JP2007308881A - Ｃｆプレートによる鋼製床版補強工法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼床版のデッキとＵリブ間の亀裂発生を防止し、また、発生している亀裂の進展を抑制するための簡便で効果に優れる補強工法を提供する。
【解決手段】鋼製デッキプレート１下面にＵリブ２を備えた鋼床版の補強工法であって、デッキプレート１とＵリブ２との溶接部３を中心として、略Ｌ字状の炭素繊維樹脂プレート４をデッキプレート１下面からＵリブ２側面にかけて接着剤にて貼り付けることを特徴とする鋼床版の補強工法。
【選択図】図２

Description

本発明は、炭素繊維樹脂プレートによる鋼製床版の補強工法に関し、詳しくは、鋼製床版のデッキプレートの下面に接合されているＵ型リブとの溶接部における亀裂発生及び進展を防止する方法に関する。

近年、交通量の多い橋梁を中心として鋼床版に疲労亀裂の発生が報告されている。鋼床版は、表面のデッキプレート（以下、デッキ）の下面に溝型の縦リブ、特にＵ型リブ（以下、Ｕリブと略す）が溶接されているが、デッキとＵリブとの縦方向溶接部は、鋼床版上を走行する車両の重量や通行量の増加により輪荷重が増大し、輪荷重が直接載荷されることで、鋼床版を構成する板が局部的な変形挙動を示し、局所的に大きな応力が繰り返し発生することによって疲労損傷につながっているものと考えられる。

このような発生した亀裂は、従来は再溶接して溶接ビード厚を増強する方法がとられているが、デッキ下面にあたるＵリブ溶接部を再溶接するため、作業が繁雑であるという問題がある。また、溶接火花などが落下しないように養生しなければならない。

そこで、このような疲労亀裂を未然に防止するための鋼床版の補強方法が提案されている。

たとえば、特許文献１では、デッキとＵリブで区画される閉塞空間に硬化性充填剤を充填する方法が、特許文献２では充填材として軽量発泡コンクリートを充填固化する構成が示されている。しかし、これらのようにＵリブ内に充填するにはデッキかＵリブのどこかに充填のための穴を空けなければならず、また、確実な充填を行うためには内部を減圧しながら充填するための排気口も設けなければならない。また、充填物により重量が増大するという問題もある。

特許文献３には、Ｕリブ間に補強リブを設置してＵリブ間のデッキの剛性を高め、補強リブの反力をＵリブ又は横リブで受けることで、鋼床版のデッキにおける亀裂の発生を防止する補強工法が示されている。補強リブはデッキやＵリブなどに溶接して取り付けられるが、既設鋼床版の場合は、上向きに溶接を行う必要があり、また、補強リブ自体重量があるため、作業性に劣る。

また、特許文献４には、これらの補強とは異なる手段で亀裂の発生を抑制する構成が示されており、Ｕリブ自体を分割リブ構造とするものである。しかし、これは新設される鋼床版にしか適用できず、既設鋼床版に対しては使用できない。

特許文献５には、鋼構造体の繰り返し応力のかかる部分に生じた亀裂に繊維強化型合成樹脂シートを接着剤により貼り付け、その後硬化させる補強方法が示されている。しかし、発生した亀裂の進展の抑制については言及されているものの、鋼床版のデッキとＵリブ間の亀裂発生自体を抑制できるかどうかは何ら言及されていない。
特開平９−２４２０２１号公報 特開２００１−２４８１１４号公報 特開２００６−７７５２３号公報 特開２００６−７０５７０号公報 特開２００４−２１１３３８号公報

本発明の目的は、鋼床版のデッキとＵリブ間の亀裂発生を防止し、また、発生している亀裂の進展を抑制するための簡便で効果に優れる補強工法を提供するものである。

上記課題を解決する本発明は、鋼製デッキプレート下面にＵリブを備えた鋼床版の補強工法であって、デッキプレートとＵリブとの溶接部を中心として、略Ｌ字状の炭素繊維樹脂プレート（以下、ＣＦプレートという）をデッキプレート下面からＵリブ側面にかけて接着剤にて貼り付けることを特徴とする鋼床版の補強工法である。

