JP7460514B2 - 高架橋または橋梁の角折れ防止装置 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 鉄道工学シンポジウム論文集 第２４号 令和２年７月６日 発行

本発明は、主に鉄道用桁式高架橋や橋梁などの耐震補強として用いられる角折れ防止装置に関する。

高架橋や橋梁は、支持地盤の違いや地上の交通状況等に応じて、異なる種類の構造物が橋軸方向に沿って設置されている。このような高架橋や橋梁では、地震時に、隣接構造物間に目違いや角折れ等の不同変位が生じることがある。例えば張出式ラーメン高架橋等では目違いが起こりやすく、ゲルバー式ラーメン高架橋を含む桁式高架橋や桁式橋梁等では、隣接する構造物間の振動特性が異なることにより角折れが起こりやすい。地震時に生じるこれらの不同変位を抑制することは、列車や車両の走行の安全性を確保するために重要である。

既設の鉄道構造物では、通常、道路等の交差物がない位置にはラーメン高架橋が設置され、交差物がある位置にはラーメン橋台や橋脚を用いた橋桁が設置されている。図１は、道路と交差する位置周辺の調整桁式ラーメン高架橋（架道橋）構造物１の一例を示す。高架橋構造物１は、道路上の橋桁１１とラーメン高架橋１２との連結部分に調整桁１３を有している。橋桁１１は、橋軸の前後方向両端部がラーメン橋台１４で支えられており、道路上の橋桁１１を支えるラーメン橋台１４は、ラーメン高架橋１２とは構造形式が異なる。また、橋桁１１と調整桁１３とは重量が大きく異なる。すなわち、道路と交差する位置では、ラーメン高架橋１２からラーメン橋台１４に構造が変化することから振動性状が異なり、これが原因で地震時に応答変位の位相差が生じ、図１に示すように、鉛直軸線廻りの角度のずれである角折れ１０が発生しやすい。

そこで、従来、既設の鉄道構造物の角折れを抑制する手法として、隣接する構造物同士の振動性状の調整や、不同変位を物理的に抑制する装置の設置等が考えられてきた。

隣接する構造物同士の振動性状の調整方法としては、非特許文献１に、ダンパーブレースを設ける方法が開示されている。また、角折れを物理的に抑制する装置については、非特許文献２に開示されているように、隣接構造物同士を鋼製部材で線路方向に接続する角折れ防止装置が開発されている。これは、ラーメン高架橋の固定支承側に角折れ防止装置を設けたものであり、鉄道用ラーメン高架橋を対象として、その効果は実験および数値解析で一部検証されている。

また、特許文献１には、固定支承を介して連結された調整桁とラーメン高架橋との連結箇所に適用される角折れ防止装置が開示されている。

特開２０１１－１７１９２号公報

喜多直之、吉田幸司、岡野素之、関雅樹：鉄道ＲＣラーメン高架橋を対象とした圧縮型ダンパーブレース工法の実用化，土木学会論文集Ｆ、Vol.63，No.3，pp.277-pp.286，2007.3 丸山直樹、曽我部正道、谷村幸裕、原田和洋、黒岩俊之、笠倉亮太：鉄道高架橋用角折れ防止装置の性能評価、鉄道力学論文集、pp.162-169、2009

しかしながら、非特許文献１のようにダンパーやブレースを設置する方法は、設置する空間が十分に確保される必要があり、施工できる場所が限定される。

また、非特許文献２に記載された角折れ防止装置は、片持ちスラブの上面に設置するものであり、バラスト軌道では設置スペースが限られることや、日中の施工が困難となることなど、施工性に難点がある。

また、特許文献１に記載された角折れ防止装置は、固定支承のみに適用されるものであり、この場合、高架橋全体に対してある程度の効果は得られるが、可動支承上の桁に直接的に設置していないため、相対的に可動支承上の角折れが大きくなるという問題が生じる。

