アーチ橋
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アーチ橋（アーチきょう）は弓のように反った曲線、すなわちアーチ構造を使って荷重を支える橋の形式である。また、本稿ではアーチ橋の一種に位置付けられるローゼ橋（ローゼきょう）、ランガー橋（ランガーきょう）についても記述する。
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[編集] 概要
[編集] 原理と特徴
アーチ橋は、弓なりのアーチ状の部材（アーチリブ）を用いて荷重を伝達する「アーチ機構」により、橋としての機能を有するものである。すなわち、右図上段に示すように、外部より作用する荷重が、アーチ部材において圧縮力に変換され両端の支点へ伝達される。一般的な桁橋（右図下段）では「曲げ」によるたわみが発生し、主桁内部では大きな圧縮応力と引張応力が発生するのに対し、アーチ橋ではほぼ断面内に一様な圧縮応力のみの発生にとどまる。
したがって、アーチ橋はその構造特性から、桁橋と比較して以下のような特徴を持つ。
- 剛性が高い
- 曲げが発生しにくく、たわみ挙動が小さい。
- 断面効率に優れる
- 同じ支間であれば、より小さな断面（薄い部材）での架橋が可能である。
- 同じ断面性能であれば、より長大な支間の架橋を可能とする。
- 圧縮力が卓越するため、石材のような不連続な材料でも構築できる。
- 水平反力の発生
- アーチ橋に荷重が作用すると、アーチ部材が外に開こうとする挙動を示し、支点部には水平方向の力が発生する。
- 長大なアーチ橋では、この水平力も大きなものとなるため、強固な基礎を設けるか、後述のタイドアーチ形式とする必要がある。
[編集] 支持条件による分類
アーチ橋は、その支持条件によりいくつかに分類される。
- 2ヒンジアーチ
- 支点部に蝶番の役割を果たすヒンジ支承を設け、支点部に働く回転力（モーメント）を逃がすように働くアーチ橋である。鋼ソリッドリブアーチ（後述）に多く見られる形式である。
- 3ヒンジアーチ
- 支点部のほか、アーチクラウン部（アーチの最高点）にもヒンジを設けた形式である。この形式は静定構造と呼ばれ、アーチ支点が仮に移動したとしても、アーチに不利な2次力が働かない形式である。この形式としては、大阪市の桜宮橋（銀橋）があるが、ヒンジ部の耐久性等に懸念があることから近年はあまり用いられない。桜宮橋は拡幅工事を実施しているが、増設された橋はローゼ橋（後述）が採用されている。
- 固定アーチ
- 支点部にヒンジを設けず、完全に剛結とした構造である。この形式では、支点部に水平力・鉛直力のほか、回転力も働くため、強固な基礎が必要となる。後述の鋼ブレースドリブアーチやコンクリートアーチ橋に多く見られる形式である。
- タイドアーチ
- 前述したとおりアーチ橋では支点部に水平力が働く。これに対し弓のように、支点部同士を引張部材（タイ）で結び、水平力を伝達させる形式をタイドアーチ(Tied arch)または自定式アーチと呼ぶ。この形式では、水平力は橋内部に閉じこめられるため、支点部に水平力は発生しない。後述の下路式アーチによく見られる形式である。
[編集] アーチに用いられる曲線
アーチ橋は優美な曲線を描き、景観にも優れた構造である。中小規模のアーチには、設計・施工の簡易さから円弧または楕円弧が用いられることが多い。一方、長大アーチ橋では、その特性を活かせる双曲線が選定される。
また、アーチの高さ（支点から頂点までの高さ）をアーチライズと呼び、アーチ橋の特性や外観に与える印象に影響を与える。アーチ支間に対してアーチライズの高いアーチ橋は、外観にオーソドックスな印象を与える。一方、アーチライズの低い形式は、近代的でシャープな印象を与え、構造的にも桁橋の挙動に近いものとなる。
