(57)【要約】【課題】  Ｉ字形状断面の鋼材からなる橋桁において、列車通過時における振動の発生を、重量を必要以上に増大させることなく抑制して騒音を防止することができる橋桁構造を提供する。【解決手段】  Ｉ字形状断面の鋼材からなる既設の橋桁１において、列車通過時に大きく振動するウェブ1aのみに、音圧レベルの減衰効果を発揮するウレアウレタン樹脂層３を長さ方向の中央部が厚く、両端部にいくに従って薄くなるように、又は、長さ方向に所定間隔毎に異なる厚みとなるように設けて、重量を必要以上に増大させることなく列車通過時における橋桁１の騒音レベルを効率的に抑えることができる橋桁構造としている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉ字形状断面の鋼材からなる橋桁のウェブの表面のみに所定厚みを有するウレアウレタン樹脂層を設けていることを特徴とする橋桁の制振構造。
【請求項２】
橋桁のウェブの表面における外側の面にのみウレアウレタン樹脂層を設けていることを特徴とする請求項１に記載の橋桁の制振構造。
【請求項３】
橋桁のウェブの表面における内側の面にのみウレアウレタン樹脂層を設けていることを特徴とする請求項１に記載の橋桁の制振構造。
【請求項４】
橋桁のウェブの表面における外側および内側の面にウレアウレタン樹脂層を設けていることを特徴とする請求項１に記載の橋桁の制振構造。
【請求項５】
ウレアウレタン樹脂層の厚みを橋桁のウェブにおける長さ方向の中央部が厚く、両端部が薄くなるように形成していることを特徴とする請求項１ないし請求項４のうち、いずれか１項に記載の橋桁の制振構造。
【請求項６】
橋桁はプレートガーダーであって、ウェブは一定長さを有する複数の板状部材を順次長さ方向に連結してなり、各板状部材の表面に設けたウレアウレタン樹脂層の厚みを板状部材毎に異なる厚さに形成していることを特徴とする請求項１ないし請求項４のうち、いずれか１項に記載の橋桁の制振構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道用橋梁における橋桁の制振構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
橋梁における橋脚間又は橋台間、或いは橋脚と橋脚間に架設されたＩ字形状断面の鋼材よりなる橋桁上にレールを敷設している鉄橋を列車が通過する際に、橋梁下部構造の上記橋桁が振動して騒音が発生する。なお、Ｉ字形状断面の鋼材としてはＩ形鋼やプレートガーダーがある。この騒音を低減する方法としては、例えば、鋼材そのものの厚さを厚くして剛性を増すことにより振動し難くする方法や、磁性ゴム層に鋼製拘束層を一体に層着してなる制振部材をレールや鋼材に張り付ける方法や、特許文献１に記載しているように、鋼構造物の鋼材全表面を、10〜30mm程度の厚みを有する硬質ウレタンフォームによって被覆する方法が考案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−６０６１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、鋼材の厚さを増加させると、重量が増大してその支持構造として、より大きな荷重を支えることができるものにしなければならない。また、磁性ゴム層に鋼製拘束層を一体に層着してなる制振部材では、レールや鋼材に磁着させているにすぎないので不測に剥離したり或いは盗難に合う虞れがあるばかりでなく、重量が増大して既設の橋梁の橋桁に採用しようとしても、既設の橋梁の場合には設計荷重にあまり余裕を持たせていないので採用することが困難であるといった問題点がある。
【０００５】
