JP3528043B2

JP3528043B2 - 補強板を用いた橋梁の補強方法

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Publication number: JP3528043B2
Application number: JP2000020675A
Authority: JP
Inventors: 俊行北田; 宏徳並木
Original assignee: 京橋工業株式会社
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2004-05-17
Anticipated expiration: 2020-01-28
Also published as: JP2001207415A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、橋梁の構成部材に
プレストレスを導入してポストテンション補強する工法
を用いた橋梁の補強方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、交通量の増大や通過車両の重量増
加などにより、厳しい安全・耐久基準が橋梁に求められ
ており、新たな安全・耐久基準を満たさない古い橋梁な
どにも補強を施す必要が生じている。

【０００３】従来から橋梁にプレストレスを導入して補
強を施す手段として、ポストテンション工法が広く用い
られている。図１０に示すように、上部フランジ５０
ａ、下部フランジ５０ｂおよびウェブ５０ｃを有する橋
桁５０に死荷重や活荷重が加わると、橋桁５０は弓なり
に変形し、その上部フランジ５０ａには圧縮応力５１が
作用し、下部フランジ５０ｂには引張応力５２が作用す
る。ポストテンション工法は、引張応力が作用する部材
の耐荷力を向上させるために、下部フランジ５０ｂに桁
行方向の圧縮応力（プレストレス）を導入し前記引張応
力を緩和する工法である。

【０００４】従来のポストテンション補強工法として
は、例えば、図１１の概略断面図に示すように、橋桁６
０の下部フランジ６０ｂの桁下において定着装置６１，
６２を用い、取付具６３，６４で緊張状態にした外ケー
ブル６５を張設して、下部フランジ６０ｂにプレストレ
スを導入するというエクスターナルポストテンション補
強工法が主流であった。この種の工法の有効性は、例え
ば、「既設鋼鈑桁橋のプレストレス導入による補強」
（橋梁と基礎，Ｖｏｌ３０，Ｎｏ．３，平成８年３月
号；株式会社建設図書発行）において報告されている。
尚、「プレストレス」と「ポストテンション」とは同じ
現象を被補強桁もしくは補強材の側から見た表現による
差で本質的な違いはないので、この種の補強工法を「ポ
ストテンション補強工法」と表現する。

【０００５】また、ケ−ブルストランドを用いたエクス
ターナルポストテンション補強工法はトラス桁の引張部
材にも適用されており、本発明者（並木宏徳）により
「老朽化したピントラスのポストテンション方式による
補強」（橋梁と基礎，Ｖｏｌ２８，Ｎｏ．４，平成６年
４月号；株式会社建設図書発行）において報告されてい
る。この文献記載の工法は、ストランドを橋梁中心より
引張荷重を受ける下弦材および斜材に沿って、トラス全
体に直線または屈曲した扇形に設置し、油圧ジャッキを
用いてストランドに引張力を導入して、当該下弦材など
をポストテンション補強するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
エクスターナルポストテンション補強工法では、以下の
（１），（２）の問題点があった。（１）上記の補強材
としてはケ−ブルやＰＣ鋼棒が用いられるが、これら補
強材は一般的に引張強度は高いが剛性は低いので橋桁の
剛性増加に寄与することが少ないため、橋桁の疲労強度
があまり改善されず、（２）また、橋梁には配管などが
添架されることが多いが、上記補強材を用いた工法で
は、ケーブルや定着装置などを取り付けるためにその添
架スペースが犠牲になったり、或いは補強材が橋梁の下
部に取り付けられて桁下空間が狭くなるという問題があ
る。

【０００７】本発明がこれら問題に鑑みて解決しようと
するところは、従来のポストテンション工法とは異なる
方法により橋梁の構成部材にプレストレスを導入し、橋
梁の剛性を増して疲労強度を改善すると同時に、添架ス
ペースや桁下空間を犠牲にすることのない橋梁の補強方
法を提供する点にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明者らは、補強板の熱膨張特性に着目した。従
来、鋼材が熱膨張した後に冷却して収縮する特性を利用
した工法に「焼き嵌め」と呼ばれるものがある。この工
法は、例えば、電車の車軸を車輪の嵌合孔に挿入して両
者を結合する際、予め加熱膨張して拡径された嵌合孔に
車軸を挿入した後、常温まで冷却して嵌合孔を縮径さ
せ、車軸と車輪とを強固に結合する場合に用いられる。
本発明者らは、同様の原理を橋梁の補強方法に適用し鋭
意研究を押し進めた結果、本発明に到達するに至った。

【０００９】すなわち、本発明の橋梁の補強方法は、橋
梁の被補強桁の表面上にポストテンション補強板を配設
し、加熱あるいは冷却操作により被補強桁とポストテン
ション補強板との間に温度差を設け、該ポストテンショ
ン補強板を被補強桁に対し桁行方向に相対的に伸長せし
めた状態で、ポストテンション補強板を前記被補強桁に
固定した後、前記被補強桁およびポストテンション補強
板が供用温度に達する過程でポストテンション補強板が
桁行方向に収縮することにより、被補強桁をポストテン
ション補強することを特徴とするものである。これによ
り、被補強桁に対して相対的に所定量伸長したポストテ
ンション補強板を被補強桁に固定した後、供用温度に達
する過程で前記ポストテンション補強板には引張応力が
働くと同時に被補強桁には圧縮の残留応力が作用するた
め、当該被補強桁はポストテンションを付与され且つ補
剛されることとなる。

