JP5777986B2 - 制振柱及びその構造 - Google Patents

Description

本発明は、主として鉄筋コンクリート構造の制振柱及びその構造に関する。

地震動による構造物の揺れを抑制する制振技術としては、摩擦ダンパーや粘弾性ダンパーを層間に設置する方式や、構造物と同じ固有周期で揺れる質量体を構造物頂部に設置するＴＭＤ方式など、さまざまなものが知られているが、このような制振技術の一つとして、柱の曲げ変形を利用した集合柱が提案されている。

集合柱は、複数の柱部材を、該柱部材のうち、隣り合う柱部材同士が摩擦板を介して当接され該摩擦板に法線方向の押付け力が作用するように抱き合わせてなるものであって、水平地震力を受けたとき、各柱部材に曲げ変形が生じるとともに、該曲げ変形が柱部材間の鉛直相対変位となり、該鉛直相対変位の分だけ、摩擦板が摺動して振動エネルギーを吸収するようになっており、層間設置型のダンパーと同様、地震動による構造物の揺れを収束させることが可能となる。

特開2008-25113号公報 国際公開第2006-090723号パンフレット 特開平9-158359号公報

ここで、鉄道高架橋などの上部構造物を集合柱で支持する場合、上部構造物からの地震時水平力によって集合柱に生じる曲げモーメントは、頂部から脚部にかけて徐々に大きくなり、脚部で最大となるが、曲げモーメントが大きい場合、集合柱の曲げ変形が過大にならないよう摺動を遅らせる必要があり、そのためには、摩擦板に働く法線方向の押付け力を大きくしなければならない。

しかしながら、曲げモーメントが最大となる脚部近傍でその大きさに見合った押付け力を導入するためには、プレストレス構造の規模を大きくしなければならず、製造コストや施工時の作業負担が大きくなるという問題や、集合柱の脚部近傍においては、柱部材間に生じる上下相対変位がわずかであるため、大きな減衰作用を期待することは難しく、費用対効果の点でも合理性に欠けるという問題を生じていた。

また、曲げ変形によって減衰性能を発揮させようという集合柱の性質上、地震時の変位や残留変位が大きくなり、場合によっては上部構造物の健全性に問題が生じることも懸念され、鉄道高架橋のように変位が制限される構造物については、集合柱を採用することが困難であるという問題が生じていた。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、地震時の変位や残留変位が過大にならず、経済性にも優れた制振柱及びその構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る制振柱は請求項１に記載したように、単一の柱体と、該単一の柱体の材軸方向にその頂部から延びる複数の集合柱部材と、該複数の集合柱部材のうち、隣り合う集合柱部材の一方に配置された第１の摩擦部材と他方に配置された第２の摩擦部材とが互いに摺動自在となるように位置決めされてなる摩擦機構と、前記第１の摩擦部材と前記第２の摩擦部材との摺動面に法線方向の押付け力を導入する押付け力導入機構とを備えたものである。

また、本発明に係る制振柱は、前記単一の柱体の頂部近傍における周面を拘束部材で取り囲んだものである。

また、本発明に係る制振柱は、前記単一の柱体の側面が前記複数の集合柱部材の最外縁よりも外側に位置するように該単一の柱体を構成したものである。

また、本発明に係る制振柱構造は請求項４に記載したように、地盤内に構築されるフーチング、杭その他の基礎部材と、該基礎部材に脚部が接合される単一の柱体と、該単一の柱体の材軸方向にその頂部から延びる複数の集合柱部材と、該複数の集合柱部材のうち、隣り合う集合柱部材の一方に配置された第１の摩擦部材と他方に配置された第２の摩擦部材とが互いに摺動自在となるように位置決めされてなる摩擦機構と、前記第１の摩擦部材と前記第２の摩擦部材との摺動面に法線方向の押付け力を導入する押付け力導入機構とを備えるとともに、前記単一の柱体の頂部近傍が前記地盤の表面よりも上方に位置するように該単一の柱体を構成したものである。