[編集] 歴史
古代ギリシャで発明されたとされる説や、紀元前30世紀頃にメソポタミアで尖った形のアーチが作られ、それが円形に進化したとされる説がある。なお、メソポタミアのものは煉瓦を材料としていた。いずれにせよ、アーチが安定した構造であることは古くから知られていたようである。紀元前1世紀頃にはその技術が古代ローマに伝わり石のアーチ橋が多数架けられるようになり、一部は現在も残っている。長い橋を作るためアーチを連ねる場合もあり、これも古代ローマの水道橋などが残っている。
半円形の場合、長さの半分の高さが必要であるが、15・16世紀頃のイタリアルネッサンス期には、楕円や懸垂線の扁平な形のものも作られるようになった。中には、橋の上に家や店舗などの建物が載ったものもある。
この頃までのアーチ橋の材料は石が中心であったが、18世紀、産業革命により鉄が使えるようになった。最初の鉄のアーチ橋はイギリスで1779年完成した、その名もアイアンブリッジであり最初の鉄橋といえる。現代の橋は鋼鉄であるが、この橋は鋳鉄が使われている。現役で使用されており世界遺産に登録されている。
一方、中国にも紀元前からアーチ橋が存在していたと記録されている。現存しているもので古いものでは随の時代（600年頃）の安済橋がある。連続アーチの大きな橋としては盧溝橋（ろこうきょう）が著名であり1192年の建造である。
日本には、石のアーチ橋の技術は中国から沖縄（当時は琉球王国）にもたらされたものが最初とされる。また長崎にも伝えられ、1643年に眼鏡橋が架けられた。これを期に九州各地に石造りのアーチ橋が架けられている。熊本の通潤橋は灌漑用の水路橋として知られている。日本の石造アーチ橋に関しては眼鏡橋も参照
木造のアーチ橋と知られている錦帯橋も、1673年に中国の同名の橋をモデルに架設された。 日本ではアーチ橋は古来、反橋・太鼓橋などと呼ばれてきた。ただし、これらの中には形はアーチだが途中に橋脚を持つものもある。この場合はアーチではなく桁橋の変形と言える。
[編集] 現代のアーチ橋の構造
[編集] 構造材料
（ブレースドリブアーチ / 支間 518m）
現代のアーチ橋においては、その構造材料としておもに鋼とコンクリートが用いられる。
鋼は、強度が高く、じん性（ねばり強さ）に富むなど機械的特性に優れるほか、橋の構造材料として軽量であることから、現代のアーチ橋の支間を飛躍的に伸ばしてきた。鋼アーチ橋の最大支間は500mを超え、吊り橋や斜張橋に次ぐ長支間を誇っている。鋼アーチのうち鋼板を組み合わせた箱形断面であるものをソリッドリブアーチ(Solid-rib arch)、三角形を組み合わせたトラス構造のアーチをブレースドリブアーチ(Braced-rib arch)と呼ぶ。
また、コンクリートも現代の構造材料として代表的なものである。コンクリートはその特性から、圧縮力には強いが引張力には弱い。したがって、橋のような「曲げ」（曲げモーメント）が卓越する構造では、過大な引張応力の発生が避けられず、長きにわたり長大化を図れなかった。この問題に対処するため、あらかじめ圧縮力を強制的に与えておくプレストレスト・コンクリート(PC)が開発され、様々な形式の長大橋に用いられている。しかし、アーチ橋は自らの重量により、アーチ部材に圧縮力が作用するため、PCを用いずとも長大化が図れる希有な構造である。コンクリートアーチ橋は単なる鉄筋コンクリート構造でありながら、その最大支間は200mを超えている。
[編集] 通行位置による分類
鋼とコンクリートという近代材料を得て、現代のアーチ橋は構造の自由度も広がった。
アーチ橋はその形状により長支間の架橋が可能となる構造ではあるが、弓なりとなった形状に人や車を渡すのは困難であり、アーチ部材とは別に平坦な路面が必要である。近代までのアーチ橋では石材を主材料としていたことから、右図上段に示す「充腹式上路アーチ橋」が主流であった。上路とはアーチの上に別途路面を設けることを意味し、充腹とはアーチと路面の間に材料が隙間なく敷き詰められていることを示す。
