WO2020203411A1 - 既設鋼構造物のき裂補修方法 - Google Patents

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    • E01DCONSTRUCTION OF BRIDGES, ELEVATED ROADWAYS OR VIADUCTS; ASSEMBLY OF BRIDGES
    • E01D2101/00Material constitution of bridges
    • E01D2101/30Metal

Definitions

  • the present disclosure relates to, for example, a crack repair method for an existing steel structure suitable for use in repairing a crack generated in an existing steel structure such as an existing bridge or a building whose main member is a steel material. ..
  • This disclosure is made to solve the above-mentioned conventional problems. For example, even if the existing steel structure is made of a structural steel material containing a large amount of carbon, sulfur, and phosphorus, cracks occurring in the existing steel structure without reducing the toughness value. It is an object of the present invention to provide a method for repairing cracks in an existing steel structure, which can be melted and removed by laser welding.
  • the first aspect of the present disclosure is a crack repair method for repairing a crack generated in an existing steel structure by using a filler metal, and the welding is performed on the crack generated in the existing steel structure.
  • a build-up welding process in which build-up welding is performed using a filler, and a laser light-through welding in which laser light-through welding is performed on the filler metal build-up portion and the crack by build-up welding in the build-up welding step. It is configured to go through a process.
  • the components of the filler metal and the filler metal are added according to the toughness value required for the repair welded portion after the crack repair. Determine the amount of material added.
  • the components and the amount of the filler material added may be determined by utilizing the past data stored in the database, or may be determined by adopting the data obtained by the test performed each time the repair is performed.
  • build-up welding is performed on the cracks generated in the existing steel structure while adding the filler metal of the components determined as described above in the determined amount.
  • the method for repairing cracks in an existing steel structure according to the present invention, even if the construction conditions are such that the toughness value is lowered, the toughness value is not lowered and the existing steel structure is generated. It has the very excellent effect that cracks can be melted and removed by laser welding.
  • FIG. 1 shows a laser welding apparatus used in a crack repair method for an existing steel structure according to an embodiment of the present invention.
  • this laser welding apparatus 1 welds the structural steel material W constituting the existing steel structure, for example, the crack Wa generated in the abdominal plate of the I-shaped steel used for the main girder of the bridge. It is to be repaired by.
  • the laser welding apparatus 1 includes a laser head 4 having an optical system 3 that collects laser light L supplied from a laser oscillator (not shown) via an optical fiber 5.
  • the laser head 4 irradiates the repaired portion where the crack Wa is generated with the laser light L focused by the optical system 3.
  • the laser welding device 1 has a drive unit and a control unit that move the laser head 4 along the repaired portion (in the illustrated example along the depth direction) and bring the laser head 4 closer to and separated from the repaired portion. I have.
  • the control unit controls the welding speed, laser output, spot diameter, and the like.
  • this laser welding device 1 is provided with a wire feeding mechanism 10.
  • the wire feeding mechanism 10 includes a wire feeding drum 11 and a wire holder 12 for feeding a filler wire (filler) FW continuously fed from the wire feeding drum 11 to a repaired portion.
  • the wire feeding mechanism 10 may be a hot wire feeding mechanism provided with a wire power supply.
  • the filler wire FW can be heated in the vicinity of the repaired portion by the wire power supply.
  • the crack repair method for the existing steel structure is a method for eliminating the crack Wa by melt repair using a laser beam L having a low heat input amount. That is, the main feature is that by adopting laser welding, the amount of melting of the structural steel material W is suppressed to a small amount, and the decrease in the toughness value of the repair welded portion is suppressed.
  • the "crack” targeted by the crack repair method for the existing steel structure according to this embodiment is a “penetration crack” represented by a fatigue crack, but is limited to this "penetration crack”. Not done.
  • the chemical composition of the structural steel material W of the existing steel structure in which the crack Wa is generated is investigated. If the chemical composition of the structural steel material W of the existing steel structure is known, this work may be omitted.
  • the components of the filler wire FW and the amount of the filler wire FW added are determined according to the toughness value required for the repair welded portion after the crack repair.
  • the past data stored in the database may be utilized, or the data obtained by the test performed at each repair may be adopted.
  • filler wire FW is not particularly limited.
