旧式鋼構造物の耐震評価・補強の手引き

1.はじめに

 都市内の線路や道路との交差部には,球面状凹凸を組み合わせたピボット支承を有する鋼構造物が多く用いられています.これらの構造物は,耐震性を確保することが強く求められる一方,年代が古く種々の形式があり,現在と異なる構造を有しているため,現在の新設構造物を対象とした「鉄道構造物等設計標準・同解説(耐震設計)」をそのまま適用することができません.そこで,鉄道総研では,このような旧式鋼構造物の耐震評価や補強方法について検討を行ってきました.本手引きは,これらの成果を取りまとめたものです.以下に,その概要をご紹介します.

2.手引きの構成

 本手引きの構成を図1に示します.本編では,ピボット支承を有する旧式鋼構造物の耐震評価法や補強法について示しており,参考資料には,それらの検討に当たり実施した調査や載荷試験の内容,耐震評価・補強事例等を掲載しています.


  • 図1 本手引きの構成
    図1 本手引きの構成

3.要点

(1)対象構造物

 本手引きでは,図2に示すような旧式鋼構造物を主な対象としています.また,図3に示すようなピボット支承を有する鋼ラーメン橋脚のピボット支承や桁支承(線支承)についても適用可能です.


  • 図2 対象構造の例
    図2 対象構造の例
  • 図3 ピボット支承を有する鋼ラーメンの例
    図3 ピボット支承を有する鋼ラーメンの例

(2)各部位のモデル化と限界値の設定

 本手引きでは,桁支承(線支承),ピボット支承,ピン支承,ポスト橋脚のモデル化や限界値の設定について記載しています.その一部をご紹介します.

①ピボット支承

 図2および図3に示す2つのタイプのピボット支承について,それぞれ実橋からの撤去品を用いた載荷試験の結果を基に,復元力モデルおよび限界回転角を設定しました(図4).骨格曲線は,3折れ4勾配の多直線とし,履歴は上下沓が接触するまではバイリニア型とし,それ以降はスリップ型としました.

②ポスト橋脚

 ポスト橋脚は,一般的には軸力のみを受ける部材ですが,橋脚の上下端が拘束されていると曲げモーメントやせん断力が作用します.実橋からの撤去品を用いた載荷試験より,ポスト橋脚の耐力はレーシングバーの座屈耐力で評価できることを確認したため,それを耐力の限界値としました(図5).


  • 図4 ピボット支承の復元力モデルと回転変形時の挙動の例
    図4 ピボット支承の復元力モデルと回転変形時の挙動の例1)
  • 図5 ポスト橋脚の耐力算定式と実験値との比較
    図5 ポスト橋脚の耐力算定式と実験値との比較

(3)耐震評価の方法

 本手引きでは,時刻歴応答解析から応答値を算出して耐震評価を行う方法だけではなく,対象とする構造物が標準的な形式(橋長60m程度以下,斜角45度以上)であれば,簡易的な評価式により耐震評価ができるものとしました(図6).
簡易評価法は,種々の条件でのパラメータ解析の結果を踏まえ,時刻歴応答解析を実施せずに,地震時の弱点となりうる「ピボット支承」と「桁支承」の最大応答値を算出し,限界値と比較して評価するものです.これは,詳細な評価が必要な構造物を抽出する「一次スクリーニング」として用いることを想定しています.図7に,ピボット支承の最大応答回転角の時刻歴応答解析結果と図6に示す簡易評価式による算定値との比較を示しますが,簡易評価式で精度良く算定できていることがわかります.
また,耐震評価の結果,補強が必要と判断された場合の耐震補強方法の選定の考え方や具体的な補強方法についても,本手引きで示しています.


  • 図6 簡易評価法のフロー
    図6 簡易評価法のフロー

  • 図7 ピボット支承最大応答回転角の比較
    図7 ピボット支承最大応答回転角の比較

4.おわりに

本手引きは,現時点で得られている成果をまとめたものですので,今後も新しい知見が得られた場合には随時更新していく予定です.本手引きが必要な方は,下記連絡先までお気軽にお問い合わせください.

