論 文
斜張橋情報データベースからのエキスパートシステム構築に必要な知識の
抽出
杉山俊幸 保坂和仁
（平成3年8月31日受理）
Acquirement of the Knowledge necessary in an Expert System for
Preliminary Design of Cable-stayed Bridge
ToshiyukiSUGIYAMA KazuhitoHOSAKA Abstract In order to acquire the knowledge necessary in an expert system for preliminary design of cable−stayed bridge， a data・base regarding to cable−stayed bridges which are now used or under construction has been constructed． Seventy・six items，−for example， main span length， type of main girder， type of pylon， type of cable system， etc．一， are incorporated in this data−base． Using this data−base， some appropriate combnations among pylon type， cable system and main girder type depending on the main span length have been obtained． Some other useful knowledges for the construction of an expert system are also found．
1．はじめに
斜張橋は吊形式の橋梁として代表的なもので，現在 ではブームになるほど多く架設されている。斜張橋は 長径間の橋梁に非常に適しているが，その反面構造解 析の困難さという問題を抱えていた。しかし現在では この問題も，コンピュータによる構造解析の進歩発展 により高精度の解析が出来るようになったことで解決 されている。また，近年では，①高強度の材料の開発 ②軽量の鋼床版構造の開発③完成後のケーブルを架設 時にも利用して架設する張り出し架設工法の開発と大 型架設機械の導入などにより，斜張橋はますます長大 化し，多種多様な形式のものが設計・架設されてきて いる。 土木環境工学科，Department of Civil and Environmental Engineering 斜張橋の設計は，通常の桁橋等の設計と比較して， ①ヶ一ブルの張り方や主塔の形状など形態が多様で設 計の自由度が大きい ②断面形状の決定に耐風安定性 等の動的な性状を考慮する必要がある ③設計断面力 の算出や部材設計の際に，塔・主桁・ケーブルの架設 方法，主桁の閉合方法等の架設条件を考慮する必要が ある など検討項目が多いのが特長である。そのため， 斜張橋の設計においては，構造特性や施工性などを踏 まえて形式・支間割・耐風安定性等を総合的に判断す ることが重要となってきている1）。この総合的な判断 は，斜張橋の設計・施工に精通したベテラン技術者に 委ねられることが多いが，ベテラン技術者でさえも， どのような形式・断面形状を有する斜張橋を選定すれ ばよいのかに関して確固たる自信を必ずしも持ち合わ せていないのが実状である。そこで，設計分野へのエ キスパートシステムの導入が試みられるようになって きている最近では，斜張橋の設計のように専門家の知 識・経験がかなり必要とされる分野にはエキスパートシステムの構築が極めて有用であるとの認識が多くの 橋梁技術者の間で高まってきている。しかし，この斜 張橋の設計に関する実用的なエキスパートシステム は，今のところ構築されていない。 