【００１０】ポストテンション補強板を桁行方向に相対
的に伸長することは、ポストテンション補強板と当該被
補強桁の熱膨張率が同一で正の場合はポストテンション
補強板を被補強桁より相対的に高温にすることにより達
成され、これは両者に鋼材を用いた場合に代表される方
法である。他方、両者の熱膨張率が同一で負の場合はポ
ストテンション補強板を被補強桁より相対的に低温にす
ることにより達成されることになる。尚、鋼やコンクリ
−ト製の被補強桁を繊維材料や繊維強化樹脂材料など
の、被補強桁と熱膨張率が異なる材料からなるポストテ
ンション補強板で補強する場合は操作が若干異なること
がある。すなわち、ポストテンション補強板を被補強桁
に対し相対的に伸長することを容易にするには、ポスト
テンション補強板の熱膨張率より当該被補強桁のそれが
小である場合は、両者を供用温度より高い温度とする
か、もしくはポストテンション補強板を当該被補強桁よ
り高い温度とするのが効果的であり、逆の場合は、両者
を供用温度より低い温度とするか、もしくはポストテン
ション補強板を当該被補強桁より低い温度とするのが効
果的である。

【００１１】また、被補強桁に対するポストテンション
補強板の相対変位量を正確に制御し易いという観点から
は、先ず、前記ポストテンション補強板の一端部を被補
強桁に固定し、且つその他端部を桁行方向に伸縮自在に
して取り付けた後に、前記ポストテンション補強板を当
該被補強桁よりも高温状態に加熱して膨張させ、次いで
前記ポストテンション補強板の他端部を当該被補強桁に
固定した後、前記ポストテンション補強板を冷却するの
が好ましい。

【００１２】また、一般の鋼桁の場合、ポストテンショ
ン補強により前記ポストテンション補強板および被補強
桁に導入される応力をそれぞれσ_pおよびσ_fとし、当該
補強区間の長さをＬ、被補強桁に対するポストテンショ
ン補強板の桁行方向相対変位量をΔＬ、被補強桁および
ポストテンション補強板の弾性係数をそれぞれＥ_fおよ
びＥ_pとするとき、ΔＬ＝Ｌ（σ_p／Ｅ_p−σ_f／Ｅ_f）の
関係式を満たすように前記ポストテンション補強板を加
熱することが好ましい。

【００１３】また、前記加熱範囲は、ポストテンション
補強板と被補強桁との固定部を除いた範囲に設定される
ことが望ましい。これは、ポストテンション補強板の固
定部を加熱膨張した状態で被補強桁に固定すると、冷却
後の当該固定部に板幅方向の残留応力が発生するので、
それを防ぐためである。

【００１４】また、ポストテンション補強板の加熱後、
冷却過程における被補強桁への固定は、ポストテンショ
ン補強板の端部から行い、徐々に中央寄りに実行するの
が望ましい。ポストテンション荷重はポストテンション
補強板の冷却とともに導入されるから、ポストテンショ
ン補強板の端から、ポストテンション荷重の増加にテン
ポを合わせて徐々に中央寄りに固定していくと継手内の
荷重分担が一定になるので効果的である。

【００１５】そして、前記被補強桁が曲線桁からなる場
合は、該曲線桁の下部表面を桁行方向に複数領域に分割
し、該領域毎に曲線桁にポストテンションを導入するこ
とが望ましい。全領域におけるポストテンション補強板
を一斉に加熱してポストテンションを導入する場合、ポ
ストテンション補強板の桁行直角方向の熱膨張変位を制
御するのが非常に難しくなるが、当該補強領域を区画し
複数領域に分割することでその制御が容易になる。

【００１６】また、上記の如くポストテンション導入
後、上記ポストテンション補強板と被補強桁とを接着し
て一体となすことが望ましい。これにより、上記したポ
ストテンション補強板の固定部のみでなく補強板の全長
に亘りポストテンション補強板から被補強桁へせん断力
が確実に伝達し、当該補強区間で活荷重に対して両者一
体となって応答するという補強効果を確保することがで
きる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の種々の実施形態を
説明する。図１は、本発明に係る橋梁の補強方法を説明
するための被補強桁の概略側面図、図２は、図１に示し
た被補強桁の底面図、図３は、その被補強桁の断面図で
ある。これら各図において、符号１はＩ形断面形状を有
する被補強桁（Ｈ形鋼）、１ａは被補強桁１の上部フラ
ンジ、１ｂは下部フランジ、１ｃはウェブ（腹板）、２
はポストテンション補強板を示している。ここで、下部
フランジ１ｂが引張力が作用する被補強フランジに相当
する。

