JP6774162B2

JP6774162B2 - 橋梁用伸縮継手システム

Info

Publication number: JP6774162B2
Application number: JP2014206511A
Authority: JP
Inventors: 正見松野; 太郎利根川; 正嗣長井; 宮下　剛; 剛宮下
Original assignee: Nagaoka University of Technology
Current assignee: Nagaoka University of Technology
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2020-10-21
Anticipated expiration: 2034-10-07
Also published as: JP2016075090A

Description

本発明は橋梁用伸縮継手システムに関し、道路橋の床版部に設置された伸縮継手の変状(変位、ひずみ等)をモニタリングすることで、交通荷重による伸縮継手と橋梁本体(床版部と床版部を支える橋桁)の健全度を評価して、適切な時期に橋梁本体と伸縮継手のメンテナンスや取替え、さらには橋梁本体の架け替えを行えるようにしたものである。

一般に、道路橋などの橋梁は、上部構造のうち橋桁は主として鋼桁やPC桁などから構成され、床版は橋桁の上にRC床版あるいはPC床版などのコンクリート床版を敷設するか、あるいは鋼製型枠にコンクリートを打設する等の方法により構成される。

また、橋桁と道路床版は季節の温度差やコンクリートの乾燥収縮等によって伸縮を繰り返すため、橋軸方向に適当な間隔をおいて遊間部が設けられ、当該遊間部には伸縮継手が設置される。伸縮継手には主として，ゴム製や金属製の製品タイプの伸縮装置や、片持ち式の鋼製フィンガージョイントが用いられる。

伸縮装置に関する先行技術文献として、例えば特許文献１、２や非特許文献１〜７がある。特許文献１〜２には、橋梁の伸縮装置や伸縮装置の定着構造に関する発明が開示されている。

非特許文献１〜３には、従来の鋼製の伸縮装置における疲労損傷に関して述べられている。非特許文献４〜６には、非特許文献１〜３などの損傷事例を考慮した伸縮装置の疲労耐久性に関する構造が検討されている。

ところで、鋼橋やコンクリート橋といえども、適切な時期に適切なメンテナンスを行わないと、疲労き裂、腐食やひび割れ等が進展し、それがきっかけとなって強度が低下し、ひいては老朽化の急速な進展により損傷や崩落を招きかねない。

特に、床版部の継手部においては、伸縮継手が損傷していると雨水や雨水と共に凍結防止材に含まれる塩分を含む水分が遊間部を伝って床版部の下側に漏れ、これがもとで床版部を支える橋桁の端部が損傷して橋梁本体の寿命を縮めてしまう。

このため、将来にわたって安全で円滑な交通を確保しつつ、経済的かつ合理的に維持管理していくことが求められ、そのためには、橋梁の維持管理に必要なデータを効率的に取得して橋梁の現状を適切に把握・評価し，それらに基づいて計画的な維持管理を行うことが重要とされる。

従来、橋梁本体の現状を把握・評価するために必要なデータを取得するには、近接目視を主に、必要に応じて簡易な点検機械・器具を用いて調査を行い、損傷程度をより詳細に把握したり、表面からの目視によるだけでは検出できない損傷を調査するには非破壊検査も必要に応じて採用される。

特に、橋梁本体の健全度を把握する上で、大型車交通量の把握は重要である。平成14年以降、鋼橋においては、活荷重に対する疲労設計が導入されて、疲労寿命を算定できる解析手法が取られ、設計耐用年数では、疲労損傷が生じないように設計されるようになったが、大型車の過積載の問題は深刻で、これにより設計で想定する疲労寿命より短い年数で疲労き裂が生じ、橋梁本体の健全性が著しく低下している事例がある。

このため、道路供用後の実際の交通荷重データが取得できれば，実際の橋梁本体の寿命予測がより正確に行えることになる。

大型車交通量が直接測定できる橋梁の部材としては、荷重を直接受ける舗装、床版、伸縮継手などであるが、舗装や床版は面的に広く分布している一方で、伸縮継手部は橋梁１連で２箇所に線的に分布しており、鋼製片持ち式フィンガージョイントの場合、そのひずみや変位を計測することで、交通荷重の推定が原理的には可能となる。

特許文献３には、道路橋の床版部に設置されたフィンガージョイント内にひずみゲージを埋め込んで、道路橋の交通頻度や荷重を捕らえ、交通量調査や荷重値分布による橋梁の疲労過程の判定、設計荷重条件へのフィードバックに利用可能とされた荷重計付道路橋伸縮継手について開示されている。

