橋

橋は、物理的な障害物（水域、谷、道路、鉄道など）を、その下の通路を塞がずに渡るために建設される構造物です。橋は、通常、他の方法では渡るのが困難または不可能な障害物の上を通過できるようにするために建設されます。橋にはさまざまなデザインがあり、それぞれが特定の目的を果たし、さまざまな状況に適用できます。橋のデザインは、橋の機能、橋が建設され固定される地形の性質、橋の製作に使用される材料、橋の建設に利用できる資金などの要因によって異なります。

最も古い橋は、倒木と飛び石で作られたものと思われます。新石器時代の人々は湿地帯に遊歩道の橋を建設しました。ペロポネソス半島にある紀元前 13 世紀に建てられたアルカディコ橋は、現存し使用されている アーチ橋の中でも最も古いものの一つです。

オックスフォード英語辞典は、 bridgeという単語の語源を、同じ意味を持つ古英語のbrycgとしている。 ^{[1] [2] : bridge 1}

オックスフォード英語辞典では、この語はインド・ヨーロッパ祖語の*bʰrēw-に直接遡ることができるという示唆もあるとしている。しかし、同辞典は「これは意味上の問題を引き起こす」とも指摘している。^[3]

同名のカードゲームの言葉の由来は不明である。^{[2] : ブリッジ2}

最も単純で初期のタイプの橋は飛び石でした。

新石器時代の人々は沼地に一種の遊歩道も建設した。そのような橋の例としては、約6000年前のイングランドのスウィート・トラックとポスト・トラックがある。 ^[5]古代の人々は、自然に倒れた丸太や意図的に伐採された丸太、または小川に架けられた丸太でできた丸太橋も使用していたと思われる。かなり長いスパンを持つ最初の人工橋のいくつかは、おそらく意図的に伐採された木だった。^[7]最も古い木造橋の一つは、スイスのチューリッヒ湖上流に架けられたホルツブリュッケ・ラッパースヴィル＝フルデン橋である。ゼーダムの土手道の西側で発見された先史時代の木造杭は、紀元前1523年に遡る。そこに架けられた最初の木造歩道橋はチューリッヒ湖に架けられた。紀元後2世紀後半まで何度か再建されたが、その際にローマ帝国は湖を渡る輸送手段として幅6メートル（20フィート）の木造橋を建設した。 1358年から1360年にかけて、オーストリア公ルドルフ4世は湖に「新しい」木製の橋を架け、1878年まで使用されました。この橋は長さ約1,450メートル（4,760フィート）、幅4メートル（13フィート）でした。2001年4月6日、元の木製の歩道橋の再建が開通しました。この橋はスイスで最も長い木製の橋でもあります。

アルカディコ橋は、ギリシャ南部ペロポネソス半島のティリンス砦とエピダウロスの町を結ぶ、かつての道路網の一部であるミケーネ文明のコーベルアーチ橋4つのうちの1つで、チャリオットの通行を目的に設計された。ギリシャ青銅器時代（紀元前13世紀）に遡るこの橋は、現在も現存し使用されている最古のアーチ橋の1つである。ペロポネソス半島には、ヘレニズム時代の無傷のアーチ石橋がいくつか残っている。^[8]

古代で最も偉大な橋の建設者は古代ローマ人でした。^[9]ローマ人は、以前の設計であれば損傷したり破壊したりしてしまうような状況でも耐えられるアーチ橋や水道橋を建設しました。そのいくつかは今日も残っています。 ^[10]一例として、スペインのタホ川に架かるアルカンタラ橋が挙げられます。ローマ人はまた、天然石の強度のばらつきを抑えるセメントを使用しました。^[11]セメントの一種であるポゾランは、水、石灰、砂、火山岩で構成されていました。セメントの技術が失われたため（その後再発見された）、 レンガとモルタルでできた橋はローマ時代以降に建設されました。

