Cable Stayed Bridges

図1． 1960年代から1970年代にかけて、第二次世界大戦中にドイツで破壊された橋の多くを置き換えるために、このシステムはさらに開発された。 この時期、建物の無柱長尺空間を必要とする屋根構造にもこの方式が使われるようになった。 当初、斜張橋は橋のスパン60〜250mに使われていたが、現在ではもっと長い距離に渡っており、超長大スパンの吊橋に挑戦している唯一のシステムである。 1959年のセヴリン橋（ドイツ）では302m、1974年のサン・ナゼール橋（フランス）では404m、1995年のノルマンディー橋（フランス）では856mと、そのスパンはどんどん伸びている。 現在、このシステムで最も長いスパンを持つのは、2012年に架けられたルースキー島橋（ロシア）の1,104m（3,622フィート）である（図1）。

米国では、1987年にスパン366mの第2サンシャイン・スカイウェイ橋（フロリダ州）、396mのデイムズ・ポイント橋（フロリダ州）、2005年に471mのアーサー・ラベネル橋（サウスカロライナ州）が挙げられます。

システムの詳細

斜張橋の主な要素は、タワーまたはパイロン、デッキガーダー、ケーブルステイ、アンカー、および基礎である。 タワーとパイロンは同じ意味であり、軽量で細長いタワーはパイロンと呼ばれることが多い。 古典的な斜張橋は、1本の中央支間、2本の両側支間、2本の塔からなる左右対称の構造で、支間600m以上の斜張橋のほとんどがそうである。 非対称斜張橋は、主径間と側径間が1つずつあり、塔は1つで、主径間と側径間をつなぐケーブルは、数本の側径間にわたって延びていることがある。 多連斜張橋は、主桁が2つ以上（通常は等しい）ある。 図2.多連斜張橋の例

斜張橋にはいくつかのサブディビジョンが使用されます：エクストラドーズ、アンダースパン（アンダーデッキ）、クレードル、逆フィンクトラス、テンセグリティーです。 塔のケーブルは、平行配置（ハープ）、扇形配置、星形配置、あるいは混合配置がある。 タワーには、シングルパイロン、ダブルレッグポータル（垂直、やや斜め、自立、またはポータルフレームとして「A」「H」「Y」「逆Y」型アーチで相互接続）、などさまざまな構造ソリューションが用いられる

タワーはデッキとケーブルの両方を支えるデッキの上下に連続したもの、またはデッキガーダーを橋脚で直接支える一方で上部はケーブルのみを支えることができる。 その例を図3に示す。

斜張橋に使用される主な建設材料は以下の通りである。

• 甲板：鉄筋またはプレストレストコンクリート、コンクリートとスチールの複合デッキ、または直交性鋼デッキ、
• 甲板桁：。 デッキガーダー：プレストレストコンクリートまたはスチールの梁、プレストレストコンクリートまたはスチールの箱桁、現代の吊橋のものと同様;
• タワー：スチール、鉄筋またはプレストレストコンクリート、複合スチール-コンクリート
• ケーブル：高強度スチールワイヤー、通常270グレード（270ksi、または1,860MPa）、7ワイヤーで構成、9インチ（1.7m）。ASTM A886に準拠した7本線、9.5ミリメートルのストランド、その他の高級鋼線、炭素繊維強化ポリマー（CFRP）、コンポジットなどで構成される。
• 橋脚と基礎：鉄筋コンクリート、土壌によっては杭なし。

長大橋、軟弱地盤上の基礎、高地震地域の橋梁では、自重と関連地震力を減らすために主に鋼構造を使用することが望ましいです。

概念設計

橋梁設計で最も重要なのは、構造およびその要素に関する全体の概念、すなわち、その特定の機能、立地、必要スパンを考慮して橋に適した構造系を選択することである。 橋梁の機能、立地条件、必要なスパンなどを考慮し、適切な構造システムを選択することで、橋梁の効率と経済性を決定する。 優れた設計コンセプトは、設計事務所と建設現場の両方における問題や将来の困難を最小限に抑えることができる。

