JP2012184575A - 鋼構造物の補修方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼構造物の耐水性を高めるとともに、剛性を効果的に向上させることができる鋼構造物の補修方法を提供する。
【解決手段】鋼構造物の補修方法は、鋼材で形成された構造物１００の表面に、ポリマーセメント比が１０重量％以上のゴム系ポリマーモルタルを吹き付けモルタル層１０を形成する。モルタル層１０の厚さが、構造物１００の厚さとせん断弾性係数との積を、モルタル層１０のせん断弾性係数で除した値にほぼ等しく設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼構造物において劣化した部分を補修する鋼構造物の補修方法に関する。

橋梁などの鋼材で形成された構造物（以下、「鋼構造物」とも称する。）は、腐食や繰り返し荷重などで劣化することがある。従来、この劣化対策のため、様々な補修方法が検討されている。
たとえば、鋼構造物の劣化した表面をケレン処理し、この表面に当て板を配設し、当て板を高力ボルトなどで鋼構造物に取り付ける方法がある。高力ボルトを取り付ける数は、鋼構造物に作用する応力に応じて決定される。
しかし、この補修方法は、一般的に狭隘な作業空間で行われるうえに、高力ボルト用の孔開け作業が煩雑であり、孔を開けることによる鋼構造物の剛性の低下を検討する必要がある。このため、充分な品質管理ができず補修コストもかかっており、補修後数年以内で補修した鋼構造物の部分から錆が生じることがあった。
上記の問題を解決するために、特許文献１に記載された補修方法が提案されている。

この補修方法では、鋼桁（鋼構造物）の補修部位に複数のスタッドを設けるとともに、このスタッドを利用して鉄筋を固定し、補修部位および鉄筋を囲むように型枠を取り付け、型枠内にコンクリートを充填する。コンクリートが固化してコンクリート層となった後で、型枠を取り外す。
鋼桁をこのように補修することで、鋼桁の耐荷力を向上させる補強を容易に行うことができるという。

特開２００２−２６６３１９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された補修方法では、鉄筋コンクリート層を通して水が染み込んで鋼桁が腐食する恐れがある。さらに、鋼桁とコンクリート層との接続強度が比較的小さいために、鋼桁の剛性が向上しにくいという問題もある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、鋼構造物の耐水性を高めるとともに、剛性を効果的に向上させることができる鋼構造物の補修方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の鋼構造物の補修方法は、鋼材で形成された構造物の表面に、ポリマーセメント比が１０重量％以上のゴム系ポリマーモルタルを吹き付けモルタル層を形成することを特徴としている。
この発明によれば、モルタル層は、ゴム系のポリマーを含有しているため透水性が低くなっているとともに、モルタルを含有しているため一定以上の剛性を備えている。

また、上記の鋼構造物の補修方法において、前記モルタル層の厚さが、前記構造物の厚さとせん断弾性係数との積を、前記モルタル層のせん断弾性係数で除した値にほぼ等しく設定されていることがより好ましい。この場合、構造物およびモルタル層のせん断力に対する剛性がほぼ等しくなる。
また、上記の鋼構造物の補修方法において、前記構造物の表面上に引張り材を配してから前記ゴム系ポリマーモルタルを吹き付けてモルタル層を形成することで、前記モルタル層中に前記引張り材を埋設することがより好ましい。
また、上記の鋼構造物の補修方法において、前記モルタル層上に鉄筋コンクリート層を設けることがより好ましい。

本発明において、請求項１に記載の鋼構造物の補修方法によれば、ゴム系のポリマーにより構造物の耐水性を高めるとともに、モルタルと構造物との接続強度が大きいことで構造物の剛性を効果的に向上させることができる。
請求項２に記載の鋼構造物の補修方法によれば、構造物およびモルタル層のせん断力に対する剛性をほぼ均等にすることで、構造物のせん断力に対する剛性をより効果的に高めることができる。
請求項３に記載の鋼構造物の補修方法によれば、モルタル層の引張り強度を補強することができる。
請求項４に記載の鋼構造物の補修方法によれば、せん断方向の接続強度は、モルタル層と構造物との間より、モルタル層とコンクリート層との間の方が大きいため、構造物の剛性をさらに高めることができる。

