JP2016186209A - 炭素繊維強化プラスチック線材シート及び鋼構造物の補強方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼構造物を有効に補強すると共に、補強した際の補強箇所における疲労亀裂の発生、亀裂の進展などを監視して鋼構造物の局部的な状態の把握を可能とする炭素繊維強化プラスチック線材シート、及び、斯かる炭素繊維強化プラスチック線材シートを使用した鋼構造物の補強方法を提供する。【解決手段】鋼構造物１００の表面に接着剤１０５にて接着して鋼構造物を補強するための炭素繊維強化プラスチック線材シート１であって、炭素繊維ｆにマトリクス樹脂Ｒが含浸され、硬化された連続した炭素繊維強化プラスチック線材２を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、炭素繊維強化プラスチック線材２の中の所定の炭素繊維強化プラスチック線材２は、該線材の両端に端子電極２０が付設されており、該線材の電気抵抗が計測可能とされた炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓである。【選択図】図１

Description

本発明は、鋼橋、鋼建造物における鋼製の桁、梁、更には、機械装置の鋼製部材などのような鋼構造物を補修補強（以後、単に「補強」という。）する際に使用する炭素繊維強化プラスチック線材シートに関し、また、斯かる炭素繊維強化プラスチック線材シートを使用して鋼構造物を補強すると共に、補強した補強箇所における疲労亀裂の発生と進展、又は、鋼部材の腐食劣化の進行、又は、鋼構造物からの補強シートの剥離などを監視し、補強された鋼構造物の補強状態を把握することのできる鋼構造物の補強方法に関するものである。

例えば、鋼橋においては、鋼橋の桁、梁、その他の鋼部材における疲労及び腐食などによる損傷が数多く見受けられる。また、荷重増加に対処するため、鋼部材の補強を必要とする場合も増えている。鋼部材に一旦疲労亀裂が発生すると、徐々に亀裂が進行し、鋼部材が破断に至るおそれもある。

そこで、従来、鋼部材の補強を必要とする場合は、当該個所に鋼板を溶接したり、或いは、ボルトで締結したりして当て板を添接することが行われている。また、亀裂が既に生じている場合には、亀裂の先端にストップホールを形成する方法も採用されている。

しかし、上記当て板を添接するボルト接合、溶接接合のいずれの補強、補修方法も、作業性の点から狭隘部での施工は困難である。また、溶接接合による補強、補修の場合には、溶接熱により補強、補修箇所に再亀裂が発生する恐れがある。更に、ストップホールによる亀裂抑制は、亀裂先端の応力集中を緩和させているに過ぎず、応急の補修工法であり、その後において本格的な補強、補修を行う必要がある。

上記従来工法の問題を解決するために、特許文献１には、亀裂が発生した鋼部材の箇所に炭素繊維強化樹脂板（ＣＦＲＰ板）を貼付して鋼製構造物の疲労亀裂を補修する方法が開示されている。この方法では、鋼部材の亀裂の進展を抑制することができるが、亀裂の進展を目視により直接確認することはできない。

これに対して、特許文献２には、鋼製部材の亀裂を炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ材）で補修した後、ＣＦＲＰ材の表面に亀裂の進展方向に沿って複数個のひずみゲージを設置し、少なくとも２点間のＣＦＲＰ板表面上のひずみ差をモニタリングして亀裂の進展状況を把握する方法が記載されている。

また、特許文献３には、補強繊維シートを使用してコンクリート構造物を補強するに際して、使用する補強繊維シートに補強繊維糸条の破断伸度の小さい導電性の糸条を５〜５０ｃｍ間隔にて配列しておき、導電性糸条の両端間の電気抵抗を測定することによりコンクリート構造物の劣化状態を診断する方法を開示している。

特開２００６−５７３５２号公報 特開２００９−４７６３９号公報 特開平９−４０４９号公報

しかしながら、上記特許文献２の方法は、補強材表面にひずみゲージを取付けることが必要となり、その作業は煩雑であり、また、コスト高となる。また、上記特許文献３に示すコンクリート構造物の診断方法は、上記特許文献２にも記載されるように、コンクリート構造物のような面的に広がるひび割れの進展をモニタリングすることはできるが、鋼材の疲労亀裂のように開口変位が微小で徐々に進展する欠陥部のモニタリングには適していない。

本発明者らは、土木、建築、機械装置などの鋼構造物における疲労亀裂箇所を、特に、炭素繊維を使用した繊維強化プラスチック製の線材（炭素繊維強化プラスチック線材）を平行に引き揃えて、即ち、１本１本が独立した炭素繊維強化プラスチック線材から構成される補強用繊維シート、所謂、炭素繊維強化プラスチック線材シートを使用して補修、補強し、また、各繊維強化ストランドの両端間の電気抵抗を測定することにより鋼部材の亀裂の発生と亀裂の進展状態を、更には、鋼部材の腐食劣化の進行、又は、鋼構造物からの補強シートの剥離などを監視し、補強された鋼構造物の補強状態を有効に診断し得ることを見出した。

本発明は、斯かる本発明者らによる新規な知見に基づくものである。

本発明の目的は、鋼橋、鋼建造物における鋼製の桁、梁、更には、機械装置の鋼製部材などのような土木、建築、機械装置などの鋼構造物を有効に補強すると共に、補強した際の補強箇所における疲労亀裂の発生、亀裂の進展、鋼部材の腐食劣化の進行、補強シートの剥離などを監視して鋼構造物の補強状態の把握を可能とする炭素繊維強化プラスチック線材シート、及び、斯かる炭素繊維強化プラスチック線材シートを使用した鋼構造物の補強方法を提供することである。

上記目的は本発明に係る炭素繊維強化プラスチック線材シート及び鋼構造物の補強方法にて達成される。要約すれば、第１の本発明によれば、鋼構造物の表面に接着剤にて接着して鋼構造物を補強するための炭素繊維強化プラスチック線材シートであって、
炭素繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した炭素繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、
前記炭素繊維強化プラスチック線材の中の所定の前記炭素繊維強化プラスチック線材は、該線材の両端に端子電極が付設されており、該線材の電気抵抗が計測可能とされた炭素繊維強化プラスチック線材センサである、
ことを特徴とする炭素繊維強化プラスチック線材シートが提供される。

本発明の一実施態様によれば、前記炭素繊維強化プラスチック線材は、直径（ｄ）が０．５〜３ｍｍの略円形断面形状であるか、又は、幅（ｗ）が１〜１０ｍｍ、厚み（ｔ）が０．１〜２ｍｍとされる略矩形断面形状であり、
互いに隣接する前記炭素繊維強化プラスチック線材は、互いに空隙（ｇ）＝０．０５〜３．０ｍｍだけ近接離間して配置されている。

本発明の他の実施態様によれば、隣り合った前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの間には、前記端子電極を有さない炭素繊維強化プラスチック線材が配置されないか、又は、前記端子電極を有さない炭素繊維強化プラスチック線材が１〜１０本の範囲内にて配置される。

本発明の他の実施態様によれば、前記炭素繊維は、ピッチ系又はＰＡＮ系の炭素繊維である。

本発明の他の実施態様によれば、前記マトリクス樹脂は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂とされ、前記熱硬化性樹脂は、常温硬化型若しくは熱硬化型のエポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、アクリル樹脂、ＭＭＡ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、又は、光硬化型樹脂であり、又、前記熱可塑性樹脂は、ナイロン又はビニロンである。

第２の本発明によれば、鋼構造物の表面上に強化繊維を含む繊維シートを一層又は複数層、接着剤にて接着して一体化する鋼構造物の補強方法において、
少なくとも一層の繊維シートは請求項１〜５のいずれかの項に記載の炭素繊維強化プラスチック線材シートであり、
前記炭素繊維強化プラスチック線材シートの前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗を計測することにより、前記補強された鋼構造物の補強状態の検知を行う、
こと特徴とする鋼構造物の補強方法が提供される。