本発明では、あらかじめ所定形状に成型されたＣＦプレートを用いるため、補強材料が軽量であり、また、接着剤による貼り付け工法であるために溶接等の煩雑な工法を行う必要がなく作業性に非常に優れている。

図１は、Ｕリブ型鋼床版の断面構造および輪荷重載荷時における曲げモーメントの発生状態を示す概念図である。輪荷重の載荷により、デッキ１とＵリブ２の橋軸方向溶接部３において局部的に大きな曲げモーメントが発生する。本発明では、この最大曲げモーメントの発生するデッキ１とＵリブ２の溶接部３に着目し、溶接部３を中心にデッキ１下面からＵリブ２の側面にかけてＣＦプレートを貼り付けることにより補強するものである。図２は、デッキ１とＵリブ２の溶接部３に対して略Ｌ字状のＣＦプレート４を接着した状態を示す図である。

使用するＣＦプレートは、炭素繊維にエポキシ樹脂等のマトリックス樹脂を含浸・硬化させた繊維集成材である。例えば、ＪＩＳ Ｋ ７０７３に準拠した炭素繊維強化樹脂の引張試験方法において、標準品（Ｓタイプ）では、１．５２×１０Ｎ／ｍｍ以上、中弾性品（Ｍタイプ）では２．９４×１０Ｎ／ｍｍ以上、高弾性品（Ｈタイプ）では３．９２×１０Ｎ／ｍｍ以上の引張弾性率を有する材料を使用する。

ＣＦプレートとしては、一方向に引き揃えられた繊維に樹脂を含浸させたプリプレグシートを、溶接部方向に直交する方向（９０°方向）に所望の強度が得られるように所要枚数積層して、この積層体を加圧・加熱して樹脂を硬化させることにより得ることができる。また、その形状は、床版下面からＵリブ側面に連続して貼付できる形状であり、通常、約１０２°に曲げた略Ｌ字状である。図３はＣＦプレートの一例を示す一部破断斜視図であり、溶接部方向と直行する方向に炭素繊維を一方向配向（ＵＤ）したシートを貼り合わせており、複数積層の中心部（図中破断部）には、溶接部方向の強度を高めるために溶接部方向（０°方向）に配向した繊維を含むクロスを配したものである。

ＣＦプレートの形状としては、溶接部を中心にデッキ下面とＵリブ側面とに連続して貼着できる形状であれば特に制限はないが、前記溶接部と当接する屈曲部からそれぞれ２０ｍｍ以上の長さ（デッキ側貼り付け長さ：Ｌａ１，Ｕリブ側貼り付け長さ：Ｌａ２）を有するＬ字断面形状を有するプレートが好ましい。長さ（Ｌａ１，Ｌａ２）の上限値は特に設定されないが、Ｌａ１は隣り合うＵリブそれぞれの側面から両Ｕリブ間のデッキ下面に貼り付けた際に重ならない長さであり、Ｌａ２はＵリブ側面からはみ出さない長さであればよい。通常１５０ｍｍ程度、より好ましくは１００ｍｍ程度の長さとすればよい。一方、溶接部方向への長さ（Ｌｂ）は特に制限されることはなく、コストや運搬、貼着作業のし易さ等を考慮して決定すればよい。通常、数メートル、例えば２メートル程度〜６メートル程度の長さとし、これを順次接着していく。また、長さを調節するために現場にて切断することも可能である。

実際の施工にあたっては、ＣＦプレートの貼着に先だって、貼着される鋼製構造物の表面の塗装を剥がしたり、サビ等を削り取ったり、露出した鋼材表面に接着性改良剤、例えば、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤等でカップリング処理したりすることも有効である。

次に、ＣＦプレートの接着面に接着剤を塗布し、図４に示したように、順次接着していく。特に本発明では、軽量なＣＦプレートを用いるため、作業性に優れている。本発明では、溶接部に亀裂の確認される部位にのみＣＦプレートを貼り付けて亀裂進展の抑制を行っても良いが、亀裂の確認されない部位にも貼り付けて亀裂の発生自体を防止することができる。また、亀裂発生部と亀裂未発生部とで異なる材料定数のＣＦプレートを使用することができる。たとえば、亀裂発生部では高弾性炭素繊維を用いたＣＦプレートを用いて亀裂進展を確実に抑制し、亀裂未発生部では安価な通常弾性炭素繊維を用いたＣＦプレートを用いて亀裂発生を防止するなどの組み合わせも可能である。

