JP7052562B2 - 鋼床版および鋼床版の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼床版および鋼床版の製造方法に関する。

従来、橋梁等の土木構造物において、鋼床版が用いられている。図１は、鋼床版を備えた橋梁の一例を示す図である。なお、図１においては、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を示している。Ｘ方向は橋梁１の長さ方向を示し、Ｙ方向は橋梁１の幅方向を示し、Ｚ方向は鉛直方向を示す。また、図１においては、橋梁１上を走行する車両８が示されている。以下の説明では、橋梁１の幅方向を、左右方向ともいう。

図１に示す橋梁１は、鋼床版２および舗装材７を有している。鋼床版２は、デッキプレート３と、複数の主桁４と、複数の横リブ５と、複数の縦リブ６とを有している。デッキプレート３、主桁４、横リブ５および縦リブ６はそれぞれ、鋼材からなる。なお、以下においては、デッキプレート３を基準として、舗装材７が設けられる側を上方とし、縦リブ６が設けられる側を下方とする。

デッキプレート３は、平板形状を有する。デッキプレート３の上面３ａは、舗装材７によって舗装されている。主桁４は、Ｙ－Ｚ平面に平行な断面においてＩ字形状を有し、かつ橋梁１の長さ方向に延びるように設けられている。横リブ５は、Ｘ－Ｚ平面に平行な断面において逆Ｔ字形状を有し、かつ橋梁１の幅方向に延びるように設けられている。

縦リブ６は、長尺形状を有し、橋梁１の長さ方向に延びるように、かつ横リブ５を貫通するように設けられている。図１に示した縦リブ６は、いわゆるＵリブであり、Ｙ－Ｚ平面に平行な断面において、左右方向に延びる底部６ａと、底部６ａの左右方向における両端部から上方に延びる一対の側壁部６ｂ，６ｃとを有する。側壁部６ｂ，６ｃは、先端側（図１においては上側）ほど互いの間隔が大きくなるように、底部６ａに対して傾斜している。縦リブ６の上部がデッキプレート３によって塞がれるように、側壁部６ｂ，６ｃの上端部は、デッキプレート３の下面３ｂに接続されている。すなわち、縦リブ６は、閉断面リブである。本明細書における「閉断面リブ」とは、デッキプレートの下面に接続されることで、デッキプレートの下面との間に閉断面を形成する長尺状のリブのことを言う。

上記のような構成を有する橋梁１では、例えば、橋梁１上を自動車８が通過することによって、鋼床版２において疲労亀裂が発生する場合がある。この疲労亀裂は、例えば、デッキプレート３と側壁部６ｂ，６ｃとの溶接部９において発生する。以下、溶接部９における疲労亀裂の発生態様について説明する。

図２は、デッキプレート３と側壁部６ｂとの溶接部９を示す拡大図である。図２に示すように、側壁部６ｂをデッキプレート３に溶接する際には、例えば、側壁部６ｂの先端部のうち外側の部分６ｄが溶接金属１０を介してデッキプレート３に接合される。一般に、側壁部６ｂの厚み方向における溶接金属１０の溶け込み深さは、縦リブ６の厚みの７５％以上１００％未満が基準とされており、側壁部６ｂの先端部のうち内側の部分６ｅはデッキプレート３に接合されない。このため、デッキプレート３と溶接金属１０と部分６ｅとの間に、切欠き状の空間１１（以下、不溶着部１１という。）が形成される。このような溶接部９では、溶接後の溶接金属１０の収縮が周囲の母材に拘束されることによって、溶接金属１０の近傍で引張の残留応力が発生している。

ここで、自動車８が橋梁１上を通過すると、デッキプレート３に荷重が加わり、デッキプレート３が撓む。これにより、デッキプレート３と溶接金属１０との境界部および側壁部６ｂと溶接金属１０との境界部に、曲げ応力および引張応力が発生する。これらの応力の内、橋梁１の幅方向（左右方向）の引張応力が上述の残留応力に重畳されることにより、溶接金属１０の近傍では大きな引張応力が発生しやすい。そして、複数の自動車８が通過することによって、上記荷重がデッキプレート３に繰り返し加わると、デッキプレート３と溶接金属１０との境界部近傍および側壁部６ｂと溶接金属１０との境界部近傍において疲労亀裂が発生する場合がある。例えば、溶接金属１０のデッキプレート３側の止端１２または側壁部６ｂ側の止端１３に疲労亀裂が発生したり、デッキプレート３側のルート部１４に疲労亀裂が発生したりする。これにより、鋼床版２の強度が低下するおそれがある。