そこで本研究では，ケープルの張り方（吊面形式） や主塔形状・支間割等を決定するまでの斜張橋の概略 設計を対象としたエキスパートシステムを構築するた めの第一段階として，既設および現在架設中の斜張橋 に関する種々のデータを収集し，エキスパートシステ ム構築の際に必要となる情報を得るためのデータベー スを作成することにする。そして，作成したデータベー スを用いて，各種斜張橋の年代別架設割合や主桁形式 別分布など，斜張橋のデータをいろいろな観点から検 討し，入力したデータに共通した特性が見い出せるか どうかを検討する。また，主径間長別に塔型式，吊面 形式，吊面数，主桁型式の組合せを考え，斜張橋の形 態をある程度決定できるようにすることを試みる。さ らに，主径間長と主桁高などの比に関して日本と外国 で差異があるのかどうかについても検討を加える。 2．斜張橋情報の入力 入力した斜張橋数は，文献2）に掲載されている137 である。内訳は，鋼斜張橋82，PC斜張橋37， RC斜張 橋18で，国内41橋，海外96橋である。1つの斜張橋に 関して入力する項目は，橋名・架設場所・竣工年・主 径間長・側径間長・塔の形式・ケーブルの施工法・吊 面形式等で，総計76項目である。なお，主径間長と側 径間長の比なども1つの項目として入力してある。 3．斜張橋情報の統計処理結果 作成したデータベースを利用して斜張橋に関する情 報を統計処理した結果の一例を以下に示す。 図1は，各種斜張橋の架設割合を年代別に表したも ので，横軸に5年間を1区切りとした架設年次を，縦 軸には各々の斜張橋の架設割合を％で表示してある。 この図より，鋼斜張橋は1960年代からほぼコンスタン トに架設されてきていること，PC斜張橋の数が1980 年代以降急速に増加していることがわかる。 図2は，主塔にどのような形式が採用されているか を年代別に表したものである。図1と同様，横軸に5 年間を1区切りとした架設年次を，縦軸には各種の塔 形式の使用割合を％で表示してある。これより，塔形 式としては，H型， A型，逆Y型が主流を成しており， 特に逆Y型は，最近になって多用されてきていること がわかる。 次に，日本，アメリカ合衆国，西ドイツに関して， 架設割合［％］ 40 3e 2Z Iz 1966−197Z 1976−tg80 1986−1989 図1 各種斜張橋の年代別架設割合
使用割合［％］
架設年次A型主塔
H型主塔
一1 1藺一19T5 1981−1985 196断1鯛使用割合［％］
19Te−lge6 1ge＆1989架設年次
一1 1gn’19Ts 1981−1985 1966−1胴使用割合［％］
19停1ggo 1996」重9θ9架設年次
門型主塔
独立2本柱型主塔
一1965 1St1−19T5 1981−tg85 1966−1醐 1㎜1990 19θ6」19θ9 架設年次 図2 各種塔形式の年代別使用割合どのような主径間長の斜張橋が多く架設されているか を比較したのが図3である。横軸は主径間長を示して おり，縦軸には架設数全体に占める割合を％で表示し てある。図より，日本では主径間長100∼250mの橋梁 が主であるのに対し，アメリカでは250m以上の斜張 橋が中心となっていること，西ドイッでは，250∼300 mに集中していることがわかる。 この他，図には示してないが，わが国においては，
①鋼斜張橋の占める割合が約80％で，主径間長