また、本発明に係る制振柱構造は、前記単一の柱体の頂部近傍における周面を拘束部材で取り囲んだものである。

また、本発明に係る制振柱構造は、前記単一の柱体の側面が前記複数の集合柱部材の最外縁よりも外側に位置するように該単一の柱体を構成したものである。

本発明に係る制振柱及びその構造においては、単一の柱体の材軸方向にその頂部から複数の集合柱部材を延設してあり、単一の柱体をその脚部でフーチング、杭その他の基礎部材に接合するとともに、複数の集合柱部材をその頂部で上部構造物に接合したとき、地震時水平力による曲げモーメントは、集合柱部材の頂部から脚部、さらには単一の柱体の頂部から脚部にかけて徐々に大きくなり、単一の柱体の脚部で最大となるが、曲げモーメントは、第１の摩擦部材と第２の摩擦部材とを互いに摺動させようとする方向に作用し、曲げモーメントが小さい場合、摺動が早期に始まっても変形は比較的小さいが、曲げモーメントが大きい場合、摺動が早期に始まると、集合柱部材の曲げ変形が過大になる。

そのため、集合柱部材の頂部近傍では、第１の摩擦部材と第２の摩擦部材との摺動面に働く法線方向の押付け力を小さく設定することで摩擦を早期に発生させて減衰性を発揮させるとともに、集合柱部材の脚部近傍では、上述した押付け力を大きく設定することで、摺動の開始を遅らせるようにする。

ここで、押付け力導入機構は、導入される法線方向の押付け力の大きさに応じて、その径や本数を定める必要があり、押付け力が大きい場合には、径や本数の規模が大きくなるが、集合柱部材の脚部に生じる曲げモーメントは、単一の柱体の高さをＨ₁、集合柱部材の高さをＨ₂としたとき、制振柱が従来の集合柱であった場合のその脚部に生じる曲げモーメントのＨ₂／（Ｈ₁＋Ｈ₂）倍となる。

したがって、押付け力導入機構の規模は、従来の集合柱に比べ、上述したと同様の比率で低減されるため、プレストレス構造の製造コストや施工時の作業負担が大幅に軽減される。

また、本発明の制振柱は、集合柱部材を単一の柱体と組み合わせることにより、集合柱部材の高さ区間を短くしてあるので、集合柱部材の曲げ変形による全体の水平変位は、全高を集合柱とした従来の場合よりも大幅に低減され、かくして地震時の変位や残留変位を抑制することも可能となる。

また、本発明に係る集合柱構造においては、単一の柱体の頂部近傍が地盤の表面よりも上方に位置するように単一の柱体を構成してある。

このようにすると、集合柱部材の脚部が地上に露出するため、地震の際、集合柱部材の脚部に生じた損傷の確認を地盤を掘り起こすことなく迅速に行うとともに、必要に応じて速やかに補修することも可能となり、かくして地震に対する維持管理が容易となる。

単一の柱体及び複数の集合柱部材は、その構成材料を問わないが、主として鉄筋コンクリートで構成されることが想定されるとともに、単一の柱体は、例えば矩形断面を有する従来公知の鉄筋コンクリート柱で構成することができる。

複数の集合柱部材は、制振方向が１方向である場合には、例えば中央柱部材の両側に側方柱部材を１本ずつ立設し、制振方向が直交２方向である場合には、中央柱部材の周囲に４本の側方柱部材を９０゜ごとに立設する構成を採用することが可能である。また、複数の集合柱部材は、第１の摩擦部材と第２の摩擦部材とが互いに摺動する限り、換言すれば、第１の摩擦部材が配置された集合柱部材と第２の摩擦部材が配置された集合柱部材との間に鉛直方向の相対変位が発生できるようになっている限り、各集合柱部材をどのように上部構造物に接合するかは任意であり、上述の例で言うと、中央柱部材を上部構造物にピン接合するとともに、その両側あるいは周囲の側方柱部材を上部構造物に非接合とする構成や、同じく中央柱部材を上部構造物にピン接合するとともに、その両側あるいは周囲の側方柱部材をせん断力のみを伝達可能な構造形式で上部構造物に接合する構成が採用可能である。

