JP2020020243A - 鋼床版の疲労亀裂発生抑制方法および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼床版において、閉断面リブとデッキプレートとを接合する溶接部のルート部に疲労亀裂が発生することを抑制するのに適した方法を提供する。【解決手段】疲上面および下面を有するデッキプレートと、前記デッキプレートの前記下面に溶接され、前記デッキプレートの前記下面との間で閉断面を形成する長尺状の縦リブとを備えた鋼床版に対して実施される。当該方法は、流体を充填することによって膨張する容器を前記縦リブの内側に配置し、前記容器内に流体を充填することによって前記容器を膨張させ、前記容器から前記縦リブに内圧を加える、圧力工程と、前記圧力工程において前記容器内に充填された前記流体を前記容器から排出する、除荷工程と、を備える。【選択図】 図５

Description

本発明は、鋼床版の疲労亀裂発生抑制方法および製造方法に関する。

従来、橋梁等の土木構造物において、鋼床版が用いられている。図１は、鋼床版を備えた橋梁の一例を示す図である。なお、図１においては、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を示している。Ｘ方向は橋梁１の長さ方向を示し、Ｙ方向は橋梁１の幅方向を示し、Ｚ方向は鉛直方向を示す。以下の説明では、橋梁１の幅方向を、左右方向ともいう。

図１に示す橋梁１は、鋼床版２および舗装材７を有している。鋼床版２は、デッキプレート３と、複数の主桁４と、複数の横リブ５と、複数の縦リブ６とを有している。デッキプレート３、主桁４、横リブ５および縦リブ６はそれぞれ、鋼材からなる。なお、以下においては、デッキプレート３を基準として、舗装材７が設けられる側を上方とし、縦リブ６が設けられる側を下方とする。

デッキプレート３は、平板形状を有する。デッキプレート３の第１面（上面）３ａは、舗装材７によって舗装されている。舗装材７としては、例えば、アスファルトまたはコンクリート等の種々の材料を用いることができる。

主桁４は、Ｙ−Ｚ平面に平行な断面においてＩ字形状を有し、かつ橋梁１の長さ方向に延びるように設けられている。主桁４の上端部は、例えば、デッキプレート３の第２面（下面）３ｂに溶接されている。

横リブ５は、Ｘ−Ｚ平面に平行な断面において、例えば逆Ｔ字形状を有し、かつ橋梁１の幅方向に延びるように設けられている。具体的には、横リブ５は、上下に延びるウェブと、ウェブの下端部に一体に設けられたフランジとを有している。横リブ５の上端部は、デッキプレート３の下面３ｂに溶接されている。横リブ５の左右の端部は、例えば、主桁４に溶接されている。

縦リブ６は、長尺形状を有し、橋梁１の長さ方向に延びるように、かつ横リブ５を貫通するように設けられている。図１に示した縦リブ６は、Ｙ−Ｚ平面に平行な断面において、左右方向に延びる底部６ａと、底部６ａの左右方向における両端部から上方に延びる一対の側壁部６ｂ，６ｃとを有する。側壁部６ｂ，６ｃは、先端側（図１においては上側）ほど互いの間隔が大きくなるように、底部６ａに対して傾斜している。縦リブ６の上部がデッキプレート３によって塞がれるように、側壁部６ｂ，６ｃの上端部は、デッキプレート３の第２面（下面）３ｂに溶接されている。すなわち、縦リブ６は、閉断面リブである。本明細書における「閉断面リブ」とは、デッキプレートの下面に溶接されることで、デッキプレートの下面との間に閉断面を形成する長尺状のリブのことを言う。

上記のような構成を有する橋梁１では、例えば、橋梁１上を自動車８が通過することによって、鋼床版２において疲労亀裂が発生する場合がある。この疲労亀裂は、例えば、デッキプレート３と縦リブ６との接合部９において発生する。以下、接合部９における疲労亀裂の発生態様について説明する。

図２は、デッキプレート３と側壁部６ｂとの接合部９を示す拡大図である。図２に示すように、側壁部６ｂをデッキプレート３に溶接する際には、例えば、側壁部６ｂの先端部のうち外側の部分６ｄが溶接ビード（溶接部）１０を介してデッキプレート３に接合される。通常、溶接ビード１０の溶け込み量は、縦リブ６の厚みの７５％が基準とされており、側壁部６ｂの先端部のうち内側の部分６ｅはデッキプレート３に接合されない。このため、デッキプレート３と溶接ビード１０と部分６ｅとの間に、切欠き状の空間１１（以下、不溶着部１１という。）が形成される。このような接合部９では、溶接ビード１０の近傍において、溶接時の膨張および溶接後の収縮によって、引張りの残留応力が発生している。

