JP5884192B2 - 橋梁構造 - Google Patents
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Landscapes
- Bridges Or Land Bridges (AREA)
Description
C:0.030%以上、0.200%未満、
Si:0.10%以上、1.00%以下、
Mn:0.20%以上、2.00%以下、
P:0.003%以上、0.030%以下、
S:0.0001%以上、0.0200%以下、
Al:0.001%以上、0.100%以下、
Cu:0.01%以上、0.50%以下、
Nb:0.005%以上、0.200%以下、
Sn:0.005%以上、0.200%以下、
Ni:0.50%以下
を含有し、
さらに、少なくとも(1)式あるいは(2)式のいずれかを満足するとともに、(3)式を満足し、残部が鉄および不可避的不純物からなることを特徴とする。
(Cu−0.03)×(Sn−0.005)×(Nb−0.005)×104≧0.08
…(1)
(Cu−0.03)×(Ni−0.01)×(Cr−0.01)×50≧0.08
…(2)
(Cu+10×Sn)/(2×Ni+0.1×Si)<10 …(3)
ここで、(1)〜(3)式内の各元素記号は含有量(質量%)を示し、含有しない元素は0とする。
Ni:0.01%以上、1.00%以下、
Cr:0.01%以上、1.00%以下、
Mo:0.005%以上、1.000%以下、
W:0.005%以上、0.500%以下、
Co:0.01%以上、0.500%以下、
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Ca:0.0001%以上、0.0100%以下、
Mg:0.0001%以上、0.0100%以下、
から選ばれる一種以上を含有することを特徴とする。
この実施の形態では、まず、以下のように、塩分の付着メカニズムを解明し、これを根拠に合理的な防食に適した橋梁構造を提案している。鋼製主桁の錆形成に寄与する主な環境因子としては、鋼製主桁に付着する飛来塩分と濡れ時間とが知られている。
1)乾燥した塩分粒子が鋼製主桁に衝突して付着する場合
2)水分を含んだ塩分粒子が鋼製主桁に衝突して付着する場合
3)塩分粒子が雨滴に含まれて鋼製主桁に降りかかる場合
が考えられる。ここで、乾燥した塩分粒子は乾燥した鋼製主桁には付着し難い。また、塩分粒子が雨滴に含まれて桁に降りかかる場合、一度付着した塩分の大半が雨滴とともに流れ落ちる。なお、塩分が錆形成に寄与するためには、塩分が鋼製主桁に一定時間付着・沈着し、鋼と化学反応する必要がある。一定時間付着・沈着し易いのは、
4)濡れた鋼製主桁に乾燥した塩分粒子が衝突する場合
5)乾燥した鋼桁に水分を含んだ塩分粒子が付着する場合
6)塩分を含んだ雨滴が鋼桁上に溜まる場合
となる。
ここでは、橋梁の一例として鈑桁橋を挙げる。鈑桁橋は、複数の鋼製主桁により、橋面を構成する床版を支えるものである。図1は、本発明の実施の形態である橋梁構造を示す断面図である。図1に示すように、この橋梁構造1は、橋面を形成する床板1Aを鋼製主桁1Bが支持している。鋼製主桁1Bの上部に設けられるH形鋼(あるいはI形鋼)2と、フランジ幅がH形鋼2のフランジ幅の1/2のC形鋼3,4、4,4のウェブ同士を接触させてH形(あるいはI形)を形成した集成部材101〜103と、この集成部材101〜103の下フランジ幅と同幅の鋼板5と、を備え、H形鋼2の下フランジと集成部材101〜103の上フランジとの間、および集成部材101〜103の下フランジと鋼板5との間をボルト(あるいは溶接)によって接合している。このボルトによる接合によって、C形鋼3,4、4,4による集成部材101〜103が形成され、この集成部材101〜103の断面構成はH形鋼2と同じになる。すなわち、鋼製主桁1Bは、H形鋼2、集成部材101〜103、鋼板5が上述したフランジのボルト接合によって強固に一体化され、大きな3つの集成部材となり、集成部材101〜103は、ボルト接合によって結果的に部分的な集成部材となる。そして、鋼製主桁1Bを形成するこれら3つの集成部材は、部材内で異なる耐候性性能の鋼材を使い分けることができるとともに、腐食により損傷した鋼材のみをきめ細かに取り替えることができる。
