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断続合成桁の疲労性状について: University of the Ryukyus Repository

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Title

断続合成桁の疲労性状について

Author(s)

浜田, 純夫; 有住, 康則; 名護, 健一

Citation

琉球大学工学部紀要(21): 31-39

Issue Date

1981-03

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12000/14689

Rights

(2)

Fatigue Behavior of Partial Composite

Beams

Sumio

HAMADA,

Yasunori

ARIZUMI

and Kenichi N AGO

Summary

Partial composite beams have been practiced in the United States and Canada,

but the partial composite beams with partly complete interaction in the negative

bending region are not included in the highway bridge specifications. However,

from theoretical analysis, the stiffness of partial composite beams with partly

complete interaction is greater than that of partial composite beams without shear

connec~ors

in the negative bending region and reinforcement strains do not

significantly increase comparing with the increase of the bending stiffness.

Three composite beams are tested in order to provide additional information

on the bending behavior of the partial composite beams. The test beams varied in

terms of shear connector spacing. Special attentions are paid to the bending

stiffness, efficiency of reinforcing bars, crack pattern, maximum crack width,

residual crack width, slip and deflection.

High

cycle loading is applied on the basis

of the design load.

The following conclusions can be drawn from the present study; (1)

Relation-ships between load and deflection become close to the theoretical ones gradually

as increase of the number of loads. (2) The reinforcement in the concrete slab is

effective to bending, however the residual reinforcement stresses

increase as

increase of the number of loads. (3) The residual crack width and maximum crack

width at the design load do not increase due to increase of the number of crack.

(4) The relationship between maximum crack width and reinforcement stress is

approximately linear. (5) Little difference of ultimate strength arises among three

composite beams.

Key

Words : Partial Composite Beam, Fatigue Test, Bending Stiffness, Crack

Width, Stress in Reinforcing Bars.

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(3)

32 断続合成桁の疲労`性状について:浜田・有住・名護 では鉄筋を応力計算に含めないが,存在するので,ジ ベルを反曲点附近に入れることになっている。 2) 部分断続合成桁'こ関しては別の報告書にも紹介した が,ジベル区間を適当に長くしたもの,つまり,負の 曲げモーメント区域全部ではなく, ̄部分にジベルが 配置されていると云う意味で部分断続合成桁と呼ぶの は誤っていないと考えられよう。なお,単に断続合成 桁は部分断続合成桁のジベル区間を最小限にしたもの とみなすことができる。 2) 解析結果によれば,音B分断続合成桁は断続合成桁に 比較して,鉄筋の応力の増分を小さくして,たわみ剛 性をかなり大きくすることができる。ジベル区間長は あまり大きくすると,逆にたわみ剛性の増分により鉄 筋の応力増分がまさることになる。 3) また,断続合成桁の疲労試験結果によれ'ま,次のよ うな結論が得られている。(1)荷重一たわみ関係は繰 返し荷重の増加とともに徐々に理論式に近くなる。 (2)スラブ中の鉄筋は有効に作用するが,繰返し荷重 の増加とともに残留応力が大きくなる。(3)クラック 幅は完全合成桁と断続合成桁の間にあまり差はみられ ない。鉄筋の応力とクラック幅とは比例的である。 (4)繰返し荷重を作用させた後の終局耐力は完全合成 桁と不完全合成桁に差はみられない。 2)3) なお,断続合成桁の静白勺な試験は,著者らの研究以 4)5)6)7)8) 外にも前田・梶川らの研究がある。 1.まえがき 部分断続合成桁という言葉は我国でも余り用いられ ず,外国にもそれに適用できる科学用語はみられない。 1) 例えば,AASHTOでも適当な表現は用いられていなし、。 先の報告書でも述べられたように,AASHTOではプレ ストレスしない連続合成桁の設計方法を2通り適用し ており,その一つの方法として負の曲げを受ける部分 4000 200 3600 200 、④25=375C っllDlO 、1 3A円

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FiglDetansofTestSpecimens

8④225=1800 3④225=l80C 腿20 ③100=400IOOC 4 X] DOO 4,10C 400 .A621 ②300=90C UMI22

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Fig.2ShearConnectorSpacmg

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(4)