ここで、自動車８が橋梁１上を通過すると、デッキプレート３に荷重が加わり、デッキプレート３が撓む。これにより、デッキプレート３と溶接ビード１０との境界部および側壁部６ｂと溶接ビード１０との境界部に、曲げ応力および引張応力が発生する。これらの応力の内、橋梁１の幅方向（左右方向）の引張応力が上述の残留応力に重畳されることにより、溶接ビード１０の近傍では大きな引張応力が発生しやすい。そして、複数の自動車８が通過することによって、上記荷重がデッキプレート３に繰り返し加わると、デッキプレート３と溶接ビード１０との境界部近傍および側壁部６ｂと溶接ビード１０との境界部近傍において疲労亀裂が発生する場合がある。例えば、溶接ビード１０のデッキプレート３側の止端１２または側壁部６ｂ側の止端１３に疲労亀裂が発生したり、デッキプレート３側のルート部１４に疲労亀裂が発生したりする。これにより、鋼床版２の強度が低下するおそれがある。

ところで、鋼床版２では、止端１２および止端１３は、縦リブ６の外側に位置する。このため、止端１２および止端１３において発生した疲労亀裂は、橋梁１の点検時等に、作業者によって発見されやすい。この場合、疲労亀裂が発生した部分を早期に補修することができるので、鋼床版２の強度低下を防止しやすい。

一方、ルート部１４は、縦リブ６の外側からは目視できない位置にあるので、ルート部１４において発生した疲労亀裂を作業者が発見することは難しい。また、仮に、ルート部１４に疲労亀裂が発生していることを発見できたとしても、ルート部１４を縦リブ６の外側から補修することは難しい。このため、ルート部１４に疲労亀裂が発生した場合は、縦リブ６の内側からルート部１４を補修する必要があり、疲労亀裂の補修に時間および労力を要する。

そこで、従来、ルート部１４において疲労亀裂が発生することを防止するための技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、ピーニング施工方法が記載されている。特許文献１に記載された方法では、Ｕリブ（縦リブ）を用いた鋼床版において、ピーニング工具によってデッキプレートの上面に打撃を与える。特許文献１には、上記のように打撃を与えることによって、Ｕリブの内側の部分に圧縮残留ひずみを与えることができると記載されている。特許文献１に記載された方法では、上記のようにして圧縮残留応力を与えることによって、Ｕリブの内側の部分に発生した疲労亀裂の進展を抑制していると考えられる。

特開２０１４−１７２０４３号公報

しかしながら、上記の方法では、デッキプレートの上面側をピーニング工具によって打撃するので、デッキプレートの下面側に十分な大きさの圧縮残留応力を与えることは難しい。この場合、疲労亀裂の進展または疲労亀裂の発生を十分に抑制できない。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、鋼床版において、閉断面リブとデッキプレートとを接合する溶接部のルート部に疲労亀裂が発生することを抑制するのに適した方法を提供することを目的としている。

本発明は、下記の鋼床版の疲労亀裂発生抑制方法および製造方法を要旨とする。

（１）上面および下面を有するデッキプレートと、前記デッキプレートの前記下面に溶接され、前記デッキプレートの前記下面との間で閉断面を形成する長尺状の縦リブとを備えた鋼床版の疲労亀裂発生抑制方法であって、
流体を充填することによって膨張する容器を前記縦リブの内側に配置し、前記容器内に流体を充填することによって前記容器を膨張させ、前記容器から前記縦リブに内圧を加える、圧力工程と、
前記圧力工程において前記容器内に充填された前記流体を前記容器から排出する、除荷工程と、
を備える、疲労亀裂発生抑制方法。

（２）前記縦リブの長さ方向に垂直な断面において、前記縦リブの内面には、所定の曲率半径の円弧部が設けられ、
前記容器は、前記流体が充填された状態において、前記所定の曲率半径以下の円弧形状に変形可能である、上記（１）に記載の疲労亀裂発生抑制方法。

（３）前記デッキプレート、および前記縦リブの材料は、降伏応力が３００〜６００ＭＰａの鋼材であり、
前記圧力工程において前記容器内の流体の圧力は１．５ＭＰａ以下である、上記（１）または（２）に記載の疲労亀裂発生抑制方法。

（４）上面および下面を有するデッキプレートと、前記デッキプレートの前記下面に溶接され、前記デッキプレートの前記下面との間で閉断面を形成する長尺状の縦リブとを備えた基材に対して、上記（１）から（３）のいずれかに記載の疲労亀裂発生抑制方法を実施して鋼床版を得る、鋼床版の製造方法。