図3は、本発明の実施の形態である橋梁構造の変形例1を示す断面図である。この変形例1では、防食ランクを3段階に分け、H形鋼2、および外側の集成部材101,103を形成する外側のC形鋼3に最も耐候性が低い鋼材を用い、外側の集成部材101,103を形成する内側のC形鋼4、および内側の集成部材102を形成するC形鋼4に次に耐候性が低い鋼材を用い、集成部材101〜103の下フランジに接合した最下方の鋼板5に対応する鋼板6に耐候性が最も高い鋼材を用いている。鋼板6に耐候性が最も高い鋼材を用いているのは、図2に示したように、飛来塩分がは、鋼製主桁1Bの下方が、鋼製主桁1Bの上方より多く、腐食し易いからである。これによって、さらにきめの細かい防食構造を得ることができる。
図4は、本発明の実施の形態である橋梁構造の変形例2を示す断面図である。この変形例2では、図1に示した橋梁構造における内側の集成部材102に対応する部分をH形鋼7としている。このH型鋼7は、防食ランクを2段階に分けた場合、耐候性が高い鋼材を用いている。図1に示した集成部材102を構成するC型鋼4は、ともに耐候性が高い鋼材を用いており、1つのH型鋼7とすることによって構成が簡易なものとなる。また、この場合、鋼板6が不要となる。
図5は、本発明の実施の形態である橋梁構造の変形例3を示す断面図である。この変形例3は、図1および図4に示した橋梁構造において、内側の鋼製主桁10,12を削除したものである。
図6は、本発明の実施の形態である橋梁構造の変形例4を示す断面図である。この変形例4は、図3に示した橋梁構造において、内側の鋼製主桁11を削除したものである。
図7は、本発明の実施の形態である橋梁構造の変形例5を示す断面図である。この変形例5は、図1に示した橋梁構造において、内側の鋼製主桁10をさらに追加して、内側の鋼製主桁10を2つとしたものである。
図8は、本発明の実施の形態である橋梁構造の変形例6を示す断面図である。この変形例6は、図3に示した橋梁構造において、内側の鋼製主桁11をさらに追加して、内側の鋼製主桁11を2つとしたものである。
図9は、本発明の実施の形態である橋梁構造の変形例7を示す断面図である。この変形例7は、図4に示した橋梁構造において、内側の鋼製主桁12をさらに追加して、内側の鋼製主桁12を2つとしたものである。
図10は、本発明の実施の形態である橋梁構造の変形例8を示す断面図である。この変形例8は、図4に示した橋梁構造において、外側のH型鋼2と外側の集成部材101,103との間に、H型鋼2と同じ耐候性が低い鋼材である集成部材104,105を設けている。また、内側のH型鋼2とH型鋼7との間に、H型鋼2と同じ耐候性が低い鋼材であるH型鋼2を設けている。すなわち、H形鋼2や集成部材104,105を、断面高さ方向に複数段重ねた構成としている。
図11は、本発明の実施の形態である橋梁構造の変形例9を示す断面図である。この変形例9は、図10に示した橋梁構造において、防食ランクを3段階に分けた場合の構造であり、鋼板6に、耐候性が最も高い鋼材を用いている。
ここで、従来の耐候性が高い鋼材は、高価であることから、今後、低コスト化が要望される。低コストな鋼材である要件としては、たとえば、合金コストが低いことが挙げられる。また、デリバリーおよび生産効率の観点から、耐候性が高い鋼材は、製造性が良好であることも要望される。すなわち、耐候性が高い鋼材は、低コストで、製造性が良好で、かつ、種々の環境で裸使用可能な鋼材であることが求められている。しかしながら、特許文献2のようにNiの含有量を増加させた場合、合金コストの上昇により鋼材の価格が上昇してしまう。また、特許文献3のようにNiおよびPの含有量を増加させ、Cu、Mo、Sn、Sb等を含有した鋼材では、合金コストの上昇により鋼材の価格が上昇し、さらにPの含有量が高いために溶接性が低下する。
以下に、低コストで、製造性が良好で、かつ耐候性に優れた鋼材を詳細に説明する。まず、上述した耐候性鋼材は、質量%で、
C:0.030%以上、0.200%未満、
