JP6908541B2 - 鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法 - Google Patents

Description

本発明は、橋脚や橋台などの上に配置されたソールプレート上に載置されて繰り返し荷重が載荷される鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法に関するものである。

特許文献１−３及び非特許文献１に開示されているように、橋梁の橋桁などの鋼製部材には、列車荷重や自動車の走行荷重などの繰り返し載荷される荷重によって疲労き裂が生じることが知られている。

これらの文献には、橋脚の上端面に設けられる支承のソールプレート上に鋼桁が載置される支承部の構造において、ソールプレート周辺の鋼桁の端部に発生するき裂の補修方法や補強方法などが開示されている。

ここで、既設の橋梁においては、ソールプレートを取り外してき裂の補修を行う場合には、施工の制約条件が多い中でジャッキアップなどをして仮受けを行わなければならず、簡単に実施することが難しい。そこで、き裂の進展を抑えるためのいくつかの提案がされている。

例えば特許文献１では、ソールプレートと鋼桁の下フランジとを、溶接やボルト締結によって接合させることで、き裂の進展を抑える方法が開示されている。

また、特許文献２には、鋼桁の下フランジの上側に載せた添接板をタップボルトで下フランジに固定するとともに、ソールプレートから外れた位置において添接板と下フランジとを高力ボルトで固定する補修方法が開示されている。

さらに、特許文献３及び非特許文献１には、鋼桁の腹板と端補剛材と下フランジとの３面に対して当板を施す３面当板部材を使用した補修方法が開示されている。

特開２００４−３４６５１８号公報 特開２０００−２８８７２６号公報 特開２０１６−１４２０３４号公報

大谷将一朗、西田寿生、「支承部付近の疲労き裂に対する３面当板工法の改良について」、土木学会第６６回年次学術講演会講演概要集、2011年9月、I-125,pp.249 - 250

しかしながら特許文献１，２のようにボルトを使用する場合は、ナット又はボルトヘッドが下フランジの下面側に配置されることになることから、鋼桁下の狭いスペースでの上向き作業を行わなければならなくなる。

一方、特許文献３及び非特許文献１に開示された３面当板部材を使用する方法では、補修箇所の形状に合わせた３面当板部材を製作する必要があるうえに、下フランジの下面側に下フランジ補強板を取り付けたり、下フランジとボルト接合をしたりするなど、鋼桁下の狭いスペースでの上向き作業を行わなければならない。

そこで、本発明は、鋼桁の上方のみからの作業で支承部周辺のき裂の進展を抑えることが可能な鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法は、ソールプレート上に載置されて繰り返し荷重が載荷される鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法であって、前記鋼桁の下フランジを貫通させて前記ソールプレートにタップ穴を設ける工程と、前記タップ穴に対してタップボルトをねじ込むことで、前記下フランジの下面を前記ソールプレートの上面に密着させる工程とを備えたことを特徴とする。
ここで、前記タップ穴は、前記鋼桁のウェブに近接した前記下フランジの平面位置に設けられることが好ましい。

このように構成された本発明の鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法では、鋼桁の下フランジを貫通させてソールプレートにタップ穴を設ける工程と、そのタップ穴に対してタップボルトをねじ込むことで、下フランジの下面をソールプレートの上面に密着させる工程とを備えている。

このタップ穴を設ける工程とタップボルトをねじ込む工程とは、鋼桁の上方のみからの作業で実施することができる。そして、下フランジの下面をソールプレートの上面に密着させることで、繰り返し荷重が載荷されても下フランジの独立した振幅が起きなくなって、支承部周辺のき裂の進展を抑えることができる。

特に、ウェブに近接した下フランジの平面位置にタップ穴を設けてタップボルトで締め付けることで、下フランジの下面とソールプレートの上面とが最も離隔しやすい箇所が密着されて、下フランジとソールプレートとを確実に一体化させることができる。

