(57)【要約】【課題】  地震動による線路直角方向への列車軌道の変位を抑制して、地震時においても、安全な列車走行を行うことができる構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置を提供する。【解決手段】構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置において、列車軌道の地盤１に配置される杭頭天端３と前記列車軌道に配置されるフーチング５の底面との間に配置され線路直角方向に働く地震動による変位の一部を線路方向の変位へと転換する鋼鉄製転換装置４を備え、前記鋼鉄製転換装置４により、線路直角方向に働く地震動による変位の一部を線路方向Ａの変位へと転換して、前記列車軌道の線路直角方向の変位を抑制する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）列車軌道の基礎に配置される杭頭天端と、前記列車軌道に配置されるフーチングの底面との間に配置される線路直角方向に働く地震動による変位の一部を線路方向の変位へと転換する鋼鉄製転換装置を備え、
（ｂ）前記鋼鉄製転換装置により、線路直角方向に働く地震動による変位の一部を線路方向の変位へと転換して、前記列車軌道の線路直角方向の変位を抑制することを特徴とする構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置。
【請求項２】
請求項１記載の構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置において、前記鋼鉄製転換装置は、水平面内で回転する鋼鉄製回転摩擦装置であることを特徴とする構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、免震機能を有すると共に、建物周辺の鉄道や道路から伝搬してくる微振動や固体伝搬音を遮断する機能を合わせ持つ免震・防振構法建物についての提案が、下記非特許文献１、２としてなされている。
【０００３】
一方、鉄道構造物（列車軌道など）の耐震性を高めることは、地震時の列車走行安全性を確保するために、非常に重要な問題である。
【０００４】
多数の実地震被害調査によれば、地震により固定度の高い杭頭（剛接合杭頭）に大きな曲げモーメントが発生する。このことが主な杭基礎の破壊要因であることが判明している。
【０００５】
鉄道構造物の耐震性を経済的に高める方法として、免震基礎の採用が考えられる。しかしながら、免震基礎によって、構造物への地震動の作用低減は可能となるが、エネルギー吸収による変位が大きくなるため、列車の安全走行に支障をきたす場合があり、鉄道分野への適用は困難であると言われている。
【０００６】
すなわち、従来の免震基礎では、構造物への地震動の作用を低減するために、杭頭とフーチングの間を柔軟性構造で接合するが、変位の方向性を考慮していない。そのため、列車軌道と直交する線路直角方向に地震エネルギーが働き、列車軌道が線路直角方向へ変位すると、列車はその変位により最悪の場合、脱線転覆するという恐れがある。
【非特許文献１】安藤：「建物の免震防振構法の研究開発（その１０）」鹿島技術研究所年報、第３９号、第１４１〜１４７頁、１９９１年１０月３１日発行
【非特許文献２】中村他：「厚肉積層ゴムを用いた免震・除振システムの開発（その１）」、大林組技術研究所報  Ｎｏ．４２、第１５〜２２頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、列車走行に大きな影響を与える線路直角方向の振動変位を低減して、地震時においても、良好な免震効果と列車走行安全性の双方を実現できる構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置において、列車軌道の基礎に配置される杭頭天端と、前記列車軌道に配置されるフーチングの底面との間に配置される線路直角方向に働く地震動による変位の一部を線路方向の変位へと転換する鋼鉄製転換装置を備え、前記鋼鉄製転換装置により、線路直角方向に働く地震動による変位の一部を線路方向の変位へと転換して、前記列車軌道の線路直角方向の変位を抑制することを特徴とする。
【０００９】
〔２〕上記〔１〕記載の構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置において、前記鋼鉄製転換装置は、水平面内で回転する鋼鉄製回転摩擦装置であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、線路直角方向に働く地震動による列車軌道の変位の一部を列車軌道の線路方向へと転換して、列車軌道の線路直角方向の変位を抑制し、地震時の列車走行安全性を確保することができる。
【００１１】
