(57)【要約】【課題】従来よりも効率的に衝突エネルギーを吸収できる防護工を実現するための技術を提供すること。【解決手段】防護工は、所定の衝突想定方向からの通行限界高さを超える車両の衝突が想定される鋼梁１４を備える。鋼梁１４は、鋼管１４１を有し、鋼管１４１の内部は、衝突想定方向の上流側と下流側とに分けた下流側が所定の補強材１４３で充填されている。補強材１４３は、コンクリートである。【選択図】図２
2020147970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の衝突想定方向からの通行限界高さを超える車両の衝突が想定される鋼梁を備えた防護工であって、
前記鋼梁は、鋼管であり、
前記鋼管の内部は、前記衝突想定方向の上流側と下流側とに分けた下流側が所定の補強材で充填されている、
防護工。
【請求項２】
前記鋼管の前記衝突想定方向の内法のうち、前記下流側の長さh2は、以下の数式を満足する長さである、
【数１】
2020147970.tif 000013
（ここで、hは前記鋼管の前記衝突想定方向の内法の全長、bは前記鋼管の縦方向の幅、fsyは前記鋼管の鋼の降伏強度、ｔは前記鋼管の板厚、Eは前記鋼管の鋼のヤング係数）
請求項１に記載の防護工。
【請求項３】
前記補強材は、コンクリートである、
請求項１又は２に記載の防護工。
【請求項４】
前記鋼管の内部の前記上流側が、前記コンクリートの打設空間を前記下流側に形成するための空間充填材で充填されている、
請求項３に記載の防護工。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の衝突想定方向からの通行限界高さを超える車両の衝突が想定される鋼梁を備えた防護工に関する。
【背景技術】
【０００２】
通行限界高さを超える車両の衝突から橋桁を防護する設備として橋桁防護工がある（例えば、特許文献１を参照）。橋桁防護工は、車両の衝突が想定される部位である鋼梁（防護桁）を備える。鋼梁は、中空の鋼管を支柱間に架け渡して固定されている。車両の衝突を受けると、先ず衝突箇所に局部座屈が発生し、次に局部座屈が進展しつつ鋼梁全体が支柱との固定部を支点にして曲がり、その変形量を増大させながら衝突エネルギーを吸収する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２０５０４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、車両や道路事情の変化により、橋桁防護工に衝突してくる車両の重量や速度が従来よりも増加しており、橋桁防護工の強化が望まれている。しかし、橋桁防護工の設置には様々な制限があるため、鋼梁や支柱、基礎の寸法の増加を要する強化はできるだけ回避したいという要望がある。
【０００５】
橋桁防護工が衝撃エネルギーを吸収する仕組みに改めて着目すると、車両の衝突を受けた箇所に局部座屈が発生し、局部座屈が進展しつつ鋼梁全体が支柱との固定部を支点にして曲がり、その変形量を増大させながら衝突エネルギーを吸収する。
【０００６】
局部座屈は、進展すると耐力低下や断面の破壊に至る。そのため、従来の中空鋼管を鋼梁とした橋桁防護工では、鋼梁全体としては許容できる曲げ変形量に余裕があっても、局部座屈が耐力低下や断面の破壊に達してしまうため、鋼梁全体で本来吸収できるエネルギーよりも実際に利用できているエネルギー吸収は低いと考えられる。こうした事象は、トラックが荷台部の前面を鋼梁にぶつかるような衝突を面で受けるケースよりも、クレーン車がクレーンの先端を鋼梁にぶつけるような衝突を点で受けるケースにおいて顕著となる。後者のようなケースでも、十分有効に機能し、従来よりも効率的に衝突エネルギーを吸収できる橋桁防護工が望まれる。
【０００７】
