報 文地震時超過作用に対する損傷誘導のためのゴム支承取付ボルト部構造の提案
Proposed Structure of Rubber Bearing Fixing Bolt to Prevent Damage toPiers Caused by Excessive Acting Loads from Earthquakes
佐藤京

寺澤貴裕

畠山乃

SATO Takashi, TERASAWA Takahiro and HATAKEYAMA Osamu

著者らは、道路橋の耐震設計照査に用いられる地震動を超えた作用（以下、超過作用）への対策を検討している。
具体的には、本荘ら1)が耐震補強対策で検討したノックオフ機能付き支承構造に類似しており、復旧性の高い部材として、ゴム支承の下沓プレート取付ボルトに着目し、これに損傷を誘導する設計法（以下、損損傷誘導設計法）の提案を目指し、要求される耐震性能を確保した上で橋梁部材の耐力階層精度を高めるため、RC橋脚の配筋やスリットを設けた取付ボルトのせん断挙動について検討を進めている。松村ら2)は、スリットを設けたボルトの荷重に対する変位を良好に制御するための検討として、高力ボルトを対象とした検討を行い、スリットの寸法による適用条件を示した上で、せん断破断荷重の算定式を提案している。しかし、せん断破断における強度、ひずみを高い信頼性で制御することが求められる損損傷誘導設計法に適用するには、ボルトの寸法に対応した適用範囲や算定値と実測値とのバラツキの低減が重要である。
本検討では、取付ボルトを模擬した試験体を対象に、せん断破断試験を実施し、損傷制御の信頼性を向上させる取付ボルト部構造に対する検討を行った。その結果、取付ボルトせん断位置に対するスリット構造に合わせて、下沓プレートに対する加工を行うことを提案した。
《キーワード：超過作用；損傷誘導設計法；耐力階層》
The authors have studied countermeasures against actions in excess of seismic motions (hereinafterreferred to as "excess actions") used for seismic design verification of road bridges. Specifically, the authorsaim to propose a design method to induce damage to the lower shoe plate mounting bolts of rubber bearings(hereinafter referred to as "loss damage induction design method"), which is similar to the bearing structurewith knock-off function studied by Honjo et al.1) in their seismic reinforcement measures and is a highly
recoverable component, and are conducting studies regarding effective placement of auxiliary reinforcement in
RC piers and structure of mounting bolts in order not to fall below the required seismic performance.
Matsumura et al. have conducted a study on high-strength bolts as a study for good control of load anddisplacement of bolts with slits, and proposed a formula for calculating shear rupture load after showing theconditions provided by the slit dimensions. However, in order to apply the loss-damage induced design method,which requires highly reliable control of strength and strain at shear rupture, there is room for further study on
the scope of application corresponding to bolt dimensions and on reducing the variation between calculated andmeasured values.
In this study, shear rupture tests were conducted on a specimen simulating a mounting bolt, and a proposal
was made for a mounting bolt structure that improves the reliability of damage control.
《Keywords：Excess Action; Damage-Induced Design Method; Strength Hierarchy》

2

寒地土木研究所月報№845

2023年６月

本検討では、取付ボルトを模擬した試験体を対象に、

１．はじめにせん断破断試験を実施し、損傷制御の信頼性を向上さ
著者らは、道路橋の耐震設計照査に用いられる地震せる取付ボルト部構造の提案を行なった。

動を超えた作用（以下、超過作用）への対策を検討している。具体的には、本荘ら1)が耐震補強対策で検討

２．試験概要したノックオフ機能付き支承構造に類似しており、復旧性の高い部材として、ゴム支承の下沓プレート取付

２．１

ボルトに損傷を誘導する設計法（以下、損傷誘導設計

２．１．1

試験装置および試験体試験装置法）の提案を目指し、要求される耐震性能を確保した

本検討では、図－1および図－2に示す載荷装置と載橋梁部材の耐力設定精度を高め、耐力階層化の確実性荷治具を用いて、図－2の治具を図－3のように組み立を向上させる効果的なRC橋脚の配筋や取付ボルトのて、2面載荷試験を実施した。載荷は、油圧ジャッキ構造に関する検討を進めている。