本実施の形態の鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法を説明するための断面図である。 リベット桁に支えられた橋梁の概略構成を説明する斜視図である。 リベット桁にき裂が発生するメカニズムを説明する図であって、（ａ）は列車荷重が作用する前の状態を示した断面図、（ｂ）は列車荷重が作用している状態を示した断面図である。 本実施の形態の鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法を説明するための平面図である。 支承部周辺の構成及び効果確認試験の計測位置を示した説明図である。 補修前後の変位分布を比較した図である。 補修前後の主応力分布を比較した図である。 補修前後の応力分布を比較した図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法を説明するための図であり、図２は、鋼桁によって支えられる橋梁１の概略構成を例示した説明図である。

まず、図２を参照しながら、橋梁１の構成の一例について説明する。この橋梁１は、例えば鋼桁の１種であるリベット桁３を備えている。リベット桁３は、橋台と橋脚１１との間、又は橋脚１１，１１間に架け渡される。

また、平行に架け渡された複数のリベット桁３，・・・上には、プレストレストコンクリートや鉄筋コンクリートなどによって構築された床版１２が敷設される。なお、床版１２は鋼製であってもよい。

そして、リベット桁３の端部は、橋脚１１の上端面１１１の上に設置された支承部２の上に載置される。
この支承部２は、例えば橋脚１１の上端面１１１に載置される平板状の座部２３と、その座部２３の上に設置される沓部２２と、沓部２２とリベット桁３との間に介在されるソールプレート２１とによって、主に構成される。

ここで、座部２３は、ゴムなどによって成形されており、沓部２２及びソールプレート２１は、鋼材によって形成されている。そして、図１に示すように、平板状のソールプレート２１の上面２１１にリベット桁３の端部が載せられる。

リベット桁３は、図１，２に示すように、上下に平行に配置される上フランジ３３及び下フランジ３１と、上フランジ３３と下フランジ３１との間を繋ぐウェブとなる腹板３２とによって、主に構成される。

さらに詳細には、腹板３２の両側に取り付けられる断面視略Ｌ字形の山形鋼３１０，３１０の下面３１１，３１１が形成される部分が、リベット桁３の下フランジ３１，３１となる。なお、上フランジ３３の構成も下フランジ３１と同様になるため、詳細な説明は省略する。

そして、ソールプレート２１上に配置されるリベット桁３の端部には、腹板３２の両側に補剛材３４，３４が配置される。この補剛材３４は、例えば図４の平面図に示すように、一対の山形鋼の背面同士を重ね合わせて形成される。すなわち補剛材３４には、腹板３２の側面に略直交する鉛直面が形成されて、下フランジ３１と上フランジ３３との間を連結させる。

リベット桁３においては、大部分の鋼材同士の接合がリベット３５によって行われる。図２及び図５に示すように、リベット桁３，３間の接続も、ガセットプレート３６にブレース材３６１や横材３６２などをリベット３５で接合させることによって行われる。

このような構成となる橋梁１には、例えば鉄道橋であれば、列車の走行により繰り返し荷重が載荷される。また、道路橋であっても、自動車の走行により繰り返し荷重が載置される。

列車や自動車の走行により床版１２に作用した力は、床版１２の下に平行に配置された複数のリベット桁３，・・・に伝達される。そして、リベット桁３に作用した力は、下フランジ３１からソールプレート２１に伝達される。

この結果、ソールプレート２１上では、力の作用と除荷の繰り返しにより下フランジ３１の上下動が繰り返される。図３は、長年にわたって繰り返し荷重が載荷されたリベット桁３の下フランジ３１，３１周辺の状態を示した図である。

図３（ａ）に示すように、長期にわたって使用されたソールプレート２１の上面２１１と下フランジ３１，３１の下面３１１，３１１との間には、繰り返し荷重による磨耗の繰り返しによって、隙間Ｓが生じることになる。ここで２点鎖線は、ソールプレート２１の上面２１１の損耗前形状２１０を示している。
なお、本実施の形態ではソールプレート２１のみが損耗しているとして説明するが、これに限らず、下フランジ３１の下面３１１が損耗する場合もある。

ソールプレート２１の上面２１１が損耗していても、列車走行などによる荷重がリベット桁３に作用していないときには、図３（ａ）に示すように、ソールプレート２１の上面２１１と下フランジ３１，３１の下面３１１，３１１との間には隙間Ｓが空いた状態になる。