摩擦機構は、複数の集合柱部材のうち、隣り合う集合柱部材の一方に配置された第１の摩擦部材と他方に配置された第２の摩擦部材とが互いに摺動自在となるように位置決めされる限り、その構成は任意であって、公知の摩擦機構から適宜選択することが可能であり、例えば第１の摩擦部材及び第２の摩擦部材をそれぞれステンレス板で構成するとともに、該各ステンレス板を、隣り合う集合柱部材の対向側面にそれぞれ取り付ける構成が考えられる。

上述した集合柱部材の例であれば、制振方向が１方向の場合、中央柱部材とその両側に配置される２本の側方柱部材との間に摩擦機構をそれぞれ配置し、制振方向が２方向の場合、中央柱部材とその周囲に配置される４本の側方柱部材との間に摩擦機構をそれぞれ配置すればよい。

押付け力導入機構は、第１の摩擦部材と第２の摩擦部材との摺動面に法線方向の押付け力を導入することができる限り、その構成は任意であって、例えばＰＣ鋼線やＰＣ鋼棒を用いたプレストレス構造を採用することが可能である。

単一の柱体と複数の集合柱部材とは、単一の柱体の材軸方向にその頂部から複数の集合柱部材が延びる関係を有している限り、それらの構成は任意であって、例えば単一の柱体の頂部端面に複数の集合柱部材を立設する、単一の柱体と複数の集合柱部材とを鉄筋コンクリートで連続的に一体形成するなどの構成を採用することができる。

ここで、集合柱部材からのせん断力を支持する際、その大きさや集合柱部材に生じている軸力との兼ね合いによっては、集合柱部材からのせん断力を単一の柱体の最外縁で支持できないケースが生じる。

このような場合においては、単一の柱体の頂部近傍における周面を拘束部材で取り囲み、又は、単一の柱体の側面が複数の集合柱部材の最外縁よりも外側に位置するように該単一の柱体を構成することにより、集合柱部材からのせん断力を拘束部材で支持し、あるいは単一の柱体の最外縁で支持することが可能となる。

本実施形態に係る制振柱及びその構造の正面図。 本実施形態に係る制振柱の詳細図であり、(a)は正面図、(b)はＡ−Ａ線に沿う断面図。 本実施形態に係る制振柱及びその構造の作用を示した説明図。 変形例に係る制振柱を示した詳細正面図。

以下、本発明に係る制振柱及びその構造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。

図１は、本実施形態に係る制振柱及びその構造を示した正面図、図２は、制振柱の詳細図である。これらの図でわかるように、本実施形態に係る制振柱１は、上部構造物である高架橋の上部工８を支持する柱として構成してあり、地盤５に埋設されたフーチング６に立設された単一の柱体２の材軸方向にその頂部から複数の集合柱部材３を延設するとともに、該集合柱部材のうち、隣り合う集合柱部材３，３の間に摩擦機構４を介在させてある。

ここで、柱体２は、その頂部近傍が地盤５の表面よりも上方に位置するように構成してある。

柱体２は、正方形断面の鉄筋コンクリート柱として構成してあるとともに、集合柱部材３は、柱体２の３分の１の柱幅を短辺方向の柱幅とし、柱体２と同じ柱幅を長辺方向の柱幅とした矩形断面の鉄筋コンクリート柱として構成してあり、短辺方向に３つ重ねることで、柱体２と概ね同等の断面となるように構成してある。以下、集合柱部材３のうち、特に中央に配置されたものを中央柱部材３ａ、その両側に配置されたものをそれぞれ側方柱部材３ｂと呼ぶ。ここで、中央柱部材３ａは、上部工８にピン接合してあるとともに、側方柱部材３ｂ，３ｂは、上部工８にそれぞれ非接合としてある。