Si:0.10%以上、1.00%以下、
Mn:0.20%以上、2.00%以下、
P:0.003%以上、0.030%以下、
S:0.0001%以上、0.0200%以下、
Al:0.001%以上、0.100%以下、
Cu:0.01%以上、0.50%以下、
Nb:0.005%以上、0.200%以下、
Sn:0.005%以上、0.200%以下、
Ni:0.50%以下
を含有し、
さらに、少なくとも(1)式あるいは(2)式のいずれかを満足するとともに、(3)式を満足し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。
(Cu−0.03)×(Sn−0.005)×(Nb−0.005)×104≧0.08
…(1)
(Cu−0.03)×(Ni−0.01)×(Cr−0.01)×50≧0.08
…(2)
(Cu+10×Sn)/(2×Ni+0.1×SI)<10 …(3)
ここで、(1)〜(3)式内の各元素記号は含有量(質量%)を示し、含有しない元素は0とする。
Cは、構造用鋼材の強度を向上させる元素であり、所定の強度を確保するため0.030%以上含有する必要がある。一方、0.200%以上では溶接性および靭性が劣化する。したがって、C含有量は0.030%以上、0.200%以下とする。
Siは、本実施の形態において重要な要件であり、錆層全体の錆粒を微細化させて緻密な錆層を形成し、鋼材の耐候性を向上させる効果を有する。また、熱間圧延時の鋼材表面の割れを防止する効果を有する。これらの効果を得るためには、0.10%以上含有する必要がある。一方、1.00%を超えて過剰に含有すると、靭性および溶接性が著しく劣化する。したがって、Si含有量は、0.10%以上、1.00%以下とする。好ましくは、0.20%以上、0.80%以下である.より好ましくは、0.40%以上、0.60%以下である。
Mnは、構造用鋼材の強度を向上させる元素であり、所定の強度を確保するために0.20%以上含有する必要がある。一方、2.00%を超えて過剰に含有すると、靭性および溶接性が劣化する。したがって、Mn含有量は、0.20%以上、2.00%以下とする。
Pは、構造用鋼材の耐候性を向上させる元素である。このような効果を得るためには、0.005%以上含有する必要がある。一方、0.030%を超えて含有すると、溶接性が劣化する。したがって、P含有量は、0.003%以上、0.030%以下とする。
Sは、0.0200%を超えて含有すると、溶接性および靭性が劣化する。一方、含有量を0.0001%未満まで低下させると、生産コストが増大する。したがって、S含有量は、0.0001%以上、0.0200%以下とする。
Alは、製鋼時の脱酸に必要な元素である。このような効果を得るため、Al含有量として0.001%以上含有する必要がある。一方、0.100%を超えると溶接性に悪影響を及ぼす。したがって、Al含有量は、0.001%以上、0.100%以下とする。
Cuは、本実施の形態において重要な要件であり、NbおよびSnを共存させることにより、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果を有する。Cuは、錆層―地鉄界面近傍に濃化することにより、鋼材のアノード反応を抑制する。また、錆層の錆粒を微細化することで緻密な錆層を形成し、腐食促進因子である塩化物イオンの地鉄への透過を抑制する効果を有する。これらの効果は、含有量が0.01%以上で得られる。一方、0.50%を超えると、Cu消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Cu含有量は、0.01%から0.50%以下とする。好ましくは、0.05%以上、0.40%以下である。より好ましくは、0.07%以上、0.30%以下である。
Nbは、本実施の形態において重要な要件であり、CuおよびSnを共存させることにより、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。Nbは、アノード部において錆層と地鉄の界面付近に濃化し、アノード反応、カソード反応を抑制する。これらの効果を充分に得るためには、0.005%以上含有する必要がある。一方、0.200%を超えると靭性の低下を招く。したがって、Nb含有量は、0.005%以上、0.200%以下とする。好ましくは、0.008%以上、0.100%以下である。さらに好ましくは、0.010%以上、0.030%以下である。