本発明によれば、鋼床版において、閉断面リブとデッキプレートとを接合する溶接部のルート部に疲労亀裂が発生すること、およびルート部に疲労亀裂が発生した場合にその疲労亀裂が進展することを抑制することができる。

図１は、鋼床版を備えた橋梁の一例を示す図である。 図２は、縦リブと側壁部との接合部を示す拡大図である。 図３は、本実施形態に係る疲労亀裂発生抑制方法が適用される鋼床版を示す図である。 図４は、本実施形態に係る疲労亀裂発生抑制方法を説明するための図である。 図５は、本実施形態に係る疲労亀裂発生抑制方法を説明するための図である。 図６は、本実施形態に係る抑制方法の作用効果を説明するための図である。 図７は、本実施形態に係る疲労亀裂発生抑制方法の他の利用例を説明するための図である。 図８は、Ｕリブを備えた鋼床版の解析モデルを示す図である。 図９は、解析結果を示すグラフである。 図１０は、解析結果を示すグラフである。 図１１は、解析結果を示すグラフである。 図１２は、解析結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る鋼床版の疲労亀裂発生抑制方法および製造方法について説明する。なお、本明細書において疲労亀裂発生抑制とは、疲労亀裂が新たに発生することを抑制するだけではなく、既に存在している疲労亀裂がさらに進展して拡大することを抑制することも意味する。

（疲労亀裂発生抑制方法）
まず、本発明の一実施形態に係る疲労亀裂発生抑制方法（以下、単に抑制方法ともいう。）について説明する。本実施形態に係る抑制方法は、主桁および横リブが設けられる前の鋼床版に対して実施してもよく、主桁および横リブが設けられた後の鋼床版に対して実施してもよい。

図３は、本実施形態に係る抑制方法が適用される鋼床版を示す図である。また、図４および図５は、本実施形態に係る抑制方法を説明するための図である。なお、図３および図４において、（ａ）は鋼床版を示す側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

図３に示すように、本実施形態に係る鋼床版２０は、上述のデッキプレート３および上述の縦リブ６を有している。本明細書では、デッキプレートの厚み方向と縦リブの長さ方向とに直交する方向を、縦リブおよび鋼床版の幅方向とする。図３（ｂ）において“Ｌ”は、デッキプレート３の厚み方向における縦リブ６の長さを示している。なお、橋梁等において鋼床版２０が使用される際に、デッキプレート３の第１面３ａは上面となる面であり、第２面３ｂは下面となる面である。

上述したように、縦リブ６は、幅方向に延びる底部６ａと、底部６ａの左右方向における両端部から上方に延びる一対の側壁部６ｂ，６ｃとを有する。縦リブ６の長さ方向に垂直な断面において、縦リブ６の内面には、曲率半径Ｒ１の円弧部６ｄおよび曲率半径Ｒ２の円弧部６ｅが設けられている。円弧部６ｄは、底部６ａと側壁部６ｂとの境界部に設けられ、円弧部６ｅは、底部６ａと側壁部６ｃとの境界部に設けられている。本実施形態では、曲率半径Ｒ１と曲率半径Ｒ２とは略等しい。

側壁部６ｂ，６ｃそれぞれの先端部（デッキプレート３側の端部）は、溶接ビード１０によってデッキプレート３の第２面３ｂに接合されている。本実施形態では、上述したように、縦リブ６は、デッキプレート３に溶接されることで、デッキプレート３との間に閉断面を形成する閉断面リブである。

また、縦リブ６は、いわゆるＵリブである。本明細書においてＵリブとは、長さ方向に垂直な断面において、幅方向に延びる底部と、幅方向における底部の両端部から幅方向における互いの間隔が漸次大きくなるようにデッキプレートに向かって直線状に延びる一対の側壁部とを有するリブのことを言う。

本実施形態に係る抑制方法では、下記の圧力工程および除荷工程が順に実施される。以下、各工程について説明する。

（圧力工程）
図４に示すように、圧力工程では、まず、縦リブ６の内側に容器２６を配置する。本実施形態では、容器２６は、長尺形状を有する。本実施形態では、縦リブ６の長さ方向において、容器２６の長さは、縦リブ６よりも長い。本実施形態では、容器２６の両端部が縦リブ６の両端部から突出するように、縦リブ６内に容器２６が挿入されている。

容器２６には、供給装置２８が接続されている。供給装置２８は、例えばポンプを含み、容器２６に流体を供給することができ、かつ容器２６内の流体の圧力を調整できるように構成されている。容器２６は、内部に流体が充填されることによって膨張するように形成されている。容器２６の素材としては、例えば、消防用ホース（ジャケットホース）の素材を用いることができる。また、補強糸入りの樹脂材料（例えば、補強糸入り樹脂製ホース）を、容器２６の素材として用いてもよい。

