JP5776488B2

JP5776488B2 - 橋梁用鋼床版

Info

Publication number: JP5776488B2
Application number: JP2011226295A
Authority: JP
Inventors: 島貫　広志; 広志島貫
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: JP2013087432A

Description

本発明は、デッキプレートにＵリブを溶接した橋梁用鋼床版に関する。具体的には、鋼橋梁の鋼床版において生じることのあるＵリブの溶接ルート部からの疲労き裂の発生防止対策に関する。

従来、デッキプレートにＵリブによる補強を施した橋梁用鋼床版では端部に曲がりのない同形のＵリブを鋼床版デッキプレート上に所定の間隔で並べて、Ｕリブの幅端部を鋼床版デッキプレートに隅肉溶接で取り付ける方法が一般的であった。

図５に示すように、鋼床版は、デッキプレートの下面に縦リブや横リブを設けて補剛するとともに上面に舗装を施したものであり、縦桁、横桁を介して主桁で支持される構造となっている。鋼床版を主桁と合成することが構造上も有利となり、上記図５に示すような箱桁形式の他、図６に示すようなＩ桁形式の鋼床版桁も多用されている。縦リブと横リブの交差部は、縦リブからのせん断力を横リブに確実に伝達できる構造でなければならない。また、橋桁端部で端横桁に取り付く場合や、横リブを境にして縦リブ断面が変化する場合を除き、図５に示すように、縦リブは、横リブの腹板を貫通して、連続させるのが望ましい。縦リブと横リブの交差部のように、溶接線が集中する箇所では交差部の構造、スカラップの取り方、溶接サイズなどに留意して、溶接施工が実施される。最近、Ｕリブを大型化したりデッキプレートを厚板化したりして床組としての断面性能を増加させ、応力の低減、疲労損傷の低減を図った合理化構造も採用されている。しかし、従来の鋼床版では、Ｕリブの隅肉溶接のルートの部分から疲労き裂が発生し鋼床版デッキプレートを貫通したり、Ｕリブを貫通したりすることがあり、橋梁の強度を低下させ、鋼橋の安全性に大きな影響を及ぼすことから、疲労き裂発生の防止方法が望まれている。

補強リブを有する橋梁用鋼床版の疲労対策に関しては、従来から種々の提案がなされており、例えば、特許文献１には、鋼床版の縦リブ用のＵリブを、一対の側板と、それとは別体をなす底板とに分割し、各側板の幅方向の上端部を鋼床版のデッキプレートに外側と内側の両側から隅肉溶接し、底板の幅方向の両端部に設けた第２嵌合部を各側板の幅方向の下端部に設けた第１嵌合部に嵌合させて一対の側板の下端部どうし間に底板を架け渡すことにより、施工の品質保証を確保し、疲労き裂の有無をも容易に点検できる鋼床版の縦リブ用Ｕリブが記載されている。

また、特許文献２には、従来のＵリブの溶接部の疲労対策として隅肉溶接の溶け込みを深くする方法が記載されているが、こうした方法を用いても必ずしも十分な溶接ルート部の疲労寿命が得られないことが指摘されており、溶接量の比較的小さいＵリブ構造での疲労対策を断念し、デッキプレートと縦リブを接合する溶接量の多い形態を考案、その形態として、断面逆Ｔ字状縦リブまたは断面Ｌ字状縦リブのウェブが、溶接でデッキプレートの下面に固定されて、前記断面逆Ｔ字状縦リブまたは断面Ｌ字状縦リブがデッキプレートに設置され、前記断面逆Ｔ字状縦リブまたは断面Ｌ字状縦リブのフランジには、横桁にボルトで固定するためのボルト挿通孔を備えており、断面逆Ｔ字状縦リブまたは断面Ｌ字状縦リブのウェブ平面中心軸線と横桁の平面中心軸線との交差部を中心とする範囲であって、前記溶接によるウェブ長手方向の溶接ビードの少なくとも前記縦リブ高さ寸法の範囲に超音波ピーニングを施すことにより、ルート溶接部と止端溶接部の双方の疲労強度を向上させる耐疲労鋼床版が記載されている。

