JP5279356B2 - コンクリート系部材の塑性ヒンジ構造およびコンクリート系部材 - Google Patents

Description

本発明は、土木・建築構造物におけるコンクリート系部材の塑性ヒンジ構造およびこの塑性ヒンジ構造を用いたコンクリート系部材に関するものである。

一般に、土木・建築構造物は、地震による大きな外力が作用したときに、部材端部、例えば、橋脚基部、ラーメン構造の梁端部などに大きな曲げモーメントが作用し、軸方向鉄筋が降伏することにより部材端部が曲げ降伏の塑性変形をする。塑性変形箇所を一般に塑性ヒンジ部と呼ぶ。さらに構造物に繰り返して地震力が作用することにより、塑性ヒンジ部のかぶりコンクリートの剥落、コアコンクリートの圧縮破壊が生じる。また、軸方向鉄筋は引張力・圧縮力が作用し、塑性変形を繰り返し、座屈破壊を起こす。

構造物に高い耐震性を持たせるために、塑性ヒンジ部には大きな変形を受けても耐力が低下しない変形性能と地震エネルギーを吸収するための履歴エネルギー吸収性能が求められる。

通常のＲＣ構造やＰＣ構造では、塑性ヒンジ部のコアコンクリートの帯鉄筋量を増やし、コンクリートの横拘束を高めることによって、コンクリートの圧縮耐力の向上や軸方向鋼材の座屈破壊の防止をする方法が用いられてきた。

特許文献１には、鉄筋コンクリート橋脚において、構造用の軸方向鋼材よりも内側に高強度の芯材を、コンクリート部材の軸方向に、塑性ヒンジ部よりも長く配置し、芯材の一端部を橋脚の基礎部に定着し、芯材の他端部を橋脚の中間部にてコンクリート部に定着し、芯材がコンクリートに対し付着していないアンボンド区間を設けることが記載されている。この構造により、部材が大きく曲げ変形した際に、芯材は弾性的に挙動することを可能としており、大変形時にも残留変形が小さくなることを可能としている。

特許文献２には、軸方向鋼材に圧縮力を伝えない構造とすることで圧縮力による軸方向鋼材の座屈を防止し、変形性能の向上を図ることが記載されている。通常のＲＣ構造では、軸方向鋼材が圧縮方向に座屈変形している場合、引張変形がある程度まで進まないと引張力が作用せずに鋼材の引張による塑性変形が期待できない。また、軸方向鋼材の座屈防止のために上記に示した軸方向鋼材に圧縮力を伝えない構造とするだけでは、軸方向鋼材は引張塑性変形した変形量だけ引張力を伝えないことになる。そこで、軸方向鋼材の塑性変形を吸収する機構を設けることにより、軸方向鋼材に引張方向の変形が作用するとすぐに引張力が作用し、塑性変形を促すことにより高いエネルギー吸収性能を実現している。

特許文献３には、塑性ヒンジ部の軸方向鋼材の周りに補強筒を装着し、軸方向鋼材と補強筒の間の付着強度をゼロとしアンボンド領域を形成することが記載されている。地震の際にアンボンド領域に軸方向鋼材が一定のひずみで優先的に降伏することを可能としている。塑性ヒンジ部の軸方向鋼材に生じる塑性ひずみが局所的にならないことから、大変形に対しても安定した塑性変形を実現できる。また、軸方向鋼材が塑性変形する箇所は、補強筒で囲まれていることから、軸方向鋼材が圧縮荷重を受けたときの座屈変形を防止できる効果も期待できる。また、軸方向鋼材の付着除去部には曲げ戻し効果によって、コンクリートに作用する応力を従来のＲＣ構造よりも緩和することを可能としている。

特許文献４には、塑性ヒンジ部を想定する領域に緩衝材を配置することにより、部材の曲げ変形を緩衝材の曲げ変形により吸収し、コンクリートの圧壊を防止し、高い変形性能を実現することが記載されている。緩衝材に高減衰ゴム等を用いることにより高いエネルギー吸収性能を持たせることを可能としている。また、緩衝材に剛性の高いせん断キーを配置し、緩衝材のせん断変形を防止することにより、曲げ変形を卓越させ安定した変形性能を実現するものである。