ところで、鋼床版２では、止端１２および止端１３は、縦リブ６の外側に位置する。このため、止端１２および止端１３において発生した疲労亀裂は、橋梁１の点検時等に、作業者によって発見されやすい。この場合、疲労亀裂が発生した部分を早期に補修することができるので、鋼床版２の強度低下を防止しやすい。

一方、ルート部１４は、縦リブ６の外側からは目視できない位置にあるので、ルート部１４において発生した疲労亀裂を作業者が発見することは難しい。また、仮に、ルート部１４に疲労亀裂が発生していることを発見できたとしても、ルート部１４を縦リブ６の外側から補修することは難しい。このため、ルート部１４に疲労亀裂が発生した場合は、縦リブ６の内側からルート部１４を補修する必要があり、疲労亀裂の補修に時間および労力を要する。

そこで、従来、ルート部１４において疲労亀裂が発生することを防止するための技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、ピーニング施工方法が記載されている。特許文献１に記載された方法では、Ｕリブ（縦リブ）を用いた鋼床版において、ピーニング工具によってデッキプレートの上面に打撃を与える。特許文献１には、上記のように打撃を与えることによって、Ｕリブの内側の部分に圧縮残留ひずみを与えることができると記載されている。特許文献１に記載された方法では、上記のようにして圧縮残留応力を与えることによって、Ｕリブの内側の部分に発生した疲労亀裂の進展を抑制していると考えられる。

特開２０１４－１７２０４３号公報

しかしながら、上記の方法では、デッキプレートの上面側をピーニング工具によって打撃するので、デッキプレートの下面側に十分な大きさの圧縮残留応力を与えることは難しい。この場合、疲労亀裂の進展または疲労亀裂の発生を十分に抑制できない。また、上記の方法では、デッキプレートと縦リブとを溶接した後に、圧縮残留応力を与えるための処理が必要になり、製造効率が低下する。

そこで、本発明は、溶接後に特別な処理を施すことなく縦リブとデッキプレートとの溶接部のルート部に疲労亀裂が発生することを抑制できる鋼床版およびその鋼床版の製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、下記の鋼床版および鋼床版の製造方法を要旨とする。

（１）上面および下面を有するデッキプレートと、
前記デッキプレートの前記下面との間で閉断面を形成する縦リブと、
前記デッキプレートと前記縦リブとを接合するように前記縦リブの長さ方向に延びかつ前記縦リブの外側から形成されている溶接部とを備え、
前記溶接部は、前記デッキプレートに溶け込んだ溶接金属を含み、
前記デッキプレートの厚み方向において、前記溶接金属の前記デッキプレートへの溶け込み深さは、前記デッキプレートの厚みの１／３以上である、鋼床版。

（２）鋼床版において上面となる第１面および前記鋼床版において下面となる第２面を有するデッキプレートに、前記第２面との間で閉断面を形成するように前記第２面に縦リブを接合する溶接工程を備え、
前記溶接工程では、前記縦リブの外側から前記デッキプレートと前記縦リブとを接合するように前記縦リブの長さ方向に延びる溶接部を形成し、
前記溶接部は、前記デッキプレートに溶け込んだ溶接金属を含み、
前記デッキプレートの厚み方向において、前記溶接金属の前記デッキプレートへの溶け込み深さは、前記デッキプレートの厚みの１／３以上である、鋼床版の製造方法。

（３）前記溶接工程の前に、前記デッキプレートのうち前記溶接工程で前記溶接金属を溶け込ませる部分に、前記第２面から前記第１面側に向かって凹む凹部を形成する、凹部形成工程をさらに備える、上記（２）に記載の鋼床版の製造方法。

