(57)【要約】【課題】  鋼橋等複雑な構造物の耐震補強工事を施工する場合の構造設計において、実際の地震水平力を想定した負荷を加えた強度に対する設計を行えるよう、補強構造を含んだ構造に対して有限要素法（FEM）による解析を行える橋梁の耐震補強部材の設計支援方法を提供する。【解決手段】  ２次元CADによりＩ桁20の正面図を描き、その断面形状毎に図面と任意の軸に関する座標値とを有する２次元CADデータ化する。これらの２次元CADデータを基に、３次元座標データ化を行って、該３次元データを基にFEM解析モデルを構築する。そして、メッシュ分割や板厚、材料特性情報を与えてFEM解析に供させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼橋に耐震補強施工を行う場合の補強構造を設計するに際して、適切な構造となるよう導くための橋梁の耐震補強部材の設計支援方法において、
補強部分を含む鋼橋の２次元CADデータを、梁部材や柱部材等に関しての任意の軸に沿って共通形状の断面を有する範囲を取得し、
前記共通断面範囲を、前記任意の軸の原点からの座標値で取得し、
前記断面形状と座標値とから有限要素法による解析のためのFEMデータを取得して、
前記FEMデータに必要なデータを付加してFEM解析に供することを特徴とする橋梁の耐震補強部材の設計支援方法。
【請求項２】
前記共通形状の断面には、FEM解析時にほぼ同一と認められる形状の部分を含めることを特徴とする請求項１に記載の橋梁の耐震補強部材の設計支援方法。
【請求項３】
前記補強部分を含む鋼橋の構造を複数の部材に分割し、それぞれ部材について、前記断面形状と座標値とを取得し、各部材について取得したFEMデータを合成して、補強部分を含む鋼橋のFEM解析に供することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の橋梁の耐震補強部材の設計支援方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、橋梁、特に既設の鋼橋に耐震補強工事の設計・施工を行う際に、最適な耐震構造で補強できるよう、３次元変位有限要素法による解析に基づいて設計を行えるよう支援するための橋梁の耐震補強部材の設計支援方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
既設の鋼橋の多くは建設後数十年が経過しており、今後も使用され続けることになる。この間において、建設時には想定できなかった自動車荷重の増加に対する耐荷力増強を目的とした工事や、阪神・淡路大震災を代表とする大震災に対する耐震補強を目的とした工事などの施工が進められている。また、経年変化による腐食損傷等の補修工事を施工する場合もある。いずれの場合も既設構造の改造が伴われるものである。
【０００３】
図６は既設の鋼橋の代表的な構造を備えたＩ桁橋の構造を説明する図で、適宜間隔で配設された橋脚１の上面に、支承２を介在させて適宜本数の主桁３が載置されて支持されている。これら主桁３に舗装道路４が施工されており、該舗装道路４上を車両５が走行する。なお、鋼橋の代表的な構造には、Ｉ桁橋の他に箱桁構造がある。
【０００４】
これらの構造を備えた既設の鋼橋に施工する代表的な補強構造として、図７に示す落橋防止構造や図８に示す変位制限構造等がある。図７に示す落橋防止構造では、上部構造を構成する主桁３の下面に上部構造側ブラケット５を固定し、下部構造を構成する橋脚１の側面に下部構造側ブラケット６を固定し、これらブラケット５，６にＰＣケーブル７を張設させて連結してある。斯かる構造であると、主桁３に面内曲げが作用するため、上部構造に補強部材８を配設して補強施工を行う必要がある。また、図８に示す変位制限構造では、主桁３に突起ブラケット９を固定し、地震時には橋脚１に固定した受けブラケット10に衝突させて上部構造の移動を制限する。このため、突起ブラケット９の固定部分には補強部材11を配設して補強施工されている。特に、図８は箱桁の場合を示しており、補強部材11は柱部材11aと梁部材11bとが組み合わされた構造が採用されている。また、変位制限構造が設けられる箇所には落橋防止構造も設けられる場合が多く、ブラケット９，10や補強部材11の構造は配設位置等が制限されることにもなる。
【０００５】
ところで、補強施工後の実橋に載荷試験等を行うことにより、補強の効果を確認することは理想であるが、一般交通の供用下であり、費用や工期の面から不可能に近い。このため、従来は、道路橋示方書による設計指針等を用い、橋梁と補強部材とを骨組構造に置き換えて、公称応力を基準として詳細な寸法や板厚その他の構造を決定している。
【０００６】
