(57)【要約】【課題】長大吊橋に適用する箱桁構造の橋梁は固有振動数が低いためフラッターが発生しやすく、フラッター発現風速を高めることは容易ではない。【解決手段】橋軸方向へ延びる二箱桁構造の偏平な橋梁本体２と、この橋梁本体２の幅方向中央部分に上下貫通状に形成され橋軸方向へ延びる中央通風開口３と、この中央通風開口３の上面に設けられ車両が通行可能なグレーチング構造４と、中央通風開口３の幅方向中央を挿通する状態に設けられ橋梁本体２の上下両側へ突出する中央遮風構造７（橋梁本体２の上面に立設された中央防護柵７ａとその下端から下方に設けられた鉛直板７ｂで構成される）とを設け、橋梁本体２の幅方向の両端部分に、上下１対の傾斜板８ａ，８ｂと、これら傾斜板８ａ，８ｂの先端部に連結された立板８ｃとを有する台形状フェアリング８を設けた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二箱桁構造の橋梁において、橋軸方向へ延びる二箱桁構造の偏平な橋梁本体と、この橋梁本体の幅方向中央部分に上下貫通状に形成され橋軸方向へ延びる中央通風開口と、この中央通風開口の上面に設けられ車両が通行可能なグレーチング構造と、前記中央通風開口の幅方向中央上面に立設された中央防護柵とその下端より中央通風開口を挿通する状態に設けられ橋梁本体の下側より突出する鉛直板で構成された中央遮風構造とを備え、前記橋梁本体の幅方向の両端部分に、夫々、上下１対の傾斜板と、これら傾斜板の先端部に連結された立板とを有する台形状フェアリングを設けたことを特徴とする橋梁。
【請求項２】
前記橋梁本体の台形状フェアリングの基端付近において、橋梁本体の上下両側に橋梁本体から所定距離離隔し且つ橋軸方向へ延びる水平なガイドベーンを設けたことを特徴とする請求項１に記載の橋梁。
【請求項３】
前記ガイドベーンは、橋軸方向に所定間隔おきに位置し且つ橋軸に直交する複数の脚板の上端に固定されたことを特徴とする請求項２に記載の橋梁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、長大吊橋や斜張橋に適用される二箱桁構造の橋梁に関し、橋梁本体の幅方向両端部のフェアリングの形状を三角形状でなく台形状に形成し、フェアリングの付近において橋梁本体の上下両側にガイドベーンを設け、耐フラッター性能を改善したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、長大吊橋や斜張橋に適用される橋梁は、鉛直曲げや捩じりの固有振動数が低いために、フラッターと呼ばれる激しい発散振動が発現する風速（以下、フラッター発現風速という）が低くなる傾向にある。
このため，前記橋梁の断面形状としては、動的空力特性に優れる平板翼に近い偏平箱桁断面形状が採用されている。しかし、偏平箱桁構造の橋梁であっても、固有振動数が著しく低い場合には、依然フラッター発現風速が低いという課題があり、フラッター発現風速を高める技術として、例えば、特許文献１、特許文献２に記載の技術が提案されている。
【０００３】
特許文献１の橋梁では、箱桁の中央部に上下方向の開口部を設け、この開口部の中央部を通って箱桁の上面から箱桁の下面に亘る鉛直の偏流板を設け、この橋梁は、風上側において風の流れを偏流板により偏流させて、風下側において風が箱桁の上・下面に再び付着するのを防止して、自励的空気力を抑制して、フラッター発現風速を高くしている。前記開口部の橋梁全幅に対する比率は約１０％程度であり、この開口部の上面には路面として活用できるグレーチングが設けられている。
【０００４】
箱桁の両端部分に形成されるフェアリングとして、上傾斜板と下傾斜板とで側方へ尖らせた等辺三角形状のフェアリング、上傾斜板を省略し下傾斜板を箱桁の上面まで延ばした上端張出し状のフェアリング、下傾斜板を省略し上傾斜板を箱桁の下面まで延ばした下端張出し状のフェアリング、上傾斜板とこれよりも広幅の下傾斜板とで側方へ尖らせた不等辺三角形状のフェアリング、断面半円状のフェアリング、などが提案されている。
【０００５】
特許文献２の橋梁では、箱桁の上面の中央に通風性のある遮風壁を設け、風の流れの一部を遮風壁を通過させることで、橋梁の上面付近における風速を低減させて、フラッター発現風速を高めている。この橋梁では、前記の不等辺三角形状のフェアリングと同様のフェアリングが採用されている。