本発明によれば、溶接後に特別な処理を施すことなく縦リブとデッキプレートとの溶接部のルート部に疲労亀裂が発生することを抑制できる。

図１は、鋼床版を備えた橋梁の一例を示す図である。 図２は、デッキプレートと縦リブとの溶接部の一例を示す図である。 図３は、鋼床版の解析モデルを説明するための図である。 図４は、ＦＥ解析結果を示すグラフである。 図５は、溶接金属の溶け込み深さと残留応力との関係を説明するための図である。 図６は、溶接金属の溶け込み深さと残留応力との関係を説明するための図である。 図７は、溶接金属の溶け込み深さと残留応力との関係を説明するための図である。 図８は、鋼床版の製造方法を説明するための図である。 図９は、鋼床版の製造方法を説明するための図である。 図１０は、鋼床版の製造方法の他の例を説明するための図である。 図１１は、鋼床版の他の例を示す図である。 図１２は、鋼床版の他の例を示す図である。

（本発明者らによる検討）
本発明者らは、これまで、鋼床版において疲労亀裂が発生することを抑制するために、種々の研究を行ってきた。この研究の中で、本発明者らは、デッキプレートと縦リブとの溶接部が鋼床版の疲労強度に与える影響について詳細に検討してきた。具体的には、本発明者らは、上述のデッキプレート３および縦リブ６を備えた鋼床版の解析モデルを作成し、有限要素（ＦＥ）解析（以下、ＦＥ解析と記載する）を行うとともに、解析結果に基づいて詳細な検討を行った。

図３は、鋼床版の解析モデルを説明するための図である。具体的には、図３（ａ）は、鋼床版の解析モデルを示す図であり、図３（ｂ）は、解析モデルのうちデッキプレートと側壁部との溶接部を拡大して示した概略図である。なお、図３（ａ）においては、鋼床版の幅方向における中心線を一点鎖線で示している。

図３に示すように、本発明者らは、４節点の２次元平面ひずみ要素を用いて、鋼床版２ａの１／２線対称モデルを作成した。なお、鋼床版２ａは、上述の主桁４および横リブ５を備えていない。鋼床版２ａの寸法には、日本鋼構造協会規格 ＪＳＳ ＩＩ ０８－２００６で規定された鋼床版用Ｕ形鋼（３２０×２４０×６－４０）の寸法を用いた。鋼床版２ａの幅方向における不溶着部１１の長さＬ１は、０．８ｍｍとし、ルート部１４（不溶着部１１の先端）と止端１２との間の距離Ｌ２は、１２．８ｍｍとした。なお、図３には示していないが、後述する図５に示すように、溶接金属１０の周囲には、溶接金属１０とともに溶接部９を構成する溶接熱影響部（以下、ＨＡＺと記載する。）１６が形成されるものとした。ＦＥ解析では、上面３ａが下方を向き、下面３ｂが上方を向くように鋼床版２ａを配置した。以下においては、上面３ａを第１面３ａと記載し、下面３ｂを第２面３ｂと記載する。

なお、鋼床版２ａの材料としてＳＭ４９０Ｂ（ＪＩＳ Ｇ３１０６ ２０１５）を用いたと仮定し、材料挙動は非線形移動硬化則に従うとして、ＦＥ解析を行った。

ＦＥ解析では、片側すみ肉溶接によって側壁部６ｂをデッキプレート３の第２面３ｂに接合した（溶接工程）。具体的には、アーク溶接によって片側すみ肉溶接を行ったと仮定して、溶接金属１０に入熱を行った。溶接金属１０の側壁部６ｂへの溶け込み深さｄは、側壁部６ｂの厚みの７５％とした。溶接金属１０のデッキプレート３への溶け込み深さＤは、２．５ｍｍ、３．２ｍｍ、４．０ｍｍ、５．３ｍｍ、７．７ｍｍ、１１．４ｍｍおよび１６．０ｍｍに設定した。溶接工程における雰囲気温度は、２０℃とした。

