主桁・横桁取合部（ウェブギャップ）の疲労損傷に対する補強検討
首都高速道路㈱ 正会員 ○平野 秀一 首都高速道路㈱ 正会員 中村 充 (財)首都高速道路技術センター 正会員 仲野 孝洋
１．はじめに
主桁と横桁上フランジとの隙間にある補強リブ（以下，ギャップ板）の損傷原因については，これまでFEM 解析や荷重車計測など様々な検討が実施されている．ギャップ板の上側溶接部の損傷は，床版のたわみ変形，
下側溶接部は主桁間のたわみ変形差で生じる大きな局部応力が要因であることが明らかとなっている１）． これらの補修方法として，増厚取替えや補修溶接後にTIG処理を実施するなどの方法がとられてきた．しか し，ギャップ板はRC床版と近接しているため施工が狭隘部となり，溶接品質の確保が課題とされている．ま た，溶接補修後にき裂の再発が確認されており，新たなギャップ板の補修方法が求められている．
本稿では，重要部位である主桁ウェブと上フランジの溶接部（以下，主桁首溶接部）に着目したギャップ 板の補強方法を提案し，その補強効果を検証したFEM解析結果について報告する．
２．補強検討
（１）補強方法
首都高速道路における鋼I桁の疲労損傷のうち，ギャッ プ板溶接部のき裂損傷は多く，主桁などの一次部材にき裂 が進展したり，ギャップ板損傷により主桁の首溶接部に二 次損傷を与える可能性も考えられる．
既往の研究により，床版補強の縦桁増設はギャップ板に 発生する局部応力を低減する効果が確認されており，今回 縦桁増設と同等の効果が期待できる補強方法を提案する．
今回提案する補強概要を図1に示す．この補強方法は，
RC 床 版 を 横 桁 上 フ ラ ン ジ 上 に 設 置 し た 受 台 （ 以 下 ， 馬 材）にて支持する方法であり，縦桁増設に比べ施工性に優 れた構造である．既設横桁上フランジとはボルト接合，
RC床版とは従来の縦桁増設と同様に，エポキシ樹脂にて 接着する構造としている．
この補強方法の効果を確認するため，従来の縦桁補強と 比較検討を実施した．
（２）FEM解析
①解析モデル
解析モデルは，図2に示すように実橋梁の全体を再現し た．床版，主桁，横桁，ギャップ板周りをシェル要素，横 構，対傾構は梁要素とした．対象橋梁には，主桁間隔が広
く床版のたわみ変形と主桁間のたわみ変形差が生じやすい橋梁を選定した．縦桁および馬材補強を考慮した 解析モデルをそれぞれ図3，図4に示す．なお,実橋において縦桁補強が実施されている径間では，ギャップ板 の損傷が少ないため，今回縦桁補強と馬材補強を併用した解析は実施していない．
キーワード 疲労き裂，ウェブギャップ板，FEM 解析
連絡先 〒100‑8930 東京都千代田区霞ヶ関１‑４‑１ 首都高速道路株式会社 ＴＥＬ03‑3539‑9546
図 2 全体モデル
分配横桁
G1 G2 G3 G4 G5 分配横桁
G1 G2 G3 G4 G5
図 3 縦桁補強モデル
縦桁補強 検討対象
縦桁補強 縦桁補強
縦桁補強
G1 G2
G3 G4
G5
1167 1166 1167 1167 1166 1167
縦桁補強 検討対象
縦桁補強 縦桁補強
縦桁補強
G1 G2
G3 G4
G5
1167 1166 1167 1167 1166 1167
図 4 馬材補強モデル
850 1800 850 850 1800 850
検討対象
馬材補強 馬材補強
G1 G2
G3 G4
G5
850 1800 850 850 1800 850
検討対象
馬材補強 馬材補強
G1 G2
G3 G4
G5
図 1 馬材補強構造概要
横桁上フランジ 横桁ウェブ アングル材
補強馬材 床版 橋軸方向
土木学会第64回年次学術講演会(平成21年9月)
‑283‑
Ⅰ‑142
②主桁首溶接部の評価
ギャップ板付近の主桁首溶接部は，ホットスポット応力 にて評価を行なった．主桁首溶接部の解析モデルを図5に 示 す ． ホ ッ ト ス ポ ッ ト 応 力 の 算 出 は ， 国 際 溶 接 学 会
（IIW）のタイプAに従い外挿点を0.4t，1.0tとした．
③解析モデルの検証