しかし、特許文献１の橋梁では、開口部の幅が余り大きくないため、開口部の通風性が低く、耐フラッター性能を高めるのが難しい。特許文献２の橋梁では、フラッター発現風速をある程度高くすることが可能であるものの、未だ十分に高め得るとは言いがたい。
【０００６】
このような問題に鑑みて、土木学会第５５回年次学術講演会講演概要集Ｉ−Ｂ５９に記載の橋梁（講演発表橋梁）（図１０参照）が提案された。図１０（ａ），（ｂ）に示すように、この講演発表橋梁１００，１０１は、二箱桁構造の橋梁であって、その箱桁の中央分離帯部分には、中央開口部１０２が連続的または離散的に舗装部分を侵すことなく上下に貫通状に形成され、その箱桁の中央上面および両端上面には、前記中央開口部１０２への風導手段としての中央遮風壁１０３および端部遮風壁１０４が夫々設けられ、箱桁の下面には２条の検査車レール１０５が設けられている。この橋梁１００，１０１では、前記不等辺三角形状のフェアリングと同様のフェアリング１０６が採用されている。
【０００７】
この橋梁１００，１０１においては、端部遮風壁１０４と検査車レール１０５の各々の剥離干渉効果により、中央遮風壁１０３と中央開口部１０２の制振効果が強調される空気流のパターンをつくり、フラッター発現風速を高めている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】特許文献１には、種々の形状のフェアリングが提案されているものの、フェアリングの形状と耐フラッター性能の関係について十分な検討がなされておらず、フェアリングの形状については、検討の余地が残っている。このことは、特許文献２の橋梁や図１０の講演発表橋梁の不等辺三角形状のフェアリングにおいても同様である。
【０００９】
しかも、橋梁のフェアリングの基端付近に、路肩防護柵や端部遮風壁を設ける技術は提案されているけれども、空力特性に大きな影響を及ぼす水平なガイドベーンにより、耐フラッター性能を改善する技術は何ら提案されていない。
本発明の目的は、二箱桁構造の橋梁において、フェアリングの形状を台形状にして耐フラッター性能を改善すること、ガイドベーンを活用して耐フラッター性能を改善すること、等である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１の橋梁は、二箱桁構造の橋梁において、橋軸方向へ延びる二箱桁構造の偏平な橋梁本体と、この橋梁本体の幅方向中央部分に上下貫通状に形成され橋軸方向へ延びる中央通風開口と、この中央通風開口の上面に設けられ車両が通行可能なグレーチング構造と、前記中央通風開口の幅方向中央上面に立設された中央防護柵とその下端より中央通風開口を挿通する状態に設けられ橋梁本体の下側より突出する鉛直板で構成された中央遮風構造とを備え、前記橋梁本体の幅方向の両端部分に、夫々、上下１対の傾斜板と、これら傾斜板の先端部に連結された立板とを有する台形状フェアリングを設けたものである。
【００１１】
橋梁本体のフラッターは、橋梁本体に作用する自励的空気力としての変動揚力と、変動揚力の作用中心位置と橋梁本体の構造中心との離隔によって生ずる変動モーメントにより発生する。二箱桁構造の橋梁本体では、正又は負の小さな迎角をもってほぼ水平方向から吹く風の一部が中央通風開口部を通過して流れるため、橋梁本体に作用する上面と下面の圧力差が緩和されて変動揚力が低減する。また、上流側箱桁とともに下流側箱桁からも空気流が剥離することにより、それぞれの箱桁に作用する変動揚力がバランスし橋梁本体に作用する変動モーメントも低減する。これに対し、橋梁本体の上下両側へ突出する中央遮風構造を設けることにより、中央遮風構造からの空気流の剥離が生ずることによって、変動揚力のバランスは変動モーメントを低減する方向に改善される。さらに、このような二箱桁構造のフェアリングの形状を台形状とすることによって、変動モーメントはより低減することが実験的に確かめられた。こうして、橋梁本体に作用する変動モーメントが低減することによって、フラッター発現風速は高くなる。
【００１２】