第２の本発明の一実施態様によれば、
前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗値をＲ、初期抵抗値をＲｏとしたとき、下記式で表わされるＲｃｒを電気抵抗変化率とすると、
Ｒｃｒ＝（Ｒ−Ｒｏ）／Ｒｏ
（１）前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗値（Ｒ）を計測し、前記電気抵抗変化率（Ｒｃｒ)が増大している領域が発生したとき、該電気抵抗変化率が増大している領域に対応する前記補強された鋼構造物に亀裂が発生したか、又は、亀裂の進展があったか、又は、鋼構造物に腐食劣化が進行したかのいずれかであると判断し、また、
（２）前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗値（Ｒ）を計測し、前記電気抵抗変化率（Ｒｃｒ)が減少している領域が発生したとき、該電気抵抗変化率が減少している領域にて前記補強された鋼構造物から前記繊維シートの剥離が生じたと判断する。

第２の本発明の他の実施態様によれば、
（１）前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの初期抵抗値（Ｒｏ）から推定電気抵抗増加率αを求め、次に、
（２）前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの初期抵抗理論値（Ｒｏｔｈ）の時の推定電気抵抗増加率βを求め、
（３）実験から得られた前記炭素繊維強化プラスチック線材センサのひずみ−電気抵抗変化率関係をプロットし、ひずみｘｉが発生したときの電気抵抗変化率の値を、前記推定電気抵抗増加率α及び前記推定電気抵抗増加率βに基づき得られる比を用いて、算出し、補正する。

第２の本発明の他の実施態様によれば、前記鋼構造物に接着される、前記炭素繊維強化プラスチック線材シート以外の繊維シートは、強化繊維として、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維などの無機繊維；ボロン繊維、チタン繊維、スチール繊維などの金属繊維；アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維；が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用する。

第２の本発明の他の実施態様によれば、前記炭素繊維強化プラスチック線材シート以外の前記繊維シートは、
少なくともシート軸方向へと一方向に引き揃えた強化繊維を含む強化繊維を互いに線材固定材にて固定した繊維シートであるか、
強化繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、線材を互いに線材固定材にて固定した繊維シートであるか、
強化繊維を一方向に引き揃えた強化繊維シートに樹脂を含浸して、前記樹脂が硬化された樹脂含浸硬化繊維シートであるか、又は、
強化繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、線材を互いに線材固定材にて固定した繊維シートに樹脂を含浸して、前記樹脂が硬化された樹脂含浸硬化繊維シートである。

本発明によれば、鋼橋、鋼建造物における鋼製の桁、梁、更には、機械装置の鋼製部材などのような土木、建築、機械装置などの鋼構造物を有効に補強すると共に、補強した際の補強箇所における疲労亀裂の発生、亀裂の進展、鋼部材の腐食劣化の進行、補強シートの剥離などを監視して鋼構造物の補強状態の検知が可能である。

図１（ａ）は、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック線材シートの一実施例を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、端子電極の一実施例を示す斜視図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、炭素繊維強化プラスチック線材の実施例を示す断面図である。 本発明に係る炭素繊維強化プラスチック線材シートの他の実施例を示す斜視図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック線材シートの他の実施例を示す斜視図である。 本発明に係る鋼構造物の補強方法の一実施例の手順を説明する工程図である。 本発明に係る鋼構造物の補強方法に使用する繊維シートの一実施例を示す斜視図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック線材シートの試験に使用する供試体とひずみゲージの貼付け位置を説明する上面図及び側面図であり、図７(ｃ)は、供試体の断面図であり、炭素繊維強化プラスチック線材センサの位置を説明する。 炭素繊維強化プラスチック線材のひずみ−電気抵抗変化率関係を示す図である。 図９（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック線材シートの試験に使用する供試体とひずみゲージの貼付け位置を説明する上面図及び側面図であり、図９（ｃ）は、試験片の断面図であり、炭素繊維強化プラスチック線材センサの位置を説明する。 炭素繊維強化プラスチック線材センサにおける電気抵抗値を測定する方法の一実施例を説明する図である。 炭素繊維強化プラスチック線材センサの初期抵抗と電気抵抗増加率との関係を示す図である。 図１２（ａ）、（ｂ）は、炭素繊維強化プラスチック線材センサの初期抵抗値の補正を説明するためのひずみ−電気抵抗増加率との関係を示す図である。 図１３（ａ）、（ｂ）は、炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗変化率の補正を説明するための補正前のひずみ−電気抵抗変化率関係を示す図である。 図１４（ａ）、（ｂ）は、炭素繊維強化プラスチック線材センサの初期抵抗値の補正を説明するためのひずみ−電気抵抗変化率との関係を示す図である。 炭素繊維強化プラスチック線材センサの初期抵抗値補正後のひずみ−電気抵抗変化率関係を示す図である。 炭素繊維強化プラスチック線材センサの初期抵抗値補正後のひずみ−電気抵抗変化率関係を示す図である。 図１７（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック線材シートの試験に使用する鋼板を説明する上面図及び側面図（切断側）である。 図１８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック線材シートの試験に使用する試験片を説明する側面図、上面図及び側面図（切断側）である。 本発明に係る炭素繊維強化プラスチック線材シートの試験に使用する試験片の断面図であり、炭素繊維強化プラスチック線材センサの位置を説明する。 炭素繊維強化プラスチック線材シートの荷重−ひずみ関係を示す図である。 図２１（ａ）、（ｂ）は、炭素繊維強化プラスチック線材シートの荷重−電気抵抗変化率関係を示す図である。 炭素繊維強化プラスチック線材シート中央からの距離−電気抵抗変化率−ひずみの関係を示す図である。

以下、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック線材シート及び鋼構造物の補強方法を図面に則して更に詳しく説明する。

実施例１
図１（ａ）、（ｂ）に、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック線材シート（「ストランドシート」と称することもある。）１の一実施例を示す。本発明の炭素繊維強化プラスチック線材シート１は、図５を参照して後述するように、鋼構造物１００を補強するために、鋼構造物１００の表面に接着剤１０５にて接着される。

本実施例にて、炭素繊維強化プラスチック線材シート１は、炭素繊維ｆにマトリクス樹脂Ｒが含浸され、硬化された連続した炭素繊維強化プラスチック線材（「ストランド」と称することもある。）２（図２をも参照）を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃えてシート状に形成された、所謂、強化繊維を含む繊維シートである。

炭素繊維強化プラスチック線材２は、図２にて、直径（ｄ）が０．５〜３ｍｍの略円形断面形状（図２（ａ））であるか、又は、幅（ｗ）が１〜１０ｍｍ、厚み（ｔ）が０．１〜２ｍｍとされる略矩形断面形状（図２（ｂ））とし得る。勿論、必要に応じて、その他の種々の断面形状とすることができる。

特に、本発明によれば、シート状に配列された炭素繊維強化プラスチック線材２の中の所定の炭素繊維強化プラスチック線材２は、該線材２の両端部に端子部材（電極）２０が電気的導通状態にて付設された炭素繊維強化プラスチック線材センサ（「計測ストランド」と称することもある。）２Ｓとされる。炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓは、電極２０を介して電圧が付与されることにより、該線材２の電気抵抗が計測可能とされる。

炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓは、互いに隣り合った炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの間に、通常の炭素繊維強化プラスチック線材２が複数本（例えば、１〜１０本、通常５本以下）配置されるようにして、図１に示す本実施例では３本置きに配置されている。又は、互いに隣り合った炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの間に通常の炭素繊維強化プラスチック線材２を配置することなく配置することもできる。勿論、所定の間隔をおいて炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓを配置する場合において、間隔は一定である必要はなく、所望に応じて異なる間隔にて配置することもできる。更には、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓは、炭素繊維強化プラスチック線材シート１の幅（Ｗ）方向の所定領域（Ｗｓ）にのみ所定間隔にて配置することができ、或いは、この所定領域（Ｗｓ）においては、全ての炭素繊維強化プラスチック線材２を炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓとすることもできる。従って、本発明の炭素繊維強化プラスチック線材シート１を使用することにより、鋼構造物１００の状態変化を監視したい領域（Ｗｓ）に炭素繊維強化プラスチック線材２を炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓとして配置し、電極２０を介して電圧を印加することにより、該線材２（即ち、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓ）の電気抵抗の計測が可能である。

炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓにおける端子電極２０の付設方法は任意とされるが、本実施例によれば、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓとするための炭素繊維強化プラスチック線材２の両端部を他の炭素繊維強化プラスチック線材２よりわずかに突出させ、この突出端部の表面をヤスリがけして、含浸されている表面の樹脂Ｒを除去し、炭素繊維ｆを露出させる。次いで、樹脂Ｒが除去された炭素繊維強化プラスチック線材２の突出端部に電気導線２０ａ、例えば、銅線を巻き付けて取付ける。その後、導線２０ａが巻き付けられた端子部分に導電性接着剤２０ｂを塗布し、硬化させる。

このようにして作製した炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓと、通常の炭素繊維強化プラスチック線材２とを組み合わせ、上述のような所望の間隔配置態様にて一方向に引き揃えて炭素繊維強化プラスチック線材シート１が作製される。このとき、スダレ状に引き揃えられた各炭素繊維強化プラスチック線材２は、互いに空隙（ｇ）＝０．０５〜３．０ｍｍだけ近接離間して配置され、シート状、即ち、炭素繊維強化プラスチック線材シート１とされる。このとき、シート状に並べられた各炭素繊維強化プラスチック線材２は、取扱い性を考慮して、例えば、図１（ａ）に一点鎖線にて示すように、線材固定材３として、例えば、粘着テープ又は接着テープなどとされる可撓性帯材をスダレ状に引き揃えた各炭素繊維強化プラスチック線材２の長手方向に対して垂直方向に、各炭素繊維強化プラスチック線材２の片側面、又は、両面を貼り付けて固定することもできる。可撓性帯材３として、幅（ｗ１）２〜３０ｍｍ程度の、塩化ビニルテープ、紙テープ、布テープ、不織布テープなどの粘着テープ又は接着テープが使用される。これらテープ３を、通常、１０〜１００ｍｍ間隔（Ｐ）で各炭素繊維強化プラスチック線材２の長手方向に対して垂直方向に貼り付ける。

上記説明では、先ず、端子電極２０を備えていない通常の炭素繊維強化プラスチック線材（ストランド）２、及び、端子電極２０を備えた炭素繊維強化プラスチック線材センサ（計測ストランド）２Ｓを作製し、その後、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓ含む複数本の炭素繊維強化プラスチック線材２を一方向に引き揃えてシート状とするものとして説明したが、例えば、図３、図４に示すように、炭素繊維強化プラスチック線材（ストランド）２を一方向にスダレ状に引き揃え、線材固定材３にて固定され、シート状に形成された炭素繊維強化プラスチック線材シート（ストランドシート）１を作製し、図示してはいないが、所定の炭素繊維強化プラスチック線材２に対して後加工により端子電極２０を取付け、炭素繊維強化プラスチック線材センサ（計測ストランド）２Ｓとすることもできる。図３に示す炭素繊維強化プラスチック線材シート１は、例えば、線材固定材３として横糸を使用し、一方向にスダレ状に配列された複数本の炭素繊維強化プラスチック線材２から成るシート形態とされる炭素繊維強化プラスチック線材シート１を、炭素繊維強化プラスチック線材２に対して直交して一定の間隔（Ｐ）にて打ち込み、編み付ける方法を採用している。横糸３の打ち込み間隔（Ｐ）は、特に制限されないが、作製された炭素繊維強化プラスチック線材シート１の取扱い性を考慮して、通常１０〜１００ｍｍ間隔の範囲で選定される。

このとき、横糸３は、例えば直径２〜５０μｍのガラス繊維或いは有機繊維を複数本束ねた糸条とされる。又、有機繊維としては、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用される。

各炭素繊維強化プラスチック線材２をスダレ状に固定する他の方法としては、図４（ａ）に示すように、線材固定材３としてメッシュ状支持体シートを使用することができる。つまり、シート形態を成すスダレ状に引き揃えた複数本の炭素繊維強化プラスチック線材２、即ち、炭素繊維強化プラスチック線材シート１の片側面、又は、両面を、例えば直径２〜５０μｍのガラス繊維或いは有機繊維にて作製したメッシュ状の支持体シート３により支持した構成とすることもできる。

更に、各線材２をスダレ状に固定する他の方法としては、上記図１（ａ）にて説明したと同様に、図４（ｂ）に示すように、線材固定材３として、例えば、粘着テープ又は接着テープなどとされる可撓性帯材を使用することができる。可撓性帯材３は、シート形態を成すスダレ状に引き揃えた各炭素繊維強化プラスチック線材２の長手方向に対して垂直方向に、複数本の炭素繊維強化プラスチック線材２の片側面、又は、両面を貼り付けて固定する。つまり、可撓性帯材３として、幅（ｗ１）２〜３０ｍｍ程度の、塩化ビニルテープ、紙テープ、布テープ、不織布テープなどの粘着テープ又は接着テープが使用される。これらテープ３を、通常、１０〜１００ｍｍ間隔（Ｐ）で各炭素繊維強化プラスチック線材２の長手方向に対して垂直方向に貼り付ける。

更に、可撓性帯材３としては、ナイロン、ＥＶＡ樹脂などの熱可塑性樹脂を帯状に、線材２の長手方向に対して垂直方向に片側面、又は、両面に熱融着させることによっても達成される。

上述の一方向に引き揃えスダレ状とされた炭素繊維強化プラスチック線材シート１においてもまた、上述のように、各炭素繊維強化プラスチック線材２は、互いに空隙（ｇ）＝０．０５〜３．０ｍｍだけ近接離間して、線材固定材３にて固定される。また、このようにして形成された炭素繊維強化プラスチック線材シート１の長さ（Ｌｏ）及び幅（Ｗｏ）は、補強される構造物の寸法、形状に応じて適宜決定されるが、取扱い上の問題から、一般に、全幅（Ｗｏ）は、１００〜１０００ｍｍとされる。又、長さ（Ｌｏ）は、１〜５ｍ程度の短冊状のもの、或いは、１００ｍ以上のものを製造し得るが、使用時においては、適宜切断して使用される。

また、炭素繊維ストランドシート１の長さ（Ｌｏ）を１〜５ｍ程度として、幅（Ｗｏ）をこれより長く１〜１０ｍ程度として製造することも可能である。

炭素繊維強化プラスチック線材（ストランド）２は、強化繊維ｆとしてピッチ系又はＰＡＮ系の炭素繊維が使用される。炭素繊維強化プラスチック線材２は、炭素繊維強化プラスチック線材センサ（計測ストランド）２Ｓとしても使用されるので、詳しくは後述するが、下記式（１）で示す電気抵抗変化率Ｒｃｒの変化が線形的であるのが好ましく、従って、本発明者らの試験検討の結果、最も線形的であるという理由からＰＡＮ系の、特に、中弾性型の、即ち、弾性係数が３５１〜４５０ｋＮ／ｍｍ²、引張強度が２９００Ｎ／ｍｍ²以上とされる炭素繊維を有効に使用し得ることが分かった。ただし、炭素繊維ｆはこれに限定されるものではなく、ピッチ系の高弾性型の、即ち、弾性係数が５７６〜７４０ｋＮ／ｍｍ²、引張強度が１９００Ｎ／ｍｍ²以上とされる炭素繊維、更には、ＰＡＮ系の高強度型の、即ち、弾性係数が２２１〜２８２ｋＮ／ｍｍ²、引張強度が３４００Ｎ／ｍｍ²以上とされる炭素繊維も使用することができる。

ここで、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの電気抵抗値をＲ、初期抵抗値をＲｏとしたとき、電気抵抗変化率Ｒｃｒは、
Ｒｃｒ＝（Ｒ−Ｒｏ）／Ｒｏ＝△Ｒ／Ｒｏ （１）
にて表わされる。

炭素繊維強化プラスチック線材２のマトリクス樹脂Ｒは、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を使用することができ、熱硬化性樹脂としては、常温硬化型若しくは熱硬化型のエポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、アクリル樹脂、ＭＭＡ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、又は、光硬化型樹脂が使用され、又、熱可塑性樹脂としては、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用可能である。又、樹脂含浸量は、３０〜７０重量％、好ましくは、４０〜６０重量％とされる。

（補強方法）
次に、本発明に従った鋼構造物の補強方法について説明する。被補強対象物である鋼構造物としては、鋼橋、鋼建造物における鋼製の桁、梁、更には、機械装置の鋼製部材などのような土木、建築、機械装置などの鋼構造物などが考えられる。本発明によれば、斯かる鋼構造物を構成する鋼部材の表面上に強化繊維を含む繊維シートを一層又は複数層、接着剤にて接着して一体化することによって鋼構造物が補強される。

