(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔で立設された一対の柱状橋脚と該柱状橋脚の頂部に架け渡された梁とでＲＣラーメン構造を形成して前記一対の柱状橋脚及び前記梁を含む面内空間に逆Ｖ字状をなすブレース材を配置するとともに、該ブレース材の頂部近傍と前記梁の中央近傍との間に水平相対変位に対してエネルギー吸収を行うエネルギー吸収ダンパを介在させ、該エネルギー吸収ダンパを、前記梁若しくは前記ブレース材との間で鉛直相対変位が許容されるように該梁及び該ブレース材に連結したことを特徴とする高架橋の下部構造。
【請求項２】
所定の間隔で立設された一対の柱状橋脚と該柱状橋脚の頂部に架け渡された梁とでＲＣラーメン構造を形成して前記一対の柱状橋脚及び前記梁を含む面内空間に逆Ｖ字状をなすブレース材を配置するとともに、該ブレース材の頂部近傍と前記梁の中央近傍との間に水平相対変位に対してエネルギー吸収を行うエネルギー吸収ダンパを介在させて所定の連結部材で連結し、該連結部材、前記梁若しくは前記ブレース材の少なくともいずれかを前記柱状橋脚の塑性伸び変形が拘束されることがないように降伏させることを特徴とする高架橋の下部構造。
【請求項３】
前記ブレース材を逆Ｖ字状に構成する２本のブレース本体の軸力作用線が前記梁にて交差するように前記ブレース材を構成した請求項２記載の高架橋の下部構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高架橋、特に鉄道用ＲＣ高架橋の下部構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
道路、鉄道等の橋梁には、河川、海峡等を横断する狭義の橋梁のほかに市街地において連続的に建設される、いわゆる高架橋がある。かかる高架橋は、効率的な土地利用の観点から、道路上、鉄道上あるいは河川上の空間に連続して建設されることが多いが、コスト等の関係上、従来の高架橋の下部構造は、ＲＣラーメン構造を採用することがほとんどであった。
【０００３】
ところが、特に鉄道用の高架橋では、一般に上部構造の重量が大きくなりがちであるため、大地震時には、上部構造から作用する水平力をＲＣラーメン構造の柱状橋脚だけで支持しなければならず、柱状橋脚の基部同士を連結する基礎梁が不可欠になるなど、耐震上の制約が多かった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本出願人らは、ＲＣラーメン構造の面内に逆Ｖ字状をなすブレース材を配置するとともに該ブレース材の頂部近傍とＲＣラーメン構造の梁との間にエネルギー吸収ダンパを設ける高架橋の下部構造を開発した。そして、かかる構成によれば、従来よりも大幅な耐震性の改善が実現可能であることがわかった。
【０００５】
しかしながら、繰り返し水平荷重下では、主として鋼材で形成されるブレース材とＲＣラーメンとの変形性能の違いに起因してＲＣラーメンの柱状橋脚だけに塑性伸び変形が残留し、その結果、ブレース材からの引張力が軸力として柱状橋脚に作用し、柱状橋脚のじん性率が低下するという新たな問題を生じていた。
【０００６】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、繰り返し水平荷重下において柱状橋脚に作用する軸力の増加を抑制可能な高架橋の下部構造を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る高架橋の下部構造は請求項１に記載したように、所定の間隔で立設された一対の柱状橋脚と該柱状橋脚の頂部に架け渡された梁とでＲＣラーメン構造を形成して前記一対の柱状橋脚及び前記梁を含む面内空間に逆Ｖ字状をなすブレース材を配置するとともに、該ブレース材の頂部近傍と前記梁の中央近傍との間に水平相対変位に対してエネルギー吸収を行うエネルギー吸収ダンパを介在させ、該エネルギー吸収ダンパを、前記梁若しくは前記ブレース材との間で鉛直相対変位が許容されるように該梁及び該ブレース材に連結したものである。
【０００８】