初期の斜張橋の設計では、エンジニアは比較的少数のケーブルを使用したが、経験を積み、構造設計ソフトウェアの導入により、エンジニアはより多くのケーブルステーを使用することができ、デッキガーダーへの要求を減らし、より効率的で長いスパンにつながった。 塔では、主径間からのケーブルの水平成分と側径間・隣接径間からのケーブルの水平成分が均衡している。 タワーは垂直荷重を支え、基礎に伝達する。 同様に、主径間からの荷重の累積圧縮水平成分は、側径間の圧縮荷重成分とバランスしています。 したがって、橋梁システム全体は、タワーとデッキシステムの圧縮力と、ケーブルステーの引張力が支配的なバランスになっています。 設計エンジニアの課題は、タワー、ケーブルステー配置、デッキシステムの複数の可能なバリエーションから適切な組み合わせを選択することです。 すべての吊り構造物と同様に、斜張橋は変形に敏感であり、建設の異なる段階におけるものを含め、すべての荷重の組み合わせについてシステムの変形状態をチェックする必要がある。 システムの主要なパラメータを選択した後、デッキガーダー、ケーブル、およびタワーの起動時の寸法と断面を確立することが不可欠です。 まず、主桁のおおよその曲げモーメントを決定するために、単純支持梁で代用することができる。 上向きのケーブルステーのプレテンションは、デッキの永久荷重によるモーメントのほとんどを相殺することができる。 これは、メインエレメントを架設した後にケーブルに追加張力をかけて永久荷重を相殺し、デッキガーダーの垂直曲げを最小にすることで実現します。 ケーブルは、一時的な下向き荷重（活荷重、風、雪、氷、地震）の合計の50％を打ち消すように追加張力を加える必要があります。 こうすることで、デッキガーダーの作業曲げモーメントは、運転中に（最悪の一時的荷重の組み合わせによる）正のモーメントの50%と一時的荷重による負のモーメントの50%の間でほぼ変化することになります。 この「最初のステップ」によって、メインスパンのデッキガーダーの設計モーメントが決定されます。 ケーブルステーの水平成分によるデッキガーダーの圧縮は、これらの成分の累積和で、スパン、ケーブルの本数、タワーでのケーブル接続部の高さによって、メインスパンの全垂直荷重の約55～65%になります。 デッキガーダーの累積圧縮力（ΣPc）は、デッキのケーブル接続部（図4）のすべての圧縮力Pciの和に等しい。 引張ケーブル力Pcable = Pv/sin α,

Pciはケーブル力の水平成分によるデッキガーダーの圧縮力である。

Pvi はデッキガーダーのケーブル接続部にかかる垂直方向のDL+LL力と付加的にかかる引張力の垂直成分、

Li はこの接続部からタワーまでの水平距離、

Ht はデッキからタワーでのこのケーブル接続部の高さである。

累積圧縮力の簡略化された初期計算は、以下のように提供される：

where:

ΣPc はデッキ・ガーダーの累積圧縮力、タワーで最大、

ΣPv は主スパンデッキ上のすべての下向き垂直力の合計、

Lmax は主スパン長である。

Ht はファンまたはハープケーブル構成の場合、図4に示すようにデッキ上のタワーでのケーブル接続部の高さ、

Lgr はハープ構成の場合のケーブル群の全長である。

タワーにおけるすべてのケーブルの水平力の合計（メインスパンから）は、メインスパンのデッキガーダーの累積圧縮力と同じで、反対側では同じ力でバランスが取れています。

これらの計算により、設計者はケーブル、デッキガーダー、タワーの初期設計寸法を確定し、コンピュータ・モデルでシステムのさらなる調整と改良に使用することができるようになります。 デッキガーダーは、ケーブルステイシステムによる圧縮と曲げ、および垂直死荷重と活荷重に対する一般的な橋梁デッキ設計を行う必要があります。 上記の初期アプローチは、望ましい最終目標をより早く達成するのに役立つ。