また、特に、本発明によれば、詳しくは後述の試験例に即して後述するように、使用される繊維シートとして少なくとも一層は、上述した炭素繊維強化プラスチック線材シート１を使用して補強し、補強後において、炭素繊維強化プラスチック線材シート１の炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの電気抵抗を計測することにより、補強された鋼構造物における亀裂の発生及び／又は亀裂の進展の判断を行うことができる。すなわち、本発明によれば、鋼構造物を有効に補強すると共に、補強した際の補強箇所における疲労亀裂の発生、亀裂の進展などを監視して鋼構造物の補強状態の検知が可能である。更には、鋼部材の腐食劣化の進行、又は、繊維シートの剥離などを監視し、補強された鋼構造物の補強状態検知が可能である。

なお、鋼構造物の局部的な状態の把握のためには、被補強物である鋼構造物からのひずみの伝達を効率よく行う必要があり、そのためには、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓを備えた炭素繊維強化プラスチック線材シート１は、被補強物の表面により近接して配置するのが有効である。従って、限定されるものではないが、通常、補強のため繊維シートが複数層積層される場合は、最下層又はその近傍に、本発明に従って構成される炭素繊維強化プラスチック線材シート１が配置される。

図５を参照して、本発明に従った鋼構造物の補強方法を、その一実施例について説明する。

（第１工程）
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、必要に応じて、鋼構造物１００の被補強面（即ち、被接着面）１０１の脆弱部１０１ａを、ディスクサンダー、サンドブラスト、スチールショットブラスト、ウォータージェットなどの研削手段５０により除去し、鋼構造物１００の被接着面１０１を下地処理する。

（第２工程）
下地処理した面１０２にプライマー１０３、例えば、エポキシ変性ウレタン樹脂プライマーを塗布する（図５（ｃ））。プライマー１０３としては、エポキシ変性ウレタン樹脂系に限ることなくＭＭＡ系樹脂など、被補強鋼構造物１００の材質、繊維シート接着剤１０５などに合わせて適宜選定される。

なお、プライマー１０３の塗布工程は、省略することも可能である。

（第３工程）
図５（ｄ）、（ｅ）に示すように、下地処理された被補強鋼構造物１００の上に接着剤１０５を塗布し、この面に、本実施例では、本発明に従って構成される、上記図１（ａ）、（ｂ）を参照して説明した、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓを備えた炭素繊維強化プラスチック線材シート１が接着される。このとき、炭素繊維強化プラスチック線材シート１は、曲げモーメント及び軸力を主として受ける部材（構造物）に対しては、曲げモーメントにより生じる引張応力或いは圧縮応力の主応力方向に強化繊維の配向方向を概ね一致させて接着する。

接着剤１０５としては、上記炭素繊維強化プラスチック線材２のマトリクス樹脂Ｒと同様のものを使用することができ、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を使用することができる。熱硬化性樹脂としては、常温硬化型若しくは熱硬化型のエポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、アクリル樹脂、ＭＭＡ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、又は、光硬化型樹脂が使用され、又、熱可塑性樹脂としては、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用可能である。具体的には、常温硬化型エポキシ樹脂及びＭＭＡ樹脂が好適とされる。

なお、接着剤１０５は、構造物表面に塗布するものとして説明したが、勿論、炭素繊維強化プラスチック線材シート１に塗布することもでき、また、構造物表面及び炭素繊維強化プラスチック線材シート１接着面の両面上に塗布しても良い。

また、必要補強量が多い場合には、図５（ｇ）に示すように、上記炭素繊維強化プラスチック線材シート１の他に、他の繊維シート１０を接着することが可能である。

この追加して積層される他の繊維シート１０は、図３、図４に図示するように、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓを含まない、炭素繊維強化プラスチック線材２のみで作製された、即ち、強化繊維ｆにマトリクス樹脂Ｒが含浸され、硬化された連続した繊維強化プラスチック線材２を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、線材２を互いに線材固定材３にて固定した繊維シート１０であってもよい。

また、炭素繊維強化プラスチック線材シート１以外の前記繊維シート１０は、図６に示すように、例えば、シート軸方向へと一方向に引き揃えた強化繊維ｆを含み、強化繊維ｆを互いに線材固定材３にて固定した繊維シート１０であってもよい。線材固定材３としては、図６示すように、図４（ａ）に関連して説明したと同様のメッシュ支持体とすることもでき、また、図示してはいないが、図４（ｂ）に示す帯状部材を使用することもできる。更には、これら繊維シート１０に樹脂が含浸され、硬化した樹脂含浸硬化繊維シート（ＦＲＰ材）であっても良い。

（鋼構造物の補強状態検知方法）
従来、鋼構造物を構成する鋼部材の表面上に強化繊維を含む繊維シートを一層又は複数層、接着剤にて接着して一体化することによって鋼構造物を補強することが行われている。しかしながら、従来の補強方法では、繊維シートを貼付して補強された鋼構造物は、その後の鋼構造物の被補強面の状態を確認することができない。本発明は、斯かる従来の問題点を解決することができる。

つまり、本発明の補強方法によれば、上述のようにして鋼構造物１００の表面に接着された炭素繊維強化プラスチック線材シート１の炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの電気抵抗を計測することにより、補強された鋼構造物における、補強施工後の、亀裂の発生及び／又は亀裂の進展の判断を行い、鋼構造物の局部的な補強状態の検知が可能である。更には、鋼部材の腐食劣化の進行、又は、繊維シートの剥離などを監視し、補強された鋼構造物の補強の状態検知が可能である。

本発明に従った鋼構造物の補強方法によれば、定期的に、或いは、必要に応じて適宜、鋼構造物の表面に接着された炭素繊維強化プラスチック線材シート１の炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの電気抵抗を計測する。

以下に、本発明の補強方法にて、炭素繊維強化プラスチック線材シート１の炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの電気抵抗値を測定することで、上記鋼構造物の補強状態の検知などが可能であることについて説明する。

ひずみと電気抵抗変化率の関係
先ず、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓのひずみ（ε）と電気抵抗変化率（Ｒｃｒ）との関係について説明する。

炭素繊維強化プラスチック線材の引張荷重に対するひずみ−電気抵抗変化率関係を得るために一軸引張による材料試験を行った。炭素繊維強化プラスチック線材は、高弾性炭素繊維強化プラスチック線材、中弾性炭素繊維強化プラスチック線材、高強度炭素繊維強化プラスチック線材を対象とした。また、高弾性炭素繊維強化プラスチック線材は、繊維目付量６００ｇ／ｍｍ²と９００ｇ／ｍｍ²の２種類とし、計４種類の炭素繊維強化プラスチック線材シートを準備した。

上記実施例にて説明した作製方法に従って、上記種々の特性を有した炭素繊維を使用して、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓを備えた炭素繊維強化プラスチック線材シート１を作製し、この炭素繊維強化プラスチック線材シート１にエポキシ樹脂を含浸させ、硬化して、供試体１Ｓを作製した。本試験で使用した供試体１Ｓの寸法を図７（ａ）、（ｂ）に示す。

本材料試験に用いた高弾性、中弾性、高強度それぞれの炭素繊維強化プラスチック線材シート、エポキシ樹脂、導電性接着剤の材料特性は、下記表１に示す通りであった。

なお、表１中、各種炭素繊維強化プラスチック線材シート（高弾性、中弾性、高強度ストランドシート）における弾性係数、引張強度、電気伝導率は、使用した強化繊維ｆの物性であり、断面積は炭素繊維の総断面積を示す。

図７（ｃ）に示すように、炭素繊維強化プラスチック線材シート１における炭素繊維強化プラスチック線材（ストランド）２の本数は２１本であり、その中の１０本が炭素繊維強化プラスチック線材センサ（計測ストランド）２Ｓ（ＣＨ１〜ＣＨ１０）とした。なお、表１に示すように、高弾性、中弾性、高強度炭素繊維強化プラスチック線材シート（ストランドシート）１は目付量と断面積が異なるため、使用する炭素繊維強化プラスチック線材２ごとに供試体（炭素繊維強化プラスチック線材シート）１Ｓの横幅は異なる。各種炭素繊維強化プラスチック線材（ストランド）２の断面積と供試体１Ｓの横幅は、表２に示す通りであった。

