もみじ谷大吊橋の構造特性および架設 (79KB) - 川田工業

論文・報告
もみじ谷大吊橋の構造特性および架設
The Structural Characteristics and Construction of MOMIJIDANI Suspension
Bridge
田口 吉彦
Yoshihiko TAGUCHI
島田 清明
Kiyoaki SHIMADA
大野 克紀
Katsunori OHNO
川田工業㈱工事本部東京工事部工事課
工事長
川田工業㈱橋梁事業部東京設計部
設計一課課長
川田工業㈱橋梁事業部東京技術部
技術課
森下 光
Hikaru MORISHITA
畠中 真一
Shin-ichi HATAKENAKA
川田工業㈱工事本部東京工事部工事課
川田工業㈱技術開発本部技術研究室
The Momijidani bridge is a 320m long single span suspension bridge. The bridge is characterized by the
following two points:
1) The storm ropes were set up almost horizontal.
2) The center part of the girder has been made open by gratings.
Focusing on these two points, analytical and experimental studies were carried out.
This paper shows the results of these studies, and the outline of the construction of the bridge.
Key words: Momijidani suspension bridge, storm rope, grating, wind tunnel test
耐風索角度がほぼ水平に近いことの2点があげられる。
1.まえがき
本文は,本橋の構造特性および架設の概要について報
もみじ谷大吊橋は,栃木県那須郡塩原町が平成9年か
ら建設を進め平成11年春に供用を開始した,無補剛形式
の歩道吊橋としては日本一の支間長320mを有する吊橋
告するものである。
2.橋梁概要
である。同橋は塩原温泉郷の国道400号沿いを流れる箒
橋 格:人道橋
川の塩原ダム湖を跨ぐ橋で,広葉樹林に囲まれ,夏の緑
型 式:単径間無補剛吊橋
や秋の紅葉が美しく,町の観光拠点の一つでもある。同
橋 長:320 m
町のキャッチフレーズ「温泉と滝と吊橋の町」にみられ
支 間:320 m
るように,観光産業の振興はもとより町の活性化の起爆
幅 員:1.5 m
剤の役割が期待されている。
主索間隔:2.2 m
図1に本橋の一般図を示す。本橋の構造的特徴として
主 索:φ46mm(7×37)7本 / 片側
は,①耐風安定性を考慮し,支間320mの中央部220m区
耐 風 索:φ50mm(7×37)4本 / 片側
間に幅500mmのグレーチング床版が設置されているこ
支 索:φ10mm(7×7)主索,耐風索共通
と,②耐風索を設置しているが,現地の地形的制約から
鋼 重:152.1 t
60 000
60 000
23 700
320 000
[email protected] 500=320 000
グレーチング床版設置区間
主索間隔 2 200
幅員 1 500
500
a)側面図
60 000
全幅木床版
設置区間
50 000
グレーチング床版設置区間
220 000
全幅木床版
設置区間
50 000
上段グレーチング
床版
木床版
θ=
10 000
13 336
15 000 15 000
10 000
320 000
[email protected] 000=300 000
15 000 15 000
60 000
4°
耐風索
c)桁断面図
下段グレーチング
床版
b)平面図