また、特許文献３には、Ｕリブの先端部の内面側に所定の寸法の開先を設けておき、デッキプレートとＵリブで形成される閉断面空間の外側からデッキプレートにＵリブを溶接してＵリブ鋼床版を製作することにより、溶接ルート部の熱収縮による拘束を緩和することで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リブ鋼床版が記載されている。

しかし、特許文献１の方法では部材に勘合部を設けなくなければならず部材の製造コストの大幅な上昇は避けられない。また、特許文献２では施工の段階で、デッキプレートを下にして、その上にＬや逆Ｔの断面をもつ部材を溶接で取り付けることになるため、部材が不安定で倒れやすいため、Ｕリブ工法では不要な支えをしなければならなくなるため工数が増えることや、縦リブのフランジのすきまで溶接をしなければならないため溶接態勢の制約やブラスト処理や塗装でも作業の方向が限定されるため負荷が増える。特許文献３では理想的な溶接ではある程度効果が得られるが、コントロールが難しい溶接ルート部の溶け込みについては検査が行いにくいことや、Ｕリブ溶接ルート部に作用する繰り返し負荷そのものを緩和するものではないため、疲労き裂発生の懸念があることは明らかである。
また、この方法は、発生したき裂を鋼材性能で伝播を遅くしようというものであるが、一般に鋼床版には１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度の薄い鋼板が用いられているため発生した後のき裂進展寿命は極めて短く、疲労き裂発生までの寿命とトータルした寿命延長効果は限定的である。
上記のように、従来の鋼床版では、種々の疲労き裂防止方法の発明がなされているが十分なものではなかった。また、土木学会等でも疲労き裂事例の紹介や種々の評価試験が行われており、隅肉溶接の溶け込み量の影響などが検討されているが、性能に加えコストの面でも有効な疲労対策がなかった。

特開２００６−７０５７０号公報特開２００７−３２７２５６号公報特開２００７−３３２５８８号公報

本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、橋梁用鋼床版におけるデッキプレートのＵリブ溶接部のルートからの疲労き裂発生を遅らせ、鋼製橋梁の鋼床版の強度低下を防いで安全性を高めるとともに、橋梁の補修間隔を長くして補修費用を軽減することができる橋梁用鋼床版を提供することを課題とする。

本発明は前述の課題を解決するために鋭意検討の結果なされたものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）デッキプレートの下面にＵリブを隅肉溶接した橋梁用鋼床版であって、
該Ｕリブのデッキプレート側の端部を、該デッキプレートに接しかつ該Ｕリブの開口部の外側に延びるように曲がった形状とし、該曲がった部分の外側の端部とデッキプレートの下面とを隅肉溶接し、該曲がった部分の長さ（Ｌおよび／またはＬ´）をＵリブの厚み（ｔ）の１〜１０倍にしたことを特徴とする橋梁用鋼床版。
（２）デッキプレートの下面にＵリブを隅肉溶接した橋梁用鋼床版であって、
該Ｕリブのデッキプレート側の端部を、該デッキプレートに接しかつ該Ｕリブの開口部の外側に延びるように曲がった形状とし、該曲がった部分の外側の端部とデッキプレートの下面とを隅肉溶接し、該曲がった部分の長さ（Ｌおよび／またはＬ´）をＵリブの厚み（ｔ）の１〜１０倍にしたことを特徴とする橋梁用鋼床版。
（３）前記Ｕリブの曲がった部分が、デッキプレート上部からの大型車両の輪荷重による繰り返し負荷の頻度が大きい方向に延びていることを特徴とする（１）または（２）に記載の橋梁用鋼床版。
（４）前記隅肉溶接の止端部に、グラインダー処理、ハンマーピーニング処理または超音波衝撃処理を施したことを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の橋梁用鋼床版。

本発明によれば、橋梁用鋼床版におけるデッキプレートのＵリブ溶接部のルートからの疲労き裂発生を遅らせ、鋼製橋梁の鋼床版の強度低下を防いで安全性を高めるとともに、橋梁の補修間隔を長くして補修費用を軽減することができる橋梁用鋼床版を提供することができ、具体的には下記のような産業上有用な著しい効果を奏する。

