特開 2023-114562 構造物の移動制限装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023114562

(43)【公開日】2023-08-18

(54)【発明の名称】構造物の移動制限装置

(51)【国際特許分類】

   E01D 19/04 20060101AFI20230810BHJP

【ＦＩ】

E01D19/04 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022016943

(22)【出願日】2022-02-07

(71)【出願人】

【識別番号】390021577

【氏名又は名称】東海旅客鉄道株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504242342

【氏名又は名称】株式会社免制震ディバイス

(74)【代理人】

【識別番号】100095566

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 友雄

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡 亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田 直

(72)【発明者】

【氏名】岩田 秀治

(72)【発明者】

【氏名】土屋 正宏

(72)【発明者】

【氏名】高橋 佑斗

(72)【発明者】

【氏名】中南 滋樹

(72)【発明者】

【氏名】木田 英範

(72)【発明者】

【氏名】掛本 啓太

【テーマコード（参考）】

2D059

【Ｆターム（参考）】

2D059AA33

2D059GG33

2D059GG59

(57)【要約】

【課題】中小規模地震時には、上部構造の移動をストッパによって制限し、大規模地震時には、ストッパが破断した際の衝撃荷重を緩和し、上部構造の振動を良好に抑制できる構造物の移動制限装置を提供する。
【解決手段】本発明による構造物の移動制限装置ＤＡは、上部構造ＵＳと下部構造ＬＳの間に設けられ、水平方向の外力が所定値未満のときに、下部構造ＬＳに対する上部構造ＵＳの移動を機械的に制限するとともに、水平方向の外力が所定値に達したときに破断し、上部構造ＵＳの移動制限を解除するストッパＳＡと、上部構造ＵＳと下部構造ＬＳの間に設けられ、回転マス２３及び粘性体３０を有し、上部構造ＵＳと下部構造ＬＳとの間の水平方向の相対変位を回転マス２３の回転に変換することにより、回転マス２３の回転慣性質量効果と粘性体３０の粘性減衰効果によって、上部構造ＵＳの振動を抑制する粘性マスダンパＤ１と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

下部構造と、当該下部構造に水平方向に移動自在に支持された上部構造を有する構造物において、前記上部構造の移動を制限する構造物の移動制限装置であって、
前記上部構造と前記下部構造の間に設けられ、水平方向の外力が所定値未満のときに、前記下部構造に対する前記上部構造の移動を機械的に制限するとともに、前記水平方向の外力が前記所定値に達したときに破断し、前記上部構造の移動制限を解除するストッパと、
前記上部構造と前記下部構造の間に設けられ、回転マス及び粘性体を有し、前記上部構造と前記下部構造との間の水平方向の相対変位を前記回転マスの回転に変換することにより、前記回転マスの回転慣性質量効果と前記粘性体の粘性減衰効果によって、前記上部構造の振動を抑制する粘性マスダンパと、
を備えることを特徴とする構造物の移動制限装置。

【請求項2】

前記ストッパは、前記粘性マスダンパと前記下部構造の間に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の構造物の移動制限装置。

【請求項3】

前記粘性マスダンパは、前記回転マスに直列に連結された支持部材を有し、前記回転マスの等価質量及び前記支持部材のばね定数は、当該等価質量及び当該ばね定数に応じて定まる前記粘性マスダンパの固有振動数が、前記ストッパの破断時に発生する衝撃荷重の振動数よりも小さい所定振動数になるように設定されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の構造物の移動制限装置。

【請求項4】

前記ストッパは、前記上部構造と前記下部構造の間を緊結するボルトを有することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の構造物の移動制限装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、下部構造に水平方向に移動自在に支持された上部構造を有する構造物において、上部構造の移動を制限する構造物の移動制限装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の構造物の移動制限装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この構造物は橋梁であり、下部構造としての橋脚と、橋脚に水平方向に移動自在に支持された、上部構造としての橋桁を有する。移動制限装置は、橋桁に一体に連結された上沓鋼板と、橋脚に一体に連結された下沓鋼板を備えており、上沓鋼板と下沓鋼板の間にゴム支承が介在している。ゴム支承は、複数のゴム層及び複数の金属板を積層した積層体と、積層体の上下面にそれぞれ接合された上下のフランジを有しており、上沓鋼板と下沓鋼板の間にボルトによって取り付けられている。

【0003】

上沓鋼板には、橋軸方向に延びる切欠が形成され、下沓鋼板の上面には、サイドブロックが一体に設けられている。サイドブロックには、上方に突出する２つのストッパ（凸部）が、橋軸方向に互いに間隔を隔てて設けられている。これらの２つのストッパは、上沓鋼板の切欠に入り込むとともに、切欠の橋軸方向の両縁部との間に所定の間隔を隔てるように配置されている。

【0004】

この構成では、例えば中小規模地震時においては、上部構造が下部構造に対して橋軸方向に移動するのに伴い、上沓鋼板の切欠の縁部が下沓鋼板のストッパに当接することによって、下部構造に対する上部構造の移動が制限される。また、大規模地震時においては、切欠の縁部からストッパに作用する水平力が限界値に達することで、ストッパがせん断によって破断する。これにより、上部構造の移動制限が解除され、上部構造がゴム支承で免震化されることによって、その損傷などが低減される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１１－１７２６２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、上述した移動制限装置では、大規模地震時にストッパが破断するのに伴い、衝撃荷重が発生し、ゴム支承を含む免制震装置を介して上部構造に伝達されるおそれがある。その場合、橋梁が鉄道橋であり、ストッパの破断タイミングで、上部構造の線路上を列車が走行中のときには、列車の走行安定性を十分に確保することができない。また、ストッパの破断時に、衝撃荷重が免制震装置に作用することによって、免制震装置の動作に悪影響を及ぼすおそれがある。