インドでは、カウティリヤの『アルタシャーストラ』という論文にダムや橋の建設について触れられている。^[12]ギルナール近くのマウリヤ朝の橋はジェームズ・プリンセプによって測量された。^[13]この橋は洪水で流され、後にチャンドラグプタ1世の主任建築家プスパグプタによって修復された。^[13]竹を編んで鉄の鎖を使ったより頑丈な橋の使用は、4世紀頃までにインドで見られるようになった。^{[14]インドでは}ムガル帝国によって軍事目的と商業目的の両方で多くの橋が建設された。^[15]

中国では戦国時代には木造の大きな橋が存在していたが、現存する最古の石橋は隋の時代に西暦595年から605年にかけて建設された趙州橋である。この橋は世界最古のオープンスパンドレル石造セグメントアーチ橋としても歴史的に重要である。ヨーロッパのセグメントアーチ橋は少なくともアルコネタル橋（およそ西暦2世紀）まで遡り、ローマ時代の巨大なトラヤヌス橋（西暦105年）は木造のオープンスパンドレルセグメントアーチを特徴としていた。^[16]

ロープ橋は、シンプルなタイプの吊り橋で、 16 世紀のヨーロッパ人の植民地化の直前、南米のアンデス山脈 のインカ文明によって使用されていました。

アシャンティ族は小川や川に橋を架けました。^{[17] [18]}橋は、4本の大きな枝分かれした木の幹を川床に打ち込み、枝分かれした柱に沿って梁を置き、横梁を配置して、最後に4～6インチの土で覆うことで建設されました。^[18]

18 世紀には、ハンス・ウルリッヒ・グルーベンマン、ヨハネス・グルーベンマンらによって木造橋の設計に多くの革新がもたらされました。橋梁工学に関する最初の本は、 1716 年にユベール・ゴーティエによって執筆されました。

橋梁技術における大きな進歩は、1779年にイギリスのシュロップシャーにアイアンブリッジが建設されたことでもたらされました。この橋では、セヴァーン川を渡るアーチに初めて鋳鉄が使用されました。^[19] 19世紀の産業革命により、より大きな橋のために錬鉄のトラスシステムが開発されましたが、鉄には大きな荷重を支えるための引張強度がありません。高い引張強度を持つ鋼鉄の出現により、はるかに大きな橋が建設され、その多くはギュスターヴ・エッフェルのアイデアを採用しました。^[20]

カナダとアメリカ合衆国では、1700年代後半から1800年代後半にかけて、ドイツやスイスの初期の建築を彷彿とさせる木製の屋根付き橋が数多く建設された。アジアでも屋根付き橋がいくつか建設された。 ^[21]後年、一部は石や金属で作られたが、トラスはたいてい木製だった。アメリカ合衆国では、クイーンポスト、バーアーチ、タウンラティスの3種類のトラスがあった。^{[22]北米には今でもこうした構造物が数百ある。1990年代に小説、映画、演劇}『マディソン郡の橋』によって一般大衆の注目を集めた。^{[23] [24]}

1927年、溶接の先駆者であるステファン・ブリワは、世界初の溶接道路橋であるマウジツェ橋を設計しました。この橋は後に1929年にポーランドのウォヴィチ近郊のマウジツェでスウドヴィア川に架けられました。1995年、アメリカ溶接協会はポーランドへのこの橋に歴史的溶接構造賞を授与しました。^[25]

橋はさまざまな方法で分類できます。一般的な分類には、使用される構造要素の種類、橋が運ぶもの、固定か可動か、使用される材料などがあります。

橋は、張力、圧縮、曲げ、ねじり、せん断の作用が構造全体にどのように分散されているかによって分類できます。ほとんどの橋は、これらすべてをある程度採用していますが、支配的なのは少数です。力とモーメントの分離は非常に明確です。吊り橋や斜張橋では、張力を受ける要素は形状と配置が異なります。その他の場合では、トラスのように、力が多数の部材に分散されることがあります。

技術者の中には、梁橋をその断面に基づいてスラブ、梁スラブ、箱桁に分類する人もいます。^[38]スラブは中実または中空（検査の容易さの理由から、これはもはや好まれません）ですが、梁スラブはコンクリートまたは鋼の桁をコンクリートスラブで接続して構成されます。^[39]箱桁の断面は、単一セルまたは複数セルのボックスで構成されます。近年、一体型の橋梁構造も人気が出てきています。