  • the filler wire FW of the component determined as described above is fed to the portion of the crack Wa generated in the structural steel material W via the wire holder 12 in the determined addition amount. While feeding the filler wire FW in this way, the laser head 4 is irradiated with the laser beam L to perform build-up welding (state shown in FIG. 1).
  • laser welding is adopted for welding in the build-up welding process, but the present invention is not limited to this, and arc welding may be adopted.
  • the laser is applied to the filler metal build-up portion FW1 and the crack Wa by the build-up welding in the previous build-up welding step.
  • Laser light L is irradiated from the head 4 to perform through welding with a low heat input.
  • FIG. 2B the repair welded portion Wb in which the filler metal build-up portion FW1 is melted repairs the crack Wa without causing a decrease in the toughness value. Will be made.
  • the crack Wa can be removed without lowering the toughness value. That is, the crack Wa can be removed without lowering the toughness value even under construction conditions in which the toughness value is lowered.
  • the filler metal build-up portion FW1 is formed on the plane of the structure steel material W. I am doing it.
  • overlay welding may be performed as shown in FIG. That is, a groove Wc may be formed in the structural steel material W with a tool such as a disc grinder, and overlay welding may be performed on the groove Wc.
  • the laser output can be reduced by the amount that the bulk of the filler metal build-up portion FW1 is reduced.
  • the absorbed energy ratio matrix of the repair weld repaired with crack repair method of the existing steel structure according to the described embodiment structural steel W
  • structural steel W structural steel W
  • the absorption energy ratio of this comparative example is the absorption energy ratio with respect to the base material (structural steel material W) of the repair welded portion in which only the penetration welding of the laser beam L is performed without performing the build-up welding to which the filler wire FW is added. ..
  • the absorption energy ratios (Examples 1 and 2) of the repaired welds repaired by the crack repair method of the existing steel structure according to this embodiment are indicated by ⁇ , respectively, and only through welding of laser light is performed.
  • the absorbed energy ratio (comparative example) of the repaired welded portion is indicated by a cross.
  • each of the repair welds of Examples 1 and 2 and Comparative Example has a higher amount of heat input. It can be seen that it has a higher absorption energy than the repair welded portion of the comparative example. In particular, it can be seen that the repair welded portion of Example 1 has a large absorption energy of 0.1, that is, a high toughness value, although the amount of heat input is larger than that of the repair welded portion of the comparative example.
  • the crack repair method for the existing steel structure according to this embodiment does not reduce the toughness value as compared with the conventional repair method in which only through welding of laser light is performed. It was demonstrated that cracks in the object could be removed.
  • the first aspect of the present disclosure is a crack repair method for repairing a crack generated in an existing steel structure by using a filler metal, and the welding is performed on the crack generated in the existing steel structure.
  • a build-up welding process in which build-up welding is performed using a filler, and a laser light-through welding in which laser light-through welding is performed on the filler metal build-up portion and the crack by build-up welding in the build-up welding step. It is configured to go through a process.
  • a fiber laser, a YAG laser, or a semiconductor laser is generally used as the laser, but the laser is not limited to these.
  • the components of the filler metal and the filler metal are added according to the toughness value required for the repair welded portion after the crack repair. Determine the amount of material added.
  • the components and the amount of the filler material added may be determined by utilizing the past data stored in the database, or may be determined by adopting the data obtained by the test performed each time the repair is performed.
  • filler metal As the structural steel material (base material) that constitutes the existing steel structure, but there is no particular limitation.
  • the build-up welding step build-up welding is performed on the cracks generated in the existing steel structure while adding the filler metal of the components determined as described above in a determined amount.
  • the padding may be piled up on the flat base metal surface of the existing steel structure, or the meat may be piled up in the groove formed on the base metal surface.
  • the type of welding in this build-up welding process is not particularly limited.
  • arc welding can also be used.
  • the laser output value (kW) when laser welding is adopted in the build-up welding process is determined so that laser penetration welding can be performed, but in order to perform laser penetration welding, the laser output density is at least 1 (kW / kW /). mm 2 ) Required.
  • the amount of heat input obtained by 60 (constant) x current x voltage / speed (the amount of heat given to the welded part from the outside during arc welding; J / cm) is welding. Determine so that the thermal effect on the metal and its surroundings can be minimized.