【0007】

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、中小規模地震時には、上部構造の移動をストッパで制限し、その変位を十分に抑制するとともに、大規模地震時には、ストッパが破断した際の衝撃荷重を緩和し、上部構造の振動を良好に抑制することができる構造物の移動制限装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、下部構造と、下部構造に水平方向に移動自在に支持された上部構造を有する構造物において、上部構造の移動を制限する構造物の移動制限装置であって、上部構造と下部構造の間に設けられ、水平方向の外力が所定値未満のときに、下部構造に対する上部構造の移動を機械的に制限するとともに、水平方向の外力が所定値に達したときに破断し、上部構造の移動制限を解除するストッパと、上部構造と下部構造の間に設けられ、回転マス及び粘性体を有し、上部構造と下部構造との間の水平方向の相対変位を回転マスの回転に変換することにより、回転マスの回転慣性質量効果と粘性体の粘性減衰効果によって、上部構造の振動を抑制する粘性マスダンパと、を備えることを特徴とする。

【0009】

この構成によれば、上部構造と下部構造の間にストッパが設けられており、地震時、ストッパに作用する水平方向の外力が所定値未満の場合、下部構造に対する上部構造の移動がストッパによって機械的に制限される。この場合、上部構造と下部構造との間の相対変位が非常に小さいため、粘性マスダンパは実質的に作動せず、上部構造の挙動には影響を及ぼさない。したがって、上記の所定値を、例えば中小規模地震時に発生すると想定される外力の最大値に相当する値に設定することによって、中小規模地震時に、上部構造の移動を制限し、その変位を十分に抑制することができる。

【0010】

一方、水平方向の外力が所定値に達すると、ストッパが破断することで、上部構造の移動制限が解除される。これに伴い、上部構造が移動し、下部構造との間の相対変位が粘性マスダンパの回転マスの回転に変換されることによって、回転マスの回転慣性質量効果と粘性体の粘性減衰効果が発揮される。これにより、大規模地震時に、上部構造の振動を良好に抑制することができる。また、粘性マスダンパは、ストッパが破断する際に発生する衝撃荷重（衝撃波）をフィルタリングする機能を有する。これにより、ストッパの破断時の衝撃荷重を緩和し、ダンパを介して伝達される衝撃荷重が上部構造に及ぼす悪影響を抑制することができる。

【0011】

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の構造物の移動制限装置において、ストッパは、粘性マスダンパと下部構造の間に配置されていることを特徴とする。

【0012】

この構成では、ストッパが上記のように配置されているため、上部構造、粘性マスダンパ、ストッパ及び下部構造が、この順で直列に連結された関係になる。このため、ストッパの破断によって発生した衝撃荷重は、上部構造に伝達される前に、粘性マスダンパを必ず通り、粘性マスダンパで緩和される。これにより、粘性マスダンパのフィルタリング機能が十分に発揮されることによって、衝撃荷重による上部構造への悪影響を確実に抑制することができる。

【0013】

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の構造物の移動制限装置において、粘性マスダンパは、回転マスに直列に連結された支持部材を有し、回転マスの等価質量及び支持部材のばね定数は、当該等価質量及び当該ばね定数に応じて定まる粘性マスダンパの固有振動数が、ストッパの破断時に発生する衝撃荷重の振動数よりも小さい所定振動数になるように設定されていることを特徴とする。

【0014】

この構成によれば、粘性マスダンパの回転マスの等価質量と、回転マスに直列に連結された支持部材のばね定数により、粘性マスダンパの固有振動数が、ストッパの破断時に発生する衝撃荷重の振動数よりも小さい所定振動数に設定されている。粘性マスダンパは、入力された振動のうち、自身の固有振動数よりも高い振動数の成分を通さないというフィルタリング機能を有する。したがって、粘性マスダンパの固有振動数を上記のように設定することにより、ストッパの破断時の衝撃荷重を良好に緩和でき、衝撃荷重による上部構造への悪影響をさらに抑制することができる。

【0015】

請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれかに記載の構造物の移動制限装置において、ストッパは、上部構造と下部構造の間を緊結するボルトを有することを特徴とする。

【0016】

この構成によれば、例えばボルト１本あたりの破断荷重や本数などを設定することによって、所望の機能をストッパ、すなわち、水平方向の外力が所定値未満のときに、上部構造の移動を機械的に制限し、水平方向の外力が所定値に達したときに破断するストッパを容易に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の第１実施形態による移動制限装置を適用した鉄道橋を示す（ａ）平面図、及び（ｂ）正面図である。