以上のように、いずれの場合も、適用可能な範囲が限定されるという問題があり、軌道上の鉄道の走行を妨げずに施工することができ、角折れが顕著となる鉄道ラーメン橋台等に適用できる角折れ防止装置が求められている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、設置スペースや施工性などにおいて広い適用範囲を有し、高架橋や橋梁の角折れを防止することができる角折れ防止装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、高架橋または橋梁において、橋軸方向に隣接して設置された構造物同士を跨いで設置される角折れ防止装置であって、隣接する前記構造物同士が対向する端部にそれぞれ配置される２つのベースプレートと、前記ベースプレート同士を連結する連結部材と、前記ベースプレートを前記構造物に固定するアンカーボルトと、を有し、前記ベースプレートは、支承部材を介さず前記構造物の端部に直接配置され、連続して隣接する２つの前記構造物と前記角折れ防止装置は、橋軸方向に直列的に配置されることを特徴としている。

前記角折れ防止装置は、２つの前記ベースプレートと前記連結部材とを連結するブラケットを有していてもよい。

前記角折れ防止装置が高架橋または橋梁の可動支承側に設けられる場合、前記構造物の橋軸方向の変位に対応可能なクリアランスが設けられる。その場合、片方の前記ベースプレートに形成された前記アンカーボルト用のボルト孔を橋軸方向に長い長孔とすることによって、前記クリアランスが設けられていてもよい。あるいは、前記連結部材と片方の前記ベースプレートとの連結部分が、橋軸方向に隙間を設けた状態で連結されていることによって、前記クリアランスが設けられていてもよい。

前記連結部材の引張方向の降伏耐力Ｐｙが、式（１）を満たし、回転耐力Ｍｙは、前記構造物をモデル化したシミュレーションにより求められ、前記構造物の角折れ量が一定の値以下になるときの回転耐力であることが好ましい。その場合、前記回転耐力Ｍｙは４０００ｋＮ・ｍ以上であることが好ましい。
Ｐｙ＝Ｍｙ／２Ｌ ・・・（１）
Ｍｙ：構造物の角折れを抑制するために必要な回転耐力
Ｌ：構造物の中心から角折れ防止装置までの距離

架道橋を有する構造物の中心から４．５ｍの位置に取り付ける場合、前記連結部材は、前記橋軸方向の水平耐力が４００ｋＮ以上であることが好ましい。また、前記アンカーボルトの合計せん断耐力が、前記連結部材の水平耐力よりも大きいことが好ましい。

また、本発明によれば、前記角折れ防止装置を、高架橋または橋梁の構造物の軌道の外側に施工することができる。

本発明によれば、簡易な構成で隣接する構造物同士を連結し、地震時に、構造が異なる各構造物がそれぞれ異なる固有周期で振動するのを抑制し、隣接構造物間の相対変位を物理的に抑えることができる。しかも、高架橋や橋梁の下面や側面等に施工することができるので、広いスペース等を必要とせず、且つ、橋の上の軌道上の鉄道等の走行を妨げることなく取り付けることができる。

高架橋構造物の例を示す斜視図である。 本発明の実施形態の一例としての角折れ防止装置の平面図であり、（ａ）は固定支承用、（ｂ）は可動支承用である。 本発明の実施形態の異なる例としての角折れ防止装置の側面図であり、（ａ）は固定支承用、（ｂ）は可動支承用である。 図２に示す角折れ防止装置の設置例を示す斜視図である。 図２に示す角折れ防止装置の異なる設置例を示す斜視図である。 図２に示す角折れ防止装置のさらに異なる設置例を示す斜視図である。 図３に示す角折れ防止装置の設置例を示す斜視図であり、（ａ）はラーメン橋台、（ｂ）は壁式橋脚に設置する場合を示す。 高架橋構造物の解析モデル化の例を示す図である。 角折れ防止装置の挙動をモデル化したグラフであり、（ａ）は固定支承用の角折れ防止装置の場合、（ｂ）は可動支承用の角折れ防止装置の場合である。 回転耐力と角折れとの関係を示すシミュレーション結果のグラフである。 角折れ防止装置の引張耐力と角折れ発生比率との関係を示すシミュレーション結果のグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本発明の実施形態にかかる角折れ防止装置２は、片持ちスラブの上面に設置していた上記従来技術の課題に対し、高架橋や橋梁の軌道の外側から施工できるものである。図２（ａ）は、本発明の実施形態の一例としての角折れ防止装置２を示すものである。角折れ防止装置２は、図１に示した高架橋構造物１において、例えば道路上の橋桁１１と調整桁１３とを跨いで設置され、角折れ１０を防止するために適用される。以下の説明においては、ラーメン高架橋１２、調整桁１３、ラーメン橋台１４等をまとめて構造物９という。