琉球大学工学部紀要第21号,1981年 33 Table-1PropertiesofStructural Steel この研究は,過去の研究に基づいて,普通の合成桁, 断続合成桁,部分断続合成桁が負の曲げ繰返し荷重を 受けるときの実験的な研究である。この実験で特に注 目したのは,繰返し荷重が作用した場合の曲げ剛性, スラブ中の鉄筋の有効性,クラックの性状,床版と鋼 桁のずれ量,およびたわみ,応力,クラック幅の残留 等で、ある。荷重は高サイクルで・適用し,設計荷重に基 づいて徐々に増加させた。 2.実験供試体と実験方法 2.1供試体 Fig.1に示す供試体断面寸法を用いた。桁のスパン 3) (よ先の研究で用いたスパンより長くした。これは,ジ ベル配置方法を3種類とするため,それぞれの特性を 出せるようにした。ジベル配置以外は,鋼桁断面,鉄 筋量,スラブ厚,スラブ幅,補剛材の間隔など全て同 一にした。これらの供試体3本を作成し,Fig.2に示 すようにジベルの配置により,、M20(等分布配置M6. 21(端配置),JI6L22(姥C配置)とした。ジベル配置およ 3)5) ぴスパン以外は前の研究報告と同一なものを用し、た。 なお,鉄筋量は8-,16でコンクリート断面積の296 %となる。 鋼材および鉄筋は前報告書と同一のもので,Table -1に降伏応力および引張強度を示す。コンクリート の圧縮強度および弾性係数をTable-2に示す。 Table-2PropertiesofConcrete 63×10 2.2繰返し載荷 負の曲げを作用さすため,供試体をFig.3に示す ようにセットし,支間を3.6mで両端単純支持とした。 荷重速度は3~4Hzで25~50万回に一度疲労荷重載荷 を停止して静的試験を行った。 繰返し荷重の上限は設計荷重に基づいた。これらの

Table-3AppliedMaximumandMimimumLoads(to、)

~18 -16 P。:DesignLoadBasedonSpecificationofHighway

Bridges(Japan)

供試体では圧縮フランジの応力で決まり,設計荷重は 道路橋示方書に基づいた。下限荷量は,道路橋を対象 にしているため上限荷重の50%とした。設計荷重で100 万回,その後50%増を50万回,80%増を25~50万回載荷 した。断続合成桁の応力は参考文献2)に基づいた。ま た,疲労荷重と回数の関係をTable-3に示す。 YIFmD STRESS (k9/c、、) ULTIMATE STRESS (k9/c、,) STFFm BEAM SS41 2940 4250 REINFORCING BARSD16 SD36 3620 5590 YOUNG,S MODULUS (k9/c、') COMPRESSIVE STRENGTH (k9/c、,) 2.63×105 398 REPEATED NUMBER(×104) 0~100 100~150 150~175 P。~0.5P。 1.5P。~0.75P。 1.8P。~0.9P。 20 3.5~1.8 4.8~2.4 6.4~3.2 21 3.0~1.5 4.0~2.0 5.4~2.6 22 3.3~1.6 5.0~2.5 5.9~3.0

(5)

34 断続合成桁 の疲労性状 につ いて :浜 田 ・有性 ・名護 100 0

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2. 3 測定方法 と位 置 測定位置 をFig.3に示す。 たわみは ダイアルゲー ジ (精度iloomm)でスパ ン中央 と支点か ら約30cmの所 で 測定 した。 支点附近 の ものは支点沈下 を算定 す るため に用 いた。 鋼桁 お よび鉄 筋のひずみ は一般 の歪ゲージを用いた。 鋼桁,鉄筋 ともに

り2

点 お よび両 支点か ら

り4

点に貼 り付 け た。鉄 筋の ひずみ ゲー ジは コン ク リー ト打 設前 に貼 り付け た。 防水の ため, ゲー ジ貼 り付け後, ビニ ルテー プ を声 き付 け, プ ラスチ ッ クパ イプで カバー し ショー ポン ド101で コー テ ィング した。ほとんどのゲー ジが測定時には生存 して いた。 鋼桁 とコン ク リー ト床版 の間のずれ量はカンチレバー 型変位計 で測定 した。 この精 度 はiloommであ る. コンクリー ト床版の ひびわれは, コンタク トゲー ジ (ミクロンス トレインゲー ジ)を用 いた。試験前 にあ らか じめ鋼球 を埋 め込 み, 初期 の ひびわれ をか な り正 確 に測定 した。 ひびわれ の位 置は不 明 なため, スパ ン 中央か ら両側 に90cmの位 置 まで測定 できるようにした。 3.実験結果 および考 察 2) 実験値 と比較 の ため理論値 も求 め た。理論値 は文献 に基づ いて得 た もの であ る。 たわみはせ ん断変形 もい く分影響 を及ぼす の で含め た。 3. 1 たわみ性状 測定結果得 られ た各桁 の支間 中央の荷重 -たわみの 関係 をFig.4- 6に示す。また理論たわみ と実測たわ み を比較す るため,(理 論 たわみ -実測たわみ )/理論 た わみ×100(%) と繰返 し数 との関係 をFig.7に示す。 Fig・7の実 測たわみには残留 たわみは含まれていない。 Fig・8に残留 たわみ と回数 の関係 を示す。 12.5 Eu ⊂ _010.0 ヽー ⊂) < 0 7.5 」 5.0 2.5 -I ′ 一 ●-.・.・.- O CYCLES1 - 一一・-.---..500,1,000,000CYCLES000CYCLES /I 一_・.・.・.・._・.・…一.・.._ 1,..1,57500,0,000CYCLES一000CYCLES 1 %,;'.ー

