試設計による CFT アーチ橋と鋼アーチ橋の設計鋼重の比較に関する研究

試設計による

CFT

アーチ橋と鋼アーチ橋の設計鋼重の比較に関する研究

長崎大学大学院 学生会員 ○大石雄己  福州大学    非 会 員  呉 慶雄 三菱重工業   正 会 員  吉村光弘  長崎大学工学部 フェロー  高橋和雄 長崎大学工学部 正 会 員  中村聖三      

1

．はじめに

 コンクリート充填鋼管（

CFT

）アーチ橋は経済性、機能性に優れる構造形式であるため中国では多くの採用実績 がある。この構造形式は長崎県内に現在建設中の第二西海橋において道路橋として日本で初めて採用されているが、

国内での採用実績が少ないため、他の構造形式の橋梁とコスト面や耐震性についての比較が難しい。

CFT

アーチ橋 を今後国内で導入していくためには、日本の設計基準に基づいた経済性や耐震性の評価が必要となる。そこで本研 究では、同じ設計条件の下で

CFT

アーチ橋と鋼アーチ橋の概略設計を行って使用鋼重を求め、

CFT

アーチ橋と鋼ア ーチ橋の設計鋼重の差を明らかにする。さらに、試設計したアーチ橋の動的解析を行い、耐震安全性の評価をする。

2

．

CFT

アーチ橋と鋼アーチ橋の試設計

  図

-1

に試設計を行うアーチ橋の側面図、図

-2

に断面図を示す。橋梁形 式は上路式アーチ橋とし、アーチ支間長

135ｍ、補剛桁の支間 12＠12.5ｍ

＝

150

ｍ、

2

車線両側歩道付きで幅員

11.3

ｍ、アーチリブ間隔

6.8

ｍとする。

アーチライズ比をパラメータとし

1/5

、

1/6

、

1/7

、

1/8

、

1/9

、

1/10

と変化さ せる。アーチリブの支持形式は鋼アーチ橋に多く用いられる

2

ヒンジアー チとコンクリートアーチ橋に多く用いられる固定アーチの

2

種類で設計する。

試設計においては、道路橋示方書による活荷重と死荷重を考慮し、地震力の 影響は考慮しない。また、アーチリブ断面は円形で、直径および板厚はスパ ン全長に渡って一定と仮定する。鋼アーチ橋の試設計には設計ソフト

JSP-15W

鋼アーチ橋の概略自動設計 ¹⁾（以下、

JSP-15W

）を使用する。

CFT

アーチ橋の設計は、鋼アーチ橋の円形鋼アーチリブを剛性等価な

CFT

アー チリブに置き換える方法で行う。ただし、鋼アーチリブと

CFT

アーチリブ の鋼管の直径は同じ大きさにして板厚を変化させる。

CFT

アーチ橋のアーチ リブ鋼管にコンクリートを充填させた時の重量増加がアーチリブ以外の部材 に与える影響を考慮するため、仮定鋼重を変更して

JSP-15W

で計算し設計結 果に反映させる。

  図-3にアーチリブ鋼管の断面図を示す。鋼アーチ橋と

CFT

アーチ橋のアー チリブ鋼管の直径

D

と板厚

t

から

t

1への変化を表

-1

および表

-2

に示す。

    表

-1

 鋼管の直径と板厚の関係

(2

ヒンジ

)(

単位：

mm)

    表

-2

 鋼管の直径と板厚の関係

(

固定

)(

単位：

mm)

ライズ比

1/5 1/6 1/7 1/8 1/9 1/10

ライズ比

1/5 1/6 1/7 1/8 1/9 1/10

直径D

1660 1660 1668 1686 1694 1700

直径D

1724 1738 1866 1874 1994 2222

板厚(鋼）t

27 29 31 32 34 36

板厚(鋼）t

34 36 35 38 38 36

板厚（CFT)t₁

16 16 16 17 17 19

板厚（CFT)t₁

17 18 18 20 21 22

3

．

CFT

アーチ橋と鋼アーチ橋の設計鋼重の比較

(1)

 