参考文献

1)池田ら:ピボット支承を有する旧式鋼橋の耐震性評価および補強法,鉄道総研報告,2011.2

(記事:青木千里)

高架橋群の高密度地震観測システムの構築と運用

1.はじめに

 鉄道構造物の地震時挙動を解明するため,模型実験や数値解析などにより,これまでも多くの検討が行われてきました.これらの検討では,現象に対してある種の理想化・単純化を行う必要がありました.これに対し,地震観測は実際に建設された高架橋の挙動を直接的に検討対象とできることが特徴です.模型実験や数値解析で扱いが難しかった項目として,実構造物の3次元的な挙動の評価や,隣接構造物との挙動の差に起因する構造物どうしの相互作用の影響の評価などがありますが,連続する高架橋に対して高密度に地震計を設置し,地震観測を行うことで,これらの地震時挙動についても新しい知見が得られることが期待されます.そこで,実構造物の挙動の解明を念頭においた地震観測システムを開発し,ラーメン高架橋を対象に本システムを適用し,運用を開始しました.

2.データロガーの製作・地震計の選定

 隣接構造物どうしの挙動の差を計測するには,高精度の観測をする必要があります.信号の振幅の差を十分な精度で計測するためには,自己発生ノイズの小さいデバイスを使うとともに,データロガーが高解像度であることが必要です.また,構造物間の位相差を計測するには,データロガーのサンプリング周波数を高く設定する必要があります.一般に,解像度とサンプリング周波数はトレードオフの関係にあり,両者を満足するのは困難です.本システムにおいては,24bitのA/Dコンバーターを3個用いたハイブリッド構成のデータロガーを新規に開発し,解像度とサンプリング周波数に要求されるレベルを達成しました.使用したデータロガーおよび地震計は,図1・2に示したものです.地震計には,ノイズの発生が少なく高ダイナミックレンジの加速度計(Nanometrics社Titan)を選定しました.


  • 図1 データロガー(基盤構成)
    図1 データロガー(基盤構成)
  • 図2 地震計
    図2 地震計

3.地震観測システムの設置

 地震観測システムは,観測小屋を中心としたシステムとして作成しました.図3に示すように,連続する4スパンのラーメン高架橋に地表面・地中も含め,計10個の地震計を高密度に設置しました.高架橋に設置した地震計は,図4に示すように,設置箇所ができるだけ高い位置になるように,ラーメン高架橋の外側に設置しています.データロガーは地震計の裏側に設置しました.地表面の地震計は小屋の床板の下に設置しました(図5).また,図5に示したように,地表面地震計のすぐ脇でボーリングマシンによる掘削を行なっており,ここに地中用の地震計を挿入し,基盤位置に地震計を設置しています.観測小屋と地震計の位置関係は図6のようになっています.地震計・データロガーと観測小屋はLANで接続しています.本システムでは,常時も含め全信号を記録する常時観測方式で地震観測を行なっており,地震計で得られた全信号がLANを通して伝送され,観測小屋に設置したハードディスクに蓄積されています.


  • 図3 地震観測システムと観測実施箇所の概要
    図3 地震観測システムと観測実施箇所の概要
  • 図4 地震計の設置
    図4 地震計の設置
  • 図5 地表面地震計
    図5 地表面地震計
  • 図6 観測システム遠景
    図6 観測システム遠景

4.地震観測システムによる計測状況

 構築した地震観測システムにおける2012年度の地震観測の実績を表1に示します.本システムの周辺で約200回の地震が発生しました.そのうち条件が良いものを抽出し,約60の地震についてデータベース化しています.記録の例として,2013年3月2日1時35分に発生したM4.8の地震で得られた地震波形を図7に示します.地中から地表、地表から構造物と地震動が伝わるに従い,振幅が大きくなっていることが分かります.また,いくつかの地震を抽出し,構造物上の観測と地表面の観測でフーリエ振幅比(伝達関数)を計算したものを図8に示します.図から分かるように低振動数側で値が1に漸近しますが,これは理論値と整合する結果であり,一般にノイズの影響を受けやすい低振動数側でも高精度の観測が行えていることが分かります.