ところが、鋼やコンクリートを用いれば充腹構造としなくても、アーチの上に柱を立て路面（床版・補剛桁）を設けることが可能となった。この構造は「開腹式上路アーチ橋」（右図中段）と呼ばれ、橋体を軽量化することにより、アーチ橋の長大化を可能とした。アーチ橋に荷重が作用すると、その特性からアーチ部材が外側に開こうする力が生じるため、長大な上路アーチ橋ではその力に耐えるだけの強固な岩盤が必要となる（図中の矢印）。
さらに、鋼橋を中心として「下路アーチ橋」も現代のアーチ橋の主流となっている。この構造はアーチを路面より上に架け渡し、アーチ部材より路面（床組・補剛桁）を吊る構造である。下路アーチでは路面を受ける構造によりアーチの両端を結び、前述のタイドアーチ形式とすることができる。したがって、支点部に大きな力は作用しないため強固な基礎は必要とせず、地盤の軟弱な都市部などでの長大アーチ橋架構を可能にしている。
このように、現代のアーチ橋は「開腹式上路アーチ橋」および「下路アーチ橋」が主流となっている。また、その中間の構造である「中路アーチ橋」も用いられる。その一方で、支承や伸縮装置・排水装置などのメンテナンス上不利となる部材を持たない「充腹式上路アーチ橋」も一部で見直されており、高速道路の高架橋で用いられている例もある。
[編集] 補剛桁を有するアーチ
アーチ橋ではアーチ部材のほか、路面を確保するための部材を設けるが、この部材に剛性を持たせ、アーチ部材と力を分担し合って橋梁を構成する形式がある。これを補剛アーチ橋と呼び、剛性を持たせた部材を補剛桁と呼ぶ。補剛アーチ橋は、その分担方式により二つに分けられる。
- ローゼ橋 (Lohse Bridge)
- 補剛桁とアーチ部材の双方で曲げモーメントを分担する補剛アーチ橋である。右図上段に示すように、アーチ部材と補剛桁がほぼ同程度の部材厚を持つことが外見上の特徴となる。また、ローゼ橋にはアーチ部材と補剛桁の間に斜めに張ったケーブルを配置した形式があり、これをニールセン・ローゼ橋(Nielsen Lohse Bridge)という。
- ランガー橋 (Langer Bridge)
- 補剛桁が曲げモーメント、アーチ部材が圧縮力のみを分担する補剛アーチ橋である。この形式において主たる部材は補剛桁であり、他のアーチ橋に比べ挙動は桁橋に近く、アーチ部材は補助的な部材となっている（右図）。また、ランガー形式ではアーチは曲線を描かず、吊り材との交点で折れる直線部材となっていることが多い。
力学的な分類は以上のとおりであるが、外見上の各形式の違いは以下のようになる。
-
形式 アーチ部材 路面構成部材
（補剛桁）アーチ橋 太い 薄い ローゼ橋 （中間） （中間） ランガー橋 細い 厚い
また、ローゼ橋、ランガー橋は下路アーチばかりでなく開腹式上路アーチにも用いられ、それぞれ逆ローゼ橋・逆ランガー橋と呼ばれる。コンクリート製の逆ローゼ橋、逆ランガー橋には、補剛桁をPC構造としたものが多い。
[編集] その他の構造
補剛桁を有するアーチ橋には、上記の他にも様々なバリエーションが存在する。
下路ローゼ橋は一般に2本のアーチ部材を有するが、これを1本のみとした構造があり、単弦ローゼ橋（たんげんローゼきょう）と称する。単弦ローゼ橋は、1本のアーチ部材をどこに配置するかによりデザインの自由度が高い形式であり、路面中央にアーチ部材を配置した対称形のほか、路面の片側に配置した非対称形の形式も見られる。
また、前述のニールセンローゼ橋において、アーチクラウン部（アーチの最高点）で2本のアーチ部材の間隔を絞り込んだ形式を、その形状をバスケットの取っ手に例えてバスケットハンドル型ニールセンローゼ橋と呼ぶ。この形式は景観に優れ、斜張橋と並んで1980年代よりその架橋例が増えている。