一方、図３（ｂ）に示すように、列車荷重Ｔが矢印で示したように下向きに載荷されると、腹板３２とともに下フランジ３１，３１が隙間Ｓを塞ぐように下方に変動することになる。

ここで、通常は、腹板３２の真下付近のソールプレート２１の損耗が最も激しくなるため、下フランジ３１を構成する山形鋼３１０は、内角側が鋭角となるように変形して、１点鎖線で示したように応力集中箇所Ｖが発生することになる。

そして、応力集中が何度も繰り返されると、応力集中箇所Ｖにき裂Ｒが生じることになる。このように下フランジ３１や腹板３２などにき裂Ｒが生じたリベット桁３には、き裂Ｒの進展を抑えるための補修や補強などの対策工が必要となる。

そこで、本実施の形態の鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法では、リベット桁３の支承部２上の下フランジ３１に発生又は発生するおそれのあるき裂Ｒの進展を抑える方法について説明する。

本実施の形態の鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法では、ソールプレート２１に対する下フランジ３１の相対的な変動を抑えるために、ソールプレート２１と下フランジ３１とを一体化させる。

具体的には、図１に示すように、下フランジ３１とソールプレート２１とを貫通するタップ穴４１を設け、タップ穴４１の内周に刻まれた雌ネジに対してタップボルト４をねじ込むことで、下フランジ３１の下面３１１をソールプレート２１の上面２１１に密着させる。

タップボルト４によって下フランジ３１とソールプレート２１とを接合させる箇所は、応力集中箇所Ｖが発生しやすい腹板３２の近傍が好ましい。例えば図１及び図４に示すように、リベット桁３の腹板３２に近接した下フランジ３１の平面位置において、タップボルト４による接合を行う。

例えば図４に示すように、平面視長方形のソールプレート２１の上方は、橋軸方向に延びる腹板３２とその両側に直交する補剛材３４，３４とによって、４つの区画に区切られる。そこで、各区画の腹板３２に近接した位置で、それぞれタップボルト４による接合を行う。

ここで図４において、き裂Ｒが生じている区画のタップボルト４は、き裂Ｒのさらなる進展を抑える役割を果たし、き裂Ｒが生じていない区画のタップボルト４は、き裂Ｒの発生を含めた進展を抑える役割を果たすことになる。

本実施の形態の鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法を工程の順に説明すると、まず、断面視略Ｉ字形のリベット桁３の下フランジ３１を貫通させてソールプレート２１にタップ穴４１を設ける。

ここでは、下フランジ３１とソールプレート２１に連続して雌ネジを設けることとするが、必ずしもそれに限定されるものではない。例えば下フランジ３１に予め穿孔されたリベット穴などを利用する場合は、ソールプレート２１にだけ雌ネジが刻まれたタップ穴４１を設けることもできる。

続いて、下フランジ３１の上方から、タップ穴４１に向けてタップボルト４をねじ込む。このタップボルト４のねじ込みは、下フランジ３１の下方への変形が生じなくなるまで行う。下フランジ３１の沈み込みが停止すれば、下フランジ３１の下面３１１をソールプレート２１の上面２１１に密着させることができたと言える。

次に、本実施の形態の鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法の作用について、その効果を確認するために行った試験の結果を交えて説明する。
図５は、効果確認試験に使用したリベット桁３のソールプレート２１周辺の構成を示した図である。ここで、Ｍ１−Ｍ４は、変位の計測点を示している。効果確認試験では、最大2.5mmとなる凹みが上面２１１に設けられたソールプレート２１を使用し、P=420kNの下向きの荷重を腹板３２に対して作用させた。

図６は、補修前後の変位分布を比較した図である。この図は、計測点Ｍ１−Ｍ４のプロット間を単純に繋いだだけの図であるが、補修前の計測点Ｍ１−Ｍ４のプロットの連結線（破線）は、ソールプレート２１の上面２１１の損耗した形状に近い形状を示しているとも言える。