請求項２の橋梁は、請求項１の発明において、前記橋梁本体の台形状フェアリングの基端付近において、橋梁本体の上下両側に橋梁本体から所定距離離隔し、且つ橋軸方向へ延びる水平なガイドベーンを設けたものである。この水平なガイドベーンより、風が橋梁本体の上面と下面に沿って流れやすくなり、その流れが中央遮風構造による剥離作用を強化するため、橋梁本体に作用する変動モーメントが低減するものと推定される。
【００１３】
請求項３の橋梁は、請求項２の発明において、前記ガイドベーンが、橋軸方向に所定間隔おきに位置し且つ橋軸に直交する複数の脚板の上端に固定されたものである。複数の脚板は橋軸に直交しているため、フラッターの発生に対して問題とすべき風向である橋軸に向かってほぼ直角に吹く風の流れに殆ど影響を与えない。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について説明する。
本実施形態の橋梁は、最大支間が２０００ｍを超える長大吊橋に適用されるものであり、図１に示すように、この橋梁１は、左箱桁２ａと右箱桁２ｂの２つの箱桁を有する二箱桁構造の偏平な橋梁であり、図１の紙面直交方向（橋軸方向へ）へ所定長さ（例えば２３００ｍ）延びている。橋梁１の長さ×幅は、例えば、２３００ｍ×２７ｍである。
【００１５】
この橋梁１は、基本的に、橋軸方向へ延びる二箱桁構造の偏平な橋梁本体２と、この橋梁本体２の幅方向中央部分に上下貫通状に形成され橋軸方向へ延びる中央通風開口３と、この中央通風開口３の上面に設けられ車両が通行可能なグレーチング構造４と、中央通風開口３内に設けられ左箱桁２ａと右箱桁２ｂとを連結する上段トラス構造５および下段トラス構造６と、中央通風開口３の幅方向中央上面に立設されて橋梁本体２の上側へ約１．０ｍ位突出する中央防護柵７ａとこの中央防護柵７ａの下端より中央通風開口３を挿通する状態に設けられ橋梁本体２の下側へ約１．０ｍ位突出する鉛直板７ｂとで構成された中央遮風構造７と、橋梁本体２の幅方向の両端部分に夫々設けられた台形状フェアリング８と、橋梁本体２の台形状フェアリング８の基端（橋梁１の中央側の端部）付近において橋梁本体２の上下両側に橋梁本体２から約１．０ｍ位離隔し且つ橋軸方向へ延びる水平なガイドベーン９と、橋梁本体２の下面側に設けられ橋軸方向へ延びる２条の検査車レール１０とを有する。
【００１６】
図示省略したが、左箱桁２ａと右箱桁２ｂの内部には、必要な剛性・強度を確保する為に、橋軸方向に延びる複数のスチフナや橋軸と直交する方向に配置されたリング状スチフナや仕切り壁などが設けられている。前記中央通風開口３を流れる空気流（風）を多くして橋梁本体２に作用する揚力を低減する為に、中央通風開口３の幅は、本実施形態では橋梁１の幅の約１／３になっている。但し、この１／３の値に限定されるものではない。
【００１７】
各台形状フェアリング８は、上下１対の傾斜板８ａ，８ｂと、これら傾斜板８ａ，８ｂの先端部に連結された立板８ｃとを有し、上下１対の傾斜板８ａ，８ｂの間の先端角（図１の仮想頂点Ａにおける開角、以下フェアリング先端角という）は約５５〜６５度であり、立板８ｃは、傾板８ａ，８ｂの基端から仮想頂点Ａまでの水平幅を２等分する位置に配置されている。但し、立板８ｃの上記の位置は一例であり、この位置に限定される訳ではない。ガイドベーン９は、橋軸方向に所定間隔おきに位置し且つ橋軸に直交する複数の脚板９ａの上端に固定されている。橋梁本体２の上面側に設けられた左右のガイドベーン９の内側端部の位置には、路肩防護柵１１が設けられている。
【００１８】
以上説明した橋梁１の作用について説明する。
図２に示すように、例えば、図の左方から風が吹く場合、ガイドベーン９により空気流が橋梁本体２の上面と下面沿った流れに整流され、上面側の空気流の一部は中央通風開口３を通って下面側へ流れ、下面側の空気流の一部は中央通風開口３を通って上面側へ流れる。この中央通風開口３を通過する流れにより、橋梁本体２に発生する上面と下面の圧力差が緩和されて揚力が低減する。中央遮風構造７の上端部（つまり、中央防護柵７ａ）が橋梁本体２の上面よりも突出しているため、橋梁本体２の上側において、中央遮風構造７から発生する空気流の剥離によって右箱桁２ｂに作用する変動揚力が左箱桁２ａに作用する変動揚力とバランスすることにより変動モーメントが低減する。
【００１９】