その他、震度４程度以上の地震などが発生した場合、伸縮装置の左右の橋梁にそれぞれ独自に過大な地震時変位が生じる場合があり、伸縮装置の損傷、鋼製片持ち式フィンガージョイントのフィンガー先端の目違い（段差）が大きくなってしまうと、たとえ橋梁本体が健全であっても、路面に大きな段差が生じていることで、地震後の交通開放が難しい場合もある。このため、維持管理者あるいは点検員が早急に現地に出向し、目視確認の上、交通開放の可否の判断を行う必要がある。

特開２００４−１４３８４５号公報実用新案登録第３１６４０３１号公報実開平０４−１１２９０３号公報特開２００４−１９０２６４号公報

西浩嗣、荒本貴司、酒井修平、小野修一、"鋼製フィンガージョイントの疲労試験"、土木学会第６３回年次学術講習会（平成２０年度）、pp.145-146 長尾千瑛、米川英雄、"東名高速道路（沼津〜富士間）における鋼製くし形伸縮装置の損傷に関する考察"、土木学会第６３回年次学術講習会（平成２０年度）、pp.143-144 S.Ono、S.Sakai&T.Imamura、"Fatigue evaluation of steel finger type expansion joints for highway"、IABMAS2010（The Fifth International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management）、pp.3447-3452 芦塚憲一郎、忽那幸浩、谷中聡久、岩崎雅紀"改良型伸縮装置の疲労耐久性に関する検討"、土木学会第５８回年次学術講習会（平成１５年度）、pp.1303-1304 忽那幸浩、芦塚憲一郎、小池洋平、岩崎雅紀、"改良型伸縮装置の定着強度特性に関する検討"、土木学会第５８回年次学術講習会（平成１５年度）、pp.1301-1302 芦塚憲一郎、谷中聡久、忽那幸浩、"改良型鋼製伸縮装置の定着部の強度と耐久性に関する検討"、橋梁と基礎（２００４年１０月）、pp.33-38 中西文雄、吉田哲也、渡辺喜紀、依田照彦、"孔あきジベルを用いたアルミ合金鋳物製伸縮装置に関する実験的研究"、土木学会第５９回年次学術講習会（平成１６年度）、pp.1043-1044

しかし、近接目視を主に簡易な点検機械・器具を用いて、橋梁の現状を把握・評価する前者の方法は、作業する者の技量によって評価が大きく左右されため、客観性に乏しいという課題があった。

一方、特許文献３に開示された方法では、ひずみゲージがフィンガー部の先端部の鋼板を薄く加工して、その下部に取り付けられているため、地震時などにおける過大な揺れによって、ひずみゲージの取り付けられたフィンガー部の先端が大きく変形したり、あるいは完全に折れて計測不能に陥ってしまうおそれがある。また、肉厚が薄いことから、腐食環境下では板厚減少により計測値が大きくなり、妥当な値を計測出来ない可能性がある。

本発明は、以上の課題を解決するためになされてもので、道路橋の床版部に設置された伸縮継手の変状(変位、ひずみ等)をモニタリングすることで、交通荷重による伸縮継手と橋梁本体(床版部と床版部を支える橋桁)の健全度を評価して、適切な時期に橋梁本体と伸縮継手のメンテナンスや取替え、さらには橋梁本体の架け替えを行えるようにした橋梁用伸縮継手システムを提供することを目的とするものである。

一般に道路橋などの橋梁全体の疲労寿命は累積した交通量により決定されるため、実交通荷重分布を計測した上で、信頼性の高い寿命予測を行うことで、必要な維持管理のタイミングを推定することが可能となる。

例えば、道路橋の床版部に設置された伸縮継手は、直接輪荷重の作用を受けるため、伸縮継手の変位や付け根のひずみ等を常時計測することが可能であれば、累積の荷重頻度分布を推定することができるため、伸縮継手の健全度評価と大まかな橋梁本体の疲労に対する健全度評価を行うことが可能になる。

本発明は、このような考えのもとになされたものであり、伸縮継手のウェブ遊間部に設置された伸縮継手の変状(変位、ひずみ等)から伸縮継手および橋梁本体の健全度を評価するように構成された橋梁用伸縮継手システムにおいて、前記遊間部に床版部の路面と面一にフィンガージョイントを構成するフェイスプレートと当該フェイスプレートの輪荷重による変位とひずみを計測するひずみ計測センサーを備え、当該記ひずみ計測センサーによって前記フェイスプレート先端の変位とフェイスプレート付け根部のひずみをモニタリングすることにより前記フィンガージョイントおよび橋梁本体の健全度を評価できるように構成されてなることを特徴とするものである。