こうした問題や要望は、橋桁防護工に限らず、架線防護工など、通行限界高さを超える車両の通行を防護する（より具体的には、当該車両が通行することによる防護対象物への衝突を防護する）防護工には共通して言えることである。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、従来よりも効率的に衝突エネルギーを吸収できる防護工を実現するための技術を提供すること、である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するための第１の発明は、所定の衝突想定方向からの通行限界高さを超える車両の衝突が想定される鋼梁を備えた防護工であって、前記鋼梁は、鋼管であり、前記鋼管の内部は、前記衝突想定方向の上流側と下流側とに分けた下流側が所定の補強材で充填されている、防護工である。
【００１０】
第１の発明の防護工では、鋼梁の鋼管の内部に、衝突想定方向の上流側に中空部が残されて、衝突想定方向の下流側に補強材が部分充填されているので、衝突箇所の局部座屈が進展しても、補強材の上流部に当たることでそれ以上の進展を制限できる。よって、局部座屈が耐力低下や断面の破壊に達してしまうため、鋼梁全体で本来吸収できるエネルギーよりも実際に利用できているエネルギー吸収が低くなる事象を防ぐことができる。つまり、従来よりも効率的に衝突エネルギーを吸収できる。
【００１１】
第２の発明は、前記鋼管の前記衝突想定方向の内法のうち、前記下流側の長さh2は、以下の数式を満足する長さである、
【数１】
2020147970.tif 000003
（ここで、hは前記鋼管の前記衝突想定方向の内法の全長、bは前記鋼管の縦方向の幅、fsyは前記鋼管の鋼の降伏強度、ｔは前記鋼管の板厚、Eは前記鋼管の鋼のヤング係数）
第１の発明の防護工である。
【００１２】
第２の発明によれば、局所座屈の進展を、鋼の降伏強度に達する限界近くまで許容することができる。よって、第２の発明の橋桁防護工は、従来よりも一層効率的に衝突エネルギーを吸収できる。
【００１３】
第３の発明は、前記補強材が、コンクリートである、第１又は第２の発明の防護工である。
【００１４】
第３の発明によれば、補強材をコンクリートとすることで、局所座屈の荷重を受けて局所座屈の進展を阻止しつつ、荷重を鋼梁の鋼管の全体に効果的に分散し、鋼管全体での曲がり変形による衝突エネルギーの吸収を効率的に実現できる。
【００１５】
第４の発明は、前記鋼管の内部の前記上流側が、前記コンクリートの打設空間を前記下流側に形成するための空間充填材で充填されている、第３の発明の防護工である。
【００１６】
第４の発明によれば、鋼管の姿勢によらずコンクリートの打設空間を維持できる。よって、コンクリート打設時に、鋼管を立ててコンクリートを流し込めるので、鋼梁の作成が容易且つ補強材の厚さ管理や精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】橋桁防護工の構成例を示す斜視外観図。
【図２】鋼梁の縦断面図。
【図３】橋桁防護工の製作・設置手順を説明するためのフローチャート。
【図４】橋桁防護工の作用効果について説明するためのモデル図。
【図５】補強材の厚さの決定原理について説明するためのモデル図。
【図６】鋼梁の構造の変形例を示す縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、所定の衝突想定方向からの通行限界高さを超える車両の衝突が想定される鋼梁を備えた防護工として橋桁防護工の実施形態を説明するが、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限られないことは勿論である。
【００１９】
図１は、本実施形態の橋桁防護工１０の構成例を示す斜視外観図である。
橋桁防護工１０は、道路４を走行する車両（移動体）が、高架橋６（保護対象構造体）に衝突するのを防ぐ防護工である。橋桁防護工１０は、道路４の両サイドに打設された基礎１１と、当該基礎それぞれに立設された支柱１２と、鋼梁１４を道路４の上方を跨ぐ様にして支柱１２の間に架け渡して固定された鋼梁１４と、を有する。橋桁防護工１０への衝突想定方向は、道路４の道なりに沿った水平方向（図１中の太矢印）とする。