また、本発明に係る高架橋の下部構造は請求項２に記載したように、所定の間隔で立設された一対の柱状橋脚と該柱状橋脚の頂部に架け渡された梁とでＲＣラーメン構造を形成して前記一対の柱状橋脚及び前記梁を含む面内空間に逆Ｖ字状をなすブレース材を配置するとともに、該ブレース材の頂部近傍と前記梁の中央近傍との間に水平相対変位に対してエネルギー吸収を行うエネルギー吸収ダンパを介在させて所定の連結部材で連結し、該連結部材、前記梁若しくは前記ブレース材の少なくともいずれかを前記柱状橋脚の塑性伸び変形が拘束されることがないように降伏させるものである。
また、本発明に係る高架橋の下部構造は、前記ブレース材を逆Ｖ字状に構成する２本のブレース本体の軸力作用線が前記梁にて交差するように前記ブレース材を構成したものである。
【０００９】
本発明に係る高架橋の下部構造においては、上部構造からＲＣラーメン構造の梁に伝達された地震時水平力が、同じくＲＣラーメン構造を構成する一対の柱状橋脚に伝達されるとともに、梁の中央近傍に連結されたエネルギー吸収ダンパを介してブレース材にそれぞれ伝達される。そして、地震エネルギーが小さい場合には、ＲＣラーメン構造及びブレース材による高い剛性によって上部構造の振幅が抑制されるとともに、地震エネルギーが大きい場合には、梁とブレース材頂部近傍との間に介在されたエネルギー吸収ダンパがそれらの水平相対変位に応じた強制変形を受けて履歴減衰によるエネルギー吸収が行われ、下部構造ひいては高架橋全体の揺れを速やかに収斂させる。
【００１０】
一方、地震時水平力が高架橋の下部構造に作用すると、従来であれば、ブレース材がＲＣラーメン構造の柱状橋脚の塑性伸び変形を拘束するため、その拘束分に相当する軸力が柱状橋脚に新たに作用して柱状橋脚のじん性率が低下するという問題があったが、本発明においては、エネルギー吸収ダンパを、梁若しくはブレース材との間で鉛直相対変位が許容されるようにそれらに連結してあるため、ブレース材の引張力は、ＲＣラーメン構造の梁、ひいては柱状橋脚に伝達せず、その結果、該柱状橋脚の軸力が増加することはない。
【００１１】
また、本発明においては、エネルギー吸収ダンパを梁やブレース材にそれぞれ連結する連結部材、梁若しくはブレース材の少なくともいずれかを柱状橋脚の塑性伸び変形が拘束されることがないように降伏させるので、やはり、ブレース材の引張力は、ＲＣラーメン構造の梁、ひいては柱状橋脚に伝達せず、その結果、該柱状橋脚の軸力が増加することはない。
【００１２】
一対の柱状橋脚とは、橋軸方向に直交する方向、例えば地上に敷設された軌道や道路を跨ぐように配置する方向のみならず、橋軸方向に平行な方向も含む。なお、前者の場合には、いわゆる門型ラーメンとなることが多いが、後者の場合には、いわゆる連続ラーメンとなる。
【００１３】
高架橋の上部構造については、道路橋であるか鉄道橋であるかといった用途は問わない。
【００１４】
エネルギー吸収ダンパは、ラーメン構造の梁とブレース材の頂部近傍との相対水平変位に応じた強制変形を受けて履歴減衰によるエネルギー吸収が行われるものであれば、どのようなダンパを用いてもよい。例えば、リブ付き鋼板のせん断変形に伴う履歴減衰を利用したせん断型ダンパ、鋼棒の曲げ変形に伴う履歴減衰を利用した鋼棒曲げ型ダンパ、特に球面軸受けを組み込んだ鋼棒曲げ型ダンパなどが考えられる。
【００１５】
エネルギー吸収ダンパを梁若しくはブレース材との間で鉛直相対変位が許容されるようにそれらに連結する構成としてはさまざまなものが考えられるが、例えばブレース材の頂部近傍にエネルギー吸収ダンパを固定する一方、ＲＣラーメン構造の梁下面にアンカーボルトを定着し、該アンカーボルトの先端をエネルギー吸収ダンパに設けた挿通孔に遊貫することが考えられるし、逆に、ＲＣラーメン構造の梁下面にエネルギー吸収ダンパを固定する一方、ブレース材の頂部にアンカーボルトを固定し、該アンカーボルトの先端をエネルギー吸収ダンパに設けた挿通孔に遊貫することが考えられる。なお、球面軸受けを組み込んだ鋼棒曲げ型ダンパを用いる場合には、鋼棒の抜け出しが本来的に考慮されており、該抜け出しが本発明でいう鉛直相対変位の許容に相当するのであらためて特段の工夫を施す必要はない。
【００１６】