本発明の第１実施形態の鋼構造物の補修方法が用いられた橋梁の要部斜視図である。 図１中の切断線Ａ１−Ａ１の断面図である。 本発明の第２実施形態の鋼構造物の補修方法が用いられた橋梁の要部断面図である。 本発明の第２実施形態の変形例における鋼構造物の補修方法を説明する断面図である。 スタッドが取り付けられた角型鋼管とコンクリート層との接続強度を説明するための断面図である。 図５中の切断線Ａ２−Ａ２の断面図である。 角型鋼管とコンクリート層との接続強度を説明するための断面図である。 角型鋼管とコンクリート層とをモルタル層を介在させて接続した接続強度を説明するための断面図である。 図８中の切断線Ａ３−Ａ３の断面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る鋼構造物の補修方法（以下、単に「補修方法」とも称する。）の第１実施形態を、図１および図２を参照しながら説明する。以下では、鋼構造物が橋梁である場合を例にとって説明する。
図１に示すように、本補修方法が用いられる橋梁１００は鋼材で形成されていて、鉛直方向Ｚに延びる橋脚１１０と、橋脚１１０上に取り付けられた橋桁１２０とを備えている。

橋脚１１０は、橋桁１２０の長手方向である水平方向Ｘに、たとえば数十ｍ間隔で設けられている。
橋桁１２０は、鉛直方向Ｚに略平行に配置され水平方向Ｘに延びるウエブ１２１と、ウエブ１２１の上端および下端に接続されたフランジ１２２、１２３とを有している。ウエブ１２１とフランジ１２２、１２３とで、Ｈ型鋼を構成している。フランジ１２３上には、不図示の床版および舗装が配設され、舗装上を車両や歩行者が通行できるようになっている。
フランジ１２２と１２３との間であって、橋脚１１０の上方には、橋桁１２０を補強するための補強部材１２５が溶接などにより橋桁１２０に取り付けられている。

このような橋梁１００では、腐食は主に、橋桁１２０における橋脚１１０の上方に設けられた部分で生じていることが発明者の長年にわたる研究により分かっている。以下では、橋脚１１０の上方に位置するウエブ１２１の側面、フランジ１２３の上面、および補強部材１２５の側面である劣化領域Ｒの補修を行う場合について説明する。
本実施形態の補修方法では、ゴム系ポリマーモルタルとして、たとえば、太平洋マテリアル（株）製のモルタル接着増強剤（ＣＸ−Ｂ）を用いたポリマーセメントであるゴムラテックスモルタルを好適に使用することができる。ゴムラテックスモルタルは、モルタル混練時に水と一緒に混和するモルタル接着増強剤の量を調節することで、ポリマーセメント比（ポリマーセメントにおける、セメント重量に対するポリマー重量の比のこと。以下、「Ｐ／Ｃ」と称する。）を、１０重量％以上に調節している。

ゴムラテックスモルタルは、ポリマーとしてスチレンブタジエン（ＳＢＲ）を混入したモルタルであり、ゴムとモルタルの性能を併せ持っている。すなわち、ゴムラテックスモルタルは、ゴムの性能により摩擦力が強いため鋼材やコンクリートなどへの接続強度が高く、透水性が低い。さらに、ゴムラテックスモルタルは、モルタルの性能により剛性が高い。
なお、ここで言う接続強度とは、ゴムラテックスモルタルの接続面に垂直な方向における強度を意味する。

なお、せん断方向の接続強度は、Ｐ／Ｃが２０重量％程度の場合において、モルタル層１０と鋼材との間で４．５Ｎ／ｍｍ^２（４．５ＭＰａ）、モルタル層１０とコンクリート層との間で４．５Ｎ／ｍｍ^２より充分大きな値となることが試験結果から分かっている。