【００２０】
図２は、鋼梁１４の縦断面図である。鋼梁１４は、鋼管１４１と、鋼管１４１の内部に部分充填された補強材１４３と、を有する。
【００２１】
鋼管１４１は、略矩形断面の鋼管とするが、筒状の形状を有する鋼管であれば円断面などその他の断面形状の鋼管でもよい。
【００２２】
補強材１４３は、鋼管１４１の内部を、衝突想定方向の上流側と下流側とに分けた下流側に、コンクリートを部分充填して形成される。換言すると、鋼管１４１の内部では、衝突想定方向の上流側と下流側とに分けた上流側に、コンクリートが充填されていない空隙１４５が設けられている。なお、補強材１４３は、その他の材料で実現するとしてもよい。
【００２３】
図３は、橋桁防護工１０の製作・設置手順を説明するためのフローチャートである。
橋桁防護工１０を作成するには、先ず製管工程を実行する（ステップＳ２）。具体的には、鋼管１４１の衝突想定方向側の面に、コンクリートを流し込むための貫通孔を適当数設ける。次いで、鋼管１４１の両端の小口を塞ぐ。
【００２４】
次に、充填工程を実行する（ステップＳ４）。具体的には、鋼管１４１を、衝突想定方向側の面を上にして横たえ、貫通孔から適量のコンクリートを流し込んで、コンクリートの硬化を待つ。コンクリートの硬化後に貫通孔を塞ぐ。なお、コンクリートを鋼管１４１の小口から流入させる場合には、貫通孔は設けなくともよい。
【００２５】
次に、支柱設置工程を実行する（ステップＳ６）。具体的には、基礎１１を作成して、支柱１２を立てる。
【００２６】
そして、組立工程を実行して、支柱１２に鋼梁１４を取り付け・固定し（ステップＳ８）、橋桁防護工１０の組立を完了する。
【００２７】
図４は、橋桁防護工１０の作用効果について説明するためのモデル図である。
図４（１）は従来の橋桁防護工における中空鋼管製の鋼梁１４Ｊを衝突想定方向に沿った断面で見た図に相当し、図４（２）が本実施形態における橋桁防護工１０の鋼梁１４を衝突想定方向に沿った断面で見た図に相当する。
【００２８】
図４（１）に示すように、従来の中空鋼管製の鋼梁１４Ｊでは、衝突箇所に局所座屈が発生すると、鋼梁１４Ｊの鋼管１４１の内部全体が中空なので、衝突により生じた局所座屈は留まることなく進行し、やがて耐力低下や断面破断に至る。すると、局所座屈部から鋼管１４１へ力を伝達する効果は、耐力低下や断面破断に至る前よりも格段に低下する。結果、鋼梁全体としてみれば、局所座屈部が耐力低下や断面破断に至ってからの衝突エネルギーの吸収は小さくなる。
【００２９】
一方、図４（２）に示すように、本実施形態における鋼梁１４の鋼管１４１の内部は、衝突想定方向の下流側に補強材１４３が設けられているので、局所座屈によるへこみの深さは、鋼管１４１の内部厚さ（内法の全長ｈ）のうち補強材１４３の厚さ（下流側の長さｈ２）を、除いた空隙１４５の厚さ分（上流側の長さｈ１）に限られる。
【００３０】
図５は、補強材１４３の厚さ（下流側の長さｈ２）の決定原理について説明するためのモデル図であって、図５（１）は、局部座屈の箇所を衝突想定方向から見た図、図５（２）は衝突想定方向に沿った断面で見た図に相当する。
【００３１】
基本的な考え方として、局部座屈に生じる「へこみ」によって、鋼管１４１の鋼材に発生する応力が鋼材の降伏強度に達するときが限界状態と考えられる。
【００３２】
具体的には、局部座屈による「へこみ」を，座標xにおける変位yで表すと式１で表される。ここで、h1は、へこみ深さであり、bは、へこみ幅であり鋼管１４１の縦方向の幅である。
【数２】
2020147970.tif 000004
【００３３】
板の曲率φは、変位yの2階微分であるため、式２で表される。
【数３】
2020147970.tif 000005
【００３４】
また、へこみの頂点における曲率φ0は、式３で表される。
【数４】
2020147970.tif 000006
【００３５】