さらに、鋼構造物、例えば、橋桁の表面全面に硬質ウレタンフォーム層を設けてなる構造によれば、盗難に合うようなことはなく振動による騒音を防止することができるが、既設の橋桁に対しては、レールを敷設している上面や橋脚に支持されている下面までも硬質ウレタンフォーム層を設けることがレール等を撤去しない限り行うことができない。また、橋桁がＩ字形状断面の鋼材からなる場合には、該橋桁に敷設しているレール上を列車が通過した際に、後述するように、振動による大きな放射音が発生するのはウェブ部分であって上下フランジ部分はウェブ部分に比べて放射音が小さく、従って、上下のフランジまでも一定厚みの硬質ウレタンフォーム層によって被覆することは、著しい手間と労力を要する。
【０００６】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、既設の橋梁の橋桁であっても重量を必要以上に増大させることなく振動の発生を抑制して騒音を防止することができると共にその制振処理が極めて容易に行える橋桁の制振構造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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の橋桁の制振構造は、請求項１に記載したように、Ｉ字形状断面の鋼材からなる橋桁のウェブの表面のみに所定厚みを有するウレアウレタン樹脂層を設けていることを特徴とする。
【０００８】
このように構成した橋桁の制振構造において、請求項２に係る発明は、橋桁のウェブの表面における外側の面にのみウレアウレタン樹脂層を設けたことを特徴とし、請求項３に係る発明は、橋桁のウェブの表面における内側の面にのみウレアウレタン樹脂層を設けていることを特徴とし、請求項４に係る発明は橋桁のウェブの表面における外側および内側の面にウレアウレタン樹脂層を設けていることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項５に係る発明は、橋桁のウェブに層着している上記ウレアウレタン樹脂層の厚みを橋桁の長さ方向の中央部が厚く、両端部が薄くなるように形成していることを特徴とし、請求項６に係る発明は、橋桁がプレートガーダーであってそのウェブは一定長さを有する複数の板状部材を順次、長さ方向に連結してなり、各板状部材の表面に設けたウレアウレタン樹脂層の厚みを板状部材毎に異なる厚さに形成していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
橋桁の上面に敷設したレール上を列車が通過する際に、橋桁の振動によって騒音が発生するが、橋桁がＩ字形状断面の鋼材からなる場合、そのウェブ部分の振動が大きく、上下フランジ部分の振動が小さい。本発明においては、大きく振動するウェブにのみ所定厚みのウレアウレタン樹脂層を設けているので、騒音源の大部分を占めるＩ字形状断面の鋼材からなる橋桁のウェブの振動を該ウレアウレタン樹脂層によって抑制することができると共に、その他の橋桁部分にはウレアウレタン樹脂層が設けられていないので、ウレアウレタン樹脂層の使用量が少なくて済み、全体の重量が軽減されて既設の橋梁の場合における設計荷重にあまり余裕を持たせていない場合であっても該橋梁の橋桁にこの制振構造を採用することができる。
【００１１】
さらに、請求項２ないし請求項４に係る発明によれば、上記Ｉ字形状断面の鋼材からなる橋桁において、上下フランジの面にはウレアウレタン樹脂層を設けることなくウェブの表面における外側の面にのみ、又は内側の面にのみ、或いは両面にウレアウレタン樹脂層を設けた構造としているので、橋桁の重量の増加を小さく抑えながら橋桁のウェブの振動を効果的に低減させて騒音の発生を防止することができる。
【００１２】
