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【発明の名称】 構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置
【発明者】 【氏名】羅 休

【氏名】濱田 吉貞

【氏名】水野 進正

【要約】 【課題】地震動による線路直角方向への列車軌道の変位を抑制して、地震時においても、安全な列車走行を行うことができる構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置を提供する。

【解決手段】構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置において、列車軌道の地盤1に配置される杭頭天端3と前記列車軌道に配置されるフーチング5の底面との間に配置され線路直角方向に働く地震動による変位の一部を線路方向の変位へと転換する鋼鉄製転換装置4を備え、前記鋼鉄製転換装置4により、線路直角方向に働く地震動による変位の一部を線路方向Aの変位へと転換して、前記列車軌道の線路直角方向の変位を抑制する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
(a)列車軌道の基礎に配置される杭頭天端と、前記列車軌道に配置されるフーチングの底面との間に配置される線路直角方向に働く地震動による変位の一部を線路方向の変位へと転換する鋼鉄製転換装置を備え、
(b)前記鋼鉄製転換装置により、線路直角方向に働く地震動による変位の一部を線路方向の変位へと転換して、前記列車軌道の線路直角方向の変位を抑制することを特徴とする構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置。
【請求項2】
請求項1記載の構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置において、前記鋼鉄製転換装置は、水平面内で回転する鋼鉄製回転摩擦装置であることを特徴とする構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、免震機能を有すると共に、建物周辺の鉄道や道路から伝搬してくる微振動や固体伝搬音を遮断する機能を合わせ持つ免震・防振構法建物についての提案が、下記非特許文献1、2としてなされている。
【0003】
一方、鉄道構造物(列車軌道など)の耐震性を高めることは、地震時の列車走行安全性を確保するために、非常に重要な問題である。
【0004】
多数の実地震被害調査によれば、地震により固定度の高い杭頭(剛接合杭頭)に大きな曲げモーメントが発生する。このことが主な杭基礎の破壊要因であることが判明している。
【0005】
鉄道構造物の耐震性を経済的に高める方法として、免震基礎の採用が考えられる。しかしながら、免震基礎によって、構造物への地震動の作用低減は可能となるが、エネルギー吸収による変位が大きくなるため、列車の安全走行に支障をきたす場合があり、鉄道分野への適用は困難であると言われている。
【0006】
すなわち、従来の免震基礎では、構造物への地震動の作用を低減するために、杭頭とフーチングの間を柔軟性構造で接合するが、変位の方向性を考慮していない。そのため、列車軌道と直交する線路直角方向に地震エネルギーが働き、列車軌道が線路直角方向へ変位すると、列車はその変位により最悪の場合、脱線転覆するという恐れがある。
【非特許文献1】安藤:「建物の免震防振構法の研究開発(その10)」鹿島技術研究所年報、第39号、第141〜147頁、1991年10月31日発行
【非特許文献2】中村他:「厚肉積層ゴムを用いた免震・除振システムの開発(その1)」、大林組技術研究所報 No.42、第15〜22頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