ほとんどの橋は固定橋で、可動部分がなく、破損するか解体されるまで同じ場所に留まります。ベイリー橋などの仮設橋は、組み立て、分解、別の場所への輸送、再利用ができるように設計されており、軍事工学において重要であり、古い橋を再建している間の交通を運ぶためにも使用されます。可動橋は、船やその他の交通の邪魔にならないように移動できるように設計されており、そうでなければ高さが高すぎて通行できません。これらは通常、電動です。^[40]

戦車橋梁輸送車 (TBT) は満載状態でも戦車と同等の長距離航行性能を持つ。独立して橋梁を展開、降ろし、積載できるが、回収はできない。^[要出典]

二層橋（ダブルデッカー橋）は2層構造である。例えば、ニューヨーク市と米国ニュージャージー州バーゲン郡を結ぶジョージ・ワシントン橋は世界で最も交通量の多い橋で、年間1億200万台の車両が通行している。^{[41] [42]道路層間の}トラス構造により道路の剛性が高まり、上層階の30年後に下層階が設置された際に上層階の動きが軽減された。香港の青馬大橋と葛水門橋は上層階に6車線があり、下層階にはMTR地下鉄用の2車線と2本の線路がある。二層橋の中には片側のみを道路交通に使用しているものもある。ミネアポリスのワシントン・アベニュー橋は下層階を自動車とライトレールの交通用に、上層階を歩行者と自転車（主にミネソタ大学の学生）の交通用に確保している。同様に、トロントのプリンス・エドワード高架橋は、上層部に5車線の自動車交通、自転車レーン、歩道を備え、下層部にはブロア・ダンフォース地下鉄線の線路が2本ある。サンフランシスコ・オークランド・ベイブリッジの西側スパンも2層構造となっている。

1849年に完成した、ニューカッスル・アポン・タインのタイン川にかかるロバート・スティーヴンソン設計のハイレベル橋は、2層橋の初期の例である。上層には鉄道が通っており、下層は道路交通に使用されている。他の例としては、メナイ海峡にかかるブリタニア橋や、北アイルランドのデリーにあるクレイガボン橋などがある。コペンハーゲンとマルメを結ぶオーレスン橋は、上層に4車線の高速道路、下層に鉄道の線路が2本ある。ロンドンのタワーブリッジも2層橋の別の例で、中央部分は低層の跳開橋と高層の歩道橋で構成されている。

高架橋は、複数の橋が 1 つの長い構造物として接続されて構成されます。最も長く、最も高い橋のいくつかは高架橋であり、その例としては、ポンチャートレイン湖コーズウェイやミヨー高架橋が挙げられます。

多方向橋には、橋の中央付近で交わる 3 つ以上の独立したスパンがあります。3 つのスパンのみの多方向橋は、上から見ると「T」または「Y」のように見えます。多方向橋は非常にまれです。Tridge 、Margaret Bridge 、 Zanesville Y-Bridgeなどがその例です。

橋は、列車、歩行者または道路交通（道路橋）、パイプライン（パイプ橋）、水上輸送またははしけ輸送用の水路など、何を運ぶように設計されているかによって分類できます。水路橋は水を運ぶ橋で、同じ高さの地点を結ぶ橋である高架橋に似ています。道路鉄道橋は、道路と鉄道の両方の交通を運びます。オーバーウェイは、互換性のない交差する交通、特に道路と鉄道を分離する橋の用語です。^[43]

いくつかの橋は他の目的に利用されており、例えばブラチスラバのノヴィーモスト橋の塔にはレストランが併設されている。また、レストランとして利用するために建設された橋であるブリッジレストランもある。他の吊り橋の塔には送信アンテナが設置されている。^[44]

自然保護活動家は、生息地の分断や動物と車両の衝突を減らすために野生動物用の高架道路を利用しています。 ^[45]最初の動物用の橋は1950年代にフランスで建設され、現在ではこのタイプの橋は大型および小型の野生動物を保護するために世界中で使用されています。^{[46] [47] [48]}

橋は計画外の使用にもさらされる。橋の下のエリアはホームレスの人々の仮設シェルターや住居となっており、世界中の橋の木材下には落書きが頻繁に行われている。自殺を試みる人々を引き寄せる橋もあり、自殺橋として知られるようになる。^{[49] [50]}

