橋の設計

特定の障害物を横断する橋を設計する場合、設計者はいくつかの要件を満たす設計を特定する必要があります。これらの要件は、工学的要件と非工学的要件に分類できます。工学的要件には、安全性、強度、耐用年数、気候、交通量、横断する障害物の大きさと性質、そして橋の下を通過するために必要なクリアランスなどが含まれます。^{[ 1 ]}

非工学的要件には、建設費、維持費、美観、建設に要する時間、顧客の好み、建設業者の経験などが含まれる。^{[ 2 ]} 他に考慮される要素としては、環境や野生生物への影響、橋と地域社会との経済的、社会的、歴史的な関係などがある。^{[ 3 ]}

要件を満たす設計は複数考えられます。橋梁設計者は、すべての要素を考慮した後、顧客と協議の上、特定の設計を選択します。^{[ 4 ]}価値工学手法は、複数の選択肢から最終的な設計を選択するために使用できます。^{[ 5 ]} この手法では、コスト、耐用年数、耐久性、資源の入手可能性、建設の容易さ、建設時間、保守費用など、複数の異なる基準に割り当てられた加重スコアに基づいて、候補設計を評価します。^{[ 6 ]}

材料

1781年に完成したイギリスのシュロップシャーにあるアイアンブリッジは、完全に鋳鉄で作られた最初の主要な橋です。^{[ 7 ]}

橋は木材、レンガ、ロープ、石、鉄、鋼、コンクリートなど、様々な材料から作られています。^{[ 8 ]} 2つ以上の異なる材料（鋼とコンクリートなど）から作られた橋は複合橋として知られています。^{[ 9 ]}

木材は安価な材料であるため、現代の自動車道路ではほとんど使用されていません。^{[ 10 ]} 木材は主に梁構造やトラス構造の橋梁に使用され、鉄道の巨大な架台橋の建設にも使用されています。^{[ 11 ]}木材が使用される場合、多くの場合、集成材 の形をとっています。^{[ 10 ]}

石積みには石やレンガが含まれますが、引張力がかかるとひび割れてしまうため、圧縮力がかかる橋梁の構成要素にのみ適しています。そのため、石積みはアーチや基礎などの構造物に限定されます。^{[ 12 ]} 20世紀には、西洋ではコンクリートに取って代わられたものの、中国では大規模な石積み橋が建設され続けました。^{[ 13 ]}

鋳鉄や錬鉄を含む鉄は、1700年代後半から1800年代後半にかけて、主にアーチ構造やトラス構造に広く使用されました。鉄は比較的脆いため、装飾用途以外では、はるかに強度の高い鋼鉄に取って代わられました。^{[ 14 ]}

このコンクリート橋脚は、コンクリート打設の準備中です。緑色の 鉄筋は、コンクリートが硬化した後にコンクリート内部に埋め込まれます。

鋼は現代の橋梁で最も一般的に使用される材料の1つです。^{[ 15 ]} 鋼は古代には少量しか生産されていませんでしたが、ヘンリー・ベッセマーとウィリアム・シーメンスによる新しい製錬プロセスの発明に伴い、1800年代後半に広く利用されるようになりました。鋼は圧縮と引張の両方に強いため、特に橋梁に適しています。^{[ 16 ]} 鋼はトラス橋や梁橋に広く使用されており、鋼線はほぼすべての吊橋と斜張橋の必須構成要素です。^{[ 17 ]}コンクリート橋では、橋梁に使用されるコンクリートにはすべて鉄筋またはプレストレスト鋼ケーブルが含まれているため、鋼が広く使用されています。 [ 18 ]^鋼橋は同等のコンクリート橋よりも高価ですが、はるかに軽量で（同じ強度の場合）、建設が速く、建設中および修理中の柔軟性が高くなります。^{[ 19 ]}

コンクリートは強くて安価な材料だが、もろくて張力がかかると割れることがある。^{[ 20 ]} コンクリートは、基礎やアーチなど圧縮を受ける橋梁要素に適している。^{[ 21 ]} 多くの道路橋は梁構造、多くの場合箱桁タイプのコンクリートで完全に建設されている。^{[ 21 ]} 橋梁に使用されているコンクリートのほとんどには鉄筋が含まれており、強度が大幅に向上している。^{[ 22 ]} 鉄筋はコンクリート型枠内に設置され、コンクリートは型枠内に注入​​され、鉄筋が入った状態で硬化する。水平梁やスラブの下部など、張力を受ける要素にコンクリートを使用する場合は、 プレストレストケーブルを コンクリート内に埋め込んで締め付ける必要がある。^{[ 23 ]}プレストレストケーブルはプレテンションをかけることができる（コンクリートが硬化する前と硬化中に伸ばす）。またはポストテンション方式（コンクリート内のチューブ内に配置され、コンクリートが硬化した後に締め付けられる方式）である。^{[ 24 ]} プレストレストケーブルはコンクリートを圧縮する。梁が橋梁内に配置され荷重を支えると、通常は梁のたわみによって生じる望ましくない張力が、プレストレストケーブルの圧縮によって相殺される。^{[ 24 ]}コンクリート梁は、現場外でプレキャストされて橋梁現場に運ばれるか、現場で打ち込まれる。^{[ 25 ]}

