実橋における橋梁用ゴム製緩衝材の効果に関する研究
北見工業大学大学院 学正員 ○増田 兼士 北見工業大学 フェロー 大島 俊之 北見工業大学 正会員 山崎 智之 株式会社開発工営社 正会員 青地 知也
1.はじめに
兵庫県南部地震以降、耐震性向上のためゴム支承を有す る高架橋が増えている。ゴム支承を採用すると、上部構造 の応答変位が増大するという性質を有しているため、想定 外の地震が発生した際、桁と橋台の衝突が生じる恐れがあ る。そのため、緩衝材を設置することにより桁端部の損傷 を防ぐことが検討されている。しかし、既存の緩衝材は復 元力特性が期待できず、1 回の衝突により、その性質が失 われるものが多く、複数回の衝突に対応したものではない と思われる。また、衝突を防ぐために遊間を空けることで、
支承や伸縮装置の大規模化により、コストが増大している。
そこで本研究では復元性能が期待でき、かつ、吸収エネル ギー特性に優れたゴム製緩衝材を開発し、橋梁全体のコス ト縮減、支承の合理化などを目的としている。
本研究では緩衝材の圧縮実験で得られたデータを基に 適切な緩衝材バネモデルを探索し、実橋梁のデータを用い 緩衝材を考慮したモデルを作成し、橋梁全体の構造系がど のような挙動を示すかを動的解析により検討し緩衝材の 効果を評価した。また、緩衝材の吸収エネルギー特性を活 用し、支承のサイズダウン化について検討した。
2
.対象橋梁対象橋梁は、橋長
54.500ｍの2
径間PC
合成桁橋である。本研究では前段階として緩衝材の減衰効果を明確にする ため、減衰部材を緩衝材のみとした分散支承の橋梁を対象 とした。支承の設置基数は橋台
16
基、橋脚32
基であり、桁
-
橋台の遊間距離は0.25m
である。この橋梁諸元を基礎 モデルとして解析を行った。3.緩衝材の解析モデル
圧縮実験を行った緩衝材の形状は図
1
に示すようなハ の字型に設置した高硬度ゴムを上下の支圧板で挟んだも の で あ る 。1
基 当 た り の 寸 法 は 上 下 面 の 支 圧 板 が122mm×100mm
、高さ100mm
である。緩衝材はゴム同士 の接触により圧縮量が高さの50%で過圧縮状態になるこ
とを実験により得ている。緩衝材のバネモデルは図2
に示す履歴を描くように作成した。表
1
に示す緩衝材バネモデ ルの入力値は図3
に示した実験時の載荷速度0.5Hz
より得 られた荷重－圧縮量曲線より求めた吸収エネルギー量、圧 縮量などを考慮し決定した。K3 K2
4.動的解析条件
図
4
に実橋の解析モデルを示す。解析には汎用3
次元 動的解析プログラムTDAP
Ⅲを使用した。地震動はⅢ種地 盤、タイプ2
の標準地震波3
波を橋軸方向に入力し、3波 の出力結果を平均して評価した。固有値解析手法はサブス ペース法、動的解析手法は非線形時刻歴応答解析とした。時間積分法は
Newmarkβ
法(β=1/4)
を用い、積分時間間隔は塑性ヒンジバネ 基礎地盤バネ 7.200
支承バネ 支承バネ
基礎地盤バネ 6.200 9.400
緩衝材バネ 緩衝材バネ
26.000@2=52.000
A1
P1
A2
図
4
解析モデル(m)
0 5 10 15 20 25 30
0 10 20 30 40 50 60
図
1
緩衝材供試体 図2
緩衝材バネモデル図
3 緩衝材バネのモデル化
特性値 記号 単位 入力値
一次剛性 K1 kN/m/1基 3800
二次剛性 K2 kN/m/1基 100
三次剛性 K3 kN/m 1000000
クリアランス cｌ m 50～150 緩衝材高さ H m 100～200
表
1 緩衝材バネモデル入力値
cl H×0.5 K1
(mm) 122 100
H=100
荷重 (kN)
圧縮量 (mm)
1-113 土木学会第63回年次学術講演会(平成20年9月)
-225-
-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000
-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2
-0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
0 10 20 30 40 50 60
0.3
緩 衝材 なし 緩 衝材110基
応答解析結果
のモデルと緩衝材を考慮したモデルを比較
適な緩衝材設置基数を探索した。ケース
1
.3
支承のサイズダウン化変えずにゴム高さ、平面 寸
.まとめ
を最適な基数を設置することにより、大きな エ
