土木技術資料 52-2(2010)

土研センター
土研センター

既設橋梁支承の取替え用に開発されたゴム支承
安波博道 ＊ 中島和俊 ＊＊1

審査証明対象の一連のゴム支承製品は、在来製

1．はじめに品には無い特殊な要素技術、すなわち、積層ゴム

平成７年の兵庫県南部地震では、橋梁支承部に支承に比べて鉛直耐荷力が 2倍以上の性能を有す

想定を超えた衝撃力の作用や、上部工との大きなる「弾性荷重支持板：HiPS」、水平力に対する抵相対変位が生じたため、多数の鋼製支承が破損し、抗機能を支承本体の中心部に集約した「水平力支橋梁の被害拡大の一因となった。この地震の経験持装置：シンボウ」が共通して組み込まれている。

を 踏 ま え て 改 訂 さ れ た 道 路 橋 の 耐 震 設 計 基 準 1)

審査証明では、これら特殊技術について力学機構

では、橋梁支承への要求性能として「支承本体はと基本性能の把握の方法や、実寸大での試験がで大規模地震（レベル２）に対しても破損することきない大型サイズの評価方法が焦点となった。本なく、上部工慣性力を確実に下部工に伝達するこ稿では、各ゴム支承製品の概要、ならびに特殊技と」となった。

術の評価方法について紹介するものである。

鋼製支承と対比してゴム支承は、地震による被害が小さかったことや、鉛直と水平の双方に変形2．各ゴム支承製品の概要性能を有していることから、兵庫県南部地震以降

2.1 「機能分離型ゴム支承装置」 2)は新設橋梁には積層ゴム支承（図-1）が多く使用「 機 能 分 離 型 ゴ ム 支 承 装 置 」 は 、 図 -2の 配 置 例されるようになった。しかし、既設橋梁の耐震補に示すように、従来は一つの支承で受け持たせて強を目的とした支承取替えにおいては、積層ゴムいた鉛直力支持機能と水平力支持機能を分離し、支承は外形寸法が大きいことから、スペースに納鉛直力支持装置として支承の平面寸法が小さく、まらないという問題が生じた。

かつ、高さが低いゴム支承部品である「弾性荷重このような状況下、上部工の構造形式や支持機

支 持 板 ： HiPS」 を 組 み 込 ん だ も の で あ る 。 図 -3

構、支承周りのスペース等のさまざまな既設橋梁に公称支持力が1,000kNの鉛直力支持装置を、ま支承の取替え条件に適合しやすくするため、支承

た、図-4にHiPSの構造を示す。

メーカーは耐震や免震などの各種性能を有する製品の開発に取り組んだ。このうち特に支承本体の形状寸法の縮小を志向して開発された一連のゴム主 桁

横 桁

水平力支持装置

主 桁

支承製品（技術名称：「機能分離型ゴム支承装置」、コンクリートブロック「 固定 ゴム支承 装置」、「超 小型ゴム支 承装置」 の３件）について、財団法人土木研究センターでは建設技術審査証明委員会にて審査を行った。
主鉛直力支持装置

桁

図-2「機能分離型ゴム支承装置」の配置例

上沓330300
積層ゴム支承（反力1,000kN）
52.5
101.5

主 桁

上下鋼板
内部鋼板
ゴム

ベースプレート

HiPS

アンカーボルト

ベースプレート
アンカーボルト

図-1 在来の積層ゴム支承490────────────────────────

図-3「機能分離型ゴム支承装置」の鉛直力支持装置の例

New rubber bearings applied for improvement of existingbridges－ 56 －

土木技術資料 52-2(2010)