工事

要素

橋梁の構造要素を示す模式図。1 アプローチ、2 アーチ、3 トラス、4 橋台、5 支承、6 デッキ、7 台座、8 橋脚、9 杭、10 フーチング、11 ケーソン、12 路盤。^{[ 26 ]}

橋梁の要素は、一般的に上部工と下部工に分けられます。^{[ 27 ]} 上部工は、水平スパン、 床版、 摩耗面（例えば、床版上面のアスファルト）、トラス、アーチ、塔、ケーブル、梁、桁など、橋梁の目に見える部分のほとんどで構成されます。^{[ 28 ]}下部工は、フーチング、橋台、橋脚、杭、アンカレッジ、ベアリング など、上部工を支える橋の下部部分で構成されます。^{[ 29 ]}

フーチングと橋台は、完全にまたは部分的に地中に埋め込まれた鉄筋コンクリートの大きなブロックで、橋の全重量を支え、その重量を地盤に伝えます。^{[ 29 ]}橋台は橋のスパンの端にあり、地盤と接する部分で、重量を地盤に斜めに伝えることもあります。また、擁壁としても機能し、アプローチ道路の下の地盤が浸食されるのを防ぎます。フーチングは塔や橋脚の真下にあり、垂直方向の重量を受け止めます。^{[ 29 ]} アンカレッジは、通常コンクリート製の巨大なブロックで、吊橋や斜張橋の大きなケーブルの端を固定します。^{[ 30 ]} 杭は、地盤だけでは橋の重量を支えるのに十分でない場合に、フーチングの下に置かれる、木、鋼鉄、コンクリート製の強固で長い物体です。^{[ 29 ]}

ベアリングは、上部構造と下部構造の間に配置され、熱膨張や収縮、または小さな地震によって生じる小さな回転や滑りの動きを吸収する機械装置です。^{[ 29 ]}

下部構造

水中に橋脚を建設するには、ケーソン内で掘削作業を行います。ケーソン全体にコンクリートを充填し、基礎を造ります。

あらゆる種類の橋梁の建設は、基礎構造の構築から始まります。地盤が荷重を支えられない場合は、まず基礎要素の下に杭を打ち込む必要があります。次に、橋台、塔、橋脚のためのコンクリート基礎を構築します。コンクリート橋台と基礎の構築が完了したら、必要に応じて橋脚と台座を構築し、基礎構造を完成させます。^{[ 31 ]}

川や湖、海などで橋脚や塔を建設する際、 基礎工事中の作業場としてケーソンがよく使われる。 ^{[ 32 ]} ケーソンは大型で防水性のある中空の構造物で、底部が開いている。通常は水底に沈められ、作業員が内部で基礎の地盤を整備する。作業員がケーソンの中にいる間は、水が浸入しないよう内部の気圧を高く保つ必要がある。^{[ 32 ]}作業員がケーソンから出るときに適切に減圧 しないと、減圧症になる恐れがある。^{[ 33 ]}初期の橋梁建設者は減圧を理解しておらず、死亡事故は多発した。イーズ橋（1874年完成）の建設中には、13人の作業員が減圧症で亡くなった。 ^{[ 33 ]} 基礎を作るために、ケーソン全体にコンクリートを充填することもある。^{[ 32 ]} ケーソンの代替として、コッファーダムがあります。これは、支持場所を囲む一時的なダムで、上部が開いており、作業員が基礎を建設する際に作業することができます。^{[ 34 ]}

上部構造

これらのクレーンは、斜張橋ゴールデンホーン橋の最後のデッキ部分を所定の位置に持ち上げます。

このアーチ橋の床版は、進水工程で所定の位置に押し込まれています。コンクリート床版はアプローチ道路上に打ち出され、その後、油圧ジャッキで橋脚の天端に沿って水平に滑らせられます。