100∼200mの斜張橋，および400m以上の長大斜張橋 が主として架設されていること，②主桁形式は箱桁タ イプが大半を占めており，塔形式としては，A型， H 型，独立1本柱が主となっていること，③吊面形式に 関しては，ファン型が約60％を占めており，1面吊と 2面吊の比はおよそ3：7であることが結果として得 られている。また，全体的には，①主径間が長くなる と，塔形式としてはA型・逆Y型・H型が採用される ようになり，300m以上の橋梁では独立2本柱や門型 は全く使用されていないこと，②400mを越えるよう な長大斜張橋においては，大半がH型の塔形式を採用 していること，③吊面形式としては，主径間長の増大 に伴ってファン型2面吊が多く採用されていることも 得られている。 4．エキスパートシステム構築に必要な知識の抽出 4．1 斜張橋の規模と塔形式，吊面形式 斜張橋の概略設計においては，支間割が決定される と，その支間割に対してどのような塔形式，吊面形式 を選定するかが検討されることになる。そこでここで は，斜張橋の規模，すなわち主径間長の大小に対し， どのような塔形式および吊面形式が採用されているか について調べることにする。 架設割合［％］ アメリカ ’下 15e肝2ge 2se−39Z 3曳F490 1 ZKZI−150 m25e 3肝3駆 490超過 主径間長［m］ 図3 各国の主径間長別架設割合 図4は，どのような主径間長に対してH型塔が採用 されているかを調べたもので，横軸は主径間長を，縦 軸はデータ数を表わしており，その際に選択されてい る吊面形式も同時に示してある。これより，H型塔は 広範囲の主径間長に対して採用されているが，特に400 m以上の長大橋に適していることがわかる。また，吊 面形式との組合せでは，1）ファン型は主径間長の大小 に関わらず広範囲に渡って組み合わされ，ラジアル型 は中・大規模の橋と組み合わされていること，2）ハー プ型も広範囲で組み合わされているが，比較的中規模 に多く，ファン型に比べて組み合わされるのは少ない こと等がわかる。 従って，H型塔は特に大規模の斜張橋に採用され， ファン型2面吊りと組み合わされるのが適していると いえよう。その理由として，ファン型自体が構造力学 的に効率が良いことと，H型塔と組み合わされるのは 2面吊りでねじれ変形に対して最も効果的に機能する という利点があることが挙げられる。また，瀬戸大橋 の櫃石島橋・岩黒島橋や横浜ベイブリッジで採用され ているように，ファン型2面吊りとH型塔の組み合わ せは美観上優れていると考えられているということも 1つの理由として挙げられよう。 図には示さないが，他の塔形式についても同様の事 を検討した。また，主径間長の大小に対しどのような 吊面数と主桁形式の組合せが採用されているかについ て調べてみた。その結果，1）いずれの塔形式も規模に よらずあらゆる範囲でファン型またはラジアル型と組 み合わされていること，2）ハープ型，1段型は中規模 以下の橋梁で採用されているが，独立1本柱あるいは 独立2本柱との組合せに限られていること，3）吊面数件数
匠i謡ファン型 E翻ハーブ型 1四b−15am 29け「2FJtrn 300−354dn 4優㎞以上主径間長［m］
図4 H型塔が採用されている斜張橋の主径間長と主桁形式の組合せ方は，主として橋全体のねじれ変 形に対してケーブルが効果的に機能するように吊面数 と主桁形式が決められ，この吊面数に適する塔形式が 選択されていることなどがわかった。 このような検討を全ての塔形式，吊面形式，主桁形 式について行い，主径間長の規模別に考えられる組合 せをまとめたのが表1である。これより，例えぽ大規 模斜張橋に着目してみると，以下のことがわかる。 大規模の橋梁では，塔形式から見てH型塔・A型塔・ 独立1本柱が適用可能となるが，この中で最も適して いるものはH型塔である。その理由としては，橋軸直 角方向への安定性が増すことから偏載荷重による主桁 のねじり変形，ねじり振動に対して有利になること， また美観上からも長径間の橋梁に向いていることなど が挙げられる。また吊面形式と主桁形式の組合せでは， 力学的に最も効率のよいファソ型2面吊りと2主桁ま たは3室箱桁が適していることになる。この大規模な 斜張橋に適した形態の一例を示すと図5のようにな る。 表1 斜張橋の規模と塔形式・吊面形式・吊面数・主桁形式の 組み合わせ 塔形式 吊面形式 吊面数 主桁形式 △ H 型 ファン型＿＿一一＿一一一一．