(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-06-21
(45)【発行日】2024-07-01
(54)【発明の名称】損傷制御支柱
(51)【国際特許分類】
E01D 19/02 20060101AFI20240624BHJP
E01D 19/04 20060101ALI20240624BHJP
E04H 9/02 20060101ALI20240624BHJP
【ＦＩ】
E01D19/02
E01D19/04 101
E04H9/02 301
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2022007515
(22)【出願日】2022-01-21
(65)【公開番号】P2023106663
(43)【公開日】2023-08-02
【審査請求日】2023-09-11
(73)【特許権者】
【識別番号】396007890
【氏名又は名称】大日本ダイヤコンサルタント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107375
【弁理士】
【氏名又は名称】武田 明広
(72)【発明者】
【氏名】徳橋 亮治
(72)【発明者】
【氏名】野中 哲也
(72)【発明者】
【氏名】田崎 賢治
(72)【発明者】
【氏名】宮田 秀太
【審査官】亀谷 英樹
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－０４５１３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０２００７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０５６６７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０６４２４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－１７９６５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－２５６８８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－１５８８８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１６９０４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭６２－１４３７０６（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開２０００－０９６８３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－０２４３６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０６５４０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０５７２０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－００１８１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－２００５０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０８８６６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－２２２０１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１１１００５３０６（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｅ０１Ｄ １／００－２４／００
Ｅ０４Ｃ ３／００－３／４６
Ｅ０２Ｂ ３／０４－３／１４
Ｅ０４Ｈ ９／００－９／１６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
フーチングの上に垂直に設置された柱材と、垂直な杖材と、杖材を柱材に固定するための杖材固定手段とを有し、
杖材は、柱材の外周面の外側に配置され、上端部が、杖材固定手段を介して柱材に固定され、下端部が、その下方側の要素と接しておらず、当該下方側の要素との間に間隙が形成され、
前記間隙は、設計地震動の最大時において、杖材の下端部が前記下方側の要素に接触せず、設計地震動を超過する作用が生じた時に、杖材の下端部が前記下方側の要素に接触し、杖材の抵抗が柱材に伝達される大きさに設定されていることを特徴とする損傷制御支柱。
【請求項2】
柱材の外周面の外側に延在する外周部を有するベースプレートが、柱材の下部に固定され、