2

ヒンジアーチ橋

  図

-4

にアーチリブの断面積とライズ比の関係を示す。

CFT

アーチリブ

(

鋼部分

)

は鋼アーチリブに比べ断面積が小 さくなる。図

-5

にアーチ橋の全鋼重とライズ比の関係を示す。

CFT

アーチ橋の鋼重は

6,000kN

付近で一定となる。

また、鋼アーチ橋の鋼重はライズ比が大きくなると緩やかに小さくなる。図-6に

CFT

アーチ橋と鋼アーチ橋の鋼重 比とライズ比の関係を示す。平均すると、

CFT

アーチ橋の鋼重は鋼アーチ橋の鋼重の

71

％になる。

7,500

150,000 12＠12,500＝150,000

L=135,000

7,500 2,000

f

7,500

150,000 12＠12,500＝150,000

L=135,000

7,500 2,000

150,000 12＠12,500＝150,000

L=135,000

7,500 2,000

f

250 60 250

210 800 60 250

60 300

250 60 300

11,300 5,650

6,500

2,000 2,000

6,800

2,250 2,250

400 400

200 200 200 200

250 60 250

210 800 60 250

60 300

250 60 300

11,300 5,650

6,500

2,000 2,000

6,800

2,250 2,250

400 400

200 200 200 200

250 60 250

210 800 60 250

60 300

250 60 300

11,300 5,650

6,500

2,000 2,000

6,800

2,250 2,250

400 400

200 200 200 200

250 60 250

210 800 60 250

60 300

250 60 300

11,300 5,650

6,500

2,000 2,000

6,800

2,250 2,250

400 400

200 200 200 200

250 60 250

210 800 60 250

60 300

250 60 300

11,300 5,650

6,500

2,000 2,000

6,800

2,250 2,250

400 400

200 200 200 200

250 60 250

210 800 60 250

60 300

250 60 300

11,300 5,650

6,500

2,000 2,000

6,800

2,250 2,250

400 400

200 200 200 200

250 60 250

210 800 60 250

60 300

250 60 300

11,300 5,650

6,500

2,000 2,000

6,800

2,250 2,250

400 400

200 200 200 200

250 60 250

210 800 60 250

60 300

250 60 300

11,300 5,650

6,500

2,000 2,000

6,800

2,250 2,250

400 400

200 200 200 200

250 60 250

210 800 60 250

60 300

250 60 300

11,300 5,650

6,500

2,000 2,000

6,800

2,250 2,250

400 400

200 200 200 200

D D

ｔ t1

D D

ｔ t1

図-1 側面図(単位：mm)

図

-2

 断面図

(

単位：

mm)

図-3 アーチリブ鋼管の断面図

鋼

CFT

キーワード：CFTアーチ橋，鋼アーチ橋，概略設計，設計鋼重

連絡先：長崎大学工学部社会開発工学科 〒852-8521 長崎市文教町

1-14  TEL：095-819-2610  FAX：095-819-2627

土木学会第60回年次学術講演会（平成17年9月）

-917- 1-460

(2) 固定アーチ橋

  図

-7

にアーチリブの断面積とライズ比の関係を示す。

CFT

アーチリブ

(

鋼部分

)

は鋼アーチリブに比べ断面積が小 さくなる。

CFT

合成断面積はライズ比

1/9

、

1/10

の場合に著しく大きくなる。これは基部を固定にしたことで基部 に大きな負の曲げモーメントが作用するためにアーチリブ断面が大きくなった影響である。図

-8

にアーチ橋の全鋼 重とライズ比の関係を示す。

CFT

アーチ橋の鋼重はライズ比

1/9

、

1/10

の場合を除くと

6,000kN

付近で一定となる。

また、鋼アーチ橋の鋼重はライズ比が大きくなると、緩やかに小さくなる。図-9に

CFT

アーチ橋と鋼アーチ橋の鋼 重比とライズ比の関係を示す。ライズ比

1/9

、

1/10

の場合を除くと、平均して

CFT

アーチ橋の鋼重は鋼アーチ橋の 鋼重の

66

％になる。

4．試設計したアーチ橋の耐震安全性の評価

 試設計した

2

ヒンジアーチ橋を対象として非線形地震応答解析を 行い、耐震安全性の評価をする。解析においては橋軸方向および橋 軸直角方向に地震波を入力する。本研究では、道路橋示方書 ²⁾に基 づくタイプⅠおよびタイプⅡのⅠ種地盤の標準波形のうち

