JP4545032B2 - コンクリート床版の損傷判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼桁に固定されたコンクリート床版の損傷を判定するコンクリート床版の損傷判定方法に関する。

橋梁等に用いられているコンクリート床版は、交通量の増加や車両の大型化等により疲労損傷が発生し、塩害や中性化、凍害、アルカリ骨材反応等を要因とする耐久性の低下や早期劣化等による損傷欠陥等が発生する。コンクリート床版の検査方法としては、打音法、超音波法、電磁誘導法、電磁波法及び放射法等の非破壊検査方法が従来より適用されている。

超音波法を適用したコンクリート床版の非破壊検査方法としては、例えば特許文献１に例示されているように、超音波からなる信号波をコンクリート床版へ向けて発信させ、このコンクリート床版内部を伝達した信号波を受信装置により受信し、その受信装置による受信信号の波形に基づいて制御装置でコンクリート床版の劣化程度を判断する。これにより、短時間のうちにコンクリート床版の打ち換えが必要か否かを調査することが可能となり、さらに調査に要する費用をも低減することが可能となる。

また床版部を検査する際に、床版部の上部に敷設される舗装体の熱を利用して、熱赤外線センサにより床版部表面の温度分布を測定する。そして、この測定した温度分布に基づいて、床版部を精度よく合理的に非破壊検査することが可能な検査方法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

さらに、床版の支間中央部の重たわみ差と床版支間長の比から、重たわみ差を変数とする劣化度係数を求め、求めた劣化度係数と床版の終局状態における劣化度係数から、両係数の比である無次元剛性比を求め、これを基準として床版の健全度を評価する健全度評価方法も提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
特開平６−１４８１４７号公報 特開２００３−２４７９６４号公報 特開２００２−９０２５６号公報

しかしながら、上述した従来の検査方法では、コンクリート床版が構築された時点から継続的な調査を続ける上でコストが増大してしまい、また調査に多くの時間を費やしてしまうという問題点があった。

本発明は、このような問題点に鑑みて案出されたものであり、床版と主桁の合成効果に着目し、簡便な計測方法を適用することにより、コンクリート床版の損傷を判定する際における時間やコストを抑えることが可能なコンクリート床版の損傷判定方法を提供することにある。

本発明者は、上述した問題点を解決するために、鋼桁側面に貼り付けられた歪ゲージに基づいて当該鋼桁における歪み量を測定し、測定した上記歪み量に基づいて鋼桁並びにコンクリート床版とを含む構造物全体の現時点における中立軸の高さを算出し、算出した中立軸の高さと構造物全体につき予め算出した中立軸の高さとを比較し、比較結果に基づいてコンクリート床版の損傷状況を判定するコンクリート床版の損傷判定方法を発明した。

即ち、本発明を適用したコンクリート床版の損傷判定方法は、鋼桁に固定されたコンクリート床版の損傷を判定するコンクリート床版の損傷判定方法において、鋼桁側面に貼り付けられた歪ゲージに基づいて当該鋼桁における歪み量を測定し、測定した歪み量に基づいて鋼桁並びにコンクリート床版とを含む構造物全体の現時点における中立軸の高さを算出し、算出した中立軸の高さと構造物全体につき予め算出した中立軸の高さとを比較し、比較結果に基づいてコンクリート床版の損傷状況を判定する。

本発明は、鋼桁側面に貼り付けられた歪ゲージに基づいて当該鋼桁における歪み量を測定し、測定した上記歪み量に基づいて鋼桁並びにコンクリート床版とを含む構造物全体の現時点における中立軸の高さを算出し、算出した中立軸の高さと構造物全体につき予め算出した中立軸の高さとを比較し、比較結果に基づいてコンクリート床版の損傷状況を判定する。

これにより、本発明では、コンクリート床版２の損傷状況を識別することも可能となる。特に本発明では、従来の如くコンクリート床版に対して各種センサを取り付けることなく、鋼桁に歪みゲージを貼り付けるのみで損傷状況を簡単に識別することができ、労力やコストを軽減させることができる。また、本発明では、鋼桁に歪みゲージを貼り付けるのみで継続的な損傷状況の調査をも容易に行うことができる点においても有用といえる。

本発明を適用した損傷判定方法は、例えば橋桁等に配設されるコンクリート床版におけるひび割れを検出することにより、当該コンクリート床版の損傷を判定する。

図１は、損傷を判定すべきコンクリート床版２が配設される合成桁１を示している。この合成桁１は、上記コンクリート床版２を鋼桁３に固定することにより製作される。鋼桁３は、上フランジ１１ａと、ウェブ１２と、下フランジ１１ｂとからなる断面Ｈ型の鋼材である。