【図2】図１の移動制限装置の（ａ）部分拡大正面図、（ｂ）モデル図、及び（ｃ）荷重－変位特性図である。

【図3】粘性マスダンパの断面図である。

【図4】第１実施形態の変形例による移動制限装置の部分拡大正面図である。

【図5】第２実施形態による移動制限装置の（ａ）正面図、及び（ｂ）モデル図である。

【図6】（ａ）ストッパと粘性マスダンパを併用した場合のモデル図、及び（ｂ）ストッパと鋼材ダンパや積層ゴム支承などを併用した場合のモデル図である。

【図7】第３実施形態による移動制限装置の（ａ）正面図、（ｂ）矢印Ｘ部の部分拡大図、及び（ｃ）モデル図である。

【図8】Ｌ１地震動を入力した場合の時刻歴応答解析によって得られた第２層の（ａ）加速度、（ｂ）速度、及び（ｃ）変位を示す図である。

【図9】図８と同様の場合の時刻歴応答解析によって得られた粘性マスダンパの反力を示す図である。

【図10】Ｌ２地震動を入力した場合の時刻歴応答解析によって得られた第２層の（ａ）加速度、（ｂ）速度、及び（ｃ）変位を示す図である。

【図11】図１０と同様の場合の時刻歴応答解析によって得られた粘性マスダンパ及びストッパの反力を示す図である。

【図12】動的加振実験に用いた実験装置を示す図である。

【図13】Ｌ１地震動の場合の動的加振実験の（ａ）入力波、（ｂ）粘性マスダンパ及び支持部材の変位を示す図である。

【図14】Ｌ２地震動の場合の動的加振実験の（ａ）入力波、（ｂ）粘性マスダンパ及び支持部材の変位を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１及び図２は、本発明の第１実施形態による移動制限装置ＤＡを、これを適用した鉄道橋２とともに示す。移動制限装置ＤＡは、ストッパＳＡ及び粘性マスダンパＤ１を備える。

【0019】

この移動制限装置ＤＡは、常時や中小規模地震時には、鉄道橋２の上部構造ＵＳの線路と直角方向（以下「線路直交方向」という）の移動をストッパＳＡが機械的に制限し、線路直交方向の変位を抑制することによって、列車Ｔの走行安定性を確保する。一方、大規模地震時には、ストッパＳＡのボルトＢが破断し、粘性マスダンパＤ１が作動することによって、ストッパＳＡの破断時の衝撃荷重を緩和するとともに、上部構造ＵＳの線路直交方向の振動を抑制するものである。

【0020】

図１（ｂ）に示すように、鉄道橋２は、上部構造ＵＳと、上部構造ＵＳを支持する下部構造ＬＳに大別される。上部構造ＵＳにはレール（図示せず）が敷設され、レール上を列車Ｔが走行する。

【0021】

上部構造ＵＳは、橋梁の支間方向に延びる複数の主桁３と、主桁３に直交する方向に延び、主桁３の両端部及び２箇所の中間部に連結された複数の受桁４を有する。下部構造ＬＳは、複数のＲＣ橋脚９及びこれを支持するケーソン基礎１０と、複数の鋼製橋脚１１を有する。

【0022】

上部構造ＵＳは、複数の支承を介して、下部構造ＬＳに支持されている。具体的には、主桁３の一端部では固定支承５を介して、他端部では可動支承６を介して、それぞれＲＣ橋脚９及びケーソン基礎１０に支持されている。また、主桁３の中間部において、受桁４の一端部では、ゴム製などのすべり支承７を介して、ＲＣ橋脚９及びケーソン基礎１０に支持され、受桁４の他端部では、ピボット支承８を介して、鋼製橋脚１１に支持されている。

【0023】

ピボット支承８は、上下方向に延びる支柱部８ａと、支柱部８ａの上下の端部にそれぞれ回動自在に連結された上下のピボット部８ｂ、８ｃを有する。ピボット支承８は、ピボット部８ｂ、８ｃを介して、上部構造ＵＳと鋼製橋脚１１にそれぞれ連結されており、それにより、上部構造ＵＳを回動自在に支持する。

【0024】

図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、移動制限装置ＤＡは、下部構造ＬＳの鋼製橋脚１１と上部構造ＵＳの受桁４の間に設けられており、粘性マスダンパＤ１、支持部材Ｄ２、第１接続部材Ｄ３及び第２接続部材Ｄ４を備えている。

【0025】

支持部材Ｄ２は、下端部が鋼製橋脚１１に固定され、上方に延びている。支持部材Ｄ２は、粘性マスダンパＤ１のばね定数（剛性）を調整するためのものであり、必要なばね定数に応じて、鋼材や、比較的柔らかい低剛性の部材、例えばゴムユニットで構成されている。第１及び第２接続部材Ｄ３、Ｄ４は、粘性マスダンパＤ１をそれぞれ支持部材Ｄ２及び受桁４に接続するものである。第１及び第２接続部材Ｄ３、Ｄ４はそれぞれ、所定の剛性を有する、Ｈ形鋼などの鋼材で構成されており、支持部材Ｄ２及び受桁４にボルトなどで固定され、線路直交方向に互いに対向している。

【0026】

図３に示すように、粘性マスダンパＤ１は、ボールねじ式のものであり、内筒２１、ボールねじ２２、回転マス２３、及び軸力制限機構２４を備える。内筒２１は、円筒状の鋼材で構成されており、その一端部は開口し、他端部は、自在継手２５ａを介して第１フランジ２５に取り付けられている。