  • 表1 2012年度の観測地震数
    表1 2012年度の観測地震数
  • 図7 地震観測記録の例(線路直角方向)
    図7 地震観測記録の例(線路直角方向)

  • 図8 フーリエ振幅比(構造物上/地表面)
    図8 フーリエ振幅比(構造物上/地表面)

5.おわりに

 上記のように,高密度な地震観測システムを構築し,地震観測をスタートさせました.今後は,本システムにより得られた地震波から,地震時の構造物の挙動について詳細な検討を行なっていく予定です.

謝辞

 本地震観測システムの適用においては,西武鉄道株式会社殿に場所の提供を受けました.ここに記して謝意を表します.

(記事:本山紘希)

レールガス圧接における磁粉きず防止策

1.はじめに

 レールのガス圧接作業では圧接工程において形成した膨らみを熱間で押抜きますが,押抜きに伴うせん断応力によってレール表層の接合界面に押抜き割れが発生することがあります.押抜き割れは,施工後の磁粉探傷検査で欠陥磁粉模様(以下,「磁粉きず」と記す)として検出され再溶接の措置が講じられますが,検査で見逃された場合,折損に至る危険性があります.そこで,レールガス圧接部の信頼性向上の観点から,磁粉きず防止策について検討し,具体的な方策を提案するに至りました.

2.使用するレールガス圧接機が磁粉きず発生傾向に及ぼす影響

 磁粉きず発生の有無は,圧接部の接合状態(接合強度レベル)に大きく依存しますが,これまでに実施したレールガス圧接試験の結果,使用するガス圧接機により磁粉きずの発生傾向が異なることがわかっています.接合条件が同一の場合には接合状態も同等であるため,同一の圧接条件下において磁粉きず発生傾向が異なる場合には,「押抜き刃構造」など,接合状態以外の因子が影響を及ぼしていると考えられます.図1に,現場で広く用いられている可搬型のTGP-V型ガス圧接機,およびレールセンターで使用される定置式のTGP-E型ガス圧接機それぞれに装着されている押抜き刃の構造を示します.TGP-V型ガス圧接機の押抜き刃は,レール頭部から底部端にかけて流線形状を呈する一体構造となっています.それに対して,TGP-E型ガス圧接機では,複数の板状ブロックがレール長手方向の異なる3断面(①前方,②中間,③後方)に分けて配置されており,両者の構造は大きく異なります.そこで,これら構造の異なる押抜き刃が装着された両ガス圧接機を用いて作製した試験体の磁粉きず発生傾向を調べることとしました.
 表1に,それぞれのガス圧接機で作製したJIS60kgベイナイトレールガス圧接試験体の磁粉きず発生状況を比較して示します.この結果より,TGP-E型ガス圧接機による試験体は,TGP-V型ガス圧接機による試験体に比べて磁粉きずが発生し難く,両者には磁粉きずの発生限界となる圧縮量に6mmの差があることがわかります.すなわち,「押抜き刃構造」は磁粉きず発生傾向に大きな影響を及ぼすと判断されます.