図５に示すように、本実施形態では、圧力工程において、供給装置２８によって容器２６内に流体３０が充填される。流体３０としては、例えば、水または油等の非圧縮性流体を用いることができる。容器２６内に流体３０が充填されることによって、容器２６が膨張し、容器２６から縦リブ６に内圧が加えられる。これにより、図５に示すように、縦リブ６は、外側に膨らむように変形する。なお、図５においては、内圧が加えられる前の縦リブ６の外面の位置を破線で示している。

本実施形態では、圧力工程において、溶接ビード１０のデッキプレート３側のルート部１４の近傍を塑性変形させるように、容器２６から鋼床版２０に内圧を加える。

なお、縦リブ６の変形量が大きくなり過ぎると、鋼床版２０の剛性が低下したり、鋼床版２０の施工性が低下したりするおそれがある。このため、圧力工程において縦リブ６に与えられるひずみの最大値は、５％以下であることが好ましい。縦リブ６に与えられるひずみは、縦リブ６の長さ方向に垂直な面内における縦リブ６の外面の変形量に基づいて算出することができる。本実施形態では、例えば、画像相関法（Digital Image Correlation）を用いて、縦リブ６の外面全体のひずみを測定する。そして、縦リブ６に与えられるひずみの最大値が５％を超えないように、容器２６内の流体３０の圧力が調整される。本実施形態では、縦リブ６のひずみは、例えば、１ｍｍ間隔で測定される。

なお、図３に示すように、本発明者らのこれまでの研究により、縦リブ６のひずみは、デッキプレート３からデッキプレート３の厚み方向にＬ／２離れた位置の近傍の領域３２ａ，３２ｂにおいて大きくなりやすいことが分かっている。したがって、側壁部６ｂの外面または側壁部６ｃの外面のうち、デッキプレート３から上記厚み方向にＬ／２離れた位置の近傍の領域３２ａ，３２ｂのひずみを測定しつつ、ひずみが５％以下になるように流体３０の圧力を調整してもよい。

なお、縦リブ６の変形量が大きくなり過ぎることを防止するためには、圧力工程において容器２６内の流体３０の圧力を、１．５ＭＰａ以下に調整することが好ましい。一方、圧力工程における縦リブ６の変形量が小さ過ぎると、後述する本実施形態の効果が十分に得られないおそれがある。このため、圧力工程において容器２６内の流体３０の圧力は、０．１ＭＰａ以上に調整することが好ましい。

本実施形態では、縦リブ６の長さ方向に垂直な断面において、容器２６は、流体３０が充填された状態において、曲率半径Ｒ１，Ｒ２以下の円弧形状に変形できるように形成されている。これにより、図５に示すように、容器２６を円弧部６ｄ，６ｅに適切に接触させることができ、側壁部６ｂ，６ｃに適切に内圧を与えることができる。

なお、図５に示すように、容器２６を側壁部６ｂ，６ｃの先端部（デッキプレート３側の端部）の近傍の領域３４ａ，３４ｂ（以下、非接触領域３４ａ，３４ｂと記載する。）に接触させることは難しい。容器２６から側壁部６ｂ，６ｃに効率よく内圧を与えるためには、非接触領域３４ａ，３４ｂを小さくすることが好ましいと考えられる。そのためには、容器２６は、流体３０が充填された状態において、可能な限り小さい曲率半径の円弧形状に変形できるように形成されていることが好ましい。

（除荷工程）
除荷工程では、圧力工程において容器２６内に充填された流体３０を容器２６から排出する。これにより、容器２６から縦リブ６に与えられていた内圧が除かれる。その結果、鋼床版２０は、圧力工程前の鋼床版２０の形状に戻るように変形する。なお、本実施形態では、上述のように、圧力工程においてルート部１４の近傍を塑性変形させている。そのため、除荷工程後の鋼床版２０は、圧力工程前の鋼床版２０の形状に完全には戻らない。

なお、圧力工程および除荷工程は繰り返し実行してもよい。

（作用効果）
図６は、本実施形態に係る抑制方法の作用効果を説明するための図である。上述したように、溶接ビード１０のデッキプレート３側のルート部１４近傍においては、溶接時の膨張および溶接後の収縮によって、引張の残留応力が発生している。この状態で、上述の圧力工程を実施することによって、縦リブ６に内圧が与えられ、縦リブ６が外側に膨らむように変形する。これにより、縦リブ６の側壁部６ｂ，６ｃは、縦リブ６の外側に向かって移動しようとする。その結果、溶接ビード１０が縦リブ６の外側に向かって引っ張られ、ルート部１４近傍の引張応力は一時的に大きくなる。