土研センター
在来の積層ゴム支承は、図-1に示すようにゴムこと、ならびにシンボウの下鋼板へのねじ込み長と鋼板を交互に積層し加硫接着させたものである。

さの極小化をはかることにより、支承高さを一層鉛直荷重が作用するとゴムが側方に膨らむが、鋼小さくした支承である。

板との接着力によりゴムの膨出を抑制することで400320桁（反力1,000kN）

57

こ れ に 対 し て HiPSは 、 図 -4に 示 す よ う に 凹 状 に加工した上下の鋼板とリングプレートによりゴムシンボウの変形に対する拘束度を一層高めて鉛直方向の限HiPS界支持力を向上させた構造であり、これにより同アンカーボルト格の公称支持力の積層ゴム支承に比べて形状寸法740を小さくすることが可能となる。
平 面 図

図-6「超小型ゴム支承装置」の構造概要

Ａ―Ａ
PTFE

98

鉛直方向の支持力と剛性を確保するものである。

主3．「弾性荷重支持板：HiPS」の力学性能

上鋼板(SS400)

ｔ=3mm

3.1 支持力特性と限界性能の把握
Ａ

HiPSの 鉛 直 支 持 力 の 限 界 性 能 を 把 握 す る た め

Ａ
被覆ゴム(NR)に 、 公 称 支 持 力 が 250kNか ら 20,000kNま で の 製品のうち、試験機能力の制約により1,750kNの製側 面 図

下鋼板(SS400)品を用いて圧縮力載荷試験を行った。載荷は、圧リングプレート(SS400)
ゴム(NR)

図-4

縮 応 力 度 が 25N/mm 2 刻 み の 繰 返 し 漸 増 と し た 。
試験結果の一部として載荷の最終サイクルと一つHiPSの構造

2.2 「固定ゴム支承装置」 3)

前における応力度－変位関係を図-7に示すが、最既設の単純桁橋や連続桁橋の固定支承を取替え

終 サ イ ク ル の 圧 縮 応 力 度 が 125N/mm 2 か らる場合には、設置スペースの問題とともに、地震150N/mm 2 に至る載荷の途中で異状がみられた。

時の衝撃力による脆性破壊が生じないような支承

ま た 、 除 荷 後 に は 残 留 変 位 2mmが 生 じ た 。 さ ら

本 体で なけれ ばな らない。「固 定ゴム 支承 装置 」に、載荷試験後に供試体を切断解体して内部の状の構造を図-5に示すが、鉛直力の支持には前項の態を観察したところ、写真-1に示すようにリングHiPSを 用 い 、 水 平 力 に 対 し て は 、 従 来 の 固 定 支

プレートとの界面近傍でゴムのき裂が生じていた。

承で支承本体の外側に備えていた水平力抵抗部材

この試験結果から、 HiPSの使用上の限界圧縮に代わり、水平全方向に抵抗する鋼製の円柱シン応力度を異状が発生した 133.8N/mm 2 と定義し、ボウを支承中央に配置することにより、衝撃に強以 降 、 各 サ イ ズ の HiPSの 支 持 力 性 能 を 評 価 す る

く、かつ外形寸法の縮小を可能にしたものである。

ための照査荷重（上限値）とすることとした。

主 桁

420
360

175.0

150N/mm2載荷サイクル
125N/mm2載荷サイクル（反力1,000kN）
圧縮応力度 (N/mm2)

HiPS

16256150.0

シンボウ

ベースプレート
アンカーボルト

830

133.8N/mm2125.0
異状発生
100.0
75.0
残留変位
2mm50.0

図-5「固定ゴム支承装置」の構造概要

地震時許容応力度
常時許容応力度

25.0

2.3 「超小型ゴム支承装置」 4)「 超 小 型 ゴ ム 支 承 装 置 」 は 図 -6に 示 す よ う に 、
前 項 の 「 固 定 ゴ ム 支 承 装 置 」 に 対 し て HiPSの 下鋼板にベースプレートの機能を兼ねる構造とする－ 57 －

0.00.01.0

2.0 3.0 4.0
圧縮変位(mm)5.0

図-7 圧縮試験の応力度－変位関係図

土木技術資料 52-2(2010)