  • the second aspect of the present disclosure is such that the build-up welding in the build-up welding step is performed on the groove formed in the existing steel structure.
  • the laser output can be reduced by the amount that the bulk of the filler metal build-up portion is reduced.

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Abstract

既設鋼構造物に生じたき裂Waの部分に対して、フィラーワイヤFWを送給しつつ肉盛り溶接を行う肉盛り溶接工程と、肉盛り溶接工程の肉盛り溶接による溶加材肉盛り部FW1及びき裂Waに対してレーザ光Lの貫通溶接を実施するレーザ光貫通溶接工程を経る。施工条件によらずじん性値を低下させることなくき裂を溶融補修し得る。

Description

既設鋼構造物のき裂補修方法
 本開示は、例えば、主要な部材が鋼材である既存の橋梁や建築物等の既設鋼構造物に生じたき裂の補修に用いるのに好適な既設鋼構造物のき裂補修方法に関するものである。
 従来、橋梁や建築物等の既設構造物に、経年劣化や金属疲労によってき裂が発生した場合には、例えば、入熱量が少なくて済むレーザ光を用いた溶接補修装置を採用している。この溶接補修装置では、き裂が生じている溶接補修箇所にレーザ溶接を実施することで、この溶接補修箇所を溶融させてき裂を消去するようにしていた(特許文献1参照)。
特許第5860264号公報
 ところが、上記したレーザ溶接によるき裂補修方法において、橋梁や建築物等の既設鋼構造物が、例えば、多くの炭素に加えて硫黄及びリンが含まれている古い構造物鋼材から成っている場合には(特別な施工条件によっては)、溶接部のじん性値に低下が生じてしまうことが知られている。
 したがって、上記したような古い構造物鋼材から成る既設鋼構造物のき裂補修で且つじん性値の低下が厳しく制限されるき裂補修には、低入熱量のレーザ溶接を用いることが難しいという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっている。
 本開示は、上記したような従来の課題を解決するためになされたものである。例えば、既設鋼構造物が多くの炭素、硫黄、リンを含んでいる構造物鋼材から成っている場合であったとしても、じん性値を低下させることなく既設鋼構造物に生じているき裂をレーザ溶接により溶融して除去することが可能である既設鋼構造物のき裂補修方法を提供することを目的としている。
 本開示の第1の態様は、溶加材を用いて既設鋼構造物に生じたき裂を補修するき裂補修方法であって、前記既設鋼構造物に生じた前記き裂に対して前記溶加材を用いて肉盛り溶接を行う肉盛り溶接工程と、前記肉盛り溶接工程の肉盛り溶接による溶加材肉盛り部及び前記き裂に対してレーザ光貫通溶接を実施するレーザ光貫通溶接工程を経る構成としている。
 本開示の既設鋼構造物のき裂補修方法では、まず、肉盛り溶接工程に先立って、き裂補修後の補修溶接部に求められるじん性値に応じて、溶加材の成分及び溶加材の添加量を決定する。この溶加材に係る成分及び添加量は、データベースに格納した過去のデータを活用して決定してもよいし、補修の都度行う試験によって得られるデータを採用して決定してもよい。
 次いで、肉盛り溶接工程において、上記のように決定した成分の溶加材を決定した量だけ添加しつつ既設鋼構造物に生じたき裂に対して肉盛り溶接を行う。
 そして、この肉盛り溶接の後、レーザ光貫通溶接工程において、先の肉盛り溶接工程における肉盛り溶接による溶加材肉盛り部及びき裂に対して、レーザ光によって入熱量が低い貫通溶接を実施する。このように入熱量が低い貫通溶接を実施すると、既設鋼構造物を構成する構造物鋼材が多くの炭素、硫黄、リンを含んでいる場合であったとしても、じん性値を低下させることなくき裂を溶融して除去し得ることとなる。
