JPH0796763B2 - フラツタ−対策を施した吊り橋構体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、フラッター対策を施した吊り橋構体に関し、
特に、上面が橋を通過する輸送手段の走行路として形成
されたほぼ平坦な主要構造部材と、橋の端部におけるタ
ワーに結合されたカテナリ状の主ケーブル、ならびに前
記主要構造部材を主ケーブルに結合する複数の垂直な吊
りケーブルよりなる吊り構造部材とを具える吊り橋構体
に係るものである。

周知の如く、吊り橋は固有の振動周波数を有している。
一般に、無風状態ではその基本曲げ振動周波数は基本ね
じり振動周波数とは相違しており、いずれもきわめて低
いものである。それにも拘わらず、横風の作用によって
典型的な上記の周波数は変化する。その理由は、特に幅
および／またはスパンの大きな橋、例えば自動車用の橋
においては、平坦な吊り橋構造が、横風の作用時に翼型
と同様の振動挙動を呈し、時々刻々と変化する揚力を生
じさせるからである。

風がその速度を増加させると、前記２つの振動周波数が
一致するに至り、吊り橋構体にいわゆるフラッター現
象、すなわち曲げ−ねじれ振動が生じ、構体全体の安定
性が非常に危険な状態となるに至る。かかるフラッター
を生じさせる風速を「フラッター速度」と称する。

フラッター現象およびこれに関連する問題点は吊り橋の
設計段階で考慮に入れられている。実際、吊り橋の設計
計算に際しては、フラッター速度が橋の構築される地域
における予想最大風速よりも十分に高く、フラッター現
象のおそれが極めて低く又はほぼ皆無であることを確認
している。

かかる目的のため、従来より種々の方法が提案されてい
る。特に一般的な手法は、斜めまたは横方向に支持ステ
ー部材を設け、橋を横方向に補強してその曲げまたはね
じり振動に対抗させることである。この手法は、橋の重
量を増大させ、長大橋に適用するのが困難である欠点を
有している。

既知の別の手法は、輸送手段が通過する走行路の表面を
空気力学的に透明な構造、すなわち格子構造とし、垂直
方向の空気流路を確保して橋が発生する揚力を低減し、
もってフラッター現象を抑制するものである。この解決
策も、走行路が列車等の公共輸送手段の専用となり、私
的な輸送手段の走行に供しがたいという制約を受けるも
のである。

本発明の目的は、従来のように斜め又は横方向の支持ス
テー部材を設けることなく、従って、橋の重量を増大す
ることなく、かつ公共輸送手段のみならず私的な輸送手
段の走行にも供することができるフラッター対策を施し
た吊り橋構体を得るにある。

この目的を達成するため、本発明フラッター対策を施し
た吊り橋構体は、そのために正および／または負の空気
力学的揚力を生じさせるほぼ翼形の流線型断面形状を有
する制御翼面部材を吊り橋構体に関連させて配置し、そ
の制御翼面部材固有のフラッター速度を吊り橋構体固有
のフラッター速度よりもかなり高目に設定し、吊り橋構
体と制御翼面部材とを剛固に結合し、かつ、動力学的に
協働させて総合的なフラッター速度を当該吊り橋構体が
構築される地域における予想最大風速より高目に遷移さ
せたことを特徴とする。

本発明の好適な実施態様においては、制御翼面部材に対
称断面形状をもたせ、制御翼面部材を対称面が水平面に
対して傾斜するように吊り橋構体の平坦な主要構造部材
の側縁における下側に固定する。さらに、各制御翼面部
材に関連させて、揚力を発生しない別の空気力学的制御
面部材を配置し、この制御面部材は風の気流を偏向しう
る形状に形成すると共に橋の走行面より側方および上方
の所定位置に配置する。

本発明の他の実施態様においては、制御翼面部材に対称
断面形状にもたせ、制御翼面部材を吊り部材に対し走行
路に関連する固定構造物および走行路上を通過する車両
の最大高さよりも高い位置に取付ける。

この実施態様においては、制御翼面部材を橋の両側にお
ける吊り部材にそれぞれ取付け、かつ各対称面を水平に
配置すると共に各前縁を橋の長手方向中心軸線に向けて
配置することができる。

本発明の特質は、制御翼面部材を吊り橋構体に対して安
定かつ剛固に固定し、風に起因する応力に対して全体が
一体構造として動力学的に応答する構成としたことにあ
る。

以下、本発明の図示の実施例について説明する。

第１図はメッシーナ海峡を横断する目的で設計された吊
り橋構造を示しており、この吊り橋は高さ400mの２本の
タワーを3300mの間隔で配置し、かつ走行路の高さを海
面上80mとしたものである。このような大型の吊り橋
は、強風にさらされる地域に構築されたときに、フラッ
ター現象が最も重大で解決の困難な問題となるものであ
る。