１）Ｕリブのデッキプレート側の端部を、該デッキプレートに接するように曲がった形状とすることにより、鋼床版デッキプレートに作用する繰り返し荷重による溶接ルート部での応力振幅を小さくすることによるルート部の疲労寿命を延長することができる。
２）デッキプレートへの作用荷重分布を考慮して、Ｕリブの曲がった部分が、デッキプレート上部からの大型車両の輪荷重による繰り返し負荷の頻度が高い方向に延長することによって、Ｕリブの疲労寿命延長効果をさらに高めることができる。
３）ルート破壊を防止すれば次に隅肉溶接止端からの疲労き裂発生が懸念されるため、溶接止端部にグラインダー処理、ハンマーピーニング処理、または、超音波衝撃処理を施すことによる疲労き裂発生防止対策をあわせて行うことによって、Ｕリブ構造を持つ鋼床版の疲労寿命をさらに延長することができる。

本発明の橋梁用鋼床版のＵリブの開口部の外側に疲労荷重を負荷するタイプＡの試験体を示す図である。本発明の橋梁用鋼床版のＵリブの開口部の内側に疲労荷重を負荷するタイプＢの試験体を示す図である。本発明の橋梁用鋼床版のＵリブの開口部の形状を例示する図である。本発明の橋梁用鋼床版のＵリブの曲がった部分を、デッキプレート上部からの大型車両の輪荷重による繰り返し負荷の頻度が大きい方向に延長する実施例を示す図である。一般的な鋼橋の一例を示す斜視図である。一般的な鋼橋の他の一例を示す正面図である。実施例２の発明例と比較例を示す図である。

本発明の実施の形態について、図１〜図４を用いて詳細に説明する。
図１〜図４において、１はデッキプレート、２はＵリブ、３は溶接止端部、ＬはＵリブ開口部の曲がった部分の長さ（外側）、Ｌ´はＵリブ開口部の曲がった部分の長さ（内側）、ｔはＵリブの厚みを示す。

図１は、本発明の橋梁用鋼床版のＵリブの開口部の外側に疲労荷重を負荷するタイプＡの試験体を示し、図２は、本発明の橋梁用鋼床版のＵリブの開口部の内側に疲労荷重を負荷するタイプＢの試験体を示す図である。

図１、図２に示すように、本発明の鋼床版は、デッキプレートの下面にＵリブを隅肉溶接した構造物である。本発明において、Ｕリブとは、断面がＵ字状の補強部材をいう。

図３は、本発明の橋梁用鋼床版のＵリブの開口部の形状を例示する図であり、図３（ａ）はＵリブ２の横断面における曲がった部分が、該Ｕリブ２の開口部の外側に延長されている例を示し、図３（ｂ）はＵリブ２の横断面における曲がった部分が、該Ｕリブ２の開口部の内側に延長されている例を示し、図３（C）はＵリブ２の曲がった部分が、該Ｕリブ２の開口部の外側および内側の双方に延長されている例を示す。

本発明は、デッキプレート１にＵリブ２を溶接した橋梁用鋼床版であって、図３に示すように、Ｕリブ２の横断面におけるデッキプレート１側の端部を、該デッキプレート１に接するように曲がった形状とすることにより、鋼床版デッキプレートに作用する繰り返し荷重による溶接ルート部での応力振幅を小さくすることができるのでルート部の疲労寿命を延長することができる。

鋼床版デッキプレートに作用する繰り返し荷重による溶接ルート部での応力振幅を小さくするためには、Ｕリブ２の曲がった部分の長さ（Ｌおよび／またはＬ´）がＵリブの厚み（ｔ）以上であることが必要である。

また、Ｕリブ２の曲がった部分の長さ（Ｌおよび／またはＬ´）長いほどリブの剛性も上がるため良いが橋梁自体の重量が重くなるため、リブの厚み（ｔ）の１０倍以内が好ましい。