図1 もみじ谷大吊橋一般図
29
3.構造特性および耐風安定性
前述のように,本橋においては耐風索角度が水平に近
いものとなっている。一般に,横たわみと横座屈の両者
に対し同時に効果を上げるためには,耐風索角度を45゜
付近にするのが有利である 1 ) とされている。ここでは,
a)TYPE 00
まず耐風索角度の差異による構造特性について,静解析
θ=0°
および固有振動解析を実施し検討を行った。
また,本橋は耐風索を有しているものの支間が320m
にも及ぶことやグレーチング床版を採用していることに
着目し,風洞試験を実施することにより耐風安定性の検
証を行った。
(1)静的特性
θ=45°
耐風索角度の差異による構造特性について検討を行う
b)TYPE 45
ために,図2に示すような3種類の耐風索角度を有する
吊橋を対象とした。各タイプの諸元を表1にまとめる。
実橋における耐風索角度θは4゜
程度であるが,ここでは
θ=0゜
,45゜
,90゜
の3種類として検討を行っている。な
お,実橋と同様に各タイプともセンターステイを有する
構造とした。本検討での基本条件として,耐風索の初期
張力およびサグは全タイプ一定とした。ただし,耐風索
θ=90°
角度の差異により,耐風索初期張力による鉛直方向成分
c)TYPE 90
の荷重に差が生じることになる。すなわち見かけ上の幾
図2 対象橋梁の骨組モデル
何剛性に差が生じることになる。この差異は各タイプに
表1 対象橋梁の諸元
反映させており,そのため主索張力は各タイプで異なる
値となっている。
対象モデル
各タイプの静的特性を調べるために,鉛直・ねじれ・
面外の各荷重ケースについて静解析を行った。解析結果
として各荷重ケースにおける桁の変位を図3に示す。結
主
索
果は以下のとおりである。
① 鉛直荷重ケースにおいては,活荷重満載時・活荷重
半載時の両ケースとも,耐風索角度が大きくなるにつ
れて変位が小さくなっている。活荷重半載時には,
TYPE 90で最大0.971mの変位に対し,TYPE 45で
1.115m (約1.1倍)
,TYPE 00で1.452m(約1.5倍)の変
TYPE 00
TYPE 45
TYPE 90
(耐風索角度0°) (耐風索角度45°) (耐風索角度90°)
支 間 長 320 m
サグ
23.7 m
間隔
2.2 m
断面積
0.007 m2/片側
死荷重時水平張力 1 588 kN/片側
耐
風
索
1 980 kN/片側
サグ
13.335 m
断面積
0.00476 m2/片側
初期張力
980 kN/片側
2 146 kN/片側
死 吊構造部(耐風索含む) 4.528 kN/m/Br. 5.968 kN/m/Br. 6.546 kN/m/Br.
荷
ケーブル
1.294 kN/m/Br.
重
活 荷 重2)
風荷重
2)
2.0 kN/m2
4.41 kN/m2
位となっている。
② ねじれ荷重時においても鉛直荷重時と同様の傾向と
なった。ここでのTYPE 00の最大変位は,TYPE 90の
がわかる。つまり,耐風索は,各荷重の向きに対して平
約1.2倍程度である。
行に設置した場合に最も効果が顕著に表れるといえる。
③ 面外荷重時には,鉛直およびねじれ荷重時とは逆に,
鉛直,ねじれおよび面外荷重時の全ての場合に効果的な
耐風索角度が小さいほど耐風索の効果が顕著に表れ,
耐風索角度は,総合的に見ると45゜
付近であると言えよ
TYPE 90が3タイプの中で最大変位10.288mを示し,
う。ただし,本橋のように耐風索角度が水平に近い場合
TYPE 00の最大変位3.580mの3倍近い値となった。
は,面外荷重時に非常に効果的であるといえ,また,鉛
TYPE 45の最大変位は5.393mで,TYPE 00の約1.5倍で
直およびねじれ荷重時についても,耐風索角度が45゜
の
ある。
タイプの結果と比較しても大差なく,活荷重半載時のた
以上の結果から,鉛直およびねじれ荷重時にはTYPE