  • (a) TGP-V 型
    (a) TGP-V 型
  • (b) TGP-E 型
    (b) TGP-E 型
  • 図1 各ガス圧接機の押抜き刃構造
  • 表1 使用圧接機および圧縮量による磁粉きず発生の有無
    (JIS60kgベイナイトレール)
    表1 使用圧接機および圧縮量による磁粉きず発生の有無(JIS60kgベイナイトレール)

3.押抜き温度が磁粉きず発生傾向に及ぼす影響

 また,接合状態が同等の場合には,膨らみの押抜きに伴って接合界面に作用するせん断応力が大きい程,磁粉きずが発生し易いと考えられます.このせん断応力は,加熱作業終了後,押抜き完了までの所要時間が延びた場合,圧接部温度の低下に伴って増大すると推察されます.そこで,押抜きタイミング,すなわち「押抜き温度」が磁粉きず発生傾向に及ぼす影響を検証するため,TGP-E型ガス圧接機と同一構造の押抜き刃を装着するTGP-Ⅱ型ガス圧接機を用いて,加熱終了後,押抜き完了までの所要時間をパラメータとして作製した試験体の磁粉きず発生傾向を調査しました.なお,膨らみ部の直接的な温度測定は困難であるため,本試験では,油圧ポンプに取付けた圧力センサーにより膨らみ押抜時の抵抗力を測定し,温度レベルを相対的に評価しました.試験の結果,加熱終了後,押抜き完了までの所要時間の増大に伴って押抜き抵抗が増す(温度が低下する)とともに,磁粉きずが発生しやすくなる傾向が明らかとなりました.言い換えると,「押抜き温度」が高い程,押抜き過程において接合界面に作用するせん断応力が低下し,磁粉きずの発生を抑制できると考えられます.

4.TGP-V型ガス圧接機用改良型押抜き刃の試作および磁粉きず防止効果の検証

 上述のように,TGP-E型ガス圧接機と同タイプの押抜き刃を用いて,より高温で押抜くことが,磁粉きず防止に有効であることがわかりました.そこで,広く用いられているTGP-V型ガス圧接機による圧接施工下での磁粉きず発生率を低減する目的から,当TGP-V型ガス圧接機に装着可能な改良型の押抜き刃を試作し,ベイナイトレールのガス圧接試験において磁粉きず防止効果を検証しました.
 図2に,試作したTGP-V型ガス圧接機用改良型押抜き刃を従来型と併せて示します.試験体作製時の圧接条件として,酸素100ℓ/min,アセチレン106~108 ℓ/min,加圧力170kN,圧縮量30mmをそれぞれ設定し,圧接作業終了後,改良型押抜き刃で圧接部の膨らみを押抜きました.また,本試験では,より高温で押抜きを実施するため,押抜き刃が膨らみ形成部に到達する直前まで加熱を継続しました.
 作製した2体の試験体に対する磁粉探傷試験の結果,いずれも磁粉きずは未検出でした.また,これらの試験体を対象に頭部下向(HD)姿勢による静的曲げ試験を実施しました.図3に,静的曲げ試験結果を示します.図中には,同一の圧接条件で作製し,従来型押抜き刃を適用した試験体(磁粉きずあり)の結果も併せて示しますが,改良型押抜き刃を適用した試験体は,曲げ基準値を満足する強度特性を呈しています.
 以上の結果より,従来型の押抜き刃適用下では磁粉きずが発生する接合状態であっても,試作した改良型押抜き刃を適用することで,磁粉きずの発生を防止でき,曲げ基準値を満足する継手を作製可能であると言えます.すなわち,本研究において試作した改良型押抜き刃は,磁粉きず発生防止に有効であると判断されます.


  • (a) 試作した改良型
    (a) 試作した改良型
  • (b) 従来型
    (b) 従来型
  • 図2 TGP-V型圧接機用押抜き刃
  • 図3 静的曲げ試験結果
    図3 静的曲げ試験結果

5.おわりに

 本研究では,現場で広く用いられているTGP-V型ガス圧接機に装着可能な改良型の押抜き刃を試作し,磁粉きず防止効果を確認しました.今後は,日常のレールガス圧接作業への適用を目的とし,耐久性等の向上を図る予定です.