前記下方側の要素が、前記ベースプレートの外周部であることを特徴とする、請求項１に記載の損傷制御支柱。
【請求項3】
フーチングの上面に鋼材が固定され、
前記下方側の要素が、前記鋼材であることを特徴とする、請求項１に記載の損傷制御支柱。
【請求項4】
杖材の内側縁部が、柱材の外周面と接しておらず、柱材の外周面との間に間隙が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の損傷制御支柱。
【請求項5】
杖材、及び、杖材固定手段が、根巻きコンクリートによって外側から覆われていることを特徴とする、請求項１～４のいずれかに記載の損傷制御支柱。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、構造物の支柱（橋脚等）の構造に関し、特に、損傷を抑制することができる支柱に関する。
【背景技術】
【0002】
２０１１年東北地方太平洋沖地震の津波や、２０１６年熊本地震の活断層の被害を受け、設計を超える作用に対して想定しておくことの重要性が高まっている。想定を超える状態に対しては、影響を低減する観点や、機能回復のための復旧性に配慮した減災の観点を取り入れることが重要である。
【0003】
従来、橋脚の倒壊を防ぐ技術、橋脚の耐荷力を調整する技術として、様々な技術が提案されている（特許文献１～４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１６－０２７２３９号公報
【文献】特開２００８－２９７７２０号公報
【文献】特開２００７－１９７９３０号公報
【文献】特開２０１６－０５６６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１～４の発明は、いずれも橋の性能の向上を期待できるものであるが、想定を超える極大地震が生じた場合には、橋脚の損傷、橋の倒壊を回避できない可能性がある。また、橋脚に損傷が生じると、被災後に橋脚の復旧工事が必要になり、道路機能を回復させるまでに多大な時間とコストがかかるのが課題である。
【0006】
本発明は、このような従来技術における問題を解決しようとするものであって、支柱（橋脚等）の変形能と耐力の更なる向上を期待することができ、特に、超過作用時（設計地震動を超える地震作用が生じた時）における支柱基部（橋脚基部）の損傷を好適に抑制することができる損傷制御支柱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】
【0007】
本発明に係る損傷制御支柱は、垂直な柱材と、柱材のベースと、柱材の固定手段と、柱材のベースの上方に配置された損傷制御部材とによって構成されていることを特徴としている。損傷制御部材は、垂直な杖材と、上方において杖材を柱材に固定するための杖材固定手段とを有し、杖材の上端部が、杖材固定手段の下側面に固定されている。
【0008】
尚、杖材の下端部が、柱材のベースと接しておらず、それらの間に間隙が形成されていることで、設計で想定する範囲では損傷制御支柱は機能せず、超過作用時のみ機能することが好ましい。
【0009】
また、杖材固定手段が、柱材の外側を取り囲むように延在する水平な下アウターフランジ及び上アウターフランジと、それらを連結するウェブユニットとによって構成されていることが好ましい。また、ウェブユニットが、柱材の外側において等しい間隔を置いて配置され、杖材が、各ウェブユニットの直下の位置に一つずつ配置されていることが好ましく、更に、損傷制御部材が、杖材固定手段の取付位置において柱材の剛性を増加させる補剛手段を有していることが好ましい。
【0010】
また、杖材が、センターリブと、その左右両側面に固定された補強リブとによって構成されていることが好ましく、更に、杖材の内側縁部が、柱材の外面と接しておらず、それらの間に間隙が形成されていることが好ましい。
【0011】
また、柱材が、フーチングの上に垂直に設置され、内部にコンクリートが充填された円形断面の鋼管であり、柱材のベースが、鋼管の下部に固定されたベースプレートであり、柱材の固定手段が、鋼管をフーチング上に固定するためのアンカーボルト及びナットであることが好ましく、更に、損傷制御部材が、根巻きコンクリートによって外側から覆われていることが好ましい。
【発明の効果】
【0012】
本発明に係る損傷制御支柱は、耐震設計された支柱の変形能と耐力の更なる向上を期待することができ、特に、超過作用時における支柱基部の損傷を好適に抑制することができる。
【0013】
