橋梁は、上部構造およびその支持部に変位を生じさせる様々な影響にさらされています。もしこれらの変位が拘束されると、上部構造内部に応力が発生することになります。このような拘束力の発生を制御するため、上部構造を支承（ベアリング）上に設置し、橋桁と支持部との間に一定の相対変位の自由度を持たせるのが一般的な手法となっています。さらに、供用時や地震時においても橋梁の機能が円滑かつ継続的に維持されるよう、ストッパーや拘束装置（リテーナー）も併せて設置されます。橋梁における変位の程度に応じて、支承およびストッパーの選定や配置を決定する一連の設計手法は、「アーティキュレーション（構造ヒンジ配置）」と呼ばれています。

高架橋や橋梁においては、鉛直荷重（死荷重、付加死荷重、活荷重など）に加え、横方向の荷重（側方力）もまた、支承システム、あるいは支承とストッパーを組み合わせたシステムを介して、上部構造から下部構造へと伝達されます。この荷重伝達のメカニズムは、様々な横方向荷重が作用する状況下において、橋梁システムを構成する各部材の安全性を確保し、橋梁システム全体の安定性を維持する上で極めて重要な役割を果たしています。横方向荷重は、橋軸方向（交通流に沿った方向）および橋軸直角方向（交通流に直交する方向）の双方に作用します。鉄道高架橋や橋梁に作用する主な横方向荷重の種類は、以下の通りです。

• 制動・牽引力

• 長尺溶接軌道（LWR）による力

• 衝撃・振動力

• ラッキング力／ノージング力

• 温度変化による力

• PSC桁のクリープ・収縮による力

• 風荷重

• 地震荷重

• 曲線軌道による遠心力

単純支持橋

MAHSR（ムンバイ・アーメダバード高速鉄道）におけるPSC箱桁橋の横力伝達メカニズムを、従来のシステム（弾性支承、POT/PTFE支承、金属支承）と比較し、以下に示します。

a.    従来の弾性支承による力伝達システム

地震時以外の縦方向および横方向の横力は、すべて弾性支承を介して下部構造へと伝達されます。中・高震度地域においては、許容変位量（すなわち、弾性支承におけるせん断変形量）を超える地震力は、せん断キーまたは耐震ストッパーを介して下部構造へと伝達されます。一方、低震度地域においては、地震力もまた弾性支承を介して伝達されますが、仮にストッパーが設置されている場合でも、その役割は上部構造の脱落防止のみに限られます。さらに、鉛直荷重についても、弾性支承を介して伝達されます。耐震ストッパーを併用した従来の弾性支承システムの典型的な概略図を、図1に示します。

b.    従来のPOT-PTFE支承による力伝達システム

地震力を含む両方向の水平力は、下図Fig. 2に示す自由度に従い、固定支承および可動支承を介して下部構造へと伝達される。

c. MAHSRにおける力伝達システム（図3）

高架橋および橋梁のアティキュレーションシステムは、弾性支承および鋼製ボックスストッパーによって構成される。固定端側においては、弾性支承は上部構造からの鉛直荷重のみを支持するよう設計されており、一方、制動・牽引力や地震力など、橋軸方向のあらゆる水平力は、鋼製ボックスストッパーを介して下部構造へと伝達される。

可動端側においては、弾性支承が横方向の力に起因する橋軸方向の変位を許容するよう機能し、上部構造からの鉛直荷重に加え、せん断変形に対しても耐えうるよう設計されています。

固定端側および可動端側の双方において、橋軸直角方向のあらゆる横方向荷重は、弾性支承を介するのではなく、鋼製の矩形ストッパーのみを介して下部構造へと伝達されます。この橋軸直角方向においては、上部構造と鋼製箱型ストッパーとの間に隙間は設けられていません。これにより、上部構造の平行移動（すなわち「千鳥変位」）の発生が防止されます（図4参照）。これは、レール面における許容千鳥変位量が極めて小さく（2mmに制限）、高速鉄道（新幹線）の走行安全性を確保する上で極めて重要な要素となります。