しかし、骨組構造による解析では、構造用の各部材に作用する力が実際の地震による外力が作用した場合の状態と異なる可能性が高い。また、補強施工は複合構造となることが多く、骨組構造でのモデル化が困難となり、かつ、鋼橋は施工箇所の特徴と施工の事情等によって構造の詳細が異なり、例えば都市内高速道路の直線部分の高架橋にあっては橋脚の間隔が異なり、橋脚間に架設される主桁の構造も異なる場合があり、これらの骨組構造を類型化して解析に供することができず、異なる構造毎にモデル化して解析を行う必要があるために、解析作業が繁雑となっている。
【０００７】
近年では、新設する橋梁の設計においては、骨組構造などの簡易モデル化には適用限界があり、実際に近い挙動を再現することができるとの理由により、３次元変位型有限要素法（FEM：Finite Element Method）による解析が有効であると考えられるようになってきた。
【０００８】
FEM解析を構造物の設計に利用したものとして、例えば特許文献１に記載された地下構造物用蓋の補強リブパターン選択方法及び選択装置がある。この選択方法は、補強リブを有する地下構造物用蓋の解析モデルを作成するモデル作成ステップと、前記解析モデルに所定の負荷を加えて歪を生じさせる変形ステップと、前記解析モデルについて重量と前記変形ステップで生じた歪量との積である評価値を求める評価ステップと、を備え、複数の解析モデルについて前記評価値を比較し、最適の評価値を示す解析モデルの補強リブパターンを地下構造物用蓋の補強リブパターンとして選択するものである。
【０００９】
また、例えば、鋼橋の補強構造を設計する場合でも、図５に示すように単純な構造の場合には、普及している３次元CAD(Computer Added Design)プログラムを利用することができる。すなわち、図５は、比較的単純な構造の構造物についてFEMデータを取得する場合の手順について示す概念図である。同図(ａ)は２次元CADを用いて梁材等の構造物16を作図した正面図と側面図であり、Ｈ型の断面形状を備えた主桁16aの中間部にリブ16bが取り付けられた形状とされている。同図(ｂ)は、この構造物16を３次元CADデータとした図であり、この場合の３次元データ化は普及している３次元CADプログラムソフトを用いることにより行える。そして、図(ｃ)に示すように、該３次元CADデータからFEMデータ化を行う。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−３７１５７８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述したように、橋梁に耐震補強工事を施工する場合に、実際の負荷を想定して解析しその結果取得されたデータを設計に反映できるために、FEMモデルを構築して地震時水平力を載荷させ、補強の妥当性を評価しながら設計することが望まれる。他方、耐震補強工事では、既設部分とを合わせて補強構造部分の図面をCADを利用して作成するので、このCADデータの幾何学情報を取り込んでFEMデータを作成することができれば、解析が容易となる。しかしながら、CADデータからFEMデータを自動的に作成することができないため、CADデータの構造外枠線を個別に捕捉して幾何学情報を作成している。
【００１２】
また、特許文献１に記載されたものは、例えばマンホール用蓋のように、単純な外形形状を備えたものであるため、３次元CADプログラムを利用してFEMデータを取得することは容易である。しかし、橋梁の構造は、前述したように複雑であり、かつ、多種類のものが存在するため、橋梁の構造を表現できる３次元CADプログラムは存在していない。
【００１３】
そこで、この発明は、複雑な構造を備えた構造物、特に橋梁に耐震補強施工を行う場合に、補強部材の構造設計を支援するための橋梁の耐震補強部材の設計支援方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成するための技術的手段として、鋼橋に耐震補強施工を行う場合の補強構造を設計するに際して、適切な構造となるよう導くための橋梁の耐震補強部材の設計支援方法において、補強部分を含む鋼橋の２次元CADデータを、梁部材や柱部材等に関しての任意の軸に沿って共通形状の断面を有する範囲を取得し、前記共通断面範囲を、前記任意の軸の原点からの座標値で取得し、前記断面形状と座標値とから有限要素法による解析のためのFEMデータを取得して、前記FEMデータに必要なデータを付加してFEM解析に供することを特徴としている。
【００１５】
橋梁の構造図面は、２次元CADを利用して作成される。また、補強構造についても２次元CADデータにより図面が作成される。この補強部分を含む鋼橋の２次元CADデータに、梁部材や柱部材等に関して想定した任意の軸に沿った各部の断面形状を取得する。なお、この任意に定める軸は、各部の断面形状を取得した場合に、該断面形状に関して処理すべきデータ数が最小となるように選択することが、処理を簡便化できるので好ましい。また、この断面形状を備えた部分について、前記任意の軸の原点からの座標値を取得し、該断面形状と座標値とから３次元変位を求めてFEMデータによりモデル化する。このFEMモデルに、補強部材の材料特性や板厚データを設定すると共に、シェル要素にメッシュ分割する。そして、地震時水平力を入力してFEM解析を実行させる。その解析結果から応力を求め、必要に応じて補強部材の板厚や寸法を修正する。