わみ値がL/200(=1.6m)以内であり,実用上問題ない
90が,面外荷重時にはTYPE 00が最も効果的であること
30
川田技報 Vol.19 2000
静的構造特性を有することが確認できた。
表2 固有振動解析結果
対称1次
面 外
逆対称1次
対称1次
鉛 直
逆対称1次
対称1次
ねじれ
逆対称1次
TYPE 00NC
TYPE 00
TYPE 45
0.254Hz
0.254Hz
0.210Hz
TYPE 90
0.152 Hz
(1.000)
(1.000)
(0.827)
(0.598)
0.266Hz
0.267Hz
0.266Hz
0.258 Hz
(0.996)
(1.000)
(0.996)
(0.966)
0.337Hz
0.337Hz
0.377Hz
0.409 Hz
(1.000)
(1.000)
(1.119)
(1.214)
0.275Hz
0.277Hz
0.310Hz
0.324 Hz
(0.993)
(1.000)
(1.119)
(1.170)
0.486Hz
0.486Hz
0.529Hz
0.635 Hz
(1.000)
(1.000)
(1.088)
(1.307)
0.519Hz
0.559Hz
0.663Hz
0.693 Hz
(0.928)
(1.000)
(1.186)
(1.240)
注)表中(
)内はType 00の値を1としたときの比を表す。
耐風索角度の大きいタイプほど振動数が高く,TYPE
90ではTYPE 00に比べ17∼30%程度上昇している。
③ 面外振動については,鉛直およびねじれ振動の場合
とは逆に,耐風索角度の大きいタイプほど振動数が低
くなっており,特に面外対称1次振動でその差が顕著
に表れ,TYPE 90ではTYPE 00の60%程度の値まで減
少している。
以上の結果から,センターステイを設置することによ
り逆対称モードの振動数が上昇すること,また,固有振
動数特性についても静的構造特性の場合と同様に,耐風
索角度によって効果の表れる振動モードが異なることが
わかる。
(3)耐風安定性
グレーチングによる開口部の有無や開口幅が耐風安定
性に及ぼす影響についての検討および本橋の安全性の検
証のために風洞試験を行った。
今回使用した風洞施設は当社所有の水平回流式ゲッチ
ンゲン型風洞(幅2.0m×高さ2.5m×全長15.0m)であり,
試験模型としては縮尺1/9の2次元剛体部分模型(模型
長1.62m)を使用した。使用した風洞模型を写真1に示
す。また,対象としたケースを写真2に示す。ここで,
CASE-1はグレーチングによる開口部のないケース,
図3 静解析結果(桁変位)
CASE-2,CASE-3は幅員1.5mの床版中央部分にそれぞれ
300mm,500mm幅のグレーチングを設置したケースであ
(2)固有振動特性
る。また,CASE-4として全面にグレーチングを設置し
図2に示す各タイプについて固有値解析を行った。な
たケースについても試験を行った。これら4ケースを対
お,本橋はセンターステイを有する構造となっているが,
象に,2次元剛体ばね支持試験を実施した。ばね支持試
ここでは,比較のために耐風索角度θ=0゜
でセンタース
験は,各ケースとも迎角α=−3゜
,0゜
,+3゜
について一
テイがないタイプ(TYPE 00NC)についても固有値解析
様流状態で行った。
を行った。解析結果として,各タイプにおける代表的な
ばね支持試験結果のうちVcr - α曲線(フラッター発現
固有振動数を表2に示す。結果は以下のとおりである。
風速と迎角の関係)を図4に示す。図4中のフラッター
① センターステイの有無に着目し,TYPE 00NCと
照査風速Vrf=37m/sについては道路橋耐風設計便覧2)をも
TYPE 00を比較すると,TYPE 00における各逆対称振
とに基本風速V10=30m/sとして算出した。図4からわか
動の振動数が高くなっており,特にねじれ逆対称振動
