜面１３に貼付されている第１の板状部材４０と、緩衝部材３０の外周面に貼付されている第２の板状部材５０とが滑らかに摺接するようになり、緩衝部材３０の袋体が凹部１１と擦れないようにして、緩衝部材３０の外周面に過大な負荷をかけないようにすることができる。

また、橋桁２０の凸部２１の傾斜面２３と支持構造物１０の凹部１１の傾斜面１３にそれぞれ第１の板状部材４０を貼付し、緩衝部材３０の内周面と外周面のそれぞれに第１の板状部材４０と対を成す第２の板状部材５０を貼付してなる橋桁の免震構造１００であってもよい。
このような免震構造１００であれば、前述した橋桁の免震構造１００と同様の効果が得られることは勿論のこと、橋桁２０が移動する際や緩衝部材３０が変形する際に、第１の板状部材４０と第２の板状部材５０とが滑らかに摺接するようになり、緩衝部材３０の内周面と外周面に過大な負荷をかけないようにすることができる。

なお、以上の実施の形態においては、支持構造物１０の凹部１１の水平断面と、橋桁２０の凸部２１の水平断面が正四角形である場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、凹部１１と凸部２１の水平断面は他の正多角形でもよい。例えば、凹部１１と凸部２１の水平断面が正六角形である場合、凹部１１と凸部２１は六角錐台形状を呈する。
また、凹部１１と凸部２１の水平断面は円形でもよい。凹部１１と凸部２１の水平断面が円形である場合、凹部１１と凸部２１は円錐台形状を呈する。

また、以上の実施の形態においては、凸部２１の下面２２と凹部１１の底面１２とが摺接しないように下面２２と底面１２との間に隙間を設けるとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、下面２２と底面１２との間に複数のベアリング用の鋼球を配して、下面２２と底面１２との間に生じる摩擦を軽減するようにしてもよい。
また、下面２２と底面１２との間に生じる摩擦力を所望する値に調節可能な部材を、下面２２と底面１２との間に配して、地震により振動した橋桁２０の揺れを止めやすくしてもよい。

また、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

１０ 支持構造物
１１ 凹部
１２ 底面
１３ 傾斜面
２０ 橋桁
２０ａ 突起体
２１ 凸部
２２ 下面
２３ 傾斜面
３０ 緩衝部材
１００ 橋桁の免震構造

Claims (3)

1. 支持構造物に支持されている橋桁の免震構造であって、
   前記支持構造物の上部には、水平な底面と、前記底面の外縁から外側に向かって上り傾斜する傾斜面とを有する凹部が設けられ、前記凹部はその水平断面が前記底面側ほど小さな多角形あるいは円形を呈するように形成されており、
   前記橋桁の下部には、下方に突き出た突起体の先端側に、その水平断面が前記凹部の水平断面と相似形を呈するとともに、前記凹部の傾斜面と同じ傾斜角度の傾斜面を有して、前記凹部内で移動可能となる凸部が設けられており、
   前記凹部と前記凸部の間に、変形可能な袋体内に粘性流体が封入されている緩衝部材が介装されていることを特徴とする橋桁の免震構造。
2. 前記凸部の傾斜面と前記凹部の傾斜面の少なくとも一方に平滑性を有する第１の板状部材が設けられ、
   前記緩衝部材の表面の一部に、前記第１の板状部材と対向して対を成すように、平滑性を有する第２の板状部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の橋桁の免震構造。
3. 前記凹部の傾斜面の傾斜角度は、前記底面からの仰角が１°以上２０°以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の橋桁の免震構造。

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