図４に解析結果を示す。なお、図４は、溶接金属１０の溶け込み深さＤとルート部１４およびデッキプレート３側の止端１２に生じた残留応力（鋼床版２ａの幅方向に生じる応力成分）との関係を示すグラフである。図４において横軸は、デッキプレート３の厚み（１６．０ｍｍ）に対する溶接金属１０の溶け込み深さＤの割合（％）を示す。図４ならびに後述の図６および７において、残留応力が正の値で示される場合は、鋼床版２ａの幅方向において引張の残留応力が生じていることを示し、残留応力が負の値で示される場合は、鋼床版２ａの幅方向において圧縮の残留応力が生じていることを示す。

図４に示した結果から、デッキプレート３における溶接金属１０の溶け込み深さＤを大きくすることによって、ルート部１４に生じる圧縮残留応力が大きくなることが分かる。特に、溶け込み深さＤをデッキプレート３の厚みの１／３（３３．３％）以上にすることによって、ルート部１４に生じる圧縮残留応力が顕著に増大している。

ここで、従来の一般的な鋼床版においては、デッキプレート３における溶接金属１０の溶け込み深さＤは、デッキプレート３の厚みの２０％程度である。この点を考慮すると、溶け込み深さＤをデッキプレート３の厚みの１／３（３３．３％）以上にすることによって、従来の鋼床版に比べて、ルート部１４の近傍に、十分な大きさの圧縮残留応力を生じさせることができると考えられる。

上記のようにルート部１４の近傍に十分な大きさの圧縮応力を生じさせることができれば、鋼床版に荷重が繰り返し加わったとしても、ルート部１４の近傍に大きな引張応力が生じることを抑制することができる。これにより、ルート部１４から疲労亀裂が発生することを抑制できると考えられる。

また、図４に示すように、溶け込み深さＤをデッキプレート３の厚みの１／３（３３．３％）以上にすることによって、デッキプレート３側の止端１２に生じる圧縮残留応力も十分に大きくなっている。したがって、溶け込み深さＤをデッキプレート３の厚みの１／３（３３．３％）以上にすることによって、止端１２から疲労亀裂が発生することも十分に抑制できると考えられる。

図５～７は、溶接金属のデッキプレートへの溶け込み深さと残留応力との関係を説明するための図である。図５（ａ）は、溶接金属１０のデッキプレート３への溶け込み深さを３．２ｍｍに設定した場合の溶接金属１０およびＨＡＺ１６の形状を示す図であり、図５（ｂ）は、溶接金属１０のデッキプレート３への溶け込み深さを５．３ｍｍに設定した場合の溶接金属１０およびＨＡＺ１６の形状を示す図である。図６は、溶接金属１０のデッキプレート３への溶け込み深さを３．２ｍｍに設定した場合に溶接部９の周辺に生じている残留応力の状態を示す図であり、図７は、溶接金属１０のデッキプレート３への溶け込み深さを５．３ｍｍに設定した場合に溶接部９の周辺に生じている残留応力の状態を示す図である。

図５（ａ）および図６に示すように、溶接金属１０のデッキプレート３への溶け込み深さが従来の鋼床版と同様の３．２ｍｍ（デッキプレート３の厚みの２０％）の場合には、ルート部１４の近傍には圧縮応力がほとんど生じていない。一方、図５（ｂ）および図７に示すように、溶接金属１０のデッキプレート３への溶け込み深さが５．３ｍｍ（デッキプレート３の厚みの３３．３％）の場合には、溶け込み深さが３．２ｍｍの場合に比べて、ルート部１４の近傍に十分な大きさの圧縮応力が生じているだけでなく、圧縮応力が生じている領域も十分に大きい。この結果からも、溶接金属１０のデッキプレート３への溶け込み深さをデッキプレート３の厚みの１／３（３３．３％）以上にすることによって、ルート部１４から疲労亀裂が発生することを十分に抑制できると考えられる。

なお、溶接部９は、溶接時の昇温過程で熱膨張するが、周囲の加熱されていない部分に拘束される。これにより、溶接部９には、圧縮応力および圧縮ひずみが発生する。このとき、溶接部９に圧縮塑性ひずみが発生すると、溶接後に溶接部９の温度が加熱前の温度まで低下するときに、溶接部９は、加熱前の状態よりも収縮しようとする。しかし、溶接部９は、溶接時に加熱されなかった周囲に拘束されるため、溶接部９には引張残留応力が生じる。一方、残留応力の自己平衡性から、溶接部９の周囲は圧縮残留応力になる。このことから、溶接部９と母材との境界部に位置するルート部１４には、上記のように圧縮の残留応力が生じると考えられる。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものである。