なお、制振柱１は、フーチング６とともに制振柱構造７を構成する。

摩擦機構４は、第１の摩擦部材としてのステンレス板１１ａと第２の摩擦部材としてのステンレス板１１ｂとで構成してあるとともに、中央柱部材３ａと各側方柱部材３ｂ，３ｂの間にそれぞれ配置してあり、両者が互いに摺動自在となるよう、ステンレス板１１ａを中央柱部材３ａに、ステンレス板１１ｂを側方柱部材３ｂにそれぞれ位置決めしてある。

一方、集合柱部材３ａ，３ｂには、孔軸が揃うようにそれぞれアンボンド孔１２を水平に形成してあるとともに、アンボンド孔１２と孔軸が揃うようにステンレス板１１ａ，１１ｂにも貫通孔（図示せず）を設けてあり、これらアンボンド孔１２及びステンレス板１１ａ，１１ｂの貫通孔に押付け力導入機構としてのＰＣ鋼棒１３を挿通し、側方柱部材３ｂの側面にてその両端に座金１４をそれぞれ通した上、ナット１５を螺合することで、ステンレス板１１ａ，１１ｂの摺動面に法線方向の押付け力を導入することができるようになっている。

アンボンド孔１２やステンレス板１１ａ，１１ｂの貫通孔は、地震時における集合柱部材３の曲げ変形に伴うＰＣ鋼棒１３の鉛直面内揺動を阻害しないよう、鉛直方向の内径を長くした長孔とする。

図３(a)は、柱体２の脚部がフーチング６に剛接され、集合柱部材３の頂部が上部工８にピン接合された状態における制振柱１の地震時曲げモーメントを示したものである。同図でわかるように、地震時水平力による曲げモーメントＭは、集合柱部材３の頂部から脚部、さらには柱体２の頂部から脚部にかけて徐々に大きくなり、柱体２の脚部で最大となるが、曲げモーメントＭは、ステンレス板１１ａ，１１ｂを互いに摺動させようとする方向に作用し、曲げモーメントＭが小さい場合、摺動が早期に始まっても変形は比較的小さいが、曲げモーメントＭが大きい場合、摺動が早期に始まると、集合柱部材３の曲げ変形が過大になる。

そのため、集合柱部材３の頂部近傍では、ステンレス板１１ａ，１１ｂの摺動面に働く法線方向の押付け力を小さく設定することで摩擦を早期に発生させて減衰性を発揮させるとともに、集合柱部材３の脚部近傍では、上述した押付け力を大きく設定することで、摺動の開始を遅らせるようにする。

ここで、ＰＣ鋼棒１３は、導入される法線方向の押付け力の大きさに応じて、その径や本数を定める必要があり、押付け力が大きい場合には、径や本数の規模が大きくなるが、集合柱部材３の脚部に生じる曲げモーメントは、柱体２の高さをＨ₁、集合柱部材３の高さをＨ₂としたとき、制振柱１が従来の集合柱であった場合のその脚部に生じる曲げモーメントのＨ₂／（Ｈ₁＋Ｈ₂）倍となり、両者の高さが同じである場合は、１／２倍となる。

したがって、ＰＣ鋼棒１３の設置規模は、従来の集合柱に比べ、上述したと同様の比率で低減された規模となる。

また、制振柱１は、集合柱部材３を柱体２と組み合わせることで、集合柱部材３の高さを低くしてあるので、集合柱部材３の曲げ変形による全体の水平変位は、全高を集合柱とした従来の場合（図３(b)）よりも大幅に低減される。

図３(c)は、制振柱１の荷重変位関係を、従来の集合柱や通常の単一柱と比較したものである。同図でわかるように、制振柱１においては、従来の集合柱よりエネルギー吸収は小さくなるものの、全体の水平変位は大幅に小さくなるとともに、通常の単一柱に比べれば、減衰性能が高くなる。

以上説明したように、本実施形態に係る制振柱１及びその構造７によれば、集合柱部材３を柱体２と組み合わせるようにしたので、集合柱部材３の脚部に生じる曲げモーメントは、従来の集合柱の脚部に生じる曲げモーメントよりも小さくなる。

そのため、従来の集合柱に比べ、ＰＣ鋼棒１３の設置規模を格段に低減することが可能となり、かくしてプレストレス構造の製造コストや施工時の作業負担を大幅に軽減することができる。