特許文献５には、超高強度繊維補強コンクリートからなるプレキャスト型枠とアンボンド芯材をＲＣ構造物の塑性ヒンジ区間に適用することによって、高い変形性能と安定した二次剛性を有するＲＣ構造物を構築することが記載されている。また、高強度・高剛性のプレキャスト型枠により、軸方向鋼材に過度な圧縮ひずみを生じることを防ぐことによって早期の座屈を防止することが期待できる。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。

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６、７がある。特許文献６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。

特許文献７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。

また、建築構造物においては高靭性セメント系複合材料（ＥＣＣ）などで形成されたダンパーが開発されている（特許文献８、９参照）。

特開２００１−２９５２２０号公報 特開平１１−３１０９９５号公報 特開２００３−１５５７７８号公報 特開２００２−６１２８２号公報 特開２００７−９４６０号公報 特開平９−４９２０９号公報 特開平１１−２８７２８９号公報 特開２００５−２９９１８７号公報 特開２００４−５２４９４号公報

一般的なＲＣ・ＰＣ構造部材では、地震力が作用すると部材端部に大きな曲げモーメントが生じて塑性ヒンジを形成する。通常、帯鉄筋量を増やすなどの方法によりコアコンクリートの横拘束力を高めることで、繰り返し荷重が作用した場合の耐力低下を小さくし、塑性ヒンジの変形性能を高める方法がとられている。しかしながら、大きな変形の繰り返し荷重を受けるとコンクリートの圧縮破壊が進行し、軸方向鉄筋の座屈や破断が発生することによって部材の耐力が低下する。このような大変形の繰り返し荷重下における部材耐力の低下を改善する方法として、前述した特許文献１〜５の発明が提案されている。

（1）特許文献２の発明は、圧縮座屈を防止することにより、より高い変形性能を有することを可能としている。また、軸方向鋼材に引張変形が作用したときに常に引張力が作用する塑性変形吸収機構を有することにより、安定した高い履歴減衰を可能としている。但し、この構造では、軸方向鋼材を圧縮変形させないため、圧縮変形時に期待できる軸方向鋼材の履歴減衰を得ることができない。また、塑性変形吸収機構は、特殊な構造となるため、実現するためには高い費用を必要とする。また、コンクリートの圧縮破壊が進行することによっての耐力低下を改善することができない。

（2）特許文献３の発明は、通常のＲＣ部材に比べ、安定した軸方向鋼材の履歴減衰を可能とし、コンクリートの損傷も低減することを可能としている。しかしながら、ある一定以上の大変形時ではコンクリートの損傷は避けられず、部材耐力を保持することはできない。

（3）特許文献４の発明は、部材に高い変形性能を付与することを可能にしている。変形性能を大きくするためには緩衝材を厚くする必要があるが、緩衝材を厚くすると緩衝材の範囲で軸方向鋼材の圧縮変形によって座屈が生じてしまう可能性がある。

（4）特許文献５の発明は、部材に高い変形性能と二次剛性を付加することを可能とし、軸方向鋼材の早期の座屈を防止することを可能としている。プレキャスト型枠には、曲げ変形時に大きな圧縮応力が作用するが、これを高強度の材料を用いることで圧縮破壊を防止する構造となっていることから、曲げ応力が材料強度以上生じる大変形においては圧縮破壊が生じる可能性がある。

一方、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。

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。

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。

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。

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。

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。

また、耐久性の高いＥＣＣダンパーは既に高層ビルに実際に適用されているが高層ビルでのＥＣＣダンパーは、地震時の部材回転角度を最大でも0.025radを想定しているのに対し，橋梁では桁と橋脚天端の間で大きな相対変位を生じる構造となっていることから，取付可能な、ダンパー長を考慮すると、0.1rad程度以上の回転角度を生じさせる必要がある。

本発明は、前述のような課題を解消すべくなされたものであり、土木・建築構造物におけるコンクリート系部材の変形性能の向上および履歴減衰特性の向上を低コストで実現できるコンクリート系部材の塑性ヒンジ構造およびこの塑性ヒンジ構造を用いたコンクリート系部材を提供することにある。