また、橋桁上を列車が通過した際の振動は、上述したように橋桁のフランジ部分よりもウェブ部分の方が大きいが、このウェブ部分においてもその長さ方向の中央部分が両端部分よりも振動が大きくなり、従って、その中央部分の振動を抑制し得るだけの厚みを有するウレアウレタン樹脂層を全長に亘って設けることは材料の無駄になるが、本発明においては請求項５に記載したように、橋桁のウェブに設けているウレアウレタン樹脂層の厚みを橋桁の長さ方向の中央部が厚く、両端部が薄くなるように形成しているので、ウレアウレタン樹脂層を必要以上に厚くすることなく、橋桁のウェブの全長に亘って橋桁の振動を効果的に抑制することができる最小限度の厚みに設定することができ、材料費の無駄をなくすることができる。
【００１３】
また、橋桁はそのウェブが一定長さを有する板状部材を順次連結してなるプレートガーダーである場合には、該橋桁上を列車が通過した際に発生する個々の板状部材の振動についての固有周波数は個々の板状部材の重量により決まり、各板状部材の表面に設けるウレアウレタン樹脂層の厚さを同じ厚みにすると、それぞれの固有周波数がほぼ一定となってしまい、橋桁全体の振動が低減してもその振動による騒音は耳障りとなる。これは、人間の聴覚は特定の周波数が卓越している場合に敏感に反応するからである。しかし、本発明においては請求項６に記載したように、橋桁がプレートガーダーであってそのウェブが複数の一定長さの板状部材を順次連結することによって形成し、且つ、ウレアウレタン樹脂層の厚みを橋桁のウェブを構成する板状部材毎に異なる厚さとなるように形成しておくことによって、各板状部材で発生する振動の固有周波数を分散させることができ、耳障りな騒音を効率よく抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に本発明の具体的な実施の形態を図面について説明すると、図１は鉄道用橋梁における橋桁の縦断正面図、図２は橋脚間にこの橋桁を架設してなる橋梁の一部の簡略側面図、図３はその簡略縦断正面図であって、橋桁１はウェブ1aの上下端にフランジ1b、1cを一体に形成してなるＩ字形状断面のプレートガーダーからなり、その表面全面に従来の橋桁と同様に薄い防食性、耐候性を有する合成樹脂層よりなる防食塗層２を層着していると共に、橋桁１の振動による騒音の発生を抑制するために、ウェブ1aの表面のみに所定厚みを有するウレアウレタン樹脂層３を該表面全面に設けている。このウレアウレタン樹脂層３をウェブ1aの両側面に設けておいてもよいが、図においては、ウェブ1aの外側の面にのみ設けてあり、内側の面は上下フランジ1b、1cと同様にウレアウレタン樹脂層３を設けることなく上記防食塗層２を露呈させた構造としている。また、ウレアウレタン樹脂層３の表面には該ウレアウレタン樹脂が紫外線で劣化するのを防止する塗料を塗布している。
【００１５】
なお、ウレアウレタン樹脂層３は、新たな橋梁を築造する際に、橋桁１として使用するプレートガーダーに防食塗層２と共に設けておいてもよいが、本発明においては、既設の橋梁における橋脚４、４の上端部間又は橋台4'と橋脚４との上端部間に架設されている橋桁１におけるウェブ1aの片面（外側面）にウレアウレタン樹脂の吹き付け塗装を行うことによってウレアウレタン樹脂層３を形成している。この際、ウレアウレタン樹脂を塗布すべきウェブ1aの表面が汚れている場合には、その汚れを拭き取り、必要に応じてその表面の防食塗層２を削除したのち、該表面に接着剤を塗布し、この接着剤の表面にウレアウレタン樹脂を吹き付けることによって所定厚みのウレアウレタン樹脂層３を層着している。
【００１６】
このように、プレートガーダーよりなる橋桁１におけるウェブ1aの表面のみに列車の通過時における該橋桁１の振動による騒音の発生を抑制するためのウレアウレタン樹脂層３を設けているのは、次の理由による。即ち、図４に示すように、既設の橋梁における橋脚４、４の上端部間又は橋脚４と橋台4'間に架設している橋桁１のウェブ1aにおける長さ方向の中央部と該ウェブ1aの中央部の下方における下側フランジ1cの長さ方向の中央部とに振動計10、11を取付けて、この橋桁１の上面に枕木５を介して敷設しているレール６、６上を列車が通過した時におけるこれらのウェブ1aとフランジ1cとの振動を測定したところ、表１に示すような測定結果が得られた。なお、橋脚４、４間又は橋脚４と橋台4'に支持されている橋桁１の支持部間の長さは13.4ｍ、ウェブ1aの肉厚は９mm、上下幅（高さ）は1448mm、フランジの肉厚は９mm、横幅は316mm である。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