【００１８】本実施形態の基本工程は次の通りである。
先ず、ポストテンション補強板２を被補強桁たるＨ形鋼
１の下部フランジ１ｂの下表面上に配設し、このポスト
テンション補強板２の一端部２ａを下部フランジ１ｂに
固定し、且つその他端部２ｂを桁行方向に伸縮自在の状
態で下部フランジ１ｂに取り付ける。その後、ポストテ
ンション補強板２の下表面（加熱範囲Ｓ）を加熱して補
強板２を膨張させ、下部フランジ１ｂに対して桁行方向
に所定量伸長させる。次にこの状態で、前記補強板２の
他端部２ｂを下部フランジ１ｂに固定する。そして、前
記ポストテンション補強板２を冷却して桁行方向に収縮
させ、下部フランジ１ｂに圧縮応力を付与する。尚、本
実施形態では、ポストテンション補強板２を下部フラン
ジ１ｂに取り付けた後に加熱膨張しているが、本発明で
はこれに限らず、予め加熱膨張したポストテンション補
強板を下部フランジに取り付けても構わない。

【００１９】以上の工程をより具体的に以下に詳説す
る。

【００２０】図１および図２に示すように、ポストテン
ション補強板２を被補強桁１の下部フランジ１ｂの底面
上に桁行方向に沿って配設し、このポストテンション補
強板２の一端部２ａを、高力ボルト３Ａ，３Ａ，…およ
びナット３Ｂ，３Ｂ，…で下部フランジ１ｂに接合す
る。ポストテンション補強板２の他端部２ｂは、ボルト
接合されずに、桁行方向に伸縮自在となるように仮受具
４，４，４，４を用いて下部フランジ１ｂに取り付けら
れる。具体的には、図４に示すように、仮受具４は、下
部フランジ１ｂの上表面を押圧する締付部４ａと、補強
板２の下表面を支持するローラ４ｂとを備えたものであ
る。尚、仮受具は前記の位置に限らず、補強板２が垂下
して相対変位量の計測に誤差が出ないように適当な間隔
で配置される。また、本実施形態では、補強板２の一端
部２ａを下部フランジ１ｂに固定する手段として高力ボ
ルトとナットを用いたが、この代わりにアーク溶接接合
やエポキシ樹脂などの接着剤を用いて接合してもよい。

【００２１】尚、前記ポストテンション補強板２として
は、被補強桁の形状や所望のポストテンション荷重に相
応した断面形状や剛性、熱膨張・収縮特性を有するもの
が適宜選択されて使用される。具体的には、入手のし易
さという点では鋼材が好ましく、中でも鉄や炭素を含む
合金、例えば引張強度が約４９０Ｎ／ｍｍ²以上の高張
力鋼、引張強度が約５８８Ｎ／ｍｍ²以上の調質鋼もし
くは溶接性が低いために橋梁に使用することが少ない更
に高い引張強度を有する鋼材、銅やクロムなどの金属元
素を添架した耐候性鋼材などが好適である。また前記鋼
材と熱膨張率が異なる材料として、高強度の炭素繊維、
アラミド繊維などを樹脂で担持したシ−ト状あるいは板
状の成形材料を用いることも有効である。

【００２２】次に、ダイアルゲージ５を下部フランジ１
ｂに固定し、そのダイアルゲージ５の測定子５ａの先端
を、前記補強板２の他端部２ｂの下面に接合した当接部
材６の端面６ａに当接し、下部フランジ１ｂに対するポ
ストテンション補強板２の桁行方向の相対変位量を常時
観察できるようにする。相対変位量の測定点は、厳密に
は補強範囲の端に設定されるのが望ましいが、前記補強
範囲の端の近傍であればその測定値に大きな誤差は生じ
ない。

【００２３】そして、図１および図２に示すように、補
強板２の下面の範囲Ｓを加熱し、ポストテンション補強
板２と下部フランジ１ｂとの間に温度差を生じさせ、ダ
イアルゲージ５の値を観察しつつ下部フランジ１ｂに対
する補強板２の桁行方向の相対変位量が所定の計画値に
達するまで加熱を続ける。このとき、前記加熱範囲Ｓ
は、ポストテンション補強板２の両端部２ａ，２ｂの固
定部（ボルト接合する部位）に伝熱し難い範囲に設定さ
れるのが望ましい。これは、ポストテンション補強板２
の固定部を加熱膨張した状態で下部フランジ１ｂに固定
すると、冷却時に桁行直角（板幅）方向の残留応力が発
生するからである。また、加熱範囲Ｓの端に冷却水を入
れた容器を配置したり、冷却水を含ませたスポンジを配
置したりして当該固定部への伝熱を防ぐのも効果的であ
る。

【００２４】ポストテンション補強板２の加熱手段とし
ては、ガス燃焼炎を直接あるいは間接に鋼板に当てる方
法が簡便であるが、他の加熱手段として、電熱ヒータ
ー、テルミットなどを利用した化学反応熱、熱輻射器、
高周波加熱器などが利用できる。

【００２５】次に、図２に示すように、所定の相対変位
をしたポストテンション補強板２の他端部２ｂのボルト
孔２ｃ，…，２ｃに高力ボルトを挿入し、当該他端部２
ｂを下部フランジ１ｂにボルト接合する。その後、ポス
トテンション補強板２は冷却する過程で収縮し、下部フ
ランジ１ｂとの温度差が無くなると、所定の圧縮応力が
下部フランジ１ｂの当該補強範囲に加わり、ポストテン
ション導入が完了する。