また、エネルギー吸収ダンパを梁やブレース材にそれぞれ連結する連結部材、梁若しくはブレース材の少なくともいずれかを柱状橋脚の塑性伸び変形が拘束されることがないように降伏させるには、例えば、連結部材の場合にはアンカーボルト等を降伏させる、梁の場合には該梁の主筋を少なくする、ブレース材の場合には低降伏点鋼材を使用するなどの構成が考えられる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る高架橋の下部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。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る高架橋の下部構造を橋軸方向から見た正面図である。同図でわかるように、本実施形態に係る高架橋の下部構造は、所定の間隔で立設された一対の柱状橋脚１、１と該柱状橋脚の頂部に架け渡された梁２とで形成されたＲＣラーメン構造３と、該一対の柱状橋脚１、１及び梁２を含む面内空間に配置された逆Ｖ字状をなすブレース材４と、該ブレース材の頂部と梁２との間に介在されたエネルギー吸収ダンパとしてのせん断型ダンパ５とから構成してある。ここで、柱状橋脚１は、例えば杭６を地盤８に打ち込んだ上でその杭頭部に基部７を設け、該基部の上に立設するようにすればよい。また、ブレース材４は例えば鋼材で形成することができる。
【００１９】
せん断型ダンパ５は、その下方においては図２に示すようにブレース材４の頂部に固定してあるが、その上方にＴ字断面状に固定された基板１３には挿通孔１２を形成してあり、該挿通孔にＲＣラーメン構造３の梁２下面に定着されたアンカーボルト１１の先端を遊貫することで、せん断型ダンパ５を梁２との間で鉛直相対変位が許容されるように連結してある。せん断型ダンパ５は、例えばウェブにてせん断降伏する鋼材を用いて構成するとともに、該ウェブにて局部座屈することがないよう、例えば格子状の補強リブを面外方向に突設しておくのがよい。
【００２０】
アンカーボルト１１は、繰り返し水平荷重下でＲＣラーメン構造３の柱状橋脚１が徐々に伸びた場合に、繰り返し水平力を基板１３を介してせん断型ダンパ５に伝達させつつ、挿通孔１２からスムーズに上方に抜け出すことで鉛直方向の引張力をせん断型ダンパ５やブレース材４に伝達させないように、その外径を挿通孔１２の内径よりも若干小さめに設定する。
【００２１】
なお、図２では、せん断型ダンパ５の基板１３と梁２の下面との間に隙間を設けてあるが、ＲＣラーメン構造３と鋼材で形成されたブレース材４とを比較した場合、一般的には、ブレース材４の方が変形能力が優る、言い換えれば繰り返し水平荷重を受けた場合にブレース材４の方が塑性伸び変形を生じにくいことが多いので、かかる場合には、同図に示すような隙間を設けておく必要はない。
【００２２】
アンカーボルト１１が基板１３から下方に突出する長さについては、繰り返し水平荷重を受けたときに基板１３と梁２の下面との間に生じると想定される最大隙間よりも大きくなるように設定すればよい。また、それを満たす限り、同図のようなアンカーボルト１１に代えて頭部付きのアンカーボルトを使用するようにしてもよい。
【００２３】
本実施形態に係る高架橋の下部構造においては、地震の際に上部構造９（図１）からＲＣラーメン構造３の梁２に伝達された地震時水平力は、同じくＲＣラーメン構造を構成する一対の柱状橋脚１、１に伝達されるとともに、梁２の中央近傍に連結されたせん断型ダンパ５を介してブレース材４にそれぞれ伝達される。そして、地震エネルギーが小さい場合には、ＲＣラーメン構造３及びブレース材４による高い剛性によって上部構造９の振幅が抑制されるとともに、地震エネルギーが大きい場合には、梁２とブレース材４頂部近傍との間に介在されたエネルギー吸収ダンパ５がそれらの水平相対変位に応じた強制変形を受けて履歴減衰によるエネルギー吸収が行われ、下部構造ひいては高架橋全体の揺れを速やかに収斂させる。
【００２４】
一方、地震時水平力が高架橋の下部構造に作用すると、従来であれば、ブレース材がＲＣラーメン構造の柱状橋脚の塑性伸び変形を拘束するため、その拘束分に相当する軸力が柱状橋脚に新たに作用して柱状橋脚のじん性率が低下するという問題があったが、本実施形態においては、図３に示したように、ＲＣラーメン構造３の柱状橋脚１、１が塑性伸び変形を生じても、梁２に定着されたアンカーボルト１１は、せん断型ダンパ５の上端に固定された基板１３から抜け出すので、引張力が伝達せず、かくして梁２とブレース材４との間で鉛直相対変位が許容されることとなる。一方、水平力については、梁２からアンカーボルト１１、基板１３を介してせん断型ダンパ５に伝達されるので、該せん断型ダンパは、地震時水平力をエネルギー吸収する。