により載荷プレートを鉛直下方に押すことで、せん断松村、石原 は、スリットを設けたボルトの荷重に力を導入している。載荷治具は、油圧ジャッキに接触対する変位を良好に制御するための検討として、高力する載荷プレート側を凸型、固定となる下側を凹型に、ボルトを対象とした検討を行い、スリットの寸法によS50C材を削り出して成型した。また、試験体のせんる適用条件を示した上で、せん断破断荷重の算定式を断面に曲げモーメントが作用しないようにするととも提案している。しかし、せん断破断における強度、ひに、繰返し載荷により、治具に損傷や変形が生じないずみを高い信頼性で制御することが求められる損損傷

ように、試験体に図－4に示すS55C材を削り出しで製誘導設計法に適用するには、ボルトの寸法に対応した作したスリーブを装着して載荷治具に配置し、さらに適用範囲や算定値と実測値とのバラツキの低減が重要試験体の挙動に与える影響をできるだけ小さくするたである。

め、載荷治具の孔とスリーブ間に生じる隙間は、製作

2)

図－1

図－2
寒地土木研究所月報№845

2023年６月

載荷装置

載荷治具（S50C材）(寸法；mm)

3

図－3

載荷治具（組図）(寸法；mm)

図－4スリーブ（S55C材）(寸法；mm)

図－5 試験体(寸法；mm)
表－1が可能な最小値の0.05mmとした。
２．１．２

試験体

本試験では、直径D=16mmの鋼材（強度区分10.9相当のSCM435）より図－5に示す試験体を製作した。

材質

鋼材径

降伏点

引張強さ

SCM43516(mm)785(N/mm2)

930(N/mm2)用いた鋼材諸元を表－1に示す。試験体についての検表－2

討要素は、スリットの有無、ネジの有無としている。
試験では、試験体内部の軸方向ひずみ、側面ひずみを計測した。なお、側面ひずみを計測するための加工として溝を設けたことにより断面積が変わること、さらに試験体を配置した際の拘束条件が異なることにより、溝の影響を評価するために溝加工をしないケースも設けた。表－2には、試験ケース一覧を示し、測定項目を併記した。種別φ16とは、全長にわたって、ね4鋼材諸元

試験
ケース
Case01
Case02
Case03
Case04
Case05
Case06
Case07
Case08

せん断試験ケース一覧

種別ねじ規格

φ16φ16φ16φ16M16M16M16M16並ねじ
並ねじ
並ねじ並ねじスリット 側面ひずみ 軸力の有無
計測
計測○○○○○○○○○○○○○○○○

寒地土木研究所月報№845

体数2355235102023年６月

図－6

ザグリ加工の説明図

じが無い棒鋼の試験体である。M16とは、両端部の長さ80mmの部分が並ねじ16と同等の加工でネジを形成し、めねじを配置したスリーブと組み合わせて、下沓取付ボルトを再現した試験体である。また、スリットの有無とは、せん断破断を誘導するためネジ部に隣接した位置に深さ1.5mm、幅1.5mmで外周を削った部分

図－7

最大せん断応力度とせん断強度（Case04）の有無を示している。試験体の溝や孔は、側面ひずみや軸ひずみを測定するためのひずみゲージを配置するために設けている。
２．２

試験方法

本試験では、手動の油圧ジャッキにより載荷プレートを鉛直下方に押し、せん断力を導入している。
試験体の中央部70mmは、載荷プレートの下向きの一つ山の載荷治具内に収まり、試験体の両端80mmは、載荷治具の上向き二つ山に配置されるように試験装置

写真－1

Case04-3破断A面とスリーブ状況が組み上げられる。その際、試験体は、S55C材で製作したスリーブに通して治具に配置した。なお、並ね

矢印は撮影のじ加工のある棒鋼は、ずれ留を目的としてナットを手向きを示す締めにて固定している。Case04においては、図－6に示すザグリの有無が破断に与える影響を確認するため、5つの試験体のうち2つについては下沓プレートに相当する両端80mmに位置するスリーブにザグリ加工を施し、残りの3体には施さなかった。また、それ以外のケースでは、ネジの有無、スリットの有無による最大せん断耐力と強度のバラツキを検討した。試験におい