この表１から明らかなように、列車の通過時に発生する振動加速度レベルは、橋桁１におけるフランジ1cよりもウェブ1aの方が10ｄＢ以上大きい。振動が音に変換する時の変換効率である音響放射率を考えた場合、上記フランジ1c、ウェブ1aともに同じ材質の鋼材からなり、従って、音響放射率も同様であるといえるので、フランジ1cからの放射音はウェブ1aからの放射音よりもかなり小さく、ウェブ1aがプレートガーダーからなる橋桁１の放射音を支配しているものであると言える。そのため、プレートガーダーからなる橋桁１の放射音を低減するには、ウェブ1aからの放射音を低減すればよく、そうすることによって橋桁１の振動による騒音の発生を抑制することができるのである。
【００１９】
そして、ウェブ1aの表面のみに上述したように所定厚みのウレアウレタン樹脂層３を設けることによって、このウレアウレタン樹脂層３によりウェブ1aからの放射音の低減、即ち、設計荷重にあまり余裕を持たせることができない既設の橋梁荷重の増加を押さえながら騒音レベルの効果的な減衰を図っている。
【００２０】
次に、ウレアウレタン樹脂による騒音の低減効果についての試験結果を示す。まず、大きさが１m2で厚みが９mmの鉄板を試験体Ａとし、この鉄板と同一大きさ、同一厚みの鉄板の片面全面に制振材料として広く採用されている鉛を張り付けてなるものを試験体Ｂとし、さらに、上記鉄板と同一大きさ、同一厚みの鉄板の片面全面あるいは両面全面にウレアウレタン樹脂層を層着してなるものを試験体Ｃとして、これらの試験体Ａ〜Ｃを図５に示すように剛性を有する壁体12に設けている大きさが１m2の開口部13に嵌め込み状態に順次固定し、壁体12によって仕切られた一方の室側から音圧加振してその加振により鉄板に発生する振動と他方の室内に放出される音圧レベルを測定した。この場合、試験体Ｂとして厚みの異なる鉛を張り付けた数種類の試験体を試験し、同様に、試験体Ｃとして鉄板に吹き付けた厚みの異なるウレアウレタン樹脂層を層着した数種類の試験体の試験を行った。
【００２１】
鉄板のみからなる試験体Ａの測定結果を基準として、鉛及びウレアウレタン樹脂層を層着している試験体Ｂ、Ｃの音圧レベルの減衰効果を図６に示す。この図において、鉛及びウレアウレタン樹脂層の鉄板に対する施工厚さを単位面積当たりの質量に換算（鉛の場合１mm＝11.3kg/m2 、ウレアウレタン樹脂層の場合１mm＝１kg/m2 ）して整理している。なお、同図において、付加質量が５Kgの場合は鉄板の片面に厚さ５mmのウレアウレタン樹脂層を層着している試験体の結果であり、付加質量が２Kg、６Kg、10Kgの場合は鉄板の両面にそれぞれ厚さ１mm、３mm、５mmのウレアウレタン樹脂層を層着している試験体の結果である。
【００２２】
鉛やウレアウレタン樹脂層の厚みが厚くなる程、音圧レベル効果が当然のことながら大きい結果となっている。ウレアウレタン樹脂層の場合、鉄板の両面に層着した厚さの合計に応じた音圧レベル効果が見られた。同図では、質量効果も併せて示している。この質量効果とは、鉄板が付加質量に相当する分だけ厚くなったと仮定し、その厚さの増加に伴うインピーダンス（加振力と振動から求まる振動の困難性の程度）の上昇分を効果して算定してものである。この分、鉄板で発生する振動が小さくなるので、発生する音圧レベルが減少するという考え方である。このインピーダンスは次式によって部材厚が増加したものとして効果を算出する。
【００２３】
【数１】