【００２５】
以上説明したように、本実施形態にかかる高架橋の下部構造によれば、地震エネルギーが小さい場合には、ＲＣラーメン構造３及びブレース材４による高い剛性によって上部構造９の振幅を抑制することができるとともに、地震エネルギーが大きい場合には、梁２とブレース材４頂部近傍との間に介在されたせん断型ダンパ５によって履歴減衰によるエネルギー吸収を行い、下部構造ひいては高架橋全体の揺れを速やかに収斂させることが可能となる。
【００２６】
一方、せん断型ダンパ５を梁２との間で鉛直相対変位が許容されるように該梁に連結してあるため、ブレース材４の引張力がＲＣラーメン構造３の梁２、ひいては柱状橋脚１、１に伝達するのが防止され、該柱状橋脚の軸力が増加することはない。また、せん断型ダンパ５自体の塑性変形による鉛直方向縮みが生じることも考えられるが、かかる鉛直変位についても、アンカーボルト１１の抜け出しによって同様に吸収されるため、柱状橋脚の軸力を増加させるおそれはない。
【００２７】
したがって、軸力増加に伴う柱状橋脚１、１のじん性率低下を未然に防止しつつ、せん断型ダンパ５による地震時水平力のエネルギー吸収を行って高い耐震性を確保することが可能となる。なお、一定規模以下の地震については、ＲＣラーメン構造３及びブレース材４の変形を弾性域にとどめ、せん断型ダンパ５だけに地震エネルギーを集中させることができるため、塑性変形してエネルギー吸収作用が低下したせん断型ダンパ５を交換することにより、元通りの下部構造に復旧することができることは言うまでもない。
【００２８】
本実施形態では、アンカーボルト１１を梁２に単に定着させるようにしたが、梁２に予め埋設された雌ねじ部材にアンカーボルト１１をねじ込む構成としておけば、アンカーボルト１１を梁２から取り外すことによってせん断型ダンパ５の交換を容易に行うことが可能となる。
【００２９】
また、本実施形態では、せん断型ダンパ５を梁２との間で鉛直相対変位が許容されるように該梁に連結するように構成したが、逆に梁２に固定し、ブレース材４の側で鉛直相対変位を吸収するようにしてもよいことは言うまでもない。
【００３０】
また、本実施形態では、ブレース材４の下端を柱状橋脚１、１の基部に固定するようにしたが、これに代えて、柱状橋脚１、１の中間部に固定してもよいことは言うまでもない。
【００３１】
また、本実施形態では、せん断型ダンパ５と梁２との間の鉛直相対変位を許容するように構成したが、これに代えて、図４に示すように、せん断型ダンパ５の上端を連結部材であるアンカーボルト２１で梁２に連結するとともに、下端をブレース材２２に連結し、これらアンカーボルト２１、梁２若しくはブレース材２２の少なくともいずれかを柱状橋脚１、１の塑性伸び変形が拘束されることがないように所定の降伏強度で降伏させるように構成してもよい。ここで、アンカーボルト２１を降伏させる場合には、その本数や径あるいは材料強度を調整すればよいし、梁２を降伏させる場合にはその主筋を中央近傍にて少なくするか同図（ｂ）に示すように断面を小さくし、該箇所にて塑性ヒンジが形成されるようにすればよいし、ブレース材２２を降伏させる場合には例えば低降伏点鋼材を使用すればよい。
【００３２】
かかる構成においても、上述の実施形態とほぼ同様の作用効果を奏するが、その説明についてはここでは省略する。
【００３３】
また、本実施形態では、一対の柱状橋脚１、１を橋軸方向に直交する方向、例えば地上に敷設された軌道や道路を跨ぐように配置したが、これに代えて図５に示すように橋軸方向に平行な方向に適用してもよい。なお、かかる場合には、いわゆる連続ラーメンとなる。また、詳細については図２と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００３４】
また、本実施形態では、エネルギー吸収ダンパとしてせん断型ダンパ５を採用したが、これに代えて図６に示すように鋼棒曲げ型ダンパ３２としてもよい。鋼棒曲げ型ダンパ３２は、梁２に定着された鋼棒３３をブレース材４の頂部に溶接等で固定された２枚の基板３４、３４に形成された挿通孔に挿通するとともに、該挿通孔に球面軸受け３１を設けてなる。
【００３５】