コンクリート床版２は、枠型鉄筋１３を型枠内に配設してコンクリート６９を打設することにより形成される。このコンクリート床版２の上面１２ａには、図示しないアスファルトを敷設することにより車両や人が通行するための橋床が構成されることになる。また、このコンクリート床版２の下部には、上フランジ１１ａが取り付けられている。

枠型鉄筋１３は、１本の鉄筋材につき折り曲げ加工を複数回施すことにより構成される。この枠型鉄筋１３は、枠形鉄筋縦中心線８から右側に向かって斜め上向きに延長する上側傾斜鉄筋３１と、枠形鉄筋縦中心線８から左側に向かって斜め上向きに延長する上側傾斜鉄筋３７と、枠形鉄筋縦中心線８を跨いで水平方向へ延長され、両端が上側傾斜鉄筋３１、３７に連結される下端部横鉄筋３８が一体的に形成されている。また、右側端部から立ち上がる上端側部縦鉄筋３３と、その上端部から左側に向かって枠形鉄筋縦中心線８を越えて水平に延長する上端横鉄筋３４と、その左端部から下降する上端側部縦鉄筋３５と、その下端部から右側に向かって水平方向へ延長される水平鉄筋３６とが一体的に形成されている。これら各鉄筋は、図示しない結束線により互いに結束されていてもよい。また、この枠型鉄筋１３に沿って、かつ鋼桁３の部材軸方向（図１における紙面垂直方向）に平行な方向に延長するように鉄筋３９が埋設される。

このような構成からなる合成桁１におけるコンクリート床版２の損傷をいかなるコンセプトに基づいて判定するかにつき、説明をする。

図２は、上記合成桁１における載荷荷重と鉛直変位との関係につき載荷実験を行うことにより明らかにしたものである。漸増繰り返し荷重が負荷された場合における合成桁１中央位置において、載荷荷重に対する鉛直変位の関係は、ほぼ線形的に推移している。

また、図３に示す曲げモーメントに対する鉛直変位の関係を示している。この図３における縦軸は、作用曲げモーメントＭを鋼桁３のみの断面で算出した降伏モーメントＭｙで無次元化した値であり、横軸は、変位δを降伏変位δｙで無次元化した値である。

次に、合成桁１につきA)鋼桁３とコンクリート床版２とにより構成した場合、B)鋼桁３と枠型鉄筋１３並びに鉄筋３９で構成した場合、C)鋼桁３のみで構成した場合の３通りにつき、Ｍ／Ｍｙに対するδ／δｙの関係を求め、これを図３に当てはめる。さらに、実際に上記合成桁１に対して載荷実験を行うことにより求めたＭ／Ｍｙに対するδ／δｙの関係を実験値として図３にプロットしていく。

その結果、合成桁１におけるコンクリート床版２にひび割れが発生する荷重（以下、ひび割れ発生荷重という。）に至るまで、実験値はきわめてA)の鋼桁３とコンクリート床版２で合成桁１を構成した場合の理論値に近づく。また、このひび割れ発生荷重を超えると、実験値は徐々にB)の鋼桁３と枠型鉄筋１３並びに鉄筋３９で合成桁１を構成した場合の理論値に近づく。

即ち、コンクリート床版２にひび割れが発生する前は、A)と似た挙動を示すことから、合成桁１が鋼桁３とコンクリート床版２で構成されている状況にあることが示唆されている。また、コンクリート床版２にひび割れが発生した後は、Ａ）とＢ）の間の挙動を示すことから、ひび割れ後の合成桁１は、鋼桁３と枠型鉄筋１３並びに鉄筋３９で構成される状況に近づきつつあることが示されている。

即ち、Ｍ／Ｍｙに対するδ／δｙの関係を実験的に測定することにより、合成桁１の状態をＡ）〜Ｃ）の何れに近いのか識別することが可能となる。

図４は、曲げモーメントに対する中立軸の位置の関係を示している。この図４では、縦軸で中立軸を表し、横軸で曲げモーメントとしてＭ／Ｍｙを表している。実際に載荷実験を行うことにより求めたＭ／Ｍｙに対する中立軸の関係を、予めＡ）〜Ｃ）について求めた中立軸の高さとの関係においてプロットする。ちなみに、この中立軸は、断面内の歪みの大きさは、歪みの中立軸からの距離ｚに比例するというベルヌーイの仮定に基づいて求める。

例えば、図５に示すように鋼桁３における高さｈ１と高さｈ２に生じた各歪みε１、ε２は、中立軸からの距離ｚ１、ｚ２との間で以下の（１）式により表される。

ε１／ε２＝ｚ１／ｚ２・・・・・・・・・・（１）

また、中立軸の高さｘは、下記（２）式で表される。
ｘ＝ｈ２＋ｚ２＝ｈ１−ｚ１・・・・・・・・・・・・・・（２）

このため、高さｈ１と高さｈ２において測定した各歪みε１、ε２を（１）式に代入するとともに、高さｈ１、ｈ２を（２）式に代入し、整理することで中立軸の高さｘを求めることが可能となる。