本発明の請求項１は、ＲＣ部材（鉄筋コンクリート）またはＰＣ(プレストレストコンクリート)部材のコンクリート系部材に設けられる塑性ヒンジ部の曲げ変形によりエネルギーを吸収するコンクリート系部材の塑性ヒンジ構造であり、板状の剛部材と板状の柔部材とをコンクリート系部材の軸方向に交互に積層することにより塑性ヒンジ部が形成され、コンクリート系部材の内部に埋設される軸方向鋼材を剛部材と柔部材の積層構造に挿通させることにより塑性ヒンジ部とその近傍にアンボンド区間が形成され、剛部材には軸方向鋼材の座屈変形を拘束して座屈を防止する軸方向鋼材の挿通孔が設けられ、剛部材と柔部材の積層構造のせん断変形を抑制するせん断変形防止部材が積層構造内に設けられており、前記せん断変形防止部材は、剛部材の表面と裏面にそれぞれ設けられ、互いに嵌合する凹部と凸部であることを特徴とするコンクリート系部材の塑性ヒンジ構造である（図１参照）。

本発明の請求項２は、請求項１に記載の柔部材に代えて隙間が設けられていることを特徴とするコンクリート系部材の塑性ヒンジ構造である。

本発明の請求項３は、請求項１に記載の塑性ヒンジ構造において、柔部材は、ゴムまたは軟質プラスチック（弾性ゴム、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂など）で形成されていることを特徴とするコンクリート系部材の塑性ヒンジ構造である。

本発明の請求項４は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の塑性ヒンジ構造において、剛部材は、鋼材、コンクリートまたは超高強度繊維補強コンクリートで形成されていることを特徴とするコンクリート系部材の塑性ヒンジ構造である。

本発明の請求項５は、請求項１から請求項４までのいずれか一つに記載の塑性ヒンジ構造がコンクリート系部材の一端部または両端部に設けられていることを特徴とするコンクリート系部材である（図２、図３参照）。図２は橋脚などの基部に本発明の塑性ヒンジ構造を適用した場合、図３は棒状ダンパーの両端部に本発明の塑性ヒンジ構造を適用した場合である。

本発明は、ＲＣ部材やＰＣ部材のコンクリートの圧壊や軸方向鋼材の座屈破断を生じにくくさせ、変形性能の向上および履歴減衰特性の向上を低コストで実現するものである。本発明の塑性ヒンジ構造は、以下の４つの特徴を有する。

（1）剛部材と柔部材の積層構造
ＲＣ部材やＰＣ部材の塑性ヒンジ部に、ある程度の強度と剛性を有する剛部材と、剛性が小さく変形性能に富む緩衝材としての柔部材とを交互に何層か配置する。柔部材の箇所は、何も材料を配置せずに隙間としてもよい。

（2）軸方向鋼材のアンボンド構造
塑性ヒンジ部及び塑性ヒンジ部の近傍において軸方向鋼材（異形鉄筋、丸鋼、平鋼など）のアンボンド領域を作る。アンボンド領域は、軸方向鋼材の挿通孔やシース管などで形成することができる。アンボンド領域の上部と下部でコンクリート躯体に軸方向鋼材の端部を定着させる。

（3）軸方向鋼材の座屈防止構造
軸方向鋼材のアンボンド領域における軸方向鋼材の外面と、軸方向鋼材周囲の剛部材の挿通孔やシース管などの剛な部材との隙間を小さくする。この構造により、軸方向鋼材の座屈防止が可能となり、軸方向鋼材の安定した塑性変形を可能とする。このとき、柔部材では、軸方向鋼材の座屈変形を防止することが困難であることから、剛部材と柔部材を交互に配置し、柔部材を薄くすることによって、軸方向鋼材の座屈を剛部材で防止することを可能とする。

（4）せん断変形防止部材を有する構造
剛部材間を連結する鉛直に貫通する棒材や凹凸の嵌合によるせん断キーなどのせん断変形防止部材を有することにより、柔部材でのせん断変形を抑制し、安定した曲げ変形を実現することを可能とする。