【００２６】上記ポストテンション補強板の加熱温度と
導入予定のポストテンション荷重との関係は以下の通り
である。

【００２７】今、補強板の断面積をＡ_p、補強板に導入
されたポストテンション荷重をＮ_pとするとき、導入時
の補強板の応力度σ_pは次式（１）の形で表現される。

【００２８】 σ_p＝Ｎ_p／Ａ_p （１）

【００２９】上式（１）中、Ａ_p：補強板の断面積であ
る。また、被補強桁の被補強フランジ最外縁に作用する
応力度σ_fは、ポストテンション荷重Ｎ_pによる圧縮応力
σ_cと、荷重Ｎ_pが橋桁に偏心して作用するため発生する
偏心曲げモ−メントＭ_pによる曲げ応力σ_bcとの和、す
なわち次式（２）で表現される。

【００３０】 σ_f＝σ_c+σ_bc＝−Ｎ_p／Ａ_s−Ｍ_pｙ_f／Ｉ_s （２）

【００３１】上式（２）中、Ａ_s：被補強桁の断面積、
Ｍ_p：被補強桁に作用する曲げモーメント、Ｉ_s：被補強
桁の断面二次モーメント、ｙ_f：被補強桁の中立軸から
被補強フランジ最外縁までの距離、である。

【００３２】また、被補強桁に作用する曲げモーメント
Ｍ_pは、次式（３）で表現される。

【００３３】Ｍ_p＝Ｎ_p（ｙ_f+ｔ_p／２）（３）

【００３４】上式（３）中、ｔ_p：補強板の板厚であ
る。

【００３５】被補強フランジ最外縁に対する補強板の相
対歪み量εは、補強板および被補強桁の弾性係数をそれ
ぞれＥ_pおよびＥ_fとするとき、次式（４−１）で表現さ
れる。

【００３６】 ε＝（σ_p／Ｅ_p―σ_f／Ｅ_f）（４−１）

【００３７】本実施形態では補強板と被補強桁はともに
鋼からなるので、補強板と被補強桁の弾性係数Ｅは略等
しくなり、上式（４−１）は次のように変形される。

【００３８】 ε＝（σ_p―σ_f）／Ｅ＝Δσ／Ｅ（４−２）

【００３９】これだけの相対歪み量εを発生させるため
に必要な相対温度差ΔＴは、補強板の温度が一定となる
ように加熱し、その間被補強桁の温度は不変という条件
下で、次式（５）で表現される。

【００４０】 ΔＴ＝εＬ／α （α：補強板の線膨張係数）（５）

【００４１】他方、必要な相対変位量ΔＬは、次式
（６）で表現できる。

【００４２】ΔＬ＝εＬ（６）

【００４３】よって、補強板を被補強フランジよりも上
式（５）で示されるΔＴだけ高い温度まで加熱し、或い
は上式（６）で示される相対変位量がΔＬに達するまで
加熱した後、被補強フランジに取り付けて固定すれば、
補強板と被補強桁との温度差が無くなった時点で上記し
たポストテンション荷重が導入されることになる。実
際、補強板のみをΔＴだけ高い温度にまで加熱するより
も、熱膨張による相対変位量をΔＬになるように加熱す
るのが実用的である。尚、厳密には、線膨張係数αは温
度の関数であるから上式は近似式であるが、誤差は僅か
であるので実用上問題は無い。

【００４４】今、Ｈ形鋼（Ｈ４００×２００×８×１
３）を被補強桁とし、このＨ形鋼を長さＬ（＝１８６ｃ
ｍ）の補強板（２０８×１３）を用いてポストテンショ
ン補強した場合の相対変位量ΔＬおよび相対加熱温度Δ
Ｔと導入される応力度とを計算した結果を以下の表１に
示す。

【００４５】

【表１】

【００４６】尚、表中の値は、上式（１）〜（６）を用
いて、補強板の断面積A_p=27.04cm²；被補強桁の断面積A
_s= 83.37 cm²；被補強桁の断面二次モーメントI_s=23,5
00cm⁴；被補強桁の中立軸から被補強フランジ最外縁ま
での距離ｙ_f=20 cm；鋼の弾性係数E= 2,100,000×9.80
6 N/cm²；鋼材の線膨張係数α=11.6×10^-6／℃、として
計算された。

【００４７】通常、被補強フランジに導入されるポスト
テンション応力は−１００Ｎ／ｍｍ ²以下であると考え
られるから、本計算例の桁の場合、上に掲げた表１から
補強板を１００℃程度に加熱することで所望のポストテ
ンション応力が容易に得られることが判る。実際には、
補強板全体を均一に加熱するのは難しく、部分的な加熱
となる上、伝熱により被補強桁がいくらか加熱されるの
で被補強桁は上記の温度より高い温度にまで加熱する必
要はある。それでも一般的に鋼材が材質変化する変態点
や再結晶温度まで加熱することなくポストテンション導
入が可能であることが上に掲げた表から推定でき、本発
明に係るポストテンション補強工法が実用的な方法であ
ることが理解される。

【００４８】ところで、上記ポストテンション補強板２
を被補強桁１に固定するのに用いた高力ボルトには、摩
擦接合するのに適した高力六角ボルトやトルシア形高力
ボルトなどを用いるのが一般的である。ねじの呼び寸法
は、Ｍ１６、Ｍ２０、Ｍ２２、Ｍ２４のものが好適で、
その等級は、高力六角ボルトの場合、Ｆ８Ｔ、Ｆ１０Ｔ
のもの、トルシア形高力ボルトの場合、Ｓ１０Ｔのもの
が好適である。尚、ボルトの締付には、トルクレンチ、
電動式もしくは油圧式の締付け機を用いたり、１次締付
け用に電動式のインパクトレンチを用いたりすればよ
い。

