JP4735585B2 - Concrete rod-shaped damper structure - Google Patents
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Description
本発明は、コンクリート系棒状ダンパー構造に関するものであり、例えば支承構造を有する橋梁において、大規模地震時の上部構造と下部構造の相対変位によりエネルギー吸収を図るダンパー構造である。新設橋梁にも、既設橋梁の耐震補強にも適用できるものである。 The present invention relates to a concrete rod-shaped damper structure, for example, a damper structure that absorbs energy by relative displacement of an upper structure and a lower structure during a large-scale earthquake in a bridge having a bearing structure. It can be applied to seismic reinforcement of existing bridges as well as existing bridges.
地震国である我が国では、過去に大規模な地震が発生するたびに、社会基盤を構成する構造物が大きな被害を受けてきた。例えば、橋梁では、地震時に下部構造の天端に上部構造からの慣性力が作用することにより、下部構造の基部や接合部などに大きな曲げモーメントが発生し、鉄筋の降伏、座屈、コンクリートの圧壊などの損傷が発生する。これらの下部構造における損傷は、地震時における橋梁全体の応答、残留変位の増加に繋がり、使用者の安全や地震後の使用性に著しい影響を与える。 In Japan, an earthquake-prone country, every time a large-scale earthquake has occurred in the past, the structures that make up the social infrastructure have been severely damaged. For example, in bridges, an inertial force from the upper structure acts on the top edge of the lower structure during an earthquake, resulting in a large bending moment at the base and joints of the lower structure, yielding of reinforcing bars, buckling, and concrete. Damage such as crushing occurs. Damage in these substructures leads to an increase in the response of the entire bridge and residual displacement during an earthquake, and has a significant impact on user safety and usability after an earthquake.
大規模な地震による橋梁の損傷を防ぐ方法としては、下部構造の大規模化や、補強、補修などを行い、下部構造の耐震性を向上させることが考えられる。しかし、大規模な下部構造は、施工費が増加するのに加え、橋梁全体の重量が増加するために基礎への負担が大きくなる。また、既存の下部構造に対する補強、補修では、連続繊維シートを用いた補強方法等、橋梁の重量を増加せずに耐震性を向上できるが、コスト増及び施工環境が問題となる場合も少なくない。 As a method of preventing damage to the bridge due to a large-scale earthquake, it is conceivable to increase the substructure's seismic resistance by increasing the scale of the substructure, reinforcing or repairing it. However, the large substructure increases the construction cost and increases the overall weight of the bridge, increasing the burden on the foundation. In addition, reinforcement and repair to existing substructures can improve earthquake resistance without increasing the weight of the bridge, such as a reinforcement method using continuous fiber sheets, but there are many cases where the cost increases and the construction environment becomes a problem. .
一方、橋梁の地震時における応答の低減を目的として、下部構造と上部構造の間に免震支承やダンパー等を設置して、上部構造の慣性力が下部構造に伝わらないようにすると共に、地震による橋梁の振動エネルギーを積極的に吸収する方法がある。小型の装置でも十分な効果を期待できるため、設置工事が簡易であり、また、下部構造と上部構造の間に設置するため、既存の橋梁の補強に対しても有効であることから、橋梁の免震化、耐震補強に適用されている。 On the other hand, in order to reduce the response of the bridge during an earthquake, seismic isolation bearings and dampers are installed between the lower structure and the upper structure to prevent the inertial force of the upper structure from being transmitted to the lower structure. There is a method to actively absorb the vibration energy of the bridge. Since a small device can be expected to have a sufficient effect, the installation work is simple, and since it is installed between the lower structure and the upper structure, it is also effective for reinforcing existing bridges. Applied to seismic isolation and seismic reinforcement.
但し、以上のような支承、ダンパーを橋梁へ適用するためには、地震時に下部構造と上部構造の間に発生する大きな相対変形に追従できる変形性能、及び大変形領域におけるエネルギー吸収性能が必要とされる。また、これらの装置の適用を低コストで実現することも重要である。さらに、沿岸部など劣悪な環境下においてもメンテナンスフリーでダンパーとしての性能を保持し得るような耐久性、対候性も要求される。 However, in order to apply the above bearings and dampers to the bridge, it is necessary to have a deformation capability that can follow the large relative deformation that occurs between the lower structure and the upper structure during an earthquake, and energy absorption performance in the large deformation region. Is done. It is also important to realize the application of these devices at a low cost. Furthermore, durability and weather resistance are also required so that the performance as a damper can be maintained without maintenance even in a poor environment such as a coastal area.
従来のダンパーには、機構として単純な鋼棒ダンパーや低降伏点鋼材を用いたハニカムダンパーなどの鋼材からなるダンパー、ピストン状の機構を持つオイルダンパーや鉛押出しダンパー、鉛直荷重を支持しない免震支承などを設置する方法等があった。 Conventional dampers include dampers made of steel such as simple steel bar dampers and honeycomb dampers using low-yield-point steel, oil dampers with piston-like mechanisms, lead extrusion dampers, and seismic isolation that does not support vertical loads. There was a method to install a support.
（1）鋼棒ダンパー：鋼棒ダンパーは、ラッパ管でテーパー支持されていることにより、鋼棒の変形を片持ち梁の基部に集中させず、効率の良いエネルギー吸収を可能としている。橋梁へ適用される場合には、下部構造と上部構造にすり鉢状の拘束管が埋設され、その内部中心に鋼棒が設置される。 (1) Steel bar damper: The steel bar damper is taper-supported by a trumpet tube, enabling efficient energy absorption without concentrating the deformation of the steel bar on the base of the cantilever. When applied to a bridge, a mortar-shaped restraint pipe is embedded in the lower structure and the upper structure, and a steel rod is installed in the center of the inner part.
（2）ハニカムダンパー：低降伏点鋼等からなる鋼材をハニカム形状に加工した鋼材ダンパーである。独自のハニカム形状により、鋼材の塑性化領域の分散化が可能であり、単純な棒部材に比べ、大きな変形領域におけるエネルギー吸収性能に優れている。 (2) Honeycomb damper: A steel damper made by processing a steel material made of low yield point steel or the like into a honeycomb shape. Due to the unique honeycomb shape, it is possible to disperse the plasticized region of the steel material, and the energy absorption performance in a large deformation region is superior to that of a simple bar member.
（3）オイルダンパー・ビンガムダンパー・鉛押出しダンパー：シリンダ内にオイル、ビンガム流体の粘性流体や鉛等を封入したものである。橋梁へ適用する場合には、シリンダ本体の基端とピストンロッドの先端がそれぞれ下部構造、上部構造に固定され、地震時における相対変形の速度に比例した抵抗力を発揮することにより、エネルギーを吸収する。 (3) Oil damper, Bingham damper, lead extrusion damper: Oil, viscous fluid of Bingham fluid, lead, etc. are sealed in a cylinder. When applied to bridges, the base end of the cylinder body and the tip of the piston rod are fixed to the lower structure and the upper structure, respectively, and absorbs energy by demonstrating a resistance force proportional to the speed of relative deformation during an earthquake. To do.
（4）ＭＲダンパー：シリンダ内部にＭＲ（磁気粘性）流体という電流に対して抵抗力が変化する磁気性流体が封入されたダンパーである。エネルギー吸収能力を制御し、地震時の応答を効率的に低減する場合に用いられる。 (4) MR damper: a damper in which a magnetic fluid whose resistance is changed against an electric current called MR (magnetic viscosity) fluid is enclosed in a cylinder. Used to control energy absorption capacity and efficiently reduce the response during an earthquake.
（5）鉛プラグ入り積層ゴム支承：比較的柔なゴム材料で構成された支承であり、地震による加速度が上部構造へ伝達するのを遮断することにより、応答を低減できる。また、ゴム内に設置された鉛プラグが塑性変形することによるエネルギー吸収も期待できる。 (5) Laminated rubber bearings with lead plugs: These bearings are made of a relatively soft rubber material, and the response can be reduced by blocking the transmission of acceleration due to earthquakes to the superstructure. Also, energy absorption due to plastic deformation of the lead plug installed in the rubber can be expected.
新設の橋梁において、高減衰ゴムを用いた免震支承や鉛プラグ入り積層ゴム支承は、エネルギー吸収性能には限界があり、支承本体とは別にエネルギー吸収装置、即ちダンパーを別途設置することが合理的である。 In new bridges, seismic isolation bearings using high-damping rubber and laminated rubber bearings with lead plugs have limited energy absorption performance, and it is reasonable to install an energy absorbing device, that is, a damper separately from the bearing body. Is.
既設の橋梁においても、既存の支承を免震支承に取替える場合には、新設と同様の問題点がある。但し、既設支承の取替えは、
（1）主桁および橋脚に損傷を与えずに既存の支承を撤去するのは、施工上の制約が多い。
（2）主桁のジャッキアップにおいて、高度な施工技術や高価な載荷装置が必要になる。
（3）重量の大きな新旧支承を狭い空間において効率良く撤去・設置しなければならない。
（4）旧規準の場合を超える地震時水平力を合理的に負担させる必要があるが、アンカーボルトの取替えは一般に不可能である。
などの問題点がある。そこで、ダンパーを追加して設置する方法が望ましい。（以上、例えば特許文献１参照）
The existing bridge also has the same problems as the new construction when replacing existing bearings with seismic isolation bearings. However, replacement of existing bearings
(1) Removing existing bearings without damaging the main girder and pier has many construction restrictions.