角折れ防止装置２は、２つの平板状のベースプレート２１，２１と、ベースプレート２１，２１同士を連結する連結部材２２と、ベースプレート２１，２１を構造物９に固定するためのアンカーボルト２３とを有している。ベースプレート２１には、アンカーボルト２３を挿通するためのボルト孔３１が開けられている。アンカーボルト２３は、一般的な種々のあと施工アンカーを用いることができるが、振動等の影響を考慮すると、接着系アンカーが望ましい。連結部材２２は、例えばＨ形鋼等、後述する所定の断面性能を有する部材が用いられ、例えば溶接等でベースプレート２１，２１に固定される。

図２（ａ）に示す角折れ防止装置２は、固定支承側に用いられる場合の例であり、可動支承側に用いられる場合には、図２（ｂ）に示すように、隣接する構造物９同士の間隔が変化した場合に、ベースプレート２１，２１同士の距離が可変となるようなクリアランス（遊間）を設けたものが用いられる。すなわち、図２（ｂ）の例では、片方のベースプレート２１のボルト孔３１が、橋軸方向に長い長孔であり、隣接する構造物９同士が水平変位して間隔が変化した場合に対応できるようになっている。これは、可動支承において温度変化等に伴う構造部材の伸縮を拘束しないために有効である。

図３は、角折れ防止装置２の異なる実施形態を示すものであり、平板状の２つのベースプレート２１，２１と連結部材２２とが、それぞれブラケット２４を介して連結されたものである。ブラケット２４は、ベースプレート２１および連結部材２２のフランジ３２にそれぞれ当接する面を有し、ブラケット２４と連結部材２２とは、ボルト２５で連結されている。あるいは、ベースプレート２１とブラケット２４とが一体に成形されたものであってもよい。図３（ａ）は固定支承側に用いられる場合の例であり、可動支承など、水平方向の距離を可変とする場合には、図３（ｂ）に示すように、連結部材２２とブラケット２４との間に、橋軸方向に隙間を設けた状態でボルト６で連結することにより、温度変化等に伴って構造物９同士の間隔が変化した場合に対応できるクリアランスを有している。

図４～図７は、図２または図３に示す角折れ防止装置２の設置例を示すものである。本発明の実施形態にかかる角折れ防止装置２は、前述のように、高架橋や橋梁の軌道の外側から施工できることを特徴としている。

図４は、図２の角折れ防止装置２の設置例を示すものである。角折れ防止装置２は、隣接する片持ちスラブ４１の先端同士を跨いで設置され、高架橋や橋梁の構造物９の片持ちスラブ４１の下面にベースプレート２１が当接されている。この例では、先ず、片持ちスラブ４１の下面の、ベースプレート２１を取り付ける位置に、ベースプレート２１のボルト孔３１に合わせてアンカーボルト２３用の孔を形成する。そして、ベースプレート２１を所定の位置に当接してアンカーボルト２３を打ち込むことで、２つのベースプレート２１，２１が、隣接する片持ちスラブ４１の下面にそれぞれ固定され、角折れ防止装置２と構造物９とが一体化される。これにより、隣接する構造物９同士の位相差を抑制し、角折れを防止する。例えば主桁数の少ない桁の場合、片持ちスラブ４１の張り出し長さが比較的大きいため、隣接する桁の片持ちスラブ４１下面同士を接続するためのスペースを確保できる場合が多く、図４のような施工方法が有用である。このように、本実施形態によれば、角折れ防止装置２を高架橋構造物の下面に取り付けることにより、高架橋の軌道上に影響を与えず、日中の施工が可能となる。