土研センター
土研センター
次に、大型の各サイズの数値解析においては、
上鋼板照査荷重を載荷したときのゴム材に生じるひずみゴムを照査ひずみ（7.19×10 0 ）と定め、FEM解析によってゴム材の最大ひずみが照査ひずみに達した

リングプレート時点の圧縮荷重をそのサイズの限界荷重とした。
その結果、いずれのサイズの限界荷重とも圧縮応ゴム力 度 が 75N/mm 2 以 上 で あ っ た 。 こ れ に よ り 、 限

下鋼板

ゴムのき裂

界荷重に対する安全率を3以上として、HiPSの許容 圧 縮 応 力 度 を 25N/mm 2 に 設 定 し た こ と の 妥 当

写真-1 試験後のHiPSの切断面3.2 大型サイズの性能の推定方法性を検証した。なお、これは積層ゴム支承の許容試験機能力の都合により照査荷重まで載荷ができない大型サイズについては、大変形理論に基づ
く FEM解 析 を 用 い た 数 値 解 析 に よ っ て 支 持 力 性能を推定した。

圧縮応力度（最大12N/mm 2 ）の約2倍に相当する。

4．「水平力支持装置：シンボウ」の力学性能
4.1 支持機構と限界状態の把握

ま ず 、 FEM解 析 の 精 度 を 確 認 す る た め 、 載 荷「 超 小 型 ゴ ム支 承 装 置」で は 、 支承高 さ を 縮 小試験を行った供試体を対象に単調荷重を作用させするためにシンボウの下鋼板（ベースプレート兼る数値解析を行った。図-8に数値解析の結果を載用）へのねじ込み長さを小さくしている。この場

荷試験結果と合わせて示すが、ゴム材のポアソン合、シンボウの径とねじ込み長さとの力学的な関比をひずみ依存形で設定することにより、載荷試係を把握する必要がある。シンボウに水平力が作験を高い精度で再現する解析モデルを設定するこ用 し た 場 合 の 抵 抗 機 構 は 、 図 -10に 示 す よ う に シとができた。また、図-9に数値解析のひずみ分布

ンボウ本体の曲げ耐力、せん断耐力、ねじ部の抜を示すが、試験でゴム材にき裂が生じた部位は解け出しのいずれかと考えられる。そこで、実製品析でも最大ひずみが発生しており、ここで作成しを用いてシンボウに水平力を作用させて、最終のた数値解析モデルの大型サイズの性能評価に適用壊れ方を確認することとした。その結果、写真-2する妥当性を確認した。に示すように、ねじ部の抜け出しが支配的である
実験値
6倍載荷
FEM解析

150.0

供試体：No.5ポアソン比：ν=0.4998

圧縮応力度(N/mm 2)

圧縮応力度(N/mm 2)

150.0125.0

ことがわかった。

175.0
5倍載荷
実験値
FEM解析

100.075.050.0
25.0125.0φ

供試体：No.6ポアソン比：ν=0.5002

H

100.0

M

75.050.0

σtT

τ σcT

25.00.00.0

1.0

2.0 3.0 4.0
圧縮変位(mm)5.00.00.0

図-10 シンボウの抵抗機構
1.02.0 3.0 4.0
圧縮変位(mm)5.0

図-8 FEM解析結果と圧縮載荷試験の比較

リングプレート

ゴム最大ひずみ発生箇所

下鋼鈑

図-9 FEM解析におけるゴム材のひずみ分布

写真-2 試験終了時の供試体の状況－ 58 －

L175.0土木技術資料 52-2(2010)

土研センター
載 荷 試 験 を 行 っ た 。 1/2モ デ ル の 供 試 体 は 、 ね じ

4.2 大型サイズの性能の推定方法
シンボウの径と下鋼板へのねじ込み長さとの力ピッチも実寸の1/2で加工されている。

学的な関係を把握するため、水平力載荷試験を1/2モ デ ル の 力 学 的 相 似 則 を 確 認 す る た め に 、行った。ねじ部の抜け出しを伴う反力を評価する

