JP2007332588A - U-rib steel floor slab - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、鋼製の橋梁に用いられ、床板(デッキプレート)の下面にUリブを溶接してなるUリブ鋼床版に関するものである。 The present invention relates to a U-rib steel slab used for a steel bridge and formed by welding a U-rib to the lower surface of a floor plate (deck plate).
橋梁鋼床版構造は、図6に一例を示すように、橋桁(主桁1と横桁2)の上部に鋼床版10を設置した構造となっている。そして、鋼床版10には、鋼板による床板(デッキプレート)11の下面にU型の縦リブ(Uリブ)12を溶接した閉断面縦リブ構造(Uリブ鋼床版構造)を採用することが主流となっている。これは、比較的剛性が高く施工が簡便であるからである。なお、図6中の31は横リブ、32は舗装である。
The bridge steel slab structure has a structure in which a
しかし、近年、上記のようなUリブ鋼床版10において、図7に示すような、デッキプレート11を貫通する亀裂(以下、デッキ貫通亀裂)が発見されている。このデッキ貫通亀裂は、現地調査やコア抜き調査、UT試験などから、デッキプレート11とUリブ12との間の未溶着部を起点とした疲労亀裂であることが明らかになっている。
However, in recent years, cracks penetrating the deck plate 11 (hereinafter referred to as deck penetration cracks) as shown in FIG. 7 have been discovered in the
このような鋼床版のデッキ貫通亀裂に対しては、特許文献1に、疲労亀裂の発生あるいは進展を抑制する鋼材を用いることで耐久性を高める技術が開示されているが、これだけでは充分とはいえず、より効果のある技術が望まれている。 For such deck deck cracks in steel decks, Patent Document 1 discloses a technique for improving durability by using a steel material that suppresses the occurrence or progress of fatigue cracks, but this alone is sufficient. However, more effective technology is desired.
なお、後述の[課題を解決するための手段]および[発明を実施するための最良の形態]において、下記の非特許文献1、2を引用するので、ここに記載しておく。
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、床板(デッキプレート)の下面にUリブを溶接してなるUリブ鋼床版において、デッキプレートを貫通するデッキ貫通亀裂の発生を的確に防止することができるUリブ鋼床版を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and in a U-rib steel slab formed by welding a U-rib to the lower surface of a floor plate (deck plate), the occurrence of a deck penetration crack that penetrates the deck plate. An object of the present invention is to provide a U-rib steel slab that can be accurately prevented.
本発明者らは、Uリブ鋼床版におけるデッキ貫通亀裂の発生を防止するためには、疲労亀裂の発生そのものを抑制することが重要であると考え、疲労亀裂の発生メカニズムの検討を行なった。その結果、疲労亀裂は以下のようなメカニズムで発生することを解明した。 The present inventors considered that it is important to suppress the occurrence of fatigue cracks in order to prevent the occurrence of deck through cracks in U-rib steel slabs, and studied the mechanism of fatigue crack occurrence. . As a result, it was clarified that fatigue cracks occur by the following mechanism.
図4はUリブ鋼床版の製作工程を示すものである。図4(a)に示すように、鋼板の幅中央部分に対してその両側部分を直角手前まで曲げる板曲げ加工によって成型したUリブ12を用いて、図4(b)に示すように、鋼板の幅端部(すなわち、Uリブ12の先端部)が矩形断面であることから、デッキプレート11とUリブ12で形成される閉断面空間の外側に開いた自然開先16がデッキプレート11の下面とUリブ12の先端面との間で形成されることを利用して、その自然開先16のままで、閉断面空間の外側から溶接機19によってデッキプレート11にUリブ12を溶接する方法が一般的である。その際、非特許文献1として示した道路橋示方書などに従い設計した場合、図4(c)に示すように、溶接部は、Uリブ板厚の75%以上の溶け込み(溶接金属20)を確保して溶接を行なうが、数mm〜数十mm程度の未溶着部17が残る。その未溶着部17は溶接熱収縮によりデッキプレート11の下面に押付けられて圧着した状態になる。
FIG. 4 shows the manufacturing process of the U-rib steel slab. As shown in FIG. 4 (a), as shown in FIG. 4 (b), a steel plate is formed by using a
そして、図5(a)に示すように、そのUリブ鋼床版上を車両が通過した場合、車両の輪荷重33によって、図5(b)に示すように、未溶着部先端部17aにおいて、Uリブ12とデッキプレート11の接合面方向に降伏応力程度の圧縮応力が発生し、デッキプレートの未溶着部17周辺の熱収縮効果による降伏応力程度の引張残留応力と前記輪荷重33による未溶着部先端17aへの応力集中により、Uリブ12とデッキプレート11の接合面に対する直角方向では降伏応力程度の引張応力の繰り返しとなり、それによって疲労亀裂50が発生し、その疲労亀裂50がデッキプレート上面方向に進展していく。
Then, as shown in FIG. 5 (a), when the vehicle passes over the U-rib steel slab, as shown in FIG. 5 (b) due to the wheel load 33 of the vehicle, , A compressive stress of about the yield stress is generated in the joint surface direction between the
以上が、発明者らが解明したUリブ鋼床版における疲労亀裂の発生メカニズムであり、その発生メカニズムに基づいて、疲労亀裂の発生を抑制する方法についてさらに検討を行なった。 The above is the mechanism of occurrence of fatigue cracks in the U-rib steel slab, which has been elucidated by the inventors. Based on the mechanism of occurrence, the inventors further investigated a method for suppressing the occurrence of fatigue cracks.