 つまり、古い構造物鋼材から成る既設鋼構造物のき裂補修のように、じん性値の低下が生じるような施工条件においても、じん性値を低下させることなくき裂を除去し得ることとなる。
 本発明に係る既設鋼構造物のき裂補修方法によれば、じん性値の低下が生じるような施工条件であったとしても、じん性値を低下させることなく既設鋼構造物に生じているき裂をレーザ溶接により溶融して除去することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
本発明の一実施形態に係る既設鋼構造物のき裂補修方法で用いるレーザ溶接装置を概略的に説明する模式図である。 本発明の一実施形態に係る既設鋼構造物のき裂補修方法における肉盛り溶接工程後のレーザ光貫通溶接工程を示す断面説明図である。 本発明の一実施形態に係る既設鋼構造物のき裂補修方法におけるレーザ光貫通溶接工程後を示す断面説明図である。 本発明の他の実施形態に係る既設鋼構造物のき裂補修方法における肉盛り溶接工程後のレーザ光貫通溶接工程を示す断面説明図である。 本発明の一実施形態に係る既設鋼構造物のき裂補修方法で得られる補修溶接部における効果を示す入熱量と吸収エネルギ比との関係を説明するグラフである。
 以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
 図1は、本発明の一実施形態に係る既設鋼構造物のき裂補修方法で用いるレーザ溶接装置を示している。
 図1に概略的に示すように、このレーザ溶接装置1は、既設鋼構造物を構成する構造物鋼材W、例えば、橋梁の主桁に用いられるI型鋼の腹板に生じたき裂Waを溶接により補修するものである。このレーザ溶接装置1は、図外のレーザ発振器から光ファイバ5を介して供給されるレーザ光Lを集光する光学系3を内蔵したレーザヘッド4を備えている。このレーザヘッド4は、光学系3で集光したレーザ光Lをき裂Waが生じている補修箇所に照射する。このほか、このレーザ溶接装置1は、図示はしないが、レーザヘッド4を補修箇所に沿って(図示例では奥行き方向に沿って)移動させると共に補修箇所に接近離間させる駆動部と、制御部を備えている。制御部は、溶接速度,レーザ出力及びスポット径等をコントロールする。
 また、このレーザ溶接装置1は、ワイヤ送給機構10を備えている。このワイヤ送給機構10は、ワイヤ送給ドラム11と、このワイヤ送給ドラム11から連続して送給されるフィラーワイヤ(溶加材)FWを補修箇所に送り込むワイヤホルダ12を具備している。
 なお、このワイヤ送給機構10において、図示はしないが、ワイヤ電源を備えたホットワイヤ送給機構としてもよい。この場合には、ワイヤ電源によりフィラーワイヤFWを補修箇所近傍で加熱することができる。
 次に、このように構成されたレーザ溶接装置1を用いて行う本発明の一実施形態に係る既設鋼構造物のき裂補修方法を説明する。
 この実施形態に係る既設鋼構造物のき裂補修方法は、低入熱量のレーザ光Lを用いた溶融補修によってき裂Waをなくす方法である。すなわち、レーザ溶接を採用することによって構造物鋼材Wの溶融量を少なく抑えつつ、補修溶接部のじん性値の低下を抑えることを主たる特徴としている。
 なお、この実施形態に係る既設鋼構造物のき裂補修方法が対象とする「き裂」は、疲労き裂に代表される「貫通き裂」であるが、この「貫通き裂」に限定されない。
 そこで、まず、肉盛り溶接工程に先立って、き裂Waが生じている既設鋼構造物の構造物鋼材Wの化学組成を調べる。なお、既設鋼構造物の構造物鋼材Wの化学組成が既知である場合には、この作業を省略してもよい。
 次に、き裂補修後の補修溶接部に求められるじん性値に応じて、フィラーワイヤFWの成分及びフィラーワイヤFWの添加量を決定する。このフィラーワイヤFWに係る成分及び添加量の決定は、データベースに格納した過去のデータを活用してもよいし、補修の都度行う試験によって得られるデータを採用してもよい。
 なお、フィラーワイヤFWには、既設鋼構造物を構成する母材である構造物鋼材Wと同じ種類のものを用いることが望ましいが、特に限定はしない。