この仮設の仮設土塁は、その上にアーチが建てられた後に撤去されます。

基礎構造が完成したら、その上に載る上部構造を構築します。

梁式橋の上部構造は、現場外（鋼製梁の場合が一般的）または現場打ち（多くのコンクリート梁の場合）で製作される。梁はクレーンで橋脚上に架設される。支間が深い渓谷を横断する場合は、ラウンチングと呼ばれる工法が用いられる。これは、支間全体（梁とデッキ）をアプローチ道路上で組み立て、その後、障害物を水平に押し通す工法である。箱桁は片持ち梁で製作される。^{[ 35 ]}

アーチ橋の上部構造の建設は、使用する材料によって異なります。コンクリートアーチの場合は、仮設の支保工が設置されます。鋼製アーチの場合は、片持ち梁方式を採用し、アーチの各側面を外側に向けて構築し、中央で接合します。大型アーチの場合は、仮設の橋脚や支保工が必要になる場合があります。^{[ 31 ]}

片持ち梁構造は通常、アンカーや橋脚から外側に向かって段階的に建設されます。ほとんどの片持ち梁構造は、橋が外側に伸びるにつれて自立するため、仮設の橋脚なしで建設できます。鋼製片持ち梁でもコンクリート製片持ち梁でも同様のプロセスが用いられます。プレファブリケーションされたセクションを地上（または水面）レベルに配置し、クレーンで吊り上げて所定の位置に取り付けるか、または片持ち梁の既設部分に沿って水平に輸送します。コンクリート製片持ち梁では、セクションを追加するたびに鋼製のプレステッシングケーブルを各セクション内のチューブに挿入し、締め付けてコンクリートを圧縮する必要があります。^{[ 31 ]}

斜張橋の上部構造は、まず1つまたは複数の塔を建設することから始まり、塔は下部構造の一部であるフーチング上に直接設置されます。デッキは、塔から外側に向かって段階的に構築されます。デッキの各ピースが追加されるたびに、鋼鉄ケーブルで塔に接続されます。デッキは両方向に同じ速度で外側に向かって構築され、塔にかかる力が均衡するようにします。デッキがコンクリート製の場合、各デッキセクション内のチューブに鋼鉄製のプレスケーブルが挿入され、締め付けられることでコンクリートが圧縮されます。^{[ 31 ]}

吊橋の上部構造は、塔とアンカレッジから始まります（ただし、自己定着式吊橋にはアンカレッジは不要です）。塔は鋼鉄製またはコンクリート製で、フーチングに直接設置されます。アンカレッジは、デッキ全体と活荷重を支える太いケーブルの引張力に耐えなければならないため、地面にしっかりと固定された大きな鉄筋コンクリートブロックです。塔が完成すると、（橋が水域を横断する場合）ボートでロープを川に渡し、そのロープを塔の頂上まで巻き上げます。次に、大きな車輪をロープの上を往復させ、1回につき2本のワイヤーを通します。数百回往復した後、ワイヤーは圧着されてケーブルを形成します。ケーブルは両端のアンカレッジに結び付けられます。ハンガーと呼ばれる垂直のワイヤーがケーブルから吊り下げられ、デッキがハンガーに小さな部分で取り付けられます。^{[ 36 ]}

伸縮継手

橋梁の上部構造は、温度変化や車両のブレーキによる縦方向の力、さらにはプレストレストコンクリート橋の場合はプレストレスとコンクリートのクリープおよび収縮によって、縦方向にも変形します。これらの変形は橋台では発生しないか、あるいは発生しても比較的小さいため、橋台間の構造によって補償する必要があります。さらに、道路横断部は高速走行時でも安全に横断できる構造でなければなりません。

側方歩道のキャップまたはコーニス付近では、この隙間はカバープレートで覆うか、適切な目地材で面一に仕上げることができます。カバープレートはDIN EN 10088に準拠したステンレス鋼で作られています。[5] 溶融亜鉛めっき鋼製の横断歩道も、ここ数年使用されています。[6] 路面と防水

路面

現在、ドイツの路面は防水層、保護層、被覆層の 3 層構造になっています。厚さ約 2 cm のシーリング層は、アスファルト溶接膜 (金属ラミネートありまたはなし) で構成され、橋梁の上部構造を地表水、霜、露塩の浸入から保護します。重なり合うジョイントにマスキング テープを貼ることで、カバーや接着剤が保護層に浸入するのを防ぎます。厚さ約 4 cm の保護層は、キャスト アスファルトまたはローリング アスファルトでできており、交通や気象条件による機械的ストレスからシーリングを保護します。路面荷重をすぐに除去するために、保護層の上に厚さ約 4 cm のアスファルト コンクリートの被覆層が施されます。林道や家の入り口などの私道では木の表面も使用され、古い橋 (ローマ橋など) には自然石が使用されていました。