Snは、本実施の形態において重要な要件であり、CuおよびNbを共存させることにより、鋼材の耐候性を著しく向上させる効果がある。Snは、鋼材表面にSnを含む酸化皮膜を形成し、鋼材のアノード反応、カソード反応を抑制することで鋼材の耐候性を向上させる。これらの効果を充分に得るためには、0.005%以上含有する必要がある。一方、0.200%を超えると鋼の延性や靭性の劣化を招く。したがって、Sn含有量は、0.005%以上、0.200%以下とする。好ましくは、0.010%以上、0.100%以下である。より好ましくは、0.020%以上、0.050%未満である。
Niの含有量は、コスト抑制の観点から0.50%以下とすることが好ましい。
Ni:0.01%以上、1.00%以下、
Cr:0.01%以上、1.00%以下、
Mo:0.005%以上、1.000%以下、
W:0.005%以上、0.500%以下、
Co:0.01%以上、0.500%以下、
Sb:0.005%以上、0.200%以下、
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V:0.005%以上、0.200%以下、
Zr:0.005%以上、0.200%以下、
B:0.0001%以上、0.0050%以下、
REM:0.0001%以上、0.0100%以下、
Ca:0.0001%以上、0.0100%以下、
Mg:0.0001%以上、0.0100%以下、
から選ばれる一種以上を含有するようにしてもよい。
Niは、錆粒を微細化することで緻密な錆層を形成し、構造用鋼材の耐候性を向上させる効果を有する。この効果を充分に得るためには、0.01%以上含有する必要がある。一方、1.00%を超えて含有すると合金コストの上昇を招く。したがって、Niを含有する場合、含有量は0.01%以上、1.00%未満とする。好ましくは、0.01%以上、0.20%未満、より好ましくは、0.01%以上、0.10%未満である。
Crは、錆粒を微細化することで緻密な錆層を形成し、耐侯性を向上させる元素である。このような効果を得るためには、0.01%以上含有することが必要である。一方、Crを過剰に添加すると溶接性が低下する。したがって、Crを含有する場合、含有量は、0.01%以上、1.00%以下とする。
Moは、鋼材のアノード反応に伴ってMoO4 2−が溶出し、錆層中にMoO4 2−が分布することで、腐食促進因子の塩化物イオンが錆層を透過して地鉄に到達するのを防止する。また、鋼材表面にMoを含む化合物が沈殿することで、鋼材のアノード反応を抑制する。これらの効果を充分に得るためには、0.005%以上含有する必要がある。一方、1.000%を超えるとMo消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Moを含有する場合、Mo含有量は、0.005%以上、1.000%以下とする。
Wは、鋼材のアノード反応に伴ってWO4 2−が溶出し、錆層中にWO4 2−として分布することによって、腐食促進因子の塩化物イオンが錆層を透過して地鉄に到達するのを静電的に防止する。さらに、鋼材表面にWを含む化合物が沈殿することで、鋼材のアノード反応を抑制する。これらの効果を充分に得るためには、0.010%以上含有する必要がある。一方、1.000%を超えるとW消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Wを含有する場合、W含有量は0.010%以上、1.000%以下とする。
Coは、錆層全体に分布し、錆粒を微細化することで緻密な錆層を形成し、鋼材の耐候性を向上させる効果を有する。このような効果を充分に得るためには、0.01%以上含有する必要がある。一方、0.500%を超えるとCo消費量増加に伴うコスト上昇を招く。したがって、Coを含有する場合、Co含有量は、0.01%以上、0.500%以下とする。