【0027】

ボールねじ２２は、ねじ軸２２ａと、ねじ軸２２ａに多数のボール２２ｂを介して螺合するナット２２ｃを有し、内筒２１と同軸状かつ直列に配置されている。ねじ軸２２ａの一端部は、内筒２１に収容されており、ねじ軸２２ａの他端部は、自在継手２６ａを介して第２フランジ２６に取り付けられている。ナット２２ｃの一端部は、クロスローラベアリング２７を介して内筒２１に嵌合しており、それにより、ナット２２ｃは、内筒２１に回転自在に支持されている。

【0028】

回転マス２３は、比重の大きな材料、例えば鉄で構成され、円筒状に形成されており、内筒２１及びボールねじ２２の外側に同軸状に配置されている。回転マス２３の第１フランジ２５側の端部は、ラジアルベアリング２８を介して、内筒２１に嵌合しており、それにより、回転マス２３は内筒２１に回転自在に支持されている。また、回転マス２３と内筒２１の間には、一対のリング状のシール材２９、２９が設けられている。これらのシール材２９、２９、回転マス２３及び内筒２１によって画成された空間には、シリコンオイルなどで構成された粘性体３０が充填されている。

【0029】

以上の構成では、内筒２１とねじ軸２２ａの間に相対変位（以下、適宜「ダンパ変位」という）が発生すると、この相対変位がボールねじ２２でナット２２ｃの回転運動に変換され、軸力制限機構２４を介して回転マス２３に伝達されることによって、回転マス２３が回転する。これにより、回転マス２３による回転慣性質量効果が発揮されるとともに、内筒２１と回転マス２３との間に配置された粘性体３０による粘性減衰効果が発揮される。

【0030】

軸力制限機構２４は、粘性マスダンパＤ１の回転変換動作を制限することで、粘性マスダンパＤ１の反力（軸力）（以下、適宜「ダンパ反力」という）を制限するものである。軸力制限機構２４は、回転マス２３とナット２２ｃの間に配置されたリング状の回転滑り材２４ａと、回転滑り材２４ａをナット２２ｃに押し付けるとともに、その押付け力を調整するための複数のねじ２４ｂ及びばね２４ｃで構成されている。

【0031】

この構成では、粘性マスダンパＤ１の軸力（ダンパ反力）が、ねじ２４ｂの締付度合に応じて定まる制限荷重に達すると、回転滑り材２４ａとナット２２ｃまたは回転マス２３との間に滑りが発生することで、粘性マスダンパＤ１の回転変換動作が制限され、ダンパ反力の過大化が防止される。なお、ダンパ反力を制限する必要性が低い場合には、軸力制限機構２４は省略することが可能である。

【0032】

以上の構成の粘性マスダンパＤ１は、図２（ａ）に示すように、第１及び第２接続部材Ｄ３、Ｄ４の間に水平に設けられ、ねじ軸２２ａ側が第１接続部材Ｄ３に、内筒２１側が第２接続部材Ｄ４にそれぞれ連結されている。なお、この連結関係を左右逆にしてもよく、すなわち、ねじ軸２２ａ側を第２接続部材Ｄ４に連結し、内筒２１側を第１接続部材Ｄ３に連結してもよい。

【0033】

ストッパＳＡは、連結板Ｓ１と、複数のボルトＢを有する。連結板Ｓ１は、高い剛性を有する部材、例えば鋼材で構成されており、図２（ａ）に示すように、受桁４の下面にボルト止めされるとともに、第１接続部材Ｄ３に複数のボルトＢで緊結されている。このように、ストッパＳＡは、第１接続部材Ｄ３と受桁４の間に、粘性マスダンパＤ１及び第２接続部材Ｄ４の直列体と並列に設けられている。ボルトＢのせん断面（軸方向に直交する面）は、受桁４の下面に対して直角に配置されている。

【0034】

以上の構成から、図２（ｃ）に示すように、ストッパＳＡは、ボルトＢに作用する水平方向の荷重（外力）Ｆｓが所定値Ｆｒに達するまでは線形的に変位する一方、荷重Ｆｓが所定値Ｆｒに達したときにボルトＢが破断（せん断破壊）し、荷重Ｆｓが０になるという特性を有する。また、本実施形態では、ボルトＢの１本あたりの破断荷重及び本数などは、大規模地震時（Ｌ２地震動）において、ストッパＳＡに作用する水平方向の外力が所定値に達したときに、ボルトＢが破断するように設定されている。

【0035】

以上の構成から、移動制限装置ＤＡは、図２（ｂ）のようにモデル化される。まず、粘性マスダンパＤ１は、軸力制限機構２４が省略されている場合、等価質量（見掛けの質量）がｍｄである回転マス２３から成る慣性接続要素と、減衰係数がｃｄである粘性体３０から成る粘性減衰要素との並列体で表される。これらの並列体は、互いに直列の第１接続部材Ｄ３及び支持部材Ｄ２から成るばね要素を介して、鋼製橋脚１１に接続されるとともに、第２接続部材Ｄ４から成るばね要素を介して、受桁４に接続されている。さらに、ストッパＳＡのボルトＢから成るばね破断要素が、第１接続部材Ｄ３と受桁４の間に、粘性マスダンパＤ１及び第２接続部材Ｄ４の直列体と並列に接続されたモデルになる。