一＾一一一一チ @（ハーブ型） 2面 1箱桁’一〕A’一A〕A＝−T−］一一一〒 @（逆台形箱桁）一一一1−一一一A一1−一一一一 @ （2箱桁） O A 型 ファン型͡一一一一一”一͡一一一一一一一 @ラジアル型 2面（1面） 逆台形箱桁一一一一一一一’≡一一一一一一一一 @ 1箱桁＿一一一＿＿一一，一一一一一←一’ @ （2箱桁） 小規模 i200m以下） ◎ 逆Y型 ファン型 1面 逆台形箱桁一一一一一一一＿P−一一一，←＾一一 @（3室箱桁） ◎ 門 型 ラジアル型一一π’͡͡一一一一一一一−1，◆ @（ファン型） 2面 2箱桁一一＿＿吟’F−一一一’A−一一 @（2主桁）一＿一＿一＿一＿一←一一一一→͡ @（1箱桁） ◎独立1本柱 ハーブ型一一’一一一一‥’一一一一一一一一 @ 1段型 1面 3室箱桁一一一一一一一一一一一’“一一一 @ 1箱桁 ◎独立2本柱 1段型 2面 閉断面主桁形式 OH 型 ファン型一一＿一一一一一一“͡一一一一一一 @ラジアル型一，͡一一一一≡͡一一一一一一一一 @（ハープ型） 2面 2主桁一一r午’一一一一一一一一一一一一 @ （2箱桁） ◎A 型 ファン型一一一ウ’一一一一一一一一一一一一 @ラジアル型 2面 2主桁＿＿＿＿一一一一●べ’一一一一’ @（2箱桁） 中規模 i200∼400m） ◎逆Y型 ファン型 1面 1箱桁 ◎門 型 ラジアル型一，’一一一一一一一一一一一→“’ @（ファン型） 2面 2主桁一一一一＿A●’一一一’͡一一一 @（2箱桁） ◎独立1本柱 ハーブ型 1面 3室箱桁一＿一一一一＿一一，一一一←《一一 @ 1箱桁 ◎独立2本柱 ハープ型 2面 2箱桁＠●͡一一一一‥＾一一一一一一一 @（2主桁） ◎H 型 ラジアル型一一一一一一一一，A’一一一一一一 @（ファン型） 2面 2主桁r→一͡一一一’͡一一一一一一一一 @3室箱桁＿＿一ソー＾’一一”一一一一一 @（2箱桁） 大規模 i400m以上） OA 型 ファン型一一P−一一一一一一一一一⊇←＝’ @ラジアル型 2面 2主桁一一一一＿＿r͡＾一一一A−｝− @3室箱桁一一一一一一一一一”一一一一一一 @（2箱桁） △独立1本柱 ファン型 1面 1箱桁 注）．◎の付いている組合せは特に適している．○はまあまあ適している．△は 適用できるが、あまり向いていない． （ ）の付いているものは適用できる．が、あまり向いていない。 4．2 吊面形式と主桁高 各々の吊面形式に対し主桁高がどのような分布をし ているかについて調べたのが図6である。同図では， 横軸は主桁高，縦軸はデータの数を表わしている。こ れより，ファン型はハープ型に比べ主桁高のピークが 小さい所にあることがわかる。すなわち，吊面形式は 主桁高のとり方に大きく関係しており，ファン型・ラ ジアル型のように鉛直荷重に対して構造力学的に効率 が良い場合は桁高を大きくとる必要はないが，ハープ 型・1段型のように効率があまりよくない場合には桁 高を比較的大きくとって鉛直荷重を主桁の曲げ剛性に よって支持させる必要があることを図6は示してい る。 図5 主径間長400m以上の大規模斜張橋に適した形態 件数 件数 1．9−1．5m 2．e→2．5m 3．0−3．5冊 4．6−4．5m 9．9−9．5m 主桁高［m］ 1．0一1．5m 2．Or2．5m 3．0−3．5栩 4．臼一4．5伽 7．5−8．Om i3．5−14．Om 主桁高［m］ 図6 吊面形式にファン型，ハープ型を採用した場合の 主桁高分布