(2) In order to jack up main girders, advanced construction techniques and expensive loading equipment are required.
(3) New and old heavy bearings must be efficiently removed and installed in a small space.
(4) Although it is necessary to reasonably bear the horizontal force during an earthquake that exceeds the old standard, replacement of anchor bolts is generally impossible.
There are problems such as. Therefore, a method in which a damper is additionally installed is desirable. (See, for example, Patent Document 1)
なお、本発明に関連するダンパーの先行技術文献として特許文献２、３がある。特許文献２の発明は、橋梁の免震技術であり、棒状のダンパー部材(極低降伏点鋼)の基部を橋脚または橋台に埋設した上部が開口した鋼製容器のストッパー構造物内に挿入し底部に固定して垂直に立て、その上部を水平力のみ伝達する構造で橋桁と連結し、鉛直荷重は可動支承で支持するものである。
Note that
特許文献３の発明は、鋼棒ダンパーであり、上部構造体に設けた上部の鋼棒と基礎に設けた下部の鋼棒とをそれぞれの先端部に設けたテーパー型積層円筒部材と円筒状緩衝体で連結し、地震時に上部構造体と基礎とが水平変位すると、上下の鋼棒の基部が塑性化し、地震エネルギーを吸収し、上下の鋼棒の先端部が円筒状緩衝体から抜け出し可能とするものである。
The invention of
鋼棒ダンパーでは、前述したように下部構造と上部構造との間に、その端部がすり鉢状の拘束管の内部中心に固定されている鋼棒が設置されている。このように、鋼棒が屋外に剥き出しになっているため、海岸部などの周辺環境が劣悪である場合、腐食による機能低下、及びそれを防ぐための定期的なメンテナンスが必要となる。 In the steel bar damper, as described above, a steel bar whose end is fixed to the inner center of a mortar-shaped restraint pipe is installed between the lower structure and the upper structure. Thus, since the steel bar is exposed to the outdoors, when the surrounding environment such as the coast is inferior, the function is deteriorated due to corrosion, and periodic maintenance is required to prevent it.
オイルダンパーやビンガムダンパー等は鋼棒ダンパーに比べると耐久性に富むが、装置自体のコストが高い上、大きな変形性能を実現しようとすると、装置が大型化していまい、設置時における施工性やさらなるコスト増に繋がる可能性がある。 Oil dampers, Bingham dampers, etc. are more durable than steel rod dampers, but the cost of the equipment itself is high, and if you try to achieve large deformation performance, the equipment will be large, and the installation workability and further There is a possibility of increasing the cost.
ＭＲダンパーについては、さらにコストが高くなる上、制御システムが必要となるため、パッシブな制震効果を期待する際には適当ではない。 The MR damper is not suitable for expecting a passive vibration control effect because it further increases the cost and requires a control system.
鉛プラグ入り免震支承は、列挙したものの中で最も適用例が多いが、支承が大きなものとなるため、既存の橋梁へ適用する際には、施工性が問題となることが多い。 The seismic isolation bearings with lead plugs have the most application examples among the listed ones, but since the bearings are large, workability is often a problem when applied to existing bridges.
そこで、コンクリートやモルタルなどコンクリート系材料を用いた、海浜部においても錆の心配のないダンパーが望まれていたが、コンクリートに鉄筋等の鋼材を埋設した部材の変形性能は、鋼材ダンパーやハニカムダンパーなどのように大きな変形性能を付与することは不可能である。細い棒状部材とすれば、変形性能は付与できるが、部材に生じる反力は小さくなるから、多数のダンパーを設置する必要があり、現実的ではない。 Therefore, dampers that use concrete materials such as concrete and mortar, and that do not worry about rust even on the beach, were desired. However, the deformation performance of members in which steel materials such as rebars are embedded in concrete is limited to steel dampers and honeycomb dampers. It is impossible to give a large deformation performance such as. If a thin rod-shaped member is used, deformation performance can be imparted, but the reaction force generated on the member is small, so it is necessary to install a large number of dampers, which is not realistic.
さらに、橋梁のダンパーとしては、橋軸方向の桁の温度伸縮による変位に追随する必要があり、ダンパーの両端を、単に主桁と橋脚天端に固定しただけでは、常時の温度変化を受けてしまうので、オイルダンパーのような装置では問題がなかったが、鋼棒ダンパーやハニカムダンパー等の履歴型ダンパーでは、問題があった。 Furthermore, as a bridge damper, it is necessary to follow the displacement due to the temperature expansion and contraction of the girder in the direction of the bridge axis. If both ends of the damper are simply fixed to the main girder and the top of the bridge pier, Therefore, there was no problem with a device such as an oil damper, but there was a problem with a hysteretic damper such as a steel rod damper or a honeycomb damper.
本発明は、棒状のダンパーの両端をそれぞれ構造物に定着してなるコンクリート系棒状ダンパー構造であり、コンクリート系材料を用いたダンパーでありながら、単純な機構で大きな変形性能とエネルギー吸収性能を有し、かつ、沿岸部などの劣悪な環境下における橋梁等にも適用できる耐久性・耐候性を併せ持ち、さらに温度伸縮等にも追随可能なコンクリート系棒状ダンパー構造を提供するものである。 The present invention is a concrete-type rod-shaped damper structure in which both ends of a rod-shaped damper are fixed to a structure. Although the damper is made of a concrete-based material, it has large deformation performance and energy absorption performance with a simple mechanism. In addition, the present invention provides a concrete rod-like damper structure that has durability and weather resistance that can be applied to a bridge in a poor environment such as a coastal area, and that can follow temperature expansion and contraction.
高い耐久性・耐候性を実現するためには、鋼製ダンパーやデバイス等を用いるよりも、周囲がコンクリート系材料で被覆されているＲＣ部材によるダンパーが適している。しかし、単純なＲＣ部材では、橋梁のダンパーで要求される変形性能を実現することができない。そこで、本発明では、後述するように、円弧拘束管や高性能材料等を用いてＲＣ部材等のコンクリート系部材でありながら、橋梁等に適用できるような変形性能・エネルギー吸収性能を有するダンパーを実現する。 In order to achieve high durability and weather resistance, a damper made of an RC member whose periphery is covered with a concrete material is more suitable than using a steel damper or a device. However, with a simple RC member, the deformation performance required for a bridge damper cannot be realized. Therefore, in the present invention, as will be described later, a damper having a deformation performance and an energy absorption performance that can be applied to a bridge or the like while being a concrete member such as an RC member using an arc constrained tube or a high-performance material. Realize.
本発明の請求項１は、棒状のダンパーの両端をそれぞれ構造物に定着し、構造物の相対変位による棒状のダンパーの曲げ変形でエネルギーを吸収する棒状ダンパー構造であり、
ＲＣ部材またはＰＣ部材からなる棒状ダンパーと、構造物に定着される筒状の部材であって前記棒状ダンパーの端部が挿入される拘束孔を有する拘束部材とから構成され、前記拘束孔の内面には、基部から先端部に向かって棒状ダンパーの外面から離れていく円弧による曲面が形成されており、拘束孔の基部における円弧の出だしには、棒状ダンパーの基部の伸び出しによる回転角に相当する遊角θ（伸び出しによる回転変位に追随する角度）が形成されていることを特徴とするコンクリート系棒状ダンパー構造である（図１、図２参照）。
A rod-like damper consisting of RC member or PC member, is composed of a restraining member to have a restraining hole ends of the rod-shaped damper comprising a tubular member which is fixed to the structure is inserted, the restraining hole on the inner surface, the base has a curved surface is formed by an arc toward the front end portion moves away from the outer surface of the rod-like damper from an arc of onsets at the base of the restraining hole, the rotation angle by extending out of the base of the rod-damper It is a concrete rod-shaped damper structure characterized in that a corresponding free angle θ (an angle following the rotational displacement due to extension) is formed (see FIGS . 1 and 2 ).
本発明では、一様断面の円形断面等の中実棒部材または円環断面等の中空棒部材を用い、材料には、鉄筋やＰＣ鋼材等の鋼材と、モルタルやコンクリート等のセメント材料を用いる。モルタルまたはコンクリートに繊維を混入してもよい。構造物に定着された拘束部材としての円弧拘束管の基部から先端部に向かって開く朝顔状の円弧拘束孔内に棒状ダンパーの端部を差込んで根入れし、上部構造と下部構造の相対変位により円弧に沿って棒状ダンパーを曲げ変形させ、棒状ダンパーの曲率分布を制御し、曲げ変形を分散させることにより、変形性能としての終局回転角を増大させる。 In the present invention, a solid bar member such as a circular cross section having a uniform cross section or a hollow bar member such as an annular cross section is used, and steel materials such as reinforcing bars and PC steel materials and cement materials such as mortar and concrete are used as materials. . Fibers may be mixed into mortar or concrete. Insert the end of the rod-like damper into the morning glory arc restraint hole that opens from the base of the arc restraint tube as the restraint member fixed to the structure toward the tip, Displacement causes the rod-shaped damper to bend and deform along an arc, controls the curvature distribution of the rod-shaped damper, and disperses the bending deformation, thereby increasing the ultimate rotational angle as deformation performance.