排水

排水は、道路の安全性を確保するだけでなく、覆土をできるだけ早く乾燥させるため、発生した表層水を迅速かつ完全に排水することを目的としています。通常、水は排水システムを経由して雨水桝に排出されます。設備

電気機器

2011年、シュレースヴィヒ＝ホルシュタイン州ベルケンティンのエルベ＝リューベック運河に橋が架けられました。この運河は、氷結による事故を減らすため、深さ80メートルから湧き出る11℃の温水による地熱熱で道路が暖められています。この場所では、夕暮れ時には霜と露が頻繁に変化します。電気設備

多くの橋梁には、架空線柱や電話架線用のマストが設置されています。あるいは、架空線は横架材を介して支持構造物に固定されています。ストールストロムス橋には、相互接続されたネットワークの架空線が通っています。吊橋の橋脚には、送信アンテナが設置されていることがよくあります。電圧を通す架空線が設置された電化鉄道線路では、すべての導電性部品を接地する必要があります。

手すり

橋梁の欄干は、歩行者や自転車利用者の転落防止の役割を果たします。現在、欄干は主に鋼鉄製またはアルミニウム製で、衝突高さが12m未満の場合は最低1.0mの高さが求められます。衝突高さが12mを超える場合は、最低1.1mの高さが必要です。自転車道沿いでは、ドイツの自転車施設および土木工学に関する追加技術契約条件およびガイドライン（ZTV-ING）において、最低1.3mの高さの欄干が規定されています。既存の構造物の場合、欄干の高さが1.2mの場合は対策は必要ありません。橋長が20mを超える道路橋の場合、安定性を高めるため、2つに分かれた欄干にワイヤーロープが挿入されます。

ガードレール

ガードレールまたはスペーサーガードレールは、自動車の転落防止、または車両の飛び出しによる対向車線の安全確保を目的としています。これらは鋼鉄製ですが、オーストリアでは一部アルミニウム製も使用されています。しかし、アルミニウムの使用には問題が伴います。アルミニウムは経年劣化により脆くなり、事故発生時に重傷を負うケースが多いためです。そのため、オーストリアではアルミニウム製のガードレールの新規設置は行われず、既存のガードレールは交換されています。ドイツでは、高速道路橋梁に距離保護バリアの代替として、道路境界にコンクリート製の防護壁が設置されています。

ベアリング

橋梁の支承は、上部構造と下部構造の接触点です。支承は、必要な回転、傾斜、変位を可能にし、支承力を低荷重で伝達できるように設計する必要があります。鋼製支承

鋼製ベアリングには、固定式傾斜ベアリングと可動式ベアリング（ローラーベアリング）の2種類があります。可動式ベアリングはドイツの高速道路橋梁では長年一般的でしたが、新規建設ではほとんど使用されていません。ローラーベアリングは、側面に保持された鋼製シリンダーで構成され、鋼板上を走行します。これにより、橋梁の大きな動きを吸収することができます。

エラストマーベアリングは変形ベアリングであり、エラストマーの変形によって力を伝達します。耐老化性のある柔軟なプラスチックで作られており、強化ベアリングに鋼板が組み込まれているため、圧縮強度が向上し、圧縮性が低下します。変形ベアリングはすべての面で可動であり、水平方向と垂直方向の荷重を受け止めながら、3軸を中心に同時に回転し、2方向に同時に変位できます。水平方向の変位は、鋼製の保持構造を配置することで防止できます。エラストマーベアリングはローラーベアリングほど大きな動きを吸収することはできませんが、鋼板が空気や湿気と接触せず、腐食から保護され、可動部品がないため、メンテナンスの手間が少なくなります。大きな変形がある場合は、エラストマーベアリングに追加の滑り層が設けられた変形滑りベアリングが使用されます。

鉄筋コンクリートは、コンクリート接合部として適切な寸法と形状にすることで、ねじれを吸収し、変位しないベアリングとしても機能します。

塔とケーブル

ケーブルは、(a) 湾曲したサドルを通過するか（左図）、(b) ケーブルの端がタワーに固定されるか（右図）、いずれかの方法で荷重をタワーに伝達します。凡例：1 ケーブル、2 サドル、3 アンカー、4 タワー。^{[ 37 ]}

