図3-1試験概要図
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(2) （２）試験方法 載荷方法は，両端部を支点とする単純桁として２点載荷した．繰り返し載荷荷重は， 1 H z の 正 弦 波 を 片 振 状 態 で 作 用 さ せ た ．疲 労 試 験 開 始 後 は ，以 下 に 示 す 頻 度 で 静 的 載 荷 試 験 を 実 施 し ，エ レ メ ン ト に 発 生 す る ひ ず み 等 を 計 測 し た ．試 験 概 要 図 を 図 ‑ 2 . 7 に 示 す ．. ロードセル （500ｋN）. 載荷梁 試験体. 図 − 2.7. 試験概要図. 静 的 載 荷 試 験 条 件 ： 10kN 間 隔 で 載 荷 を 行 い ， そ の 時 の ひ ず み 等 を 計 測 し た ． 静 的 載 荷 試 験 頻 度 ： 10 0 ， 5 0 0 ， 1 ,0 0 0， 5 ,0 0 0 ， 1 0 ,0 0 0 回 以 降 50 ,0 0 0 回 毎 に 実 施 ． 繰 り 返 し 数 1 0 万 回 以 降 は 1 0 0 ,0 0 0 回 間 隔 で 計 測 し た ．. （３）試験体の破壊形態 繰 り 返 し 載 荷 に 伴 う ，中 埋 め コ ン ク リ ー ト の ク ラ ッ ク 発 生 状 況 ，そ し て 破 壊 に 至 る ま での挙動について観察した． 繰 り 返 し 載 荷 荷 重 は ， 荷 重 振 幅 （ 10〜 263kN） と し て 片 振 状 態 で 加 振 し た ． コ ン ク リ ー ト の ク ラ ッ ク は ， 静 的 載 荷 試 験 時 に 荷 重 載 荷 位 置 下 部 の JES 継 手 部 に 発 生 し た ． そ の後，繰り返し載荷を行なったが，クラックの進展は見られなかった． 荷 重 繰 り 返 し 数 1 ,5 00 ,0 0 0 回 で 破 断 せ ず ，荷 重 振 幅 を（ 1 0 〜 2 96k N ）に し て 1 ,7 0 0 ,0 0 0 回 ま で ， 荷 重 振 幅 を （ 1 0 〜 3 3 8 kN ） に し て 1 ,9 0 0 ,0 0 0 回 ま で 繰 り 返 し ， さ ら に 荷 重 振 幅 を（ 1 0 〜 3 8 0 kN ）に し た と こ ろ 繰 り 返 し 数 1 ,9 5 8 ,4 2 3 回 で 載 荷 点 外 側 の エ レ メ ン ト の 下 側 フ ラ ン ジ で 鉛 直 方 向 鋼 板（ 以 下 ，せ ん 断 補 強 鋼 板 と 呼 ぶ ）が 溶 接 さ れ て い る 箇 所 の 溶 接 止 端 部 よ り 引 張 鋼 板 に 亀 裂 が 発 生 し 破 断 し た ．破 断 後 の 試 験 体 ク ラ ッ ク 発 生 状 況 の 概 要 を 図 ‑2.8 に 示 す ．. 30.