るように,グレーチングによる開口部のないCASE-1に
数はTYPE 00NCに比べ約8%上昇している。
おいては,いずれの迎角においてもフラッター照査風速
② 鉛直およびねじれ振動については,いずれの場合も
以下の11∼15m/s程度の低風速域でフラッターが発現す
31
る結果となっているのに対し,グレーチングを設置した
合については,グレーチングを設置したにもかかわらず
CASE-3およびCASE-4では50m/sまでの風速域ではフラ
θ=4°
程度の初期ねじれ振幅を与える条件のもと,7m/s
ッターは発現せず,グレーチングによる開口化の効果が
程度の低い風速域においてフラッターが発現する結果と
顕著に表れている。CASE-2については,迎角α=+3゜
,
なった。そこで,迎角α=−3゜
の場合に着目し,CASE-1,
0゜
の場合はCASE-3,CASE-4と同様に50m/sまでの風速域で
CASE-2,CASE-3のV - A曲線(風速と振幅の関係)を図
はフラッターは発現しないのに対して,迎角α=−3゜
の場
5に示す。図5から,CASE-2についてはθ=4°
程度を
境とする不安定なリミットサイクルが認められており,
耐フラッター性が振幅に依存する結果となっていること
がわかる。この点については,本橋の場合,橋床部と比
較して高欄部が大きく,高欄が耐風安定性に少なからず
影響を及ぼしたものと考えられる。
各ケースの減衰特性の比較として,迎角α=0゜
の場合
a)CASE-1
写真1 風洞試験模型(縮尺1/9)
a)CASE-1
実橋風速 V(m/s)
b)CASE-2
b)CASE-2
c)CASE-3
d)CASE-4
写真2 風洞試験ケース
フラッター限界風速 Vcr(m/s)
実橋風速 V(m/s)
c)CASE-3
フラッター照査風速 Vrf
迎角α(deg.)
図4 Vcr - α 曲線
32
川田技報 Vol.19 2000
実橋風速 V(m/s)
図5 V - A 曲線(α=−3°
)
準備工
エレクション鉄塔架設
主塔現場溶接
ケーブルクレーン設備
対数減衰率 δ
主塔地組・架設
キャットウォーク設備
主索展開・架設
ケーブルバンド・ハンガーロープ取付け
橋体架設
耐風索展開・架設
実橋風速 V(m/s)
図6 V - δ 曲線(α=0°)
仮設備解体
における基準振幅 1°
とした場合のV - δ曲線(風速と対
橋面工
数減衰率の関係)を図6に示す。図6からわかるように,
完 了
グレーチングを設置した各ケースは良好な減衰特性を示
図7 架設フローチャート
しており,グレーチング幅が広くなるほどその傾向が顕
著に表れている。CASE-4(床版部を全面グレーチング
溶接を行った。
化したケース)の場合に最も良好な減衰特性を示してい
b)キャットウォーク設備
るものの,本試験の風速範囲内では,CASE-3(500mm
キャットウォーク設備は,主索間隔2.2mに対して床構
幅のグレーチングを設置したケース)の場合においても,
造幅が3.5mあり,キャットウォークロープとしてはφ
CASE-4と大差ない良好な減衰特性を有していることが
28mm(6×24)を5本使用した。各径間にキャットウォ
わかる。
ークロープを張り渡した後,6m単位の床組をアンカー
以上の結果を踏まえて,原設計案ではグレーチング幅
を300mmとしていたのに対し,実橋では風洞試験の結果
を反映させて500mm幅のグレーチングに変更した。
4.架設
(1)架設工法
部は油圧クレーンで,中央部はケーブルクレーンを使用
して順次キャットウォークロープ上に展開した。
c)主索およびケーブル付属品(写真4)
主索は左岸アンカーブロック上にアンリラーを設置し
キャットウォーク上の引出ローラーを介して補助ウイン
チとケーブルクレーンを用いて右岸側に向けて引き出し
本橋はダム湖上に位置し,桁下空間が使用できないた
展開した。上下流の第1ケーブル架設完了後,全体形状
め,当初からケーブルクレーン工法を主眼にし,アンカ