断面図に示されているこの吊り橋ケーブルは 37 本のストランドで構成されており、各ストランドは複数のワイヤで構成されています。

塔は斜張橋や吊橋の上部構造の重要な構成要素です。^{[ a ]} 塔はコンクリート製または鋼製です。鋼製塔はコンクリート製の塔（同じ高さ）よりもはるかに軽量です。コンクリート製の塔は一般的に高さ約250メートル（820フィート）までの塔にしか適していませんが、鋼製塔はそれよりもはるかに高い塔にも使用できます。^{[ 38 ] [ b ]}

塔は橋梁ケーブルを支え、ケーブルは橋床版と車両の重量を支えます。塔にかかる荷重のほとんどは、横方向ではなく、塔の垂直下方向に加えられます。^{[ 40 ]} ケーブルを塔に固定する機構には、サドルとアンカーの2種類があります。サドルはケーブルが塔を通過（または塔の上部を通過）できるようにする湾曲した構造です。アンカーはケーブルの端部を保持します。サドルは吊橋でよく使用され、アンカーは斜張橋でよく使用されます。^{[ 37 ]}

ケーブルは1本以上のストランドから構成され、各ストランドは複数のワイヤで構成されています。各ワイヤは薄く柔軟な鋼板で、通常の鋼よりも引張強度が高く、直径は3mmから7mmです。^{[ 41 ]} 大型吊橋のケーブルは、直径1メートル（3フィート3インチ）を超え、重量は2万トンを超えることもあります。^{[ 42 ]}ケーブルは通常、橋梁現場で大型リール からワイヤまたはストランドを巻き出すことで建設されます。^{[ 43 ] [ c ]}

青い機械はケーブル圧縮機で、ケーブルに沿って右から左へゆっくりと移動しています。左側は圧縮前の状態であり、個々のストランドが識別可能です。

吊橋の塔が完成したら、次は、スパン全体と塔の頂上までワイヤーを通す間、ワイヤーを支えるための仮設のキャットウォークを建設します。 ^{[ 44 ]}ワイヤーをスパン全体に通すには、2つの方法があります。1つはエアスピニング（AS）方式で、個々のワイヤーを滑車によって運ぶ方法です。もう1つはプレハブ平行ワイヤーストランド（PPWS）方式で、ストランド全体を個別に通す方法です。^{[ 45 ] [ d ]}

1960年代にPPWS工法が発明されるまで、すべての吊橋にはAS工法が使用されていました。AS工法は、回転する滑車が数千回スパンを横断し、そのたびに一対のワイヤーを引っ張る必要があるため、工期が遅くなります。一方、PPWS工法は、重いワイヤーを橋の全長にわたって引っ張る必要があるため、より困難です。^{[ 46 ]} PPWS工法は明石海峡大橋で使用され、1本のワイヤーの重量は94トン、長さは4キロメートル（2.5マイル）でした。^{[ 47 ]}

ストランド内の素線は平行の場合もあれば、互いに絡み合って螺旋状に巻かれた場合もあります。^{[ 48 ]} 素線が平行の場合、通常は空中紡糸が用いられます。素線がねじれている場合、ストランドは現場外で製造され、リールに巻かれて橋梁建設現場に搬送されます。^{[ 49 ]} PPWSケーブル工法では、通常、ねじれた素線が使用されます。^{[ 49 ]}

すべてのワイヤーが全径間にわたって引き出され、タワーに接続された後、油圧装置がケーブルに沿って移動し、ワイヤーを圧縮することで、ワイヤーはしっかりと束ねられます。^{[ 50 ]} その後、浸水を防ぐために、ワイヤーは通常、ケーブルの周りに螺旋状に巻き付けられます。^{[ 51 ]} デッキは、ハンガーと呼ばれる垂直のストランドによってケーブルから吊り下げられています。各ハンガーは、ケーブルバンドと呼ばれるブラケットによってメインケーブルに接続されています。^{[ 52 ]}

分析とエンジニアリング

荷重と応力

負荷

サンフランシスコ・オークランド・ベイブリッジは、激しい地震にも耐えられるように設計されています。 上図に示す東側スパンは、 1500年に一度の地震にも耐えられる自立式吊橋です。 ^{[ 53 ]}

橋の設計は、橋が受ける可能性のあるあらゆる荷重と力に対応できなければなりません。橋が耐えなければならない力の総和は、「構造荷重」という用語で表されます。構造荷重は通常、3つの要素に分けられます。1つ は死荷重（橋自体の重量）、^{[ e ]} 2つは活荷重（橋を通過する交通によって発生する力と振動、ブレーキや加速など）、[f] 3つ​​は環境荷重（風、雨、雪、地震、土砂崩れ、水流、洪水、地盤沈下、凍上、気温変動、衝突（船舶が水上の橋の支柱に衝突するなど）など、橋の周囲から加えられるあらゆる力を包含する荷重です。^{[ 55 ]}