(3) 図 中 の 最 初 の 数 字 は ク ラ ッ ク の 長 さ （ cm） を 示 す ． 次 に ： で 続 く も の は ， 静 的 載 荷 時 に ク ラ ッ ク が 発 生 し た も の で ， 載 荷 荷 重 （ ｋ N） を 示 す ． Ｎ＝で続くものは，繰り返し載荷時にクラックが発生したもので，繰り返し回数を示 す ． ｋ は ， 1000 回 を 示 し て い る ．. 10:253kN. 5N=160K. 10:150kN. 破断位置. 図 ‑2.8. 破断後のクラック発生状況. ・試 験 体 の 中 詰 め コ ン ク リ ー ト に は ，曲 げ ひ び 割 れ や ，せ ん 断 ひ び 割 れ は 見 ら れ ず ，破 断 箇 所 は ，エ レ メ ン ト 下 面 の 引 張 側 鋼 板 の せ ん 断 補 強 鋼 板 の 溶 接 止 端 部 位 置 で 破 断 し た．. （４）鋼製エレメントの発生ひずみ 試験体の破断箇所は，エレメント下面の引張側鋼板のせん断補強鋼板の溶接止端部位 置 が 破 断 し て い る ．こ れ よ り ，鋼 製 エ レ メ ン ト の ひ ず み の 着 目 箇 所 を ，引 張 側 鋼 板 の せ ん断補強鋼板の溶接止端部として発生するひずみを測定した． エレメントに発生するひずみは，純引張のひずみと板曲げによる曲げひずみが含まれ て い る ．そ こ で ，曲 げ に よ る 影 響 を 考 慮 す る た め ，鉄 道 構 造 物 等 設 計 標 準・同 解 説（ 鋼 ・ 合 成 構 造 物 ）1 ） の 中 で 示 さ れ て い る 以 下 の 方 法 で 発 生 す る 曲 げ ひ ず み を 引 張 ひ ず み に 換 算した． ひずみの換算は，鋼板上面と鋼板下面のひずみを比較し，鋼板の上下面へ均等に作用 しているひずみを引張りひずみ⊿σm とし，鋼板上面と鋼板下面のひずみの差を曲げひ ず み ⊿ σ b と し て ，（ １ ）式 で 換 算 し た も の を 鋼 製 エ レ メ ン ト に 発 生 す る 引 張 ひ ず み ⊿ σ とした． ⊿ σ =⊿ σ m ＋ （ 4 /5 ）・ ⊿ σ b. （１）. 31.
(4) 以 後 ， 計 測 値 か ら 求 め る ひ ず み の 値 は ，（ １ ） 式 で 換 算 し た も の を 示 す ．（ 以 後 ，（ １ ） 式 で 補 正 し た ひ ず み を 疲 労 照 査 用 換 算 引 張 ひ ず み （ ＝ 実 験 値 ） と い う ．）. 引 張 側 の 鋼 板 の ひ ず み 分 布 を 図 − 2.9 に 示 す ． こ こ で ， 縦 軸 に 最 大 荷 重 時 の 引 張 側 の 鋼 板 に 発 生 す る 疲 労 照 査 用 換 算 引 張 ひ ず み の 分 布（ 各 繰 り 返 し 回 数 毎 の 実 験 値 ）と ，単 鉄 筋 は り と し て 計 算 し た ひ ず み ，お よ び ，単 鉄 筋 は り と し て 計 算 し た ひ ず み を せ ん 断 補 強 鋼 板 部 で ス ラ イ ド さ せ た も の を 実 線 で 示 し て い る ．一 番 上 の 線 は ，梁 に 作 用 す る せ ん 断 力 を 引 張 側 の 鋼 板 の 厚 さ と せ ん 断 補 強 鋼 板 の 幅 を 掛 け 合 わ せ た も の で 割 っ た 値（ ひ ず み 換 算 ）と 単 鉄 筋 は り の 計 算 ひ ず み を せ ん 断 補 強 鋼 板 部 で ス ラ イ ド さ せ た も の に 足 し 合 わせたものを示している． 図 の 横 軸 は ， は り の 軸 方 向 を 示 し ， は り 中 央 を 0 ｍ と し て ， ± 3 .0 5 ｍ の 位 置 が 支 点 位 置を示している．. 1000. N=500 N=10000 N=200000 N=500000 N=1000000 N=1500000 N=1900000 単鉄筋はりひずみスライド 単鉄筋はりひずみ計算値 スライド+せん断. ひずみ（μ）. 800. 600. 400. 200. 0 -3.5. -2.5. -1.5. 図 ‑2.9. -0.5 0.5 1.5 梁中央部を0mとした梁軸方向の長さ(m). 2.5. 3.5. 引張側鋼板のひずみ分布. 実 験 結 果 よ り ，試 験 体 の 引 張 側 の 鋼 板 に 発 生 し た 疲 労 照 査 用 換 算 引 張 ひ ず み の 分 布 は ， せ ん 断 補 強 鋼 板 の 取 付 け 付 近 で 曲 げ が 大 き く 発 生 し ， せ ん 断 補 強 鋼 板 間 の 中 間 部 は ，ほ. 32.