以上のような本発明の塑性ヒンジ構造によれば、次のような作用効果が得られる。

（1）剛部材と柔部材の積層構造
図５に示すように、通常のＲＣ部材の場合は、曲げに対する中立軸が圧縮側に大きく偏って位置するのに対し、本塑性ヒンジ構造では、剛部材と柔部材の積層構造により、柔部材があることによって、曲げに対する中立軸が水平方向の部材高さ（ｈ）のほぼ中央（ｈ／２）位置になり、圧縮領域の軸方向鋼材が圧縮降伏することにより、同じ部材変形角において、最大の引張塑性ひずみが、通常のＲＣ部材や従来の座屈防止構造付きＲＣ部材よりも小さくなることを特徴としている（図６参照）。図６は、従来のＲＣ構造、従来の座屈防止構造付きＲＣ構造、本発明の塑性ヒンジ構造が繰り返し変形を受けた際に、軸方向鋼材に生じる応力ひずみ履歴を比較したものである。従来の座屈防止構造付きＲＣ構造の軸方向鋼材の履歴は、引張ひずみ領域において履歴を描くのに対し、本塑性ヒンジ構造の軸方向鋼材の履歴は、圧縮領域と引張領域の両領域において履歴を描くようになる。この効果により軸方向鋼材の引張破断を遅らせることが可能となり、また、最大塑性引張ひずみが小さいということは、塑性化したときの断面積の減少（断面が細る）が少ないから、圧縮に転じたときの座屈に対する抵抗性が従来よりも大きくなる。

また、本発明では、中立軸が部材高さ（ｈ）のほぼ中心位置であるので、図７に示すように、中心位置に配置するせん断キー等の開閉量が微小であることから、せん断キー等の構造が簡単で済む利点がある。

また、ＲＣ部材やＰＣ部材の塑性ヒンジ部は、一般に大きな変形が生じるときは、大きな応力が作用し、圧壊を引き起こす。本発明の効果は、特許文献４と同様の効果ではあるが、本塑性ヒンジ構造の場合、剛部材と柔部材を交互に何層か配置することにより、緩衝材として柔部材の変形により曲げ変形を吸収することでＲＣ部や剛部材に生じる応力を緩和し、コンクリートの圧縮破壊を遅らせることでＲＣ部材やＰＣ部材に大きな変形性能を付与することが可能となる（図２、図３参照）。

（2）軸方向鋼材のアンボンド構造
軸方向鋼材にアンボンド構造を持たせることにより、塑性領域を制御可能とし、軸方向鋼材の局所的な塑性化を防止することで安定した塑性変形を可能とする。また、図４に示すように、アンボンド長を調整することにより同じ部材変形角での塑性ひずみ量を調整することが可能となる。つまり、構造部材の要求性能に合わせて、柔部材と剛部材の寸法や重ね枚数、軸方向鋼材の材質・量を調整することが容易に可能となる。

（3）軸方向鋼材の座屈防止構造
通常、部材が大きな繰り返し荷重を受けると、軸方向鋼材は圧縮塑性変形および引張塑性変形を繰り返すことにより、軸方向鋼材が圧縮塑性変形する際に軸方向鋼材の座屈が起り得る。軸方向鋼材と軸方向鋼材周囲の部材との隙間を小さく、かつ、柔部材の厚さを座屈に対して弱点にならない程度まで十分小さくすることにより、軸方向鋼材の座屈を制御することが可能となる。

（4）せん断変形防止部材を有する構造
ＲＣ部材やＰＣ部材の塑性ヒンジ部を安定して曲げ変形させるために、塑性ヒンジ部に十分なせん断耐力およびせん断剛性を有する必要がある。そこで、剛性のあるせん断キーを配置することにより、柔部材のせん断変形を抑制し、曲げ変形が卓越することを可能とする。

本発明は、ＲＣ部材やＰＣ部材の塑性ヒンジ部に剛部材と柔部材を交互に何層かを積層させ、軸方向鋼材をアンボンドとし、軸方向鋼材の座屈を拘束するようにアンボンド構造に座屈防止機能を持たせ、かつ、せん断変形防止部材を有することにより、次のような効果が得られる。