その結果、疲労亀裂の発生を抑制するためには、Uリブ12の先端部の内面側(デッキプレート11とUリブ12で形成される閉断面空間の内部側)に開先を設けることによって、溶接熱収縮で発生するデッキプレート11の拘束応力が発生しにくい構造とすればよいことを見出した。すなわち、Uリブ12の先端部の内面側に開先を設けることによって、図4(c)に示したような、未溶着部17におけるUリブ12とデッキプレート11との接触(圧縮変形)が無くなり、デッキプレート11に付加される引張残留応力が小さくなるとともに、未溶着部17そのものがほとんど無くなり、形状的な応力集中が低減されるからである。それによって、デッキプレート11とUリブ12との間の未溶着部17を起点とした疲労亀裂50の発生を抑制することができる。
As a result, in order to suppress the occurrence of fatigue cracks, by providing a groove on the inner surface side of the tip of the U rib 12 (inside the closed cross-sectional space formed by the
その上で、デッキプレート11やUリブ12に疲労耐久性の高い(疲労亀裂伝播速度の低い)鋼材(以下、耐疲労鋼)を用いるようにすれば、万一疲労亀裂が発生した場合でも、疲労亀裂の進展を抑えて、疲労亀裂がデッキプレート11を貫通する(すなわち、デッキ貫通亀裂が発生する)ことを防止できる。
On top of that, if a steel material (hereinafter referred to as fatigue resistant steel) with high fatigue durability (low fatigue crack propagation rate) is used for the
上記のような考え方に基づいて、本発明は以下の特徴を備えている。 Based on the above concept, the present invention has the following features.
[1]デッキプレートの下面にUリブを溶接してなるUリブ鋼床版において、Uリブの先端部の内面側に開先を設けて溶接したことを特徴とするUリブ鋼床版。 [1] A U-rib steel slab formed by welding a U-rib to the lower surface of a deck plate, wherein a groove is provided on the inner surface of the tip of the U-rib and welded.
[2]初層溶接に、裏波が良好な溶接方法を用いたことを特徴とする前記[1]に記載のUリブ鋼床版。 [2] The U-rib steel slab according to [1], wherein a welding method with a good back wave is used for the first layer welding.
[3]デッキプレートまたは/およびUリブに疲労亀裂伝播速度の低い鋼材を用いたことを特徴とする前記[1]または[2]に記載のUリブ鋼床版。 [3] The U-rib steel slab according to [1] or [2], wherein a steel material having a low fatigue crack propagation rate is used for the deck plate and / or the U-rib.
本発明においては、デッキプレートを貫通するデッキ貫通亀裂の発生を的確に防止することができる。その結果、従来の構造と比べて低価格で高寿命のUリブ鋼床版を提供することができるとともに、交通障害等のトラブルを引き起こすことを回避することができる。 In the present invention, it is possible to accurately prevent the occurrence of a deck penetration crack that penetrates the deck plate. As a result, it is possible to provide a U-rib steel slab that is lower in price and has a longer life than the conventional structure, and it is possible to avoid troubles such as traffic obstacles.
