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利用規約 updated 2018-09-30

橋の一般的なしくみ

橋の構造と寸法

hasi_sunpou.PNG橋は大きく分けると上部構造と下部構造に分けられます。上部構造ではさまざまな形式が用いれられ、アーチ橋やトラス橋等において上部構造の主要な部材を総称して主構とよび、下部構造は橋の端部にある橋台や橋脚などの躯体部分と完全に地中に埋まっている杭基礎やケーソン基礎などの基礎部分から構成されます。

 橋の長さを表す寸法は、橋長・径間長・支間長が用いられます。径間長は橋脚では橋脚の中心間の距離を、橋台の場合は橋台全面からの距離を指し、支間長は橋梁の支承間の距離を意味します。橋長はいくつかの橋が連なっている場合、橋全体の長さを表します。短い橋をいくつも連ねることは技術的に難しくありません。むしろ、支間長が大きな橋を建設することが難しく、橋梁技術発展の歴史は、支間長をいかに伸ばしていったかという形でみることができます。

床板の構造

橋を構成するもう一つの重要な要素に床版(しょうばん)があります。床版は車両などを直接支えるアスファルト舗装の下にあり、鉄筋コンクリート製のコンクリート床版や鋼板を用いた鋼床版がsります。さらに最近では、鋼とコンクリートを組み合わせた合成床版が用いれるようになってきました。床版の幅を総幅員といい、車両もしくは人が通行できる部分の幅を幅員と呼び、これらは橋梁の幅を表す代表的な寸法で、橋長と幅員で橋梁の規模を把握することができます。

橋の2大材料

橋で使われる2大材料は、鋼とコンクリートで。鋼とは0.035%~1.7%の炭素を含む鉄の総称で、炭素を入れることで強度を強くすることができます。鋼はコンクリートに比べて高価ですが、自重あたりの強度が高く、支間の長い橋に多く使われています。

コンクリートは、セメント・砂・砂利・混和剤を配合して固めたもので、現在使われているセメントはポルトランドセメントと呼ばれ、19世紀の初めにイギリスで発明されました。鋼、コンクリート以外に、石・木・FRPなどがありますが、最近は、あまり使用れません。

桁橋

桁橋

桁橋は最も古くからある橋の構造で、板や丸太を渡した単純なものも桁橋と見なせます。力を支えるメカニズムは、交通荷重や自重によって力が作用すると、桁の内部で曲げモーメントとせん断力が発生し、荷重に抵抗するものです。

桁橋の構造

鋼製桁の構造は、上フランジ・腹板・下フランジの3枚の鋼板から構成され、アルファベットのIの字の断面をしています。Iの字の形状は上下のフランジで曲げモーメントに抵抗し、腹板でせん断力に抵抗するため、少ない材料で荷重に抵抗できる力学的に効率の良い形状になっています。

材料

近年は、コンクリート床版と鋼桁を一体化した合成桁が多く建設されてます。コストの削減を目的とした構造で、2本のI桁が多く見られます。

トラス橋

トラス橋の原理

トラス橋は細長い部材を組み合わせて3角形のユニットを形成し、これをさらに組み合わせることで橋を構成します。各々の部分には部材の軸方向に圧縮力か引張り力が作用します。

トラス橋の種類と構造

トラス橋の種類は、部材の組方により、様々な形式がありますが、現在では経済的なワ-トレントラスが主流になっています。路面がトラス構造の上にある場合を上路橋、下にある場合下路橋と呼び区別します。

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トラス橋の材料

トラス橋に使用される材料は、いままでは鋼でできたものがほとんどでしたが、最近では斜材に鋼部材、上下弦材にコンクリートを用いた複合トラス橋が建設されています。

アーチ橋

アーチ橋の原理

上に凸な曲線の部材で鉛直荷重を受け持つ構造をアーチ構造と呼びます。アーチ橋はこのアーチ部材を用いた橋で、古くはローマ時代から石積みのアーチ橋が建設され現在まで残っています。アーチ部材では鉛直方向の荷重が作用すると軸力と曲げモーメントとせ断力が作用します。アーチ部材では軸力に較べて曲げモーメントとせ断力を小さくすることができます。実際の道路橋では、アーチ部上を車が通行するのは難しいため床版を保持する補鋼桁とアーチ部材を組み合わせた補鋼アーチ橋が用いられます。

アーチ橋の種類と構造

アーチ橋の種類は多いのですが、ランガー橋・ローゼ橋・ニールセンローゼ橋に大別されます。ランガー橋はアーチ部材を細くして、軸力のみが作用するよううに設計したものです。一方ローゼ橋はアーチ部材、補鋼桁とも軸力と曲げモーメントを受け持つ部材として設計した橋を指ます。ニールセンローゼ橋はローゼ橋の一種ですが、アーチ部材と補鋼桁を斜めに張ったケーブルで結んだ橋です。

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アーチ橋の材料

鋼製のアーチ橋、コンクリートのアーチ橋共に多く造られていますが、支間が大きくなると鋼製になります。最近では鋼とコンクリートを組み合わせた複合アーチ橋が建設されています。

ラーメン橋

ラーメン橋の原理

橋桁と橋脚などの部材を結合し一体化した構造をラーメン構造と呼びます。ラーメンはドイツ語のrahmen(フレームの意)に由来するものです。このラーメン構造を主軸に用いたものがラーメン橋です。

ラーメン橋の種類と構造

ラーメン橋には様々なバリエーションがあります。門形のラーメン橋は、橋桁と橋台を一体化した小規模な橋梁で用いらます。方杖ラーメン橋は、その形状から、π形ラーメン橋とも呼ばれています。

材料

ラーメン橋の材料は、コンクリートが多く使用されます。

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斜張橋

斜張橋の原理

斜張橋は桁、塔、ケーブルから構成されています。力を支えるマカニズムは、桁に作用した鉛直荷重が、斜めに張ったケーブルを介して塔に伝わります。したがって、桁と塔には圧縮力が作用し、ケーブルには引張り力が作用します。桁にはこの圧縮軸力以外にも曲げモーメントとせん断力が発生し、荷重に抵抗します。ケーブルの長さを調節することで、桁を引き上げる力も調節できるため、自重のみが作用する状態では、桁や塔の曲げモーメントを小さくすることができます。そのため、長い支間の橋においても経済的に橋を建設することができます。

斜張橋の種類と構造

斜張橋にもいくつかの形式があり、ケーブルの張り方で、ラジアルタイプ、ファンタイプ、ハープタイプに分類できます。ラジアルタイプは塔の一点からケーブルを放射状に配置しているものです。ハープタイプはケーブルが並行に張られているものです。ファンタイプは両者の中間的なケーブル配置で、多くの斜張橋がこのタイプのケーブル配置を採用しています。

材料

桁と塔の使用材料は、コンクリートの塔と鋼桁の複合の橋や、桁にコンクリートと鋼の組み合わせの合成斜張橋などがあります。

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吊橋

吊橋の原理

吊橋は、補鋼桁、塔、主ケーブル、ハンガー、アンカレッジで構成されています。
自動車などの交通荷重は、まず補鋼桁に作用します。補鋼桁では、通常の桁橋と同様に、曲げモーメントとせん断力が発生し、荷重に抵抗します。

材料

補鋼桁は軽量にするため鋼材が用いられ、、まれにコンクリート製もあります。主塔は、耐震性を考慮して、本国内では鋼製が主流です。主ケーブルは、高強度のピアノ線の素線を束ねたケーブルが使用されてます。

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