一方、ランガー形式においては、吊り材をトラス形式としたトラスド・ランガー橋(Trussed Langer Bridge)が、そのバリエーションとして存在する。前述のとおり、ランガー橋のアーチ部材は圧縮力のみを分担するため、軸力（圧縮力・引張力）を受ける部材で構成されるトラス橋の特性をうまく取り入れた形式と言える。
その他、連続形式のアーチ橋としてバランスドアーチ橋(Balanced Arch Bridge)がある。これは、右図に示すように、中間の2支点を中心にバランスをとっている構造であり、上路アーチ橋でも自定式とすることができる。
[編集] 建設方法
完成した状態におけるアーチ橋は安定した構造であるが、その形状を構築する段階においては不安定であることが多く、巨大なアーチ部材を建設するために様々な工法が用いられる。
- 支保工施工
- 建設中の荷重を支えるための架台である「支保工」を組み上げ、その上にアーチを構築していく方法である。支保工はアーチリブが閉合した段階で撤去される。
- アーチを構築するための古典的な工法であり、古くから石橋の施工にも用いられてきたほか、現在でも中小規模のアーチ橋の施工に適する工法である。支保工には古くは材木、最近ではユニット化された仮設鋼材が用いられる。
- ケーブル架設工法
- 鋼製アーチの施工に用いられるもので、両端にタワーを仮設しそこから張ったワイヤーで支えながらアーチを延ばして行くものである。アーチの主部材はケーブルクレーンにて架設されることが多い。吊り橋のように全体に張り渡したケーブルからハンガーロープを吊り下げ架設中のアーチを支える方法と、斜張橋のように斜めに張ったケーブルにより支える斜吊工法がある。
- セントル工法
- コンクリートアーチ橋の施工に用いられる。「アーチセントル」と呼ばれるアーチ状の支保工を用いて、施工中のコンクリートを支える工法である。支保工施工と似ているが、支保工となるアーチセントル自体がアーチ機構で荷重を支えること、アーチセントルは転用が可能であることが特徴である。
- メラン工法
- コンクリートアーチ橋の施工に用いられる工法で、メラン材と呼ばれる鋼製アーチをあらかじめ架設しておき、これをコンクリートで巻き立ていく架設工法である。
- ピロン工法
- ピロン柱(pylon)と呼ばれる仮設柱を橋台上に構築し、ケーブルを張って荷重を支えながら、コンクリートアーチを張出架設していく工法である。大規模なアーチ橋では、途中までピロン工法にて施工を行った後、アーチリブの中央付近はメラン工法にて行う「ピロン・メラン併用工法」も用いられる。
- トラス工法
- 上路式コンクリートアーチ橋に用いられる工法で、上路桁（補剛桁）をPC桁とし、アーチリブ・補剛桁・支柱材を同時に施工していく工法である。施工は張出架設によって行われ、補剛桁からアーチリブにケーブルがトラス状に張られることからこの名がある。ピロン工法同様、メラン工法との併用も行われる。
- モジュラーチ工法
- 工場製作された鉄筋コンクリート製のアーチ部材を現場で組み立てる工法である。充腹式上路アーチとなる。
[編集] 主な長大アーチ橋
（鋼ブレースドリブアーチ）
- 世界
- 盧浦大橋(Lupu Bridge)（中国）
- 形式 - 中路式3径間連続鋼ソリッドリブアーチ
- アーチ支間 - 550m
- New River Gorge Bridge （アメリカ）
- 形式 - 上路式鋼ブレースドリブ固定アーチ
- アーチ支間 - 518m
- Bayonne Bridge （アメリカ）
- 形式 - 中路式鋼ブレースドリブ固定アーチ
- アーチ支間 - 504m
- 盧浦大橋(Lupu Bridge)（中国）
- 日本