本実施形態の補修方法は、橋梁１００の劣化領域Ｒにゴムラテックスモルタルを吹き付ける吹き付け工程を有する。
なお、吹き付け工程を行う前に、劣化領域Ｒの表面をケレン処理（２種ケレン以上が好ましい。）してもよい。
吹き付け工程では、図２に示すように、劣化領域Ｒの表面にゴム系ポリマーモルタルを吹き付けて、モルタル層１０を形成する。
吹き付け工程で行うゴムラテックスモルタルの吹き付けには、たとえば、ノズルから圧縮空気とともにモルタルを吹き出させる公知の吹き付け機を用いることができる。モルタル層１０の厚さＬ１は、橋桁１２０の厚さＬ２と鋼材のせん断弾性係数との積を、モルタル層１０のせん断弾性係数で除した値にほぼ等しく設定されている。
たとえば、劣化することで減肉した橋桁１２０の厚さＬ２が１．５ｍｍ、鋼材のせん断弾性係数が７７，０００Ｎ／ｍｍ^２、使用したモルタル層１０のせん断弾性係数が８，３００Ｎ／ｍｍ^２の場合には、モルタル層１０の厚さＬ１は（１）式より求めることができる。
１．５×７７，０００／８，３００＝１３．９ｍｍ ・・（１）
以上の工程により、本実施形態の補修方法が終了する。

以上説明したように、本実施形態の鋼構造物の補修方法によれば、Ｐ／Ｃが１０重量％以上のゴム系ポリマーモルタルを固化させたモルタル層１０は、ゴム系のポリマーを含有しているため透水性が低くなっているとともに、モルタルを含有しているため一定以上の剛性を備えている。したがって、ゴム系のポリマーにより橋桁１２０の耐水性を高めて耐久性を向上させるとともに、モルタルと橋桁１２０との接続強度が大きいことで橋桁１２０の剛性を効果的に高めることができる。
また、吹き付けにより施工することで、劣化領域Ｒの表面に多少の凹凸があっても、容易に補修することができる。
前述の特許文献１に記載された補修方法とは異なりスタッドを設ける必要がないため、施工を容易に行うことができる。

モルタル層１０の厚さＬ１を上記のように設定しているため、橋桁１２０のウエブ１２１およびモルタル層１０のせん断力に対する剛性がほぼ等しくなる。ウエブ１２１およびモルタル層１０のせん断力に対する剛性をほぼ均等にすることで、剛性のネックとなる部材がなくなり、橋桁１２０のせん断力に対する剛性をより効果的に高めることができる。

従来は、たとえば、特開２０１０−４７８９６号公報に開示されているように、ゴムラテックスモルタルなどのゴム系ポリマーモルタルは、防音や防水性などのために用いられている。本発明は、このゴム系ポリマーモルタルを鋼構造物の剛性および防水性の向上のために用い、鋼構造物を補修するものである。

なお、Ｐ／Ｃは、モルタル層のモルタルの性能を一定以上確保するために、２０重量％以下とすることが好ましい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３および図４などを参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図３に示すように、本実施形態の補修方法は、前記第１実施形態の補修方法において、吹き付け工程の後に鉄筋コンクリート配設工程を備え、モルタル層１０上に鉄筋コンクリート層２０を設けている。
本補修方法は、前記第１実施形態の補修方法における吹き付け工程までは同一なので説明を省略する。

吹き付け工程に続いて行われる鉄筋コンクリート配設工程では、図２に示す状態から、劣化領域Ｒ近傍の橋桁１２０やモルタル層１０に図３に示す鉄筋２１を固定する。モルタル層１０および鉄筋２１を囲むように不図示の型枠を橋桁１２０に取り付け、橋桁１２０と型枠との間にコンクリートを流し込むことにより、コンクリートが硬化してコンクリート層２２となり、コンクリート層２２と鉄筋２１とにより鉄筋コンクリート層２０が構成される。
以上の工程により、本実施形態の補修方法が終了する。

以上説明したように、本実施形態の鋼構造物の補修方法によれば、吹き付け工程の後に鉄筋コンクリート配設工程を備える。せん断方向の接続強度は、モルタル層１０と橋桁１２０との間より、モルタル層１０とコンクリート層２２との間の方が大きいため、橋桁１２０の剛性をさらに高めることができる。