その後、除荷工程を実施することによって、縦リブ６に付与されている内圧が除かれ、側壁部６ｂ，６ｃは、縦リブ６の内側に向かって移動しようとする。これにより、溶接ビード１０が縦リブ６の内側に向かって押し付けられる。すなわち、いわゆるスプリングバックの効果が生じる。これにより、ルート部１４近傍に圧縮方向の力を加えることができる。その結果、ルート部１４近傍の引張残留応力を低減できる、またはルート部１４近傍に圧縮残留応力を発生させることができる。これにより、例えば、鋼床版２０に荷重が繰り返し加わった場合でも、ルート部１４の近傍において大きな引張応力が発生することを防止することができる。その結果、ルート部１４の近傍において疲労亀裂が発生することを抑制することができる。また、ルート部１４の近傍に疲労亀裂が既に発生している場合には、その亀裂先端の引張残留応力を低減できる、または亀裂先端に圧縮残留応力を発生させることができるので、疲労亀裂が進展することを抑制することができる。

なお、ルート部１４近傍に圧縮方向の力を加えるために側壁部６ｂ，６ｃを縦リブ６の外側に移動させる方法としては、上記の圧力工程以外にも、押圧装置を用いる方法が考えられる。具体的には、縦リブ６の内側に押圧装置を配置し、該押圧装置によって縦リブ６の内側から側壁部６ｂ，６ｃを外側に押圧する方法が考えられる。この方法では、例えば、押圧装置を縦リブ６の長さ方向に移動させつつ、該長さ方向における複数の位置において押圧装置によって側壁部６ｂ，６ｃを押圧することによって、ルート部１４近傍に圧縮方向の力を加えることができる。しかしながら、この方法では、縦リブ６の長さ方向における全域の処理を完了するまでにある程度の時間を要する。また、押圧装置を適切に制御できなければ、縦リブ６の長さ方向における位置によって、側壁部６ｂ，６ｃの外側への変形量が変化する場合がある。この場合、縦リブ６の長さ方向における位置によっては、ルート部１４近傍に圧縮方向の力を適切に加えることができないおそれがある。

一方、本実施形態では、縦リブ６に挿入された容器２６に流体３０を供給することによって、縦リブ６に内圧を加えることができる。このため、適切な長さの容器２６を用いることによって、一度の処理（圧力工程）で縦リブ６の十分な長さの領域に均一な内圧を加えることができる。これにより、少ない処理回数で、縦リブ６の長さ方向における全域に亘って、側壁部６ｂ，６ｃを外側へ向かって適切な変形量で変形させることができる。その結果、短時間で、縦リブ６の長さ方向における全域においてルート部１４近傍に圧縮方向の力を適切に加えることができる。

（変形例）
上述の実施形態では、Ｕリブを備えた鋼床版において抑制方法を実施する場合について説明したが、上述の抑制方法が適用される鋼床版は、Ｕリブを備えた鋼床版に限定されない。

図７は、本実施形態に係る抑制方法の他の利用例を説明するための図である。なお、図７（ａ）は鋼床版を示す側面図であり、図７（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

図７に示す鋼床版４０は、上述のデッキプレート３と、デッキプレート３に溶接された縦リブ４２とを有している。なお、図７（ｂ）において“Ｌ”は、デッキプレート３の厚み方向における縦リブ４２の長さを示している。

縦リブ４２は、いわゆるＶリブであり、底部４２ａと、一対の側壁部４２ｂ，４２ｃとを有する。なお、本明細書においてＶリブとは、長さ方向に垂直な断面において、デッキプレートの厚み方向においてデッキプレートの第２面から離れる方向に向かって凸となるように円弧状に湾曲する底部と、幅方向における底部の両端部から幅方向における互いの間隔が漸次大きくなるようにデッキプレートに向かって直線状に延びる一対の側壁部とを有するＶ字形状のリブのことを言う。

縦リブ４２の長さ方向に垂直な断面において、縦リブ４２の内面には、所定の曲率半径の円弧部４２ｄが設けられている。本実施形態では、円弧部４２ｄは、底部４２ａの内面である。側壁部４２ｂ，４２ｃそれぞれの先端部（デッキプレート３側の端部）は、溶接ビード１０によってデッキプレート３の第２面３ｂに接合されている。