本発明を橋脚に適用した場合、橋脚の耐荷力が上昇し、支承が破壊する場合は、上部構造の慣性作用が遮断されることで橋脚の損傷が進展せず、また、支承が破壊しない場合でも、高いじん性を発揮し、容易には倒壊しないという効果を期待することができる。そして、橋脚の抵抗力を段階的に調整することで、支承と橋脚に耐力の差を生じさせることで支承に損傷を誘導し、被災後の使用性や修復性を確保することを目的とした設計（損傷制御設計）を行うことが可能となる。また、橋脚より先行して支承が破壊すると、橋脚にはすべり摩擦力のみ作用し、破壊前の地震動による作用と比べて極端に小さくなる。そのため、地震動の大きさによらず、橋脚の損傷は免れることから、被災後の橋脚の復旧が不要になる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、添付図面に沿って本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明を橋脚に適用して構成した「損傷制御橋脚」（第一実施形態）の基部の斜視図、図２は、その垂直断面図、図３は、図２に示すＡ－Ａ線による水平断面図、図４は、図２に示すＢ－Ｂ線による水平断面図、図５は、図１、図２に示す損傷制御部材５の一部切欠斜視図である。
【0016】
本実施形態の損傷制御橋脚は、フーチング１（図２参照）の上に垂直に設置された円形断面の鋼管２（柱材）と、二枚の水平なベースプレート３（下ベースプレート３１、及び、上ベースプレート３２）（柱材のベース）と、損傷制御部材５と、アンカーボルト７及びナット８（柱材の固定手段）（図１参照）と、それらを外側から全体的に覆う根巻きコンクリート９等によって構成されている。
【0017】
尚、鋼管２の内部にはコンクリート（図示せず）が充填されている。つまり、本実施形態においては、橋脚を構成する鋼管２の構造として、ＣＦＴ（Concrete Filled Steel Tube）構造が採用されている。
【0018】
二枚のベースプレート３は、鋼管２の下部において上下に間隔を置いて配置され、鋼管２に対して固定されている。これらのベースプレート３のうち、下ベースプレート３１は、図３に示すように、鋼管２の外周面の外側を取り囲むように延在する外周部３１ａと、鋼管２の内周面に沿ってその内側に円環状に延在する内周部３１ｂとによって構成されている。また、図４に示すように、上ベースプレート３２も、鋼管２の外周面の外側を取り囲むように延在する外周部３２ａと、鋼管２の内周面に沿ってその内側に円環状に延在する内周部３２ｂとによって構成されている。
【0019】
下ベースプレート３１の外周部３１ａと、上ベースプレート３２の外周部３２ａには、アンカーボルト７を挿通させるためのボルト孔３５，３６がそれぞれ多数形成されている。これらの外周部３１ａ，３２ａは、多数枚の垂直なリブプレート３３によって連結されている。尚、リブプレート３３は、ボルト孔３５，３６の左右の近傍位置、より詳細には、アンカーボルト７の上端部に装着されるナット８の下方（上下方向に重なる位置）に配置され、固定されている。
【0020】
また、下ベースプレート３１の内周部３１ｂと上ベースプレート３２の内周部３２ｂも、多数枚（本実施形態においては１６枚）の垂直なリブプレート３４によって連結されている。
【0021】
アンカーボルト７は、下端部が、図２に示すフーチング１の下部に埋設されたアンカー部（図示せず）によって固定され、上半部が、フーチング１の上方へ突出するように設置されている。そして、アンカーボルト７の上半部がベースプレート３（下ベースプレート３１、及び、上ベースプレート３２）の各ボルト孔３５，３６に挿通され、それらの上端部に装着されたナット８を締めつけることにより、フーチング１（図２参照）上に鋼管２が固定されている。
【0022】
本実施形態の損傷制御橋脚の特徴的な事項は、図１、図２、及び、図５に示すように、上ベースプレート３２の上方に隙間をあけた損傷制御部材５が配置されていることである。この損傷制御部材５は、垂直な杖材５６と、上方において杖材５６を鋼管２に固定するための手段（杖材固定手段）と、この杖材固定手段の取付位置において鋼管２の剛性を増加させる補剛手段とによって構成されている。尚、杖材固定手段は、本実施形態においては、図５に示す二枚の水平なアウターフランジ（下アウターフランジ５１、及び、上アウターフランジ５２）、及び、ウェブユニット５５によって構成され、補剛手段は、図２に示す二枚の水平なインナーフランジ（下インナーフランジ５３、上インナーフランジ５４）によって構成されている。
【0023】
より具体的には、杖材固定手段を構成する下アウターフランジ５１及び上アウターフランジ５２は、鋼管２の外周面の外側を取り囲むように延在し、また、補剛手段を構成する下インナーフランジ５３及び上インナーフランジ５４は、鋼管２の内周面に沿ってその内側に円環状に延在している。
【0024】
下アウターフランジ５１と上アウターフランジ５２は、上下に所定間隔を置いて配置され、鋼管２の外周面にそれぞれ固定されるとともに、それらの間に配置された多数（本実施形態においては８つ）のウェブユニット５５によって連結されている。尚、ウェブユニット５５は、所定の間隔を置いて近接配置された、垂直かつ平行な三枚のウェブ５５ａ～５５ｃ（図５参照）によってそれぞれ構成されており、円周方向へ等しい間隔を置いて（本実施形態においては４５°の角度間隔で）配置されている。