かかる構成においては、同図（ｂ）に示すように地震時水平力が梁２から鋼棒３３を介して基板３４、３４に作用したとき、その水平力をブレース材４に伝達するとともに、繰り返し水平荷重下での鋼棒３３の曲げによる履歴減衰によってエネルギー吸収が行われる。また、鋼棒３３が基板３４、３４から同図矢印に示すように上方に抜け出すことによって梁２とブレース材４との鉛直相対変位が許容される。なお、図６についても基板３４と梁２の下面との間に隙間が設けてあるが、上述の実施形態と同様、かかる隙間は必ずしも必要ではない。
【００３６】
また、本実施形態では特に言及しなかったが、図７に示すように、逆Ｖ字状をなすブレース材４を構成する各ブレース本体４１、４１の軸力作用線が梁２にて交差するように該ブレース材を構成してもよい。
【００３７】
かかる構成においては、同図（ｂ）に示すように、梁２からブレース材４に作用する水平力Ｈの高さ位置が、ブレース本体４１、４１の軸力作用線の交点Ｒにほぼ一致する。つまり、梁２は、ブレース材４から反力として逆方向の水平力Ｈ´を受けることは当然としても、水平力Ｈの作用高さがブレース本体４１、４１の軸力作用線の交点Ｒに一致しているため、曲げモーメントが反力として梁２に作用する懸念がない。したがって、かかる曲げモーメントに起因する柱状橋脚１、１の軸力増加を抑制することも可能となる。ちなみに、ブレース材４を構成する各ブレース本体４１、４１の軸力作用線が梁２で交差せず、例えば同図（ｃ）に示すように点Ｑで交差する場合には、水平力の反力Ｈ´に起因する曲げモーメントＭ´＝ｄＨ´（ｄは点Ｑの梁２からの偏心距離）が反力として梁２に作用し、これが柱状橋脚１、１の軸力増加の原因となる。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１及び請求項２に係る本発明の高架橋の下部構造によれば、軸力増加に伴う柱状橋脚のじん性率低下を未然に防止しつつ、エネルギー吸収ダンパによる地震時水平力のエネルギー吸収を行って高い耐震性を確保することが可能となる。
【００３９】
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る高架橋の下部構造の正面図。
【図２】本実施形態に係る高架橋の下部構造の詳細図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う水平断面図。
【図３】本実施形態に係る高架橋の下部構造の作用を示した正面図。
【図４】変形例に係る高架橋の下部構造を示した詳細図。
【図５】別の変形例に係る高架橋の下部構造を示した全体図。
【図６】別の変形例に係る高架橋の下部構造とその作用を示した詳細図。
【図７】別の変形例に係る高架橋の下部構造とその作用を示した詳細図。
【符号の説明】
１                          柱状橋脚
２                                                    梁
３                                                    ＲＣラーメン構造
４、２２                                        ブレース材
５                                                    せん断型ダンパ（エネルギー吸収ダンパ）
２１                                                アンカーボルト（連結部材）
３２                                                鋼棒曲げ型ダンパ（エネルギー吸収ダンパ）
４１                                                ブレース本体
【図１】
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【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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【図７】
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