T111

と

T211

の

2

種類の波形を用いて評価をする。解析ソフトは

TDAPⅢを

使用する。図

-10

に橋軸方向加震時のアーチリブと最長立柱の結合 部および橋軸直角方向加震時のスプリンギングにおけるアーチリブ 鋼管のひずみとライズ比の関係を示す。図より全てのライズ比にお いて、

T111

および

T211

地震波を作用させても鋼管のひずみは降伏 ひずみε_yよりも小さく、降伏しないことが確認できる。よって、試 設計した

2

ヒンジアーチ橋は耐震安全性を満足している。

5．まとめ 

①試設計した

CFT

アーチ橋の設計鋼重は鋼アーチ橋に比べ、

2

ヒン ジアーチ橋では

71%

、固定アーチ橋では

66%

になり、鋼重軽減の大 きな差はない。

②試設計した

CFT

アーチ橋および鋼アーチ橋は

T111

、

T211

地震波 に対して降伏せず耐震安全性を満足している。

参 考 文 献  

1)(株)JIP

テ クノ サイ エン ス ：JSP-15W 鋼ア ーチ 橋の 概 略 自動 設計

USER’S MANUAL，2004.7  2) (社)日本道路協会：道路橋示方書･同解説Ⅴ耐震設計編， 2002.3

図

-10

 鋼管のひずみとライズ比の関係

0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.0000

0.0005 0.0010 0.0015 0.0020

ひずみ

ライズ比

アーチリブと最長立柱の結合部 T211x   鋼    CFT T111x   鋼    CFT  降伏ひずみε_y=0.001775

(a) 橋軸方向加震

0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.0000

0.0005 0.0010 0.0015 0.0020

ひずみ

ライズ比

スプリンギング T211z   鋼    CFT T111z   鋼    CFT  降伏ひずみε_y=0.001775

(b) 橋軸直角方向加震

0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

2000 4000 6000 8000 10000

12000 1/10 1/9 1/8 1/7 1/6 1/5

鋼重(kN)

ライズ比

  鋼 ア ー チ 橋  CFTアー チ 橋

0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

0.5 1/10 1/9 1/8 1/7 1/6 1/5

断面積(m2 )

ライズ比

  鋼 ア ー チ リブ  CFTアー チ リブ (鋼 部 分 )   CFT合 成 断 面

0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0.8 1/10 1/9 1/8 1/7 1/6 1/5

断面積(m2 )

ライズ比

  鋼 アー チ リブ   CFTアー チ リブ (鋼 部 分 )  CFT合成 断 面

0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

2000 4000 6000 8000 10000

12000 1/10 1/9 1/8 1/7 1/6 1/5

鋼重(kN)

ライズ比

  鋼 ア ー チ 橋  CFTア ー チ 橋

0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

1.0 1/10 1/9 1/8 1/7 1/6 1/5

      CFTアーチ橋の鋼重 鋼重比＝---        鋼アーチ橋の鋼重

ライズ比

図-4 断面積とライズ比の関係

(2

ヒンジ

)

図-5 鋼重とライズ比の関係

(2

ヒンジ

)

図

-6

 

CFT

と鋼の鋼重比と ライズ比の関係(2ヒンジ)

図-7 断面積とライズ比の関係

(固定)

図-8 鋼重とライズ比の関係

(固定)

図-9 

CFT

と鋼の鋼重比と ライズ比の関係(固定)

0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

1.0 1/10 1/9 1/8 1/7 1/6 1/5

      CFTアーチ橋の鋼重 鋼重比＝---        鋼アーチ橋の鋼重

ライズ比

土木学会第60回年次学術講演会（平成17年9月）

-918- 1-460