中空の棒状ダンパーの場合、内部での圧縮破壊を防止するため、内部空間にコンクリートを充填し、中実の棒状ダンパーとしてもよい。また、一様断面の棒状ダンパーの場合、単純円弧を回転させた曲面で円弧拘束孔を形成する。これに限らず、例えば基部から開口部にかけて曲率半径が小さくなる（曲率が大きくなる）円弧の曲面とし、棒状ダンパーの変形性能を高めるようにしてもよい。円弧拘束管は、例えば、外側型枠として設置された鋼管の内側に朝顔状の鋼製型枠を設置した状態でコンクリート系材料（無収縮モルタルまたは普通コンクリート）を打設することにより製作することができる。円弧拘束管の外形は、円形でも角形等でもよい。 In the case of a hollow rod-shaped damper, in order to prevent internal compression failure, the interior space may be filled with concrete to form a solid rod-shaped damper. In the case of a rod-shaped damper having a uniform cross section, the arc constraining hole is formed by a curved surface obtained by rotating a simple arc. However, the present invention is not limited to this, and for example, a curved surface having a small radius of curvature (increasing the curvature) from the base to the opening may be used to improve the deformation performance of the rod-shaped damper. For example, the arc-restraining pipe is manufactured by placing concrete material (non-shrink mortar or ordinary concrete) with a morning glory-shaped steel formwork installed inside the steel pipe installed as the outer formwork. Can do. The outer shape of the arc constraining tube may be circular or rectangular.
円弧拘束孔の拡径を一方向に限定し、棒状ダンパーの円筒形部材に対する外部からの拘束効果を利用するようにしてもよい。鋼部材ではこうした拘束は見込めないが、コンクリートの圧縮破壊において拘束効果による終局ひずみの伸びが大きいことを利用することができる。耐震ダンパーのように１方向であるが、正負の繰り返し載荷を受ける場合は、円弧拘束孔は偏平な朝顔形状とする。 You may make it utilize the constraining effect from the outside with respect to the cylindrical member of a rod-shaped damper, limiting the diameter expansion of a circular arc restraint hole to one direction. Such a constraint cannot be expected with a steel member, but it can be used that the elongation of ultimate strain due to the constraint effect is large in the compressive fracture of concrete. The arc constraining hole has a flat morning glory shape when it is loaded in one direction as in the case of an earthquake-resistant damper, but repeatedly receives positive and negative loads.
棒状ダンパーが矩形断面の場合、矩形断面の幅と高さの比を大きくとり、１方向にのみ変形性能を持たせ、それと直角方向にはストッパーとして変位を拘束するなどの方向性を持った緩衝装置・ダンパーとして利用することができる。 When the rod-shaped damper has a rectangular cross section, the ratio of the width and height of the rectangular cross section is increased, the deformation performance is given only in one direction, and a buffer with directionality such as restraining the displacement as a stopper in the direction perpendicular to it. It can be used as a device / damper.
円弧の出だしが鉛直真上を向いた直線であれば、計算上、伸び出しはしないが、棒状ダンパーの伸び出しの角度θに等しい角度を持たせれば、棒状ダンパーの外面が降伏点で円弧拘束孔の内面に接して、それ以降の伸び出しは拘束され、計算上も降伏点以上に耐力は上昇しないので、降伏点以降の伸び出しによる回転角は一定である。この伸び出しによる回転変形分により棒状ダンパーの変形性能が向上する。この伸び出しによる回転角の占める割合は、付着強度が小さく降伏強度が高い分、ＲＣ部材よりもＰＣ部材の方が大きいので、本発明においてＰＣ部材を用いる場合は特にその必要性がある。 If the start of the arc is a straight line that is directly above the vertical, the calculation does not extend, but if the angle equal to the extension angle θ of the rod damper is given, the outer surface of the rod damper is constrained to the arc at the yield point. The extension after that is in contact with the inner surface of the hole is constrained, and the proof stress does not increase beyond the yield point in calculation, so the rotation angle due to extension after the yield point is constant. The deformation performance of the rod-shaped damper is improved by the rotational deformation due to the extension. Since the PC member is larger than the RC member because the adhesion angle is small and the yield strength is high, the ratio of the rotation angle due to the extension is particularly necessary when the PC member is used in the present invention.
また、棒状ダンパーのＰＣ鋼材にはアンボンド定着区間を設け、抜け出しによる回転性能を向上させることもできる。 In addition, an unbond fixing section can be provided in the PC steel material of the rod-shaped damper, and the rotational performance by pulling out can be improved.
本発明の請求項２は、請求項１に記載の棒状ダンパー構造において、拘束孔の内面は、棒状ダンパーの終局曲率または降伏曲率に対応した形状であることを特徴とするコンクリート系棒状ダンパー構造である。
円弧拘束孔は、終局曲率ではなく、降伏曲率に合わせた円弧とすることにより、損傷を許容しないが、大きな変形性能が可能な構造とすることができる。 The arc constraining hole is not an ultimate curvature, but an arc that matches the yield curvature, so that damage can be prevented but a structure capable of large deformation performance can be obtained.
本発明の請求項３は、請求項１または２に記載の棒状ダンパー構造において、棒状ダンパーの基部は拘束部材を貫通し、構造物内に根入れされていることを特徴とするコンクリート系棒状ダンパー構造である。
棒状ダンパーの基部を円弧拘束管の下へ例えば１Ｄ（棒状ダンパーの外径）程度、根入れすることにより（図１参照）、棒状ダンパーの根入れ部の構造物からの抜け出しによる回転を終局回転角に加えることができる。
Extent (the outer diameter of the rod-like damper) below to example 1D base arc constraining tube of the rod-shaped damper (see FIG. 1) by putting roots, ultimate rotation by coming off from the structure of the embedment portion of the rod-like damper Can be added to the rotation angle.
本発明の請求項４は、請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の棒状ダンパー構造において、拘束孔の基部には、構造物内部に向かって棒状ダンパーから離れる遊角θ´が設けられていることを特徴とするコンクリート系棒状ダンパー構造である（図３参照）。
According to a fourth aspect of the present invention, in the rod-shaped damper structure according to any one of the first to third aspects, the base portion of the restraining hole has a free angle θ ′ away from the rod-shaped damper toward the inside of the structure. This is a concrete-based rod-shaped damper structure (see FIG. 3).
円弧拘束孔の基部に初期剛性を微小にする遊角θ´を持たせることにより、例えば橋桁の温度収縮に伴う棒状ダンパーの変位の吸収が可能となる。 By providing the base portion of the arc constraining hole with a free angle θ ′ that makes the initial rigidity very small, for example, it is possible to absorb the displacement of the rod-shaped damper accompanying the temperature contraction of the bridge beam.
本発明の請求項５は、請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の棒状ダンパー構造において、棒状ダンパーの外周部（かぶりコンクリート部分あるいは最外縁から鋼材周囲まで）に高性能繊維補強コンクリート（超高強度繊維補強コンクリートＵＦＣ、あるいは、高じん性ＦＲＣのＥＣＣ等）が用いられていることを特徴とするコンクリート系棒状ダンパー構造である（図５参照）。
According to a fifth aspect of the present invention, in the rod-shaped damper structure according to any one of the first to fourth aspects, a high-performance fiber is formed on the outer periphery of the rod-shaped damper (from the cover concrete portion or the outermost edge to the periphery of the steel material). Reinforced concrete (ultra-high strength fiber reinforced concrete UFC, ECC of high toughness FRC, or the like) is used, which is a concrete rod-shaped damper structure (see FIG. 5).
棒状ダンパーの円弧拘束管に挿入される端部に高性能繊維補強コンクリートを用いることで、同部分の終局曲率を大幅に増大させることができる。また、遠心成形する従来の製造設備をそのまま使用して製作することができる。 By using high-performance fiber reinforced concrete at the end inserted into the arc constraining tube of the rod-shaped damper, the ultimate curvature of the same portion can be greatly increased. Moreover, it can manufacture using the conventional manufacturing equipment which carries out centrifugal molding as it is.
また、円弧拘束管は、内外に二重とした二重円弧拘束管とすることもでき、内側の拘束部材の拘束孔に棒状ダンパーの基部を挿入し、この内側の拘束部材を外側の拘束部材の拘束孔に挿入する。棒状ダンパーが変形し、次いで内側円弧拘束管が変形することにより、変位を増大させることができる。 The arc restraint tube may be a double arc restraint tube that is doubled inside and outside. The base portion of the rod-shaped damper is inserted into the restraint hole of the inside restraint member, and the inside restraint member is used as the outside restraint member. Insert into the restraint hole. The deformation can be increased by deforming the rod-shaped damper and then deforming the inner circular arc restraint tube.