Sbは、鋼材のアノード反応を抑制するとともに、カソード反応である水素発生反応を抑制することで鋼材の耐候性を向上させる元素である。このような効果を充分に得るためには、0.005%以上含有する必要がある。一方、Sbを過剰に含有すると靭性の劣化を招く。したがって、Sbを含有する場合、含有量は0.005%以上、0.200%以下とする。
Tiは、強度を高めるために必要な元素である。この効果を充分に得るためには、0.005%以上含有する必要がある。一方、0.200%を超えると靭性の劣化を招く。したがって、Tiを含有する場合、Ti含有量は0.005%以上、0.200%以下とする。
Vは、強度を高めるために必要な元素である。この効果を充分に得るためには、0.005%以上含有する必要がある。一方、0.200%を超えると効果が飽和する。したがって、Vを含有する場合、V含有量は0.005%以上、0.200%以下とする。
Zrは、強度を高めるために必要な元素である。この効果を充分に得るためには、0.005%以上含有する必要がある。一方、0.200%を超えると効果が飽和する。したがって、Zrを含有する場合、Zr含有量は0.005%以上、0.200%以下とする。
Bは、強度を高めるために必要な元素である。この効果を充分に得るためには、0.0001%以上含有する必要がある。一方、0.0050%を超えると靭性の劣化を招く。したがって、Bを含有する場合、B含有量は、0.0001%以上、0.0050%以下とする。
REMは、錆層全体に分布し、錆粒を微細化することで緻密な錆層を形成し、鋼材の耐候性を向上させる効果を有する。この効果を充分に得るためには、0.0001%以上含有する必要がある。一方、0.0100%を超えるとその効果は飽和する。したがって、REMを含有する場合、REM含有量は0.0001%以上、0.0100%以下とする。
Caは、鋼中のSを固定して溶接熱影響部の靭性向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには0.0001%以上含有する必要がある。一方、0.0100%を超えると鋼中の介在物の量が増加し、かえって靭性の劣化を招く。したがって、Caを含有する場合、Ca含有量は0.0001%以上、0.0100%以下とする。
Mgは、鋼中のSを固定して溶接熱影響部の靭性向上に有効な元素である。この効果を充分に得るためには、0.0001%以上含有する必要がある。一方、0.0100%を超えると鋼中の介在物の量が増加しかえって靭性の劣化を招く。したがって、Mgを含有する場合、Mg含有量は0.0001%以上、0.0100%以下とする。
本実施の形態に係る鈑桁橋の諸元については、橋梁の規模等に応じて種々異なるが、上述した実施の形態及び各変形例における寸法の一例を示せば、次の通りである。鋼製主桁1Bを構成するH形鋼2,7は、フランジ幅が300mm、フランジ厚が20mm、ウェブ高が500mm、ウェブ厚が9mmである。C形鋼3,4は、フランジ幅が150m、フランジ厚が20mm、ウェブ高が500mm、ウェブ厚が6mmである。また、鋼板5,6は、幅が300mm、厚さが6mmである。各鋼製主桁1Bの間隔は2000mmである。耐候性が低い鋼材である防食ランク1の箇所には本実施の形態の耐候性鋼材を用い、耐候性が高い鋼材である防食ランク2の箇所にはJIS耐候性鋼材を用い、耐候性が最も高い鋼材である防食ランク3の箇所にはニッケル系高耐候性鋼材を用いる。ここで、普通鋼を用いない理由は、普通鋼が塗装を必要とするためであり、塗装をすれば定期的な塗り替えが必要となる。したがって、塗り替えの手間やコストが発生しない耐候性鋼材のみで鋼製主桁を構成した。
(Cu−0.01)×(Sn−0.005)×(Nb−0.005)×104≧0.08
…(4)
(Cu−0.01)×(Ni−0.01)×(Cr−0.01)×50≧0.08
…(5)
(Cu+10×Sn)/(2×Ni+0.5×Si)<10 …(6)
1A 床板
1B 鋼製主桁
2,7 H型鋼
3,4 C形鋼
5,6 鋼板
10,11,12 鋼製主桁
21,22 垂直補鋼材
23,24 対傾構