【００４９】また、被補強桁１にポストテンション荷重
を導入した後、上記被補強桁１とポストテンション補強
板２とをエポキシ樹脂などの接着剤を用いて接着固定し
てもよい。すなわち、ポストテンション補強後に、ポス
トテンション補強板２と下部フランジ１ｂとの境界面に
接着剤を注入する。補強板２と下部フランジ１ｂとの間
の固定度が不足すると考えられるときはバネクリップな
どを用いて両者を圧着し固定することもできる。また橋
桁にキャンバがあり、補強板と被補強フランジとの隙間
が大きい時は鋼材などで製作したパッキングを挿入した
り、モルタルなどの安価な材料を注入したりしてせん断
力の伝達を計っても良いが、両者一体とする場合は補強
板と被補強フランジ間のせん断強度を確保できる材料を
用いなければならない。こうした接着固定によりポスト
テンション補強板２から下部フランジ１ｂへせん断力が
確実に伝達し、活荷重に対する補強効果を確保できる。

【００５０】通常、補強範囲は、補強が必要な範囲より
広くとるので、補強板の固定部の端部まで同じ大きさの
ポストテンション荷重が導入されなくても問題無いが、
この固定部の継手が長くなると、継手を構成するボルト
の受ける荷重に大きな差が生ずることとなる。各ボルト
が受ける荷重の差を緩和すべく、補強板が冷却してポス
トテンション荷重が大きくなるのに合わせて継手を固定
していくのが好ましく、具体的には、ポストテンション
補強板の端に近い部位から固定していき、冷却とともに
導入されるポストテンション荷重の大きさに合わせて徐
々に中央寄りの部位を固定するのが好ましい。これによ
り継手における負荷の偏りを抑えることが可能となる。
また、このことは、加熱前に被補強桁に固定されるポス
トテンション補強板一端部の固定部継手についても同様
であり、予め固定するのは最端部のみとし、補強板が冷
却されてポストテンションが導入される過程で徐々に中
央方向に固定していくと、均一なポストテンションが導
入された固定部を形成することができる。尚、高力ボル
トの摩擦接合による固定の場合は、継手が僅かに滑って
負荷が均等になることが予想されるので、固定部継手に
おける荷重不均等が問題にあることはあまり無いと考え
られるが、溶接固定の場合は両端における継手内の負荷
が一定になるように固定していくのが望ましいと考えら
れる。

【００５１】また、補強板を被補強桁に固定するのに要
する時間は、被補強桁の大きさや補強範囲などにより異
なり、特に橋梁のような大型構造物の場合には、相当の
時間を要する。所定のポストテンション荷重を正確に導
入するには、ポストテンション補強板２の相対変位を一
定に保持したままポストテンション補強板２を下部フラ
ンジ１ｂに固定することが必要である。ポストテンショ
ン補強板２の相対変位は、相対熱変位量、ひいては補強
板および被補強桁の温度分布により決定される。本実施
形態では、補強板２を加熱すると被補強桁にも伝熱す
る。そこで、予め補強板２の加熱プロセスを変えてその
伝熱による影響を測り、前記相対変位を一定に保持し得
る加熱パターンを見出して用意するのが望ましい。

【００５２】また、ポストテンション補強板２を加熱し
て被補強桁に固定する際、両者間の滑りが生じないよう
に高力ボルトで拘束すると、ポストテンション補強板２
が冷却し収縮するとともにポストテンション補強板には
引張応力が導入され、被補強桁には圧縮の残留応力が導
入される。この残留応力は、高力ボルトで固定した固定
点間における補強板の膨張、収縮によって導入されるも
のであるから、橋軸直角方向に複数のボルトを設置する
場合は、固定部を加熱すると橋軸直角方向にも残留応力
が導入されることとなり、固定部の高力ボルトなどが伝
達しなければならない荷重が増加して不利である。

【００５３】このような橋軸直角方向の残留応力の発生
を抑制するため、加熱範囲をポストテンション補強板に
おける当該補強板と被補強桁との固定部を除く範囲内に
設定するのが望ましい。

【００５４】当該固定部を加熱すると補強板および被補
強フランジは２軸応力を受けることになる。２軸応力を
受ける板の強度評価は単軸応力の場合よりも複雑であ
り、局部的に強度が落ちる部位も生ずる。一般的に２軸
応力を受ける鋼材の強度は等価応力を用いることにより
単軸応力の時と同様に評価することができる。代表的な
等価応力としてミ−ゼスの等価応力を用いて被補強フラ
ンジに加わる応力について検討する。ここで、ミーゼス
（von Mises）の等価応力（equivalent stress）σ
_kは、次式（７）で表現される。