事前に25t荷重車による応力計測を実施し，前輪10ｔ後 輪15ｔの25t荷重車モデルを用いて解析の妥当性の検証を 行っている．
④載荷条件
載荷条件は，実車両の走行位置を考慮して各車線に25t 荷重車を載荷させた．今回着目したG2桁のギャップ板に最 大応力が発生する載荷位置を図6に示す．
（３）FEM解析結果
主桁首溶接部の応力範囲（全載荷位置の中で着目部 G2桁での最大値と最小値の差）を図7に示す．ギャッ プ板の上端溶接部を，健全時，片側破断（G1側），両 側破断として解析を実施した．各ケースの変形挙動を 図8に示す．健全時では，縦桁補強で7割程度，馬材補強で 5割程度まで低減することが確認できた．馬材補強の方が 縦桁補強よりギャップ板に近い位置で床版を支持している ので，床版変形に伴う局部的なギャップ板の変形が抑制さ れ，補強効果が高くなったと考えられる．また，片側破断 時では，縦桁補強では健全時の応力範囲まで回復しないが，
馬材補強では健全時の応力範囲まで回復が確認できた．し かし．両側破断では，主桁首溶接部の水平方向の拘束がな くなり主桁首溶接部に大きな変形が生じたため，馬材補強 でも効果が得られなかったと推定される．
４．まとめ
今回提案した横桁上の馬材補強方法は，主桁首溶接部に 対し，有効であることがFEM解析により確認できた．ただ し,ギャップ板の上側溶接部の両側破断では，十分な効果 が得られなかった．
今後は，実橋において馬材補強の試験施工を実施し，そ の効果を確認する予定である．
参考文献
1)日本道路協会: 鋼橋の疲労, 平成9年5月
橋軸方向
主桁上フランジ
ウェブギャップ板
主桁ウェブ ウェブギャップ板 スカラップ 拡大表示位置
150 150
ホットスポット応力算出範囲
首溶接
a)首溶接全体図 橋軸方向
主桁上フランジ
ウェブギャップ板
主桁ウェブ ウェブギャップ板 スカラップ 拡大表示位置
150 150
ホットスポット応力算出範囲
首溶接
a)首溶接全体図 主桁上フランジ 主桁上フランジ板厚 首溶接ビード
ウェブギャップ板
ウェブギャップ板板厚
ウェブギャップ板溶接ビード 止端 3.6mm(0.4T)
9.0mm(1.0T)
b)首溶接詳細図とホットスポット算出外挿点位置
ホットスポット応力 算出の外挿点位置 主桁上フランジ 主桁上フランジ板厚 首溶接ビード
ウェブギャップ板
ウェブギャップ板板厚
ウェブギャップ板溶接ビード 止端 3.6mm(0.4T)
9.0mm(1.0T)
b)首溶接詳細図とホットスポット算出外挿点位置
ホットスポット応力 算出の外挿点位置
(mm) (mm)
図 5 主桁首溶接部の解析モデル
主桁首溶接部（G3側）
0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0
健全時 ギャップG1破断 ギャップ両側破断 補強なし
縦桁補強 馬材補強 主桁首溶接部（G1側）
0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0
健全時 ギャップG1破断 ギャップ両側破断
補強なし 縦桁補強 馬材補強 MPa MPa
図 7 G2 桁主桁首溶接部の応力範囲
中央分離帯
X Y
Z 壁高欄
3500 3500
3500 3500
前輪:0.490(N/mm2) 後輪:0.735(N/mm2)
X Y
Z
G2 G1
G3 G4
G5
250 250
500 1250 500 1500
壁高欄 荷重載荷位置
<上り線,追越車線>
図 6 載荷位置
図 9 上ウェブギャップ板の変形挙動
馬材補強あり，G1,3両側ギャップ切断 馬補強あり，G1側上端ギャップ切断
上り追越載荷
G1 G2 G3 G4 G5
補強なし，健全
縦桁補強あり，G1側上端ギャップ切断
馬材補強あり，G1,3両側ギャップ切断 馬補強あり，G1側上端ギャップ切断
上り追越載荷
G1 G2 G3 G4 G5
補強なし，健全
縦桁補強あり，G1側上端ギャップ切断
図 8 土木学会第64回年次学術講演会(平成21年9月)