なお、前述の鉄筋コンクリート配設工程では、鉄筋コンクリート層２０に代えて、鉄筋２１を備えないコンクリート層を設け、コンクリート配設工程としてもよい。
鉄筋を備えなくても、モルタル層１０とコンクリート層とにより本実施形態と同様の接続強度を得られるからである。

また、図４に示すように、吹き付け工程において、橋桁１２０の表面上に炭素繊維（引張り材）３０を配してからゴムラテックスモルタルを吹き付けてモルタル層１０を形成することで、モルタル層１０中に炭素繊維３０を埋設してもよい。炭素繊維３０は、橋桁１２０が引張られる方向に平行に配することが好ましく、メッシュ状に配してもよい。
引張り材としては、引張り強度および耐水性が高い材料を用いることが好ましく、炭素繊維以外にも、ポリ塩化ビニル樹脂の繊維などを好適に用いることができる。
一般的に、モルタル層１０の引張り強度は弱いため、モルタル層１０中に炭素繊維３０を埋設することで、モルタル層１０の引張り強度を補強することができる。

ここで、モルタル層１０との間のせん断方向の接続強度による、必要接着面積の差について試算した結果を説明する。
以下では、ＪＩＳに規定される一般構造用角型鋼管ＳＴＫＲ４００（断面の外形が３００ｍｍ×３００ｍｍの矩形状で、厚さが６ｍｍの鋼材。以下、単に「角型鋼管」とも称する。）が、設計基準強度σ_ｃｋが２５ＭＰａのコンクリート層に埋め込まれた場合で説明する。この状態から、コンクリート層に対して、角型鋼管を角型鋼管の長手方向に引っ張るときの耐荷重を検討する。
まず、第１の参考例として、図５および図６に示すように、角型鋼管２００に多数のスタッド２０１が取り付けられている場合について説明する。この場合、スタッド２０１が取り付けられた角型鋼管２００とコンクリート層２５０とを接続した接続構造となる。
スタッド２０１は、角型鋼管２００におけるコンクリート層２５０に埋め込まれた側の端部２００ａから角型鋼管２００の長手方向Ｄに１００ｍｍ離間した位置から、角型鋼管２００の外周面に８本ずつ、５５ｍｍ置きに設けられている。なお、スタッド２０１のコンクリート層２５０のかぶり厚さを１００ｍｍとする。

角型鋼管２００の許容引張応力σ_ｔａは１４０Ｎ／ｍｍ^２、角型鋼管２００の長手方向Ｄに直交する平面による断面積Ａ_ｓは６９．６３ｃｍ^２なので、角型鋼管２００の許容引張力Ｔ_ａは（２）式より求めることができる。
Ｔ_ａ＝σ_ｔａ×Ａ_ｓ×１００＝９７４，８２０Ｎ ・・（２）
スタッド２０１の軸径ｄを２２ｍｍとすると、スタッド２０１の許容耐力Ｑ_ａは（３）式より求めることができる。
Ｑ_ａ＝９．４×ｄ^２×√σ_ｃｋ＝２２，７４８Ｎ ・・（３）
角型鋼管２００をコンクリート層２５０に定着させるために必要なスタッド２０１の本数Ｎ_ａは、スタッド２０１が長手方向Ｄに８本ずつ設けられていること、および（４）、（５）式より、５．３６より大きい自然数で６列、すなわち４８本となる。
Ｔ_ａ／Ｑ_ａ＝４２．８５３ ・・（４）
４２．８５３／８＝５．３６ ・・（５）
よって、定着に必要な角型鋼管２００の長さＬ６は、（６）式より求められる。
Ｌ６＝１００＋５５×（６−１）＋１００＝４７５ｍｍ ・・（６）