なお、本発明においては、Ｕリブ２の横断面におけるデッキプレート１側の端部を曲がった形状にする成形方法は問わないが、熱間または冷間プレス、もしくは、孔型ロールを用いた圧延により成形することが好ましい。

図４は、本発明の橋梁用鋼床版のＵリブの曲がった部分が、該Ｕリブの開口部のデッキプレート上部からの繰り返し荷重の期待値が大きい方向に延長する実施例を示す図である。

図４の上段の棒グラフに示すように、車幅が大きく積載重量の大きい車両の車輪が通過する路側帯に近い部分において大荷重が作用する頻度が高く、車線中央部は大荷重作用頻度が低くなっており、図４の中段の発明例に示すように、Ｕリブの張り出し部をＵリブの曲がった部分が、該Ｕリブの開口部のデッキプレート上部からの大荷重の繰り返し頻度値が大きい方向に延長することによって、輪荷重がデッキプレートに作用した際のＵリブ溶接ルート部への応力振幅を小さくし、ルートからの疲労き裂発生を防止する疲労寿命延長効果をさらに高めることができる。

また、ルート破壊を防止すれば次に隅肉溶接止端からの疲労き裂発生が懸念されるため、Ｕリブの溶接止端部３にグラインダー処理を施し、溶接止端形状を滑らかにすることや、ハンマーピーニング処理、または、超音波衝撃処理を施して溶接止端形状を滑らかにする上に止端部に圧縮残留応力を導入することにより、疲労き裂発生防止対策をあわせて行うことによって、橋梁デッキプレート全体としての疲労き裂の発生を抑制することができる。ここに、グラインダー処理とはディスク式またはビット式のハンドグラインダーを用いて、溶接止端部を曲率半径が２ｍｍ〜２０ｍｍになるように削る方法であって、削る溶接金属部が少ない場合には溶接ビードを増し盛りしてから削る方法である。ここに、ハンマーピーニング処理とは圧縮空気や電力で機能するジェットタガネやチッパー、リベットハンマ、剥離機などの振動工具を用い、先端に凸型の曲面を有する振動端子で溶接止端を含めた止端付近を打撃する方法であって、溶接止端部にその振動端子の打撃痕を形成させる方法である。ここに、超音波衝撃処理とは、超音波振動端子によって溶接止端部を打撃する処理をいい、２００ｗ〜２ｋｗの電源を用いて、トランスデューサによって２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの超音波振動を発生させ、φ２ｍｍ〜６ｍｍのピンからなる超音波振動端子を１０〜４０μｍの振幅で振動させることによって、打撃部の表面の平滑性にすぐれた深さ数百μｍ程度の圧痕を形成させる方法である。

本発明の鋼床版のモデル疲労試験を行った。鋼床版デッキプレートには板厚１２ｍｍの鋼板ＳＭ４９０Ｂ（ＪＩＳＧ３１０６）、Ｕリブには板厚６ｍｍのＳＭ４９０ＹＢ（ＪＩＳＧ３１０６）を用い、断面寸法は３００×２２０×６−４０をベースに端部をあらかじめ長めにしておき、冷間加工により端部を整形した。成形後の端部の寸法を表１に示す。鋼床版デッキプレートとの溶接はＹＦＷ−Ｃ５０ＤＲ（ＪＩＳＺ３３１３：ワイヤ径１．２ｍｍ）を用い炭酸ガス半自動溶接（ガス組成ＣＯ₂：１００％、溶接入熱１．８ｋＪ／ｍｍ）で行い、前述の図１、図２の試験体を作製した。内側に端部を伸ばした構造では試験体の中央にＵリブ２が一本、外側に延ばした構造ではＵリブ２を２本並べＵリブの幅と同様の間隔を持ってデッキプレート３に取り付け、図１のタイプＡでは、橋梁用鋼床版のＵリブ２の開口部の外側である試験体中央部に５ｔの繰り返し荷重を与え、図２のタイプＢでは、橋梁用鋼床版のＵリブ２の開口部の内側である試験体中央部に５ｔの繰り返し荷重を与えた。また、溶接止端部３には疲労対策法として超音波ピーニング処理またはグラインダー処理を行った。

