鋼橋の免震化に関する基礎的研究

ゴム支承を用いた免震橋について、軌道による構造物の地震時挙動への影響の評価法、鉄道橋に適した支承構造を提案しました。

1.はじめに

道路橋では、ゴム支承など柔らかく減衰の高い支承により橋りょうを長周期化・高減衰化することによって、上部構造および上部構造から下部構造へ伝達する水平力を軽減させる免震設計が広く採用されています(図1)。鉄道橋においてもこうした免震構造を積極的に取り入れることで耐震性能の向上を図ることが可能であると考えられていますが、鉄道の場合、列車走行性の確保や軌道の剛性等の影響に対し、免震機能がどこまで発揮できるかについての研究が望まれています。

そこで、鉄道橋の免震化の基礎的な要素となる、地震時に軌道が免震構造に及ぼす影響の評価方法、常時の列車走行性と地震時の免震構造化を両立させる支承構造について提案しました。

図1 免震橋梁の概要

2.地震時に軌道構造が免震橋りょうに及ぼす影響評価

鉄道橋は、橋りょう上および前後に連続する軌道が存在し、この軌道を介して橋りょうの振動と隣接する構造の振動とが連成することが知られています。この軌道の影響は、橋りょうにとって有利に働く場合もあれば、支承の変位を拘束して免震効果を抑制してしまう場合もあります。このように、鉄道橋で免震構造のメリットを発揮させるためには軌道の影響について十分な検討が必要です(図2)。しかし、軌道が橋梁に及ぼすどのような影響を及ぼすか不明でした。

図2 鉄道免震橋りょうにおける軌道の影響

そこで、実際の軌道を用いた加振実験(図3)を行いました。本実験では、振動台上に直結軌道構造および免震橋端部を模擬したモデルを構築して加振し、レールと締結装置の間に生じる滑り摩擦を計測しました。これをもとに、直結軌道の地震時の動特性を摩擦型履歴でモデル化しました。また、バラスト軌道についても、同様な摩擦モデル(滑動荷重・変位は直結軌道とは異なる)を提案しています。

図3 直結軌道を対象とした振動台試験

なお、本実験は京都大学工学研究科構造ダイナミクス研究室と共同で実施しました。

本実験により得られた摩擦型の軌道構造動特性モデル(図4)を、鉄道橋の地震応答解析(骨組み解析)に組み込むことで、軌道と鉄道橋の動的相互作用、および隣接構造と橋りょうとの振動の連成を考慮した地震応答解析が可能となります。

図4 軌道と構造物との動的相互作用を考慮した解析モデル

3.常時の列車走行性と地震時の免震構造化を両立させる支承構造の提案

鉄道橋では、常時および中規模地震に対して列車走行性を確保するために、支承部には橋桁の橋軸直角方向の変位を拘束する移動制限装置の設置が必要不可欠です。一方、大規模地震時には、移動制限装置が破壊して免震構造へ移行することにより、慣性力の低減と減衰付加により下部工の損傷を軽微に留める構造とするのが理想です(図5)。さらに、移動制限装置が大規模地震時に確実に破壊することはもとより、急激な免震化により大きな変位応答を生じさせないために、移動制限装置の塑性化がゆるやかに進行することが望まれます。このような機能を有する移動制限装置を“緩衝型移動制限装置”と称しています。この緩衝型移動制限装置についてはいくつか提案されており、模型レベルにおいては振動台実験により動的挙動を確認しています。

図5 鉄道用移動制限装置の概念図

参考文献

  1. 池田学、豊岡亮洋、家村浩和、岩田秀治、村田清満、市川篤司:ゴム支承を用いた鉄道橋の地震時挙動に及ぼす軌道の影響、土木学会論文集A、2014
  2. 豊岡亮洋、池田学、市川篤司、家村浩和:動的載荷試験による直結軌道の地震時挙動のモデル化、第12回日本地震工学シンポウム、pp.846-849、 2006
  3. 池田学、豊岡 亮洋、村田 清満、柳川 秀明、片岡 宏夫、家村 浩和:軌道構造が免震橋梁の地震時挙動に及ぼす影響、鉄道総研報告、第19巻、第3号、pp.23-28、2005.03
  4. 池田学、村田清満、行澤義弘、岩田秀治、家村浩和:バラスト軌道を有する鉄道免震構造の動的挙動に関する検討、鉄道総研報告、第18巻、第4号、pp.17-22、2004.04
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