【0036】

また、この移動制限装置ＤＡにおいて、粘性マスダンパＤ１に直列に接続された第１接続部材Ｄ３、支持部材Ｄ２及び第２接続部材Ｄ４を１つの直列ばねとして縮約し、それら全体のばね定数をｋとすると、ストッパＳＡが破断した後の粘性マスダンパＤ１の固有周期Ｔ（固有振動数ｆ）は、次式（１）によって表される。本実施形態では、この固有振動数ｆは、ストッパＳＡの破断時に発生すると想定される衝撃荷重（衝撃波）の振動数よりも若干小さい所定振動数ｆｒに設定されており、この所定振動数ｆｒが得られるよう、回転マス２３の等価質量ｍｄと支持部材Ｄ２のばね定数が設定されている。
Ｔ＝ １／ｆ＝ sqrt（ｍｄ／ｋ） ・・・（１）

【0037】

以上の構成の移動制限装置ＤＡによれば、常時や中小規模地震時（Ｌ１地震動）においては、上部構造ＵＳが下部構造ＬＳに対して線路直交方向に移動しようとしても、この上部構造ＵＳの移動がストッパＳＡで機械的に制限され、線路直交方向の変位が抑制されることによって、列車Ｔの走行安定性を確保することができる。

【0038】

一方、大規模地震時（Ｌ２地震動）においては、ストッパＳＡに作用する線路直交方向の外力が所定値に達することによって、ボルトＢがせん断によって破断する。これにより、上部構造ＵＳの移動制限が解除され、上部構造ＵＳと下部構造ＬＳが相対的に変位するようになり、この相対変位が伝達されることによって、粘性マスダンパＤ１が作動する。その結果、粘性マスダンパＤ１の回転マス２３による回転慣性質量効果と粘性体３０による粘性減衰効果が発揮されることによって、上部構造ＵＳの振動を良好に抑制でき、その損傷などを低減することができる。

【0039】

また、前述したように、ストッパＳＡを除く粘性マスダンパＤ１の固有振動数ｆは、ストッパＳＡの破断時に発生すると想定される衝撃荷重（衝撃波）の振動数よりも若干小さい所定振動数ｆｒに設定されている。このため、直列ばねを有する粘性マスダンパＤ１のフィルタリング機能により、ストッパ破断時のダンパを介して伝達される衝撃荷重のうちの固有振動数ｆ以上の成分の上部構造ＵＳ側への伝達が抑制される。このように粘性マスダンパＤ１のフィルタリング機能が発揮される結果、ストッパ破断時の衝撃荷重を良好に緩和し、上部構造ＵＳへの悪影響を抑制することができる。

【0040】

図４は、上述した第１実施形態の変形例による移動制限装置ＤＡ’を示す。同図及び他の移動制限装置を示す後述の図面において、第１実施形態と同じ又は同等の構成要素には、同じ参照符号が付されている。前述したように、第１実施形態では、ストッパＳＡは、受桁４にボルト止めされた連結板Ｓ１と、連結板Ｓ１を第１接続部材Ｄ３に緊結する複数のボルトＢで構成され、ボルトＢのせん断面は、受桁４の下面に対して直角に配置されている。

【0041】

これに対し、変形例による移動制限装置ＤＡ’では、ストッパＳＡ’は、受桁４にボルト止めされた第１ストッパ部材Ｓ２と、第１ストッパ部材Ｓ２にボルト止めされた第２ストッパ部材Ｓ３と、連結板Ｓ４を介して第２ストッパ部材Ｓ３を第１接続部材Ｄ３に緊結する複数のボルトＢなどで構成され、ボルトＢのせん断面は、受桁４の下面に対して平行に配置されている。第１及び第２ストッパ部材Ｓ２、Ｓ３、連結板Ｓ４はいずれも、高い剛性を有する部材、例えば鋼材で構成されている。他の構成は、第１実施形態と同じである。

【0042】

以上の構成から、この移動制限装置ＤＡ’のモデルは、第１実施形態とまったく同じであり、図２（ｂ）のように表される。したがって、移動制限装置ＤＡ’によれば、前述した第１実施形態による効果を同様に得ることができる。

【0043】

図５は、第２実施形態による移動制限装置ＤＢを示す。この移動制限装置ＤＢでは、ストッパＳＢは、例えば鋼材で構成された第１及び第２ストッパ部材Ｓ５、Ｓ６、連結板Ｓ７と、複数のボルトＢなどで構成されている。第１ストッパ部材Ｓ５は、下端部において鋼製橋脚１１にボルト止めされ、上方に延びている。第２ストッパ部材Ｓ６は、第１ストッパ部材Ｓ５にボルト止めされるとともに、補強部材Ｓ７を介して、第１接続部材Ｄ３に複数のボルトＢで緊結されている。ボルトＢのせん断面は、受桁４の下面に対して平行に配置されている。他の構成は、第１実施形態と同じである。