第２図は本発明の第１実施例による吊り橋の横断面を示
す。この吊り橋は走行路１を有し、その中央部1Aは鉄道
車両、保守管理用車両等の走行に、また両側部1Bは自動
車等の走行にそれぞれ供するものである。走行路１の両
側端に垂直な吊りケーブル２を係止し、これをカテナリ
状に張架された主ケーブル３に取付ける。かかる基本的
な配置自体は既知である。

本発明の好適な実施例では、第２図に示すとおり、走行
路１の両側端の下縁部にほぼ翼形の流線型断面形状を有
する制御翼面部材４を固定する。この翼面部材は対称断
面形状を有し、その対称面が水平面に対して傾斜してお
り、しかも前縁が橋の外側に向けられたものとすると好
適である。

翼面部材４の傾斜角がヒンジ軸線５を中心とする回動に
よって調整可能として、翼面部材４の後縁4aと走行路１
の下面との間隔ｄを変化させうる構成とするのが有利で
ある。

翼面部材４に関連して、揚力を発生させない別の空気力
学的制御面部材６を配置し、この制御面部材は単に風を
偏向させることのみを意図するものとする。制御面部材
６は格子状素材をパラボラ形状に成形し、その凸面を風
の流れＦの上流側に向けて配置するのが望ましい。制御
面部材６の頂縁部は、橋を横切る車両が到達する最も高
いレベルよりも上方に配置し、これにより風が確実に車
両の上方に向けて偏向される構成とするのが一般的であ
る。

第２図の実施例に係る橋の動力学的モデルについて風洞
試験を行なったところ、誘起される振動の減衰特性、よ
り厳密には初期の外乱に由来するねじり振動の成長が、
風速のみならず、翼面部材４の傾斜角によっても顕著に
変化することが判明した。翼面部材４をヒンジ軸線５を
中心として回動させ、すなわち前期間隔ｄを変化させる
ことによって、より望ましい振動挙動を呈する位置を決
定することができた。モデルについて風速14.9m/sec
（実物における150km/hに相当する）に設定して行なっ
た試験の結果、第４図のクラフに示すとおり、風の入射
角度に走行路面に対する変化に伴ない、 ｉ）橋の空気力学的抗力係数C_Dがほぼ一定であり、 ii）橋に作用するモーメント（モーメント係数C_Mで代表
される）もほぼ一定であり、 iii）揚力Ｌは風の入射角の増大に伴なって増加し、し
かもその増加には上限の存在することが解明された。こ
れらは、いずれも、特に強風条件下においても本発明に
よる吊り橋が高い安定性を有することを証明するもので
ある。

上述の試験は、走行路の少なくとも一部を空気力学的に
「透明」とした橋について、すなわち鉄道車等の走行に
供する中央部1Aを格子状素材をもって構成した橋につい
て行なったものである。なお比較のため、格子状素材の
開口部に充填物を詰めて同様の試験を行なった。その結
果、強風条件下における吊り橋の安定性が若干低下する
場合であっても、本発明による制御翼面部材は効率よく
吊り橋の安定化に寄与するものであることが確認され
た。

第５図は、風速を第４図の場合とほぼ同様に14.1m/sec
としたモデル試験において、初期の外乱に由来するねじ
り振動が短時間で減衰する態様を示すものである。ほぼ
同等の振動挙動がより高い風速、例えば第６図に示すよ
うにモデル試験風速20.12m/sec（実物での200km/hを超
える風速に相当する）の下でも得られることが証明され
た。このデータは、第４図のデータと同様に、非常な強
風条件下でも橋が高い安定性を維持することを明示する
ものである。

第３図に示す実施例は、フラッター現象の抑制に供する
制御翼面部材７を吊りケーブル２に固定し、当該翼面部
材を車両、または走行路１に関連する固定構造物（鉄道
の場合にはトロリー線の支柱）が到達する最も高いレベ
ルよりも上方に配置する。この配置は、翼面に入射する
風の気流が上述の固定構造物または橋を横切る車両に影
響されるのを防止しようとするものである。

本実施例による制御翼面部材７は対称断面形状を有し、
その対称面が水平面内に含まれるように配置され、か
つ、好適にはかかる位置関係の下で固定されるものであ
る。しかし、特定の環境条件下では翼面部材をヒンジ結
合し、その角度位置を場合によっては自動的に調整可能
として翼面部材による振動減衰効率をより向上させる構
成とすることもできる。

本実施例では、さらに、制御翼面部材７の各前縁をいず
れも橋の中央に向け、矢印Ｆで示す風の方向および橋の
幅方向に見て下流側に位置する翼面部材が有効翼面とし
て機能する配置とする。