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、この実施形態におけるUリブ鋼床版の製作工程を示すものである。なお、ここでは、デッキプレート11とUリブ12として、疲労亀裂伝播速度の低い鋼材(耐疲労鋼)を使用したデッキプレート11aとUリブ12aを用いている。
FIG. 1 shows a manufacturing process of a U-rib steel slab in this embodiment. Here, as the
まず、鋼板の幅中央部分に対してその両側部分を直角手前まで曲げる板曲げ加工によって成型したUリブ12aを用いて、図1(a)に示すように、デッキプレート11aとUリブ12aで形成される閉断面空間の外側に開いた自然開先16がデッキプレート11aの下面とUリブ12aの先端面との間で形成されることを利用して、閉断面空間の外側から溶接機19によってデッキプレート11aにUリブ12aを溶接する。 First, as shown in FIG. 1 (a), a deck plate 11a and a U-rib 12a are formed using a U-rib 12a formed by bending a side portion of the steel plate to a right-angle front side with respect to the width center portion of the steel plate. By using the fact that the natural groove 16 opened outside the closed cross-sectional space is formed between the lower surface of the deck plate 11a and the front end surface of the U rib 12a, the welder 19 from the outside of the closed cross-sectional space is used. The U rib 12a is welded to the deck plate 11a.
その際、この実施形態においては、予め、Uリブ12aの先端部の内面側(デッキプレート11aとUリブ12aで形成される閉断面空間の内部側)に、所定の寸法の開先13を設けるようにしている。 At this time, in this embodiment, a groove 13 having a predetermined dimension is provided in advance on the inner surface side (the inner side of the closed cross-sectional space formed by the deck plate 11a and the U rib 12a) of the tip portion of the U rib 12a. I am doing so.
そして、図1(b)に示すように、初層21にはTIG溶接を用い、二層目以降はMAG溶接やSAW溶接等を用いており、それによって溶接金属20が形成されている。
As shown in FIG. 1 (b), TIG welding is used for the first layer 21, and MAG welding, SAW welding, or the like is used for the second and subsequent layers, whereby the
上記のようにして製作されたUリブ鋼床版においては、Uリブ12aの先端部の内面側に開先を設けることによって、未溶着部が無くなる。これによって、図4(c)に示すような、溶接金属の収縮による未溶着部におけるUリブとデッキプレートの圧着が無くなり、溶接金属の収縮がデッキプレート11aとUリブ12aとの変形により吸収され、引張残留応力が小さくなるとともに、未溶着部そのものが無くなり、形状的な応力集中も低減される。その結果、デッキプレートとUリブとの間の未溶着部を起点とした疲労亀裂の発生が抑制される。 In the U-rib steel slab manufactured as described above, an unwelded portion is eliminated by providing a groove on the inner surface side of the tip portion of the U-rib 12a. As a result, as shown in FIG. 4C, the U-rib and the deck plate are not crimped at the unwelded portion due to the shrinkage of the weld metal, and the shrinkage of the weld metal is absorbed by the deformation of the deck plate 11a and the U-rib 12a. The tensile residual stress is reduced, the unwelded portion itself is eliminated, and the shape stress concentration is also reduced. As a result, the occurrence of fatigue cracks starting from the unwelded portion between the deck plate and the U rib is suppressed.
さらに、初層溶接として、TIG溶接やフラックスコードワイヤーを用いたMAG溶接などのビード欠陥が少なく裏波形状が良好な溶接方法を採用することで、より一層疲労亀裂の発生が抑制される。 Furthermore, as the first layer welding, the occurrence of fatigue cracks is further suppressed by adopting a welding method that has few bead defects such as TIG welding or MAG welding using a flux cord wire and has a good back wave shape.
ただし、上記のようなUリブ鋼床版においても、図2(a)に示すように、初層(裏波溶接)21とデッキプレート11の付け根部またはUリブ12との付け根部が応力集中部14となる。その際、デッキプレート11とUリブ12に普通鋼を使用したデッキプレート11bとUリブ12bを用いると、万一応力集中部14を起点とした疲労亀裂50が発生した場合に、その疲労亀裂が進展して、デッキ貫通亀裂やUリブ貫通亀裂の発生する可能性がある。
However, even in the U-rib steel slab as described above, as shown in FIG. 2 (a), stress concentration occurs at the base of the first layer (back wave welding) 21 and the base of the
そこで、図2(b)に示すように、耐疲労鋼を使用したデッキプレート11aとUリブ12aを用いることで、万一応力集中部14を起点とした疲労亀裂50が発生した場合でも、その疲労亀裂の進展を抑えて、デッキ貫通亀裂やUリブ貫通亀裂の発生を防止することができる。
Therefore, as shown in FIG. 2 (b), even when a
なお、ここで、耐疲労鋼とは、例えば、非特許文献2に記載のAFD(anti-fatigue damage)鋼(登録商標:JFEスチール社製)などを示す。 Here, the fatigue-resistant steel refers to, for example, AFD (anti-fatigue damage) steel (registered trademark: manufactured by JFE Steel) described in Non-Patent Document 2.