本発明を適用した損傷判定方法では、鋼桁３における任意の異なる高さｈ１、ｈ２において歪みゲージを貼り付け、得られた歪みから上記式（１）、（２）に基づいて中立軸の高さを算出し、算出した中立軸の高さから、現時点における合成桁１の状態を識別する。

その結果、図４に示すように載荷荷重を増加させていくにつれて中立軸の高さは高くなるものの、ひび割れ発生荷重に相当するＭ／Ｍｙ＝０．２５を境に、A)の鋼桁３とコンクリート床版２で合成桁１を構成した場合の理論値に近づき、さらにB)の鋼桁３と枠型鉄筋１３並びに鉄筋３９で合成桁１を構成した場合の理論値に近づいていく。

ここで枠型鉄筋１３又は／及び鉄筋３９が降伏するときのＭ／Ｍｙに対する中立軸の高さは、Ｂ）の理論値と実験値とがほぼ一致しているのが分かる。

即ち、コンクリート床版２が疲労損傷や耐久性の低下、早期劣化等によりひび割れが発生すると、中立軸位置がＡ）の理論値からＢ）の理論値へ推移していくことになる。このため、歪みゲージを使用して中立軸位置を経時的にセンシングすることにより、コンクリート床版２の損傷状況を判定することが可能となる。特に理論値Ａ）〜Ｃ）に基づく中立軸位置も予め求められているため、これと比較することにより、現時点におけるコンクリート床版２の状態を識別することも可能となる。

本発明では、従来の如くコンクリート床版に対して各種センサを取り付けることなく、鋼桁３に歪みゲージを貼り付けるのみで損傷状況を簡単に識別することができ、労力やコストを軽減させることができる。また、本発明では、鋼桁３に歪みゲージを貼り付けるのみで継続的な損傷状況の調査をも容易に行うことができる点においても有用といえる。

また、本発明を適用した損傷判定方法は、上述した合成桁１におけるコンクリート床版２の状態を識別する場合のみならず、鋼桁とコンクリート床版を含むいかなる構造物における損傷状態を識別する際に適用してもよいことは勿論である。

さらに、本発明を適用した損傷判定方法では、構造物全体につき予め算出した中立軸に基づいて、コンクリート床版２の損傷を示す閾値を予め設定しておくようにしてもよい。即ち、コンクリート床版２内に亀裂が多く発生する結果、かかるコンクリート床版２としての役割を果たすことができずに実質的に損傷とみなす指標としての閾値を予め決めておく。この閾値は、上記予め求めた中立軸位置との関係において求めることになる。次に、上記算出した中立軸の高さと、この閾値とを比較する。そして、この算出した中立軸の高さが閾値を下回る場合には、上記コンクリート床版は実質的に損傷したものと判別することが可能となる。

損傷を判定すべきコンクリート床版が配設される合成桁を示す図である。 合成桁における載荷荷重に対する鉛直変位との関係につき示す図である。 合成桁における曲げモーメントに対する鉛直変位の関係を示す図である。 曲げモーメントに対する中立軸の位置の関係を示す図である。 中立軸の算出方法につき説明するための図である。

符号の説明

１ 合成桁
２ コンクリート床版
３ 鋼桁
１１ フランジ
１２ ウェブ
１３ 枠型鉄筋
３１〜３９ 鉄筋

Claims (3)

1. 鋼桁に固定されたコンクリート床版の損傷を判定するコンクリート床版の損傷判定方法において、
   上記鋼桁側面に貼り付けられた歪ゲージに基づいて当該鋼桁における歪み量を測定し、
   測定した上記歪み量に基づいて、上記鋼桁並びにコンクリート床版とを含む構造物全体の現時点における中立軸の高さを算出し、
   上記算出した中立軸の高さと、上記構造物全体につき予め算出した中立軸の高さとを比較し、
   上記比較結果に基づいてコンクリート床版の損傷状況を判定すること
   を特徴とするコンクリート床版の損傷判定方法。
2. 上記予め算出した中立軸は、鋼桁とコンクリート床版全断面、又は鋼桁と上記コンクリート床版を構成する鉄筋、又は鋼桁の何れかで上記構造物を構成した場合における中立軸であること
   を特徴とする請求項１記載のコンクリート床版の損傷判定方法。
3. 上記構造物全体につき予め算出した中立軸に基づいて、さらに上記コンクリート床版の損傷を示す閾値を予め設定しておき、
   上記算出した中立軸の高さと、上記閾値とを比較することにより、上記コンクリート床版の損傷自体を判別すること
   を特徴とする請求項１又は２基際のコンクリート床版の損傷判定方法。

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