【0044】

以上の構成から、移動制限装置ＤＢは、図５（ｂ）のようにモデル化される。まず、第１実施形態と同様、粘性マスダンパＤ１は、等価質量がｍｄである回転マス２３から成る慣性接続要素と、減衰係数がｃｄである粘性体３０から成る粘性減衰要素との並列体で表される。これらの並列体は、互いに直列の第１接続部材Ｄ３及び支持部材Ｄ２から成るばね要素を介して、鋼製橋脚１１に接続されるとともに、第２接続部材Ｄ４から成るばね要素を介して受桁４に接続されている。さらに、ストッパＳＢのボルトＢから成るばね破断要素が、鋼製橋脚１１と第１接続部材Ｄ３の間に、支持部材Ｄ２と並列に接続されたモデルになる。

【0045】

以上の構成の移動制限装置ＤＢによれば、第１実施形態の移動制限装置ＤＡと同様の動作及び効果を得ることができる。すなわち、例えば常時や中小規模地震時においては、下部構造ＬＳに対する上部構造ＵＳの線路直交方向の移動を、ストッパＳＢで機械的に制限することによって、列車Ｔの走行安定性を確保することができる。一方、大規模地震時においては、線路直交方向の外力が所定値に達したときに、ストッパＳＢのボルトＢがせん断で破断し、上部構造ＵＳの移動制限が解除され、粘性マスダンパＤ１が作動することによって、上部構造ＵＳの線路直交方向の振動を良好に抑制し、その損傷などを低減することができる。

【0046】

また、ストッパＳＢを除く粘性マスダンパＤ１の固有振動数ｆが所定振動数ｆｒに設定されているため、粘性マスダンパＤ１のフィルタリング機能により、ストッパ破断時の衝撃荷重のうちの固有振動数ｆ以上の成分の上部構造ＵＳ側への伝達が抑制される。本実施形態では特に、図５（ｂ）及び図６（ａ）に示すように、支持部材Ｄ２から成るばね要素と並列のストッパＳＢが、粘性マスダンパＤ１を介してのみ受桁４に接続されているため、ストッパ破断時の衝撃荷重はすべて、粘性マスダンパＤ１を介して受桁４に伝達される。その結果、粘性マスダンパＤ１のフィルタリング機能が十分に発揮されることによって、ストッパＳＢの破断時の衝撃荷重を十分に緩和し、上部構造への悪影響を確実に抑制することができる。

【0047】

これに対し、例えばストッパＳと鋼材ダンパや積層ゴム支承などを併用した場合には、図６（ｂ）に示すように、鋼材ダンパや積層ゴム支承などが、ストッパＳと並列に接続されたばね要素で表され、フィルタリング機能をもたないため、ストッパＳの破断時に衝撃荷重が受桁４側に伝達されてしまう。

【0048】

図７は、第３実施形態による移動制限装置ＤＣを示す。同図（ａ）（ｂ）に示すように、この移動制限装置ＤＣでは、ストッパＳＣは、例えば鋼材で構成された第１及び第２ストッパ部材Ｓ８、Ｓ９、連結板Ｓ１０と、複数のボルトＢなどで構成されている。第１ストッパ部材Ｓ８は、上端部において受桁４にボルト止めされ、下方に延びており、その下端部に連結板Ｓ１０が一体に設けられている。第２ストッパ部材Ｓ９は、下端部において鋼製橋脚１１にボルト止めされ、上方に延びている。そして、第１ストッパ部材Ｓ８は、連結板Ｓ１０を介して、第２ストッパ部材Ｓ９に複数のボルトＢで緊結されている。ボルトＢのせん断面は、受桁４の下面に対して直角に配置されている。他の構成は、第１実施形態と同じである。

【0049】

以上の構成から、移動制限装置ＤＣは、図７（ｃ）のようにモデル化される。まず、第１及び第２実施形態と同様、粘性マスダンパＤ１は、等価質量がｍｄである回転マス２３から成る慣性接続要素と、減衰係数がｃｄである粘性体３０から成る粘性減衰要素との並列体で表される。これらの並列体は、互いに直列の第１接続部材Ｄ３及び支持部材Ｄ２から成るばね要素を介して、鋼製橋脚１１に接続されるとともに、第２接続部材Ｄ４から成るばね要素を介して受桁４に接続されている。さらに、ストッパＳＣのボルトＢから成るばね破断要素が、受桁４と鋼製橋脚１１の間に、上記の構成要素と並列に接続されたモデルになる。

【0050】

以上の構成の移動制限装置ＤＣによれば、第１実施形態の移動制限装置ＤＡと同様の動作及び効果を得ることができる。すなわち、例えば常時や中小規模地震時においては、上部構造ＵＳの線路直交方向の移動を、ストッパＳＣで機械的に制限することによって、列車Ｔの走行安定性を確保できる。一方、大規模地震時においては、線路直交方向の外力が所定値に達したときに、ストッパＳＣのボルトＢがせん断で破断し、粘性マスダンパＤ１が作動することで、上部構造ＵＳの線路直交方向の振動を良好に抑制し、その損傷などを低減できる。

【0051】

また、ストッパＳＣを除く粘性マスダンパＤ１の固有振動数ｆが所定振動数ｆｒに設定されているため、粘性マスダンパＤ１のフィルタリング機能により、ストッパ破断時のダンパを介して伝達される衝撃荷重のうちの固有振動数ｆ以上の成分の上部構造ＵＳ側への伝達が抑制される。このように粘性マスダンパＤ１のフィルタリング機能が発揮される結果、ストッパＳＣの破断時のダンパを介して伝達される衝撃荷重を良好に緩和し、上部構造ＵＳへの悪影響を抑制することができる。

