(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道の電車線路において立設された１対の電柱に架設される制震ビームであって、
ビーム材と、
前記ビーム材を電柱に剛接合する接合部と、
前記ビーム材と電柱との間に斜設されるダンパーと、
前記ビーム材の下部に溶接された長尺状の斜材とを備え、
前記ダンパーは、前記斜材を介して前記ビーム材に斜設されることを特徴とする制震ビーム。
【請求項２】
前記ダンパーは、摩擦履歴型ダンパーであることを特徴とする請求項１に記載の制震ビーム。
【請求項３】
前記摩擦履歴型ダンパーは、発生する抵抗力が加振速度の０．１乗に略比例することを特徴とする請求項２に記載の制震ビーム。
【請求項４】
線路をはさんで立設された１対の電柱と、
前記電柱に架設された請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の制震ビームとを有することを特徴とする門型ビーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地震時における電柱の振動を抑制するための制震ビーム、及び該制震ビームを有する門型ビームに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、図１５に示されるように、鉄道の電車線路において電柱２（電化柱）が設けられている。電柱２は、電車線２１及びき電線２２等を支持又は引き留めるものであり、複線区間では線路の両側に立設される。電柱２には、コンクリート柱が、鋼管柱と比べると低コストであるので、多く用いられている。地震が発生した際、高架橋７上の電柱２は、盛土や切取等の土構造物上の電柱と比べて、作用する地震動が大きくなることがある。このため、山陽新幹線の高架区間では、兵庫県南部地震をモデルとするレベル２（Ｌ２）地震を想定し、地震により発生するモーメントが許容モーメントを超えるコンクリート柱には、耐震補強が実施されている。この想定では、電車線によってコンクリート柱の振動が約半分の大きさに低減されることを考慮している。耐震補強として、例えば、コンクリート柱における柱基部近傍を鉄板で囲む構造が知られている。しかしながら、高架橋によっては、コンクリート柱の柱基部周囲のスペースが狭い等の理由により、このような耐震補強が実施困難なコンクリート柱がある。
【０００３】
また、鉄道の電車線路において、線路をはさんで立設された１対の電柱に固定ビームを架設した門型ビームが知られている（例えば、特許文献１参照）。門型ビームは、ビームを架設しない単独の電柱と比べると、地震時における電柱の振動が小さくなると考えられる。しかしながら、このような従来の門型ビームは、耐震補強として十分であるかは知られていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２９５４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記問題を解決するものであり、地震時における電柱の振動を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の制震ビームは、鉄道の電車線路において立設された１対の電柱に架設されるものであって、ビーム材と、前記ビーム材を電柱に剛接合する接合部と、前記ビーム材と電柱との間に斜設されるダンパーと、前記ビーム材の下部に溶接された長尺状の斜材とを備え、前記ダンパーは、前記斜材を介して前記ビーム材に斜設されることを特徴とする。
【０００８】
この制震ビームにおいて、前記ダンパーは、摩擦履歴型ダンパーであることが好ましい。
【０００９】
この制震ビームにおいて、前記摩擦履歴型ダンパーは、発生する抵抗力が加振速度の０．１乗に略比例することが好ましい。
【００１０】
本発明の門型ビームは、線路をはさんで立設された１対の電柱と、前記電柱に架設された前記制震ビームとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電柱が振動するとき、ダンパーが伸縮されて振動のエネルギーを吸収するので、地震時における電柱の振動が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る制震ビームの正面図。
【図２】同制震ビームにおけるダンパーの平面図。
【図３】同ダンパーの正面図。