ＣＦプレートの貼着には、常温硬化型の接着剤を用いる。一般的にＣＦプレートのマトリックス樹脂がエポキシ系樹脂であることから、エポキシ系接着剤を用いると好ましい結果が得られやすい。このような接着剤の接着強度としては、特に制限されるものではないが、貼着したＣＦプレートが輪荷重の繰り返し載荷により容易に剥離しない強度であればよい。又、ＣＦプレート貼着後にはみ出した接着剤は硬化前にふき取ることで容易に除去できる。

また、デッキ上面には通常アスファルト舗装が施されており、経年劣化により再舗装が必要となる場合があり、グースアスファルトの熱により鋼床版下面が高温となることが予想される。これによりエポキシ樹脂接着剤が軟化する虞があるため、フェールセーフとしてＣＦプレートとＵリブをリベットやタップボルトなどにより固定しておくことは好ましい態様である。使用するエポキシ樹脂接着剤は、２５０℃程度で軟化するが、温度が下がれば元の性能に戻り、また、軟化しても液だれすることはないため、再舗装後、アスファルトが冷却固化する頃には元の状態に復帰しており、その間は通行が遮断されているので補強効果への影響はない。

ＣＦプレート貼着後は、溶接部が覆われているため、今後の亀裂の発生又は進行を目視により観察することはできなくなるものの、炭素繊維は超音波などを用いた非破壊検査を妨害しないため、このような非破壊検査により確認することができる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

なお、実施例では、鋼床版をモデル化した鋼製供試体を用いて、ＣＦプレートによる補強効果を検証した。

鋼材
母材であるデッキ及びＵリブとして、ＪＩＳ Ｇ３１０６〔１９９９〕溶接構造用圧延鋼材ＳＭ４００Ａ相当品を使用した。

溶接材料
供試体の溶接部は、被覆アーク溶接とし、溶接棒に、（株）神戸製鋼所製「Ｂ−１０」（一般構造物全姿勢溶接用、ＪＩＳ Ｚ３２１１ Ｄ４３０１）を用いた。

ＣＦプレート
試験には、高弾性炭素繊維（引張弾性率：６００ＧＰａ）を使用した高弾性ＣＦプレート（Ｈタイプ）と高強度炭素繊維（引張弾性率：２３０ＧＰａ）を使用した高強度ＣＦプレート（Ｓタイプ）を使用した。

接着剤
各ＣＦプレートは、コニシ（株）製商品名「ボンドＥ３２７０Ｍ」にて供試体に接着した。

供試体
図５は、Ｕリブ鋼床版のモデル化の考え方である。Ｕリブ鋼床版を反時計方向に１０２°回転させることにより、これをモデル化した。すなわち本来水平である鋼床版デッキを立て、逆にＵリブを水平としたものを供試体とした。図６は、試験に使用した鋼床版モデル１１の側面図（同図（ａ））及び展開図（同図（ｂ））を示す。補強に際しては、溶接部を中心にＣＦプレート１２を貼り付け、リブ鋼材１１ａ先端部に設置した載荷板１３に鉛直方向下方へ面載荷を行うものである。変位測定（たわみ）は載荷板直下に設けられるダイヤルゲージ１５により測定し、ひずみはひずみゲージ１４にて測定した。

表１は、供試体の仕様である。表に示す通り、３体の供試体を使用した。
表２は、補強に用いた各種ＣＦプレートの仕様である。ＨタイプＣＦプレートには、日本グラファイトファイバー（株）製高弾性炭素繊維一方向プリプレグシートＥ６０２５Ｅ−２５Ｎを用いて、これを１５枚積層し加熱硬化することにより、厚さ２．９ｍｍのほぼＬ字型のＨタイプＣＦプレートを得た。またＳタイプＣＦプレートでは、東レ（株）製高強度炭素繊維一方向プリプレグＰ３２５２Ｓ−２５、および高強度炭素繊維クロス（織物）プリプレグＦＴＰ６Ｓ−２０２５Ａの２種類のプリプレグシートを使用した。１枚のＦＴＰ６Ｓ−２０２５Ａプリプレグの両面に、それぞれ６枚ずつのＰ３２５２Ｓ−２５プリプレグを積層し、これを加熱硬化することにより、厚さ３．０ｍｍのほぼＬ字型のＳタイプＣＦプレートを得た。