（1）曲げによる中立軸が断面中心位置付近となり、同じ曲げ変形角度において、従来のＲＣ構造と比較して、軸方向鋼材の引張塑性変形を小さくすることが可能となる。
（2）また、部材断面中心付近のせん断変形防止部材は曲げによる開閉が柔部材（隙間）を有さない構造よりも小さくなり、構造を単純化することが可能となる。
（3）柔部材により軸方向鋼材の圧縮塑性変形が生じやすくなるが、座屈防止が可能であることから、軸方向鋼材の安定した圧縮・引張の塑性変形が可能となる。
（4）また、部材の曲げ変形を柔部材が吸収することにより、コンクリート部の損傷を低減することが可能となる。
（5）以上により、高い変形性能と、安定した高い地震エネルギー吸収能力を発揮することが可能な塑性ヒンジ構造およびコンクリート系部材を低コストで実現することができる。

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は本発明のコンクリート系部材と塑性ヒンジ構造の一例（その１）を示す縦断面図である。図２は本発明の塑性ヒンジ構造が一端部に設けられたコンクリート系部材の曲げ変形を示す正面図である。図３は本発明の塑性ヒンジ構造が両端部に設けられたコンクリート系部材の曲げ変形を示す正面図である。図４は塑性ヒンジ区間長を変えた場合の変形性能および減衰性能の変化を示す図である。図５は部材変形角が同じ状態で軸方向鋼材の変形量を従来と本発明で比較した図である。図６は部材変形時の軸方向鋼材の塑性変形履歴を従来と本発明で比較した図である。図７は柔部材の有無による中立軸位置とせん断キーの開閉量の違いを示す図である。図８は本発明のコンクリート系部材と塑性ヒンジ構造の一例（その２）を示す縦断面図である。図９は本発明のコンクリート系部材と塑性ヒンジ構造の一例（その３）を示す縦断面図である。図１０は本発明のコンクリート系部材と塑性ヒンジ構造の一例（その４）を示す縦断面図である。図１１は本発明のコンクリート系部材と塑性ヒンジ構造の一例（その５）を示す縦断面図である。

本発明においては、図１に示すように、（1）ＲＣ部材またはＰＣ部材のコンクリート系部材１に設けられる塑性ヒンジ部２を、板状の剛部材３と板状の柔部材４とをコンクリート系部材１の軸方向に交互に配置した積層構造Ａとし、（2）コンクリート系部材１の内部に埋設される軸方向鋼材５を剛部材３と柔部材４の積層構造Ａに挿通させることにより塑性ヒンジ部２とその近傍にアンボンド区間Ｂを形成し、（3）剛部材３には軸方向鋼材５の座屈変形を拘束して座屈を防止する軸方向鋼材の挿通孔６を設け、（4）剛部材３と柔部材４の積層構造Ａのせん断変形を抑制するせん断変形防止部材７を積層構造Ａ内に設ける。

（1）剛部材と柔部材の積層構造
剛部材３の材料としては、ある程度の強度と剛性を有する必要があり、例えば、鋼材、コンクリート、超高強度繊維補強コンクリートなどがある。また、柔部材４としては、剛性が小さく、かつ、高い変形性能を有した材料である必要があり、例えば、弾性ゴム、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂などがある。また、何も配置せずに剛部材３と剛部材３との間に隙間を持たせることで変形を吸収するという方法もある。

（2）軸方向鋼材のアンボンド構造
軸方向鋼材５を塑性ヒンジ部２および塑性ヒンジ部２の近傍において、安定して塑性化させるために、塑性ヒンジ部２の外側において十分な定着力により固定する必要がある。例えば、軸方向鋼材５にねじ鉄筋を用いて、ナットやアンカープレート等の定着体８を配置することにより、十分な定着力を持たせることが可能となる。また、定着部の周辺材料に超高強度繊維補強コンクリートなどの鋼材との付着強度が高い材料を用いることにより十分な定着力を持たせることが可能となる。

軸方向鋼材５には、異形鉄筋、丸鋼または平鋼などを用いることができる。材質としては、極低降伏点鋼から一般的なＳＤ３４５やＳＳ４００などの伸び性能が高い材料を用いることで高い履歴減衰と高い変形性能を実現することが可能となる。

