JP4779815B2

JP4779815B2 - Ｕリブ鋼床版

Info

Publication number: JP4779815B2
Application number: JP2006163273A
Authority: JP
Inventors: 康行栗原; 高宏久保; 聡伊木
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2026-06-13
Also published as: JP2007332588A

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。

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。

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。

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。

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。
特開２００３−１８３７６９号公報日本道路協会：道路橋示方書・同解説（共通編・鋼橋編）、平成１４年３月伊木、他："造船用高機能鋼−ＪＦＥスチールのライフサイクルコスト低減技術−"、ＪＦＥ技報、Ｎｏ．５、２００４年８月、ｐ.１３−１８

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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リブの先端面のデッキプレートとＵリブで形成される閉断面空間の内部側に開先を設けて、初層溶接に、ＴＩＧ溶接またはフラックスコードワイヤーを用いたＭＡＧ溶接を用いて、前記閉断面空間の外側から前記開先を、その全域に渡らず部分的に溶け込ませて溶接したことを特徴とするＵリブ鋼床版。

［２］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］に記載のＵリブ鋼床版。

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。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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・m^1/2）である。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の一実施形態におけるＵリブ鋼床版の製作工程を示す図である。本発明の一実施形態における応力集中部を示す図である。普通鋼の亀裂伝播速度と耐疲労鋼の亀裂伝播速度を比較した図である。従来のＵリブ鋼床版の製作工程を示す図である。従来のＵリブ鋼床版における疲労亀裂発生メカニズムを示す図である。鋼製の橋梁の構造を示す図である。Ｕリブ鋼床版におけるデッキ貫通亀裂を示す図である。

符号の説明

１主桁
２横桁
１０Ｕ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
１２Ｕ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

Claims

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リブの先端面のデッキプレートとＵリブで形成される閉断面空間の内部側に開先を設けて、初層溶接に、ＴＩＧ溶接またはフラックスコードワイヤーを用いたＭＡＧ溶接を用いて、前記閉断面空間の外側から前記開先を、その全域に渡らず部分的に溶け込ませて溶接したことを特徴とするＵリブ鋼床版。
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請求項１に記載のＵリブ鋼床版。