また、その杭頭とフーチングの間の鋼鉄製転換装置の構成をより簡単なものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置は、列車軌道の基礎に配置される杭頭天端と、前記列車軌道に配置されるフーチングの底面との間に配置される線路直角方向に働く地震動による変位の一部を線路方向の変位へと転換する鋼鉄製転換装置を備え、前記鋼鉄製転換装置により、線路直角方向に働く地震動による変位の一部を線路方向の変位へと転換して、前記列車軌道の線路直角方向の変位を抑制する。
【実施例】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の杭頭免震装置が設けられる列車軌道の断面模式図である。
【００１５】
この図において、１は地盤、２は地盤１に設けられる杭、３は杭頭天端、４は鋼鉄製転換装置、５はフーチング、６はフーチング５上に設けられる橋脚、７は橋脚６上に敷設される桁と列車軌道、Ａは線路方向、Ｂは線路直角方向の地震動である。
【００１６】
図２は本発明の実施例を示す杭頭天端とフーチング底部間に配置される鋼鉄製転換装置の配置平面図、図３はその鋼鉄製転換装置の軌道への配置図、図４はその鋼鉄製転換装置の斜視図である。
【００１７】
鋼鉄製転換装置としての水平面内での鋼鉄製回転摩擦装置１０は、図４に示すように、杭頭天端に固定される基礎部材１１、この基礎部材１１上に固定される下部軸受部材１２、この下部軸受部材１２と上部軸受部材１４とを結合する鉛直ピン軸１３と、上部軸受部材１４に突設されるフーチング５への結合部材１５とを備えている。
【００１８】
このように構成された鋼鉄製回転摩擦装置１０は、図２に示すように、地盤１に４箇所配置される。
【００１９】
このように配置することにより、線路方向Ａに対して直角方向からの地震動Ｂが印加されると、水平面内での鋼鉄製回転摩擦装置１０の鉛直ピン軸１３を中心として上部軸受部材１４が回転することにより、その地震動が列車方向へ転換されてフーチング５へ伝えられる。したがって、杭頭免震機能を持たせることができる。
【００２０】
このように、構造が簡単な鋼鉄製転換装置により、地震動による列車軌道の線路直角方向の変位を抑制することができる。
【００２１】
以下、本発明の実験例について説明する。
【００２２】
模型基礎を用いた静的水平交番載荷実験および振動台実験を実施し、各種の杭頭接合を有する群杭基礎の部材変形および構造物天端の応答を計測して検討を行った。
【００２３】
静的水平交番載荷実験は、鋼製フレーム付きのアクリル土槽（幅２０００ｍｍ、奥行き６０５ｍｍ）を用いて実施した。模型基礎は実物橋脚寸法で、高さ１０．０ｍ、フーチング幅約５．０ｍ、杭径１．０ｍ、杭長１７．５ｍを対象に１／５０スケールとし、群杭（２×２）の杭頭に図５と図６に示すように各種の免震デバイスを配置して載荷を行った。模型杭は真鍮製の中空管（φ２０ｍｍ、肉厚ｔ＝１ｍｍ）を用い、閉塞した杭先端部が基礎面のアルミニウム板の上に支持された。主な実験条件を表１に示す。
【００２４】
【表１】
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なお、図５において、２１は地盤、２２は地盤２１に設けられる杭、２３は杭頭天端、２４は鋼鉄製転換装置、２５はフーチング、２６はフーチング２５に作用する垂直荷重、２７は水平用ロードセル、２８は水平荷重（スクリュージャッキ）（変位制御）である。
【００２５】
今回の実験は、免震効果と走行性に及ぼす橋脚変位の影響を検討するために、プッシュオーバーの載荷方向を列車走行に不利な線路直角方向と仮定した。杭頭接合のパタンについて、ケース１とケース２は、載荷方向と同じ方向で変形する従来式の接合法を採用したことに対して、ケース３（図７（ａ））は載荷方向と４５°の方向で回転するデバイス（参考例）、ケース４（図７（ｂ））は水平回転による応答方向を転換するデバイス（本発明）を試みた。図７（ｃ）において、Ａは線路方向の応答を、Ｂは線路直角方向の応答をそれぞれ示している。
【００２６】
振動台実験は、静的載荷実験の結果を分析した上で、代表的なケース１とケース４を対象にした。静的載荷実験と同じ模型地盤を有する土槽に、杭頭剛接と水平回転ピン接の模型基礎を設置して振動実験を行った（図８）。模型の共振特性を考慮して、入力加速度波は、２０Ｈｚ，１０Ｈｚ，５Ｈｚの正弦波とし、加速度の振幅値は１００，２００，４００，８００，１０００ｇａｌとした。
【００２７】
（実験結果および考察）
（１）静的水平載荷実験
図９に、静的水平交番載荷実験で得られた水平荷重（ａ）、杭頭モーメント（ｂ）、載荷直角方向の水平変位（ｃ）および鉛直変位（ｄ）と橋脚天端の水平変位との関係を示す。これらの骨格曲線は正負交番載荷の結果に基づいて、橋脚天端の水平変位の正負同値を平均したものである。各実験終了後に模型杭を観察したところ塑性変形は確認できず、生じた応力は弾性範囲内であったと考えられる。なお、図９において、■はケース１：剛接、▼はケース２：ピン接、△はケース３：本発明の参考例の４５°ピン接、○は本発明の水平回転ピン接の場合を示している。
【００２８】