供試体１Ｓの炭素繊維強化プラスチック線材センサー２Ｓの端子電極２０、２０間の長さは４２０ｍｍとした。供試体１Ｓの掴み部の応力集中を避けるために、３：２０のテーパーを設けた金属タブＭＴをエポキシ樹脂で接着した。金属タブＭＴは、厚さ３ｍｍのアルミ板を長さ６０ｍｍ×幅４０ｍｍのサイズに加工した。

本試験で使用する供試体１ＳにおけるひずみゲージＳＧの貼付け位置を図７（ａ）、（ｂ）に示す。炭素繊維強化プラスチック線材２、即ち、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの荷重−ひずみ関係が得られるように、両面の炭素繊維強化プラスチック線材シート１の中心位置にひずみゲージＳＧを貼り付けた。

上記各供試体１Ｓに対してアムスラー式万能試験機を用いて、引張試験を行った。本試験の結果得られた各供試体の荷重−ひずみ関係に基づく実験値は、ひずみの理論値、即ち、
ε＝Ｐ／ＥＡ
ε：ひずみ
Ｅ：弾性係数
Ｐ：引張荷重
Ａ：ストランドシート１枚に含まれるストランドの断面積
と概ね一致した。

また、本発明者らが行った本試験の結果によると、ひずみに対して電気抵抗変化率Ｒｃｒは線形的に増加することが分かった。特に、電気抵抗変化率Ｒｃｒは、炭素繊維の特性によっても異なり、本発明者らの研究実験の結果によると、中弾性型の炭素繊維を使用した炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓが最も良い結果を得た。従って、以下に、中弾性型の炭素繊維を使用した炭素繊維強化プラスチック線材２、即ち、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓを使用した炭素繊維強化プラスチック線材シートについて説明する。

本発明に使用する炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓは、初期抵抗値Ｒｏが、下記式（２）で示される初期抵抗理論値Ｒｏｔｈより大きくなる場合がある。これは、主として、炭素繊維強化プラスチック線材２に対する端子電極２０との接着不良により、接触抵抗が高くなったことが原因と思われる。
Ｒｏｔｈ＝ρ×（Ｌ／Ａｓ） （２）
Ｒｏｔｈ：初期抵抗理論値
ρ：体積抵抗率
Ｌ：電気抵抗測定区間の長さ
Ａｓ：炭素繊維強化プラスチック線材センサ１本当たりの断面積

以下に、中弾性型の炭素繊維を使用した炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓを使用した炭素繊維強化プラスチック線材シートについて、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの初期抵抗値について説明する。

ここで、中弾性型炭素繊維を使用した炭素繊維強化プラスチック線材シートにて、ρ（体積抵抗率）は、０．０１１Ω・ｍｍ、Ｌ（電気抵抗測定区間の長さ）は、４２０ｍｍ、Ａｓ（炭素繊維強化プラスチック線材センサ１本当たりの断面積）は、０．６５９ｍｍ²であるので、初期抵抗理論値Ｒｏｔｈは、７．０１Ωである。

下記表３に、３０本の炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの電気抵抗を計測した結果を示す。初期抵抗理論値（Ｒｏｈ）７．０１Ωと比較して、初期抵抗値Ｒｏが極端に大きいもの（１３Ω以上）がある。この時のひずみ−電気抵抗変化率関係は非線形となった。これは、端子の接触不良の影響と考え、端子の接触影響を調べるための検証を行ったところ、初期抵抗値が１３Ω以上の場合、接触不良が発生していることが明らかとなった。図８に、１３Ω以下となった炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓのひずみ−電気抵抗変化率の関係示す。図８から、ひずみに対して電気抵抗変化率は線形的に増加していることが確認できる。

他の種類の、即ち、繊維目付量６００ｇ／ｍｍ²と９００ｇ／ｍｍ²の２種類高弾性型炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓ、高強度型炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓでも同様の検証の結果を示したが、上述のように、中弾性型炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの電気抵抗変化率の変化が最も線形的であった。従って、中弾性型の炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓが本発明においても最も有用性が高いと考えられる。

初期抵抗値の補正
詳しくは後述するが、初期抵抗値Ｒｏと電気抵抗増加率の関係について言えば、初期抵抗が大きくなるにつれ、増加率も増加する傾向にある。従って、各炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの初期抵抗が異なる場合、増加率を一定にするため、補正する必要がある。

そこで、中弾性型の炭素繊維強化プラスチック線材シートを鋼板に接着し、引張試験を実施し、ひずみ−電気抵抗特性を把握すると共に、初期抵抗値Ｒｏの違いによる電気抵抗増加率のバラツキの補正について検討した。

図９（ａ）、（ｂ）に示すように、試験片１００Ｓは、被補強体である鋼板１００としてＳＳ４００を使用し、この鋼板１００に、本実験の供試体として、上記実施例で説明した図１（ａ）、（ｂ）に示す構成の炭素繊維強化プラスチック線材シート１を接着した。本試験では、鋼板１００の両面に炭素繊維強化プラスチック線材シート１を１枚づつ貼付した。

炭素繊維強化プラスチック線材２は、強化繊維ｆとして平均径１０μｍ、収束本数６０００本のＰＡＮ系の中弾性型炭素繊維を使用し、マトリクス樹脂としては、エポキシ樹脂を使用した。炭素繊維強化プラスチック線材シート及びエポキシ樹脂の材料特性は、上記表１に示すものであった。鋼板の材料特性は、下記表４に示す通りであった。

図９（ｃ）に、本試験にて使用した、鋼板１００に供試体である炭素繊維強化プラスチック線材シート１が貼付された試験片１００Ｓの断面構成を示すと共に、炭素繊維強化プラスチック線材シートにおける炭素繊維強化プラスチック線材センサ（計測ストランド）２Ｓと、通常の炭素繊維強化プラスチック線材（ストランド）２との位置関係を示す。本試験の炭素繊維強化プラスチック線材シート１にて、炭素繊維強化プラスチック線材２の総数は３２本であり、その中の５本が炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓ（表面側チャンネルＣＨ１〜ＣＨ５、裏面側チャンネルＣＨ６〜ＣＨ１０）である。

炭素繊維強化プラスチック線材１本の断面積は０．６５９ｍｍ²、炭素繊維強化プラスチック線材シートに含まれる炭素繊維強化プラスチック線材３２本の断面積は１３．８３９ｍｍ²、炭素繊維強化プラスチック線材シート１の幅は３９５ｍｍであった。各炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓには、その両端部に銅線２０ａを巻き付け、導電性接着剤（藤倉化成株式会社製：商品名「ドータイト Ｄ−５５０」）２０ｂを塗布し、２５℃、１時間にて硬化して、端子電極２０を形成した。

本試験の上記構成の炭素繊維強化プラスチック線材シート１を、図５を参照して説明した上記実施例と同じ手順にて鋼板１００に接着した。使用した接着剤１０５は、表１に示すエポキシ樹脂であった。

つまり、本試験例では、鋼板１００の両面をショットブラストにて研掃し、適度の粗面とした。この鋼板１００の表面１０２上にエポキシ変性ウレタンプライマー（新日鉄マテリアルズ（株）製「ＦＯＲＣＡＵＬ−１」（商品名））１０３を０．１５ｋｇ／ｍ²塗布した。エポキシ変性ウレタン樹脂プライマー１０３が指触乾燥した後、エポキシ樹脂１０５を塗布量０．４ｋｇ／ｍ²にて塗付した。次いで、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓを備えた炭素繊維強化プラスチック線材シート１をエポキシ樹脂塗布面に軽く押し付けた後、炭素繊維強化プラスチック線材シート１の上を幅１００ｍｍ、直径１０ｍｍプラスチックローラーを１００Ｎ程度の押し付け力を加えながら移動させた。次いで、上塗りとしてエポキシ樹脂１０５を塗布量０．２ｋｇ／ｍ²にて炭素繊維強化プラスチック線材シート１の表面に塗布してゴムベラにより表面を平坦に仕上げた。その後、室温で１週間養生した。炭素繊維強化プラスチック線材シート１の貼着面に、何らボイドを発生することなく、鋼板１００に極めて良好に接着することができた。