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上記式において、Zb：インピーダンス、ρ：密度、Ｅ：ヤング率、ｈ：部材厚である。
【００２４】
上記図６から明らかなように、付加質量の増加に伴う音圧レベルの減衰効果量の増加の大きさは、質量効果よりも鉛を張り付けた試験体Ｂの方が多少大きく、ウレアウレタン樹脂層を層着した試験体Ｃは試験体Ｂよりもかなり大きい結果となっている。そして、これらの試験体Ｂと試験体Ｃを比較すると、試験体Ｃの方が小さい付加質量で大きな効果を得ている。この効果の大小は、材料自体の減衰特性に大きく影響している。
【００２５】
即ち、鋼材の内部損失係数は0.0001以下と非常に小さいのに対して、鉛の内部損失係数は0.015 程度であり、鋼材と比較すれば鉛は加振により振動が発生した場合における振動の収束時間が短い。従って、単位時間内における振動のエネルギー量が少なくなるので発生する音圧レベルも小さくなるのである。さらに、ウレアウレタン樹脂に関しては、主剤がウレタン樹脂であり、このウレタン樹脂の内部損失係数は0.1 程度であるので、発生する音圧レベルがかなり小さくなるのである。但し、対象としているのは鉄板と鉛又はウレアウレタン樹脂とを組み合わせた場合の効果であるので、その効果量の増加分は、単純な内部損失係数の増加だけによるものではない。
【００２６】
次に、図７（ａ）に示すように、鉄板A'の表面に鉛７やウレアウレタン樹脂層３等の付加材を一体に層着してなる板材における振動エネルギーの吸収メカニズムについて簡単に説明する。基材である上記鉄板A'の表面に上記ウレアウレタン樹脂層３を設けた場合、上述したようにウレアウレタン樹脂はその内部損失係数が大きいので、単位時間内における発生振動は少なく、放出される音圧レベルは低減する。上記鉄板A'の振動時において、該鉄板A'が振動により変形するのに追随して付加材にも図７（ｂ）に示すように、伸び縮みが発生し、この付加材の伸び縮みが鉄板A'の振動エネルギーを消費する。そして、この振動エネルギーは熱エネルギーに変換される。
【００２７】
振動エネルギーを効率よく吸収するには、上記付加材として所定の質量を有し、且つ材料自体の内部損失が大きいものを選ぶ必要があり、また、基材である鉄板A'と付加材との付着力や付加材自体の伸び変形性能も所定のものを選ぶ必要がある。これは、基材と付加材との組み合わせが変形に抵抗する度合いが大きい程、エネルギーの損失が大きいからである。このことから、付加材としてウレアウレタン樹脂層３を使用すると、ウレアウレタン樹脂は比重が1.0 、内部損失係数が0.1 程度であるから、伸び変形性能及び基材（鉄板A'）との付着性能が優れていて大きな減衰効果を発揮する。
【００２８】
ウレアウレタン樹脂層による騒音レベルの減衰効果の実験例として、ウレアウレタン樹脂層が設けていない施工前の上記プレートガーダーからなる橋桁１と、この橋桁１におけるレール６、６から見て外側のウェブ1aの表面に５mm厚のウレアウレタン樹脂層３を吹き付けにより設けている施工後の橋桁との音圧レベルを実測した。レール６上を列車が通過する際に発生する橋桁１の振動による騒音を測定する個所は、レール６の長さ方向の中央部から該レール６に直交する方向に向かって12.5ｍ離れた位置とし、その位置における地面から1.2 ｍの高さに騒音計を設置した。
【００２９】
この騒音計によって上記レール６上を通過する30本の電車についての騒音を測定し、その測定のうち、騒音レベルの大きい上位20本の電車を評価対象とした。なお、橋桁１にウレアウレタン樹脂層３を設けていない施工前と、ウレアウレタン樹脂層３を設けた施工後とでは、乗車人数等の差が出ないようにするため、同じ時刻に上記レール６上を通過する電車を対象として測定を行っている。その騒音レベルの測定結果を表２に示すと共に周波数分析の結果を図８に示す。その結果、騒音レベルの減衰効果としては平均で2.3dB の騒音低下効果が得られた。さらに、周波数分析結果においては500Hz 以上の周波数で音圧レベルの低下効果が得られた。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