 次いで、肉盛り溶接工程において、構造物鋼材Wに生じたき裂Waの部分に対して、上記のように決定した成分のフィラーワイヤFWを決定した添加量でワイヤホルダ12を介して送給する。このようにフィラーワイヤFWを送給しつつ、レーザヘッド4からレーザ光Lを照射して肉盛り溶接を行う(図1に示す状態)。
 この実施形態では、肉盛り溶接工程の溶接にレーザ溶接を採用しているが、これに限定されるものではなく、アーク溶接を採用してもよい。
 そして、この肉盛り溶接の後、図2Aに示すように、レーザ光貫通溶接工程において、先の肉盛り溶接工程における肉盛り溶接による溶加材肉盛り部FW1及びき裂Waに対して、レーザヘッド4からレーザ光Lを照射して入熱量が低い貫通溶接を実施する。このように入熱量が低い貫通溶接を実施すると、図2Bに示すように、溶加材肉盛り部FW1が溶け込んだ補修溶接部Wbにより、じん性値の低下が生じることなくき裂Waの補修が成されることとなる。
 つまり、既設鋼構造物を構成する構造物鋼材Wが多くの炭素、硫黄、リンを含んでいる場合でも、じん性値を低下させることなくき裂Waを除去することができる。すなわち、じん性値の低下が生じるような施工条件においても、じん性値を低下させることなくき裂Waを除去することができる。
 この実施形態では、肉盛り溶接工程において、構造物鋼材Wに生じたき裂Waの部分に対して肉盛り溶接を行う場合、構造物鋼材Wの平面上に溶加材肉盛り部FW1を形成するようにしている。
 しかしながら、構造物鋼材Wの厚みが大きい場合や、フィラーワイヤFWの添加量が多い場合には、図3に示すようにして肉盛り溶接を行うようにしてもよい。つまり、構造物鋼材Wにディスクグラインダー等の工具により溝Wcを形成して、この溝Wcに対して肉盛り溶接を行うようにしてもよい。
 このように、構造物鋼材Wに形成した溝Wc内の溶加材肉盛り部FW1及びき裂Waに対して入熱量が低いレーザ光Lの貫通溶接を実施する肉盛り溶接の場合には、平面上に溶加材肉盛り部FW1を形成する肉盛り溶接の場合と比較して、溶加材肉盛り部FW1の嵩が減る分だけレーザ出力を少なくすることができる。
 そこで、上記した一実施形態に係る既設鋼構造物のき裂補修方法で補修した補修溶接部の母材(構造物鋼材W)に対する吸収エネルギ比(補修溶接部吸収エネルギ(WM(T=0))/母材吸収エネルギ(BM(T=0)))と、比較例の吸収エネルギ比とを比べた。この比較例の吸収エネルギ比は、フィラーワイヤFWを添加した肉盛り溶接を行わずにレーザ光Lの貫通溶接のみを行った補修溶接部の母材(構造物鋼材W)に対する吸収エネルギ比である。この比較により、図4のグラフに示す結果を得た。この際の施工条件を図4のグラフ内に示す。
 ここで、吸収エネルギ比は、値が1.0に近づくほど補修溶接部がより母材に近い吸収エネルギを有することになる、すなわち、じん性値が高いことになる。
 図4のグラフにおいて、この実施形態による既設鋼構造物のき裂補修方法で補修した補修溶接部の吸収エネルギ比(実施例1,2)をそれぞれ〇印で示し、レーザ光の貫通溶接のみを行った補修溶接部の吸収エネルギ比(比較例)を×印で示した。
 図4のグラフに示すように、実施例1,2及び比較例の各補修溶接部への入熱量がほぼ同じであるにもかかわらず、実施例1,2の各補修溶接部の方が、比較例の補修溶接部よりも高い吸収エネルギを有していることが判る。
 特に、実施例1の補修溶接部は、比較例の補修溶接部よりも入熱量が多いにもかかわらず、吸収エネルギが0.1も大きい、すなわち、じん性値が高いことが判る。
 これらの結果から、この実施形態に係る既設鋼構造物のき裂補修方法では、従来におけるレーザ光の貫通溶接のみを行った補修方法と比較して、じん性値を低下させることなく既設鋼構造物に生じているき裂を除去し得ることが実証できた。
 本発明に係る既設鋼構造物のき裂補修方法の構成は、上記した実施形態に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