炭素繊維強化プラスチック線材シート表面のひずみから炭素繊維強化プラスチック線材シートのおおよその伸び量とひずみ分布を算出するため、炭素繊維強化プラスチック線材シート表面の５箇所にひずみゲージＳＧを貼り付けた。炭素繊維強化プラスチック線材シート１による補強効果を確認するため、鋼材中央のコバ面２箇所にひずみゲージを貼り付けた。また、無補強部のひずみを得られるように、鋼材の無補強部断面のコバ面４箇所にひずみゲージＳＧを貼り付けた。

鋼板１００に炭素繊維強化プラスチック線材シート１を接着した試験片１００Ｓに対して、試験片１００Ｓの端から１００ｍｍをチャックで摘み、アムスラー式万能試験機を用いて、引張試験を行った。また、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの端子電極２０をプローブで掴み、電気抵抗を測定した。

電気抵抗の測定は、抵抗計（日置電機株式会社製：商品名「ＲＭ３５４５−０２」を用いた。また、マルチプレクサユニット（日置電機株式会社製：商品名「Ｚ３００３」を使用することで、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２ＳのチャンネルＣＨ１〜ＣＨ５、ＣＨ６〜ＣＨ１０のリレー式多点測定が可能とされた。パソコンにて抵抗計の制御を行い、測定値をディスプレー装置に表示し、また、記録した。

なお、電気抵抗測定は、４端子測定法を採用した。４端子測定法は、図１０に示すように、一定電流を供給する電流源端子（ＳｏｕｒｃｅＡ１、ＳｏｕｒｃｅＢ１）と電圧降下を検出する電圧検出端子（ＳｅｎｓｅＡ１、ＳｅｎｓｅＢ１）から構成される。測定対象に接続された電圧検出端子側のリード線には、電圧計の入力インピーダンスが高いため殆ど電流が流れない。そのため、測定リードの抵抗や接触抵抗の影響を受けずに正確に測定できる。

表５に、試験片１００Ｓに含まれる炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓ（ＣＨ１〜ＣＨ５、ＣＨ６〜ＣＨ１０）の初期抵抗値Ｒｏを示す。初期抵抗値Ｒｏが初期抵抗理論値Ｒｏｔｈ（本例では７．０１Ω）より極端に大きい値（１６．５Ω）を示す炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓでは、炭素繊維強化プラスチック線材２と端子電極２０の接触不良が発生している可能性がある。

初期抵抗値Ｒｏに対する補正は、図１１に示す初期抵抗と電気抵抗増加率の関係を用いて行う。

はじめに、初期抵抗値Ｒｏが１３Ω以上になる時は、端子２０と炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの接触不良の可能性があり、値の信頼性が低いため、取り除く。また、本発明者らの実験結果によると、初期抵抗値とひずみ−電気抵抗変化率関係の傾きには正の相関があることが分かった。そこで、初期抵抗値の補正は、初期抵抗値からひずみ−電気抵抗変化率の傾きを推定する式を用いて行う。

そこで、先ず、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの初期抵抗値Ｒｏから推定電気抵抗増加率αを求める。次に、初期抵抗理論値（Ｒｏｔｈ）７．０１Ωの時の推定電気抵抗増加率βを求める。実験から得られた炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓのひずみ−電気抵抗変化率関係をプロットし、ひずみｘｉが発生した時の電気抵抗変化率Ｒｃｒ（△Ｒ／Ｒｏ）の値を、上記推定電気抵抗増加率α及びβに基づき得られる比を用いて算出し、補正する。次に、初期抵抗値Ｒｏに対する補正の具体的な手順をさらに詳しく説明する。

（１）初期抵抗値Ｒｏが１３Ω以上となる時は、端子２０と炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの接触不良の可能性があり、値の信頼性が低いため取り除く。

（２）ある炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの初期抵抗値Ｒｏの推定電気抵抗増加率αを下記式（３）から求める。
ｙ＝（０．４８６４Ｒｏ−１．３８７）×１０^-5 （３）

上記式（３）は、図１１に示す「ひずみ−電気抵抗関係の傾き」に基づき求めた推定式である。ここで、図１２（ａ）、（ｂ）を参照すると、ひずみｘｉ＝１０００の時の補正前の電気抵抗変化率の推定値ｙｉ、実験値（△Ｒ／Ｒｏ）ｉは、図１２（ａ）のように図示される。

（３）使用している種類の炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの初期抵抗理論値（Ｒｏｔｈ）から推定電気抵抗増加率βを求める。この時、ひずみｘｉ＝１０００の時の電気抵抗変化率の推定値ｙｉ’は図１２（ｂ）のように図示される。さらに補正後の電気抵抗変化率を（△Ｒ／Ｒｏ）ｉ’とする。

（４）上記（２）、（３）項で示したｙｉ、（△Ｒ／Ｒｏ）ｉ、ｙｉ’、（△Ｒ／Ｒｏ）ｉ’を下記式（４）に示す通り、比を取り、下記式（５）から補正後の実験値（△Ｒ／Ｒｏ）ｉ’を求める。（△Ｒ／Ｒｏ）ｉ’は得られた全てのひずみｘｉに対して求める。

具体例として、中弾性型炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの補正前のひずみ−電気抵抗変化率の関係を示す図１３（ａ）を例として、補正手順を示す。

表６に試験片に含まれる炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの初期抵抗値Ｒｏと式（３）から求めた推定電気抵抗増加率αを示す。

（１）ここで、ＣＨ４の炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓは初期抵抗値Ｒｏが１３Ω以上となるため、取り除く。その結果、中弾性型炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの補正前のひずみ−電気抵抗変化率の関係は図１３（ｂ）に示す通りである。

（２）ＣＨ１〜ＣＨ５の炭素繊維強化プラスチック線材の初期抵抗値Ｒｏの推定電気抵抗増加率αを式（３）から求める。それぞれの値を表６の３行目に示す。

（３）中弾性型炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの初期抵抗理論値（Ｒｏｔｈ）は７．０１Ωであり、式（３）から推定電気抵抗増加率β＝２．０２３である。

（４）上記（１）〜（３）項に示す手順によって、それぞれの炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓに対するｙｉ、（△Ｒ／Ｒｏ）ｉ、ｙｉ’が求まる。（△Ｒ／Ｒｏ）ｉ’は得られた全てのひずみｘｉに対して求める。図１４（ａ）、（ｂ）では例としてＣＨ１の場合のｘｉ＝２５０、ｘｉ＝５００、ｘｉ＝７５０、ｘｉ＝１０００の時のｙｉ、（△Ｒ／Ｒｏ）ｉ、ｙｉ’を表し、式（５）を用いて（△Ｒ／Ｒｏ）ｉ’を求める。図１５は得られた全ての場合のひずみｘｉに対しての補正後の電気抵抗変化率（△Ｒ／Ｒｏ）ｉ’である。

（５）ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ５の炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓに対しても、上記（２）〜（４）項の手順で補正を行う。図１６は、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの補正後のひずみ−電気抵抗変化率関係を示す。

以上、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの初期抵抗値の補正の具体的な手順に関して説明した。図１３（ｂ）と図１６を比較すると、各炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの初期抵抗値Ｒｏを初期抵抗理論値（Ｒｏｔｈ）に補正することで、電気抵抗変化率のばらつきが小さくなっていることが分かる。

なお、上記説明は、中弾性型の炭素繊維強化プラスチック線材シート１に関連して説明したが、他の種類の、即ち、繊維目付量６００ｇ／ｍｍ²と９００ｇ／ｍｍ²の２種類高弾性型炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓ、高強度型炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓにおいても、ひずみに対する電気抵抗変化率は変化率の幅にバラツキはあるものの、その変化の挙動に類似した傾向にあり、上記同様の手順にて、初期抵抗値に対する補正を行うことができる。

上記説明にて理解されるように、補強された鋼構造物の一部に欠損などが発生すると、この部分に接着されている炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの電気抵抗値が他の炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓより大きくなる。

つまり、鋼構造物の表面上に強化繊維を含む繊維シートを一層又は複数層、接着剤にて接着して一体化する本発明の鋼構造物の補強方法によれば、少なくとも一層の繊維シートは、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓを備えた炭素繊維強化プラスチック線材シート１とされる。従って、定期的に、或いは、所望に応じて適宜、炭素繊維強化プラスチック線材シート１の炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの電気抵抗が計測され、それによって、補強された鋼構造物における亀裂の発生及び／又は亀裂の進展の検知を行う。