また、本実施形態に係る制振柱１及びその構造７によれば、集合柱部材３を柱体２と組み合わせることにより、集合柱部材３の高さを低く抑えるようにしたので、集合柱部材３の曲げ変形による全体の水平変位は、全高を集合柱とした従来の場合よりも大幅に低減され、かくして地震時の変位や残留変位を抑制することも可能となる。

また、本実施形態に係る制振柱構造７によれば、柱体２の頂部近傍が地盤５の表面よりも上方に位置するように柱体２を構成したので、集合柱部材３の脚部が地上に露出することとなり、地震の際、集合柱部材３の脚部に生じた損傷の確認を地盤５を掘り起こすことなく迅速に行うとともに、必要に応じて速やかに補修することも可能となり、かくして地震に対する維持管理が容易となる。

本実施形態では特に言及しなかったが、集合柱部材に生じているせん断力を単一の柱体の最外縁で支持できないケースが生じる。

このような場合においては、図４(a)に示すように、柱体２の頂部近傍における周面を拘束部材４１で取り囲むようにすればよい。拘束部材４１は、鋼製バンドや繊維補強シートなどで構成することができる。

かかる構成によれば、集合柱部材３からのせん断力を拘束部材４１で支持することが可能となり、柱体２の最外縁に損傷が発生するのを未然に防止することが可能となる。

また、上述の構成に代えて、同図(b)に示すように、集合柱部材３の最外縁よりもＤだけ外側に位置するように側面が構成された柱体２′を用いるようにしてもよい。

かかる構成においても、上述したと同様、柱体２′のフカシ箇所が反力領域となって上述のせん断力を支持するため、柱体２の最外縁に損傷が発生するのを未然に防止することができる。

１ 制振柱
２ 単一の柱体
３ 集合柱部材
３ａ 中央柱部材（集合柱部材）
３ｂ 側方柱部材（集合柱部材）
４ 摩擦機構
５ 地盤
６ フーチング（基礎部材）
７ 制振柱構造
１１ａ ステンレス板（第１の摩擦部材）
１１ｂ ステンレス板（第２の摩擦部材）
１３ ＰＣ鋼棒（押付け力導入機構）

Claims (6)

1. 単一の柱体と、該単一の柱体の材軸方向にその頂部から延びる複数の集合柱部材と、該複数の集合柱部材のうち、隣り合う集合柱部材の一方に配置された第１の摩擦部材と他方に配置された第２の摩擦部材とが互いに摺動自在となるように位置決めされてなる摩擦機構と、前記第１の摩擦部材と前記第２の摩擦部材との摺動面に法線方向の押付け力を導入する押付け力導入機構とを備えたことを特徴とする制振柱。
2. 前記単一の柱体の頂部近傍における周面を拘束部材で取り囲んだ請求項１記載の制振柱。
3. 前記単一の柱体の側面が前記複数の集合柱部材の最外縁よりも外側に位置するように該単一の柱体を構成した請求項１記載の制振柱。
4. 地盤内に構築されるフーチング、杭その他の基礎部材と、該基礎部材に脚部が接合される単一の柱体と、該単一の柱体の材軸方向にその頂部から延びる複数の集合柱部材と、該複数の集合柱部材のうち、隣り合う集合柱部材の一方に配置された第１の摩擦部材と他方に配置された第２の摩擦部材とが互いに摺動自在となるように位置決めされてなる摩擦機構と、前記第１の摩擦部材と前記第２の摩擦部材との摺動面に法線方向の押付け力を導入する押付け力導入機構とを備えるとともに、前記単一の柱体の頂部近傍が前記地盤の表面よりも上方に位置するように該単一の柱体を構成したことを特徴とする制振柱構造。
5. 前記単一の柱体の頂部近傍における周面を拘束部材で取り囲んだ請求項４記載の制振柱構造。
6. 前記単一の柱体の側面が前記複数の集合柱部材の最外縁よりも外側に位置するように該単一の柱体を構成した請求項４記載の制振柱構造。

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