（本発明の実施形態の説明）
以下、本発明の一実施形態に係る鋼床版および鋼床版の製造方法について説明する。図８および９は、本実施形態に係る鋼床版の製造方法を説明するための図である。なお、図８および９は、各構成部材を縦リブ６の長さ方向から見た図である。

図８に示すように、本実施形態に係る鋼床版の製造方法では、まず、第１面３ａが下方を向き、第２面３ｂが上方を向くように、作業台２０上にデッキプレート３を配置するとともに、第２面３ｂ上に縦リブ６を配置する。

なお、第１面３ａは、鋼床版において上面となる面であり、第２面３ｂは、鋼床版において下面となる面である。デッキプレート３および縦リブ６は、上述の鋼床版２のデッキプレート３および縦リブ６と同様の構成を有している。デッキプレート３の厚みは、例えば、１２～１６ｍｍに設定され、縦リブ６の厚みは、例えば、６～９ｍｍに設定される。なお、デッキプレート３および縦リブ６としては、公知の鋼床版のデッキプレートおよび縦リブを用いることができるので、デッキプレート３および縦リブ６の詳細な説明は省略する。

次に、図９に示すように、デッキプレート３の第２面３ｂとの間で閉断面を形成するように、第２面３ｂに縦リブ６を接合する（溶接工程）。これにより、鋼床版１００が製造される。

本実施形態では、溶接工程において、縦リブ６の外側からデッキプレート３と縦リブ６とを接合するように、縦リブ６の長さ方向に延びる一対の溶接部３０ａ，３０ｂを形成する。溶接部３０ａは、縦リブ６の幅方向における一方側から片側溶接によって形成され、溶接部３０ｂは、縦リブ６の幅方向における他方側から片側溶接によって形成される。本実施形態では、縦リブ６の長さ方向から見て、縦リブ６のデッキプレート３側の一対の端部のうち、一方の端部（側壁部６ｂのデッキプレート３側の端部）とデッキプレート３とが溶接部３０ａによって接合され、他方の端部（側壁部６ｃのデッキプレート３側の端部）とデッキプレート３とが溶接部３０ｂによって接合される。溶接部３０ａは、縦リブ６の長さ方向に延びる溶接金属３２ａと、溶接金属３２ａの周囲に形成されるＨＡＺ（図示せず）とを含む。同様に、溶接部３０ｂは、縦リブ６の長さ方向に延びる溶接金属３２ｂと、溶接金属３２ｂの周囲に形成されるＨＡＺ（図示せず）とを含む。

溶接部３０ａ，３０ｂはそれぞれ、通常のアーク溶接（ガスシールドアーク溶接）によって形成してもよく、レーザ・アークハイブリッド溶接によって形成してもよい。

デッキプレート３の厚み方向において、溶接金属３２ａのデッキプレート３への溶け込み深さＤは、デッキプレート３の厚みＴの１／３以上に設定される。同様に、溶接金属３２ｂのデッキプレート３への溶け込み深さは、デッキプレート３の厚みＴの１／３以上に設定される。なお、本実施形態では、縦リブ６の長さ方向における全ての位置において、溶接金属３２ａ，３２ｂのデッキプレート３への溶け込み深さが上記の条件を満たしていることが好ましい。しかしながら、溶接金属３２ａ，３２ｂの一部において、デッキプレート３への溶け込み深さがデッキプレート３の厚みＴの１／３未満であってもよい。ただし、溶接工程では、溶接金属３２ａ，３２ｂのデッキプレート３への溶け込み深さをデッキプレート３の厚みＴの１／３以上にすることを目標として、溶接条件（溶接電流、溶接電圧、溶接速度等）が設定される。

側壁部６ｂの厚み方向において、溶接金属３２ａの側壁部６ｂへの溶け込み深さｄは、例えば、側壁部６ｂの厚みｔの７５％以上１００％未満であることが好ましい。同様に、側壁部６ｃの厚み方向において、溶接金属３２ｂの側壁部６ｃへの溶け込み深さは、例えば、側壁部６ｃの厚みの７５％以上１００％未満であることが好ましい。