このとき、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの電気抵抗値（Ｒ）を計測し、電気抵抗変化率（Ｒｃｒ）が増大している領域が発生したとき、該電気抵抗変化率（Ｒｃｒ）が増大している領域に対応する被補強鋼構造物に亀裂が発生したか、或いは、亀裂の進展があったと判断する。

同様に、鋼部材に腐食劣化が進行した場合においても、鋼部材による荷重耐荷力が減少し、その分炭素繊維強化プラスチック線材シート１に対する荷重が増大し、その結果、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの電気抵抗が増大し、結果として電気抵抗変化率（Ｒｃｒ）が増大することとなる。従って、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの電気抵抗値（Ｒ）を計測し、電気抵抗変化率（Ｒｃｒ）が増大している領域が発生したとき、該電気抵抗変化率（Ｒｃｒ）が増大している領域に対応する被補強鋼構造物に腐食による劣化が進行していると判断することができる。

このように、本発明の補強方法によれば、上記本発明に従って構成される炭素繊維強化プラスチック線材シート１を少なくとも有する繊維シートを接着することにより鋼構造物を有効に補強すると共に、補強した際の補強箇所における疲労亀裂の発生、亀裂の進展、又は、鋼部材の腐食の進行などを監視して鋼構造物の局部的な状態の検知が可能である。更には、炭素繊維強化プラスチック線材シート１等の補強繊維シートの剥離時も抵抗変化があり、補強状態の検知が可能である。この点に関しては後で更に説明する。

次に、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック線材シート及び鋼構造物の補強方法の作用効果を実証するために以下の試験を行った。

試験例１
本試験では、鋼構造物に発生する亀裂を模擬して、鋼板に一部切断加工を行い、炭素繊維強化プラスチック線材シートを接着し、補強効果が達成されているか、及び、炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗を計測することにより切断加工部が検出できるかを検討した。

（供試体）
図１７（ａ）、（ｂ）に、本実験で使用した、一部切断加工した鋼板１００を示す。鋼板中央に幅方向に長さ３０ｍｍ、切断幅２ｍｍの切断部１１０を形成した。鋼板としてはＳＳ４００を使用した。鋼板の材料特性は上記表４に示す通りであった。この鋼板１００に、図１８（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実験の供試体としての、上記実施例で説明した図１（ａ）、（ｂ）に示す構成の炭素繊維強化プラスチック線材シート１を接着した。本試験では、鋼板１００の両面に炭素繊維強化プラスチック線材シート１を１枚づつ貼付した。

炭素繊維強化プラスチック線材２は、強化繊維ｆとして平均径１０μｍ、収束本数６０００本のＰＡＮ系の中弾性型炭素繊維を使用し、マトリクス樹脂としては、エポキシ樹脂を使用した。炭素繊維強化プラスチック線材シート１及びエポキシ樹脂の材料特性は、上記表１に示すものであった。

図１８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、鋼板１００に本試験にて使用した供試体である炭素繊維強化プラスチック線材シート１が貼付された試験片１００Ｓの構成を示し、図１９に、炭素繊維強化プラスチック線材シート１における炭素繊維強化プラスチック線材センサ（計測ストランド）２Ｓと、通常の炭素繊維強化プラスチック線材（ストランド）２との位置関係を示す。本試験の各炭素繊維強化プラスチック線材シート１にて、炭素繊維強化プラスチック線材２の総数は３２本であり、その中の１０本が炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓ（チャンネルＣＨ１〜ＣＨ１０、ＣＨ１１〜ＣＨ２０）である。

炭素繊維強化プラスチック線材１本の断面積は０．６５９ｍｍ²、炭素繊維強化プラスチック線材シートに含まれる炭素繊維強化プラスチック線材３２本の断面積は１３．８３９ｍｍ²、炭素繊維強化プラスチック線材シートの幅は３９５ｍｍであった。各炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓには、その両端部に銅線２０ａを巻き付け、導電性接着剤（藤倉化成株式会社製：商品名「ドータイト Ｄ−５５０」）２０ｂを塗布して、２５℃、１時間にて硬化し、端子電極２０を形成した。

本試験の上記構成の炭素繊維強化プラスチック線材シート１を、図５を参照して説明した上記実施例と同じ手順にて鋼板１００に接着した。使用した接着剤１０５は、表１に示すエポキシ樹脂であった。

つまり、本試験例では、鋼板１００の両面をショットブラストにて研掃し、適度の粗面とした。この鋼板１００の表面１０２上にエポキシ変性ウレタンプライマー（新日鉄マテリアルズ（株）製「ＦＯＲＣＡＵＬ−１」（商品名））１０３を０．１５ｋｇ／ｍ²塗布した。エポキシ変性ウレタン樹脂プライマー１０３が指触乾燥した後、エポキシ樹脂１０５を塗布量０．４ｋｇ／ｍ²にて塗付した。次いで、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓを備えた炭素繊維強化プラスチック線材シート１をエポキシ樹脂塗布面に軽く押し付けた後、炭素繊維強化プラスチック線材シート１の上を幅１００ｍｍ、直径１０ｍｍプラスチックローラーを１００Ｎ程度の押し付け力を加えながら移動させた。次いで、上塗りとしてエポキシ樹脂１０５を塗布量０．２ｋｇ／ｍ²にて炭素繊維強化プラスチック線材シート１の表面に塗布してゴムベラにより表面を平坦に仕上げた。その後、室温で１週間養生した。炭素繊維強化プラスチック線材シート１の貼着面に、何らボイドを発生することなく、鋼板１００に極めて良好に接着することができた。

本試験で使用した試験体１００Ｓと、ひずみゲージＳＧの貼付け位置との関係は図１８（ａ）〜（ｃ）に示す通りであった。本試験で使用した鋼材は、鋼板中央が切断されているため、炭素繊維強化プラスチック線材シート２に伝わる引張応力は面方向で異なる。そこで、炭素繊維強化プラスチック線材シート表面のひずみ分布と軸方向のおよその伸び量を算出するため、また、炭素繊維強化プラスチック線材シート中央の幅方向のひずみ分布を得るため、炭素繊維強化プラスチック線材シート表面３３箇所にひずみゲージＳＧを貼り付けた。炭素繊維強化プラスチック線材シートによる補強効果を確認するため、鋼材中央から左右５０ｍｍ離れた位置２箇所にひずみゲージを貼り付けた。また、無補強部のひずみを得られるように、鋼材の無補強部断面のコバ面４箇所にひずみゲージＳＧを貼り付けた。

（一軸引張り試験）
鋼板１００に炭素繊維強化プラスチック線材シート１を接着した試験片１００Ｓに対して、試験片１００Ｓの端から１００ｍｍをチャックで摘み、アムスラー式万能試験機を用いて、引張試験を行った。また、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの端子電極２０をプローブで掴み、電気抵抗を測定した。

電気抵抗の測定は、抵抗計（日置電機株式会社製：商品名「ＲＭ３５４５−０２」を用いた。また、マルチプレクサユニット（日置電機株式会社製：商品名「Ｚ３００３」を使用することで、リレー式多点測定が可能とされた。パソコンにて抵抗計の制御を行い、測定値をディスプレー装置に表示し、また、記録した。

なお、電気抵抗測定は、４端子測定法を採用した。４端子測定法は、図１０に示すように、一定電流を供給する電流源端子（ＳｏｕｒｃｅＡ１、ＳｏｕｒｃｅＢ１）と電圧降下を検出する電圧検出端子（ＳｅｎｃｅＡ１、ＳｅｎｃｅＢ１）から構成される。測定対象に接続された電圧検出端子側のリード線には、電圧計の入力インピーダンスが高いため殆ど電流が流れない。そのため、測定リードの抵抗や接触抵抗の影響を受けずに正確に測定できる。