図７に示すように、鋼床版４０において抑制方法を実施する際にも、上述の実施形態と同様に、縦リブ４２の内側に容器２６を配置し、供給装置２８によって容器２６に流体３０を充填することによって、容器２６から縦リブ４２に内圧を加える（圧力工程）。これにより、縦リブ４２は、外側に膨らむように変形する。なお、本実施形態では、縦リブ４２の長さ方向に垂直な断面において、容器２６は、流体３０が充填された状態において、円弧部４２ｄの曲率半径以下の円弧形状に変形できるように形成されている。これにより、図７に示すように、容器２６を円弧部４２ｄに適切に接触させることができ、側壁部６ｂ，６ｃに適切に内圧を与えることができる。

なお、上述の実施形態と同様に、圧力工程において縦リブ４２に与えられるひずみの最大値は、５％以下であることが好ましい。縦リブ４２に与えられるひずみは、縦リブ４２の長さ方向に垂直な面内における縦リブ４２の外面の変形量に基づいて算出することができる。上述の実施形態と同様に、圧力工程では、例えば、画像相関法（ＤＩＣ）を用いて、縦リブ４２の外面全体のひずみを測定しつつ、縦リブ４２に与えられるひずみの最大値が５％を超えないように、容器２６内の流体３０の圧力が調整される。縦リブ４２のひずみは、例えば、１ｍｍ間隔で測定される。

なお、鋼床版４０においても、鋼床版２０の場合と同様に、側壁部４２ｂの外面または側壁部４２ｃの外面のうち、デッキプレート３からデッキプレート３の厚み方向にＬ／２離れた位置の近傍の領域のひずみを測定しつつ、ひずみが５％以下になるように流体３０の圧力を調整してもよい。

本実施形態においても、縦リブ４２の変形量が大きくなり過ぎることを防止するためには、圧力工程において容器２６内の流体３０の圧力を、１．５ＭＰａ以下に調整することが好ましい。一方、本実施形態に係る抑制方法の効果を十分に得るためには、圧力工程における容器２６内の流体３０の圧力は、０．１ＭＰａ以上に調整することが好ましい。

最後に、上述の実施形態と同様に、圧力工程において容器２６内に充填された流体３０を容器２６から排出する（除荷工程）。これにより、容器２６から縦リブ４２に与えられていた内圧が除かれる。

詳細な説明は省略するが、上記のように鋼床版４０において抑制方法を実施する場合にも、上述の鋼床版２０において抑制方法を実施する場合と同様にスプリングバックの効果が生じる。これにより、溶接ビード１０のデッキプレート３側のルート部１４の近傍に圧縮方向の力を加えることができる。その結果、ルート部１４近傍の引張残留応力を低減できる、またはルート部１４近傍に圧縮残留応力を発生させることができる。その結果、ルート部１４の近傍において疲労亀裂が発生することを抑制することができる。

（鋼床版の製造方法）
なお、上述の抑制方法は、橋梁等の一部として利用されている鋼床版に対して実施してもよく、鋼床版の製造過程において実施してもよい。上述の抑制方法を鋼床版の製造過程において利用する場合には、まず、デッキプレートに縦リブが溶接された構成を有する基材を準備する。基材としては、例えば、上述の抑制方法を実施する前の鋼床版２０，４０（図３，図７参照）を用いることができる。したがって、基材は、従来の鋼床版を製造する際に利用される公知の製造方法によって製造することができる。準備した基材を、例えば、デッキプレート３の第１面３ａが下方を向き、第２面３ｂが上方を向くように作業台（図示せず）上に置き、上述の圧力工程および除荷工程を順に実施する。これにより、疲労亀裂の発生および進展が抑制された鋼床版を製造することができる。なお、詳細な説明は省略するが、デッキプレート３の第１面３ａが上方を向き、第２面３ｂが下方を向くように基材を配置して、上述の圧力工程、および除荷工程を順に実施してもよい。

（シミュレーションに基づく検討）
以下、有限要素法を用いたシミュレーション結果とともに、本発明の効果を説明する。本発明者らは、図８に示すように、縦リブ６としてＵリブを備えた上述の鋼床版２０に対応する解析モデル５０を作成して、ＦＥＭ解析を行った。なお、説明を簡便にするために、解析モデル５０の各構成要素には、鋼床版２０の対応する構成要素と同一の名称および符号を付している。図８において、（ａ）は解析モデルを示す図であり、（ｂ）は解析モデルにおいて接合部９に相当する部分の拡大図である。

解析モデル５０は、４節点の２次元平面ひずみ要素を用いて作成した。解析モデル５０の縦リブ６の円弧部６ｄ（底部６ａと側壁部６ｂとの境界部の内面）の曲率半径Ｒ１は、４０ｍｍとした。側壁部６ｂの外面とデッキプレート３の第２面３ｂとがなす角は、１１３°とした。なお、図８（ａ）においては、解析モデル５０の拘束方向を三角形の記号で示している。また、解析モデル５０では、不溶着部１１を切欠き状に形成した。