荷重源の多くは、車両交通、風、地震など、時間の経過とともに変化します。橋梁設計者は、橋の寿命の間にこれらの荷重が到達する可能性のある最大値を予測する必要があります。^{[ 54 ]}洪水、地震、衝突、ハリケーンなどの散発的な事象については、橋梁設計者は設計が対応しなければならない最大の深刻度を選択しなければなりません。^{[ 56 ]}設計者はまず 再現期間を選択します。これは通常 100 年から 2,500 年の範囲です。^{[ 56 ]} 交通インフラの重要な部分を担う橋梁では、より長い再現期間が使用されます。例えば、橋が緊急時の重要なライフラインである場合、設計者は 2,000 年などの比較的長い再現期間を使用することがあります。この例では、設計は 2,000 年に 1 回発生すると予想される最強の嵐に耐える必要があります。^{[ 57 ]}

ストレス

この画像は、特定の振動を受けたときの橋梁設計の周波数応答を示しています。

橋梁に作用する荷重力は、橋梁構成部材に応力を与えます。橋梁設計者は、各橋梁構成部材が受ける最大応力を計算し、各構成部材が応力に耐えられるだけの強度を備えていることを確認する必要があります。^{[ 58 ]}

応力は圧縮、引張、せん断、ねじりに分類されます。圧縮には、部材を内側に押し込むことで圧縮する力が含まれます（例えば、重い塔が橋の基礎の上に置かれているときに感じる力）。 張力は、部材が引っ張られたときに感じる伸張力です（例えば、吊り橋のケーブルによって）。 せん断は、2つのオフセットされた外力が反対方向に作用したときに部材が感じる滑り力です（例えば、地震の際に金属ジョイントの1つの要素が北に移動し、もう1つの要素が南に移動したときに感じる力）。 ねじりはねじる力です。^{[ 58 ]}

渋滞

橋梁にかかる活荷重の重要な要素は、橋梁が通行すると予想される車両と鉄道の交通である。^{[ 59 ]} 車両の重量に加えて、ブレーキ、加速、遠心力、共振周波数などの他の力も考慮する必要がある。^{[ 60 ]} 道路の場合、トラック交通による荷重は乗用車による荷重をはるかに上回るため、橋梁設計プロセスではトラックに重点を置いている。^{[ 61 ]}

列車や車両によって発生する荷重は、コンピュータモデリング、あるいはユーロコードやAASHTO橋梁仕様書などの規格で公開されている工学仕様書に含まれるデータやアルゴリズムによって決定することができます。^{[ 59 ]} 仕様書に含まれるアルゴリズムモデルに加えて、設計者は、計画されている橋梁と同等の交通量を持つ既存の橋梁の実測データを用いて交通荷重を決定することができます。WIM （ Weight-in-Motion）などの技術は、アルゴリズムモデルに固有の推測なしに正確なデータを生成することができます。^{[ 62 ]}

振動と共鳴

タコマナローズ橋は1940年の開通直後に、風の力を適切に考慮した設計の不備により崩壊した。^{[ 63 ]}

橋にかかる荷重の多くは、風や車両交通などによって不規則または周期的な力がかかり、橋梁構成部品が振動したり揺れたりすることがあります。^{[ 64 ]}多くの橋梁構成部品には、特に影響を受けやすい固有の共振周波数 があり、それらの周波数付近の振動は非常に大きな応力を引き起こす可能性があります。^{[ 65 ]} 橋梁設計プロセスでは、潜在的な振動や揺れを特定し、動きを減衰させる部品を追加したり構造を強化したりするなど、振動を最小限に抑える技術で対処する必要があります。^{[ 66 ]}

風は橋梁に様々な力を発生させ、その中には フラッターや渦も含まれます。^{[ 67 ]} 設計プロセスにおいて風力を考慮することは、細長い橋梁（典型的には吊橋または斜張橋）にとって特に重要です。^{[ 68 ]} 振動と共振への懸念は長い橋梁で特に重要ですが、小規模な橋梁でも考慮する必要があります。橋梁設計に関するユーロコードのガイドラインでは、移動車両による振動応力は車両の静的荷重の10%から70%を追加して考慮する必要があると規定されています。正確な値はスパン長、車線数、応力の種類（曲げモーメントまたはせん断力）によって異なります。^{[ 69 ]}