【００１６】
なお、FEMモデルが完成した後は、普及している有限要素法解析プログラムを利用してメッシュ分割し、FEM解析を行わせることができる。
【００１７】
また、請求項２の発明に係る橋梁の耐震補強部材の設計支援方法は、前記共通形状の断面には、FEM解析時にほぼ同一と認められる形状の部分を含めることを特徴としている。
【００１８】
鋼橋の構造は、一般的に板材を組み合わせたものである。このため、断面形状は、例えばリブが設けられた部分等で大きく変化する。そして、該リブが設けられない、該リブを挟んだ部分ではほぼ同一の形状が繰り返される構造となる場合がある。斯かる構造であれば、該断面形状の部分について、同じ断面形状として扱い、座標値でその範囲を指定してFEMモデル化に供させる。
【００１９】
また、請求項３の発明に係る橋梁の耐震補強部材の設計支援方法は、前記補強部分を含む鋼橋の構造を複数の部材に分割し、それぞれ部材について、前記断面形状と座標値とを取得し、各部材について取得したFEMデータを合成して、補強部分を含む鋼橋のFEM解析に供することを特徴としている。
【００２０】
特に、箱桁構造の場合には、桁構造がＩ桁構造に比べて複雑となり、内部に補強部材を取り付けることになるから、該補強部材も構造が複雑となる場合がある。斯かる構造のような場合には、箱桁構造と補強部材構造とを各別にして、断面形状と座標値とを取得し、それぞれについてFEMデータ化して、それらを合成することによりFEM解析に供するFEMモデルを作成するものである。
【発明の効果】
【００２１】
この発明に係る橋梁の耐震補強部材の設計支援方法によれば、作図した２次元CADデータから断面形状とその断面形状についての位置情報を座標値で取得し、これら断面形状と座標値とから３次元座標データを取得するので、鋼橋のように複雑な構造物であってもFEM解析に供することができるFEMデータを取得することができる。
【００２２】
そして、FEM解析を実行することにより実際に発生する地震に近い状態で、鋼橋の補強構造の可否を判断することができることになり、補強構造の設計の妥当性を十分に確保することができる。
【００２３】
また、請求項２の発明に係る橋梁の耐震補強部材の設計支援方法によれば、ほぼ同一の断面形状の部分を同様に扱うことができるので、FEMデータ化の作業の簡略化を果たすことができる。
【００２４】
また、請求項３の発明に係る橋梁の耐震補強部材の設計支援方法によれば、複雑な構造物であっても、確実にFEMデータを取得して、FEM解析に供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図示した好ましい実施の形態に基づいて、この発明に係る橋梁の耐震補強部材の設計支援方法を具体的に説明する。
【００２６】
図１はこの発明に係る橋梁の耐震補強部材の設計支援方法を利用するのに適した構造を備えたＩ桁20を示す２次元CADで作成した概略図で、図１(ａ)には、(イ)に正面図を、(ロ)に該正面図におけるＣ−Ｃ断面図を示している。このＩ桁20は、主桁21とその中間部に取り付けた縦リブ22と該縦リブ22の中間部に取り付けられた横リブ23とを備えた構造とされている。また、図(ａ)に示す正面図には、左端を原点とした直線座標が加えられており、前記縦リブ22の取付位置等のように、断面形状が変化する位置の座標値が記入されている。
【００２７】
図１(ｂ)は、同図(ａ)における断面形状が異なる部分について示す図であり、(ｂ)の(イ)は図(ａ)におけるＢ−Ｂ線とＤ−Ｄ線のそれぞれに沿って切断した断面図であり、この断面形状を有する部分の座標値が併記されている。すなわち、(イ)に示す断面形状を備えた部分が座標値Ｘが０〜１０（０≦Ｘ＜１０）と座標値Ｘが２０〜５０（２０＜Ｘ≦５０）の範囲で続いていることを示すデータである。同様に、(ｂ)の(ロ)は座標値Ｘが１０、２０（Ｘ＝１０、Ｘ＝２０）の位置において備えている断面形状を、また(ｂ)の(ハ)は座標値Ｘが１０〜２０（１０＜Ｘ＜２０）の範囲で続いていることを示すデータである。
【００２８】
これらの断面形状と座標値Ｘとから取得した３次元データから、図１(ｃ)に示すFEMデータが取得される。
【００２９】