（3）軸方向鋼材の座屈防止構造
剛部材３に軸方向鋼材５の外径よりもわずかに大きい内径の挿通孔６を穿設し、あるいは、この挿通孔６に軸方向鋼材５の外径よりもわずかに大きい内径である程度の強度と剛性を有するパイプなどを挿入し、剛な材料で軸方向鋼材５を取り囲む。パイプなどの剛な材料としては、鋼材、コンクリート、超高強度繊維補強コンクリートなどがある。なお、柔部材４にも軸方向鋼材５の挿通孔を形成するが、柔部材４では軸方向鋼材５の座屈変形を防止することが困難であることから、挿通孔６のみで座屈を防止する場合には柔部材４を薄くし、剛部材３で座屈を防止する。

（4）せん断変形防止部材
塑性ヒンジ部２の部材断面中心位置付近に十分なせん断耐力およびせん断剛性を有する材料のせん断変形防止部材７を配置することで、塑性ヒンジ部２の曲げ剛性および曲げ耐力への影響は小さいが、剛部材３と柔部材４の積層構造Ａに十分なせん断耐力とせん断剛性を持たせることが可能となる。

図１の実施形態では、剛部材３と柔部材４の積層構造Ａの中心位置を軸方向に貫通して配置される棒状部材７ａによりせん断変形防止部材７を形成している。この棒状部材７ａの材料としては、鋼材、ＲＣ部材、ＰＣ部材、超高強度繊維補強コンクリートなどがある。

図８の実施形態では、上下の剛部材３の中心位置に形成された凹部１０、１０のそれぞれに嵌合する部材であるせん断キー７ｂによりせん断変形防止部材７を形成している。積層構造Ａの中心位置に連結棒１１を貫通させ、上下の端部を定着体１２で定着させ、剛部材３とせん断キー７ｂを一体化させる。連結棒１１には高強度ＰＣ鋼棒を用いることができる。

図９の実施形態では、剛部材３の表面と裏面の中心位置にそれぞれ互いに嵌合する凹部と凸部による剛部材３と一体的なせん断キー７ｃによりせん断変形防止部材７を形成している。この場合も連結棒１１と定着体１２により一体化を図る。

図１０の実施形態では、凸のせん断キー７ｃを半球状とし、任意の方向に回転可能としている。さらに、剛部材３の下面と上部のコンクリート躯体の下面に、外方に向かって上り勾配で傾斜するテーパー１３を付すことにより、曲げ変形時において、剛部材３同士が面で接触できるようにし、応力集中を防止する。局部的な角あたりがないので、単純かつ比較的小さなせん断キーで十分なせん断伝達が可能となる。

（5）耐久性の問題
耐候性、耐塩害性などの耐久性が要求される場合、例えば柔部材を隙間としてしまう場合や柔部材と剛部材間に密閉性がない場合など、軸方向鋼材の耐久性に問題が生じる。この問題に対する解決方法としては以下の方法が考えられる。

ａ）柔部材の箇所に耐久性・密閉性・接着性のある材料を用いる方法
シリコーン樹脂やウレタン樹脂などを柔部材として注入することにより外部からの水や塩分を遮断する方法。

ｂ）部材周りを耐久性のある材料で密閉する方法
自己融着テープなどを柔部材と剛部材の積層箇所に巻き付けることにより、外部からの水や塩分の侵入を遮断する方法。

ｃ）軸方向鋼材を耐久性のある塗料などで被覆する方法
エポキシ樹脂などを軸方向鋼材に塗布することによって軸方向鋼材の腐食に対する抵抗力を高める方法。

ｄ）軸方向鋼材自身に耐久性および延性がある材料を用いる方法
ステンレス鉄筋などの耐久性があり機械的性能も高い材料を軸方向鋼材として使用することにより耐久性を向上させる方法。

ｅ）耐久性のある材料を埋設型枠として部材全体を囲う方法
ゴム管やＰＥ管など耐久性が高く、外部からの密閉性の高いものを埋設型枠として使用し、内部に本塑性ヒンジ構造を製作することによって、外部からの水や塩分の侵入を遮断する方法。