まず供試体（１）は、デッキとＵリブ溶接部の脚長を６ｍｍとしたものであり、無補強で曲げ試験を行うことにより、ＣＦ補強供試体に対する基準とした。次に供試体（２）は、亀裂による溶接ビード全損を想定して溶接部の脚長を０ｍｍ（仮付け溶接のみ）とし、ここにＬ字型（Ｌ部の角度：１０２°）のＣＦプレートＨを接着した。
また供試体（３）では、溶接脚長不足を想定して脚長を４ｍｍとし、Ｌ字型（Ｌ部の角度：１０２°）のＣＦプレートＳで補強することを検討した。ＣＦプレート補強の前後で荷重を載荷することにより、ＣＦプレートによる補強効果を検証した。

１）一方向炭素繊維プリプレグシート、日本グラファイトファイバー（株）製
２）一方向炭素繊維プリプレグシート、東レ（株）製
３）炭素繊維クロスプリプレグシート、東レ（株）製
４）配向は溶接軸方向に対する角度

実験方法
各供試体におけるひずみ、変位測定を図６に示す鋼床版モデルを用いて測定した。リブ鋼材先端部に載荷板を設置し、鉛直方向下方への面載荷を行った。

リブ鋼材として溶接部より長さ３００ｍｍとし、供試体（１）および（３）では、溶接部より３０ｍｍのリブ鋼材表面にひずみゲージを接着した。このうち、供試体（１）は無補強の状態で曲げ試験を行った。供試体（３）については、まず無補強の状態で１．８ｋＮまで載荷して荷重と変位およびひずみの関係を測定した。次にＣＦプレートを貼り付けた後、溶接部より３０ｍｍのＣＦプレート表面にひずみゲージを接着し、同様に載荷することにより、ＣＦプレート補強前後における母材（Ｕリブ）およびＣＦプレートひずみの発生状況を比較した。

供試体（２）の場合、荷重と変位のみを測定した。またすべての供試体において、載荷点直下での変位を計測した。

荷重−たわみ挙動の比較
図７は、各種供試体の荷重−たわみ線図である。まず供試体（１）と無補強の供試体（３）について見ると、荷重に対するたわみ量は同程度である。次に高弾性ＣＦプレート（Ｈタイプ）補強した供試体（２）の荷重−たわみ線図を検討する。この供試体では、デッキとＵリブとの縦方向溶接部が溶接されておらず（仮付け溶接のみ）、両者がＣＦプレートと接着剤のみで接合されている。図７によれば、荷重−たわみ線図の傾きについてみると、無補強の供試体（１）と比べて傾きが大きいことから、ＣＦ補強により溶接部の剛性が増加していると考えることができる。

さらに、厚さ３ｍｍのＣＦプレート（高強度ＳタイプＣＦプレート）で補強した供試体（３）の荷重−たわみ線図について考察する。この供試体の溶接部脚長は４ｍｍであり、溶接不足を想定している。表２に示す通り、供試体（３）に用いたＣＦプレートの剛性（引張弾性率と断面積の積）は、供試体（２）で使用したＣＦプレートの概ね４０％である。しかしながら図７によれば、供試体（３）の荷重−たわみ線図の勾配は供試体（２）と同等である。このことから、剛性が低いＣＦプレート（引張弾性率：１．５２×１０^５ Ｎ／ｍｍ^２）を用いて補強した場合でも、溶接部剛性を改善できるという知見を得た。

荷重とリブ鋼材ひずみの関係
床版の設計法は、許容応力度法が用いられており、鋼材ひずみ７５０×１０^-6（７５０με）（Ａ）が基準となり、要求荷重を加えた場合に、鋼材に発生するひずみが（Ａ）の値を超えないように設計される。

