瓦形ゴムシューのストッパー併用時の動的挙動に関する一考察
ジェイアール東日本コンサルタンツ 正会員 ○野上 雄太 ジェイアール東日本コンサルタンツ フェロー 石橋 忠良 ジェイアール東日本コンサルタンツ 正会員 青山 貴洋
１．はじめに
壁式橋脚の線路直角方向には L2 地震時に非常に大 きな慣性力が作用する．この慣性力に耐えうるように 設計されたストッパーは施工できない場合がある．そ のため，線路直角方向には桁座を十分確保して落橋等 の安全性を満足させ，ストッパーの破壊を許容する設 計が行われることがある例えば 1)．この場合，壁式橋脚の 支承部の線路直角方向については，移動制限機能とし ての耐震性能を十分に有していないのが現状である．
著者らは，この課題に着目し，壁式橋脚の線路直角方 向において，ストッパーでは不足する水平抵抗を補う 目的で瓦形ゴムシューを開発している（図 1 右側）2)． 瓦形ゴムシューは，ストッパーとの併用を想定してい るが，一般にストッパーとゴムシューの剛性比は大き いため，ゴムシューの水平抵抗を十分に見込めない可 能性がある．本検討では，ストッパーと瓦形ゴムシュ ーを併用した地震応答解析を実施し，瓦形ゴムシュー に十分な水平抵抗効果を見込めるかどうか確認した．
２．検討方法
図 2に示すように桁と橋脚に質点を設け，支承部（ス トッパーとゴムシュー）と橋脚をばねにモデル化した．
各構造の諸元を表 1に示す．
橋脚は，短長比 1：3 と 1：15 の壁式橋脚を想定し，
修正武田型モデルとして表 1のように設定した．
ストッパーは，文献 3の荷重変位関係を参考にバイリニア型でモデル化した．その際，第 1 章で述べた耐震設計 の現状を踏まえ，あらかじめ実施した線路方向の動的解析により，L2 地震時にストッパーが塑性化しないようにス トッパーの降伏震度を決定した．その結果，線路方向は降伏震度 khyが 0.53 相当となり，線路直角方向は固定側と 可動側で抵抗するため 2 倍の khy=1.06 とした．その上で，線路直角方向に対して，ストッパーでは不足する水平抵 抗を瓦形ゴムシューが補えるか否かを検討した．
瓦形ゴムシューは文献 2の荷重変位関係を参考にしてトリリニア型としてモデル化した．その結果，固定側と可 動側で抵抗するとして，降伏震度 khy＝0.39，最大震度 khm=0.87 としてモデル化した．比較のために通常のフラット 形ゴムシューについても文献 2を参考にしてバイリニア型としてモデル化し，検討を行っている．
なお，桁と橋脚の質量比は既設構造物を参考にして 3：1 に設定した．入力波は，鉄道構造物等設計標準（耐震設 計）に示される L2 地震動スペクトル II（G3 地盤）を用いた（図 3参照）．
キーワード ゴムシュー，瓦形，ストッパー，壁式橋脚
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L方向 C方向
L方向
+ +
ストッパー ゴムシュー
+ +
+ +
+ +
ストッパー ゴムシュー
図 1 支承部構造概要図 ストッパー
ゴムシュー 桁
橋脚
図 2 解析モデル図
表 1 検討に用いた構造諸元
図 3 入力波の応答スペクトル 0.1 0.2 0.4 1 2 100
500 1000 5000
応答加速度(gal)
周期(s) 線路 直角方向 方向
橋脚 線路方向
固有周期T[s] 1.0 0.1 0.5
降伏震度khy 0.5 第2勾配比
記事 短長比1：15程度 短長比1：3程度
線路直角方向 1.5 0.05
線路方向 直角方向 フラット形 瓦形 固有周期T[s] 0.31 0.22 0.54 0.23 降伏震度khy（最大震度khm） 0.53 1.06 0.30 0.39（0.87）
第2勾配比（第3勾配比） 0.001 0.001 0.001 0.32（0.001）
記事
支承部 ストッパー ゴムシュー
じん性率：5δy3) 土木学会第70回年次学術講演会(平成27年9月)
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３．解析結果と考察
解析結果として橋脚，ストッパー，ゴムシュー の履歴曲線を図 4，図 5に示す．縦軸は復元力を重 量で除して水平震度に換算している．固有周期が 0.5s の橋脚の変形は 1/2 にして表記している．
まず，図 4の橋脚の固有周期が 0.5s の結果に着 目すると，フラット形ゴムシューのケースでは，