以上のように、本実施形態では、溶接金属３２ａ，３２ｂのデッキプレート３への溶け込み深さが、デッキプレート３の厚みＴの１／３以上に設定される。これにより、溶接金属３２ａのデッキプレート３側のルート部１４ａの近傍、および溶接金属３２ｂのデッキプレート３側のルート部１４ｂの近傍に十分な大きさの圧縮応力を生じさせることができる。その結果、鋼床版１００に荷重が繰り返し加わったとしても、ルート部１４ａ，１４ｂの近傍に大きな引張応力が生じることを抑制することができる。したがって、溶接後に特別な処理を施すことなく、ルート部１４ａ，１４ｂから疲労亀裂が発生することを抑制できる。

また、本実施形態では、溶接金属３２ａのデッキプレート３側の止端１２ａの近傍、および溶接金属３２ｂのデッキプレート３側の止端１２ｂの近傍にも十分な大きさの圧縮応力を生じさせることができる。これにより、止端１２ａ，１２ｂから疲労亀裂が発生することも抑制できる。

なお、上述の実施形態では、平面状の第２面３ｂに縦リブ６を溶接する場合について説明したが、溶接工程の前に、図１０に示すように、デッキプレート３において溶接金属３２ａ，３２ｂ（図９参照）を溶け込ませる部分に、第２面３ｂから第１面３ａ側に向かって凹む凹部３４ａ，３４ｂを形成してもよい（凹部形成工程）。この場合、溶接金属３２ａ，３２ｂをデッキプレート３へ容易に溶け込ませることができる。

なお、詳細な説明は省略するが、縦リブ６をデッキプレート３に仮付け溶接した後に、上述の溶接工程（本溶接）を実施してもよい。

また、上述の実施形態では、縦リブ６がいわゆるＵリブである場合について説明したが、本発明は、種々の形状の閉断面リブを備えた鋼床版に適用できる。例えば、本発明は、図１１に示すような、Ｖ字形状を有する縦リブ４０を備えた鋼床版１００ａに適用してもよく、図１２に示すような、全体として略円弧状に湾曲した縦リブ４２を備えた鋼床版１００ｂに適用してもよい。これらの場合も、上述の実施形態と同様の作用効果が得られる。

本発明によれば、溶接後に特別な処理を施すことなく縦リブとデッキプレートとの溶接部のルート部に疲労亀裂が発生することを抑制できる。

１ 橋梁
２，２ａ，１００，１００ａ，１００ｂ 鋼床版
３ デッキプレート
３ａ 第１面（上面）
３ｂ 第２面（下面）
４ 主桁
５ 横リブ
６，４０，４２ 縦リブ
６ａ 底部
６ｂ，６ｃ 側壁部
７ 舗装材
８ 自動車
１０，３２ａ，３２ｂ 溶接金属
１１ 不溶着部
１２，１２ａ，１２ｂ 止端
１４，１４ａ，１４ｂ ルート部
１６ 溶接熱影響部（ＨＡＺ）
２０ 作業台
３０ａ，３０ｂ 溶接部

Claims (1)

1. 鋼床版において上面となる第１面および前記鋼床版において下面となる第２面を有するデッキプレートに、前記第２面との間で閉断面を形成するように前記第２面に縦リブを接合する溶接工程を備え、
   前記溶接工程では、前記縦リブの外側から前記デッキプレートと前記縦リブとを接合するように前記縦リブの長さ方向に延びる溶接部を形成し、
   前記溶接部は、前記デッキプレートに溶け込んだ溶接金属を含み、
   前記デッキプレートの厚み方向において、前記溶接金属の前記デッキプレートへの溶け込み深さは、前記デッキプレートの厚みの１／３以上である、鋼床版の製造方法であって、
   前記溶接工程の前に、前記デッキプレートのうち前記溶接工程で前記溶接金属を溶け込ませる部分に、前記第２面から前記第１面側に向かって凹む凹部を形成する、凹部形成工程をさらに備える、鋼床版の製造方法。

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