図－8

破断面の写真の撮影位置の解説図ては、載荷荷重、載荷プレートの変位の他、試験体内部の軸方向ひずみや側面のひずみを計測している。

グループとして、各ケースの計測値と、それぞれのグループの平均値を実線で併記した。なお、本稿で用いるせん断応力度とは、載荷重をせん断抵抗断面積で除３．試験結果

し、せん断ひずみとは、載荷方向の変位をスリット幅３．１

ザグリの有無による影響

図－7にスリットを有する棒鋼を対象としたCase04で除した値とする。また、最大せん断応力度とは載荷の過程で荷重が最大となったときの応力度をいう。の最大応力と強度のバラツキを示す。図には、試験よCase04-1、Case04-2、Case04-3に用いたスリーブは、り得られた最大載荷重値から求めた最大せん断応力度

ザグリが無く、Case04-4とCase04-5では、ザグリを有とせん断破断の際の載荷重値より求めたせん断強度をするスリーブを用いた。

寒地土木研究所月報№845

2023年６月



5

図－9

最大せん断応力度のバラツキ

図－10

せん断強度のバラツキ

最大せん断応力度、せん断強度ともに、平均値より上側にあるケースは、ザグリのないケースである。一方、平均値より下側の値となったケースは、ザグリを有する2ケースとザグリ無しのCase04-1である。破断面を確認するとCase04-1を含めたザグリ無しのケース
では、写真－1のようにA’面のスリーブ上端部とA面のボルトのスリット端部が接触したと考えられる痕が確認され、載荷初期において、スリット部ではない断面でせん断方向に抵抗したことが想定される。ザグリ無しのケースにおいて、耐力差が生じた要因について不明確な点はあるものの、接触痕から想定される上記状態から、試験体が隣接のスリーブに接触することによりみかけ上、せん断強度が高くなり、目的とするスリット断面を対象とした試験の信頼性が低くなったものと考えられる。これらは、ザグリ無しの下沓プレー

図－11

トを実施工で用いる場合、下沓取付ボルトのスリット

せん断応力せん断ひずみ関係がベースプレートと下沓プレートの境界に配置する困難さが示されたことに加え、ボルトのせん断強度に対する信頼性にも影響を与えることが想定される結果で無に着目して整理した結果を示す。棒鋼とボルトそれある。以上のことから、本報告では、スリーブにザグぞれについてスリットの有無を区分として最大せん断リを有する試験結果のみ取り扱うこととした。

応力度を図－9に示す。スリットの無い棒鋼とボルト

なお、写真－1の撮影方向として示した「A」と「A’」を比較すると、最大せん断応力度の平均値は同程度では、図－8に示した矢印方向に向かって撮影した面であるが、ボルトの方が最大せん断応力度のバラツキがあることを示している。

大きい。スリットを配置した棒鋼およびボルトの結果
では、最大せん断応力度の平均値はスリット無と同じ

３．２

耐力や強度のばらつき試験で得られた最大せん断応力度とせん断強度のバラツキについて、棒鋼とボルト、さらにスリットの有6ように、同程度となっており、さらに、スリットがあることによりバラツキも小さくなっていることが確認できる。
寒地土木研究所月報№845

2023年６月

図－12

スリットを有する試験体の特徴点に対するせん断ひずみ（左；棒鋼（Case3,4）、右；ボルト（Case7,8））

図－13

スリットを有する試験体の特徴点に対するせん断応力（左；棒鋼（Case3,4）、右；ボルト（Case7,8））

同様に図－10にせん断強度に関する試験体区分毎の結果を示す。スリット無_棒鋼の強度の平均値が最もみは、スリットの幅と鉛直変位の関係より求めた回転角である。

高く、それ以外のケースでは、スリット無_ボルトも図－12に示したせん断ひずみは、いずれの点においスリットを有するものと同程度の強度であったことがても棒鋼よりボルトの方が大きいが、降伏点における確認できる。一方、スリット無_ボルトは、他の区分ボルトと棒鋼の差0.1が、最大荷重点、破断のそれぞと比べてバラツキが大きいことが確認できる。