振動や動揺を考慮に入れないと、橋の崩壊につながる可能性があります。1850年にアンジェ橋が崩落し、200人以上が死亡しました。これは、兵士が橋の上を行進し、共振振動を増加させたためでもあります。 ^{[ 70 ]} タコマ ナローズ橋は、最大風速120mphに耐えられるように設計されていたにもかかわらず、1940年に風速42mphで崩落しました。調査の結果、設計者はフラッターや共振振動などの風の影響を考慮していなかったことが判明しました。^{[ 63 ]} ゴールデンゲートブリッジは1951年に風力によって損傷を受け、その結果、1950年代に追加の補強要素が加えられました。^{[ 71 ]}

分析とエンジニアリング

技術者は有限要素法ソフトウェアツールを使用して橋梁の設計を評価します。^{[ 72 ]}

橋梁の設計には、構造解析手法と技術が用いられます。^{[ 73 ]} これらの手法では、橋梁をより小さな構成要素に分割し、一定の制約条件の下で構成要素を個別に解析します。^{[ 73 ]}次に、提案された橋梁設計は、数式やコンピュータアプリケーションを用いてモデル化されます。 ^{[ 73 ]} これらのモデルには、橋梁が受ける荷重と応力、および橋梁の構造と材料が組み込まれています。モデルは橋梁の応力を計算し、設計者が設計目標を満たしているかどうかを示すデータを提供します。^{[ 73 ]}

橋梁設計モデルには、数学モデルと数値モデルの両方が含まれます。^{[ 73 ]} 橋梁の荷重と応力を評価する数学モデルは、通常、微分方程式を含む複雑な式です。これらの式を直接解くことは事実上不可能であるため、近似的ではありますが正確な結果を得るために数値モデルが使用されます。^{[ 73 ]} 有限要素法は、橋梁設計の応力と荷重の詳細な解析を実行するために使用される最も一般的な数値モデルです。^{[ 74 ] [ f ]} 有限要素法では、計画されている橋を多数の小さな相互接続された部分に分割し、各部分にコンピューターアルゴリズムを適用することでモデル化します。アルゴリズムは、荷重によって引き起こされる橋梁の応力をシミュレートし、時間の経過に伴って反復して動的動きをシミュレートできます。^{[ 76 ]}

橋梁設計者は、モデルの出力を評価し、設計が設計目標を満たしているかどうかを判断します。橋梁設計が適切かどうかを判断する際には、たわみ、ひび割れ、疲労、曲げ、せん断、ねじり、座屈、沈下、支持、滑りなど、多くの基準が評価されます。^{[ 77 ]} これらの基準とその許容値は限界状態と呼ばれます。設計のために選択される限界状態の集合は、橋梁の構造と目的に基づいています。^{[ 77 ]}

提案された橋梁設計が予見可能な応力に耐える十分な強度を備えていることを保証するために、ほとんどの橋梁設計者は限界状態設計法（米国では荷重抵抗係数設計として知られている）を使用している。 ^{[ 78 ]}この方法論は、設計プロセスに安全係数を組み込むことによって、橋梁設計に安全余裕を追加する。 ^{[ 79 ]} 安全係数は2つの方法で適用される。(a) 橋梁が受けると想定される荷重と応力を増やす方法と、(b) 橋梁構造物の想定強度を下げる方法である。^{[ 80 ] [ g ]}安全係数の大きさは、橋梁自身の自重、車両交通、地震、橋梁基礎に影響を及ぼす水や氷の流れ（河川や海流から）、橋梁上の雨、雪、氷、風、土壌への沈下、衝突（橋梁の甲板上の車両が橋の塔に衝突したり、船が橋梁基礎に衝突したりするなど）を含むいくつかの考慮事項に基づいて決定される。^{[ 82 ]}

仕様と規格

多くの国には、橋梁建設の許容される慣行や設計を示す文書を発行する標準化団体があります。ヨーロッパでは、欧州標準化委員会が発行する規格はユーロコードです。^{[ 83 ]} アメリカ合衆国では、アメリカ州間高速道路交通安全局（AASHTO）がAASHTO LRFD橋梁設計仕様書を発行しています。^{[ 84 ]} カナダの橋梁規格は、非営利団体CSAグループが策定したカナダ道路橋梁設計コードです。^{[ 85 ]}

保護

塗料は鋼材の劣化を軽減するために使用できます。ゴールデンゲートブリッジのワイヤーハンガー（国際オレンジ色）に塗装されているこの写真のように、鋼橋は定期的に塗り直す必要があります。^{[ 86 ]}