4．3 主径間長と主桁高の比 主径間長と主桁高の比の分布を，鋼斜張橋について 国内・国外別に調べたのが図7で，横軸は（主径間長／ 主桁高），縦軸はデータ数を表わしている。これより， （主径間長／主桁高）の値のピークが，日本では40∼60 であるのに対し，国外では60∼80であり，外国に比べ 主桁高を大きくとっている傾向があることがわかる。 これは，日本においては地震や強風など偶発荷重と呼 ぼれている荷重に対する設計条件が外国と比較して厳 しく，しかも軟弱地盤上に架設される場合が多いため， 主桁高を大きくせざるを得ないことによると考えられ る。同時に図7は，わが国の斜張橋が欧米諸国の斜張 橋と比較してスレンダー感に欠けるという印象を数字 の上で明示しているといえる。 4．4 主径間長と主桁鋼重・塔鋼重 斜張橋の概略設計において，どのような支間割とす るかに大きく影響を及ぼす要因として，主桁や主塔の 鋼重が挙げられる。これは，主桁や主塔の鋼重が工費 の増減と密接に関係しているからである。そこで，主 径間長と主桁鋼重・塔鋼重の間にどのような関係があ るかを調べてみることにする。 図8は，鋼斜張橋の主径間長と主桁鋼重との関係を 示したものである。また，図9は，主桁鋼重と塔鋼重 件数 日本 一 1 1 ’ 40−60 89−100 1㎝一14016田80劉∂−2202晒3四32訟 件数 29−40 〔※ト80 1匹弓一120 1 4Sb−16｛Z！ コ＆｝r2臼臼 220−240 300−329 主径間畏／主桁高 外国 1
一
8翻四12H馴60−189鋤一四2姫鋤鋤堤 29一胡 図7 6e←89 1｛aE1｝−129 140−16iZl 18Q｝−2（2NZ｝㎜240 3四ト3躯 主径間長／主桁高 日本および海外の（主径間長／主桁高）の分布 との関係をプロットしたものである。これらの図より， 多少ぼらつきはあるものの，主径間長と主桁鋼重，主 桁鋼重と塔鋼重との間にほぼ直線関係が存在すること がわかる。このことは，斜張橋の支間割が決まると， 主桁鋼重と塔鋼重を，過去の実績より得られる簡易式 を用いて概算できることを示唆しており，エキスパー トシステム構築の際の極めて有用な情報となろう。 5．ま と め 斜張橋の概略設計を対象としたエキスパートシステ ムの構築を目的として，斜張橋情報のデータベースを 作成した。そして，これまでに架設されてきた斜張橋 の塔形式・吊面形式・吊面数・主桁形式・支間割等の 各項目間に何らかの関係が存在するかどうか検討して みた。その結果をまとめると以下のようになる。 ①塔型式・吊面形式・吊面数・主桁型式の間には， 主径間長の違いにより組み合わされ方に特徴が見ら れる。すなわち，主径間長の大小により組み合わさ れるパターンが幾つかに絞られ，構造力学的な裏付 けを考慮してある程度斜張橋の形態を決定できる。 ②吊面形式がハープ型・1段型の場合には，主桁高 主桁鋼重［千ton］ ．旦『 ＿悟．． 図8 主径間長と主桁鋼重の関係 主塔銅重［千t。n］ 主径間長［m］ ’≡P’CEi” 田 主桁鋼重［千ton］ 図9 主桁鋼重と主塔鋼重の関係が高くなる傾向にある。 ③日本の斜張橋は海外の斜張橋と比較して主径間長 に対する主桁高の比を大きくとっており，欧米諸国 の斜張橋と比較してスレンダー感に欠けることが データの上からも明らかとなった。 ④多少ばらつきはあるものの，主径間長と主桁鋼重 量，主桁鋼重量と塔鋼重量との間にほぼ直線関係が 存在する。 本研究で得られた情報の他にも，斜張橋の概略設計 を対象としたエキスパートシステムの構築に際して必 要となる情報は多くあると思われる。その中でも特に 以下のことを中心に今後検討を進めていく必要がある と考えている。 1）地形条件は斜張橋の形態を決める上で極めて重要 な情報であると考えられることから，地形条件の情 報も組み込んだ形式選定が必要である。 2）将来的には周辺景観を考慮に入れた斜張橋概略設 計のエキスパートシステムの構築が必要となること から，橋梁景観に関する知識・情報の収集とその組 込みが必要である。 参考文献 1）N．J． Gimsing著，伊藤学監訳，藤野陽三，長井正嗣，杉山 俊幸，中村俊一共訳：吊形式橋梁一計画と設計一，建設図書， 1990年4月． 2）土木学会鋼構造委員会鋼構造進歩調査小委員会：鋼構造シ リーズ5 鋼斜張橋 一技術とその変遷一，土木学会，平成 2年9月．