以上のような本発明において、エネルギーを吸収する棒状ダンパーはＲＣ部材等のコンクリート系部材とする。ＲＣ部材等が地震などにより曲げ変形した場合、部材内の鋼材が塑性化することにより、エネルギーを吸収することができる。図１４に示すように、エネルギー吸収（荷重−変形曲線で囲まれる面積∝Ｐu×δu＝Ｐu×θu×Ｈ)を増大させるには、耐力を増大させる、および／または終局回転角を増大させることになる。耐力Ｐuは部材寸法（有効高さあるいは円形断面の直径）の２乗に比例する。また、変形性能δuは後述するようにダンパー基部における拘束管や高性能材料等の適用により向上できる。つまり、ＲＣ部材等では、断面寸法や鉄筋量、拘束管の形状、および高性能材料の特性を調節することにより、曲げ耐力や変形性能を制御でき、適切なエネルギー吸収性能を実現することができる。また、例えばダンパー部材の形状を矩形断面とし、その断面に対しの幅と高さの比を大きくとり、１方向にのみ変形性能を持たせれば、それと直角方向にはストッパーとして変位を拘束するなどの方向性を持った緩衝装置・ダンパーとして機能する。こういった場合、コンクリート系材料で構成される本発明によるダンパーは、鋼製ダンパーに比べ、任意の形状を容易に実現できるため有利であり、その形状によりエネルギー吸収の量のみならず、ダンパーが有効に機能する方向性などの諸条件も制御できる。 In the present invention as described above, the rod damper that absorbs energy is a concrete member such as an RC member. When the RC member or the like is bent and deformed due to an earthquake or the like, the steel material in the member is plasticized to absorb energy. As shown in FIG. 14, to increase energy absorption (area surrounded by load-deformation curve ∝ Pu × δu = Pu × θu × H), increase proof stress and / or increase ultimate rotation angle. become. The proof strength Pu is proportional to the square of the member dimension (effective height or diameter of the circular cross section). Further, as will be described later, the deformation performance δu can be improved by application of a restraining tube or a high performance material in the damper base. That is, in RC members and the like, the bending strength and deformation performance can be controlled and the appropriate energy absorption performance can be realized by adjusting the cross-sectional dimensions, the amount of reinforcing bars, the shape of the restraint pipe, and the characteristics of the high-performance material. . For example, if the shape of the damper member is a rectangular cross section, the ratio of the width to the cross section is increased, and if the deformation performance is given only in one direction, the displacement is restrained as a stopper in the direction perpendicular to it. It functions as a shock absorber / damper with directivity. In such a case, the damper according to the present invention composed of a concrete material is advantageous because it can easily realize an arbitrary shape as compared with a steel damper, and the shape of the damper is not limited to the amount of energy absorption. Various conditions, such as the directionality which functions effectively, can also be controlled.
上述するＲＣ部材等において、エネルギー吸収性能を向上させるためには、前述したように、曲げ耐力と変形性能を高めることが必要となる。ＲＣ部材等の曲げ耐力を向上させ、エネルギー吸収量を増加することは比較的容易であるが、下部構造に伝達される反力が大きくなり、その損傷の要因となる。また、拘束管や定着部にも大きな反力が作用し、同部分が損傷することにより、地震時に十分な制震効果を期待できない可能性がある。さらに、部材寸法を一定にし、鉄筋量を上げると、耐力は比例するが、変形性能は低下することになる。即ち、必要以上の鉄筋を用いず、曲げ耐力を低くするほど、下部構造や定着部の設計が有利となり、好ましい。そのため、エネルギー吸収性能を高めるためには、ダンパー部材の変形性能としての終局回転角θuを増加させ、地震時にダンパーが積極的に塑性変形を起こし、エネルギーを吸収することが重要となる。 In the RC member described above, in order to improve the energy absorption performance, it is necessary to improve the bending strength and the deformation performance as described above. Although it is relatively easy to improve the bending strength of the RC member or the like and increase the amount of energy absorption, the reaction force transmitted to the lower structure is increased, which causes damage. In addition, a large reaction force acts on the restraint pipe and anchorage part, and the same part may be damaged, so that it may not be possible to expect a sufficient damping effect during an earthquake. Furthermore, when the member dimensions are made constant and the amount of reinforcing bars is increased, the yield strength is proportional, but the deformation performance is reduced. That is, the lower the bending strength without using more than necessary reinforcing bars, the more advantageous is the design of the substructure and the fixing portion, which is preferable. Therefore, in order to improve the energy absorption performance, it is important to increase the ultimate rotational angle θu as the deformation performance of the damper member, so that the damper positively undergoes plastic deformation and absorbs energy during an earthquake.
曲げモーメントが作用する独立１本柱において、部材の高さ方向に一様に降伏あるいは終局に達するような部材を実現できれば、かなりの変形性能のある部材とすることができる。通常のＲＣ部材では、大きな曲げモーメントが作用する箇所が塑性化し、剛性が低下するため、以後は塑性化した部分に曲げ変形が集中する。そのため、塑性化した以外の箇所が健全であっても、変形が集中する部分のコンクリートが圧壊し、鉄筋が座屈、破断することにより、部材は終局を迎える。これに対して、部材の高さ方向に一様に曲げ変形を分散することができれば、部材全体としては同じ変形量であっても、曲げ変形が集中する部分が無いため、変形性能を増加することができる。 In a single independent column on which a bending moment acts, if it is possible to realize a member that yields uniformly or reaches the end in the height direction of the member, it is possible to obtain a member having considerable deformation performance. In an ordinary RC member, a portion where a large bending moment acts is plasticized and the rigidity is lowered, and thereafter bending deformation concentrates on the plasticized portion. Therefore, even if the part other than plasticization is healthy, the concrete where the deformation concentrates is collapsed, and the reinforcing bar buckles and breaks, so that the member comes to an end. On the other hand, if the bending deformation can be uniformly distributed in the height direction of the member, even if the entire member has the same deformation amount, there is no portion where the bending deformation is concentrated, so that the deformation performance is increased. be able to.
曲げ変形、即ち曲率を分散する方法としては、ＲＣ部材の端部を円弧拘束管で拘束する方法が考えられる。図１に示すように、円弧拘束管内の中心に設置されたＲＣ柱部材がその天端に作用する力により曲げ変形する場合、曲げモーメント分布が最も大きくなる基部の曲率が増加する。通常の柱部材であれば、そのまま基部が塑性化し剛性が低下することにより、基部にのみ曲げ変形が集中するようになる。しかし、円弧拘束管が周囲にある場合には、曲げ変形した柱の表面が円弧拘束管の内面に接触し、それ以後の変形形状、即ち、柱部材の曲率分布は、円弧拘束管の内面の形状に従うようになる。つまり、円弧拘束管の内面の形状により柱部材の曲率分布を制御し、曲げ変形が基部などの一箇所に集中しないようにすることができる。柱部材における曲げ変形（曲率）を分散することができれば、通常の部材に比べＲＣ部材の損傷（コンクリートの圧壊、鉄筋の座屈、破断）を抑制し、変形性能を高めることができる。 As a method of dispersing the bending deformation, that is, the curvature, a method of constraining the end of the RC member with an arc constraining tube is conceivable. As shown in FIG. 1, when the RC column member installed at the center in the arc constraining tube is bent and deformed by the force acting on its top end, the curvature of the base where the bending moment distribution becomes the largest increases. In the case of a normal column member, the base portion is plasticized as it is and the rigidity is lowered, so that bending deformation is concentrated only on the base portion. However, when the arc confining tube is in the periphery, the surface of the bent column contacts the inner surface of the arc confining tube, and the deformed shape after that, that is, the curvature distribution of the column member, is that of the inner surface of the arc confining tube. Follow the shape. That is, the curvature distribution of the column member can be controlled by the shape of the inner surface of the arc constraining tube so that bending deformation does not concentrate on one place such as the base. If the bending deformation (curvature) in the column member can be dispersed, the RC member can be prevented from being damaged (concrete crushing, rebar buckling, fracture) as compared with a normal member, and the deformation performance can be improved.
この時、円弧拘束管の内面形状を柱部材の終局曲率に合わせた形状、例えば、単純円弧ではなく、基部から開口部にかけて曲率半径が小さくなる（曲がりがきつくなる）形状とすれば、柱部材の変形性能を最大限に高めることができる。また、ダンパーが有効に機能する方向を１方向に定めたい場合は、拡径を１方向に限定し（例えば、偏平な朝顔形状）、円筒形部材に対する外部からの拘束効果を利用すればよい。このように拘束管内部の形状を任意に変えることにより、変形性能の向上効果以外の性能をダンパーに付与することができる。 At this time, if the shape of the inner surface of the arc constraining tube is matched to the ultimate curvature of the column member, for example, not a simple arc, but a shape in which the radius of curvature decreases from the base to the opening (the bending becomes tight), the column member The deformation performance of can be maximized. In addition, when it is desired to determine the direction in which the damper functions effectively in one direction, the diameter expansion is limited to one direction (for example, a flat morning glory shape), and a restraining effect from the outside on the cylindrical member may be used. In this way, by arbitrarily changing the shape inside the constraining tube, performance other than the improvement effect of deformation performance can be imparted to the damper.