図５は、図２の角折れ防止装置２の異なる設置例を示すものであり、角折れ防止装置２は、隣接する片持ちスラブ４１の主梁４２同士を跨いで設置されている。図５の例では、構造物９の主梁４２の側面の、ベースプレート２１を取り付ける位置に、ベースプレート２１のボルト孔３１に合わせてアンカーボルト２３用の孔を形成する。そして、ベースプレート２１を所定の位置に当接してアンカーボルト２３を打ち込むことで、２つのベースプレート２１，２１が主梁４２の側面にそれぞれ固定され、角折れ防止装置２と構造物９とが一体化される。

図６は、図１の角折れ防止装置２のさらに異なる設置例を示すものであり、角折れ防止装置２は、隣接する片持ちスラブ４１の地覆４３同士を跨いで設置されている。図６の例では、地覆４３の外側面の、ベースプレート２１を取り付ける位置に、ベースプレート２１のボルト孔１３に合わせてアンカーボルト２３用の孔を形成する。そして、ベースプレート２１を所定の位置に当接してアンカーボルト２３を打ち込むことで、２つのベースプレート２１，２１が地覆４３の外側面にそれぞれ固定され、角折れ防止装置２と構造物９とが一体化される。多くの高架橋構造物において、片持ちスラブ４１の先端では地覆４３が連続しているため、このように地覆４３に施工することが可能である。

また、図７は、ベースプレート２１，２１をそれぞれ異なる構造部材に取り付ける施工例を示す。図７（ａ）は、一方を主梁４２の下面、他方をラーメン橋台１４の桁４４の側面に取り付けた場合、図７（ｂ）は、一方を片持ちスラブ４１の下面、他方を壁式橋脚１５の躯体に取り付けた場合である。ラーメン橋台１４および壁式橋脚１５の躯体の場合、設置箇所は比較的自由度が大きいと考えられるため、対となる上部工での設置位置は、片持ちスラブ４１や主梁４２等が想定される。この場合、２つのベースプレート２１，２１の取り付け方向が異なるため、それに対応した形状のブラケット２４を介してベースプレート２１と連結部材２２とを連結する。図７の場合も、高架橋の軌道上に影響を与えずに施工することが可能となる。

図４～図７の実施形態において、角折れ防止装置２は、クリアランスの有無いずれの場合にも適用可能である。

以上のように、本発明によれば、鉄道用高架橋や橋梁の角折れ防止装置２を軌道上に施工することなく設置できる。なお、上記各実施形態においては、ネットやチェーンなどを用いて、地震時等に角折れ防止装置２が破損した際の下方への落下を防ぐ手段を設けることが好ましい。

次に、本発明の角折れ防止装置２を鉄道ラーメン橋台や鉄道橋脚に適用するために必要とされる諸元について説明する。

図１に示すような、鉄道用のラーメン高架橋１２、ＰＣ桁（橋桁１１）、ラーメン橋台１４、調整桁１３等で構成される代表的な架道橋部の構造物群のモデルによる数値解析を行い、その解析結果から、角折れ防止装置２の諸元と角折れ抑制効果を定量的に明らかにした。これにより、ラーメン橋台１４を含む高架橋や橋梁などの構造物に適用できる最適な角折れ防止装置２の諸元を求めた。

図８は、高架橋構造物１のモデル化の一例を示す。中央の道路を跨ぐ位置にラーメン橋台ＲＡが設置され、橋軸方向においてその前後に、ラーメン高架橋Ｒが設置されている。図８のＦは固定支承を表し、Ｍは可動支承を表す。このモデルは、高架橋構造物の代表的なパターンである。

また、角折れ防止装置２の挙動として、水平変位δと水平力Ｐとの関係を、図９に示すようにモデル化した。図９（ａ）はクリアランスを設けない角折れ防止装置の場合、図９（ｂ）はクリアランスを設けた場合の挙動のモデルを示す。