れの差と概ね等しいことから、降伏点におけるせん断次にスリットを有する試験体を対象として、せん断ひずみの差が、その後の各点の値に影響を与えている載荷に対する降伏点、最大荷重点、破断点（以下、特と推測する。この初期に生じた差の要因は、スリット徴点という）を、図－11に示すように、せん断応力せに接するネジ加工部に起因すると想定している。図－ん断ひずみ関係より読み取った。さらにそれらの値に14に示すようにスリットに隣接したボルトネジ山の一ついてネジなしとネジありに分け、各特徴点に対する方の面に接するメネジ山がない場合、スリット幅が広ひずみや応力を平均（グラフ中の横実線）と合わせてくなることと同等の状態となることから、ボルトのせ図にまとめた（図－12、図－13）。なお、せん断ひずん断ひずみが、本来、棒鋼と同等の値であったとして

寒地土木研究所月報№845

2023年６月

7

図－14

図－15

スリット部の拡大図

B側
A側
B側
A側
B 側 Case1-1 A 側
B 側 Case2-2 A 側
B 側 Case1-1 A 側
B 側 Case2-2 A 側
B 側 Case1-1
B 側 Case2-2 A 側
図－16A 側破断面の横側状況写真
Case1-1
Case2-2

破断面の撮影方向の概要も計測される変位量が棒鋼より大きくなったものと考えられる。図－12では、変位量を基にせん断ひずみをB側
A側
B側
A側
B 側 Case5-2 A 側
B 側 Case6-2 A 側
B 側 Case5-2 A 側
B 側 Case6-2 A 側
B 側 Case5-2 A 側
B 側 Case6-2 A 側
図－17 破断面の横側状況写真
Case5-2
Case6-2算出しているため棒鋼とボルトの間にこのような差異が生じたものと考えられる。図－13に示したせん断応力については、図－12に示したせん断ひずみについての傾向と異なり、降伏点における棒鋼とボルトの計測値が概ね一致している。これは計測対象の棒鋼とボルトの断面積が同じであるためであり、また各特徴点における両者のせん断ひずみの真値もほぼ同じ値をとることを示唆している。また、そのほかの特徴点では、棒鋼のせん断応力がボルトの計測値より高い結果となっているがその差は小さい。
３．３

B側
A側
B側
A側
B 側 Case3-4 A 側
B 側 Case4-4 A 側
B 側 Case3-4 A 側
B 側 Case4-4 A 側
B 側 Case3-4 A 側
B 側 Case4-4 A 側
Case3-4
Case4-4
図－18 破断面の横側状況写真

せん断破断面

試験体の平均強度について、前節で述べたスリット無_棒鋼とそれ以外の区分との間の違い及びスリット無_ボルトがバラツキが大きい要因を確認するため、破断面を確認する。ここで、図示する破断面は、図－15に示すように3つに切断された試験体の各切断部を側方から撮影し、上面（載荷プレート側）を中央に3側面を展開するように写真を配置したものを図－16から図－19に示す。本報告で掲載した写真は、試験体の条件による区分毎に代表となるケースのみ示す。
図－16に示したスリット無_棒鋼は、載荷側となる
8B側
A側
B 側 Case8-3 A 側
B 側 Case8-3 A 側
B 側 Case8-3 A 側
Case8-3
図－19

B側A側
B 側 Case8-4 A 側
B 側 Case8-4 A 側
B 側 Case8-4 A 側
Case8-4

破断面の横側状況写真
寒地土木研究所月報№845

2023年６月

上面について、下方に潰れているような変形が右面、左面それぞれの破断位置で確認できる。さらに、概ね鉛直に破断面が形成されている。
図－17に示したスリット無_ボルトにおいては、ボルトの破断位置の上面において、下方に潰れる現象はみられない。載荷側の状態が谷部から綺麗に破断するケース（Case5-2）とネジ山がちぎられるようなケース（Case6-2）が確認され、せん断境界部において、ネジの噛み合わせ状況の違いが破断の態様を不安定に図－20

最適なボルト部構造していると推察する。破断面は、長軸方向に対して単純に鉛直方向に進展するのではなく、ネジ谷部の影響導し、せん断強度のばらつきを低減できる。さらに、を受けたように傾きを持っている。