図２に示すように、円弧拘束管の内面の形状には、基部からのＲＣ部材等の軸方向鋼材の伸び出しによる回転変位に追随する遊角θ（基部の伸び出しによる回転角に相当する角度）を持たせてもよい。円弧の出だしが鉛直真上を向いた直線であれば、計算上、伸び出しはしない。これに対し、伸び出しによる回転角θに等しい角度を円弧の出だしに持たせれば、降伏点でＲＣ部材等の表面が拘束管の円弧拘束孔の内面に接して、それ以降の伸び出しは拘束される。計算上も降伏点以上に耐力は上昇しないので、降伏点以降の伸び出しによる回転角は一定である。軸方向鋼材の伸び出しによる回転変形分も、ダンパーの変形性能として考慮し、活用することができれば、エネルギー吸収性能、変形性能の増加に有利となる。なお、この軸方向鋼材の伸び出しによる回転変形は、鋼棒ダンパーなどの鋼製部材では存在せず、ＲＣ部材等特有の変形要因である。 As shown in FIG. 2, the shape of the inner surface of the circular arc constraining tube corresponds to the free angle θ (corresponding to the rotation angle due to the extension of the base) following the rotational displacement due to the extension of the axial steel material such as the RC member from the base. Angle). If the start of the arc is a straight line that is directly above, it will not extend for calculation. On the other hand, if the arc has an angle equal to the rotation angle θ due to the extension, the surface of the RC member or the like is in contact with the inner surface of the arc restraint hole of the restraint pipe at the yield point, and the subsequent extension is restrained. Is done. Since the yield strength does not increase beyond the yield point in calculation, the rotation angle due to extension after the yield point is constant. If the rotational deformation due to the extension of the axial steel material is also considered and utilized as the deformation performance of the damper, it will be advantageous to increase the energy absorption performance and deformation performance. The rotational deformation due to the extension of the axial steel material does not exist in steel members such as a steel rod damper, and is a specific deformation factor of the RC member.
図３に示すように、円弧拘束管の基部に遊角θ´を持たせることにより、ダンパーの微小な初期変位に対する剛性・抵抗力を小さくすることができる。例えば、ダンパーに微小な水平力が作用した場合、当初は円弧拘束管内部の凸部とＲＣ部材等の点接触箇所を中心として、ＲＣ部材等が回転変形するために、微小変形に対する抵抗力が発生しない。これに対し、変形が大きくなり、ＲＣ部材等の下部が円弧拘束管の下部内面に接した後は、ＲＣ部材等自体が曲げ変形して抵抗力が発生することにより、エネルギーを吸収し始める。本機構によれば、橋桁の温度収縮に伴う変位のような常時の微小変形を遊角により吸収し、地震時のように大変形する場合には、上記したメカニズムによりエネルギーを吸収するダンパー装置を実現することができる。 As shown in FIG. 3, by providing the base portion of the arc constraining tube with a free angle θ ′, it is possible to reduce the rigidity / resistance force against a minute initial displacement of the damper. For example, when a small horizontal force is applied to the damper, the RC member or the like is initially rotationally deformed around a point contact point such as the convex portion inside the arc constraining tube and the RC member. Does not occur. On the other hand, the deformation becomes large, and after the lower part of the RC member or the like comes into contact with the lower inner surface of the arc constraining tube, the RC member or the like itself is bent and deformed to generate a resistance force, thereby starting to absorb energy. According to this mechanism, a damper device that absorbs energy by the mechanism described above is used to absorb normal micro-deformation such as displacement caused by temperature contraction of the bridge girder by free angle, and when large deformation occurs during an earthquake. Can be realized.
前述した本発明の方法は、柱部材の変形形状を円弧拘束管で制御し、部材自体の変形性能を100％利用することにより変形性能を高める方法である。即ち、円弧拘束管を適用しても、最終的には柱部材のコンクリートの圧壊、鉄筋の座屈・破断により終局を迎える。逆に言えば、柱部材自体の変形性能も高め、円弧拘束管と併用することができれば、より大きな変形性能を期待することができる。例えば、曲げ変形時に円弧拘束管に拘束される領域のかぶりコンクリートに高性能材料を適用する方法がある。 The above-described method of the present invention is a method of improving the deformation performance by controlling the deformation shape of the column member with the arc constraining tube and utilizing the deformation performance of the member itself 100%. That is, even if the arc constraining pipe is applied, it finally ends with the collapse of the concrete of the column member and the buckling / breaking of the reinforcing bar. In other words, the deformation performance of the column member itself is enhanced, and if it can be used in combination with the arc constraining tube, greater deformation performance can be expected. For example, there is a method in which a high-performance material is applied to cover concrete in a region constrained by an arc constraining tube during bending deformation.
ここでいう高性能材料とは、圧縮強度が高いコンクリート又はモルタル内に、鋼繊維、炭素繊維、ガラス繊維、あるいはビニロン繊維などが混入された材料である。このような高性能材料としては、高い圧縮強度だけではなく、曲げ強度・じん性も期待できる超高強度繊維補強コンクリート（圧縮強度が100〜250 Ｎ/mm２、曲げ引張強度が10〜40 Ｎ/mm２、引張強度が5〜15 Ｎ/mm２のもの、以下ＵＦＣと称する）、あるいは、圧縮強度は普通コンクリートレベルであるが、伸び・曲げ変形性能が著しく高い、高じん性ＦＲＣ（曲げ引張強度が10〜40 Ｎ/mm２、引張強度が5〜15 Ｎ/mm２のもの、以下ＥＣＣと称する）などがある。 The high-performance material here is a material in which steel fiber, carbon fiber, glass fiber, vinylon fiber or the like is mixed in concrete or mortar with high compressive strength. As such a high-performance material, not only high compressive strength but also ultra-high strength fiber reinforced concrete that can be expected to have bending strength and toughness (compressive strength is 100 to 250 N / mm 2 , bending tensile strength is 10 to 40 N / mm 2 , tensile strength of 5 to 15 N / mm 2 (hereinafter referred to as UFC), or compressive strength is normal concrete level, but high toughness FRC (bending) And those having a tensile strength of 10 to 40 N / mm 2 and a tensile strength of 5 to 15 N / mm 2 , hereinafter referred to as ECC).
図５に示すように、例えば、ＵＦＣを変形領域のかぶり部分に適用することができれば、曲げ変形時にコンクリートの最外縁に作用する曲げ圧縮応力をＵＦＣの高い圧縮強度が負担し、座屈した主筋のはらみ出しをＵＦＣの曲げ強度・じん性が抑制する。これにより、柱部材のコンクリートの圧壊、主筋の座屈が抑制され、柱部材の変形性能を向上させることができる。また、断面全体、もしくは、最外縁から鉄筋の周囲までをＥＣＣで構築すれば、柱部材自体の曲げ変形部のひび割れが分散する他、圧縮に対する終局ひずみも普通コンクリートより大きいため、変形性能を高めることができる。この場合、鉄筋はＥＣＣにより被覆されるため、断面中心における普通コンクリートは無くてもよい（中空部材）。 As shown in FIG. 5, for example, if UFC can be applied to the cover part of the deformation region, the high compressive strength of UFC bears the bending compressive stress acting on the outermost edge of the concrete during bending deformation, and the buckled main bar UFC bending strength and toughness are suppressed. Thereby, collapse of the concrete of a pillar member and buckling of a main reinforcement are suppressed, and the deformation performance of a pillar member can be improved. Also, if the entire cross section or the outermost edge to the periphery of the reinforcing bar is constructed with ECC, cracks in the bending deformation part of the column member itself are dispersed, and the ultimate strain against compression is also larger than that of ordinary concrete, so the deformation performance is improved. be able to. In this case, since the reinforcing bars are covered with ECC, there is no need for ordinary concrete at the center of the cross section (hollow member).
エネルギー吸収部材となるＲＣ部材等は、当然のことながら鉄筋等の鋼材の周囲をコンクリート系材料が被覆している。そのため、前述した鋼棒ダンパーの場合、沿岸部などの塩害が問題となるような劣悪な環境下では、腐食による機能低下が問題となり、防錆処理や定期的なメンテナンス等が必要となるが、本発明によるダンパーでは、十分なかぶりを確保することにより、塩分や雨水などの腐食要因物質をコンクリート系材料が遮断し、内部にある鋼材の腐食を抑制することができる。即ち、本発明によるダンパーは、沿岸部における橋梁などへの適用も可能であり、その場合でも特別な防錆処理や定期的なメンテナンスが不要となる。 As a matter of course, the RC member or the like serving as the energy absorbing member is covered with a concrete material around a steel material such as a reinforcing bar. Therefore, in the case of the steel rod damper described above, in a poor environment where salt damage such as coastal areas becomes a problem, functional deterioration due to corrosion becomes a problem, and rust prevention treatment and periodic maintenance are required. In the damper according to the present invention, by ensuring a sufficient cover, the corrosion-resistant substances such as salt and rainwater can be blocked by the concrete material, and corrosion of the steel material inside can be suppressed. That is, the damper according to the present invention can be applied to a bridge in a coastal area, and even in that case, special rust prevention treatment and regular maintenance are not required.