橋の構造を造るのに使われる材料も橋を分類するのに使われる。18世紀末まで、橋は木材、石材、石積みで造られていた。現代の橋は現在、コンクリート、鋼鉄、繊維強化ポリマー（FRP）、ステンレス鋼、またはそれらの材料の組み合わせで造られている。生きた橋は、インドのイチジクの木の根^[51]や日本の藤のつる^[52]など、生きた植物で造られてきた。

建築家が設計を主導する建物とは異なり、橋は通常エンジニアが設計します。これは、障害物をまたぐことと、過酷な屋外環境で最小限のメンテナンスで耐えられる耐久性を持つことというエンジニアリング要件の重要性に由来します。^[39]橋は最初に解析され、加えられた荷重による曲げモーメントとせん断力の分布が計算されます。これには、有限要素法が最も一般的です。解析は、1次元、2次元、または3次元にすることができます。ほとんどの橋では、2次元プレートモデル（多くの場合、補強梁付き）または直立有限要素モデルで十分です。^[57]解析が完了すると、橋は加えられた曲げモーメントとせん断力に耐えるように設計され、応力に耐える十分な容量を持つ断面サイズが選択されます。多くの橋は、設置前に梁にプレテンションをかけるか、現場でポストテンションをかけることで、耐久性に優れたプレストレストコンクリートで作られています。

ほとんどの国では、橋梁は他の構造物と同様に、荷重および抵抗係数設計(LRFD) の原則に従って設計されています。簡単に言えば、荷重は 1 より大きい係数で増加し、構造物の抵抗または容量は 1 より小さい係数で減少することを意味します。係数化された荷重 (応力、曲げモーメント) の影響は、その影響に対する係数化された抵抗よりも小さくする必要があります。これらの係数は両方とも不確実性を考慮しており、不確実性が大きいほど大きくなります。

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。^[58]多くの場合、これは都市への入り口として機能する大きな橋や、主要な港の入り口を横切る大きな橋の場合に当てはまります。これらはシグネチャーブリッジと呼ばれることもあります。公園やパークウェイ沿いの橋の設計者は、美観をより重視することがよくあります。例としては、ニューヨークの タコニックステートパークウェイ沿いの石張りの橋があります。

橋は、形が単純で、橋床が橋長に対して薄く、構造の線が連続的で、構造要素の形状が橋に作用する力を反映している方が、一般的に見た目に美しい。^[59]美しいイメージを作り出すために、必要以上に高く架けられる橋もある。東アジア風の庭園によく見られるこのタイプの橋は、昇る満月を思わせる「月橋」と呼ばれている。他の庭園橋は、小川で洗われた乾いた河床の小石だけを横切るもので、小川の印象を与えるだけのものである。宮殿では、重要な場所や心境への通路の象徴として、人工の水路に橋が架けられることが多い。中国北京の紫禁城の重要な中庭では、曲がりくねった水路に5つの橋が架けられている。中央の橋は、皇帝と皇后、およびその従者専用であった。

橋の推定寿命は、場所や材質に応じて25年から80年の範囲で異なります。^{[60] [61]}

適切なメンテナンスと改修を行えば、橋は 100 年も長持ちします。橋のメンテナンスは、構造健全性の監視とテストの組み合わせで構成されます。これは国別のエンジニア基準で規制されており、3 ～ 6 か月ごとの継続的な監視、2 ～ 3 年ごとの簡単なテストまたは検査、6 ～ 10 年ごとの大規模な検査が含まれます。ヨーロッパでは、メンテナンスのコストは相当な額で^{[38] 、国によっては新しい橋に費やすよりも高くなっています。溶接鋼橋の寿命は}、溶接遷移部の後処理によって大幅に延ばすことができます。これにより、既存の橋を計画寿命よりはるかに長く使用できるため、大きなメリットが得られます。