本発明によれば、直接輪荷重の作用するフィンガージョイントの変状(変位、ひずみ等)をモニタリングすることで、フィンガージョイントの寿命と橋梁本体の疲労損傷を評価し、これによりフィンガージョイントと橋梁本体の寿命を推定して適切な時期にフィンガージョイントと橋梁本体のメンテナンスを行ったり、あるいは適切な時期にフィンガージョイントを取替え、さらには橋梁本体の架け替えを行うためのデータを提供することができる。

本発明の適用可能なフィンガージョイントは、特に限定されるものではなく、基本的な形態(形状等)が共通しているものであれば、少々特異な形態をしたフィンガージョイントにおいても実施可能なことはいうまでもない。

また、ひずみ計測センサーは、フィンガージョイントを構成するフェイスプレートの付け根部に取り付けられていることで、地震力などの過大な外力でフェイスプレートの一部が大きく変形したり、あるいは折れたりしても、フェイスプレート先端の変位とフェイスプレート付け根部のひずみを継続してモニタリングすることができる。

また、ひずみ計測センサーとして、例えば耐久性の高い光ファイバーセンサーを用いることもでき、その場合、計測点近傍の電源が不要となり、継続してモニタリングを行なうことができる。

さらに、ひずみ計測センサーによる直接輪荷重の作用するフィンガージョイントの変状(変位、ひずみ等)をモニタリングすることに加えて、フィンガージョイントそのものの変状(目違い等)を遠望視するための小型の監視カメラを高欄遊間部に設置して、通常時においては，フェイスプレート先端の変位、これに伴うフィンガージョイントの目違いの発生、さらにはフィンガージョイント近傍の路面状況(滞水状況等)をモニタリングすることで、フィンガージョイントおよびその近傍のメンテナンスと補修等を適切な時期に行うことができる。

また，震度４以上の地震時においては、フィンガージョイントの目違いの発生の有無や損傷状態をモニタリングすることで、緊急車両の通行の可否を迅速に行うことが可能となる。

また、フィンガージョイントの下側に取り付けられた止水部材の裏面部に湿度計測計を取り付けて止水部材およびその周辺の濡れ具合をモニタリングすることで、止水部材の損傷、止水部材の損傷に伴う水漏れによる橋桁端部の損傷具合等を推定し、これにより止水部材の取替えと橋梁端部の腐食による架け替えの必要性の判断を行うことができる。橋桁の端部が損傷することで、橋梁全体の寿命を縮めてしまうことが懸念される。

さらに，これらのモニタリングデータをワイヤレスデータ通信を行い、観測用のパソコンや外部のクラウドのデータセンターなどにデータ蓄積し、データ処理を行うことで、点検者が何度も現地に足を運ぶ手間と時間が削減され，モニタリングデータに対する橋梁本体や伸縮装置の健全度の迅速な判断が可能となる。

本発明によれば、直接輪荷重の作用するフィンガージョイントの変状(変位、ひずみ等)をひずみ計測センサーや監視カメラによってモニタリングすることで、フィンガージョイントの寿命と橋梁本体の疲労損傷を評価し、これによりフィンガージョイントと橋梁本体の寿命を推定して適切な時期にフィンガージョイントと橋梁本体のメンテナンスを行ったり、あるいは適切な時期にフィンガージョイントを取替え、さらには橋梁本体の架け替えを行うことができるため、将来にわたって安全で円滑な交通を確保しつつ、経済的かつ合理的に維持管理していくことができる。

本発明の一実施形態を示し、橋梁用伸縮継手装置の上方から見た斜視図である。橋梁用伸縮継手装置の下方から見た斜視図である。橋梁用伸縮継手装置を示す道路床版の継手部における橋軸方向の縦断面図である。監視カメラと計測boxの設置位置を示す道路床版および壁高欄の継手部における橋軸直角方向の縦断面図である一般的に用いられているフィンガージョイントの一例を示し、図5(a)は上方から見た斜視図、図5(b)は下方から見た斜視図である。

図１〜図４は道路橋の橋梁本体を示し、鋼桁またはPC桁などからなる橋桁１の上にRC構造の道路床版２が敷設され、道路床版２の両側部に壁高欄3,3が敷設されている。

また、道路床版２と壁高欄３に橋軸方向に間隔をおいて複数の遊間部Ａが設けられ、いずれの遊間部Ａも橋軸直角方向に連続して設けられている。また、道路床版２の各遊間部Ａにはフィンガージョイント４が設置されている。