したがって、従来型とMAHSR（ムンバイ・アーメダバード高速鉄道）の橋梁連結システムにおける主な相違点は以下の通りです。

• 固定端側に設置される鋼製ボックス型ストッパーは、供用時および地震時の双方において、橋軸方向の力を受ける役割を担います。これにより、鉛直方向の力は支承が、橋軸直交方向の力はストッパーが、それぞれ分担して支持する構造となっています。

• 従来の配置においては、一般的に、橋軸方向および橋軸直交方向の力に抵抗するために、それぞれ個別のストッパーが設置されます。これに対し、MAHSR方式では、同一の鋼製ボックス型ストッパーが両方向の力に抵抗できるよう設計されています。さらに、これらの鋼製ボックス型ストッパーは、橋桁の脱落防止装置としての機能も兼ね備えています。

鋼製ボックス型ストッパーの詳細

鋼製ボックス型ストッパーは、中空の角形鋼管（圧延成形または組立成形）の内部にコンクリートを充填した構造体です。固定端側のストッパーにおいては、ストッパーと上部構造物との間に、橋軸方向の相対変位が生じないよう拘束されます。一方、可動端側のストッパーにおいては、橋軸方向に所定の変位が生じることを許容しつつ、橋軸直交方向の力を伝達できるよう、外側ボックスが設けられています。固定端側および可動端側の鋼製ストッパーの詳細は、それぞれ図5および図6に示されています。また、鋼製ボックス型ストッパーのアイソメトリック図（鳥瞰図）、および鋼製ボックス型ストッパーを介して橋軸直交方向の力が伝達される際の上部構造物・下部構造物における応力分布は、それぞれ図7および図8に示されています。

鋼製ストッパーの設置

鋼製ボックスストッパーは、設置工程において高い柔軟性を有しており、すなわち「後設置」または「先設置」のいずれかの方法で施工することが可能です。

• 後設置：鋼製ボックスストッパーは、PSC桁を支承上に架設した後、上部構造に設けられた全面的な開口部（ボックスアウト）を通じて、下部構造および上部構造へと設置されます。

• 先設置：鋼製ボックスストッパーは、PSCボックス桁の架設（送り出し）を行う前に、下部構造内の所定の最終位置へと設置されます。

MAHSRの連続橋における力の伝達メカニズム

MAHSR（ムンバイ・アーメダバード高速鉄道）の連続橋において、従来のシステムと比較した場合の横方向の力伝達メカニズムは、以下の通りである。

a.    従来のシステム

インドにおける連続橋形式では、一般的に、耐震ストッパー（地震時拘束装置）を備えた中央金属ガイド支承と併用する形で、POT-PTFE支承が設置される（図9参照）。橋軸方向においては、供用時および地震時に発生するあらゆる橋軸方向の力がすべて中央橋脚（P3）によって負担される。その結果、中央橋脚および基礎システムの規模拡大が必要となり、ひいては連続橋の橋長が制限されることとなる。

b.    MAHSRダンパーストッパーシステム

MAHSRプロジェクトにおいて、連続橋梁にはダンパーストッパーが採用されています。このシステムは、従来の方式とは異なる挙動を示す点が特徴です。

ダンパーストッパーは、供用段階（乾燥収縮、クリープ、列車による制動・牽引力、長尺レール力、および温度変化に伴う力に起因する段階）においては固定・可動型の力配分を行い、地震発生時には、すべての中間橋脚（すべて固定支点として機能）の間で橋軸方向の力を分散させる機構を備えています。このシステムを採用することで、連続橋梁において単一の下部構造や基礎のみを「固定支点」として設計する必要がなくなります。