【００５５】

【数１】

【００５６】上式（７）中、σ₁は、被補強フランジが
ポストテンション補強された後に受ける桁行方向最大応
力、σ₂は、桁行直角方向応力であり、通常、σ₁＞０で
ある。桁行直角方向応力が無い時、等価応力は（７）式
でσ₂＝０とおいて σ_k＝σ ₁となる。桁行直角方向応
力σ₂＜０であるから、桁行直角方向応力が有る時は、
−σ₁σ₂＞０となるので、（７）式で必ずσ_k＞σ₁とな
り、被補強フランジの強度は桁行直角方向応力が無い時
より低下し補強効果が減殺されることになる。このこと
からも桁行直角方向の残留応力が発生することを防ぐ対
策を講じる必要があることが分かる。

【００５７】以上の実施形態では直線桁をポストテンシ
ョン補強する例を示したが、本発明に係る橋梁の補強方
法を曲線桁に適用することも可能である。図５および図
６に被補強桁たる曲線箱桁１０を例示する。図５は、ポ
ストテンション補強された曲線箱桁１０の概略断面図で
あり、図６は、その曲線箱桁１０の底面図である。尚、
各図において、符号１０ａは曲線箱桁１０の上部フラン
ジ、１０ｂはその下部フランジ、１０ｃはウェブ（腹
板）、１１は下部フランジ１０ｂの底面に添接したポス
トテンション補強板、１２Ａはボルト、１２Ｂはナッ
ト、を示している。

【００５８】図示した曲線箱桁１０を、曲線状のポスト
テンション補強板１１を用いて補強する手順は、上記し
た直線桁の補強手順と略同様である。曲線箱桁１０の下
部フランジ１０ｂは、桁行方向に亘り所定の曲率をもつ
曲線に沿って湾曲している。本実施形態では、先ず曲線
箱桁１０の曲率を規定する曲線を桁行方向に沿った折れ
線１３ａ，１３ｂ，１３ｃで近似し、これら折れ線の折
曲げ部を、補強板１１を曲線箱桁１０に接合する固定部
として、各固定部で区画される領域にポストテンション
を導入する。補強板１１の下表面を加熱する範囲は、補
強板１１をボルト１２Ａ，…とナット１２Ｂ，…とで下
部フランジ１０ｂに接合する固定部に伝熱し難い加熱範
囲Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の内に設定される。

【００５９】また、図７に示すように、加熱範囲Ｓは大
きな曲率半径をもつ扇形状を有しているため、当該加熱
範囲Ｓを加熱膨張する際には、内周に近い領域（図の下
方）よりも外周に近い領域（図の上方）の方を大きく相
対変位させる必要がある。すなわち、図７に示した加熱
範囲Ｓの外周の横幅をＬ₁、内周の横幅をＬ₂、内周と外
周の変位量をそれぞれΔＬ₁，ΔＬ₂とするとき、ΔＬ₁
／Ｌ₁＝ΔＬ₂／Ｌ₂＝一定を満たすように、加熱範囲Ｓ
を加熱膨張させると桁行直角方向に亘り略均一な補強効
果を得ることが可能となる。実際には、このように加熱
範囲を加熱膨張させるべく予め加熱分布に対する変位分
布を計算し、加熱方法を事前に求めておくのが望まし
い。特に、幅広の長大橋梁の場合などでは、曲線橋をポ
ストテンション補強する際に発生する橋軸直角方向の力
を考慮する必要があるから、主桁の力学的解析を行い、
最適な補強パターンに対応した熱変形を発生させること
が可能な加熱パターンを事前に求めておくことが重要と
なる。

【００６０】また、被補強桁の当該補強範囲を桁行直角
方向に亘り複数の補強領域に分割し、補強領域毎にポス
トテンション補強してもよい。この補強方法は、箱桁な
どの幅広な被補強桁を補強する際に効果的である。すな
わち、各補強領域が小さくなるため、各補強領域の加熱
温度の調節が容易になり、また、複数枚のポストテンシ
ョン補強板を用いるから、１枚当たりの補強板の重量が
小さく済むため施工が極めて簡易になる。更には、各補
強領域におけるポストテンション荷重を調整することに
より被補強桁に加わる偏心荷重を容易に低減させること
ができる。

【００６１】具体的には、図８（ａ）に例示するよう
に、被補強フランジ２０の下部表面を桁行直角方向に亘
って２領域２１Ａ，２１Ｂに分割し、各領域にそれぞれ
ポストテンション補強板２２Ａ，２２Ｂを添接し、上記
補強方法により被補強フランジ２０にポストテンション
を付与するのである。もしくは、同図（ｂ）に例示する
ように、被補強フランジ２４の下部表面は、桁行直角方
向に亘り複数の帯状の領域２５Ａ，２５Ｂ，…，２５Ｆ
に分割され、各領域にそれぞれポストテンション補強板
２６Ａ，…，２６Ｆを添接して上記補強方法を適用する
こともできる。

【００６２】次に、上記した本発明に係る橋梁の補強方
法の実験例について詳説する。

【００６３】（実験方法）図９に示すように、被補強桁
として橋桁の主桁３０を用意した。図９（ａ）は、ポス
トテンション補強板３４により補強された主桁３０の側
面図、同図（ｂ）は、主桁３０のＡ−Ａ断面図である。
同図（ｂ）の断面位置に歪みゲージが貼付される。ま
た、主桁３０は、全長３ｍのＨ形鋼（Ｈ４００×２００
×８×１３）であり、桁行方向両端部下面を単純支持さ
れている。尚、上記の表１で挙げた計算例の条件はこの
実験例のものと同じである。