角折れ防止装置２は、構造物９の中心からの橋軸直角方向の設置位置に依存して効果が異なるが、角折れ防止装置２がある程度の回転剛性を有していれば、角折れ防止装置２による回転耐力（降伏モーメント）Ｍｙで効果を把握できることがわかっている。
Ｍｙ＝２Ｐｙ×Ｌ ・・・（１’）
Ｐｙ：角折れ防止装置の連結部材の引張方向の降伏耐力
Ｌ：構造物の中心から角折れ防止装置までの距離

図１０は、図８に示す高架橋構造物において、図９に示す挙動を示す角折れ防止装置２を用いた場合、地震波を作用させて応答解析したシミュレーション結果を示す。図１０より、回転耐力Ｍｙが４０００ｋＮ・ｍ程度で角折れ量の低下は頭打ちとなり、これ以上回転耐力Ｍｙを大きくしても角折れ防止効果はほとんど上がらないことがわかる。すなわち、本発明の実施形態にかかる角折れ防止装置２は、連結部材２２の降伏耐力Ｐｙと構造物中心から角折れ防止装置２までの距離Ｌにより求められる回転耐力が所定の値であればよく、図９のモデルのような挙動を示すことを前提にすれば、その回転耐力Ｍｙは例えば４０００ｋＮ・ｍ程度で角折れ防止装置２の効果を効率よく発揮できる。これにより、角折れ防止装置２が、何らかの都合で施工位置を変更する場合や、概ね同一構造の構造物へ転用する場合などにおいて、式（１’）を用いて容易に設計変更が可能になる。

具体的な角折れ防止装置２の諸元の例を説明する。例えば図４に示す位置に施工したときの構造物中心から角折れ防止装置２までの距離Ｌを４．５ｍとした場合、式（１’）より、角折れ防止装置１の連結部材３の降伏耐力（荷重）Ｐｙは、
Ｐｙ＝Ｍｙ／２Ｌ ・・・（１）
Ｍｙ：構造物の角折れを抑制するために必要な回転耐力
Ｌ：構造物の中心から角折れ防止装置までの距離
で求められる。また、シミュレーションにより、無補強の場合と、回転耐力を有する角折れ防止装置２で補強した場合の角折れ比率を求めた結果を図１１に示す。図１１から、角折れ防止装置２の連結部材２２の引張降伏耐力（荷重）Ｐｙが４００ｋＮ程度で角折れ発生比率が著しく低くなり、降伏耐力Ｐｙが４００ｋＮを超えても、角折れ防止効果は変わらないことがわかる。つまり、降伏耐力Ｐｙが４００ｋＮで角折れ防止装置の効果を効率よく発揮できる。降伏耐力（荷重）Ｐｙが４００ｋＮ程度に対応する連結部材２２の一例として、Ｈ－１００×１００（ＳＳ４００）のＨ形鋼を用いることができる。なお、連結部材２２の材質は、鋼材の他、要求される強度を有するものであれば、例えばＣＦＴ等でもよい。

また、地震等の大きな水平力が作用した際、連結部材２２以外の部材が降伏すると、荷重変位関係が複雑になると想定されることや、高架橋または橋梁の構造体のスラブが破壊すると修復が困難となること等から、角折れ防止装置２は、連結部材２２よりも先にベースプレート２１やアンカーボルト２３が降伏しないように設計することが好ましい。

すなわち、アンカーボルト２３の合計せん断耐力が、連結部材２２の引張耐力よりも大きくなるように、アンカーボルト２３の断面積および本数が設計される。なお、アンカーボルト２３の引張耐力は、角折れ防止装置２の自重を支えることができればよい。また、連結部材２２とブラケット２４とをボルト２５で連結する場合には、ボルト２５の引張耐力が連結部材２２の引張耐力を下回らないように、ボルト２５の断面積および本数を設計する。ベースプレート２１やブラケット２４の板厚等は、通常の鋼構造の強度設計に基づいて行えばよい。なお、本発明では、ベースプレート２１やブラケット２４、ボルト２５等は鋼材が好適であるが、当該鋼材と同等の特性および強度を有する他の材質を排除するものではない。