図８は、供試体（１）の荷重−ひずみ線図である。無補強の場合、負荷荷重が概ね１．２ｋＮのときに溶接部付近（３０ｍｍ位置）のひずみが上記（Ａ）となっている。このことから、１．２ｋＮまでの範囲で補強効果、すなわち、
（ｉ）ＣＦプレートの破壊が起こらずに、荷重を伝達している
（ii）ＣＦプレートの貼り付けによって、Ｕリブ部における発生応力を低減することができる
が確認されれば、補強効果があると考えられる。

そこで供試体（３）の荷重−ひずみ挙動について検討する。図９は、ＣＦプレートの補強前後におけるＵリブ鋼材のひずみを比較したものである。これらのひずみは、溶接部より３０ｍｍの箇所に貼り付けたひずみゲージによる測定値である。例えば、荷重１ｋＮにおける発生ひずみに着目すると、ＣＦプレート補強のない場合、概ね６００μεのひずみが生じている。これに対して、ＣＦプレートを貼り付けた後のひずみは、約１００μεであり、ＣＦプレート補強により、Ｕリブ鋼材に生じるひずみが８３％低減できることが確認された。

図１０はＣＦプレート補強後の供試体（３）において、溶接部より３０ｍｍ箇所でのＵリブ鋼材、およびＣＦプレートひずみを比較したものである。荷重１ｋＮにおける発生ひずみについてみると、Ｕリブ鋼材ひずみが概ね１００με、ＣＦプレートひずみでは約２２０μεであり、ＣＦプレートのほうがＵリブ鋼材の約２倍変形することが示される。

以上の結果は、デッキとＵリブの溶接部をＣＦプレートを用いて補強することにより、Ｕリブ鋼材に発生する応力を８０％以上低減することが可能である、すなわち輪荷重の繰り返し載荷により発生する溶接部橋軸方向の疲労亀裂の進展を抑制できる可能性を示唆する。

以上の結果から、疲労亀裂を有する溶接部をＣＦ部材で補強した場合、ＣＦ補強部材が荷重を伝達するとともに、無補強の供試体と比べて溶接部の剛性を高めることが可能である。

ＣＦプレートを貼り付けることにより、Ｕリブ鋼材に発生する応力を低減できることを確認した。剛性が低いＣＦプレート（引張弾性率：１．５２×１０^５ Ｎ／ｍｍ^２）を用いて補強した場合でも、Ｕリブ鋼材に生じるひずみを８０％以上低減できる、すなわち溶接部における疲労亀裂の発生を防止し、また、亀裂の進展を抑制できる可能性が示唆された。

Ｕリブに生じる曲げモーメントの概要図 本発明の補強方法を説明する概略断面図 本発明で使用するＣＦプレートの一部破断斜視図 本発明のＣＦプレートの接着方法を説明する図 実施例で使用したＵリブ鋼床版のモデル化の考え方を示す図 実施例で使用したＵリブ鋼床版モデルの側面図（ａ）及び展開図（ｂ） 各種供試体の荷重−たわみ線図 供試体（１）における荷重−ひずみ線図 供試体（３）における荷重−Ｕリブひずみ線図 供試体（３）における荷重−ひずみ線図

符号の説明

１ デッキ
２ Ｕリブ
３ 溶接部
４ ＣＦプレート
１１ 鋼床版モデル
１１ａ リブ鋼材
１１ｂ デッキ鋼材
１２ ＣＦプレート
１３ 載荷板
１４ ひずみゲージ
１５ ダイヤルゲージ

Claims (3)

1. 鋼製デッキプレート下面にＵリブを備えた鋼床版の補強工法であって、デッキプレートとＵリブとの溶接部を中心として、略Ｌ字状の炭素繊維樹脂プレートをデッキプレート下面からＵリブ側面にかけて接着剤にて貼り付けることを特徴とする鋼床版の補強工法。
2. 前記略Ｌ字状の炭素繊維樹脂プレートは、溶接部方向と直行する方向に炭素繊維を一方向配向したシートを含む複数層のシートを貼り合わせ、樹脂含浸して成型硬化したものであることを特徴とする請求項１に記載の鋼床版の補強工法。
3. 前記略Ｌ字状の炭素繊維樹脂プレートは、前記溶接部と当接する屈曲部から端部までそれぞれ２０ｍｍ以上の長さを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼床版の補強工法。
   

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