【図４】同ダンパーにおける変位に対する抵抗力の履歴曲線を示す図。
【図５】同制震ビームを有する門型ビームの正面図。
【図６】同制震ビームのダンパーにおける抵抗力の速度依存の近似式のグラフ。
【図７】同ダンパーを有する門型ビームのシミュレーションにおけるモデルを示す正面図。
【図８】同シミュレーションにおける入力地震波形を示す図。
【図９】同シミュレーションにおける門型ビームの変形の一例を示す斜視図。
【図１０】同シミュレーションにおけるダンパー変位とダンパー角度との関係を示すグラフ。
【図１１】同シミュレーションにおけるダンパー累積吸収エネルギー量とダンパー角度との関係を示すグラフ。
【図１２】（ａ）は加振実験における本発明の実施例の正面図、（ｂ）は同実験における比較例の正面図、（ｃ）は同実験における別の比較例の正面図。
【図１３】同実験における実施例及び比較例の配置を示す平面図。
【図１４】同実験における本加振の入力波形を示す図。
【図１５】従来の高架橋上の門型ビームの正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態に係る制震ビームを図１乃至図４を参照して説明する。図１に示されるように、制震ビーム１は、立設された１対の電柱２に架設されるものである。電柱２は、制震ビーム１の構成要素ではない。制震ビーム１は、ビーム材１１と、ビーム材１１を電柱２に剛接合する接合部３と、ダンパー４とを備える。ダンパー４は、ビーム材１１と電柱２との間に斜設される。
【００１４】
ビーム材１１は、線路上空を横断して電柱２の頂部近傍に架設される剛性の高い梁部材であり、本実施形態では鋼管である。ビーム材１１を鋼材を組み合わせたトラスとしてもよい。
【００１５】
接合部３は、一対の略半円筒状の挟持部材３１、３２を有する。各々の挟持部材３１、３２は、突き合せ部分にフランジを有する。一方の挟持部材３１は、ビーム材１１が固定されており、固定部分に補強リブを有する。電柱２を両方の挟持部材３１、３２で囲み、フランジ同士をボルト締結することによって電柱２が挟持部材３１、３２で挟持される。
【００１６】
ダンパー４は、振動のエネルギーを吸収するものである。制震ビーム１は、ビーム材１１の下部に溶接された長尺状の斜材１２を有する。斜材１２は、鋼管であり、ビーム材１１に対してダンパー４と同じ角度を成す。斜材１２の下端近傍は、鋼管から成る縦部材１３によってビーム材１１に固定される。ダンパー４は、斜材１２を介してビーム材１１に斜設される。斜材１２及び縦部材１３は、トラスとしてもよい。
【００１７】
図２及び図３に示されるように、ダンパー４は、ダンパー本体４１と、二山クレビス４２、４３とを有する。一方の二山クレビス４２は、ダンパー本体４１の一端にピン接合され、ビーム材１１側、すなわち斜材１２に取り付けられる。他方の二山クレビス４３は、ダンパー本体４１の他端にピン接合され、電柱２を挟持する部材によって電柱２に取り付けられる。
【００１８】
ダンパー４は、本実施形態では、摩擦履歴型ダンパーであり、ダンパー本体４１内にある充填材の流動抵抗力によって振動のエネルギーを吸収する。図４に示されるように、摩擦履歴型ダンパーは、初期のストロークで抵抗力を発生し、変位に対する抵抗力の履歴曲線が略長方形である。ダンパー４が吸収するエネルギーは、抵抗力を変位で積分した値、すなわち履歴曲線で囲まれる面積となる。摩擦履歴型ダンパーは、履歴曲線が略長方形であるので、エネルギー吸収率が高い特性を有する。ダンパー４は、摩擦履歴型ダンパーに限定されるものではなく、例えば、オイルダンパー、粘弾性ダンパー等であってもよい。
【００１９】
上記のように構成された制震ビーム１において、１対の電柱２がビーム材１１と平行に同位相で振動するとき、ダンパー４が伸縮されて振動のエネルギーを吸収するので、地震時における電柱２の振動が抑制される（図１参照）。１対の電柱２は、ビーム材１１及び接合部３によって接合されるので、ビーム材１１と平行な逆位相では、ほとんど振動しない。なお、電柱２に生じるビーム材１１に直交する方向の振動、すなわち電柱２が支持する電車線に沿った方向の振動は、電車線によって低減される。また、接合部３がビーム材１１と電柱２とを剛接合することによってラーメン構造が形成されるので、地震時における電柱２の振動が小さくなる。ダンパー４は、斜材１２を介してビーム材１１に斜設されるので、斜材１２の長さの設定によって、ダンパー４の抵抗力がビーム材１１に作用する位置を調整することができる。