ＦＥＭ解析では、デッキプレート３、縦リブ６および溶接ビード１０の材料としてＳＭ４９０Ｂ（ＪＩＳ Ｇ３１０６ ２０１５）を用いたと仮定し、その応力−ひずみ線図を用いた。ＳＭ４９０Ｂの降伏応力は４５２ＭＰａ、ヤング率は２０６ＧＰａ、ポアソン比は０．３にそれぞれ設定し、等方硬化則に従ってＦＥＭ解析を行った。

ＦＥＭ解析では、まず、圧力工程における内圧の影響を調査するために、縦リブ６の内面（非接触領域３４ａを含む。）およびデッキプレート３の第２面３ｂのうち溶接ビード１０よりも内側の部分に、内圧を付与した。なお、不溶着部１１には内圧を付与していない。その後、上述の除荷工程を想定して、縦リブ６およびデッキプレート３に付与されていた内圧を除去した。

図９〜図１１に、解析モデル５０を用いたＦＥＭ解析の結果を示す。具体的には、図９は、圧力工程および除荷工程において解析モデル５０に付与されている内圧と、溶接ビード１０のデッキプレート３側のルート部１４に生じる応力との関係を、解析モデル５０に付与される内圧の最大値ごとに示したグラフである。図１０は、圧力工程において解析モデルに付与された内圧の最大値と、除荷工程後にルート部１４に生じている応力との関係を示した図である。図１１は、圧力工程において解析モデルに付与された内圧の最大値と、縦リブに生じた最大相当塑性ひずみとの関係を示した図である。なお、詳細な説明は省略するが、相当塑性ひずみは、縦リブ６の中央部（デッキプレート３の厚み方向における中央部）において最大となった。

なお、本解析では、不溶着部１１の先端近傍において縦リブ６の幅方向に生じている応力を、ルート部１４において生じている応力とした。図９以降の各図において、ルート部１４に生じる応力が正の値の場合は、ルート部１４に引張応力が発生していることを示し、負の値の場合は、ルート部１４に圧縮応力が発生していることを示す。

図９に示した結果から分かるように、圧力工程において縦リブ６およびデッキプレート３に付与される内圧が増加することにより、ルート部１４に引張応力が生じる。縦リブ６およびデッキプレート３に付与される内圧がさらに増加し、ルート部１４近傍が塑性変形し始めると、引張応力の増加量は減少する。その後、除荷工程において、内圧が減少するのに従ってルート部１４の引張応力も減少する。内圧がさらに減少することによって、ルート部１４には圧縮応力が生じる。

上記の解析結果から、縦リブ６とデッキプレート３との溶接時にルート部１４に引張の残留応力が発生していたとしても、上述の圧力工程および除荷工程を実行することにより、ルート部１４に、圧縮方向の力を加えることができることが分かった。すなわち、本発明に係る疲労亀裂発生抑制方法を実施することによって、ルート部１４近傍の引張残留応力を低減できる、またはルート部１４近傍に圧縮残留応力を発生させることができることが分かった。この効果によって、本発明によれば、疲労亀裂が進展することを抑制することができる。

なお、図１０に示した結果から、圧力工程において、０．１ＭＰａ以上の内圧を縦リブ６に付与することによって、ルート部１４に十分な大きさの圧縮方向の力を加えることができることが分かる。また、図１１に示した結果から、圧力工程において縦リブ６に加える内圧を１．５ＭＰａ以下に設定することによって、縦リブ６の変形量が大きくなり過ぎることを十分に抑制できることが分かる。

次に、本発明者らは、上述の解析モデル５０を用いて、流体が充填された際に容器２６が変形可能な最小曲率半径と、除荷工程後にルート部１４に生じる応力との関係を調査した。具体的には、容器２６の変形可能な最小曲率半径を、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍおよび６０ｍｍに設定し、上述の解析と同様に、圧力工程および除荷工程を実施した。ただし、容器２６の変形可能な最小曲率半径に基づいて、デッキプレート３および縦リブ６のうち容器２６に接触しない領域（非接触領域）を規定し、非接触領域には内圧を付与しなかった。また、圧力工程において解析モデル５０に付与される内圧の最大値は、１．５ＭＰａとした。図１２に解析結果を示す。なお、図１２においては、非接触領域を規定しなかった場合の解析結果を、最小曲率半径が０ｍｍの場合の解析結果として示している。