効率性と経済性

斜張橋は、コスト、材料、建設期間において効率的である。 他の橋梁システム（唯一の競合は吊りシステム）よりも効率がよく、より単純な建設方法を可能にします。 斜張橋のさらなる利点は、100 メートル (328 フィート) から 1,000 メートル (3,280 フィート) 超まで、より大きな効率的なスパン範囲です。

システムの多くの可能性は、エンジニアや建築家に多くの設計オプションを提供します。 中長距離」構造は、より多くの創造性、独創性、革新的な仕事の可能性を可能にする。 斜張橋は豪華である必要はない。 誠実な」構造を持つ最も素直な橋が最も優れていることが多く、大抵は優雅で魅力的である。

斜張橋は優雅さと細長さ、そして堅牢さを兼ね備えている。 国家インフラがより多くの橋を要求しているため、効率と経済性を優先する必要がある。

工学の芸術には創造性と空想が必要だが、技術者は反復的で非論理的な形を避けるべき。 創造性は不可欠であるが、「過度の独創性」は正当化された例外にのみ見出すべきである（例． クリスチャン・メンやミシェル・ヴィロジューなど）。

長所と短所

主なシステムの長所は以下のとおりです。

• 迅速かつ比較的容易な建設で、建設に要する時間が短い
• コストが安い
• 複数の設計オプション
• 大きな有効スパン範囲
• 強度と弾力性に富む構造
• 魅力ある外観

主要システムのデメリットは以下のとおり。

• 超長大橋ではまだ吊橋に劣る
• あらゆる条件で変形をチェックしなければならない
• 設計と建設の両方で経験が必要

さらなる開発

他の橋システムと同様、斜張橋は高強度材料と新しい建設技術の開発に基づいて絶えず改良されています。 技術者にとってより価値があるのは、確立された構造システムと新しいサブシステムの修正である。 斜張橋は、長大橋（600m以上）が増えているほか、歩道橋としての利用も増えている。 荷重が小さくスパンが短いため、エンジニアは新しいアプローチを模索することができ、これらの橋の建設はイノベーションのための実験室と化している。 8104>

さらなる発展のための一つの分野は、超長大橋を実現するための斜張橋と吊橋システムの組み合わせ/ハイブリッドを追求することである。 これは、吊り支持点をスパンの内側に移動させることにより、吊りスパン長を短くするものである。 これにより、吊り橋の長さだけでなく、必要な塔の高さも削減でき、さらに長いクリアスパンを確保することができる。 これは、橋脚に「斜張橋片持ち式代替案」を採用し、「デッキ上」の斜張橋を追加することで実現される（図5）。 全長3,000mの橋脚の両側に500mの片持ち梁と斜張橋を設置すると、吊り下げ部分は2,000mに短縮されます。 これによって、明石海峡大橋の1991mのように、すでに橋梁で使われているような大きさと種類の主索を、もっと長い主桁に使うことができるようになるのである。

結論

現在の技術の進歩と開発の速さから、斜張橋の長さはしばらくして2400～2600mに達するかもしれない。 これにより斜張橋の効率は2000mを超える超長大橋まで拡大する。 斜張橋と吊り橋のハイブリッド・システムは、2,200 ～ 2,400 メートルの「純粋な」吊り橋を組み込んで、3,000 ～ 3,400 メートルまでのさらに長いスパンを可能にする。 斜張橋の利用が増えれば、効率的で早く建設され、エレガントな構造物によってインフラがアップグレードされるかもしれない。 また、斜張橋の普及は、橋梁工学の専門家が長大橋の設計と建設におけるリーダーの地位を回復するのに役立つだろう。