【００６４】ポストテンション補強板３４は、長さ１．
３ｍの帯板（幅２０８ｍｍ×厚さ１３ｍｍ）であり、そ
の軸方向両端部を、それぞれ４本のボルト３５Ａ，３５
Ａ，…とナット３５Ｂ，３５Ｂ，…とで下部フランジ３
０ｂの下面中央部に固定される。

【００６５】実験は、ポストテンション補強板３４の一
端部３４ａをボルトで固定した状態で加熱範囲Ｓ４をガ
スバーナーで加熱し、補強板３４が熱膨張して所定の相
対変位に達した時に、他端部３４ｂも主桁３０にボルト
締めし、次いで、自然冷却し、この間補強板３４や主桁
３０の応力および温度を測定して実行された。

【００６６】ポストテンション補強板３４の応力（補強
板応力）および被補強フランジの応力（被補強フランジ
内面応力）は電気抵抗線歪みゲージを貼り付けて測定さ
れた。測定位置は、図９（ａ）に示すように端部の影響
を避け加熱範囲から離れた位置として、補強板３４の両
端の固定点間の四等分点付近（Ａ−Ａ断面位置）とし
た。また、ポストテンション補強板３４の応力は、図９
（ｂ）に示すようにその補強板端からウェブ側に４０ｍ
ｍ入った２個所に貼付した歪みゲージ３６Ａ，３６Ｂに
よる平均値、被補強フランジの応力は下部フランジ端か
らウェブ側に４０ｍｍ入った２個所に貼付した歪みゲー
ジ３７Ａ，３７Ｂによる平均値で代表した。

【００６７】補強板３４の温度は、上記歪みゲージ３６
Ａ，３６Ｂの貼付位置よりそれぞれ３ｍｍ以内の場所に
熱電対測温センサーの先端を耐熱テープで貼り付けて測
定された。尚、熱で歪みゲ−ジが損傷するのを防ぐため
に加熱範囲の端を湿らせたマットで覆って実験を行った
ので実験中の温度変化は５℃以内に抑えられた。

【００６８】（実験結果）本実験例では、補強板の加熱
範囲Ｓ４を略均等にガスバーナで加熱し、ポストテンシ
ョン補強板の端部に取り付けたダイヤルゲ−ジ（図示せ
ず）の値を観察し、熱膨張による相対変位量（ΔＬ）を
０．５ｍｍに保持した状態でボルトを本締め固定した。
補強板の冷却過程において応力を測定した実験結果を表
２に示す。尚、ボルト締め作業開始からボルト締め作業
完了時すなわち測定開始時間０秒まで約３０秒を要し、
この間緩やかに加熱して相対変位量を一定に保持した。
また、応力測定値には、自己温度補償１１×１０^-6／℃
の歪みゲージを用い、完全解放時の値をゼロとして計測
器のドリフト分を零点補正した値を示す。

【００６９】

【表２】

【００７０】測定中、室温が２℃低下したため部材も若
干縮小したが、応力測定には自己温度補償１１×１０^-6
／℃の歪みゲージを用いたので室温変化は関係しないと
考えられる。

【００７１】（考察）上記した表１の計算値と、実際
に導入されたポストテンション応力の大きさとの比較結
果を以下の表３に示す。

【００７２】

【表３】

【００７３】ここで、Ｈ形鋼の中立軸から被補強フラン
ジの歪みゲージ張り付け位置までの距離はｙ＝２００ｍ
ｍ−１３ｍｍ＝１８７ｍｍより、被補強フランジの歪み
ゲ−ジ張り付け位置の計算応力σ_Hは次式（７）を用い
て計算された。

【００７４】 σ_H＝σ_f ｙ／ｙ_f （７）

【００７５】表３から、測定値と計算値との誤差は実用
上許容できる範囲内であると考えられ、本発明に係るポ
ストテンション補強工法の有効性が確認された。

【００７６】

【発明の効果】以上の如く、本発明に係る橋梁の補強方
法によれば、橋梁の被補強桁の表面上にポストテンショ
ン補強板を配設し、加熱あるいは冷却操作により被補強
桁とポストテンション補強板との間に温度差を設け、該
ポストテンション補強板を被補強桁に対し桁行方向に相
対的に伸長せしめた状態で、ポストテンション補強板を
前記被補強桁に固定した後、前記被補強桁およびポスト
テンション補強板が供用温度に達する過程でポストテン
ション補強板が桁行方向に収縮することにより、被補強
桁をポストテンション補強するので、従来とは全く異な
る方法により橋梁をポストテンション補強し且つ橋梁の
剛性を増して疲労強度を改善することが可能となる。ま
たこの補強方法により、配管などの添架スペースや桁下
空間が犠牲にされることが無いという利点が得られる。

【００７７】また、被補強桁に対するポストテンション
補強板の桁行方向の相対変位量をΔＬとするとき、ΔＬ
＝Ｌ（σ_p／Ｅ_p−σ_f／Ｅ_f）の関係式を満たすように前
記ポストテンション補強板を加熱することにより、ポス
トテンション荷重を高精度で且つ効率良く付与すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る橋梁の補強方法を説明するための
被補強桁の概略側面図である。