デッキプレートに耐疲労鋼を使用した場合の効果を確認するために、表1に示す化学組成と表2に示すミクロ組織を有する普通鋼と耐疲労鋼について、デッキプレート11の厚さを12mm、繰り返し応力範囲を134MPaとし、上記応力集中部14から、デッキプレート11内に深さ2mm、長さ10mmの半楕円状の疲労亀裂が発生した場合の亀裂伝播速度を評価した。
In order to confirm the effect of using fatigue resistant steel for the deck plate, the thickness of the
その結果、図3に示す、通常使用されている普通鋼板の亀裂伝播速度式(1)式と、耐疲労鋼板の亀裂伝播速度式(2)式が得られた。 As a result, the normally used crack propagation rate equation (1) of the normal steel plate and the crack propagation rate equation (2) of the fatigue resistant steel plate shown in FIG. 3 were obtained.
da/dN = 8.04×10-12 (ΔK)3.09 : 普通鋼 (1)
da/dN = 4.02×10-12 (ΔK)3.09 : 耐疲労鋼 (2)
ここで、da/dNは亀裂伝播速度(m/cycle)、ΔKは応力拡大係数範囲(MPa・m1/2)である。
da / dN = 8.04 × 10 -12 (ΔK) 3.09 : Normal steel (1)
da / dN = 4.02 × 10 -12 (ΔK) 3.09 : Fatigue resistant steel (2)
Here, da / dN is the crack propagation rate (m / cycle), and ΔK is the stress intensity factor range (MPa · m 1/2 ).
以上の条件で、日本溶接協会規格WES2805に基づいた疲労亀裂伝播解析を行なうと、上記の疲労亀裂が板厚の80%まで進展するのに要する繰り返し数は、普通鋼板で264,650回、耐疲労鋼板で529,300回となり、耐疲労鋼を用いることで、普通鋼を用いた場合の2倍の疲労亀裂進展寿命を得ることができ、亀裂のデッキプレート貫通を遅延することが可能となる。 Under the above conditions, the fatigue crack propagation analysis based on the Japan Welding Association standard WES2805, the number of repetitions required for the above-mentioned fatigue crack to grow to 80% of the plate thickness is 264,650 times for normal steel plate, fatigue resistant steel plate 529,300 times, and by using fatigue resistant steel, it is possible to obtain a fatigue crack growth life twice that of using ordinary steel and to delay the crack penetration through the deck plate.
同様に、応力集中部14からUリブ12に疲労亀裂が発生した場合にも、Uリブ12に耐疲労鋼を用いることにより、普通鋼を用いた場合の2倍の疲労亀裂進展寿命を得ることができ、亀裂のUリブ貫通を遅延することが可能となる。
Similarly, even when a fatigue crack occurs in the
なお、場合によっては、応力集中部14の応力状態に基づいて、デッキプレート11かUリブ12のいずれか一方に耐疲労鋼を用いるようにしてもよい。
In some cases, fatigue resistant steel may be used for either the
また、通過する車両の輪荷重分布に基づいて、デッキプレート11の一部分や複数のUリブ12の一部に耐疲労鋼を用いるようにしてもよい。
Further, fatigue resistant steel may be used for a part of the
このようして、この実施形態においては、デッキプレートを貫通するデッキ貫通亀裂やUリブを貫通するUリブ貫通亀裂の発生を的確に防止することができる。その結果、従来の構造と比べて低価格で高寿命のUリブ鋼床版を提供することができるとともに、交通障害等のトラブルを引き起こすことを回避することができる。 Thus, in this embodiment, it is possible to accurately prevent the occurrence of a deck penetration crack that penetrates the deck plate and a U rib penetration crack that penetrates the U rib. As a result, it is possible to provide a U-rib steel slab that is lower in price and has a longer life than the conventional structure, and it is possible to avoid troubles such as traffic obstacles.
1 主桁
2 横桁
10 Uリブ鋼床版
11 デッキプレート
11a 耐疲労鋼のデッキプレート
11b 普通鋼のデッキプレート
12 Uリブ
12a 耐疲労鋼のUリブ
12b 普通鋼のUリブ
13 開先
14 応力集中部
16 自然開先
17 未溶着部
17a 未溶着部先端部
19 溶接機
20 溶接金属
21 初層
22 二層目以降
31 横リブ
32 舗装
33 輪荷重
50 疲労亀裂
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