測量を実施し目標形状まで調整し基準ケーブルとした。
ー類は主索アンカーブロックを利用する計画としたが,
以後の主索は径間中央部での相対サグ調整により張り
その鉄塔設備を本体主塔上に設置する場合と,単独でエ
渡しを行った。引き続きケーブルバンドとハンガーロー
レクション鉄塔を設営する場合との2通りについて検討
プをケーブルクレーン設備でキャットウォーク上に運搬
を行った。
し所定のマーキング位置に取り付けた。
検討の結果,単独鉄塔の方が,①主塔架設中の安定性
d)橋体架設(写真5)
が良い,②ケーブル架設時の主塔セットバック管理がし
全体で33ブロックの橋体を主塔前面の荷取りスペース
やすい,③橋台前面に設置することでアプローチ工事の
から左岸側,右岸側交互にケーブルクレーン相吊りで既
支障とならないことより,主塔本体とは切り離すことに
設桁の下を運搬し径間中央部に向けて架設を行った。ま
した。
た,下段グレーチングを同時に設置することで架設先端
(2)架設概要および仮設備
部までの作業通路の確保を行った。なお,ブロック間の
架設は図7に示す全体フローチャートにより実施した。
添接は,全ブロック架設後に仕口形状が揃ってから実施
a)主塔および鉄塔架設(写真3)
した。
主塔(φ812.8mm)はエレクション鉄塔の架設進捗に合
e)耐風索の展開と架設(写真6)
わせて3ブロックを2台のラフタークレーン(45 t, 25 t )
橋体の側面(ハンガーロープ外側)に引き出しローラ
で相吊り後,45 t 吊りクレーンで立て起こして架設した。
ーを張り出し耐風索展開設備を設置し,耐風索アンカー
主塔添接部はエレクションピースで形状保持後,現場
背面のアンリラーから耐風索を引き出した。上下流で各
33
写真3 主塔の架設
写真6 耐風索の架設
写真4 主索の架設
写真7 床組の架設
(3)出来形と工程
吊橋の出来形については,主索架設中の形状管理を段
階的に実施したことで主塔セットバック量や中央部のサ
グ量については十分な精度で施工ができた。これにより
ハンガーロープ長も設計値寸法のまま取り付け,橋面の
出来形も満足のいくものであった。
工程に関しては,平成10年8月末に栃木県那須地方で
大雨災害が発生し当現場でも右岸側の搬入路にダメージ
を受けたが,橋体に関しては耐風索の架設が完了してい
写真5 橋体の架設
たため,安定性が充分に確保されており問題はなかった。
なお,災害復旧作業も順調に実施されたため当現場も所
4本を展開し所定位置に耐風索クランプと耐風支索を取
り付けた後,ケーブルクレーンで上下流のバランスを確
保しながら順に径間の中央に向けて吊り降ろした。なお,
定工期内に無事故・無災害で完了することができた。
5.あとがき
中央部の短い耐風支索(L=2m以下)は吊り降ろし時の
本文では,無補剛吊橋として日本一の支間を有するも
余長が取れないため,後付けとした。ソケットを調整ロ
みじ谷大吊橋の構造特性および架設について報告した。
ッド先端に仮定着後,最終定着作業は,耐風索アンカー
本報告が同形式の橋梁の一資料となれば幸いである。
ブロック位置で4カ所のバランスを考慮し引き込み量を
最後に,本工事にあたりご指導を賜った栃木県塩原町
合わせながら油圧ジャッキにより所定量の引き込みを行
観光課の方々ならびに関係各位に誌面を借りて厚くお礼
った。
を申し上げます。
f)橋面工(写真7)
参考文献
キャットウォーク設備やケーブルクレーン設備の解体
後,簡易台車にて高欄を小運搬し径間中央部から両主塔
1)平井 敦:鋼橋Ⅲ,技報堂,1967.9.
に向けて片押しで設置した。木床版は現地にて全幅部
2)(社)日本道路協会:小規模吊橋指針・同解説,
(1.5m)とグレーチング部(0.5m)に分けて部材取りし,
下段グレーチング上の根太材にビス止めで取り付けた。
34
川田技報 Vol.19 2000
1984.4.
3)(社)日本道路協会:道路橋耐風設計便覧,1991.7.