図９（ａ）に示す水平荷重と変位の関係について、杭頭剛接のケース１の構造耐力がピン接のケース３およびケース４より低い原因は、最初の模型地盤における基盤面にアルミニウム板を設置しなかったため、杭の先端支持が先行降伏したことによって、構造全体の耐力が低下したためと考えられる。また、杭頭ピン接のケース２の構造耐力が異常に低い原因は、図９（ｄ）に示すようにケース２だけ浮き上る鉛直変位が急増することによって、構造全体の耐力が激減されたためと推測する。以上２点の問題を除くことができれば、全体的に見ると結果が合理的である。まず、図９（ｂ）の杭頭モーメントの大小について、剛接のケース１からピン接のケース３、ケース４の順で下がったことは、柔軟性のある杭頭接合による免震効果の現れと考えられる。特に、水平回転式ピンを有するケース４の免震効果が大きいことが分かった。次に、図９（ｃ）に示す列車走行に不利な載荷方向の水平変位を直角方向に転換する結果について、４５°ピン接のケース３と水平回転ピン接のケース４の効果が顕著であることから、不利な応答変位の方向を制御できることが示唆された。
【００２９】
（２）振動台実験
剛接のケース１と水平回転ピン接のケース４を対象に、加振実験で得られた橋脚天端における加振方向の応答加速度を図１０、応答変位を図１１、杭頭曲げモーメントを図１２に示す。図１０（加振条件：正弦波５Ｈｚ、８００ｇａｌ）、図１１及び図１２において、Ａはケース１：剛接の場合、Ｄはケース４：水平回転ピン接の場合を示している。図１０に示すように、免震効果によりケース４の応答加速度はケース１より２〜３割低くなったことが分かる。図１１において、Ｅはケース１：剛接の場合で変位計測限界に達していることを示している。図１１に示す変位波形の基準線のずれは、加振の際に両側の模型基礎が土槽中央に傾いたことによる誤差である。この図で、ケース１は変位計測限界値４０ｍｍを超えたことに対して、ケース４の変位は限界値以内に抑えられたことが分かる。これは列車走行安全性にとっては大変有意な結果である。また、図１２から免震効果によりケース４の杭頭曲げモーメントはケース１の半分以下であることが明らかになった。
【００３０】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置は、地震動による列車軌道の線路直角方向の変位を抑制することができるため、鉄道列車の安全走行のための免震装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の杭頭免震装置が設けられる列車軌道の断面模式図である。
【図２】本発明の実施例を示す杭頭天端とフーチング底部間に配置される鋼鉄製転換装置の配置平面図である。
【図３】本発明の実施例を示す杭頭天端とフーチング底部間に配置される鋼鉄製転換装置の軌道への配置図である。
【図４】本発明の実施例を示す杭頭天端とフーチング底部間に配置される鋼鉄製転換装置の斜視図である。
【図５】本発明の実験のための模型と載荷装置の模式図である。
【図６】本発明の実験風景を示す図である。
【図７】本発明の応答方向を転換する免震基礎の杭頭デバイスを示す図である。
【図８】振動台実験の模型設置を示す図である。
【図９】静的実験の橋脚天端変位と各計測結果の関係を示す図である。
【図１０】橋脚天端における加振方向の応答加速度を示す図である。
【図１１】橋脚天端における加振方向の応答変位を示す図である。
【図１２】杭頭曲げモーメントを示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１，２１    地盤
２，２２    地盤に設けられる杭
３，２３    杭頭天端
４，２４    鋼鉄製転換装置
５，２５    フーチング
６    フーチング上に設けられる橋脚
７    橋脚上に敷設される桁と列車軌道
Ａ    線路方向
Ｂ    線路直角方向の地震動
１０    水平面内での鋼鉄製回転摩擦装置
１１    杭頭天端に固定される台座
１２    下部軸受部材
１４    上部軸受部材
１５    フーチングへの結合部材
１３    鉛直ピン軸
２６    フーチングに作用する垂直荷重
２７    水平用ロードセル
２８    水平荷重（スクリュージャッキ）（変位制御）
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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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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【図９】
2008156913.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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