(5) ぼ純引張状態となっていた．せん断補強鋼板が負担するせん断力に相関した引張力が， せ ん 断 補 強 鋼 板 の 取 付 け 部 で 引 張 側 鋼 板 に 面 外 方 向 か ら 働 き ，引 張 側 鋼 板 に 曲 げ を 発 生 さ せ て い る と 考 え ら れ る ．ま た ，発 生 し た 疲 労 照 査 用 換 算 引 張 ひ ず み は ，繰 り 返 し の 影 響は少なく，一定値のままであった． 引張側の鋼板に発生した疲労照査用換算引張ひずみ（＝実験値）は，今回の実験範囲 で は 単 鉄 筋 は り と し て 計 算 し た ひ ず み よ り 全 体 的 に 小 さ な 値 を 示 し て い た ． し か し ，せ ん断補強鋼板付近の疲労照査用換算引張ひずみの分布形状は単鉄筋はりとして計算し た ひ ず み を 上 回 っ て い た ．そ こ で ，せ ん 断 補 強 鋼 板 間 で は 引 張 側 鋼 板 の 引 張 応 力 は 一 定 と 仮 定 し て ，単 鉄 筋 は り と し て 計 算 し た ひ ず み を せ ん 断 補 強 鋼 板 部 間 で 一 様 に 分 布 さ せ る と ，ほ ぼ 疲 労 照 査 用 換 算 引 張 ひ ず み を 包 絡 で き た ．し か し ，こ の 考 え 方 で は ，せ ん 断 補 強 鋼 板 に よ る 引 張 側 鋼 板 の 曲 げ が 考 慮 さ れ て い な い の で ，設 計 上 で は ， 以 下 の 考 え 方 により曲げも考慮することとした．. はり内に作用するせん断力は作用力に対して一定だとすると，引張側鋼板に作用する 力 は ，せ ん 断 補 強 鋼 板 の 取 付 け 長 さ L に 反 比 例 す る と 推 定 さ れ る ．ま た ，曲 げ に よ り 発 生 す る ひ ず み は ，引 張 側 鋼 板 の 剛 性 に 影 響 さ れ ，板 厚 が 大 き く な れ ば ひ ず み は 小 さ く な り ， 板 厚 tw に 反 比 例 す る と 考 え ら れ る ． 図 − 2 . 1 0 に せ ん 断 力 の 作 用 断 面 を 示 す ．. せん断補強鋼板 厚さ ｔｆ. ｔw L. 図 ‑2.10. せん断力の作用断面 （試験体の断面）. さ ら に ，引 張 側 鋼 板 と せ ん 断 補 強 鋼 板 の 取 り 付 け 部 は ，中 詰 め コ ン ク リ ー ト に よ り 拘 束 さ れ て い る た め ，せ ん 断 補 強 鋼 板 か ら 作 用 す る 力 は ， 引 張 側 鋼 板 を せ ん 断 す る 方 向 に 作用していると考えられる．よって，せん断力より発生する引張ひずみは，せん断力 S を L × tw で 割 っ た 値 （ Ｓ ／ （ L × tw）） に 相 関 す る と 考 え た ． こ こ で ， せ ん 断 補 強 鋼 板 に作用するせん断力は，３．せん断特性の考え方によっている． そ こ で ，疲 労 照 査 用 換 算 引 張 ひ ず み か ら 推 定 さ れ る せ ん 断 力 に よ り 発 生 す る 引 張 ひ ず みτ１と，せん断力を上記の考え方により計算で求めた引張ひずみτ２の比例定数（以 後 ， 比 率 α と い う ．） を 検 証 し た ．. 33.