図１４に示すように本発明によるダンパー部材は、曲げ耐力を小さくし、変形性能を高めることにより、荷重−変形関係が囲む面積であるエネルギー吸収性能を確保しつつ、定着部への反力を低減することができる。即ち、定着部で負担すべき荷重が小さくなるので、その小規模化を実現することができる。また、ダンパー部材をＰＣ部材で構築すれば、エネルギー吸収性能は、ＲＣ部材に比べ低減するものの、荷重−変位関係に原点指向性が付与されるため、地震後に残留する下部構造と桁間の相対変位を低減できる。 As shown in FIG. 14, the damper member according to the present invention reduces the bending strength and increases the deformation performance, thereby ensuring the energy absorption performance that is the area surrounded by the load-deformation relationship and reducing the reaction force to the fixing portion. Can be reduced. That is, since the load to be borne by the fixing unit is small, it is possible to reduce the size of the fixing unit. In addition, if the damper member is constructed of a PC member, the energy absorption performance is reduced compared to the RC member, but the origin directivity is added to the load-displacement relationship. Displacement can be reduced.
なお、本発明に係るコンクリート系棒状ダンパー構造は、沿岸部の橋梁の耐震ダンパーのほか、金属部品では腐蝕の問題などが予想される杭頭免震構造などにも有効に適用される。 Note that the concrete rod-shaped damper structure according to the present invention is effectively applied not only to a seismic damper for a coastal bridge, but also to a pile head seismic isolation structure in which corrosion problems are expected in metal parts.
本発明は、以上のような構成からなるので、次のような効果が得られる。
（1）コンクリート系材料の棒状ダンパーを円弧拘束管の基部から先端部に向かって開く朝顔状等の円弧拘束孔に差し込んで根入れし、棒状ダンパーの変形性能としての終局回転角を増大させるようにしているため、コンクリート系材料を用いたダンパーでありながら、単純な機構で大きな変形性能とエネルギー吸収性能を得ることができる。
Since the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained.
(1) Insert the rod-shaped damper made of concrete material into the arc-shaped restraint hole such as morning glory that opens from the base of the arc-constrained tube toward the tip, and increase the ultimate rotation angle as the deformation performance of the rod-shaped damper. Therefore, it is possible to obtain a large deformation performance and energy absorption performance with a simple mechanism even though it is a damper using a concrete material.
（2）コンクリート系の柱部材を用い、円弧拘束管による境界条件で対処するものであり、比較的簡単で低コストの棒状ダンパーで十分なエネルギー吸収が可能となる。 (2) A concrete column member is used to deal with the boundary conditions of an arc confined tube, and a relatively simple and low-cost rod-shaped damper can absorb sufficient energy.
（3）コンクリート系の棒状ダンパーであるため、耐久性・耐候性を併せ持ち、沿岸部などの劣悪な環境下における橋梁などにも適用できる。十分なかぶりを確保することができ、劣悪な環境下でも特別な防錆処理や定期的なメンテナンスが不要となる。 (3) Since it is a concrete-based rod-shaped damper, it has both durability and weather resistance, and can be applied to bridges in adverse environments such as coastal areas. Sufficient fog can be secured, and special rust prevention treatment and regular maintenance are not required even in a poor environment.
（4）円弧拘束管の下部形状により橋桁等の温度伸縮などにも容易に対応することができる。 (4) The shape of the lower part of the arc restraint tube can easily cope with temperature expansion and contraction of bridge girders.
（5）円弧拘束管の円弧出だしの遊角、円弧拘束管下の根入れからの抜け出しによる回転、高性能繊維補強コンクリートの使用などにより、ダンパーの吸収エネルギーをさらに増大させることができる。 (5) The absorbed energy of the damper can be further increased by the free angle of the arc of the arc constraining tube, the rotation of the arc constraining tube that is pulled out from the bottom of the arc constraining tube, and the use of high-performance fiber reinforced concrete.
（6）コンクリート系棒状ダンパーの変形性能を高めることにより、大きなエネルギー吸収性能を確保しつつ、定着部への反力を低減することができ、定着部で負担すべき荷重が小さくなるので、その小規模化を図ることができる。 (6) By increasing the deformation performance of the concrete rod damper, the reaction force to the fixing part can be reduced while securing a large energy absorption performance, and the load that must be borne by the fixing part is reduced. The scale can be reduced.
（7）コンクリート系棒状部材であるため、鋼材の配置，プレストレスの有無，高性能材料の適用によりダンパーとしての特性（耐力，変形性能，エネルギー吸収性能，残留変位，耐久性）を制御できる。そのため、本発明によれば様々な特性を有するダンパーを実現することができ、対象とする橋梁にとって最適な特性を有するダンパーを適用することができる。 (7) Since it is a concrete-based rod-like member, the characteristics (strength, deformation performance, energy absorption performance, residual displacement, durability) as a damper can be controlled by the arrangement of steel materials, presence or absence of prestress, and application of high-performance materials. Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a damper having various characteristics, and it is possible to apply a damper having an optimal characteristic for the target bridge.
（8）以上のことから、地震による揺れだけでなく、温度変化による桁の変形などの日常の変状から、橋梁等の損傷を防ぐことができ、災害直後の機能性を確保し、被害を軽減するために有意である。また、メンテナンスが不要となることで、ライフサイクルコストの低減が可能となる。 (8) From the above, it is possible to prevent damage to bridges, etc. from daily deformation such as deformation of girders due to temperature changes as well as shaking due to earthquakes, ensuring functionality immediately after the disaster, and preventing damage Significant to alleviate. In addition, since maintenance is not required, life cycle costs can be reduced.
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明の棒状ダンパー構造の一例を示す斜視図である。図２、図３は、図１の棒状ダンパー構造で用いる円弧拘束管の円弧曲面の形状を変えた例を示す鉛直断面図である。図４は、図１の棒状ダンパー構造の詳細を示す斜視図である。図５は、図４の棒状ダンパーの下部に高性能材料を適用した例を示す斜視図と横断面図である。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments. FIG. 1 is a perspective view showing an example of a rod-shaped damper structure of the present invention. 2 and 3 are vertical sectional views showing an example in which the shape of the arc curved surface of the arc constraining tube used in the rod-shaped damper structure of FIG. 1 is changed. FIG. 4 is a perspective view showing details of the rod-shaped damper structure of FIG. FIG. 5 is a perspective view and a cross-sectional view showing an example in which a high performance material is applied to the lower part of the rod-shaped damper of FIG.