図１２に示した結果から、容器２６の変形可能な最小曲率半径が小さい程、ルート部１４に大きな圧縮応力が生じることが分かる。なお、図１２に示すように、最小曲率半径が４０ｍｍ以下の場合には、最小曲率半径が５０ｍｍおよび６０ｍｍの場合に比べて、ルート部１４に生じる圧縮応力が十分に大きくなった。ここで、容器２６の最小曲率半径が５０ｍｍおよび６０ｍｍの場合には、容器２６と曲率半径が４０ｍｍの円弧部６ｄとの間に隙間が生じてしまう。一方、容器２６の最小曲率半径が４０ｍｍ以下の場合には、容器２６と曲率半径が４０ｍｍの円弧部６ｄとの間に隙間が生じない。すなわち、容器２６の最小曲率半径が４０ｍｍ以下の場合には、容器２６を円弧部６ｄの全域に接触させることができ、容器２６から縦リブ６に適切に内圧を付与することができる。これにより、最小曲率半径が４０ｍｍ以下の場合には、最小曲率半径が５０ｍｍおよび６０ｍｍの場合に比べて、ルート部１４に生じる圧縮応力が十分に大きくなったと考えられる。この結果から、容器の最小曲率半径は、縦リブの内面に設けられた円弧部の曲率半径以下であることが好ましいと考えられる。

以上の実施例では、デッキプレート３、および縦リブ６，４２の材料として降伏応力が３００〜６００ＭＰａの中程度の強度を有した鋼材：ＳＭ４９０Ｂ（ＪＩＳ Ｇ３１０６ ２０１５）を用いたと仮定したが、これよりも高強度鋼（例えば引張強度：９８０ＭＰａ級の鋼材）を用いた場合、圧力工程において縦リブに加える内圧を大きくすることもある。その際は、圧力工程によって縦リブに付与される塑性ひずみ量（５％以下）を考慮して最大圧を適宜設定すれば良い。また、溶接ビード１０の材料として、同様にＳＭ４９０Ｂ（ＪＩＳ Ｇ３１０６ ２０１５）を用いたと仮定しているが、鋼床版２として実用可能な範囲でデッキプレート３、および縦リブ６，４２等の材料特性に基づいて溶接ビード１０の材料を選択することができる。なお、デッキプレート３および縦リブ６，４２として用いられる鋼材の降伏応力は、例えば、鋼材の圧延方向に直角の方向が引張方向となるようにＪＩＳ５号引張試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１）に準じて引張試験を実施することによって測定される。

本発明によれば、鋼床版において、閉断面リブとデッキプレートとを接合する溶接部のルート部に疲労亀裂が発生すること、およびルート部に疲労亀裂が発生した場合にその疲労亀裂が進展することを抑制することができる。

１ 橋梁
２ 鋼床版
３ デッキプレート
３ａ 上面
３ｂ 下面
４ 主桁
５ 横リブ
６，４２ 縦リブ
６ａ，４２ａ 底部
６ｂ，６ｃ，４２ｂ，４２ｃ 側壁部
６ｄ，６ｅ，４２ｄ 円弧部
７ 舗装材
８ 自動車
９ 接合部
１０ 溶接ビード（溶接部）
１１ 不溶着部
１２，１３ 止端
１４ ルート部
２０，４０ 鋼床版
２６ 容器
２８ 供給装置
３０ 流体
５０ 解析モデル

Claims (4)

1. 上面および下面を有するデッキプレートと、前記デッキプレートの前記下面に溶接され、前記デッキプレートの前記下面との間で閉断面を形成する長尺状の縦リブとを備えた鋼床版の疲労亀裂発生抑制方法であって、
   流体を充填することによって膨張する容器を前記縦リブの内側に配置し、前記容器内に流体を充填することによって前記容器を膨張させ、前記容器から前記縦リブに内圧を加える、圧力工程と、
   前記圧力工程において前記容器内に充填された前記流体を前記容器から排出する、除荷工程と、
   を備える、疲労亀裂発生抑制方法。
2. 前記縦リブの長さ方向に垂直な断面において、前記縦リブの内面には、所定の曲率半径の円弧部が設けられ、
   前記容器は、前記流体が充填された状態において、前記所定の曲率半径以下の円弧形状に変形可能である、請求項１に記載の疲労亀裂発生抑制方法。
3. 前記デッキプレート、および前記縦リブの材料は、降伏応力が３００〜６００ＭＰａの鋼材であり、
   前記圧力工程において前記容器内の流体の圧力は１．５ＭＰａ以下である、請求項１または２に記載の疲労亀裂発生抑制方法。
4. 上面および下面を有するデッキプレートと、前記デッキプレートの前記下面に溶接され、前記デッキプレートの前記下面との間で閉断面を形成する長尺状の縦リブとを備えた基材に対して、請求項１から３のいずれかに記載の疲労亀裂発生抑制方法を実施して鋼床版を得る、鋼床版の製造方法。
   

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