橋梁の寿命を延ばすために、設計に特定の機能を組み込むことで劣化を防ぐことができます。橋梁は、錆、腐食、化学反応、機械的摩耗など、様々な原因で劣化します。劣化は、鋼材の錆やコンクリートのひび割れや剥離として目に見えることもあります。 ^{[ 87 ]}

橋梁の劣化は、主に橋梁要素から水と酸素を排除することを目的とした様々な対策によって遅らせることができ、ひいては橋梁の寿命を延ばすことができます。^{[ 88 ]} 水による損傷を防ぐ技術としては、排水システム、防水膜（ポリマーフィルムなど）、伸縮継ぎ目の除去などがあります。^{[ 89 ] [ h ]}

コンクリート橋の要素は、防水シールとコーティングで保護できます。^{[ 91 ]} コンクリート内の鉄筋は、高品質のコンクリートを使用し、外側のコンクリートの厚さを増やすことで保護できます。^{[ 92 ]}橋の鉄骨要素は、塗料または亜鉛メッキコーティングで保護できます。^{[ 93 ]}ステンレス鋼や 耐候性鋼（錆の保護外層を形成することで塗装の必要性をなくす鋼合金） などの特定の鋼合金を使用することで、鋼部材への塗装を完全に回避できます。^{[ 94 ]}

橋梁の基礎が水中にある場合、橋の洗掘は深刻な問題となる可能性があります。水流によって、基礎の周囲や下にある砂や岩石が時間の経過とともに流失する可能性があります。この影響は、基礎の周囲に仮締切りを設けたり、基礎を石積みで囲んだりすることで軽減できます。^{[ 95 ]}

美学

ブルジオ螺旋高架橋はスイスのベルニナ鉄道 の一部であり、世界遺産に指定されている。^{[ 96 ]}

ほとんどの橋は実用的な外観をしていますが、場合によっては橋の外観が非常に重要になることがあります。^{[ 97 ]} 橋は、形状がシンプルで、橋床がスパンに比例して薄く、構造の線が連続しており、構造要素の形状がそれらに作用する力を反映している場合、一般的に美観が向上します。^{[ 98 ]}

美術史家のダン・クルックシャンクは、橋は多くの人々にとって美の対象であるとみなされていると書いている。^{[ 99 ]}

橋の建設は…人間の建造物が呼び起こす美と感動の最も絶対的な表現であり続ける…橋は信仰と想像力の飛躍である…橋は神々に挑戦する創造行為であり、自然そのものの力を備えた作品である。橋の美しさは、機能面での卓越性、概念的な優雅さ、そして設計と建設の大胆さから直接生まれたものである…大橋 ― 自然に立ち向かい、かつそれを制御した橋 ― は、それ自体が自然の至高の作品と言える。橋は人類の構造的創意工夫の真髄を体現するものである…大橋は感情に訴えかける力を持ち、その崇高さと英雄的な美しさは、視覚芸術によって感覚を刺激されることに慣れていない人々をも感動させる。^{[ 99 ]}

参考文献

脚注

1. 「パイロン」という用語は橋の塔を指すために使用されることもあります。 ^{[ 38 ]}
2. ほとんどの塔は下の基礎にしっかりと固定されていますが、比較的短い塔の中には、軸受けが基部に付いていて回転できるものもあります。 ^{[ 39 ]}
3. ケーブルの中には 1 本のストランドで構成されるものもありますが、その場合、ストランドがリールに巻かれた状態で橋梁建設現場に搬送されれば、橋梁建設現場でケーブルを構築する必要はありません。
4. 大型の吊り橋の場合、リール上のワイヤまたはストランドの長さが全スパンを横切らないことがあるため、リールが端に達したら、ワイヤ（またはストランド）を新しいリールのワイヤ（またはストランド）に溶接する必要があります。
5. 死荷重には、街灯柱、交通標識、ガードレールなど橋梁上の恒久的な設備も含まれます。 ^{[ 54 ]}
6. 有限要素法の代替法として、より単純だがそれほど強力ではない有限ストリップ法がある。 ^{[ 75 ]}
7. 橋梁部材の強度はLRFDの文脈では「抵抗」と呼ばれます。 ^{[ 81 ]}
8. 伸縮継手は熱膨張と収縮による応力を軽減しますが、脆弱な橋梁部材への水の浸入を許し、腐食や劣化につながる可能性があります。一体型橋梁コンセプトは伸縮継手の代替案です。 ^{[ 90 ]}

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