図１に示すように、ＲＣ部材からなる棒状ダンパー１と、この棒状ダンパー１の端部が挿入される円弧拘束孔２を有し、構造物に定着される筒状の拘束部材の円弧拘束管３とから構成する。円弧拘束管３は、下部構造の上部と上部構造の下部にそれぞれ埋設される。円弧拘束孔２は、棒状ダンパー１の例えば終局曲率に合わせた円弧で上方または下方に向かって広がる朝顔状とする。地震時における上部構造からの慣性力等の水平力が棒状ダンパー１の上部に作用すると、棒状ダンパー１の曲率が円弧拘束孔２の形状に従い、曲率分布の制御・曲げ変形の分散により、棒状ダンパー１の終局回転角即ち変形性能が大幅に向上する。
As shown in FIG. 1, an arc constraining tube of a cylindrical constraining member having a bar-shaped
また、図２に示すように、円弧拘束孔２の基部における円弧の出だしには、棒状ダンパー１の基部の伸び出しによる回転変形分を付加する遊角θを形成することができる。さらに、図３に示すように、円弧拘束孔２の基部に初期剛性を微小にする遊角θ´を形成することができる。また、棒状ダンパー１の基部を円弧拘束管３の下へ例えば１Ｄ程度、根入れし、棒状ダンパー１の根入れ部の抜け出しによる回転を終局回転角に加えることもできる。
In addition, as shown in FIG. 2, a free angle θ that adds a rotational deformation due to the extension of the base of the rod-shaped
図４に示すように、棒状ダンパー１は、鉛直方向に一様断面の円形断面あるいは円環断面のＲＣ部材であり、コンクリート系材料内部に鉄筋等の鋼材４が配置されている。一方、円弧拘束管３も、コンクリート系材料で形成される。円弧拘束孔２は、単純円弧を回転させて得られる曲面の円弧拘束孔とする。また、基部から開口部にかけて曲率半径が小さくなる（曲がりがきつくなる）形状とすれば、棒状ダンパー１の変形性能を最大限に高めることができる。この円弧拘束管３は、外側型枠として設置された鋼管の内側に朝顔状の鋼製型枠を設置した状態でコンクリート系材料（無収縮モルタルまたは普通コンクリート）を打設することにより製作することができる。
As shown in FIG. 4, the rod-shaped
鉄筋等の鋼材４は、塑性化することにより、繰り返し時における履歴吸収エネルギー量を増やす。水平耐力が高くなり過ぎない程度の量を配置する。棒状ダンパー１は、低い水平耐力と高い変形性能によりエネルギー吸収を実現する。円弧拘束管３は、棒状ダンパー１の端部の曲げ変形形状を円弧拘束孔２が制御し、曲率を分散し、棒状ダンパー１の変形性能を向上させる。
The
ＲＣ部材の棒状ダンパー１は、コンクリート系材料として普通コンクリートのほかに、高強度・曲げじん性を有するＵＦＣ、あるいは優れた変形性能を有するＥＣＣなどを適用することができる。
The RC damper rod-
ＵＦＣを用いる場合には、棒状ダンパー１において曲げ変形が卓越する領域（例えば、円弧拘束管で被覆される部分）のかぶり部分をＵＦＣ製のプレキャスト型枠により構築する方法が考えられる。図５（ａ）に示すように、棒状ダンパー１の曲げ変形が集中する領域、即ち円弧拘束管で覆われる部分にＵＦＣプレキャスト型枠１０を設置する。このＵＦＣプレキャスト型枠１０には、ひび割れ誘発目地１１を上下方向に間隔をおいて複数形成しておく。かぶり部分をＵＦＣで構築することにより、コンクリートの圧壊、鉄筋の座屈を抑制し、棒状ダンパー１自体の変形性能を向上させる。また、ひび割れ誘発目地１１により曲げひび割れを誘導発生させる。その他の部分は、普通コンクリート１２等とする。特に大きな強度は必要とされないため、せん断力の伝達のみとする。
In the case of using UFC, a method is conceivable in which a cover portion in a region where bending deformation is dominant in the rod-shaped damper 1 (for example, a portion covered with an arc constraining tube) is constructed with a UFC precast formwork. As shown in FIG. 5A, the
また、断面全体、もしくは、最外縁から鉄筋の周囲までをＥＣＣで構築すれば、棒状ダンパー自体の曲げ変形部のひび割れが分散する他、圧縮に対する終局ひずみも普通コンクリートよりも大きいため、変形性能を高めることができる。図５（ｂ）に示すように、円弧拘束管で覆われる部分において最外縁から鉄筋等の鋼材４の周囲までＥＣＣ１３で覆うことにより、終局ひずみの延伸、ひび割れ分散性の向上、曲率の分散化により、棒状ダンパー１自体の変形性能が向上する。この場合、鉄筋等の鋼材４はＥＣＣで被覆されるため、断面中心部における普通コンクリート１２はなくてもよく、中空部材とすることができる。
In addition, if the entire cross section or the outermost edge to the periphery of the reinforcing bar is constructed with ECC, cracks in the bending deformation part of the rod-shaped damper itself are dispersed, and the ultimate strain against compression is larger than that of ordinary concrete, so deformation performance is improved. Can be increased. As shown in FIG. 5B, by covering with
図６に示すように、円弧拘束管３の円弧拘束孔２は、以下の要因により決定する。
(1) 内面の曲率は、棒状ダンパー１のＲＣ部材の終局曲率
(2) 円弧出だし部の遊角θは、棒状ダンパー１のＲＣ部材で考慮する伸び出しによる回転角
(3) 基部の遊角θ´は、橋桁の温度伸縮により発生する変形・回転角
As shown in FIG. 6, the
(1) The curvature of the inner surface is the ultimate curvature of the RC member of the
(2) The free angle θ of the arc extension is the rotation angle due to the extension considered by the RC member of the
(3) The free angle θ ′ of the base is the deformation / rotation angle generated by the temperature expansion and contraction of the bridge girder.
以上の条件により決定される円弧拘束管３を有するＲＣ部材による棒状ダンパー１は、後述する例のように「伸び出しによる変形＋円弧拘束管による変形＋ＲＣ部材自体の変形」で変形性能が決定し、通常のＲＣ部材単体の場合に比べ、大きな変形に追従しエネルギーを吸収することが可能となる。また、温度伸縮に伴う橋桁の微小な変形に対してもダンパーが緩衝装置として機能し、下部構造・上部構造における温度伸縮に伴う応力の負担を軽減することができる。
The rod-shaped
橋梁へ本発明のコンクリート系棒状ダンパー構造を適用する場合、下部構造の天端と上部構造間に設置することが考えられる。例えば、図７では、下部構造（橋脚）２０の天端と上部構造（主桁）２１の下部に、円弧拘束管３を有する定着土台２２を設けた例を示している。一般に、橋梁では、地震時に下部構造と上部構造間の相対変形が大きくなる。この時に、下部−上部構造間に設置されたダンパー装置が大変形することにより、効率よく、橋梁の震動エネルギーを吸収することが可能となる。
When the concrete rod-shaped damper structure of the present invention is applied to a bridge, it can be considered to be installed between the top end of the lower structure and the upper structure. For example, FIG. 7 shows an example in which a fixing
橋梁に適用する場合の棒状ダンパーの端部については、(１)両端固定で両端に円弧拘束管を設置する形態と、(２)片側に円弧拘束管を設置して固定端とし他端をピンとする形態がある(図８参照)。ただし、図８（ａ）において断面諸元が同一であれば、長さ２Ｌの両端固定梁と長さＬの片持ち梁の強度(図８（ａ)の水平力)は同じであるが、その時の変位は、ほぼＡがＢの倍程度となる。同じ強度の棒部材における吸収エネルギー量は、変形が大きい方が大きくなるため、橋梁のダンパーとしては長さ２Ｌの両端固定梁の方（図８Ａ）が合理的となる。一方、図８（ｂ）に示すように同一の断面の片持ち梁で同じエネルギー吸収性能、すなわち、同じ変位で同じ水平力を得るには、２本の長さ２Ｌの片持ち梁が必要となる。片持ち梁の自由端の機構はピン構造となるため簡易であるが、円弧拘束管による変形性能の改善が無いため、棒部材全体の変形性能としては、長さ２Ｌの両端固定梁の方が優れている。
As for the end of the rod-shaped damper when applied to a bridge, (1) A configuration in which an arc constraining tube is installed on both ends with both ends fixed, and (2) An arc constraining tube is installed on one side and the other end is a pin (See FIG. 8). However, if the cross-sectional specifications are the same in FIG. 8A, the strength (the horizontal force in FIG. 8A) of the two-end fixed beam of
ただし、両端固定とすると、水平変位によりダンパーの長さが伸びるため、別途、この伸縮を逃す機構が必要となる場合がある。そのような場合でも、（１）ダンパーの高さ中央に伸縮を吸収する機構を設ける方法や（２）円弧拘束管の外周とそれを埋め込むコンクリートとの縁を切り、円弧拘束管が多少の抜け出しにより棒部材の伸びを吸収する方法等を適用すればよい。例えば、図９（ａ）に示すようにダンパーの高さ中央で棒部材の不連続部３０を設け、その周囲を棒部材と縁の切れた円筒状の部材３１で覆う方法がある。この場合、棒部材の伸びは切れ目間が離れることにより吸収される一方、せん断力は円筒状の部材により伝達するため棒部材は曲げ変形することができる。すなわち、ダンパーの軸方向の伸縮を吸収しつつ、エネルギー吸収性能を確保できる機構が実現できる。なお、円筒状の部材は、ダンパー部材と同等の耐久性、耐候性を有するものが望ましく、例えば、高性能材料を含むコンクリート系材料によるＲＣ部材が良いが、その限りではない。円筒状の部材３１は、フープ状の鉄筋と主筋からなる鉄筋籠を製作し、その周囲に筒状の型枠を設置して、無収縮モルタル等を打設してプレキャスト部材として製作しても良い。この場合、分割された棒状ダンパーの下方に筒状部材３１が下がらないための突起状のストッパー３２を設置し、上方ダンパーに筒状部材を通して、設置後、筒状部材を下方のストッパーの位置までずらすことにより設置することができる（図９（ｂ））。また、筒状部材３１をプレキャスト部材ではなく、ダンパーの設置箇所において製作することもできる（図９（ｃ））。棒部材との縁切りのため内側の型枠（ビニールシートでもよい）を配置し、外側の型枠との間に無収縮モルタル等を打設して製作する。いずれの方法でも、円筒状の部材を棒状ダンパーの設置後に設置することが可能となるため、棒状ダンパーを分割して設置することができ施工性において有利となる。一方、円弧拘束管の外周とそれを埋め込むコンクリートとの縁を切ることによっても、ダンパーの軸方向の伸縮を円弧拘束管の抜け出しにより吸収することができる。
However, if both ends are fixed, the length of the damper is increased due to horizontal displacement, and therefore a separate mechanism for escaping this expansion and contraction may be required. Even in such a case, (1) a method of providing a mechanism for absorbing expansion and contraction at the center of the damper height, and (2) cutting the outer periphery of the arc restraint tube and the edge of the concrete to embed it, and the arc restraint tube is slightly pulled out. A method of absorbing the elongation of the bar member may be applied. For example, as shown in FIG. 9A, there is a method in which a
以下、本発明の効果を具体的事例について説明する。ＲＣ棒状ダンパーの諸元は、直径φ250ｍｍ、コンクリート強度50Ｎ/mm２、配置鉄筋Ｄ13-16本（ｐ＝4.1％）、柱突出部分の全長1.0ｍとした。円弧拘束管は、この断面の最大曲率に対応する曲率半径とし、その長さを0.7ｍとした。 Hereinafter, the effect of the present invention will be described with reference to specific examples. The specifications of the RC rod-shaped damper were a diameter of 250 mm, a concrete strength of 50 N / mm 2 , D13-16 arrangement reinforcing bars (p = 4.1%), and a total length of 1.0 m of the protruding column. The arc constrained pipe has a radius of curvature corresponding to the maximum curvature of the cross section, and its length is 0.7 m.