【0025】
下インナーフランジ５３は、図２に示すように、下アウターフランジ５１と同じ高さ位置に配置され、また、上インナーフランジ５４は、上アウターフランジ５２と同じ高さ位置に配置され、鋼管２の内周面にそれぞれ固定されている。
【0026】
杖材５６は、図５に示すように、センターリブ５８と、その左右両側面に固定された補強リブ５７ａ～５７ｄとによって構成されている。センターリブ５８は、垂直方向及び鋼管２の半径方向と一致する方向へ延在し、補強リブ５７ａ～５７ｄは、垂直方向及びセンターリブ５８と直交する方向へ延在している。尚、杖材５６は、各ウェブユニット５５の直下の位置に一つずつ配置され、上端部が、下アウターフランジ５１の下側面に固定されている。
【0027】
杖材５６の下端部５６ａは、上ベースプレート３２と接しておらず、それらの間には、所定の間隙Ｃ１（図２、図５参照）が形成されている。また、杖材５６の内側縁部５６ｂは、鋼管２の外周面と接しておらず、それらの間には、所定の間隙Ｃ２（図２、図５参照）が形成されている。尚、この間隙Ｃ２が設けられている理由は、地震動により鋼管２の基部において座屈が生じた際に、半径方向外側へ向かって変形した鋼管２と杖材５６とが接触しないように隙間を確保しておく必要があるからである。
【0028】
本実施形態に係る損傷制御橋脚は、上述の通り、橋脚を構成する鋼管２がＣＦＴ構造となっており、コンクリートを充填していない鋼管よりも高い変形能を有している。そして、この損傷制御橋脚は、ＣＦＴ構造の鋼管２の上ベースプレート３２の上方に損傷制御部材５が配置されていることにより、その変形能と耐力の更なる向上を期待することができ、特に、超過作用時における橋脚基部の損傷を好適に抑制することができる。
【0029】
以下、この点について簡単に説明する。図６は、耐震設計された特定のＣＦＴ構造の橋脚（ＣＦＴ）と、当該ＣＦＴ構造の橋脚の鋼管に損傷制御部材を配置した橋脚（本発明）における水平荷重Ｈと水平変位δの関係を示すグラフである。当該ＣＦＴ橋脚の挙動特性が、図６において破線で示す通りとなる場合、本実施形態に係る損傷制御橋脚の挙動特性は、図６において実線で示す通りとなり、ＣＦＴ橋脚の限界状態を超えた領域において、第２の限界状態まで耐力の上昇を期待することができる。
【0030】
より具体的には、本実施形態に係る損傷制御橋脚は、図２及び図５に示す間隙Ｃ１（杖材５６の下端部５６ａと、上ベースプレート３２との間隙）が、ＣＦＴ構造の鋼管２の変形能との関係で適切な値に設定されており、図７に示すように、設計地震動（レベル２地震動）の最大時においても、杖材５６の下端部５６ａが、上ベースプレート３２に対して接触しないように構成されている。そして、超過作用時には、杖材５６の下端部５６ａ（センターリブ５８の下端部、及び、補強リブ５７ａ～５７ｄの下端部）が、上ベースプレート３２（図５において一点鎖線で示す位置）に接触し、杖材５６の抵抗が軸力として伝達され、橋脚の圧縮側の抵抗力が増加して、橋脚基部の損傷を抑制することができる。この抵抗力の増加は、橋脚の主な抵抗箇所が基部から上アウターフランジ位置の鋼管２に移行することで達成される。
【0031】
図８に、損傷制御部材５の抵抗メカニズムを示す。杖材５６は、接触により生じる軸力Ｎと、接触部の摩擦に伴って生じる曲げモーメントＭに抵抗する機能を有する。
【0032】
このため橋脚の耐荷力が上昇し、支承が破壊する場合は、上部構造の慣性作用が遮断されることで橋脚の損傷が進展せず、また、支承が破壊しない場合でも、高いじん性を発揮し、容易には倒壊しないという効果を期待することができる。そして、橋脚の抵抗力を段階的に調整することで、支承と橋脚の耐力の階層化を図り（損傷制御の観点）、被災後の使用性や修復性を確保する（機能回復の観点）という二つの観点を踏まえて、損傷制御設計を行うことが可能となる。
【0033】
尚、間隙Ｃ１は、上述の通り、レベル２地震動に対しては耐荷性能に影響がない範囲とすることが好ましいが、過度に大きくすると、橋脚のじん性は向上するものの残留変位は大きくなる。これらの影響を踏まえて、間隙Ｃ１を適切な値に設定することが好ましい。
【0034】
また、損傷制御部材５の下アウターフランジ５１（杖材固定手段）を鋼管２に取り付ける位置（上ベースプレート３２（柱材のベース）からの高さ位置）を高くするほど、橋脚の水平耐力が向上することから、支承の破壊を制御しやすくなるが、損傷制御部材５が大規模になる。これらの影響を踏まえて、下アウターフランジ５１（杖材固定手段）の取付位置を、適切な値に設定することが好ましい。
【0035】