(記事:山本隆一)

変状した石積み壁の安定性評価

1.はじめに

 鉄道沿線の切土のり面に施工された石積み壁の健全性を検査する際には,目視検査によって目地切れやはらみ出しなどの構造物の変状の有無を確認することが多いと考えられます.その一方で,図1に示す様なはらみ出しが見られる石積み壁について,これまで変形の規模に基づいて補修が必要な石積み壁かどうか判断する定量的な目安が示されていませんでした.そこで実在する切土のり面の石積み壁と同程度の規模で模型を構築し,模型地盤ののり肩を載荷して破壊することで石積み壁に作用した土圧とはらみ出し変形の関係を把握する事を目指した実験を行いました.ここでは,その実験内容や実験から得られた成果の今後の適用方法についてご紹介いたします.


  • 図1 石積みはらみ出し変形の事例(写真)
    図1 石積みはらみ出し変形の事例(写真)

2.実験方法

 今回の実験では,図2に示すような高さH=2144(mm),幅L=1200(mm),のり面勾配θ=70(°)の地盤を,稲城砂を用いて一層250(mm)ごとに締め固めながら鋼材フレームの中に構築しました.また石積み壁用のブロックはコンクリートを用いて間知石の形状に作成しました(高さh=200(mm),奥行きd=334(mm),重量W=230(N)).なおブロックは布積みで積み上げ,石積み壁のぐり石層は平均径30(mm)の玉砂利を用いて間知石の背面に150(mm)の厚さで構築しました.このように構築した石積み壁の肩に幅L=1000(mm),奥行きD=500(mm)の載荷板を設置した上で,ジャッキで最大P=200(kN)の荷重を作用させることで石積み壁に対して土圧による負荷を与えました.
 実験における主な計測項目は①石積み壁の壁面に作用する土圧と,②石積み壁のはらみ出し変形量の2項目です.


  • 図2 石積み壁への載荷重実験装置
    図2 石積み壁への載荷重実験装置
  • 図3 石積み壁への載荷実験の様子(写真)
    図3 石積み壁への載荷実験の様子(写真)

3.石積み壁の安定性評価

 載荷実験における石積み壁の状況の事例を図3に示します.本実験では石積み壁のはらみ出し変形が進行して最終的に崩壊するまで土圧を作用させました.その際の石積み壁のはらみ出しの変形モードを図4に示します.石積み壁が土圧を受けることによって壁面の下腹部を中心にはらみ出し変形が進行しており,実際の石積み壁の変状事例に近い現象を再現できました.実験結果をはらみ出し変形の最も進行している箇所の水平変位Δxと石積み壁の高さHの比で求められるはらみ出し指数δを用いて整理すると,今回の実験条件でははらみ出し指数δ=約20(%)で崩壊に至ることが明らかになりました.
 はらみ出し指数δと石積み壁が受けた土圧の合力PHの関係を図5に示します.土圧の合力PHが増加するにつれてはらみ出し指数δも増加する関係が確認できますが,特にはらみ出し指数δが4(%)でピークを示しており,これを超えると変形が著しく進行していることが分かります.この結果より,今回の実験で用いた規模の石積み壁では,はらみ出し指数が4(%)を超えた段階で石積み壁は不安定な状態となっていることが分かります.


  • 図4 土圧の増加によるはらみ出し変形
    図4 土圧の増加によるはらみ出し変形
  • 図5 石積み壁への土圧合力とはらみ出し指数の関係
    図5 石積み壁への土圧合力とはらみ出し指数の関係

4.おわりに

 今回は実在する切土のり面の石積み壁と同程度の規模で模型を構築して,載荷により模型を破壊する実験を行った.その結果,石積み壁のはらみ出し指数δが4(%)を超えた場合に石積み壁の不安定性が高まることが分かりました.今後は,実験結果を参考に図6に示すような変状石積み壁の安定性評価フローの案を検討していく予定です.


  • 図6 変状石積み壁の安定性評価フロー(案)
    図6 変状石積み壁の安定性評価フロー(案)

(記事:高柳 剛)