【００２０】
図５は、制震ビーム１を用いて構成した門型ビームを示す。この門型ビーム５は、制震ビーム１と、線路をはさんで立設された１対の電柱２とを有する。電柱２は、コンクリート柱である。電柱２には、電車線２１を支持する可動ブラケット２３が取り付けられている。き電線を架空式で設ける場合、門型ビーム５は、制震ビーム１上に、き電線（図示せず）を吊下するためのやぐら２４を有する。き電線を地中ケーブルとする場合等においては、やぐら２４は省略される。
【００２１】
上記のように構成された門型ビーム５は、地震時における電柱２の振動が制震ビーム１によって抑制される。制震ビーム１は、耐震補強用の鉄板で囲む高さ範囲よりも高い位置に架設されるので、鉄板で囲む耐震補強が実施困難な電柱の耐震補強に用いることができる。電柱２の振動が制震ビーム１によって抑制されるので、やぐら２４の振動が低減され、き電線の振動が低減される。
【００２２】
本実施形態の制震ビーム１におけるダンパー４のビーム材１１に対する角度（ダンパー角度）について、数値シミュレーションを行った。このシミュレーションを図６乃至図１１を参照して説明する。
【００２３】
本実施形態のダンパー４は、速度Ｖ＝０．１ｍ／ｓで加振したとき、定格抵抗力Ｆｒ＝５０ｋＮを発生し、速度Ｖ＝０．３ｍ／ｓで加振したとき、定格抵抗力Ｆｒより１２％大きな抵抗力を発生する。図６に示されるように、ダンパー４の抵抗力Ｆ［ｋＮ］は、速度Ｖ［ｍ／ｓ］の０．１乗に比例する速度依存式、Ｆ＝ａＶ０．１で近似される。ａは、定格抵抗力Ｆｒとそのときの速度Ｖより決められる定数であり、ビンガム定数と呼ばれる。本シミュレーションでは、速度依存を考慮した解析を行うことができる動的解析ソフトを使用し、ダンパー４についてＦ＝ａＶ０．１の速度依存式に基づくモデルを採用した。ダンパー４の特性は、これに限定されるものではない。
【００２４】
本シミュレーションにおける門型ビーム５のモデルを図７に示す。電柱２は、高さ９ｍのコンクリート柱とした。２本の電柱２の間隔は、８．５ｍとした。電柱２の頂部（柱天端近傍）に制震ビーム１を架設した。制震ビーム１のビーム材１１は、水平とした。ダンパー４は、斜材１２を介してビーム材１１に斜設した。ダンパー４による抵抗力は、電柱２から中央側に４ｍの位置においてビーム材１１に作用する。ダンパー４は、ビーム材１１に対して角度θ［°］を成す。本シミュレーションでは、角度θは可変とした。また、ダンパー４の有無による影響を比較するため、ダンパー４を設けない門型ビームについてもシミュレーションを行った。ダンパーなしの条件では、ビーム材１１と電柱２との間にブレースを剛接合した。ブレースは、ビーム材１１と角度θを成す。
【００２５】
上記のように構成された門型ビーム５のモデルに、地震波形を入力し、ビーム材１１に平行なＸ方向に加振するシミュレーションをした。図８に示されるように、入力地震波形は、レベル２（Ｌ２）地震の地震動とした。
【００２６】
この地震波形を入力した際の門型ビーム５の変形の一例を図９に示す。この例は、ダンパーなし、ビーム材１１とブレース１４との成す角度θが３０°の条件におけるシミュレーション結果である。地震波形を入力しないときの門型ビーム５の形状を一点鎖線、地震波形を入力して最大変形したときの門型ビーム５の形状を実線で示している。１対の電柱２の柱天端が同じ方向に変位している。
【００２７】
図１０は、門型ビーム５のダンパー４の変位［ｍ］を示す。角度θが１０°乃至４５°のとき、ダンパー４に変位が生じた。角度θが３０°のとき、ダンパー４の変位が最大となった。ダンパー４は、この変位によって抵抗力を発生し、振動のエネルギーを吸収する。
【００２８】
図１１は、門型ビーム５のダンパー４の累積吸収エネルギー量［ｋＪ］を示す。角度θが２０°乃至４５°のとき、ダンパー４が顕著に振動のエネルギーを吸収した。角度θが３０°のとき、ダンパー４の累積吸収エネルギー量が最大となった。
【００２９】
このように、「ダンパーあり」の場合、地震時にダンパー４が振動のエネルギーを吸収するので、電柱２の振動が減衰することになる。「ダンパーなし」の場合、ブレースは、振動のエネルギーを吸収しない。本シミュレーションによれば、ダンパー４の累積吸収エネルギー量の計算結果から、ダンパー４は、ビーム材１１に対して２０°乃至４５°の角度を成すことが好ましく、特に３０°が好ましい。ダンパー角度は、この角度範囲に限定されるものではない。
【００３０】
