I ビーム支点部疲労き裂に対するコンクリート巻立て工法の効果の検証
(公財)鉄道総合技術研究所 正会員 小林 裕介 西日本旅客鉄道(株) 正会員 福本 守 鹿島建設(株) 正会員 ○玉野 慶吾 正会員 平 陽兵
１．はじめに
鉄道に用いられる鋼橋の中で主桁に I 形鋼を用いた構造形式
（以下，I ビーム）のうち，支間長が数メートルの橋梁支点部に おいて疲労き裂がしばしば発生している（図－1）．主な発生原因 は，腐食による端補剛材下端の隙間や沓座モルタルの損傷（以下，
両方を合わせて支点部損傷）により，列車通過時に片側の下フラ ンジが落ち込み，それにより発生する主桁の面外変形であること が分かっている．沓座補修を伴う対策工事では，桁をこう上する 必要があり，夜間間合いの短い線区や橋上にロングレールが敷設 されている場合は，施工が困難となる場合がある．そこで，個別 に沓座等の補修を必要としないIビーム支点部疲労き裂の対策と して「コンクリート巻立て工法」を考案した 1)．本稿では，実物 大で模擬したIビーム試験体に対し，工法の適用前後において静 的載荷試験を行い，対策工法の効果を検証した．
２．コンクリート巻立て工法
コンクリート巻立て工法の概要および基本的な構造を図－2，3 に示す．この工法は，鋼桁をコンクリートで巻き立てて，橋台と 一体化させる構造である．これにより，列車荷重は鋼桁からコン クリートを介して広い面積で橋台に伝達されることから，下フラ ンジの落ち込みやき裂の開口変位を抑制することができる．一方 で，鋼桁の構造形式が単純支持桁から門型のラーメン構造になる ため，列車荷重および温度変化の影響により隅角部に断面力が生 じる．そこで，鋼桁と巻立てコンクリートの一体性を確保するた めに，頭付きスタッドを溶接した当板を鋼桁にボルト接合で取り 付けている．さらに，巻立てコンクリートと橋台の打継面は，橋 台に鉛直鉄筋を設置する．なお，巻立てコンクリートの主桁外側 上端は，フックボルトの取り外し等を阻害しないように上フ ランジに対して段差を設けている．
３．実験概要
実物大の2主桁I ビーム橋梁を対象に，載荷試験を実施し た．試験体概要を図－4に，検討ケースを表－1に示す．試験 体は，支間長4,150mmの単純支持桁であり，軌道部材（まく らぎ，50kgN レール）が I ビーム橋梁の変形挙動や応力性状 に寄与することが想定されたため同部材を含めて模擬した．
図－1 Ｉビーム支点部の疲労き裂
図－2 コンクリート巻立て工法の概要
主桁（Ｉ形鋼）
ソールプレート ベッドプレート 下フランジ
疲労き裂 端補剛材
列車荷重
疲労き裂
列車荷重
疲労き裂 巻立て
コンクリート
橋台
列車荷重を巻立てコンクリートでも負担
巻立て コンクリート
橋台 広い面積で 橋台に荷重を伝達 き裂の開口
変位を抑制
下フランジ落ち 込みを抑制
端補剛材下端の隙
沓座損傷
キーワード 鋼桁，疲労き裂，Iビーム，コンクリート巻立て
連絡先 〒182-0036 東京都調布市飛田給2-19-1 鹿島建設(株)技術研究所土木構造グループ TEL042-485-1111 図－3 巻立て構造の概要
鋼桁
橋台 鉛直鉄筋
スタッド 高力ボルト 当板
疲労き裂
主桁内側 主桁外側
沓座損傷 スタッド 沓座損傷
高力ボルト 主桁 疲労き裂 巻立てコンクリート
フックボルト
土木学会第71回年次学術講演会(平成28年9月)
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試験は，支点部損傷の有無，および疲労き裂の有無をパラメ ータとした．模擬した支点部損傷の概要を図－5 に示す．疲 労き裂は下フランジ首部を 400mm 程度切断することで模擬 し，その先端にφ10mmのストップホール（以下，SH）を設 けた．支点近傍の状態が及ぼす影響を検証した後，コンクリ ートを巻き立てて再び載荷した．載荷は，EA-17荷重を想定 し，桁端に170kNを載荷した．計測は支点部近傍の状態によ り点数が異なるが，変位約40点，ひずみ約50点とした．
４．実験結果と考察
支点部損傷に加え疲労き裂の発生した状態（③）において 桁端上を70kN で載荷したときの桁内外のSH 前縁応力およ び下フランジ鉛直変位を図－6 に示す．これより，片側の下 フランジが落ち込むことで，桁内側では引張応力，桁外側で は圧縮応力となる高い面外曲げが生じていることが分かる．
桁端上を載荷したときの各状態における主桁外側腹板の 最小主応力を図－7 に示す．疲労き裂を有する③，④は SH 前縁部，①は発生応力の大きかった端補剛材付近の計測値を 示している．工法適用前は70kNの載荷で-182.0N/mm2であっ たが，適用後の発生応力は-1.6N/mm2 まで低下した．また，
適用後において170kN まで載荷しても発生応力は-4.0N/mm2 であり，健全時の発生応力よりも低い値となることが確認で きた．以上より，コンクリート巻立て工法は，高い応力低減 効果を有していることを確認した．
５．まとめ
Iビーム橋梁に発生した疲労き裂の対策として「コンクリート巻立て工法」を適用した実物大試験体により，
静的載荷試験を実施した．その結果，疲労き裂先端におけるSH前縁の発生応力は健全時よりも低い値まで低 減することが可能であり，本工法が疲労き裂の対策工法として有効であることを確認した．
参考文献
1) 小林裕介，福本守，山下健二：既設鋼 I ビーム支点部疲労き裂の原因究明とコンクリート巻き立て工法，
鉄道総研報告，Vol.29，No.10，2015.10
図－7 主桁外側最小主応力 表－1 検討ケース
図－5 模擬した支点部損傷の概要
端補剛材下端の隙
5mm 桁外側 桁内側
10mm 沓座損傷
295mm
疲労き裂導入位置 き裂長：約400mm 先端にφ10mmのSH 沓座
損傷
端補剛 材の隙
① 健全 ― ― ― ―
② 支点部損傷 あり あり ― ―
③ 疲労き裂
発生後 あり あり あり ―
④ 対策後 あり あり あり 実施 支点近傍の
状態
支点部損傷
疲労 き裂 対策
図－6 SH 前縁応力および下フランジ鉛直変位 135MPa ‐182MPa
桁内側 桁外側
0.11mm
1.28mm
‐200
‐180
‐160
‐40
‐20
0
状態[対策]
疲労き裂 支点部損傷
③疲労き 裂発生後(未対策)
(ｺﾝｸﾘｰﾄ巻立て)④対策後 ①健全
あり なし
あり なし
[70kN載荷] [170kN載荷]
主桁外側最小主応力(N/mm2)
低減 図－4 試験体概要
主桁（I形鋼）
600×190×13×25 まくらぎ2,400×200×200
レール（50kgN）
橋台 支間長：4,150mm
unit:mm A’
A
A-A’断面 載荷位置
600
対策実施前 対策実施後
コンクリート 巻き立て
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