橋梁本体２の下側においては、上記と同様に、中央遮風構造７の下端部が橋梁本体２の下面よりも突出しているため、橋梁本体２の下側において、中央遮風構造７から発生する空気流の剥離によって右箱桁２ｂに作用する変動揚力が左箱桁２ｂに作用する変動揚力とバランスすることにより変動モーメントが低減する。尚、橋梁本体２の下側においては、検査車レール１０が橋梁本体２の下面側へ突出しているため、検査車レール１０からも剥離が発生するが、検査車レール１０を適切な位置に配置することにより耐フラッター性能に殆ど影響を与えないことが実験的に確かめられている。
【００２０】
台形フェアリング８の作用に関して、後述の実験結果によれば、台形フェアリング８を設けると、三角形フェアリングを設ける場合と比較して、正又は負の小さな迎角をもってほぼ水平方向から吹く風により橋梁本体２に作用する定常的な揚力に殆ど差が生じないのに対して、定常的なモーメントは大幅に低減する。これは、台形フェアリングによって空気流のパターンに微妙な変化が生じて、橋梁本体２に作用する揚力の作用中心が橋梁本体２の幅中央側へ移動したことによるものと推定され、これと同様にして変動モーメントも低減する。後述の実験結果から分かるように、この橋梁１によれば、耐フラッター性能が改善され、フラッター発現風速が高くなる。
【００２１】
次に、上記の橋梁１の橋梁模型をバネ支持した状態および固定支持した状態で風洞実験して得た実験結果について図３〜図７に基づいて説明する。尚、図９は、この実験において比較例として用いた橋梁模型２０の断面図であり、この橋梁模型２０は、図１に示す橋梁の橋梁模型と比べて、フェアリングを図示のような三角形フェアリング２１に変更しただけで、その他の構造は同じである。
【００２２】
図３〜図７において、「台形」は、図１に示すような台形フェアリング８を有する橋梁模型を示し、「三角」は図９に示すような三角形フェアリング２１を有する比較例の橋梁模型を示す。
【００２３】
図３は、ガイドベーン無しの模型について、フェアリングの先端角度を異ならせて、フラッターの発生しにくさの程度を示すｋ値（形状補正係数）を求めた実験結果を示す。このｋ値は、ｋ値＝実験限界風速／Ｓｅｌｂｅｒｇ式で求めた平板翼断面の限界風速である。先端角度５５〜６５度の範囲で、三角形フェアリングよりも台形フェアリングの方が格段に高いｋ値が得られ、耐フラッター性能が改善されている。
【００２４】
図４は、ガイドベーン無しおよびガイドベーン付きの模型について、フェアリングの先端角度を異ならせて、迎角を−３ｄｅｇ  〜＋３ｄｅｇ  の範囲で変化させてｋ値を求めた実験結果を示す。図中の「角度」はフェアリング先端角、「ＧＶ」はガイドベーン付きを示す。迎角−３ｄｅｇ  では何れの模型も耐フラッター性能が悪化する傾向にあるが、ガイドベーンの付設により耐フラッター性能が格段に改善され、台形フェアリングとガイドベーンの組合せにより、より優れた耐フラッター性能が得られている。中でも、先端角５５度の台形フェアリングの模型が、最も優れた耐フラッター性能を示している。
【００２５】
図５〜図７は、共通のフェアリング先端角５５度を有する台形フェアリングを設けた橋梁模型と三角形フェアリングを設けた橋梁模型について、−１５ｄｅｇ  〜＋１５ｄｅｇ  の範囲で迎角を変化させて三分力（定常的な抗力、揚力、空力モーメント）を測定した結果を整理したものである。図５に示すように、台形フェアリングを付けた橋梁模型の抗力係数は、三角形フェアリングを付けた橋梁模型の抗力係数よりも幾分大きくなっているが、図６に示すように揚力係数については両者に殆ど差が生じない。
【００２６】
しかし、図７に示すように、６ｄｅｇ  以下の迎角の範囲においては、台形フェアリングを付けた橋梁模型の空力モーメント係数は、三角形フェアリングを付けた橋梁模型のモーメント係数よりも大幅に低減し、例えば迎角０ｄｅｇ  では約１／３程度の値となっている。これは、台形フェアリングによって、空気流のパターンに微妙な変化が生じて、橋梁模型に作用する揚力の作用中心の位置が橋梁模型の幅中央側へ移動したことによるものと推定される。長大吊橋の場合、橋梁本体に捩じり変形が生じやすいので、このモーメント係数が低減する特性は長大吊橋にとって非常に有利である。
【００２７】