フィンガージョイント４は、一対のウェブプレート5,5と複数のアンカープレート６、さらに一対のフェイスプレート7,7と止水部材８を備えている。

一対のウェブプレート5,5は、橋軸直角方向に長辺を有する矩形板状に形成され、遊間部Ａ内の対向面にそれぞれ設置されている。複数のアンカープレート６は、橋軸方向に長辺を有する孔開きプレートより形成され、ウェブプレート5,5の裏面側に橋軸直角方向に一定間隔おきに設置され、かつ道路床版２のコンクリート内に深く埋め込まれている。

また、一対のフェイスプレート7,7は、対向するウェブプレート5,5間の遊間部Ａに道路床版２の路面と面一なフィンガージョイントを構成するように設置されている。また、各フェイスプレート７のウェブプレート５側の端部は、ウェブプレート５および複数のアンカープレート６の上端部に片持ち形式に固着され、先端側は互いに隙間を有した状態で噛み合って、フィンガー形式の継手を形成している。

このように設置された一対のウェブプレート5,5、複数のアンカープレート６および一対のフェイスプレート7,7は、溶接などによって一体的に組み立てられていることで(簡易な板組構造)、低コスト化が図られている。また、橋軸直角方向に一定長に形成されていることで(ユニット化)、分割施工によりメンテナンスや取替時の交通規制時間の短縮化を図れるようになっている。

さらに、ウェブプレート５、アンカープレート６およびフェイスプレート７の全てが鉛直に設置され、かつフェイスプレート7,7の端部7aにテーパー加工がなされていることで、コンクリートの充填性の向上が図られている。また、また、アンカープレート６が孔開きプレートから形成されていることで、コンクリートとの一体性の向上が図られている。

止水部材８は、フェイスプレート7,7間の隙間から流れ落ちる雨水等を止水し、対向するウェブプレート5,5間に遊間部Ａを塞ぐように橋軸直角方向に連続して取り付けられている。また、道路床版２の橋軸直角方向の端部に設けられた排水口(図省略)に排水するための樋機能も有している。

さらに、フェイスプレート7,7の付け根部、すなわちウェブプレート5,5の対向面には、輪荷重によるフェイスプレート7,7の先端の変位と、付け根部のひずみを常時計測するためのひずみ計測センサー９が取り付けられている。また、止水部材８の裏面部には止水部材およびその近傍の湿度を計測するための湿度計測計10が取り付けられている。

なお、ひずみ計測センサー９に耐久性の高い光ファイバーセンサーを用いる場合、計測点近傍の電源が不要となり、橋梁の高欄内部などに光ケーブルを配置させ、そこから導電することで、遠隔地で継続したデータの取得が可能になっている。

また、壁高欄３の遊間部Ａにはフィンガージョイント４そのものの変状(変位、目違い等)およびフィンガージョイント４近傍の路面の変状(濡れ具合、滞水状況等)を常時モニタリングするための小型の監視カメラ11が設置されている。

また、壁高欄３の各遊間部Ａ内にはひずみ計測センサー９によって計測されたフェイスプレート7,7の先端の変位と付け根部のひずみと、止水部材およびその近傍の湿度をそれぞれ集計するための計測Box12が設置されている。

このような構成により、フィンガージョイント４と橋梁本体の健全度を評価することができる。また、監視カメラ11によってフィンガージョイント４そのものの変状とフィンガージョイント４近傍の路面の変状(路面の状況や路面の滞水状況等)をモニタリングすることによりフィンガージョイント４と橋梁本体の健全度を評価することができる。

さらに、湿度計測計11によって止水部材８およびその周辺の湿度をモニタリングすることにより、止水部材８およびその周辺の濡れ具合を判別することで、橋梁端部の腐食に対する健全度を評価することができる。

そして、これらの評価の結果からフィンガージョイント４、橋梁本体(道路床版と橋桁)および止水部材の損傷度と寿命等を推定して、適切な時期にメンテナンスや取替え、さらには架け替えを行うことができる。

なお、本発明の橋梁用伸縮継手システムは、図１〜図４で説明したフィンガージョイントに限らず、例えば図5(a),(b)に図示するような一般的に用いられているフィンガージョイントにおいても実施可能なことはいうまでもない。

因みに、図5(a),(b)に図示するフィンガージョイントを簡単に説明すると、ウェブプレート5,5の裏面側にアンカープレートに代わるリブプレート13とアンカーボルト14が複数設置されている。