そこで、本発明は、列車走行に大きな影響を与える線路直角方向の振動変位を低減して、地震時においても、良好な免震効果と列車走行安全性の双方を実現できる構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震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】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置において、列車軌道の基礎に配置される杭頭天端と、前記列車軌道に配置されるフーチングの底面との間に配置される線路直角方向に働く地震動による変位の一部を線路方向の変位へと転換する鋼鉄製転換装置を備え、前記鋼鉄製転換装置により、線路直角方向に働く地震動による変位の一部を線路方向の変位へと転換して、前記列車軌道の線路直角方向の変位を抑制することを特徴とする。
【0009】
〔2〕上記〔1〕記載の構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置において、前記鋼鉄製転換装置は、水平面内で回転する鋼鉄製回転摩擦装置であることを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、線路直角方向に働く地震動による列車軌道の変位の一部を列車軌道の線路方向へと転換して、列車軌道の線路直角方向の変位を抑制し、地震時の列車走行安全性を確保することができる。
【0011】
また、その杭頭とフーチングの間の鋼鉄製転換装置の構成をより簡単なものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
本発明の構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置は、列車軌道の基礎に配置される杭頭天端と、前記列車軌道に配置されるフーチングの底面との間に配置される線路直角方向に働く地震動による変位の一部を線路方向の変位へと転換する鋼鉄製転換装置を備え、前記鋼鉄製転換装置により、線路直角方向に働く地震動による変位の一部を線路方向の変位へと転換して、前記列車軌道の線路直角方向の変位を抑制する。
【実施例】
【0013】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0014】
図1は本発明の杭頭免震装置が設けられる列車軌道の断面模式図である。
【0015】
この図において、1は地盤、2は地盤1に設けられる杭、3は杭頭天端、4は鋼鉄製転換装置、5はフーチング、6はフーチング5上に設けられる橋脚、7は橋脚6上に敷設される桁と列車軌道、Aは線路方向、Bは線路直角方向の地震動である。
【0016】
図2は本発明の実施例を示す杭頭天端とフーチング底部間に配置される鋼鉄製転換装置の配置平面図、図3はその鋼鉄製転換装置の軌道への配置図、図4はその鋼鉄製転換装置の斜視図である。
【0017】
鋼鉄製転換装置としての水平面内での鋼鉄製回転摩擦装置10は、図4に示すように、杭頭天端に固定される基礎部材11、この基礎部材11上に固定される下部軸受部材12、この下部軸受部材12と上部軸受部材14とを結合する鉛直ピン軸13と、上部軸受部材14に突設されるフーチング5への結合部材15とを備えている。
【0018】
このように構成された鋼鉄製回転摩擦装置10は、図2に示すように、地盤1に4箇所配置される。
【0019】
このように配置することにより、線路方向Aに対して直角方向からの地震動Bが印加されると、水平面内での鋼鉄製回転摩擦装置10の鉛直ピン軸13を中心として上部軸受部材14が回転することにより、その地震動が列車方向へ転換されてフーチング5へ伝えられる。したがって、杭頭免震機能を持たせることができる。
【0020】
このように、構造が簡単な鋼鉄製転換装置により、地震動による列車軌道の線路直角方向の変位を抑制することができる。
【0021】
以下、本発明の実験例について説明する。
【0022】
模型基礎を用いた静的水平交番載荷実験および振動台実験を実施し、各種の杭頭接合を有する群杭基礎の部材変形および構造物天端の応答を計測して検討を行った。
【0023】
静的水平交番載荷実験は、鋼製フレーム付きのアクリル土槽(幅2000mm、奥行き605mm)を用いて実施した。模型基礎は実物橋脚寸法で、高さ10.0m、フーチング幅約5.0m、杭径1.0m、杭長17.5mを対象に1/50スケールとし、群杭(2×2)の杭頭に図5と図6に示すように各種の免震デバイスを配置して載荷を行った。模型杭は真鍮製の中空管(φ20mm、肉厚t=1mm)を用い、閉塞した杭先端部が基礎面のアルミニウム板の上に支持された。主な実験条件を表1に示す。
【0024】
【表1】