図10に示すように、供用段階においては、橋脚P3に設置された固定式ダンパーストッパー（DF）を介してのみ橋軸方向力が伝達される。一方、地震発生時には、中間橋脚（P2およびP4）に設置された可動式ダンパーストッパー（DM）もロックされ、橋脚P3上の固定式ダンパーストッパー（DF）と協働して橋軸方向の地震力を分担する（図11）。

ダンパーストッパーの詳細

MAHSRプロジェクトにおいては、固定式ダンパーストッパーと可動式ダンパーストッパーという2種類のダンパーストッパーが採用されています。その詳細は、図12、13、および14に示されています。ダンパーストッパーの本体には、スチールボックス型ストッパーと同様に角形鋼管が使用されていますが、下部構造内に配置される部分は外側ボックスと内側ボックスから構成されており、これらボックス間の隙間には粘性流体が充填されています。また、外側ボックスおよび内側ボックスの上部には、摺動プレートが設置されています。さらに、固定式ダンパーストッパーには板ばねが組み込まれており、これは供用時（緩やかな移動荷重下）においてのみ機能します。一方、地震時には、固定式および可動式のダンパーストッパーに充填された粘性流体が作用し、すべての急激な荷重（地震力）を負担します。この粘性流体は速度依存型の特性を有しており、地震発生時のような高速な挙動に対して最大の抵抗力を発揮するよう設計されています。その一方で、橋梁の伸縮といった緩やかな挙動の際に発生する抵抗力は、小さく抑えられています。なお、粘性流体は、ボックス上部に設置された補剛材付きの摺動プレートによって密閉されています。

従来のシステムと比較した際の、ダンパースチールストッパーの利点は以下の通りです。

ダンパースチールストッパーを採用することで、地震多発地域においても、長大かつ多径間の連続桁橋を建設することが可能となります。

インド国内のいくつかの長大橋では、これまで衝撃伝達装置（STU）が採用されてきましたが、ダンパースチールストッパーには、これに加えてさらなる利点があります。ダンパースチールストッパーは、橋軸直角方向における耐震拘束装置としての機能も兼ね備えています。これに対し、STUを使用する場合（図15参照）には、橋軸直角方向に対して別途、耐震拘束装置を設置する必要があります。また、固定式ダンパースチールストッパーは、内蔵された板ばねによって供用時の荷重に抵抗しますが、STUシステムにおいては、これらの荷重は支承（ベアリング）によって支持されます。したがって、STUシステムと比較して、ダンパースチールストッパーシステムはより多機能なシステムであると言えます。

連続橋における支承配置

連続橋について、MAHSR（ムンバイ・アーメダバード高速鉄道）において採用されている支承配置システムを、ダンパー・ストッパーシステムと併せて以下に示します。

4径間連続橋（図16に示す）においては、弾性支承のみが使用されている。これらの弾性支承は、鉛直荷重に抵抗するとともに、（可動部において）交通方向に沿ったせん断変形に抵抗するよう設計されている。

7径間連続橋（図17参照）において、ダンパー固定橋脚（P5）に隣接する橋脚（P4およびP6）には、弾性支承が採用されている。一方、温度変化に起因するより大きな変位を許容するため、その他の橋脚（P1、P2、P3、P7およびP8）には、滑りタイプの弾性支承が採用されている。

滑り型弾性支承

滑り型弾性支承は、上部構造からの鉛直荷重を弾性支承パッドを介して下部構造へと伝達する一方、図18に示す上部プレートと中間プレートの間に配置されたPTFE層上での滑りにより、橋桁の橋軸方向への水平変位を許容するタイプの支承である。なお、側部ブロックは橋軸直角方向におけるストッパーとして機能する。