31 水平補鋼材
32,33 横構
101〜105 集成部材
Claims (8)
- 床板を支持する複数の鋼製主桁を有する橋梁構造であって、
前記鋼製主桁の上部に設けられるH形鋼あるいはI形鋼と、
フランジ幅が前記H形鋼あるいはI形鋼のフランジ幅の1/2のC形鋼のウェブ同士を接触させてH形あるいはI形を形成した集成部材と、
前記集成部材の下フランジ幅と同幅の鋼板と、
を備え、
前記H形鋼あるいはI形鋼の下フランジと前記集成部材の上フランジとの間、および前記集成部材の下フランジと前記鋼板との間をボルトあるいは溶接によって接合したことを特徴とする橋梁構造。 - 前記H形鋼あるいはI形鋼、または前記集成部材を、断面高さ方向に複数段重ねたことを特徴とする請求項1に記載の橋梁構造。
- 防食ランクを3段階に分け、
前記H形鋼あるいはI形鋼、および外側の前記集成部材を形成する外側の前記C形鋼に最も耐候性が低い鋼材を用い、
外側の前記集成部材を形成する内側の前記C形鋼、および内側の前記集成部材を形成する前記C形鋼に次に耐候性が低い鋼材を用い、
前記集成部材の下フランジに接合した最下方の前記鋼板に耐候性が最も高い鋼材を用いたことを特徴とする請求項1または2に記載の橋梁構造。 - 内側の鋼製主桁の最下方が前記H形鋼あるいはI形鋼である場合、該最下方のH形鋼あるいはI形鋼は、前記次に耐候性が低い鋼材が用いられることを特徴とする請求項3に記載の橋梁構造。
- 防食ランクを2段階に分け、
前記H形鋼あるいはI形鋼、および外側の前記集成部材を形成する外側の前記C形鋼に耐候性が低い鋼材を用い、
外側の前記集成部材を形成する内側の前記C形鋼、内側の前記集成部材を形成する前記C形鋼、および前記集成部材の下フランジに接合した最下方の鋼板に耐候性が高い鋼材を用いたことを特徴とする請求項1または2に記載の橋梁構造。 - 内側の鋼製主桁の最下方が前記H形鋼あるいはI形鋼である場合、該最下方のH形鋼あるいはI形鋼は、前記耐候性が高い鋼材が用いられることを特徴とする請求項5に記載の橋梁構造。
- 前記鋼製主桁を構成する各鋼材は、質量%で、
C:0.030%以上、0.200%未満、
Si:0.10%以上、1.00%以下、
Mn:0.20%以上、2.00%以下、
P:0.003%以上、0.030%以下、
S:0.0001%以上、0.0200%以下、
Al:0.001%以上、0.100%以下、
Cu:0.01%以上、0.50%以下、
Nb:0.005%以上、0.200%以下、
Sn:0.005%以上、0.200%以下、
を含有し、
さらに、少なくとも(1)式あるいは(2)式のいずれかを満足するとともに、(3)式を満足し、残部が鉄および不可避的不純物からなることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の橋梁構造。
(Cu−0.03)×(Sn−0.005)×(Nb−0.005)×104≧0.08
…(1)
(Cu−0.03)×(Ni−0.01)×(Cr−0.01)×50≧0.08
…(2)
(Cu+10×Sn)/(2×Ni+0.1×Si)<10 …(3)
ここで、(1)〜(3)式内の各元素記号は含有量(質量%)を示し、含有しない元素は0とする。 - さらに、前記鋼製主桁を構成する各鋼材は、質量%で、
Ni:0.01%以上、1.00%以下、
Cr:0.01%以上、1.00%以下、
Mo:0.005%以上、1.000%以下、
W:0.005%以上、0.500%以下、
Co:0.01%以上、0.500%以下、
Sb:0.005%以上、0.200%以下、
Ti:0.005%以上、0.200%以下、
V:0.005%以上、0.200%以下、
Zr:0.005%以上、0.200%以下、
B:0.0001%以上、0.0050%以下、
REM:0.0001%以上、0.0100%以下、
Ca:0.0001%以上、0.0100%以下、
Mg:0.0001%以上、0.0100%以下、
から選ばれる一種以上を含有することを特徴とする請求項7に記載の橋梁構造。
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