なお、図5において、21は地盤、22は地盤21に設けられる杭、23は杭頭天端、24は鋼鉄製転換装置、25はフーチング、26はフーチング25に作用する垂直荷重、27は水平用ロードセル、28は水平荷重(スクリュージャッキ)(変位制御)である。
【0025】
今回の実験は、免震効果と走行性に及ぼす橋脚変位の影響を検討するために、プッシュオーバーの載荷方向を列車走行に不利な線路直角方向と仮定した。杭頭接合のパタンについて、ケース1とケース2は、載荷方向と同じ方向で変形する従来式の接合法を採用したことに対して、ケース3(図7(a))は載荷方向と45°の方向で回転するデバイス(参考例)、ケース4(図7(b))は水平回転による応答方向を転換するデバイス(本発明)を試みた。図7(c)において、Aは線路方向の応答を、Bは線路直角方向の応答をそれぞれ示している。
【0026】
振動台実験は、静的載荷実験の結果を分析した上で、代表的なケース1とケース4を対象にした。静的載荷実験と同じ模型地盤を有する土槽に、杭頭剛接と水平回転ピン接の模型基礎を設置して振動実験を行った(図8)。模型の共振特性を考慮して、入力加速度波は、20Hz,10Hz,5Hzの正弦波とし、加速度の振幅値は100,200,400,800,1000galとした。
【0027】
(実験結果および考察)
(1)静的水平載荷実験
図9に、静的水平交番載荷実験で得られた水平荷重(a)、杭頭モーメント(b)、載荷直角方向の水平変位(c)および鉛直変位(d)と橋脚天端の水平変位との関係を示す。これらの骨格曲線は正負交番載荷の結果に基づいて、橋脚天端の水平変位の正負同値を平均したものである。各実験終了後に模型杭を観察したところ塑性変形は確認できず、生じた応力は弾性範囲内であったと考えられる。なお、図9において、■はケース1:剛接、▼はケース2:ピン接、△はケース3:本発明の参考例の45°ピン接、○は本発明の水平回転ピン接の場合を示している。
【0028】
図9(a)に示す水平荷重と変位の関係について、杭頭剛接のケース1の構造耐力がピン接のケース3およびケース4より低い原因は、最初の模型地盤における基盤面にアルミニウム板を設置しなかったため、杭の先端支持が先行降伏したことによって、構造全体の耐力が低下したためと考えられる。また、杭頭ピン接のケース2の構造耐力が異常に低い原因は、図9(d)に示すようにケース2だけ浮き上る鉛直変位が急増することによって、構造全体の耐力が激減されたためと推測する。以上2点の問題を除くことができれば、全体的に見ると結果が合理的である。まず、図9(b)の杭頭モーメントの大小について、剛接のケース1からピン接のケース3、ケース4の順で下がったことは、柔軟性のある杭頭接合による免震効果の現れと考えられる。特に、水平回転式ピンを有するケース4の免震効果が大きいことが分かった。次に、図9(c)に示す列車走行に不利な載荷方向の水平変位を直角方向に転換する結果について、45°ピン接のケース3と水平回転ピン接のケース4の効果が顕著であることから、不利な応答変位の方向を制御できることが示唆された。
【0029】
(2)振動台実験
剛接のケース1と水平回転ピン接のケース4を対象に、加振実験で得られた橋脚天端における加振方向の応答加速度を図10、応答変位を図11、杭頭曲げモーメントを図12に示す。図10(加振条件:正弦波5Hz、800gal)、図11及び図12において、Aはケース1:剛接の場合、Dはケース4:水平回転ピン接の場合を示している。図10に示すように、免震効果によりケース4の応答加速度はケース1より2〜3割低くなったことが分かる。図11において、Eはケース1:剛接の場合で変位計測限界に達していることを示している。図11に示す変位波形の基準線のずれは、加振の際に両側の模型基礎が土槽中央に傾いたことによる誤差である。この図で、ケース1は変位計測限界値40mmを超えたことに対して、ケース4の変位は限界値以内に抑えられたことが分かる。これは列車走行安全性にとっては大変有意な結果である。また、図12から免震効果によりケース4の杭頭曲げモーメントはケース1の半分以下であることが明らかになった。
【0030】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【0031】
本発明の構造物の応答変位方向を水平回転ピンで制御する杭頭免震装置は、地震動による列車軌道の線路直角方向の変位を抑制することができるため、鉄道列車の安全走行のための免震装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】本発明の杭頭免震装置が設けられる列車軌道の断面模式図である。
【図2】本発明の実施例を示す杭頭天端とフーチング底部間に配置される鋼鉄製転換装置の配置平面図である。
【図3】本発明の実施例を示す杭頭天端とフーチング底部間に配置される鋼鉄製転換装置の軌道への配置図である。
【図4】本発明の実施例を示す杭頭天端とフーチング底部間に配置される鋼鉄製転換装置の斜視図である。
【図5】本発明の実験のための模型と載荷装置の模式図である。
【図6】本発明の実験風景を示す図である。
【図7】本発明の応答方向を転換する免震基礎の杭頭デバイスを示す図である。
【図8】振動台実験の模型設置を示す図である。
【図9】静的実験の橋脚天端変位と各計測結果の関係を示す図である。
【図10】橋脚天端における加振方向の応答加速度を示す図である。
【図11】橋脚天端における加振方向の応答変位を示す図である。
【図12】杭頭曲げモーメントを示す図である。
【符号の説明】
【0033】
1,21 地盤
2,22 地盤に設けられる杭
3,23 杭頭天端
4,24 鋼鉄製転換装置
5,25 フーチング
6 フーチング上に設けられる橋脚
7 橋脚上に敷設される桁と列車軌道
A 線路方向
B 線路直角方向の地震動
10 水平面内での鋼鉄製回転摩擦装置
11 杭頭天端に固定される台座
12 下部軸受部材
14 上部軸受部材
15 フーチングへの結合部材
13 鉛直ピン軸
26 フーチングに作用する垂直荷重
27 水平用ロードセル
28 水平荷重(スクリュージャッキ)(変位制御)
【出願人】 【識別番号】000173784
【氏名又は名称】財団法人鉄道総合技術研究所
【出願日】 平成18年12月25日(2006.12.25)
【代理人】 【識別番号】100089635
【弁理士】
【氏名又は名称】清水 守

【識別番号】100096426
【弁理士】
【氏名又は名称】川合 誠


【公開番号】 特開2008−156913(P2008−156913A)
【公開日】 平成20年7月10日(2008.7.10)
【出願番号】 特願2006−347368(P2006−347368)