以上、本発明の実施形態にかかる角折れ防止装置によれば、鉄道用高架橋や橋梁などにおいて、地震時に、構造が異なる各構造物がそれぞれ異なる固有周期で振動するのを抑制し、隣接構造物間の相対変位を物理的に抑えることで、隣接構造物間で生じる角折れを防ぎ、列車等の走行性を向上させることができる。

しかも、角折れが顕著となる架道橋にも適用可能であり、構造物の下面や側面等に取り付けることができ、設置位置に多くの自由度を有している。このため、高架橋の軌道上に影響せず、鉄道等の走行を妨げることなく日中に施工作業を行うことができる。

また、角折れ防止装置２の部材に要求される強度や角折れ防止効果を明確にしたことにより、高架橋や橋梁の補強対策が促進される。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、高架橋や橋梁等、橋軸方向に隣接する構造物の種類が異なる位置の角折れ防止装置として有用である。

１ 高架橋構造物
２ 角折れ防止装置
９ 構造物
１０ 角折れ
１１ 橋桁
１２ ラーメン高架橋
１３ 調整桁
１４ ラーメン橋台
１５ 壁式橋脚
２１ ベースプレート
２２ 連結部材
２３ アンカーボルト
２４ ブラケット
２５ ボルト
３１ ボルト孔
３２ フランジ
４１ 片持ちスラブ
４２ 主梁
４３ 地覆
４４ 桁

Claims (10)

1. 高架橋または橋梁において、橋軸方向に隣接して設置された構造物同士を跨いで設置される角折れ防止装置であって、
   隣接する前記構造物同士が対向する端部にそれぞれ配置される２つのベースプレートと、
   前記ベースプレート同士を連結する連結部材と、
   前記ベースプレートを前記構造物に固定するアンカーボルトと、を有し、
   前記ベースプレートは、支承部材を介さず前記構造物の端部に直接配置され、
   連続して隣接する２つの前記構造物と前記角折れ防止装置は、橋軸方向に直列的に配置されることを特徴とする、高架橋または橋梁用角折れ防止装置。
2. ２つの前記ベースプレートと前記連結部材とを連結するブラケットを有することを特徴とする、請求項１に記載の高架橋または橋梁用角折れ防止装置。
3. 前記構造物の橋軸方向の変位に対応可能なクリアランスが設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の高架橋または橋梁用角折れ防止装置。
4. 片方の前記ベースプレートに形成された前記アンカーボルト用のボルト孔を橋軸方向に長い長孔とすることによって、前記クリアランスが設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の高架橋または橋梁用角折れ防止装置。
5. 前記連結部材と片方の前記ベースプレートとの連結部分が、橋軸方向に隙間を設けた状態で連結されていることによって、前記クリアランスが設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の高架橋または橋梁用角折れ防止装置。
6. 前記連結部材の引張方向の降伏耐力Ｐｙが、式（１）を満たし、
   回転耐力Ｍｙは、前記構造物をモデル化したシミュレーションにより求められ、前記構造物の角折れ量が一定の値以下になるときの回転耐力であることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の高架橋または橋梁用角折れ防止装置。
   Ｐｙ＝Ｍｙ／２Ｌ ・・・（１）
   Ｍｙ：構造物の角折れを抑制するために必要な回転耐力
   Ｌ：構造物の中心から角折れ防止装置までの距離
7. 前記回転耐力Ｍｙは４０００ｋＮ・ｍ以上であることを特徴とする、請求項６に記載の高架橋または橋梁用角折れ防止装置。
8. 架道橋を有する構造物の中心から４．５ｍの位置に取り付ける場合、前記連結部材は、前記橋軸方向の水平耐力が４００ｋＮ以上であることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の高架橋または橋梁用角折れ防止装置。
9. 前記アンカーボルトの合計せん断耐力が、前記連結部材の水平耐力よりも大きいことを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載の高架橋または橋梁用角折れ防止装置。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の角折れ防止装置を、高架橋または橋梁の構造物の軌道の外側に施工することを特徴とする、高架橋または橋梁の角折れ防止方法。
    

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