 他の構成として、例えば、構造物鋼材に生じたき裂に対して溶加材を用いて肉盛り溶接を行いつつ、溶加材肉盛り部及びき裂に対してレーザ光の貫通溶接を実施する構成とすることが可能である。
 本開示の第1の態様は、溶加材を用いて既設鋼構造物に生じたき裂を補修するき裂補修方法であって、前記既設鋼構造物に生じた前記き裂に対して前記溶加材を用いて肉盛り溶接を行う肉盛り溶接工程と、前記肉盛り溶接工程の肉盛り溶接による溶加材肉盛り部及び前記き裂に対してレーザ光貫通溶接を実施するレーザ光貫通溶接工程を経る構成としている。
 本開示の既設鋼構造物のき裂補修方法において、レーザには、ファイバーレーザやYAGレーザや半導体レーザを用いるのが一般的であるが、これらのものに限定されない。
 本開示の既設鋼構造物のき裂補修方法では、まず、肉盛り溶接工程に先立って、き裂補修後の補修溶接部に求められるじん性値に応じて、溶加材の成分及び溶加材の添加量を決定する。この溶加材に係る成分及び添加量は、データベースに格納した過去のデータを活用して決定してもよいし、補修の都度行う試験によって得られるデータを採用して決定してもよい。
 なお、溶加材は、既設鋼構造物を構成する構造物鋼材(母材)と同じ種類のものを用いることが望ましいが、特に限定はしない。
 次いで、肉盛り溶接工程において、上記のように決定した成分の溶加材を決定した量だけ添加しつつ既設鋼構造物に生じたき裂に対して肉盛り溶接を行う。
 この溶加材を用いた肉盛り溶接において、既設鋼構造物の平坦な母材面に肉を盛ってもよいし、母材面に形成した溝に肉を盛ってもよい。
 この肉盛り溶接工程の溶接は特に種類を問わない。レーザ溶接を採用することができるほか、アーク溶接も採用することができる。
 肉盛り溶接工程にレーザ溶接を採用する場合のレーザ出力値(kW)は、レーザ貫通溶接を行い得るように決定するが、レーザ貫通溶接を行うためには、レーザ出力密度が少なくとも1(kW/mm2)必要である。
 また、肉盛り溶接工程にアーク溶接を採用する場合において、60(定数)×電流×電圧/速度で求められる入熱量(アーク溶接時に外部から溶接部に与えられる熱量;J/cm)は、溶接金属及びその周辺に与える熱影響を少なく抑え得るように決定する。
 そして、この肉盛り溶接の後、レーザ光貫通溶接工程において、先の肉盛り溶接工程における肉盛り溶接による溶加材肉盛り部及びき裂に対して、レーザ光によって入熱量が低い貫通溶接を実施する。このように、入熱量が低い貫通溶接を実施すると、既設鋼構造物を構成する構造物鋼材が多くの炭素、硫黄、リンを含んでいる場合であったとしても、じん性値を低下させることなくき裂を溶融して除去し得ることとなる。
 つまり、古い構造物鋼材から成る既設鋼構造物のき裂補修のように、じん性値の低下が生じるような施工条件においても、じん性値を低下させることなくき裂を除去し得ることとなる。
 本開示の第2の態様は、前記肉盛り溶接工程の肉盛り溶接を前記既設鋼構造物に形成した溝に対して行う構成としている。
 このように、肉盛り溶接工程の肉盛り溶接を既設鋼構造物に形成した溝に対して行う肉盛り溶接の場合には、平面上に溶加材肉盛り部を形成する肉盛り溶接の場合と比較して、溶加材肉盛り部の嵩が減る分だけレーザ出力を少なくすることができる。
FW  フィラーワイヤ(溶加材)
FW1 溶加材肉盛り部
L   レーザ光
W   既設鋼構造物を構成する構造物鋼材
Wa  き裂
Wc  溝

Claims (2)

  1.  溶加材を用いて既設鋼構造物に生じたき裂を補修するき裂補修方法であって、
     前記既設鋼構造物に生じた前記き裂に対して前記溶加材を用いて肉盛り溶接を行う肉盛り溶接工程と、
     前記肉盛り溶接工程の肉盛り溶接による溶加材肉盛り部及び前記き裂に対してレーザ光貫通溶接を実施するレーザ光貫通溶接工程を経る既設鋼構造物のき裂補修方法。
  2.  前記肉盛り溶接工程の肉盛り溶接を前記既設鋼構造物に形成した溝に対して行う請求項1に記載の既設鋼構造物のき裂補修方法。
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