本発明の実施例としての門型ビーム、及び比較例としての門型ビーム、単独の電柱について加振実験を行った。この加振実験を図１２乃至図１４を参照して説明する。
【実施例１】
【００３１】
実施例として、図１２（ａ）に示されるように、制震ビーム１を有する門型ビーム５を製作した。電柱２として、外形４０ｃｍ、長さ１０ｍのプレストレストコンクリート柱（１０−４０−Ｔ１１Ｂ）を使用した。プレストレストコンクリート柱は、緊張線材によってコンクリート部材にプレストレスをかけたコンクリート柱である。使用されている鉄筋は、直径９ｍｍ緊張線材が６９．８６ｋｇ、直径９．２ｍｍの非緊張線材が１１．４８４ｋｇ、直径３ｍｍの用心鉄筋が１４．９８２ｋｇである。コンクリートの体積は０．６２９ｍ３である。電柱２の質量は、１，６６０ｋｇである。この電柱２の部材特性を表１に示す。
【００３２】
【表１】
0006004617.tif 000002
【００３３】
曲げひび割れ発生時の曲げモーメントＭｃは７４．６ｋＮｍであり、このときの柱基部曲げ縁ひずみは圧縮３５３μｓｔ（マイクロストレイン）、引張３５３μｓｔである。降伏時の曲げモーメントＭｙは１５７．７ｋＮｍであり、このときの柱基部曲げ縁ひずみは圧縮１２６８μｓｔ、圧縮２９９１μｓｔである。圧縮縁のコンクリート歪が終局ひずみ到達時の曲げモーメントＭｕは２２８．０ｋＮｍであり、このときの柱基部曲げ縁ひずみは圧縮２７９５μｓｔ、引張７９５３μｓｔである。
【００３４】
電柱２の柱天端から下に３０００ｍｍの位置に模擬錘２５を取り付けた。模擬錘２５は、電柱２が支持する電車線等の荷重を模擬するものである。
【００３５】
この電柱２を鋼製の円筒状の固定治具６１に差し込み、固定治具６１と電柱２との隙間にモルタルを注入した。固定治具６１は、振動台６に固定されており、電柱２は固定治具６１を介して振動台６に固定される。このような電柱２の固定は、山陽新幹線におけるモルタル詰めの投げ込み基礎を模擬したものである。電柱２の間隔は、３５００ｍｍとした。
【００３６】
振動台６上に固定した２本の電柱２に制震ビーム１を架設した。制震ビーム１のビーム材１１は、鋼管とした。ビーム材１１の高さは、電柱２の柱天端から下に５００ｍｍの位置とした。ビーム材１１には斜材１２が溶接されており、斜材１２と一方の電柱２との間にダンパー４を取り付けた。ダンパー４とビーム材１１の成す角度は３０°とした。ダンパー４は、定格抵抗力が５０ｋＮであり、シミュレーションで用いたダンパーと同じ特性を有する摩擦履歴型ダンパーとした。
【００３７】
（比較例１）
比較例１として、図１２（ｂ）に示されるように、固定ビーム１０１を有する門型ビーム１０５を製作し、振動台６に固定した。固定ビーム１０１は、ビーム材１１及び接合部３を有するが、ダンパー４及び斜材１２を有しない。それ以外は、実施例と同様にした。
【００３８】
（比較例２）
比較例２として、図１２（ｃ）に示されるように、ビームで補強しない単独の電柱２を振動台６に固定した。それ以外は、実施例と同様にした。
【００３９】
（加振実験）
図１３に示されるように、実施例の門型ビーム５、及び比較例１の門型ビーム１０５、比較例２の電柱２を振動台６上に配置し、同時に加振し、各種測定を行った。加振は、ビーム材１１に平行な水平Ｘ方向の１次元加振とした。本加振の入力波形を図１４に示す。この入力波形は、Ｌ２地震動（大規模地震動）で考慮する内陸型地震を対象とする弾性加速度応答スペクトル（Ｓｐ２）を有する。本加振における最大加速度は可変とした。実施した加振実験のうち代表的な３ケースについて主な実験データを表２に示す。なお、加速度の単位１Ｇａｌは、ＳＩ単位では０．０１ｍ／ｓ２である。
【００４０】
【表２】
0006004617.tif 000003
【００４１】
表２に示していないケースも含め、入力波形Ｓｐ２の３５０Ｇａｌ入力までは電柱２に曲げひび割れが発生しないように、無補強である比較例２における柱基部の最大ひずみが、Ｍｃ時のひずみ（表１参照）を超えないように管理しながら加振を実施した。次に、Ｌ２地震を想定した設計波として、入力波形Ｓｐ２の２５４７Ｇａｌ入力の加振を実施した。さらに、設計波よりも約２割増しの３０００Ｇａｌ入力の加振を実施した。
【００４２】
（柱頂部の最大応答加速度）
設計波である入力波形Ｓｐ２の２５４７Ｇａｌ入力で、比較例２は、電柱２の柱頂部の最大応答加速度が７１３９Ｇａｌとなり、柱基部（振動台６から１．２ｍ）の最大ひずみがＭｕ時のひずみを超えた。比較例１は、６４１５Ｇａｌ（比較例２の９０％）、実施例は、４２４２Ｇａｌ（比較例２の５９％）であった。