また、フェイスプレート７の下面側に複数のアンカーバー15が設置され、さらに、ウェブプレート5,5の下端部にベースプレート16が設置されている。リブプレート13は、フェイスプレート７とベースプレート16間に橋軸直角方向に間隔をおいてウェブプレート５、ベースプレート16およびフェイスプレート７と直角に設置されている。

アンカーボルト14は、ウェブプレート５の裏面側全体に間隔をおいて橋軸方向に一定長に配筋されている。そして、アンカーバーは橋軸直角方向に間隔をおいて橋軸方向に斜め下向きに設置されている。

また、このように設置された各部材は、溶接などによって一体的に組み立てられる。

なお、ひずみ計測センサーや監視カメラ等の設置位置、およびひずみ計測センサーと監視カメラによるモニタリング方法等、その他の構成は、図１〜図４で説明した実施形態とほぼ同じである。

本発明は、道路橋の床版部に設置された伸縮継手の変状(変位、ひずみ等)をひずみ計測センサーや監視カメラによってモニタリングすることで、交通荷重による伸縮継手と橋梁本体(床版部と床版部を支える橋桁)の健全度を評価して、適切な時期に橋梁本体と伸縮継手のメンテナンスや取替え、さらには橋梁本体の架け替えを行うことができる。

１橋桁
２道路床版
３壁高欄
４フィンガージョイント
５ウェブプレート
６アンカープレート
７フェイスプレー
８止水部材
９ひずみ計測センサー
10 湿度計測計
11 監視カメラ
12 計測Box
13 リブプレート
14 アンカーボルト
15 アンカーバー
16 ベースプレート

Claims

橋梁の床版部に橋軸直角方向に連続して設けられた遊間部に設置された伸縮継手の実際の交通荷重による変状から、前記伸縮継手および橋梁本体の健全度を評価する橋梁用伸縮継手システムにおいて、前記床版部の路面と面一なフィンガージョイントを構成する一対のフェイスプレートと、前記フェイスプレートの下側に前記遊間部を塞ぐように取り付けられ、前記フェイスプレート間の隙間から流れ落ちる雨水等を止水する止水部材と、前記止水部材の裏面側に取り付けられ、前記止水部材およびその近傍の湿度を計測する湿度計測計とを備え、前記湿度計測計によって前記止水部材およびその周辺の濡れ具合をモニタリングすることにより、前記止水部材の損傷および前記止水部材の損傷に伴う水漏れによる橋桁端部の損傷具合を推定して、前記フィンガージョイントおよび前記橋梁本体の健全度を評価できるように構成されていることを特徴とする橋梁用伸縮継手システム。
請求項１記載の橋梁用伸縮継手システムにおいて、前記フェイスプレートの実際の交通荷重による変位とひずみを計測するひずみ計測センサーを備え、前記ひずみ計測センサーによって実際の交通荷重による前記フィンガージョイントのフェイスプレート先端の変位とフェイスプレート付け根部のひずみをモニタリングすることにより、前記フィンガージョイントおよび橋梁本体の疲労寿命を推定して、前記フィンガージョイントおよび前記橋梁本体の健全度を評価できるように構成されていることを特徴とする橋梁用伸縮継手システム。
請求項１記載の橋梁用伸縮継手システムにおいて、前記フェイスプレートおよびフェイスプレート近傍の路面の変状をモニタリングする監視カメラを備え、当該監視カメラによって前記フェイスプレートおよびフェイスプレート近傍の路面の変状をモニタリングすると共に、前記ひずみ計測センサーによって実際の交通荷重による前記フィンガージョイントのフェイスプレート先端の変位とフェイスプレート付け根部のひずみをモニタリングすることにより、前記フィンガージョイントおよび橋梁本体の疲労寿命を推定して、前記フィンガージョイントおよび前記橋梁本体の健全度を評価できるように構成されていることを特徴とする橋梁用伸縮継手システム。
請求項１〜３のいずれかひとつに記載の橋梁用伸縮継手システムにおいて、前記床版部の側部に敷設された壁高欄に橋軸方向に間隔をあけて設けられた遊間部に、前記フェイスプレートに作用する輪荷重を算定し、かつフェイスプレート先端の変位と付け根部のひずみを集計するための計測Boxを備えていることを特徴とする橋梁用伸縮継手システム。
請求項１〜４のいずれかひとつに記載の橋梁用伸縮継手システムにおいて、モニタリングしたデータのデータ通信機能を有する計測boxからワイヤレスでデータ伝送を行い、観測用のパソコンや外部のクラウドのデータセンターなどにデータを蓄積、データ処理を行うことで、前記橋梁本体や伸縮継手の健全度の評価が可能とされていることを特徴とする橋梁用伸縮継手システム。