この曲率φ0によるへこみ頂点における曲げ応力度σ0は、式４で表される。ここで、Eは、鋼のヤング係数であり、ε0は、へこみ頂点におけるひずみ値であり、tは、鋼管１４１の板厚である。
【数５】
2020147970.tif 000007
【００３６】
この曲げ応力度σ0は、部材軸方向に発生すると同時に、部材直角方向にも発生する。よって、この２軸応力より、へこみ頂点におけるミーゼス応力度σMisesは式５で表すことができる。
【数６】
2020147970.tif 000008
【００３７】
このミーゼス応力度σMisesが、鋼管１４１の鋼の降伏強度fsyを超えないためには式６を満足する必要がある。
【数７】
2020147970.tif 000009
これを展開すると式７となる。
【数８】
2020147970.tif 000010
【００３８】
これより、へこみによる鋼材の降伏を発生させないためには、へこみ高さh1は、以下の式８を満足する必要がある。
【数９】
2020147970.tif 000011
【００３９】
このため，補強材１４３の充填高さh2を次の式９に基づいて設定すればよいことになる。
【数１０】
2020147970.tif 000012
【００４０】
橋桁防護工１０を強化するために、鋼梁１４を、中空鋼管からコンクリート充填鋼管をそのまま置換したのでは、局部座屈を拘束する効果が高く耐力が増加するが、拘束度が高過ぎるために曲げ変形可能量は小さくなることが見込まれる。鋼梁１４での曲げ変形量が従来よりも小さくなって、鋼梁１４を支えている支柱１２が変形する事態となる。変形を鋼梁１４のみに限っておけば、衝突後の修復工事において鋼梁１４のみを交換すれば済むが、支柱１２が変形するに至ると、支柱１２の交換や基礎１１も修復対象となりかねず好ましくない。
【００４１】
しかし、本実施形態のようにして、鋼梁１４をコンクリートの部分充填材とし、補強材１４３の充填高さh2が設定されることで、局部座屈のへこみは鋼材の降伏に至らず、衝突荷重は局部座屈を介して鋼管１４１および補強材１４３に伝わる。そして、局部座屈のへこみが補強材１４３に達するまでに吸収した以降の衝突エネルギーが継続的・効率的にそれら全体の曲がり変形によって吸収されることなる。
【００４２】
つまり、例えばクレーン車がクレーンの先端を鋼梁に衝突させるようなケースでも、十分有効に機能し、従来よりも効率的に衝突エネルギーを吸収できる橋桁防護工１０が実現できる。
【００４３】
なお、本発明の実施形態は、上記に限らず適宜、変更・追加・削除することができる。
【００４４】
例えば、図６に示すように、鋼管１４１の内部の上流側が、補強材１４３のコンクリートの打設空間を下流側に形成するための空間充填材１４７で充填した構成も可能である。
具体的には、空間充填材１４７として、成型発泡スチロール、成型ウレタンフォーム、などを用いることができる。当該構成を採用した場合、製管工程では、鋼管１４１の小口の一方を閉じて、コンクリートを流し込むための貫通孔は設ける必要がない。そして、当該構成を採用した場合の充填工程では、空間充填材１４７を、閉じていない側の鋼管１４１の小口より差し込んで、衝突想定方向の上流側に寄せて嵌着し、コンクリートの打設空間を形成する。次いで、閉じていない側の鋼管１４１の小口を上にして、当該打設空間にコンクリートを流し込む。
【００４５】
また、上述した実施形態では、橋桁防護工の例を説明したが、架線防護工など、通行限界高さを超える車両の通行を防護するその他の防護工に上記実施形態の技術を適用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０…橋桁防護工
１１…基礎
１２…支柱
１４…鋼梁
１４１…鋼管
１４３…補強材
１４５…空隙
１４７…空間充填材
【図１】
2020147970.tif 000014
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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