ｆ）大地震時には剥落するコンクリートやモルタルで柔部材を構築する方法
図１１に示すように、部材表面をコンクリートやモルタル２０で覆い、常時やレベル１地震では、剥落せずに部材として抵抗し、レベル２地震程度の大きな変形性能を必要とするときのみ、容易に剥落する構造とする方法。表面を覆うことにより、外部からの水や塩分の侵入を遮断することが可能となる方法。

以上のような構成の塑性ヒンジ構造において、図２に示すように、橋脚などの基部に設けた塑性ヒンジ構造を基礎に定着し、橋脚等の基部の曲げ変形でエネルギーを吸収する。また、図３に示すように、棒状ダンパーの両端部に設けた塑性ヒンジ構造を橋梁等の上部構造と下部構造にそれぞれ定着し、構造物の相対変位による棒状ダンパーの曲げ変形でエネルギーを吸収する。

なお、本発明は図示例に限定されず、その他の建築・土木構造物に適用することができる。

本発明のコンクリート系部材と塑性ヒンジ構造の一例（その１）を示す縦断面図である。 本発明の塑性ヒンジ構造が一端部に設けられたコンクリート系部材の曲げ変形を示す正面図である。 本発明の塑性ヒンジ構造が両端部に設けられたコンクリート系部材の曲げ変形を示す正面図である。 本発明の塑性ヒンジ区間長を変えた場合の変形性能および減衰性能の変化を示す図である。 部材変形角が同じ状態で軸方向鋼材の変形量を従来と本発明で比較した図である。 部材変形時の軸方向鋼材の塑性変形履歴を従来と本発明で比較した図である。 柔部材の有無による中立軸位置とせん断キーの開閉量の違いを示す図である。 本発明のコンクリート系部材と塑性ヒンジ構造の一例（その２）を示す縦断面図である。 本発明のコンクリート系部材と塑性ヒンジ構造の一例（その３）を示す縦断面図である。 本発明のコンクリート系部材と塑性ヒンジ構造の一例（その４）を示す縦断面図と斜視図である。 本発明のコンクリート系部材と塑性ヒンジ構造の一例（その５）を示す縦断面図である。

符号の説明

１……コンクリート系部材（ＲＣ部材またはＰＣ部材）
２……塑性ヒンジ部
３……剛部材
４……柔部材
５……軸方向鋼材
６……挿通孔
７……せん断変形防止部材
８……定着体
１０…凹部
１１…連結棒
１２…定着体
１３…テーパー
２０…コンクリートやモルタル
Ａ……積層構造
Ｂ……アンボンド区間

Claims (5)

1. ＲＣ部材またはＰＣ部材のコンクリート系部材に設けられる塑性ヒンジ部の曲げ変形によりエネルギーを吸収するコンクリート系部材の塑性ヒンジ構造であり、板状の剛部材と板状の柔部材とをコンクリート系部材の軸方向に交互に積層することにより塑性ヒンジ部が形成され、コンクリート系部材の内部に埋設される軸方向鋼材を剛部材と柔部材の積層構造に挿通させることにより塑性ヒンジ部とその近傍にアンボンド区間が形成され、剛部材には軸方向鋼材の座屈変形を拘束して座屈を防止する軸方向鋼材の挿通孔が設けられ、剛部材と柔部材の積層構造のせん断変形を抑制するせん断変形防止部材が積層構造内に設けられており、前記せん断変形防止部材は、剛部材の表面と裏面にそれぞれ設けられ、互いに嵌合する凹部と凸部であることを特徴とするコンクリート系部材の塑性ヒンジ構造。
2. 請求項１に記載の柔部材に代えて隙間が設けられていることを特徴とするコンクリート系部材の塑性ヒンジ構造。
3. 請求項１に記載の塑性ヒンジ構造において、柔部材は、ゴムまたは軟質プラスチックで形成されていることを特徴とするコンクリート系部材の塑性ヒンジ構造。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の塑性ヒンジ構造において、剛部材は、鋼材、コンクリートまたは超高強度繊維補強コンクリートで形成されていることを特徴とするコンクリート系部材の塑性ヒンジ構造。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一つに記載の塑性ヒンジ構造がコンクリート系部材の一端部または両端部に設けられていることを特徴とするコンクリート系部材。

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