(6) こ こ で ，疲 労 照 査 用 換 算 引 張 ひ ず み か ら 推 定 さ れ る せ ん 断 力 に よ り 発 生 す る 引 張 ひ ず み τ １ は ，次 の よ う に 仮 定 し て 算 出 し た ．せ ん 断 補 強 鋼 板 間 の 引 張 側 鋼 板 の 中 間 部 に は ， 断 面 力 と し て 作 用 す る 曲 げ モ ー メ ン ト に よ る 引 張 ひ ず み だ け が 発 生 し て お り ，そ の 引 張 ひずみとせん断補強鋼板の取付け部に発生する引張ひずみのとの差がせん断力により 発生する引張ひずみτ１とした． 表 ‑2.2 に せ ん 断 力 に よ る 引 張 ひ ず み の 比 較 表 を 示 す ． 表 ‑2.2 に 示 す 疲 労 照 査 用 換 算 引 張 ひ ず み か ら 算 出 し た 引 張 ひ ず み τ 1 は ，算 出 し た ひ ず み の 中 で 最 大 値 を 示 し て い る ． ま た ，上 記 の 仮 定 に よ る 計 算 か ら 求 め た せ ん 断 力 に よ る 引 張 ひ ず み は τ 2 は ，試 験 は 1 5 0 万 回 以 降 荷 重 振 幅 を 変 え て い る た め ， 150 万 回 時 の 値 を 示 し て い る ． 表 ‑2.2 よ り ， 今 回 の 実 験 の 範 囲 で は ， 比 率 α は 90％ 程 度 で あ る こ と が 確 認 で き た ．. 表 ‑2.2. 試験体. せん断力によるひずみの比較表. 疲労照査用換算引張ひ ずみから算出したせん 断ひずみτ1（μ）. 計算上のせん断による ひずみτ2（μ）. 比率 α τ1/τ2. 130. 140. 0.93. 実験により，鋼製エレメントに発生するひずみについては以下が確認できた． ・引張側鋼板には，断面力として作用する曲げモーメントによる引張ひずみと，せん 断 補 強 鋼 板 の 溶 接 止 端 部 に せ ん 断 力 に よ る 曲 げ ひ ず み が 発 生 し て い た ．設 計 上 で 考 慮 す る 引 張 側 鋼 板 に 発 生 す る ひ ず み は ，そ の 両 方 の ひ ず み の 影 響 を 考 慮 し な け れ ば な ら ない． ・鋼製エレメントと中詰めコンクリート間にせん断伝達機構がないため，曲げモーメ ン ト（ ＝ 断 面 力 ）か ら 単 鉄 筋 は り と し て 計 算 し た 引 張 側 鋼 板 の 引 張 ひ ず み が せ ん 断 補 強 鋼 板 間 は 一 様 に 分 布 す る も の と 考 え る と ，今 回 の 実 験 範 囲 で は ，ほ ぼ 計 算 値 が 実 験 値（＝疲労照査用換算引張ひずみ）を包絡できた． ・せん断補強鋼板の溶接止端部に発生するせん断力による曲げひずみは，引張側鋼板 の 厚 さ tw と ， せ ん 断 補 強 鋼 板 の 取 り 付 け 長 さ L と の 積 （ tw・ Ｌ ） で ， せ ん 断 力 （ Ｓ ） を 割 っ た も の （ Ｓ ／ tw・ Ｌ ） に 比 例 す る と 考 え ら れ る ． 今 回 の 実 験 範 囲 で は ， こ の 時 の 疲 労 照 査 用 換 算 引 張 ひ ず み か ら 求 め た せ ん 断 力 に よ る 引 張 ひ ず み（ =実 験 値 ）と 計 算 値 と の 比 率 α は 9 0 ％ 程 度 で あ っ た ．エ レ メ ン ト 形 状 が 標 準 化 さ れ て い る こ と を 考 え る と，設計上はα＝1 で考えれば安全に算定できると思われる．. 34.