尚、下アウターフランジ５１（杖材固定手段）の取付位置は、設計地震動によって鋼管２の基部に局部座屈が生じる範囲（有効破壊長領域Ｌｅ）よりも高い位置とすることが有効である。この有効破壊長領域Ｌｅは、下記の二つの式（数１、数２）から求めることができる。
ここで、Ｒｔは径厚比パラメータ、Ｄは鋼管の直径、ｔは鋼管の板厚であり、上記二つの式の最大値を有効破壊長領域Ｌｅと推定する。
【数1】
【数2】
ここで、Ｒｔは径厚比パラメータ、Ｄは鋼管の直径、ｔは鋼管の板厚であり、上記二つの式の最大値を有効破壊長領域Ｌｅと推定する。
【0036】
また、本実施形態に係る損傷制御橋脚は、ＣＦＴ橋脚の設計限界状態までの挙動に影響を与えないことから、橋脚を新設する時点だけでなく、既設の橋脚においても、アンカー部や基礎の耐力に余裕のある場合には適用が可能である。具体的には、対象となる既設の橋脚が、内部にコンクリートが充填されていない鋼管によって構成されている場合には、鋼管２の内周面に下インナーフランジ５３及び上インナーフランジ５４（図２参照）を固定し、杖材５６が下側面に固定された下アウターフランジ５１、及び、上アウターフランジ５２を鋼管２の外周面に固定することにより、本実施形態に係る損傷制御橋脚を構成することができる。また、対象となる既設の橋脚が、ＣＦＴ構造の鋼管によって構成されている場合には、インナーフランジ（補剛手段）を省略し、より高い剛性を有するアウターフランジ（杖材固定手段）を採用することで、損傷制御橋脚を構成することができる。
【0037】
尚、上記実施形態においては、柱材として円形断面の鋼管２を使用した橋脚に本発明を適用する例を説明したが、矩形断面の鋼管（図示せず）を柱材として使用した橋脚に適用することもでき、また、鉄筋コンクリート製の柱材（図示せず）を使用した橋脚に適用することもできる。
【0038】
また、上記実施形態においては、柱材の固定手段として、ベースプレート３の各ボルト孔３５，３６に挿通されたアンカーボルト７、及び、その上端部に装着されたナット８（図１～図４参照）が採用されているが、他の固定手段によって柱材が固定された橋脚に適用することもでき、更に、超過作用時に、杖材５６の下端部５６ａが、ベースプレート３以外の要素（柱材のベース）（例えば、フーチング１の上面に固定された鋼材等）の上面に接触するように構成することもできる。
【0039】
また、上記実施形態においては、杖材固定手段として、鋼管２の外周面の外側を円環状に取り囲むように延在する下アウターフランジ５１及び上アウターフランジ５２、並びに、それらを連結するウェブユニット５５が採用されているが（図２、図５参照）、円環状のものには限定されず、例えば、超過作用時において、杖材５６の抵抗を、杖材５６の上方において、鋼管２に伝達できるようなブラケットを杖材固定手段として採用し、それらを各杖材５６の上方に一つずつ配置してもよい。
【0040】
また、上記実施形態においては、下アウターフランジ５１と上アウターフランジ５２とを連結するウェブユニット５５が、それぞれ三枚のウェブ５５ａ～５５ｃによって構成されているが（図５参照）、それらの枚数は限定されず、例えば、一枚のウェブのみによって、各ウェブユニット５５を構成することもできる。
【0041】
また、上記実施形態においては、杖材５６が、センターリブ５８と、補強リブ５７ａ～５７ｄとによって構成されているが、かかる構成には限定されず、円形断面、矩形断面、又は、異形断面の鋼材（筒状又は中実）を、杖材として採用することもできる。
【0042】
また、本発明の適用対象は、橋脚には限定されず、他の構造物の支柱に対しても適用することが可能である。
【符号の説明】
【0043】
１：フーチング、
２：鋼管、
３：ベースプレート、
３１：下ベースプレート、
３１ａ：外周部、
３１ｂ：内周部、
３２：上ベースプレート、
３２ａ：外周部、
３２ｂ：内周部、
３３，３４：リブプレート、
３５，３６：ボルト孔、
５：損傷制御部材、
５１：下アウターフランジ、
５２：上アウターフランジ、
５３：下インナーフランジ、
５４：上インナーフランジ、
５５：ウェブ、
５６：杖材、
５６ａ：下端部、
５６ｂ：内側縁部、
５７ａ～５７ｄ：補強リブ、
５８：センターリブ、
７：アンカーボルト、
８：ナット、
９：根巻きコンクリート、
Ｃ１，Ｃ２：間隙、
２：鋼管、
３：ベースプレート、
３１：下ベースプレート、
３１ａ：外周部、
３１ｂ：内周部、
３２：上ベースプレート、
３２ａ：外周部、
３２ｂ：内周部、
３３，３４：リブプレート、
３５，３６：ボルト孔、
５：損傷制御部材、
５１：下アウターフランジ、
５２：上アウターフランジ、
５３：下インナーフランジ、
５４：上インナーフランジ、
５５：ウェブ、
５６：杖材、
５６ａ：下端部、
５６ｂ：内側縁部、
５７ａ～５７ｄ：補強リブ、
５８：センターリブ、
７：アンカーボルト、
８：ナット、
９：根巻きコンクリート、
Ｃ１，Ｃ２：間隙、
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】