加えられた荷重に対する橋梁の応答はよく理解されていますが、加えられた交通荷重自体はまだ研究対象となっています。^{[62]特に道路橋の場合、荷重は非常に変動するため、これは統計的な問題です。橋梁の荷重効果（応力、曲げモーメント）は、}荷重および抵抗係数設計の原則を使用して設計されます。不確実性を考慮する前に、荷重効果は通常、指定された再現期間の最大特性値と見なされます。特に、ヨーロッパでは、1000年間に予想される最大値です。

橋梁の基準には、一般的に、再現期間に予想される最大荷重特性を表すとみなされる荷重モデルが含まれています。過去には、これらの荷重モデルは専門家の基準起草委員会によって合意されていましたが、今日ではこの状況は変化しています。現在では、走行中重量測定(WIM) 技術を使用して、橋梁の交通荷重の構成要素を測定し、トラックの重量を量ることが可能です。広範な WIM データベースを使用すると、指定された再現期間に予想される最大荷重効果を計算することができます。これは、反対方向車線、^{[63] [64]}並走車線 (同じ方向)、^{[65] [66]}交通量の増加、^[67]許可車両/非許可車両^[68]および長スパン橋 (以下を参照) の問題に対処する、活発な研究分野です。橋を設計するたびにこの複雑なプロセスを繰り返すのではなく、規格当局は、特性最大値と同じ荷重効果を与えることを目的とした、簡略化された概念的荷重モデル、特に HL-93 ^{[69] [70]}を指定しています。ユーロコードは、このようにして開発された橋梁交通荷重の基準の一例です。^[71]

ほとんどの橋梁規格は短・中スパンにのみ適用されます^[72]。たとえば、ユーロコードは最大 200 メートルの荷重長さにのみ適用されます。より長いスパンについては、ケースバイケースで対処されます。スパンが長くなるにつれて荷重の強度が減少することは一般に認められています。これは、関係するトラックの数が増えると、多くのトラックが密集して非常に重い可能性が低くなるためです。また、短いスパンは、動力学を考慮して、少数のトラックが高速で走行することによって決まると一般に考えられています。一方、長いスパンは混雑した交通によって決まるため、動力学を考慮する必要はありません。

渋滞による荷重の計算は、渋滞時の車線内および車線間の車間ギャップに関するデータが不足しているため、依然として課題となっている。走行中重量測定（WIM）システムは車間ギャップに関するデータを提供するが、自由に流れる交通状況でのみ適切に機能する。一部の著者は、渋滞状況でのギャップと車両の長さをカメラで測定し、WIMデータを使用して長さから重量を推定した。^{[73]他の著者は、}マイクロシミュレーションを使用して橋の上の典型的な車両群を生成した。^{[74] [75] [76]}

橋は荷重を受けると振動し、多かれ少なかれ、これが応力に寄与する。^[39]振動とダイナミクスは、一般的に、歩道橋や長スパンの道路橋や鉄道橋などの細長い構造物ではより顕著である。最も有名な例の 1 つは、建設後すぐに過度の振動により崩壊したタコマ ナローズ橋である。最近では、ロンドンのミレニアム ブリッジが歩行者の荷重により過度の振動を起こし、閉鎖され、ダンパー システムが取り付けられた。より小規模な橋の場合、ダイナミクスは壊滅的ではないが、静的効果による応力の増幅に寄与する可能性がある。たとえば、橋の荷重に関するユーロコードでは、スパン、車線数、応力の種類 (曲げモーメントまたはせん断力) に応じて、10% から 70% の増幅を指定している。^[77]

車両横断時の車両と橋梁の動的相互作用に関する研究は数多く行われてきた。Fryba ^{[78] は、}移動する荷重とオイラー・ベルヌーイ梁の相互作用に関する先駆的な研究を行った。計算能力の向上により、車両橋梁相互作用 (VBI) モデルはこれまで以上に洗練されてきた。^{[79] [80] [81] [82]}懸念されるのは、車両に関連する多くの固有振動数の 1 つが橋梁の最初の固有振動数と共振することである。^[83]車両関連の振動数には、車体の跳ね返りや車軸の跳ね返りが含まれるが、車両の横断速度に関連する疑似振動数もあり^[84]、路面プロファイルに関連する振動数も多数ある。^[62]道路橋には多種多様な大型車両が通行するため、統計的アプローチが提案されており、多くの静的に極端な荷重イベントに対して VBI 分析が行われている。^[85]