そして、補修によって下フランジ３１の下面３１１をソールプレート２１の上面２１１に密着させると、変位は補修前の30％−40％と大幅に減少された。変位の減少効果は、補修前の変位が大きくなっていた腹板３２の近辺で顕著に現れる。このことは、腹板３２自体で計測された変位の減少結果（補修前の変位2.1mm、補修後の変位0.8mm）によっても確認できる。

図７及び図８は、き裂Ｒの先端にストップホールを設けて、その周辺で応力を測定した結果を示している。き裂Ｒの先端付近の応力が補修によって減少すれば、き裂Ｒの進展を抑えることができると言える。

図７（ａ），（ｂ）は、補剛材３４を挟んだ両側に生じた２つのき裂Ｒ，Ｒの先端にそれぞれ設けられたストップホール周辺で測定された応力を、最大主応力と最小主応力で示している。いずれのき裂Ｒ，Ｒにおいても、補修前後で最大主応力及び最小主応力が減少していると言える。特に最小主応力は、補修前の20％−30％と大幅に減少された。

一方、図８は、き裂Ｒの先端から離れた位置でそれぞれ測定された応力を示している。この図を見ても、補修前は負の応力が大きくなる箇所が現れていたのに対し、補修後は、いずれの位置においてもほとんど応力が発生していない（補修前の10％以下）ことが分かる。要するに、繰り返しの荷重が作用しても応力集中箇所Ｖが発生しなくなり、き裂Ｒが進展しにくい状態になっていると言える。

このように構成された本実施の形態の鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法では、リベット桁３の下フランジ３１を貫通させてソールプレート２１にタップ穴４１を設ける工程と、そのタップ穴４１に対してタップボルト４をねじ込むことで、下フランジ３１の下面３１１をソールプレート２１の上面２１１に密着させて隙間Ｓを塞ぐ工程とを備えている。

このタップ穴４１を設ける工程とタップボルト４をねじ込む工程とは、リベット桁３の上方のみからの作業で実施することができる。すなわち、橋脚１１の上端面１１１と下フランジ３１の下面３１１との間の狭いスペースに入り込んで、上向きの作業を行う必要がない。

そして、下フランジ３１の下面３１１をソールプレート２１の上面２１１に密着させて隙間Ｓを無くすことで、列車荷重Ｔなどの繰り返し荷重が載荷されても下フランジ３１の独立した振幅が起きなくなって変動が減少し、支承部２周辺のリベット桁３の下フランジ３１や腹板３２などのき裂Ｒの進展を抑えることができる。

特に、腹板３２に近接した下フランジ３１の平面位置にタップ穴４１を設けてタップボルト４で締め付けることで、損耗が大きくなり易く下フランジ３１の下面３１１とソールプレート２１の上面２１１とが最も離隔しやすい箇所が密着されて、下フランジ３１とソールプレート２１とを確実に一体化させることができる。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば前記実施の形態では、断面視略Ｉ字形のリベット桁３を鋼桁として説明したが、これに限定されるものではなく、溶接によって接合が行われる鋼桁に対しても本実施の形態の鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法を適用することができる。要するに、下フランジを有する鋼桁であれば、どのような形態のものにも適用することができる。

Ｒ き裂
Ｔ 列車荷重（繰り返し荷重）
２ 支承部
２１ ソールプレート
２１１ 上面
３ リベット桁（鋼桁）
３１ 下フランジ
３１１ 下面
３２ 腹板（ウェブ）
４ タップボルト
４１ タップ穴

Claims (2)

1. ソールプレート上に載置されて繰り返し荷重が載荷される鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法であって、
   前記鋼桁の下フランジを貫通させて前記ソールプレートにタップ穴を設ける工程と、
   前記タップ穴に対して、前記下フランジの沈み込みが停止するまでタップボルトをねじ込むことで、前記下フランジの下面を前記ソールプレートの上面に密着させて隙間を塞ぐ工程とを備えたことを特徴とする鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法。
2. 前記タップ穴は、前記鋼桁のウェブに近接した前記下フランジの平面位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載の鋼桁の支承部周辺のき裂進展抑制方法。

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