付帯設備の振動評価

１．はじめに

新幹線の速度向上により、構造物本体だけでなく構造物上の付帯設備の振動に対する配慮が必要となっています。例えば、高速化や合理的な桁の設計により、構造物と電柱で揺れが同時に発生する現象が観測されています。また、速度向上による騒音対策のために防音壁の高さが高くなってきたことから、防音壁の固有振動数が低下し、列車通過時や地震時により揺れやすくなっています。さらに、新幹線が寒冷地にまで延伸されており、スノーシェルターが構造物上に設置される場合があることから、列車が高速で通過した場合の動的挙動が懸念されていました。ここでは、橋りょう上の電柱、防音壁、スノーシェルターといった付帯設備を対象として振動評価した事例を紹介します。

２．電柱の振動評価

列車を正常に運行されるためには、橋りょうだけでなく鉄道システム全体としてより良い設計および維持管理を行っていく必要があります。電車線路設備もその一つですが、近年では、図１に示すような列車通過時の橋りょう振動に起因した電柱の振動により電車線路設備が損傷する事例も報告されています。
本研究室では、このような列車通過時における橋りょう上の電柱振動メカニズムとこれを考慮した設計上の留意事項の整備を進めています。

現象解明のために有限要素法により橋りょう—電柱連成モデルを構築し、移動荷重列でモデル化した列車走行解析を実施しています（図２）。図３には実測との比較による検証結果をそれぞれ示しますが、構築したモデルは良好な精度で橋りょうおよび電柱の振動を計算できることがわかります。本モデルによる解析結果から、電柱の振動は橋りょう中央の電柱に比べ橋りょう端部の電柱の方が大きいこと、列車通過時の走行列車の加振振動数と橋りょうおよび電柱の固有振動数が近接し、橋りょうおよび電柱の共振が重複した場合に急激に増大すること、などがわかっています。
上記の詳細解析で得られた知見を踏まえ、理論による簡易評価法を構築しています。また、代表的な橋りょうおよび電柱に関しては、図４に示す橋りょう支間長と橋りょう／電柱の固有振動数の比から電柱天端の最大変位を評価する電柱振動マップを作成し、設計情報から簡易に橋りょう上の電柱振動を評価可能としています。

３．防音壁の振動評価

近年、速度向上による騒音対策のために防音壁の高さが高くなってきました。5m程度以上の背の高い防音壁が必要となる場合もあり、固有振動数が従来よりも大きく低下してきました。これにより、列車が高速で通過した際に揺れやすくなり、また地震時においても動的応答が増幅する懸念がありました。
高速鉄道車両周りの列車風圧と防音壁の動特性の共振現象および橋りょうと防音壁の動的相互作用に着眼して、防音壁の多自由度・柔構造の振動特性、先頭風圧パルスとの共振、後尾風圧パルスの重畳による応答メカニズムを解明し（図５、動画1）、設計、維持管理に適用可能な列車風圧の簡易な設定法を提案しました（図６）。
また、地震動の規模と構造物の非線形性に着眼して、地震時における防音壁と構造物の連成共振による応答メカニズムを解明し（動画２）、設計、維持管理に適用可能な設計震度の簡易な設定法を提案しました（図７）。

４．スノーシェルターの振動評価

特殊な付帯構造物の例として、積雪寒冷地において橋りょう上のスノーシェルターが存在します。また、高速鉄道では列車周りの風圧変動と、共振によるスノーシェルターの動的応答の卓越が懸念される場合があります。このような問題意識のもと、本研究室では橋りょう上のスノーシェルターを対象に計測および数値解析により、積雪時のスノーシェルターに対する列車走行時の動的応答を評価しています。
複線橋りょうの片側載荷に伴って生じる桁のねじりによるスノーシェルターの列車通過時応答を示します（動画３）。また、図８は積雪の影響を、スノーシェルター屋根部材への付加質量として考慮した解析事例を示します。これらの検討により、さまざまな条件下でのスノーシェルターの列車通過時の安全性について検証しています。

参考文献

1. Matsuoka, K., Tsunemoto, M. and Tokunaga, M.: Dynamic behavior of railway poles built on bridges under train passage in high-speed railways and a simple evaluation method, Engineering Structures, Vol. 257, No. 114099, 2022.
2. 徳永宗正, 曽我部正道, 後藤恵一, 山東徹生, 玉井真一,小野潔, 2013. 列車通過時の鉄道構造物上防音壁の動的設計法. 土木学会論文集 A1 (構造・地震工学), 69(2), pp.392-409, 2013

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