(7) （５）中詰めコンクリートの発生ひずみ 中詰めコンクリートは，鋼製エレメントの中に打設されただけであり，鋼製エレメン ト と の 間 に せ ん 断 伝 達 機 構 は 設 け て い な い ．そ こ で ，応 力 伝 播 経 路 を コ ン ク リ ー ト ひ ず みによって確認した． 図 ‑2.11 に ゲ ー ジ 取 付 け 位 置 と ひ ず み 分 布 を 示 す ． 図 の 矢 印 の 方 向 は 圧 縮 方 向 を 示 し ている． ひ ず み は ゲ ー ジ 番 号 1 ， 4， ７ ， と 8， 1 2， 1 6 で ， 右 下 の せ ん 断 補 強 鋼 板 の 隅 角 部 に 向 か う 方 向 に 圧 縮 力 が 働 い て い た ． ひ ず み ゲ ー ジ 番 号 20 で は ， 鉛 直 方 向 に 圧 縮 力 が 働 い て い た ． 以 上 よ り ，中 詰 め コ ン ク リ ー ト に は 載 荷 位 置 か ら 支 点 に 向 か う 方 向 で 圧 縮 さ れ て い た ．ま た ，繰 り 返 し 荷 重 載 荷 に 対 し ，中 詰 め コ ン ク リ ー ト ひ ず み の 変 動 は 少 な か っ た． J E S 工 法 で 構 築 さ れ た 部 材 は ，中 詰 め コ ン ク リ ー ト と 鋼 製 エ レ メ ン ト に せ ん 断 伝 達 構 造 を 有 し な い た め ，中 詰 め コ ン ク リ ー ト と 鋼 製 エ レ メ ン ト の 応 力 伝 達 は ， 鋼 製 エ レ メ ン ト の 鋼 板 の 直 角 方 向 の 圧 力 に よ る と 考 え ら れ る ．そ し て ，中 詰 め コ ン ク リ ー ト ひ ず み ゲ ージにより載荷荷重が中詰めコンクリートを介して伝達されることが確認できた．. 2μ. 3. 4. 8. 6. 88. 12. 9. 11. 98μ. 10. 13. μ. 15. 6μ. 57 μ. 16. 17. 19. 137μ. 18. 20. 259μ. 14 4μ. 46μ. 14. 10 4μ. 6μ. 7. 図 ‑2.11. μ. 11. 70μ. 10. 10 0. 36 μ. 5. μ 88. μ 83. 2. μ 90. 14 9μ. 36. 1. 中詰めコンクリートのひずみ分布. （６）ＪＥＳ工法で構築された部材の疲労耐力 今回の試験で破断箇所は，せん断補強鋼板の溶接止端部であった．溶接部の形状は， 「 荷 重 非 伝 達 型 十 字 溶 接 継 手 」 と な っ て い る ．「 荷 重 非 伝 達 型 十 字 溶 接 継 手 」 の 疲 労 耐 力 は ， 一 定 振 幅 応 力 時 は 強 度 等 級 Ｅ 1） ,2） と な っ て い る ． そ こ で ， 破 断 し た 箇 所 の 応 力 振幅と繰り返し回数が，強度等級Ｅとどの様な関係にあるかを比較した． 図 ‑ 2 . 1 2 に「 荷 重 非 伝 達 型 十 字 溶 接 継 手 」の 概 略 図 と ，表 ‑ 2 . 3 に 破 断 箇 所 の 繰 り 返 し 回数と応力振幅を示す．. 35.