日本は、「環太平洋火山帯（Pacific Ring of Fire）」沿いという地理的位置にあるため、地震の多発国となっています。この地域は、太平洋の下に位置する太平洋プレート、ユーラシアプレート、そしてフィリピン海プレートという3つの構造プレートが交差する場所に位置しています。特定の地域の「実効最大地盤加速度」を示す指標である「地震地域係数 Z」を、日本およびインドについて以下に示します。Zの値は、日本では0.7から1.0の範囲にあり、インドでは0.10から0.36の範囲にあります。

地震の強度や発生パターン（ゾーン係数「Z」に相当）には大きなばらつきがあるため、MAHSRプロジェクトにおいては、時刻歴応答の作成が必要とされました。MAHSRプロジェクトにおける地震力の算定にあたっては、地震地域区分を「ゾーンIII」として設定しています。ゾーンIIIに対応する最大応答加速度は0.15（150gal）とみなされ、これを設計基準地震動（DBE）である0.45（450gal）に対応するターゲットスペクトルとして設定しました。DBE（設計基準地震動）とは、構造物の設計供用期間中に少なくとも一度は発生することが合理的に想定される地震動の影響を指します。これは、50年間における超過確率が10%である地震、すなわち再現期間475年の地震に相当します。図21に示す通り、DBEは設計供用期間中に想定される最大規模の地震であるため、ターゲットスペクトルはDBEに適合するよう拡張されています。

入力波形（図23）は、上記の図21に示すターゲットスペクトル加速度に一致するようにスケーリングされている。

日本の基準において、「復旧性」とは、地震荷重などの偶発荷重によって低下した構造物の性能を回復させ、当該構造物の継続的な使用を可能にすることを意味します。この復旧性は、構造物の修復に伴う難易度を考慮して規定されています。

復旧性に関する性能レベルは、設計供用期間中に作用する設計作用の特性を考慮して設定されます。一般的に、以下の性能レベルが設定されます。

性能レベル1：通常通り機能し運用可能であり、修復を必要としない状態。これは、レベル1（L1）の地震動に対して適用されます。L1地震動は、基準地震動に加え、建設地の地域特性を考慮した上で、設計供用期間中に当該地で数回発生する確率を持つ地震動として設定されます。

性能レベル2：修復が必要となった場合でも、短期間のうちに機能を回復させることが可能な状態。これは、レベル2（L2）の地震動に対して適用されます。L2地震動は、強震動予測手法に基づき、建設地固有の地震動として設定されるものとします。

MAHSRプロジェクトにおける支承およびストッパーは、復旧性に関する「性能レベル1」を満たすよう設計されています。

橋梁の支承構造は、橋や高架橋の設計、施工、性能、そして安全性において極めて重要な役割を果たします。したがって、支承およびストッパーの配置については、慎重かつ適切に選定する必要があります。鋼製箱型ストッパーは、力の伝達という多面的な役割に加え、設置工程における柔軟性（先行設置・後行設置の選択など）をもたらします。また、プレファブ化されているため取り扱いが容易で、コスト効率にも優れており、工期短縮が求められるプロジェクトにおいても活用しやすいという利点があります。さらに、弾性支承や滑り支承と併せてダンパーストッパーを採用することで、インドで従来用いられてきた工法と比較し、橋脚や基礎構造のサイズ選定においてより高い自由度を確保することが可能となります。ダンパーストッパーを活用すれば、地震活動が活発な地域においても、別途の落橋防止装置などを追加することなく、長大かつ多径間の連続桁橋を構築することができます。加えて、橋や高架橋の外観デザインにおいても、優れた美観を実現することが可能です。鋼製箱型ストッパーおよびダンパーストッパーが有するこうした多機能性により、橋脚頭部（ピアキャップ）のサイズを最適化することが可能となります。

参考文献

1.    SANTO T., SAITO J., and MASUDA K.,

“Transition and Recent Knowledge of Bridge Bearings in Japan” （日本における橋梁支承の変遷と最新の知見）, 第15回世界地震工学会議（15th World Conference on Earthquake Engineering）2012, Vol. 1 of 38, pp 110033 -110041.