この結果、表１に示すように、Ｕリブの内側および／または外側に延長する張り出し（Ｌおよび／またはＬ´）をＵリブ厚み（ｔ）以上とした発明例では疲労寿命が１００万回を超えており、この条件を満たさない比較例では１００万回未満であったことにより本発明の効果が確認された。

疲労き裂の発生に影響を及ぼすと考えられる大型車両の輪荷重作用位置の頻度分布を測定した結果、車線の幅と大型車両の車幅の影響を受け、図４のように車線中央側で少なく、比較的路側帯に近い部分で最大とることが知られている。そこで、図５に示す断面構造を持つ奥行き１０００ｍｍの試験体を作製した。

図７は、実施例２の発明例と比較例を示す図であり、図７（ａ）は発明例試験体断面形状と載荷繰り返し数を示し、図７（ｂ）は比較例試験体断面形状を示す。

デッキプレートには板厚１２ｍｍの鋼板ＳＭ４９０Ｂ（ＪＩＳＧ３１０６）、Ｕリブには板厚６ｍｍのＳＭ４９０ＹＢ（ＪＩＳＧ３１０６）を用い、断面寸法は３００×２２０×６−４０をベースに、図中に示すように発明例ではＵリブ端部に９ｍｍの張り出しを持たせ、隅肉溶接で取り付けた後に止端部の疲労対策として超音波ピーニング処理またはグラインダー処理を行い、比較例では張り出しを持たせずに隅肉溶接で取り付け、特段の疲労対策は行わなかった。図７に示したように各荷重作用位置に所定の回数の繰り返し負荷（２トン）を行った後に次の位置で荷重を作用させる方法で図中の左側から順番に負荷し、最右側が終わったところで最左側に移る繰り返し載荷作業を行い、部材に作用する輪荷重分布を模擬した疲労試験を行った。押し側の治具の幅は１５０ｍｍ長さは２００ｍｍとし、治具表面はあたり傷を防止するためゴム張りとした。なお、実際の鋼床版は横桁で支えることになるが、ここでは、試験の都合上試験機床に試験片を直置きし、試験を行った。この結果、比較例では一連の繰り返し負荷の１６セット目で疲労き裂が確認されたが、発明例では３０セット行ったがき裂は観察されなかったことで、本発明の効果が確認された。

１デッキプレート
２Ｕリブ
３溶接止端部
ＬＵリブ開口部の曲がった部分の長さ（外側）
Ｌ´Ｕリブ開口部の曲がった部分の長さ（内側）
ｔＵリブの厚み

Claims

デッキプレートの下面にＵリブを隅肉溶接した橋梁用鋼床版であって、
該Ｕリブのデッキプレート側の端部を、該デッキプレートに接しかつ該Ｕリブの開口部の外側に延びるように曲がった形状とし、該曲がった部分の外側の端部とデッキプレートの下面とを隅肉溶接し、該曲がった部分の長さ（Ｌおよび／またはＬ´）をＵリブの厚み（ｔ）の１〜１０倍にしたことを特徴とする橋梁用鋼床版。
デッキプレートの下面にＵリブを隅肉溶接した橋梁用鋼床版であって、
該Ｕリブのデッキプレート側の端部を、該デッキプレートに接しかつ該Ｕリブの開口部の内側に延びるように曲がった形状とし、該曲がった部分の外側の端部とデッキプレートの下面とを隅肉溶接し、該曲がった部分の長さ（Ｌおよび／またはＬ´）をＵリブの厚み（ｔ）の１〜１０倍にしたことを特徴とする橋梁用鋼床版。
前記Ｕリブの曲がった部分が、デッキプレート上部からの大型車両の輪荷重による繰り返し負荷の頻度が大きい方向に延びていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の橋梁用鋼床版。
前記隅肉溶接の止端部に、グラインダー処理、ハンマーピーニング処理または超音波衝撃処理を施したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の橋梁用鋼床版。