(8) 表 ‑ 2 . 3 に 示 す 応 力 振 幅（ σ ）は ，曲 げ モ ー メ ン ト（ ＝ 断 面 力 ）に よ る 応 力（ σ Ｍ ）と ， せん断補強鋼板のせん断力によって生じる曲げに伴う応力（σＳ）その両方の応力を足 し合わせた（σ＝σＭ＋σＳ）で計算している． 破断位置での曲げモーメントによる応力（σＭ）は，鋼製エレメントと中詰めコンク リ ー ト 間 に せ ん 断 伝 達 機 構 が な い た め ，引 張 鋼 板 を 単 鉄 筋 は り と し て 計 算 し た ひ ず み を ， せ ん 断 補 強 鋼 板 間 で 一 様 分 布 す る と し て 算 出 し て い る ．ま た ，せ ん 断 力 に よ る 応 力（ σ Ｓ. ） は ， せ ん 断 力 （ Ｓ ） を ， 引 張 側 の 鋼 板 の 厚 さ tw と ， せ ん 断 補 強 鋼 板 の 取 り 付 け 長 さ. L と の 積 （ tw・ Ｌ ） で 割 っ た も の を. α ・（ Ｓ ／ tw・ Ｌ ） と し て 計 算 し て い る ． こ こ で. は，α＝1 として計算している． 載 荷 荷 重 を 途 中 で 変 更 し て 試 験 を 行 っ た た め ，繰 り 返 し 回 数 は マ イ ナ ー 則 に 従 い 等 価 繰り返し回数を計算した．. 図 ‑2.12. 表 ‑2.3. 試験体. 荷重非伝達型十字溶接継手の概要図. 破断箇所の繰り返し回数と応力振幅. 繰り返し回数 Ｎ回. 応力振幅 （Ｎ/mm2）. 2,488,844. 140. 36. 備 考.
(9) 破 断 し た 箇 所 の 応 力 振 幅 と 繰 り 返 し 回 数 を ， 図 ‑2.13 に 示 す ． 図 ‑2.13 は ， 繰 り 返 し 回 数 N を 横 軸 に ， 縦 軸 に 応 力 振 幅 を 取 っ た も の で あ る ． 図 中 の 線 は ， J ES 継 手 の 疲 労 耐力線. 3）. と ，疲 労 耐 力 線（ 強 度 等 級 Ｅ ）を 示 す ．試 験 結 果 は ，強 度 等 級 Ｅ を 上 回 る 結 果. となった．. 1000. 応力振幅 (N/mm2). JES継手. 100. 溶接Ｅ等級. ○ ：既往実験 ：今回実験 10 1.E+04. 1.E+05. 図 ‑2.13. 1.E+06 繰り返し回数 （N). 1.E+07. 1.E+08. 破断箇所の応力振幅と繰り返し回数. （７）まとめ 今回の試験条件の範囲内で以下のことが確認できた．. ａ ） 引 張 側 鋼 板 が 疲 労 破 壊 す る 位 置 は ，せ ん 断 補 強 鋼 板 の 取 付 け 部 で あ る 溶 接 止 端 部 で 発生する． ｂ）引張側鋼板には，曲げモーメント（＝断面力）による応力（σＭ）と，せん断補強 鋼板によるせん断力によって生じる曲げ応力（σＳ）が発生する．引張側鋼板に発 生する応力は，その両方の応力を足し合わせた（σ＝σＭ＋σＳ）で計算できる．. 37.
(10) 曲 げ モ ー メ ン ト に よ る 応 力（ σ Ｍ ）は ，鋼 製 エ レ メ ン ト と 中 詰 め コ ン ク リ ー ト 間 に せ ん 断 伝 達 機 構 が な い た め ，引 張 鋼 板 を 単 鉄 筋 は り と し て 計 算 し た ひ ず み を ，せ ん断補強鋼板間で一様に分布するとして算定できる． せ ん 断 補 強 鋼 板 に よ る せ ん 断 力 に よ っ て 生 じ る 曲 げ 応 力（ σ Ｓ ）は ，せ ん 断 力（ Ｓ ） を ， 引 張 側 鋼 板 の 厚 さ tw と ， せ ん 断 補 強 鋼 板 の 取 り 付 け 長 さ L と の 積 （ tw・ Ｌ ） で ， 割 っ た も の α ・（ Ｓ ／ tw・ Ｌ ） で 計 算 で き る ． ｃ）設計上では，疲労耐力を強度等級Ｅ相当として評価できる．. 38.
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