列車の通過時に、橋梁の橋桁において振動が最も大きく生じるのはスパンの中央部であり、両端にいく程、振動が小さくなる。従って、橋桁のウェブ1aにウレアウレタン樹脂層３を吹き付けにより設けて橋桁から発生する振動による騒音を低減する場合、ウレアウレタン樹脂層３の厚みが大きい程、音圧レベル減衰効果は大きいので、橋桁１の長さ方向の中央部にウレアウレタン樹脂層３を厚く吹き付け、両端部を薄く吹き付ければ、橋梁全体の荷重の増加を押さえながら効率的に騒音レベルの減衰を図ることができる。
【００３２】
例えば、上記図２において、橋桁１のウェブ1aにおける長さ方向の中央部、即ち、間隔の細かい斜線を施している部分1a1 のウレアウレタン樹脂層３の厚みを８mm、間隔の粗い斜線を施している両端部分1a3 のウレアウレタン樹脂層３の厚みを２mm、中央部と端部との中間部分1a2 のウレアウレタン樹脂層３の厚みを５mmとして列車通過時における橋桁１の騒音レベルを効率的に減衰させている。
【００３３】
一般に騒音は色々な周波数のものが複合している。上述したように人間の聴覚は特定の周波数が卓越している場合に敏感に反応する。従って、人間にとって騒音が耳障りとならないようにするためには、特定の周波数を卓越させないようにすることが一つの方法となる。物体の振動の固有周波数は次式により表される。
【００３４】
【数２】
2005248480.tif 000006
上記式において、fn：固有周波数、ｋ：ばね定数、ｍ：質量である。
【００３５】
従って、質量ｍを変えることで振動の固有周波数を変えることができる。橋桁がプレートガーダーであって、ウェブ1aが一定長さと一定厚みを有する複数の板状部材を補剛材によって順次連結してなる場合において、各板状部材の表面に設けるウレアウレタン樹脂層３の厚さを同じ厚みにするとそれぞれの固有周波数がほぼ一定となってしまい、橋桁全体の振動が低減してもなお耳障りな騒音が出てしまうことがある。しかし、橋桁１のウェブ1aを構成する板状部材のそれぞれの表面に設けるウレアウレタン樹脂層３の厚みを異なる厚さとなるように形成しておけば、各板状部材で発生する振動の固有周波数を分散させることができ、耳障りな騒音を効率良く抑えることができる。例えば、図９において、橋桁１を構成する板状部材1a4 、1a5 、1a6 、1a7 、1a8 、1a9 におけるそれぞれのウレアウレタン樹脂層３の厚みを３mm、７mm、５mm、８mm、６mm、４mmとすれば、板状部材毎に重量が変わるので、それぞれの振動の固有周波数を分散させることができ、耳障りな騒音を効率良く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】橋桁の縦断正面図。
【図２】橋桁を架設してなる橋梁の一部の簡略側面図。
【図３】その簡略縦断正面図。
【図４】ウェブとフランジとの振動を測定する状態の簡略側面図。
【図５】騒音の低減効果の試験方法の説明図。
【図６】音圧レベルの減衰効果を示す線図。
【図７】振動エネルギーの吸収メカニズムの説明図。
【図８】周波数と音圧レベルとの関係線図。
【図９】プレートガーダーの橋桁を架設してなる橋梁の一部の簡略側面図。
【符号の説明】
【００３７】
１  橋桁
1a  ウェブ
1b  フランジ
２  防食塗層
３  ウレアウレタン樹脂層
【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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【図９】
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