図８は、最大支間２３００ｍの長大吊橋を対象に、前記の２種類の橋梁模型について得られた三分力を用いて、風速を変化させた場合の捩じり変位（支間中央における捩じり変位）を解析的に求めた三次元静的変形解析の結果を示すものである。この図から分かるように、台形フェアリングを有する橋梁の捩じり変位は、三角形フェアリングを有する橋梁の捩じり変位と比較して大幅に減少している。また、この静的な捩じり変位を考慮した三次元フラッター解析結果では、フラッター発現風速は、三角形フェアリングを有する橋梁では約８０ｍ／ｓ、台形フェアリングを有する橋梁では約１００ｍ／ｓになる。三角形フェアリングに比べ、台形フェアリングの場合には、フラッター発現風速を約２０％程度高めることができるうえ、図８に示すように捩じり変位を格段に低減させることができる。
【００２８】
前記実施形態は一例を示すものに過ぎず、橋梁本体２のサイズ（長さと幅と高さ）、中央通風開口３の幅、中央遮風構造７の上下の突出量、ガイドベーン９の高さ位置、台形フェアリング８の立板８ｃの位置などは、当業者ならば本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施可能である。
【００２９】
【発明の効果】請求項１の橋梁によれば、中央通風開口により橋梁本体に作用する変動揚力および変動モーメントを低減できる。橋梁本体の上下両側へ突出した中央遮風構造による剥離作用により、変動揚力のバランスを変動モーメントを低減する方向に改善できる。さらに、台形状フェアリングによっても、変動揚力の作用中心を橋梁本体の幅中央側へ変化させて橋梁本体に作用するモーメントを低減できる。こうして、橋梁本体に作用する変動揚力を低減させると共に変動モーメントを低減させ、フラッター発現風速を高めることができる。
【００３０】
請求項２の橋梁によれば、この水平なガイドベーンより、風が橋梁本体の上面と下面に沿って流れやすくなり、その流れにより中央遮風構造による剥離作用が強化され、その結果、橋梁本体に作用する変動モーメントが低減するものと推定される。
【００３１】
請求項３の橋梁によれば、ガイドベーンは、橋軸方向に所定間隔おきに位置し且つ橋軸に直交する複数の脚板の上端に固定されたため、フラッターの発生に対して問題とすべき風向である橋軸に向かってほぼ直角に吹く風の流れに殆ど影響を与えない複数の脚板により、ガイドベーンを橋梁本体に支持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の橋梁の断面図である。
【図２】風の流れの挙動を説明する説明図である。
【図３】実験で得たフェアリング先端角度とｋ値の関係を示す線図である。
【図４】実験で得た迎角とｋ値の関係を示す線図である。
【図５】実験で得た迎角と抗力係数の関係を示す線図である。
【図６】実験で得た迎角と揚力係数の関係を示す線図である。
【図７】実験で得た迎角とモーメント係数の関係を示す線図である。
【図８】解析で得た風速と捩じれ変位の関係を示す線図である。
【図９】実験に供した比較例の橋梁模型の断面図である。
【図１０】（ａ）は従来技術に係る橋梁の断面図であり、（ｂ）は同じく従来技術に係る橋梁の断面図である。
【符号の説明】
１          橋梁、              ２          橋梁本体
３          中央通風開口、      ４          グレーチング構造
５          上段トラス構造、    ６          下段トラス構造
７          中央遮風構造、      ７ａ        中央防護柵
７ｂ        鉛直板、            ８          台形フェアリング
８ａ，８ｂ  傾斜板、            ８ｃ        立板
９          ガイドベーン、      ９ａ        脚板
１０        検査車レール        １１        路肩防護柵
【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】
2004285753.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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