図２０に、引張試験結果である荷重−ひずみ関係を示す。補強部のひずみは無補強部より低減しており、補強効果が確認できる。図２１（ａ）、（ｂ）に、試験片１００Ｓの荷重−電気抵抗変化率関係を示す。図２１（ａ）、（ｂ）にて、非切断側の電気抵抗変化率は、６５ｋＮ付近まで増加し、その後減少している。一方、切断側も同様の挙動を示し、５０ｋＮ付近まで増加し、その後減少している。変曲点となる荷重６５ｋＮと５０ｋＮから剥離の進行が始まることが実験にて確認されている。従って、剥離による炭素繊維強化プラスチック線材シート１への応力伝達の変化が炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの電気抵抗変化にも影響していることが分かる。

図２２には、上記方法にて最初に上述した電気抵抗増加率の補正を行った補正後の、且つ、剥離が進行する前の４０ｋＮ載荷時の、炭素繊維強化プラスチック線材シート中央からの距離−電気抵抗変化率−ひずみの関係を示す。なお、併せて、５ｋＮ載荷時の、炭素繊維強化プラスチック線材シート中央からの距離−電気抵抗変化率をも示す。図２２から、４０ｋＮ時には、電気抵抗変化率は、ひずみと同様に非切断側より切断側で大きくなっており、従って、荷重を加えることによって、電気抵抗変化率の差異から切断部の検出ができることが分かる。つまり、炭素繊維強化プラスチック線材シート１における各炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの電気抵抗変化率の差異から被補強物である鋼板に発生する亀裂の存在及び進展の検出が可能である。従って、本発明によれば、鋼部材の腐食劣化の進行によっても炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの電気抵抗変化率の増大が見られ、鋼部材の腐食劣化の進行も検知可能である。

また、図２０及び図２１から理解されるように、炭素繊維強化プラスチック線材シート１の鋼部材からの剥離が進行する４０ｋＮ載荷時以降、非切断側で荷重６５ｋＮ、切断側で５０ｋＮを過ぎると、荷重を加えることによって炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓのひずみが減少している。つまり、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの電気抵抗は減少し、電気抵抗変化率が減少する。従って、炭素繊維強化プラスチック線材シート１が鋼部材から剥離することがあると、炭素繊維強化プラスチック線材センサ２Ｓの電気抵抗変化率の差異から被補強物である鋼板からの炭素繊維強化プラスチック線材シート１の剥離が検出可能である。

このように、本発明によれば、鋼橋、鋼建造物における鋼製の桁、梁、更には、機械装置の鋼製部材などのような土木、建築、機械装置などの鋼構造物を有効に補強すると共に、補強した際の補強箇所における疲労亀裂の発生、亀裂の進展などを監視して鋼構造物の局部的な状態の把握が可能である。更には、鋼部材の腐食劣化、補強シートの剥離などを監視して鋼構造物の補強状態の検知が可能である。

１ 炭素繊維強化プラスチック線材シート（ストランドシート）
２ 炭素繊維強化プラスチック線材（ストランド）
２Ｓ 炭素繊維強化プラスチック線材センサ（計測ストランド）
３ 線材固定材（横糸、メッシュ支持体シート、可撓性帯材）
１０ 繊維シート
２０ 端子部材（端子電極）
１００ 鋼構造物
１０５ 接着剤

Claims (13)

1. 鋼構造物の表面に接着剤にて接着して鋼構造物を補強するための炭素繊維強化プラスチック線材シートであって、
   炭素繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した炭素繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、
   前記炭素繊維強化プラスチック線材の中の所定の前記炭素繊維強化プラスチック線材は、該線材の両端に端子電極が付設されており、該線材の電気抵抗が計測可能とされた炭素繊維強化プラスチック線材センサである、
   ことを特徴とする炭素繊維強化プラスチック線材シート。
2. 前記炭素繊維強化プラスチック線材は、直径（ｄ）が０．５〜３ｍｍの略円形断面形状であるか、又は、幅（ｗ）が１〜１０ｍｍ、厚み（ｔ）が０．１〜２ｍｍとされる略矩形断面形状であり、
   互いに隣接する前記炭素繊維強化プラスチック線材は、互いに空隙（ｇ）＝０．０５〜３．０ｍｍだけ近接離間して配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチック線材シート。
3. 隣り合った前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの間には、前記端子電極を有さない炭素繊維強化プラスチック線材が配置されないか、又は、前記端子電極を有さない炭素繊維強化プラスチック線材が１〜１０本の範囲内で配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭素繊維強化プラスチック線材シート。
4. 前記炭素繊維は、ピッチ系又はＰＡＮ系の炭素繊維であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の炭素繊維強化プラスチック線材シート。
5. 前記マトリクス樹脂は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂とされ、前記熱硬化性樹脂は、常温硬化型若しくは熱硬化型のエポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、アクリル樹脂、ＭＭＡ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、又は、光硬化型樹脂であり、又、前記熱可塑性樹脂は、ナイロン又はビニロンであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の炭素繊維強化プラスチック線材シート。
6. 鋼構造物の表面上に強化繊維を含む繊維シートを一層又は複数層、接着剤にて接着して一体化する鋼構造物の補強方法において、
   少なくとも一層の繊維シートは請求項１〜５のいずれかの項に記載の炭素繊維強化プラスチック線材シートであり、
   前記炭素繊維強化プラスチック線材シートの前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗を計測することにより、前記補強された鋼構造物の補強状態の検知を行う、
   こと特徴とする鋼構造物の補強方法。
7. 前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗値をＲ、初期抵抗値をＲｏとしたとき、下記式で表わされるＲｃｒを電気抵抗変化率とすると、
   Ｒｃｒ＝（Ｒ−Ｒｏ）／Ｒｏ
   前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗値（Ｒ）を計測し、前記電気抵抗変化率（Ｒｃｒ)が増大している領域が発生したとき、該電気抵抗変化率が増大している領域に対応する前記補強された鋼構造物に亀裂が発生したか、又は、亀裂の進展があったか、又は、鋼構造物に腐食劣化が進行したかのいずれかであると判断することを特徴とする請求項６に記載の鋼構造物の補強方法。
8. 前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗値をＲ、初期抵抗値をＲｏとしたとき、下記式で表わされるＲｃｒを電気抵抗変化率とすると、
   Ｒｃｒ＝（Ｒ−Ｒｏ）／Ｒｏ
   前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗値（Ｒ）を計測し、前記電気抵抗変化率（Ｒｃｒ)が減少している領域が発生したとき、該電気抵抗変化率が減少している領域にて前記補強された鋼構造物から前記繊維シートの剥離が生じたと判断することを特徴とする請求項６に記載の鋼構造物の補強方法。
9. （１）前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの初期抵抗値（Ｒｏ）から推定電気抵抗増加率αを求め、次に、
   （２）前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの初期抵抗理論値（Ｒｏｔｈ）の時の推定電気抵抗増加率βを求め、
   （３）実験から得られた前記炭素繊維強化プラスチック線材センサのひずみ−電気抵抗変化率関係をプロットし、ひずみｘｉが発生したときの電気抵抗変化率の値を、前記推定電気抵抗増加率α及び前記推定電気抵抗増加率βに基づき得られる比を用いて、算出し、補正する、
   ことを特徴とする請求項６〜８のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。
10. 前記鋼構造物に接着される、前記炭素繊維強化プラスチック線材シート以外の繊維シートは、強化繊維として、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維などの無機繊維；ボロン繊維、チタン繊維、スチール繊維などの金属繊維；アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維；が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用することを特徴とする請求項６〜９のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。
11. 前記炭素繊維強化プラスチック線材シート以外の前記繊維シートは、少なくともシート軸方向へと一方向に引き揃えた強化繊維を含む強化繊維を互いに線材固定材にて固定した繊維シートであることを特徴とする請求項６〜１０のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。
12. 前記炭素繊維強化プラスチック線材シート以外の前記繊維シートは、強化繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、線材を互いに線材固定材にて固定した繊維シートであることを特徴とする請求項６〜１０のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。
13. 前記炭素繊維強化プラスチック線材シート以外の前記繊維シートは、強化繊維を一方向に引き揃えた強化繊維シートに樹脂を含浸して、前記樹脂が硬化された樹脂含浸硬化繊維シートか、又は、強化繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、線材を互いに線材固定材にて固定した繊維シートに樹脂を含浸して、前記樹脂が硬化された樹脂含浸硬化繊維シートであることを特徴とする請求項６〜１０のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。

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