続いて、第２の参考例として、図７に示すように、上記第１の参考例の角型鋼管２００において、スタッド２０１を備えない場合について説明する。この場合、角型鋼管２００とコンクリート層２５０とを接続した接続構造となる。
コンクリート層２５０と角型鋼管２００との間のせん断方向の接続強度τ_ｕは０．９Ｎ／ｍｍ^２となるため、安全率γ_ａを３とすると、角型鋼管２００の外周長さＬ_ｒと、定着に必要な角型鋼管２００の長さＬ７は、（７）、（８）式よりそれぞれ求められる。
Ｌ_ｒ＝３００×４＝１，２００ｍｍ ・・（７）
Ｌ７＝Ｔ_ａ×γ_ａ／（Ｌ_ｒ×τ_ｕ）＝２，７０８ｍｍ ・・（８）

次に、前述の実施形態を説明するための例として、上記第２の参考例の角型鋼管２００において、角型鋼管２００の外周面にモルタル層１０を設けた場合について図８および図９を用いて説明する。この場合、角型鋼管２００とコンクリート層２５０とを、角型鋼管２００とコンクリート層２５０との間にモルタル層１０を介在させて接続した接続構造となる。
モルタル層１０と角型鋼管２００との間のせん断方向の接続強度τ_ｕは４．５Ｎ／ｍｍ^２、モルタル層１０とコンクリート層２５０との間のせん断方向の接続強度は４．５Ｎ／ｍｍ^２より充分大きな値となる。
この場合、定着に必要な角型鋼管２００の長さＬ８は、（９）式より求められる。
Ｌ８＝Ｔ_ａ×γ_ａ／（Ｌ_ｒ×τ_ｕ）＝５４２ｍｍ ・・（９）

以上の試算結果から、角型鋼管２００にスタッド２０１を取り付けた場合と、角型鋼管２００の外周面にモルタル層１０を設けた場合との定着に必要な長さ、すなわち、長さＬ６と長さＬ８は同程度となることが分かった。
このように、角型鋼管２００とコンクリート層２５０とのせん断方向の接続強度は、スタッド２０１やモルタル層１０を用いることで同程度に高められる。

前述の特許文献１では鋼桁とコンクリート層とを接続した接続構造となっているが、鋼桁とコンクリート層とのせん断方向の接続強度は一般的に小さく、このため、鋼桁の剛性が高くなりにくいという問題がある。

このように、角型鋼管２００とコンクリート層２５０とを、両部材の間にモルタル層１０を介在させて接続した接続構造とすることで、角型鋼管２００とコンクリート層２５０との接続強度を、スタッド２０１を用いた機械的な接続強度程度に高めることができる。
また、モルタル層１０は、透水性が低く引張り強度が高いため、角型鋼管２００とコンクリート層２５０との接続面を防食することができる。

以上、本発明の第１実施形態および第２実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更なども含まれる。さらに、各実施形態で示した構成のそれぞれを適宜組み合わせて利用できることは、言うまでもない。
たとえば、前記第１実施形態および第２実施形態では、予め劣化領域Ｒ上に金網を張っておき、この金網を覆うようにゴムラテックスモルタルを吹き付けてもよい。このような補修方法とすることで、モルタル層１０が劣化領域Ｒに付着する強度を高めることができる。
前記第１実施形態および第２実施形態では、構造物が橋梁である場合を例にとって説明した。しかし、鋼構造物は橋梁に限ることなく、建築物や堤防などでもよい。

１０ モルタル層
２０ 鉄筋コンクリート層
３０ 炭素繊維（引張り材）
１００ 橋梁（構造物）

Claims (4)

1. 鋼材で形成された構造物の表面に、ポリマーセメント比が１０重量％以上のゴム系ポリマーモルタルを吹き付けモルタル層を形成することを特徴とする鋼構造物の補修方法。
2. 前記モルタル層の厚さが、前記構造物の厚さとせん断弾性係数との積を、前記モルタル層のせん断弾性係数で除した値にほぼ等しく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の鋼構造物の補修方法。
3. 前記構造物の表面上に引張り材を配してから前記ゴム系ポリマーモルタルを吹き付けてモルタル層を形成することで、前記モルタル層中に前記引張り材を埋設することを特徴とする請求項１または２に記載の鋼構造物の補修方法。
4. 前記モルタル層上に鉄筋コンクリート層を設けることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の鋼構造物の補修方法。

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