1.5mmのスリット幅をせん断スパン長とすることで、図－18や図－19に示したスリット有の区分では、スリット部がせん断変形し、破断面はスリット位置を逸脱していない。本試験結果では、概ねスリット部で破断を制御できていることが確認できる。

破断変位量の算定が可能となり、必要なじん性を確保することができる。
またスリット有りボルトにおける降伏時の最大荷重点、破断時の変位量のバラツキを低減するためには、スリットとネジを隣接させず、離隔をとってスリット４．取付ボルト部構造の最適化を配置することが良い。さらに、下沓プレートにザグリを設けることにより、ベースプレートと下沓プレーボルトのせん断試験結果とせん断破断状態を詳細に確認した結果より、以下のように整理することができト境界のスリット部の安定的な効果発現が実現し、適切なボルト破断位置に誘導することができる。
以上を踏まえ地震時超過作用に対し最適な下沓プレる。

ート取付ボルト部の構造として、図－20に示すような

1)スリット無_棒鋼
載荷プレートが下方移動することにより、外側に位ネジ部と離隔を持ったスリットを有する下沓取付ボル置する試験体の上側のみ延性変形しているため、曲げトと下沓プレートにザグリを有するボルト部構造を提抵抗が疑われる。

案する。

破断面の乱れは少ない。
2)スリット無_ボルト

５．まとめ

強度等のバラツキが大きく、破断はネジ谷部に影響
地震時超過作用に対して、ゴム支承の下沓プレートを受けている。

取付ボルトに損傷を誘導する設計法の提案を目指し、

3)スリット有_棒鋼せん断の残留変形がスリット部のみに生じているこ

ボルトのせん断破断を純せん断に近い状態でパラメトとから、せん断スパン長が定義でき、破断までの変位リックに設計できるよう、ボルト強度、破断にいたるが精度良く計算できる可能性が高い。

過程におけるひずみ（変位）等を高い信頼性で制御でさらに、破断面は平滑で試験体の長軸に対してほぼきるような構造を検討することを目的に応力ひずみ推直交しており、破断によりベースプレートに残存する定式の基礎データ収集やスリット部の最適化のためのボルトが下沓プレートを損傷させる危険度を軽減できせん断破断試験を実施した。それらの結果より以下のる可能性が高い。

知見が得られた。

4)スリット有_ボルト1)下沓取付ボルトの強度や変位のバラツキを低減す

スリット有_棒鋼と同様に、せん断スパン長が定義るためにスリットを設けることが重要であること

でき、破断までの変位が精度良く計算できる可能性がが再確認できた。また、スリットとネジ部を隣接高いが、ネジ山が載荷方向に変形するケースが確認ささせると隣接ネジ谷部が不確定要素として影響れた。

し、強度にバラツキを生じさせることから、離隔以上のことから、下沓取付ボルトにスリットを有することで、下沓取付ボルトに純せん断となる破壊を誘
寒地土木研究所月報№845

2023年６月をとって配置することが良い。
2)下沓プレートのボルト締結部にザグリを設けるこ9

とで損傷誘導の信頼性を高めることができる。

梁の耐震補強対策, 構造工学論文集, Vol.55A, pp.
506-514, 2009.
2)

参考文献

松村政秀, 石原和之: 軸部にスリットを設けたM12
高力ボルトの引張及びせん断破断実験, 構造工学

1)

本荘淸司, 横山和昭, 前原直樹, 田崎賢治, 姫野岳

論文集, Vol.58A, pp.83-91, 2012.

彦: ノックオフ機能付き支承構造を用いた既設橋

10

佐藤 京
SATO Takashi

寺澤 貴裕
TERASAWA Takahiro

畠山 乃
HATAKEYAMA Osamu

寒地土木研究所
寒地基礎技術研究グループ
寒地構造チーム
主任研究員

寒地土木研究所
寒地基礎技術研究グループ
寒地構造チーム
研究員
技術士（建設）寒地土木研究所
寒地基礎技術研究グループ
寒地構造チーム
上席研究員

寒地土木研究所月報№845

2023年６月