して緩衝材や橋脚、支承などの橋梁の ト
献
小倉祐介，三上修一：連続トラス橋の桁端衝突 表
2
応答計算結果図
6
緩衝 縮量緩衝材圧縮量(m) 圧縮力(kN)
1/500
秒、解析時間は50
秒である。解析方向は緩衝材の圧縮方向を検討対象としているため橋軸方向のみとしてい る。
5.地震 5.1
概要緩衝材なし
し、緩衝材が橋梁全体に与える影響を検討する。緩衝材高 さを変化させ
3
つの解析ケースを設け(表1
参照)、それぞ れのケースで最適な緩衝材の設置基数を探索した。本研究 では、緩衝材の圧縮量が二次剛性範囲内で留まることを最 適としている。その中でケース毎に支承のサイズダウン化 を図った。5.2 解析結果
ケース毎に最では
550
基、ケース2
では220
基、ケース3
では110
基、設置することにより緩衝材の圧縮量が緩衝材高さの
50%
で留まる結果となった。これらの基数を最適設置基数とす る。緩衝材の設置方法として、ユニット化してジョイント のような構造体として遊間に設置するなど挙げられる。図
5
に緩衝材なしとケース3
の時刻歴桁変位、図6
に緩衝材 圧縮力－圧縮量の応答波形を示す。表2
にはケース毎の桁 最大変位、緩衝材最大変形量、橋台,橋脚の支承最大ひず み,支承最大水平力、橋脚基部の最大せん断力,応答塑性率 を示す。緩衝材を設置することにより各項目の値は低減し、緩衝材高さを増加、クリアランスを減少させることにより 低減率は大きくなる傾向にある。また、各ケースで支承ひ
ずみが
19~38%程度、低減したことから支承のサイズダウ
ンが可能である。
5
支承のサイズダウンは剛性値を
法を減少させた。緩衝材を設置したことにより、支承せ ん断ひずみが小さくなる結果より、支承の総ゴム厚および 平面寸法を一定の割合(ケース
1：19%，ケース 2：30%，
ケース
3
：36%)
で低減すると、支承の体積比較でケース1
では33%、ケース 2
では50%、ケース 3
では60%程度低
減できた。緩衝材高さを増加させ、クリアランスを減少さ せるほど、支承のサイズダウン率を増加させることが可能 である。 表
3
解析結果6
1) 緩衝材
ネルギー吸収をし、桁変位や支承ひずみ、支承水平力な どが低減された。また、緩衝材高さを増加させ、クリアラ ンスを減少させるにしたがって各項目の低減率を増大さ せることが可能である。しかし、緩衝材高さを増加させる と、橋台への作用力が増大すると思われるため、今後、橋 台背面土圧を設定したモデルを作成し、橋台の応力照査を 行う必要がある。
2) 今後の課題と
ータルコストを考慮し、コスト縮減に関して検討してい く必要がある。そして、免震橋についても解析を行い、分 散橋との比較も必要である。
参考文
1)
大島俊之，応答解析と緩衝材の効果に関する検討，構造工学論文集，
Vol.48A
，pp.607-618
，2002.3
2)大島俊之，三上修一，小倉祐介，内田祐丈，内堀康：橋梁
部周辺に着目した大地震時端 水平衝突応答解析，応用力学論
文集，Vol.5，pp.519-526，2002.8
3)
道路橋示方書・同解説Ⅴ耐震設計編，日本道路協会，2002 4)
道路橋支承便覧，日本道路協会，2004.4
1998.1 5)
日本道路協会：道路橋の耐震設計に関する資料，材圧縮力
-
圧A1
側A2
側時間(sec) 桁変位(m)
橋台支承 橋脚支承
1 100 150 550 32 34
2 150 100 200 49 50
3 200 50 110 61 60
支承体積 サイズダウン率(%) 解析ケース 緩衝材高さ H
(mm)
クリア
(m )
基数
(
ランス clm
最適設置 基)
図
5
時刻歴桁変位解析ケース (基)
大変位 緩衝材最大変形量 橋脚支承 ひずみ(%)
橋台支承 最大ひずみ(%)
- なし 0.243 - 225.6 204.5
1 550 0.199 49 182.8 166.7
2 200 0.172 72 159.4 143.6
3 110 0.151 101 142.2 126.6
ース 緩衝材 (基)
橋脚支承最大 水平力(kN)
橋台支承最大 水平力(kN)
橋脚基部最大 せん断力(kN)
橋脚基部 応答塑性率
- なし 19414 6046 23070 2.452
1 550 15760 4932 20345 1.641
2 200 13720 4250 18036 1.281
3 110 12234 3744 15815 塑性せず
緩衝材 桁最
(m) (mm) 最大
解析ケ