図４は鋼橋等の複雑な構造物についてFEM解析を行う場合の手順を説明するフローチャートで、図１(ａ)に示すように、２次元CADを利用してＩ桁20の正面図や側面図等の必要な図面を作成する。完成した図面の任意の軸に沿って座標を設け、この座標値とCAD図面とから得られた断面形状について、図１(ｂ)に示すように２次元CADデータを作成する（ステップ３０１）。次いで、この２次元CADデータを基に、３次元座標データを取得する（ステップ３０２）。そして、３次元座標データを基に、図１(ｃ)に示すFEM解析モデルを構築する（ステップ３０３）。このFEM解析モデルにメッシュ分割を行い（ステップ３０４）、材料の板厚を入力し（ステップ３０５）、さらにヤング率等、FEM解析に要求される材料特性情報を入力して（ステップ３０６）、FEM解析を実行する（ステップ３０７）。なお、FEM解析は実際の地震時水平力を想定して載荷させることにより行う。
【００３０】
ステップ３０７における解析結果から、耐震構造として十分か否かを判断し（ステップ３０８）、十分であればその補強構造を採用する。十分でないと判断される場合には（ステップ３０８／ＮＯ）、解析結果を参酌して、材料の板厚を変更して剛性を調整すれば良い場合にはステップ３０５に戻り、材料の板厚の変更では対処できない場合にはステップ３０１に戻って構造の変更を行うようにする。
【００３１】
図２は箱桁30に用いられる変位制限構造のための補強構造の概略を例示しているものであり、図３に示す箱状の主桁31の内部には、図２に示す補強部材が設けられるものとしてある。すなわち、主桁31と内部構造とを各別に２次元CADで作図して、それぞれについて２次元CADデータを作成する。補強部材は、柱部材32と梁部材33とを備えた構造で、これらは板材が適宜に組み合わされて構成されている。そして、例えば、補強構造については、図２(ｂ)に示すように、座標値ＸがＸ＝０、Ｘ＝2000の位置では(イ)の断面形状となり、Ｘ＝700、Ｘ＝1300の位置では(ロ)の断面形状となり、700＜Ｘ＜1300の範囲では(ハ)の断面形状となり、０＜Ｘ＜700、1300＜Ｘ＜2000のそれぞれの範囲では(ニ)の断面形状となる。また、主桁31は、図３に示すように、内部にリブ34が取り付けられた構造とされており、図３(ｂ)に示すように、座標値Ｙ＝０では、図(ｂ)の(イ)に示す断面形状となり、段部31aを越えると同じく(ロ)に示す断面形状を備える。
【００３２】
そして、これら箱桁30に関する２次元CADデータと補強部材に関する２次元CADデータとを合成して３次元座標データ化すれば、箱桁30に補強部材を設けた構造についてのFEM解析モデルを構築することができ、FEM解析を行って所望の補強構造を設計する。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
２次元CADで作成した図面を断面形状と座標値とによって分解し、これらのデータから３次元座標データ化をして３次元化することによりFEM解析モデルを構築するから、鋼橋の補強構造のように複雑な構造であってもFEM解析を実行させることができる。したがって、既存の鋼橋の補強工事を迅速に促進できる。また、鋼橋の耐震補強設計のみならず、例えば新設の鋼橋や水槽、クレーン等のように、板材を交差させて組み合わされる構造物の設計についても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明に係る橋梁の耐震補強部材の設計支援方法の第１の実施形態による設計手順を実行する場合について、比較的簡単な構造物の場合についての説明図である。
【図２】この発明に係る橋梁の耐震補強部材の設計支援方法の第２の実施形態による設計手順を実行する場合について、複雑な構造物の場合についての説明図であり、該構造物の一部についての図と、２次元CADデータ化した図である。
【図３】第２の実施形態に係る説明図で、図２に示す構造物と組み合わされている他の部分についての図と、２次元CADデータ化した図である。
【図４】この発明に係る橋梁の耐震補強部材の設計支援方法を用いてFEM解析を行う手順を説明するフローチャートである。
【図５】単純な構造の場合のFEMデータ化を説明する図である。
【図６】鋼橋の構造を説明する一部を切断して示す斜視図である。
【図７】落橋防止構造を示す図であり、(ａ)は正面図で、(ｂ)は(ａ)におけるＡ−Ａ線に沿った矢視図である。
【図８】変位制限構造を示す図であり、(ａ)は正面図で、(ｂ)は(ａ)におけるＡ−Ａ線に沿った矢視図である。
【符号の説明】
【００３５】
20  Ｉ桁
21  主桁
22  縦リブ
23  横リブ
30  箱桁
31  主桁
32  柱部材
33  梁部材
【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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【図８】
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