シ ン ボ ウ 径 が 100mm 、 150mm （ ね じ 込 み 長 さにあたり、ここではシンボウ基部（下鋼板上面）2ケース）、180mmの4ケースについて実物大モデにおける曲げモーメントを指標として整理した。

ル と 1/2モ デ ル の 両 方 の 試 験 を 行 っ た 。 最 大 曲 げ「 超 小 型 ゴ ム支 承 装 置」に 用 い られる シ ン ボ ウ

モーメントの理論上の相似率は4.00であるが、載の 径 は 80mmか ら 340mmで あ る が 、 ま ず 、 こ の荷試験結果は4ケースの平均で4.78となった。図-う ち 実 物 大 モ デ ル で の 試 験 が 可 能 な 径 180mmよ12に 、 1/2モデ ル の 試験結 果 に 対して 水 平 荷重 をり小さい径について、径が同じで複数のねじ込み4.78倍にしたものを実物大モデルの試験結果と対長 さ の 供 試 体 を 対 象 と す る 試 験 を 行 っ た 。 図 -11比した一例を示す。両者の荷重－変位関係はよくの図中（■印）に、ねじ山数ごとの（n=7，10，一致している。ここでは 4ケースの相似率のばら15） シ ン ボ ウ 径 と 最 大 曲 げ モ ー メ ン ト の 関 係 をつ き が 小 さ い こ と 等 か ら 、 1/2モ デ ル の 試 験 結 果示す。図からわかるように、ねじ込み長さ（ねじを用いて実物大の最大曲げモーメントを推定する山数）と最大曲げモーメントに相関があることが場合の相似率として4.78を用いることとした。

わかった。

図-11の図中（◆印）に1/2モデルの試験結果か

次 に 、 シ ン ボ ウ 径 が 180mmを 超 え る 大 型 サ イ

ら推定した最大曲げモーメントを示す。また実物ズ の 製 品 に つ い て は 、 形 状 寸 法 が 1/2の 縮 小 モ デ大の試験結果も総合して、ねじ込み長さに対するルの供試体を用いて実物大モデルと同様の水平力

シンボウ径と最大曲げモーメントの相関式を示し700,000
600,000
基部の最大曲げモーメント
Ｍmax (kN･mm)た。シンボウの各サイズの許容水平支持力は、本実物大モデル（実験値）
1/2モデル（推定値）
実験式（線形近似）

n=15

実験式に0.9を乗じた値に対して安全率1.7を考慮して設定した。

500,000
400,000

Mmax = 2,060φ - 105,000

5．おわりに

n=10300,000

橋梁支承の小型化を志向して開発されたゴム支

Mmax = 1,800φ - 96,100
200,000

承製品に関する審査証明の一部を紹介した。本稿

n=7100,000に掲載した実験や解析の詳細については、参考文

Mmax = 1,100φ - 39,600

04080120160200240
シンボウ径 φ (mm)280320360献2)－4)の各報告書を参照されたい。
参考文献

図-11 シンボウ径と最大曲げモーメント（シンボウ基部）との関係

1) 道路橋示方書･同解説 Ⅴ耐震設計編、2002.32) 建設技術審査証明報告書「HSB」、2006.3
3) 建設技術審査証明報告書「FxSB」、2006.94) 建設技術審査証明報告書「UCB」、2009.1

4,000
実物大モデル
1/2モデル(水平荷重4.78倍,水平変位2.0倍)

水平荷重(kN)

3,200

2,400

安波博道*

中島和俊**

1,600

800

00.0

1.0

2.0 3.0 4.0
水平変位(mm)5.0

6.0

図-12 1/2モデルから推定した実物大の荷重－変位関係と実物大試験結果の比較

財団法人土木研究センター
材料･構造研究部長、工博Dr. Hiromichi YASUNAMI－ 59 －

財団法人土木研究センター
材料･構造研究部 研究員
Kazutoshi NAKASHIMA