先ず、上記断面について、曲げモーメントと曲率の関係を算出すると、図１０に示すようになる。この場合の終局曲率は、0.050ｍ−１である。次に、従来構造の柱突出部分１ｍの変形を既往の設計手法により求めると、図１１に示すようになる。ここで、各点の変位は、橋脚天端と主桁下面に埋め込まれた鉄筋の伸び出しによる柱基部の回転による変位、塑性ヒンジ部の回転による変位、塑性ヒンジ部以外の曲げ変形による変位の３つに分類して算出される。その概念を、独立柱の場合について示すと、図１２に示すようになる。主桁下面と橋脚天端の間に設置するダンパーにおいては、柱の上下が柱の中央に対し逆対称となるだけで、原理は全く同じである。本発明においては、これに円弧拘束管による曲げ変形が加わる。 First, when the relationship between the bending moment and the curvature is calculated for the cross section, it is as shown in FIG. The ultimate curvature in this case is 0.050 m −1 . Next, when the deformation of the column protruding portion 1m having the conventional structure is obtained by the existing design method, it is as shown in FIG. Here, the displacement of each point is the displacement due to the rotation of the column base due to the extension of the reinforcing bars embedded in the bridge pier top and the main girder, the displacement due to the rotation of the plastic hinge, and the displacement due to the bending deformation other than the plastic hinge. It is calculated by classifying into three. The concept is shown in the case of an independent pillar as shown in FIG. In the damper installed between the bottom face of the main girder and the top of the pier, the principle is exactly the same except that the top and bottom of the pillar are antisymmetric with respect to the center of the pillar. In the present invention, this is subjected to bending deformation by the arc confining tube.
このうち、基部伸び出しによる回転は、ＲＣダンパーの断面の諸元によって決まり、この場合、0.017radである。円弧拘束管を用いない場合、柱部分の両端に伸び出しが生じるので、相対変位は、0.017rad×1.0ｍ＝17ｍｍである。円弧拘束管の基部に伸び出しによる回転を生じさせる場合、伸び出しによる変位は、相対距離が円弧拘束管を含めた距離（0.7ｍ＋柱部長さ1.0ｍ＋0.7ｍ＝2.4ｍ）になり、相対変位は0.017rad×2.4ｍ＝41ｍｍとなる。 Of these, the rotation due to the base extension is determined by the cross-sectional specifications of the RC damper, and in this case, is 0.017 rad. When the circular arc constraining tube is not used, since the extension occurs at both ends of the column portion, the relative displacement is 0.017 rad × 1.0 m = 17 mm. When rotation is caused by extension at the base of the arc constraining tube, the displacement due to extension is the relative distance including the arc constraining tube (0.7 m + column length 1.0 m + 0.7 m = 2.4 m). Becomes 0.017rad × 2.4m = 41mm.
円弧拘束管を用いた構造においては、上記の伸び出しの変位が従来構造よりも大きくなることと、円弧拘束管による変位増分があることが特徴である。突出している柱部分については、塑性ヒンジが形成され、それによる変位と塑性ヒンジ部以外の弾性変位は、二つの構造で同じである。また、最大反力も、突出している長さ1.0ｍが同じであれば、従来構造と同じである。円弧拘束管による変位は、ＲＣダンパーの終局曲率に相当する円弧の曲率半径としたので、断面の終局曲率0.050ｍ−１と円弧拘束管の長さ0.7ｍから求まる拘束管出口での回転角に、柱の突出長1.0ｍを乗じて相対変位が算出でき、この実施例では、0.05／ｍ×0.7ｍ×1.0ｍ＝0.035rad×1.0ｍ＝35ｍｍである。 The structure using the arc constraining tube is characterized in that the above-mentioned extension displacement is larger than that of the conventional structure and that there is a displacement increment due to the arc constraining tube. For the protruding column part, a plastic hinge is formed, and the displacement and the elastic displacement other than the plastic hinge part are the same in the two structures. The maximum reaction force is the same as that of the conventional structure if the protruding length of 1.0 m is the same. The displacement by the arc constraining pipe is the radius of curvature of the arc corresponding to the ultimate curvature of the RC damper, so the rotation angle at the exit of the constraining pipe obtained from the final curvature of the cross section 0.050 m -1 and the length of the arc constraining pipe 0.7 m. The relative displacement can be calculated by multiplying the protrusion length of the column by 1.0 m. In this embodiment, 0.05 / m × 0.7 m × 1.0 m = 0.035 rad × 1.0 m = 35 mm.
これらをまとめると、図１３に示すようになる。なお、相対変位は、いずれの構造においても、ダンパー断面の最大耐力点までの変位とした。この図１３から明らかなように、本発明の円弧拘束管を用いると、ＲＣダンパーにおいて、最大反力は同じで、約２倍の相対変位を実現できることがわかる。 These are summarized as shown in FIG. The relative displacement was the displacement up to the maximum strength point of the damper cross section in any structure. As can be seen from FIG. 13, when the arc constraining tube of the present invention is used, the RC reaction can be realized with the same maximum reaction force and approximately twice the relative displacement.
上記の例では、95ｍｍ程度の相対変位までしか対応できないが、円弧拘束管の長さを長くすると、容易に相対変位を増大できることがわかる。免震橋の支承相対変位は150ｍｍ程度であるから、例えば、円弧拘束管の長さを１ｍとすれば、伸び出しによる相対変位が0.017rad×3.0ｍ＝51ｍｍとなり、全相対変位は51＋50＋43＝144ｍｍとなり、容易に対応可能であることがわかる。 In the above example, only a relative displacement of about 95 mm can be handled, but it can be seen that the relative displacement can be easily increased by increasing the length of the arc constraining tube. Since the base relative displacement of the seismic isolation bridge is about 150 mm, for example, if the length of the arc constraining tube is 1 m, the relative displacement due to extension becomes 0.017 rad × 3.0 m = 51 mm, and the total relative displacement is 51 + 50 + 43 = 144 mm Thus, it can be seen that it can be easily handled.
以上は主桁の下面にダンパーを配置する場合（図７）であるが、これに限らず、例えばＴ桁橋の場合には、主桁と主桁の間に配置することもできる。 The above is the case where the damper is arranged on the lower surface of the main girder (FIG. 7). However, the present invention is not limited to this. For example, in the case of a T girder bridge, it can be arranged between the main girder and the main girder.
なお、以上は橋梁のダンパーに適用した場合について例示したが、これに限らず、杭頭免震構造などにも適用することができる。また、本発明は図示例に限定されないことはいうまでもない。 In addition, although the case where it applied to the damper of a bridge was illustrated above, it is applicable not only to this but to a pile head seismic isolation structure. Needless to say, the present invention is not limited to the illustrated examples.
１……棒状ダンパー
２……円弧拘束孔
３……円弧拘束管（拘束部材）
４……鉄筋等の鋼材
１０…ＵＦＣプレキャスト型枠
１１…ひび割れ誘発目地
１２…普通コンクリート
１３…ＥＣＣ
２０…下部構造（橋脚）
２１…上部構造（主桁）
２２…定着土台
３０…不連続部
３１…円筒状の部材（筒状部材）
３２…ストッパー
1 …… Bar-shaped
4 ... Steel such as
20 ... Substructure (pier)
21 ... Superstructure (main girder)
22 ... Fixing
32 ... Stopper
Claims (5)
ＲＣ部材またはＰＣ部材からなる棒状ダンパーと、構造物に定着される筒状の部材であって前記棒状ダンパーの端部が挿入される拘束孔を有する拘束部材とから構成され、前記拘束孔の内面には、基部から先端部に向かって棒状ダンパーの外面から離れていく円弧による曲面が形成されており、拘束孔の基部における円弧の出だしには、棒状ダンパーの基部の伸び出しによる回転角に相当する遊角が形成されていることを特徴とするコンクリート系棒状ダンパー構造。 It is a rod-shaped damper structure in which both ends of the rod-shaped damper are fixed to the structure and energy is absorbed by bending deformation of the rod-shaped damper due to the relative displacement of the structure,
A rod-like damper consisting of RC member or PC member, is composed of a restraining member to have a restraining hole ends of the rod-shaped damper comprising a tubular member which is fixed to the structure is inserted, the restraining hole on the inner surface, the base has a curved surface is formed by an arc toward the front end portion moves away from the outer surface of the rod-like damper from an arc of onsets at the base of the restraining hole, the rotation angle by extending out of the base of the rod-damper A concrete rod-shaped damper structure characterized in that a corresponding free angle is formed .
The rod-shaped damper structure according to any one of claims 1 to 4 , wherein high-performance fiber reinforced concrete is used on an outer periphery of the rod -shaped damper.
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