支承部の変形が 60mm となっている．これは，スト ッパーの降伏変位をδy とすると 5～6δy に相当 し，文献 3（表 1）によるとストッパーが破壊状態 になっていることを示している．フラット形ゴム シューは水平方向の剛性が小さいだけでなく，最 大荷重も小さい．このことから線路直角方向の慣 性力を十分負担できずに支承部の変形が大きく，
移動制限装置としての機能を果たせない可能性が あることが分かる．一方，瓦形ゴムシューを用い た場合は，支承部の変形が 10mm であり，ストッパ ーは降伏しておらず，フラット形のケースの変形
の 1/6 程度である．検討した諸元の瓦形ゴムシューは，フラット形よりも初期剛性が 5 倍程度高く，水平荷重が頭 打ちする震度も大きいため，ストッパーで不足する水平抵抗を十分に負担できていることが確認できる．この結果，
ストッパーも瓦形ゴムシューも小さな変形（損傷）で収まることが分かった．橋脚の応答に着目すると，より大き な慣性力を伝達する瓦形ゴムシューの方が，大きく変形しており塑性化している．この結果のみからは，瓦形ゴム シューを導入することで橋脚または基礎への負担が大きくなり，断面または配筋が増加するように思われる．しか し，橋脚躯体の多くの耐震設計では，支承部をモデル化しないため，桁の慣性力が 100%橋脚に伝達するように安全 側に設計されている．そのため，瓦形ゴムシューにすることで橋脚または基礎の断面が増加することはない．
次に図 5の橋脚の固有周期が 0.1s の結果に着目すると，瓦形のケースの方がフラット形のケースよりも支承部の 変形が 1/3 程度に小さくなっている点は，橋脚の固有周期が 0.5s の結果と同様の傾向にある．しかし，橋脚の固有 周期が 0.5s のときよりも支承部の変形が小さく，フラット形ゴムシューのケースでもストッパーは破壊状態には至 らず，3δy 程度に収まる．これは，図 3に示すように，検討に用いた入力波の 0.1s 付近の波の成分が他の周期帯 よりも小さいため，応答が小さくなったと考えられる．短周期成分が卓越する地震動が作用すれば，フラット形ゴ ムシューの場合はストッパーが破壊状態になる可能性があることが推測される．
４．まとめ
桁と橋脚を 2 質点系にモデル化し，ゴムシューとストッパーを併用した壁式橋脚の線路直角方向の地震応答解析 を実施した．その結果，本検討の範囲では，(1)フラット形ゴムシューは剛性および耐力（ゴムが滑る時の荷重）が 小さいことから，水平抵抗を見込めず，ストッパーは破壊に至るほどの変形が生じる可能性が高いこと，(2)瓦形ゴ ムシューを用いれば剛性および耐力が大きくなり，ストッパーおよび瓦形ゴムシューの変形をフラット形よりも大 きく低減でき，移動制限機能としての耐震性を十分確保できることが分かった．よって，壁式橋脚の直角方向のよ うに，ストッパーだけでは移動制限機能として十分に水平抵抗を確保できない場合には瓦形ゴムシューは有効であ ることを確認した．
参考文献
1) JR東日本：設計マニュアル，第I編，共通編，支承部設計マニュアル，2004
2)野上，内海，石橋，棚村：壁式橋脚における地震時水平抵抗を期待した瓦型ゴムシューの開発（その1），Vol.69，I-312，2014 3)貴志，栗原，幸田：角型鋼管内部にスパイラル筋を配置した鋼角ストッパーの交番載荷試験，Vol.69，I-314，2014
-60 -30 0 30 60
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
変位(mm)
水平震度kh
-60 -30 0 30 60
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
変位(mm) 図 4 履歴曲線（橋脚の固有周期0.5s）
ｽﾄｯﾊﾟｰ
(a) フラット形ゴムシュー (b) 瓦形ゴムシュー ｺﾞﾑｼｭｰ
橋脚(変形は 0.5 倍)
-30 -15 0 15 30
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
変位(mm)
水平震度kh
-30 -15 0 15 30
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
変位(mm) (a) フラット形ゴムシュー (b) 瓦形ゴムシュー
図 5 履歴曲線（橋脚の固有周期0.1s）
ｽﾄｯﾊﾟｰ ｺﾞﾑｼｭｰ
橋脚 橋脚
ｺﾞﾑｼｭｰ
ｽﾄｯﾊﾟｰ ｽﾄｯﾊﾟｰ ｺﾞﾑｼｭｰ 橋脚(変形は 0.5 倍)
土木学会第70回年次学術講演会(平成27年9月)
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