【００４３】
入力波形Ｓｐ２の３０００Ｇａｌ入力で、比較例１は、柱頂部の最大応答加速度が８１２３Ｇａｌとなり、柱基部の最大ひずみがＭｕ時のひずみを超えた。実施例は、５０８８Ｇａｌであり、比較例１に対して６３％に抑制された。比較例２は、２５４７Ｇａｌ入力のときよりも加速度が低下したが、これは、２５４７Ｇａｌの加振でＭｕに達したことから、電柱２が塑性化して剛性が低下したためと考えられる。
【００４４】
（柱頂部の振動台に対する最大相対変位）
設計波である入力波形Ｓｐ２の２５４７Ｇａｌ入力で、比較例２は、柱頂部の振動台６に対する最大相対変位が５６．７ｃｍとなり、大きく変位した。比較例１は２４．３ｃｍ（比較例２の４３％）、実施例は２４．７ｃｍ（比較例２の４４％）であり、ともに良好な変位抑制効果を示し、両者の差は見られなかった。
【００４５】
入力波形Ｓｐ２の３０００Ｇａｌ入力で、比較例２は、柱頂部の最大相対変位が６３．２ｃｍ、比較例１は４５．１ｃｍ（比較例２の７１％）、実施例は３０．２ｃｍ（比較例２の４８％）であり、実施例の制震ビーム１による変位抑制効果が顕著となった。これは、３０００Ｇａｌ入力で、実施例は、柱基部の最大ひずみがＭｕ時のひずみに至らなかったが、比較例１では、Ｍｕ時のひずみを大きく超えたことから、電柱２が塑性化したためと考えられる。
【００４６】
（電柱の最大縁ひずみ）
入力波形Ｓｐ２の３５０Ｇａｌ入力で、実施例、比較例１、比較例２は、いずれも電柱２の最大縁ひずみが柱全長に亘ってＭｃ時のひずみを超えなかった。
【００４７】
設計波である入力波形Ｓｐ２の２５４７Ｇａｌ入力で、比較例２は、柱基部（振動台６から１．２ｍ及び１．４ｍ）の最大縁ひずみがＭｕ時のひずみを超えた。実施例、比較例１は、柱基部の最大縁ひずみがＭｙ時のひずみを超えたが、Ｍｕ時のひずみには至らなかった。
【００４８】
入力波形Ｓｐ２の３０００Ｇａｌ入力で、比較例１は、柱基部の最大縁ひずみがＭｕ時のひずみを超え、柱頂部の最大縁ひずみがＭｙ時のひずみを超えた。実施例は、柱基部の最大縁ひずみがＭｕ時のひずみを超えず、柱頂部の最大縁ひずみがＭｙ時のひずみを超えなかった。
【００４９】
（加振実験結果の評価）
制震ビーム１を有する実施例、及び固定ビームを有する比較例１は、設計波である入力波形Ｓｐ２の２５４７Ｇａｌ入力に対し、コンクリート柱の応答が終局ひずみ（Ｍｕ）未満となり、兵庫県南部地震と同等レベルの地震に対して耐震性能を有することが確認された。制震ビーム１を有する実施例は、設計波を上回る入力波形Ｓｐ２の３０００Ｇａｌ入力に対しても、コンクリート柱の応答が終局ひずみ（Ｍｕ）未満となり、兵庫県南部地震のレベルを超える地震に対しても耐震性能を有することが確認された。
【００５０】
なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、制震ビーム１は、在来線の電柱２に架設してもよい。また、電柱２は、コンクリート柱に限定されず、例えば、山形鋼やみぞ形鋼を組み合わせて構成した組合せ柱（かご型鉄柱）であってもよく、鋼管柱であってもよい。鋼管柱等に制震ビーム１を架設することによって、耐震性能がさらに向上する。また、ダンパー４は、１対の電柱２の少なくとも１方の電柱２とビーム材１１との間に斜設すればよい。
【符号の説明】
【００５１】
１  制震ビーム
１１  ビーム材
１２  斜材
２  電柱
３  接合部
４  ダンパー
５  門型ビーム
【図１】
0006004617.tif 000004
【図２】
0006004617.tif 000005
【図３】
0006004617.tif 000006
【図４】
0006004617.tif 000007
【図５】
0006004617.tif 000008
【図６】
0006004617.tif 000009
【図７】
0006004617.tif 000010
【図８】
0006004617.tif 000011
【図９】
0006004617.tif 000012
【図１０】
0006004617.tif 000013
【図１１】
0006004617.tif 000014
【図１２】
0006004617.tif 000015
【図１３】
0006004617.tif 000016
【図１４】
0006004617.tif 000017
【図１５】
0006004617.tif 000018