橋梁の崩壊は、橋梁の設計、建設、保守に不可欠な教訓を学ぼうとする 構造エンジニアにとって特に懸念される問題です。

橋の崩壊が英国で初めて国家的な関心を集めたのは、ビクトリア朝時代、多くの新しい設計の橋が新しい材料を使って建設され、そのうちのいくつかが壊滅的な崩壊を起こしたときだった。

米国では、国立橋梁目録により、すべての橋梁の構造評価が追跡され、「構造的に欠陥がある」や「機能的に時代遅れ」などの指定も行われます。

橋梁のような大きな構造物の状態を監視する方法はいくつかある。現在、多くの長大橋梁は、ひずみ変換器、加速度計、^[86]傾斜計、GPS などのさまざまなセンサーを使用して日常的に監視されている。加速度計は慣性であるため、測定のための基準点を必要としないという利点がある。これは、特に橋が水上にある場合、距離やたわみの測定で問題になることが多い。^{[87]加速度計や GPS センサーが日常的に搭載されている携帯電話で受動的に取得されたデータにアクセスして橋梁の状態を} クラウドソーシングすることが、橋梁建設中にセンサーを組み込む代わりに、また専門家による検査を補強する手段として提案されている。^[88]

構造健全性モニタリングのオプションとして、ドップラー効果（ドップラーシフト）を利用する「非接触モニタリング」があります。レーザードップラー振動計からのレーザービームを対象点に向け、表面の動​​きによるレーザービーム周波数のドップラーシフトから振動振幅と周波数を抽出します。^[89]この方法の利点は、機器のセットアップ時間が短く、加速度計とは異なり、可能な限り短時間で複数の構造物の測定が可能になることです。さらに、この方法では、アクセスが難しい可能性のある橋の特定のポイントを測定できます。ただし、振動計は比較的高価であり、測定するための基準点が必要になるという欠点があります。

橋梁の外部状態のスナップショットは、LIDARを使用して記録することができ、橋梁の検査に役立ちます。^[90]これにより、橋梁の形状を測定できます（コンピュータモデルの構築を容易にするため）が、その精度は一般に、荷重がかかった状態での橋梁のたわみを測定するには不十分です。

現代の大型橋梁は定期的に電子的に監視されているが、小型橋梁は訓練を受けた検査員が目視で検査するのが一般的である。小型橋梁は遠隔地にあることが多く、現場に電源がないため、その課題については研究上の関心が高まっている。考えられる解決策としては、専門の検査車両にセンサーを設置し、橋梁を走行する際の測定値から橋梁の状態に関する情報を推測することが考えられる。^{[91] [92] [93]}これらの車両には、加速度計、ジャイロメーター、レーザードップラー振動計^{[94] [95]}を装備することができ、路面に共振力を加えて橋梁を共振周波数で動的に励起する機能を備えたものもある。

• Shemirani、Alireza Bagher (2022年6月25日)。「超高性能コンクリートと鉄筋コンクリートを使用したコンクリート橋床版の実験的および数値的研究」。Computers and Concrete . 29 (6): 407–418. doi :10.12989/CAC.2022.29.6.407。
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• サンダック、キャス R. (1983 年 12 月 31 日)。ブリッジズ。フランクリン ワッツ。ISBN 978-0-531-04624-1。
• ホイットニー、チャールズ S. 『世界の橋：その設計と建設』ミネオラ、ニューヨーク：ドーバー出版、2003 年。ISBN 0-486-42995-4 (『橋：その芸術、科学、進化に関する研究』 1929 年の完全版再出版。) 

• デジタル橋: 19世紀の橋 2005年8月26日アーカイブ、リーハイ大学のデジタル化された書籍のコレクション、Wayback Machine
• Structurae – 10,000 を超える橋梁を含む工学構造物の国際データベースおよびギャラリー。
• 米国連邦道路管理局橋梁技術
• 日本の木造橋の博物館 2011年6月23日アーカイブウェイバックマシン 福岡大学
• 「bridge-info.org」: 橋に関するサイト