【0052】

次に、図８～図１１を参照しながら、時刻歴応答解析について説明する。この時刻歴応答解析は、鉄道橋２に取り付けた移動制限装置のストッパによる移動制限効果と粘性マスダンパＤ１による制震効果を確認するために実施したものである。その条件は、以下のとおりである。

【0053】

まず、解析対象である鉄道橋２は、図１に示すようなロッキング橋脚を有する３径間連続橋脚（１径間＝約５０ｍ）とし、解析方向は線路直交方向とした。鉄道橋２のモデルは２質点系縮約モデルとした。具体的には、図１（ｂ）において、ＲＣ橋脚９の中央から上方のすべり支承７などの支承部までを第１層（質点１）、その質量を約１３００（ｔｏｎ）とし、支承部から上方を第２層（質点２）、その質量を約１２００（ｔｏｎ）とした。

【0054】

ＲＣ橋脚９、すべり支承７及びピボット支承８は、弾性ばねとし、すべり支承７はバイリニア特性とした。また、Ｌ１地震動（まれに発生する地震動）検討時の第１層及び第２層のばね定数は、それぞれ３６０（ｋＮ／ｍｍ）、１００（ｋＮ／ｍｍ）、Ｌ２地震動（極めてまれに発生する地震動）検討時の第１層及び第２層のばね定数は、それぞれ２７０（ｋＮ／ｍｍ）、７５（ｋＮ／ｍｍ）とした。

【0055】

また、移動制限装置は、図５に示す第２実施形態の移動制限装置ＤＢを基本とした。ストッパＳＢのボルトＢは、１本あたりの初期剛性が３０．８（ｋＮ／ｍｍ）のものを２０本、用いており、ボルトＢ全体の初期剛性は３０．８×２０＝６１６（ｋＮ／ｍｍ）である。ボルトＢの１本あたりの破断荷重は１００（ｋＮ）、全体の破断荷重は１００×２０＝２０００（ｋＮ）とした。また、ボルトＢは、図２（ｃ）に示すように、破断荷重に達したときに応力が０になるモデルとした。

【0056】

さらに、粘性マスダンパＤ１の１基あたりの等価質量ｍｄは８００（ｔｏｎ）、減衰係数ｃｄは１．０ （ｋＮｓ／ｍｍ）とした。また、支持部材Ｄ２のばね定数は、粘性マスダンパＤ１の１基あたり４００（ｋＮ／ｍｍ）とし、設置数は２箇所とした。

【0057】

また、入力地震動は、Ｌ１地震動及びＬ２地震動とし、地盤種別はＧ４地盤とした。そして、Ｌ１地震動及びＬ２地震動をそれぞれ鉄道橋２の下部構造ＬＳに入力したときの、第２層（質点２）の応答（変位、速度及び加速度）の時刻歴とダンパ反力（粘性マスダンパＤ１の反力）などの時刻歴を求めた。以下、その結果について説明する。

【0058】

図８及び図９に示すように、Ｌ１地震動の場合には、鉄道橋２に作用する線路直交方向の外力が小さく、ストッパＳＢが破断しないため、下部構造ＬＳに対する上部構造ＵＳの移動がストッパＳＢによって制限される。このため、図８に示すように、第２層の変位、速度及び加速度はいずれも、非常に小さく抑制される。それに伴い、ダンパ変位が抑制される結果、図９に示すように、ダンパ反力が小さく抑制されるとともに、粘性マスダンパＤ１及びすべり支承７の応答による残留変形も抑制されることが分かる。

【0059】

一方、図１０及び図１１に示すように、Ｌ２地震動の場合には、その入力開始時から約１０秒が経過するまでは、線路直交方向の外力が小さく、ストッパＳＢが破断しないため、Ｌ１地震動の場合と同様、上部構造ＵＳの移動がストッパＳＢで制限される結果、第２層の変位、速度及び加速度とダンパ反力は、いずれも非常に小さく抑制されることが分かる。

【0060】

そして、地震動の入力開始時から約１０秒が経過した時に、線路直交方向の外力が所定値に達することで、ストッパＳＢのボルトＢがせん断で破断する。これにより、地震動が第２層に伝達され、第２層の変位、速度及び加速度が大きく振動する。また、ストッパＳＢの反力が０になるとともに、大きなダンパ反力が得られ、粘性マスダンパＤ１の制震効果が有効に発揮されることが分かる。また、これらの結果から、ストッパＳＢの破断荷重を十分に小さく設定することにより、比較的早い段階でストッパＳが破断し、その後の遅いタイミングで第２層が最大応答値を迎えるようにすることで、ストッパＳＢの破断が第２層の最大応答値にほとんど影響しないようにすることができると推定される。

【0061】

次に、上述した時刻歴応答解析の妥当性を検証するために実施した動的加振実験について説明する。この動的加振実験は、実施形態の移動制限装置を模擬した、粘性マスダンパＤ１を含む試験体を作製し、この試験体を強制的に加振したときのダンパ反力やダンパ変位などを検出するものである。以下、図１２～図１４を参照しながら、第２実施形態の移動制限装置ＤＢを模擬した場合を例にとり、動的加振実験について説明する。