【図２】図１に示した被補強桁の底面図である。

【図３】図１に示した被補強桁の断面図である。

【図４】仮受具により下部フランジにポストテンション
補強板を取り付けた状態を示す概略図である。

【図５】ポストテンション補強された曲線箱桁の概略側
面図である。

【図６】図５に示した曲線箱桁の底面図である。

【図７】曲線桁の扇形状の加熱範囲Ｓを示す概略図であ
る。

【図８】（ａ）は、被補強フランジの下部表面を２領域
に分割し、各領域をポストテンション補強した状態を示
す概略図であり、（ｂ）は、被補強フランジの下部表面
を６領域に分割し、各領域をポストテンション補強した
状態を示す概略図である。

【図９】（ａ）は、上部フランジにポストテンション補
強板を固定された主桁を示す概略側面図であり、（ｂ）
は、前記主桁の歪みゲージ貼付位置におけるＡ−Ａ断面
を示す概略図である。

【図１０】荷重により弓なりに変形した橋桁を示す概略
側面図である。

【図１１】従来のエクスターナルポストテンション工法
によりポストテンション補強された橋梁を示す概略側面
図である。

【符号の説明】

１被補強桁（Ｈ形鋼）１ａ上部フランジ１ｂ下部フランジ１ｃウェブ（腹板）２ポストテンション補強板２ａポストテンション補強板の一端部２ｂポストテンション補強板の他端部２ｃボルト孔３Ａ高力ボルト３Ｂナット４仮受具４ａ締付部４ｂローラ５ダイアルゲージ５ａダイアルゲージの測定子６当接部材６ａ当接部材の端面１０曲線桁１０ａ上部フランジ１０ｂ下部フランジ１０ｃウェブ（腹板）１１ポストテンション補強板１２Ａボルト１２Ｂナット１３ａ，１３ｂ，１３c 折れ線２０被補強フランジ２１Ａ，２１Ｂ分割領域２２Ａ，２２Ｂポストテンション補強板２３，２７ボルト２４被補強フランジ２５Ａ〜２５Ｆ分割領域２６Ａ〜２６Ｆポストテンション補強板３０主桁３０ａ上部フランジ３０ｂ下部フランジ３０ｃウェブ３４ポストテンション補強板３４ａポストテンション補強板の一端部３４ｂポストテンション補強板の他端部３５Ａボルト３５Ｂナット３６Ａ，３６Ｂ，３７Ａ，３７Ｂ電気抵抗線歪みゲー
ジ５０橋桁５０ａ上部フランジ５０ｂ下部フランジ５０ｃウェブ（腹板）５１圧縮応力５２引張応力６０橋桁６０ａ上部フランジ６０ｂ下部フランジ６０ｃウェブ（腹板）６１，６２定着装置６３，６４取付具６５外ケーブル

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】橋梁の被補強桁の表面上にポストテンシ
ョン補強板を配設し、加熱操作により被補強桁とポストテンション補強板との
間に温度差を設け、該ポストテンション補強板を被補強
桁に対し桁行方向に相対的に伸長せしめた状態で、冷却
過程においてポストテンション補強板の端部から徐々に
中央寄りに、該ポストテンション補強板を前記被補強桁
に固定した後、前記被補強桁およびポストテンション補強板が供用温度
に達する過程でポストテンション補強板が桁行方向に収
縮することにより、被補強桁をポストテンション補強することを特徴とする
橋梁の補強方法。
【請求項２】ポストテンション導入後、前記ポストテ
ンション補強板と被補強桁とを接着して一体となす請求
項１に記載の橋梁の補強方法。
【請求項３】前記ポストテンション補強板の一端部を
被補強桁に固定し、且つその他端部を桁行方向に伸縮自
在にして取り付けた後に、前記ポストテンション補強板
を当該被補強桁よりも高温状態に加熱して膨張させ、前
記ポストテンション補強板の他端部を当該被補強桁に固
定した後、前記ポストテンション補強板を冷却してなる
請求項１または２記載の橋梁の補強方法。
【請求項４】ポストテンション補強により前記ポスト
テンション補強板および被補強桁に導入される応力をそ
れぞれσ_pおよびσ_fとし、当該補強区間の長さをＬ、被
補強桁に対するポストテンション補強板の桁行方向相対
変位量をΔＬ、被補強桁およびポストテンション補強板
の弾性係数をそれぞれＥ_fおよびＥ_pとするとき、ΔＬ＝
Ｌ（σ_p／Ｅ_p−σ_f／Ｅ_f）の関係式を満たすように前記
ポストテンション補強板を加熱してなる請求項１〜３の
何れか１項に記載の橋梁の補強方法。
【請求項５】前記加熱範囲をポストテンション補強
板と被補強桁との固定部を除いた範囲内に設定してなる
請求項１〜４の何れか１項に記載の橋梁の補強方法。
【請求項６】前記被補強桁が曲線桁からなり、該曲線
桁の下部表面を桁行方向に複数領域に分割し、該領域毎
に曲線桁にポストテンションを導入してなる請求項１〜
５の何れか１項に記載の橋梁の補強方法。
【請求項７】前記ポストテンション補強板への加熱操
作は、ガス燃焼炎を直接あるいは間接に鋼板に当てる、
若しくは電熱ヒーター、テルミットを利用した化学反応
熱、熱輻射器、高周波加熱器を利用して加熱してなる請
求項１〜６の何れか１項に記載の橋梁の補強方法。