制御翼面部材７は橋の全長の一部のみにわたって、例え
ば周囲の地形学的要因により風の影響を最も強く受ける
部分のみに配置するのが有利である。他方、第２図の実
施例の場合には、制御翼面部材は橋の全長にわたって配
置するのが望ましい。

本発明が上述した特定の構成のみに限定されるものでな
く、その範囲内で多くの態様をもって実施しうることは
勿論である。本発明は種々の公知技術と組合わせて適用
可能であるが、特に前述のごとき空気力学的に「透明」
な走行路との併用によって強風条件下における振動挙動
を著しく改善することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用することのできる吊り橋の一部を
示す側面図、 第２図は第１図のII−II線に沿い本発明の第１実施例の
構成を示す横断面図、 第３図は第１図のII−II線に沿い本発明の第２実施例の
構成を示す横断面図、 第４図は第２図の吊り橋のモデルを用い、定常気流条件
下で風の入射角を変化させて各部に作用する応力を計測
した試験結果を示すグラフ、 第５図および第６図はそれぞれ実物における風速140km/
hおよび200km/hに相当する条件下で、初期外乱に由来す
る吊橋の振動の減衰特性を示すグラフである。 １……走行路、２……吊りケーブル ３……主ケーブル、4,7……制御翼面部材 ５……ヒンジ軸線、６……制御面部材

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】正および／または負の空気力学的揚力を生
   じさせるほぼ翼形の流線型断面形状を有する制御翼面部
   材を吊り橋構体に関連させて配置し、その制御翼面部材
   固有のフラッター速度を吊り橋構体固有のフラッター速
   度よりもかなり高目に設定し、吊り橋構体と制御翼面部
   材とを剛固に結合し、かつ、動力学的に協働させて総合
   的なフラッター速度を当該吊り橋構体が構築される地域
   における予想最大風速より高目に遷移させたことを特徴
   とする吊り橋構体。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の吊り構体にお
   いて、制御翼面部材に対称断面形状をもたせ、制御翼面
   部材を対称面が水平面に対して傾斜するように吊り橋構
   体の平坦な主要構造部材の側縁における下側に固定した
   ことを特徴とする吊り橋構体。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項記載の吊り橋構体に
   おいて、制御翼面部材の前縁を吊り橋構体の外側に向け
   て配置したことを特徴とする吊り橋構体。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第２項記載の吊り橋構体に
   おいて、各制御翼面部材に関連させて、揚力を発生しな
   い別の空気力学的制御面部材を配置し、この制御面部材
   は風の気流を偏向しうる形状に形成すると共に橋の走行
   面より側方および上方の所定位置に配置したことを特徴
   とする吊り橋構体。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第４項記載の吊り橋構体に
   おいて、揚力を発生しない前記制御面部材をパラボラ形
   状に成形した格子状素材によって構成し、かつ、そのパ
   ラボラの凸面を吊り橋構体の外側に向けて配置したこと
   を特徴とする吊り橋構体。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第１項記載の吊り橋構体に
   おいて、制御翼面部材に対称断面形状をもたせ、制御翼
   面部材を吊り部材に対し走行路に関連する固定構造物お
   よび走行路上を通過する車両の最大高さよりも高い位置
   に取付けたことを特徴とする吊り橋構体。
7. 【請求項７】特許請求の範囲第６項記載の吊り橋構体に
   おいて、制御翼面部材を橋の両側における吊り部材にそ
   れぞれ取付け、かつ各対称面を水平に配置すると共に各
   前縁の橋の長手方向中心軸線に向けて配置したことを特
   徴とする吊り橋構体。
8. 【請求項８】特許請求の範囲第１項記載の吊り橋構体に
   おいて、制御翼面部材を吊り橋構体に対して安定かつ剛
   固に固定し、風に起因する応力に対して全体が一体構造
   として動力学的に応答する構成としたことを特徴とする
   吊り橋構体。
9. 【請求項９】特許請求の範囲第８項記載の吊り橋構体に
   おいて、制御翼面部材を、対称面が水平面に対してなす
   傾斜角度を調整しうる配置としたことを特徴とする吊り
   橋構体。
10. 【請求項１０】特許請求の範囲第１項記載の吊り橋構体
    において、制御翼面部材を橋の全長の一部にわたって配
    設したことを特徴とする吊り橋構体。
11. 【請求項１１】特許請求の範囲第１項記載の吊り橋構体
    において、制御翼面部材を橋の全長にわたって配設した
    ことを特徴とする吊り橋構体。
12. 【請求項１２】特許請求の範囲第１項〜第11項のいずれ
    か１つに記載された吊り橋構体において、格子状素材よ
    りなり、空気力学的に透明な表面を有する走行路を具え
    ることを特徴とする吊り橋構体。