【0062】

図１２に示すように、実験装置５１は、左右の柱ＬＰ、ＲＰ及び上下の梁ＵＢ、ＬＢを連結したラーメン構造の実験フレームＴＦを有する。この実験フレームＴＦ内に、粘性マスダンパＤ１、ストッパＳＢ、支持部材Ｄ２、第１及び第２接続部材Ｄ３、Ｄ４や、加振を行うためのアクチュエータＶＡ及び加振梁ＶＢなどが配置されている。これらの構成要素は、粘性マスダンパＤ１及びアクチュエータＶＡを除き、鋼材で構成されており、また、実験フレームＴＦの設備の配置上、図５に示す第２実施形態の移動制限装置ＳＢとは上下逆に配置されている。

【0063】

具体的には、加振梁ＶＢは、複数のレールＲを介して、下梁ＬＢに左右方向に移動自在に設けられている。アクチュエータＶＡは、連結部材５２を介して、加振梁ＶＢの右端部に連結されている。このアクチュエータＶＡは、加振梁ＶＢを左右方向に加振する動的アクチュエータであり、その諸元は、例えば最大荷重：３０００(kＮ) 、最大速度：３０(cm/s)、ストローク：±１００(mm)である。

【0064】

支持部材Ｄ２は、上端部が上梁ＵＢにボルトなどで連結され、下方に延びている。第１接続部材Ｄ３は、支持部材Ｄ２の下端部に、ボルトなどで連結されている。第２接続部材Ｄ４は、加振梁ＶＢの上面に、ボルトなどで連結されている。また、粘性マスダンパＤ１は、第１接続部材Ｄ３と第２接続部材Ｄ４の間に直列かつ水平に設けられている。さらに、ストッパＳＢは、第１接続部材Ｄ３と左柱ＬＰの間に配置され、ボルトＢで緊結されている。粘性マスダンパＤ１の等価質量は２８００（ｔｏｎ）、支持部材Ｄ２のばね定数は３３０００（ｋＮ／ｍ）とした。また、ストッパＳＢのボルトＢの径はＭ１６、強度区分は８．８、本数は１本とした。

【0065】

以上の構成の実験装置５１において、アクチュエータＶＡから加振梁ＶＢを介して加振したときのダンパ変位及び支持部材Ｄ２の変位（以下「支持部材変位」という）を、それぞれの変位センサ（図示せず）によって検出した。この場合、アクチュエータＶＡから入力される入力波は、図１３及び図１４にそれぞれ示すようなＬ１地震動及びＬ２地震動に基づくサイン波であり、その振幅は、スケール則を考慮して設定した。また、動的加振実験とは別個に、上述した実験装置５１及び入力波の条件に基づき、時刻歴応答解析を行った。

【0066】

図１３及び図１４は、動的加振実験の結果を示す。図１３に示すように、Ｌ１地震動の場合には、ダンパ変位及び支持部材変位がいずれも小さく抑制されている。この結果は、図示しない時刻歴応答解析の結果とほぼ同じである。このことから、上部構造ＵＳの移動がストッパＳにより有効に制限されることが確認された。

【0067】

また、図１４に示すように、Ｌ２地震動の場合には、ストッパＳが破断した後、ダンパ変位及び支持部材変位がいずれも大きくなっている。この結果は、図示しない時刻歴応答解析の結果とほぼ同じである。このことから、ストッパＳの破断後、粘性マスダンパＤ１が大きな変位で作動し、上部構造ＵＳの振動が良好に抑制されることが確認された。また、ストッパＳの破断後、ダンパ変位及び支持部材変位の波形に乱れが認められないことや、図示しないが、ダンパ反力と全体変位（＝ダンパ変位＋支持部材変位）との関係を表す履歴ループが安定していることから、ストッパ破断による衝撃荷重の影響がほとんど無いことが確認された。

【0068】

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態は、本発明の移動制限装置を鉄道橋に適用し、列車の走行安定性を確保する例である。本発明は、これに限らず、下部構造に対する上部構造の水平方向の移動を制限することが要求されるような他の構造物に、広く適用することが可能である。

【0069】

また、実施形態では、粘性マスダンパＤ１は、ボールねじ式のものであるが、これに代えて歯車モータ式のものを採用してもよい。さらに、移動制限装置の構成として、説明した第１～第３実施形態や変形例以外の適当なものを採用することができる。また、実施形態で示したストッパや粘性マスダンパなどの諸元・数値は、あくまで例示であり、適宜、変更される。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

【符号の説明】

【0070】

ＤＡ 第１実施形態の移動制限装置
ＤＡ’ 変形例の移動制限装置
ＤＢ 第２実施形態の移動制限装置
ＤＣ 第３実施形態の移動制限装置
２ 鉄道橋（構造物）
ＵＳ 上部構造
ＬＳ 下部構造
ＳＡ 第１実施形態のストッパ
ＳＡ’ 変形例のストッパ
ＳＢ 第２実施形態のストッパ
ＳＣ 第３実施形態のストッパ
Ｄ１ 粘性マスダンパ
２３ 回転マス
３０ 粘性体
Ｄ２ 支持部材
ｍｄ 回転マスの等価質量
ｃｄ 粘性体の粘性係数
ｆ 固有振動数
ｆｒ 所定振動数
Ｂ ストッパのボルト

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】