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(6)

琉球大学工学部紀要第21号,1981年 35 15.0 Fig.8に残留たわみと繰返し回数との関係を示す。

示方課〕には弾性たわみの規定は設けられているが,

残留たわみに関しての規定はない。Fig.4~6およ びFig.8からもわかるように残留たわみはかなり大きく 無視できない。今後,ひびわれを生ずる構造物に対し て変形を規定する場合,残留変形も考慮する必要があ ろう。とくに職初のひびわれによる残留変形か大きく, また,設計荷重においては50万回までに生じた残留変形が 大きい。つまり、50万回までに主なひびわれは,ほと 10.0 負B}□く。] 5.0 んど生上ていると考えることができよう。 0u1.02.03.O DEFLECTIONに、) Fig.6Load-DeflectionCurvesforBeam 、ML22 2.0 1.5 40 0 1 官已)ZC』』C四]」巴ロ 30 0 2 巴・く』し四・匹凹凸 10 0.5 0 0.5LOL52.O CYCLES(×106)

7ComparlsonofDeflections

betweenTheoryandTest 0.5LOl5 CYCLES(×106) Fig.8ResidualDeflections Fig 3.2鉄筋の応力度 Fig.4~6およびFig.7からよくわかるように, 実測値はくり返し数とともに理論値に近づく。しかし, 理論値より小さいたわみを示す。つまI),実際のはり の方が剛`性に富むことを示している。これはコンクリ トにひびわれが生ずるにもかかわらず,ひびわれの生 じていない部分にいくらかの剛性に寄与する部分が残 っていることによるものと考えられる。 また,いづれの桁も最初の荷重でひび割れが発生し, 除荷の際,剛性の低下が見られた。 測定から得られた荷重とスパン中央の鉄筋応力の関 係をFig.9~11に示す。また』/4点の鉄筋応力とス パン中央の鉄筋応力の比をFig.12に示す。いづれの 桁もたわみと同様に高い剛性を示し,理論値よりも高 い勾配を示している。この勾配もたわみと同様に繰返 し数とともに理論値に近づく。これらの図からも判明 するように,股初の荷重で生ずるひび割れの影響が大 きく,相当大きい残留応力となる。 -JIa20 ---jML21 J 〃 ’ ’ ' ’

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(7)

断続合成桁の疲労性状について:浜田・有住・名繊 36 7.0 6.0 0⑩、 543 (巨○客)・く○日

宕日)こぐ()』

00-00[ sSS 2.0 1.0 0 5001000l500 STRESS(kg/cmF) Load-StressCurvesforBeam AG22 0500100015002000 STRESS(kR/、f) Fig.9Load-StressCurvesforBeam jMt20

Fig.11

100 10.0 5 7 50 回CくいZ割。崖四」 8.0 0 0 6 4 (ロs)□く。] 25 00.5LO CYCLES(×105) Fig.’2RationofStressm

BarsattheQuater

HaISpan 1.52.0 2.0

Reinforcing

Spantothe 05001000I500 STRESS(k日/c111$)

FiglOLoad-StressCurvesforBeam

J1621 Fig.13に残留応力と繰返し数の関係を示す。部分断

続合成桁のAa22が特に大きい残留応力を有しているが.

この桁はJML20と21の中間的存在であるので特に大きく なる理由は見当らない。いづれにせよ,ひびわれ後の 残留応力は充分設計に考慰されるべきものと考えられ る。また,JIa20は150万回から175万回の間で残留応力 の低下が見られるが,・これは新しいクラックが生した ことにより低減されたものと推察できる。 ′/4点の応力は,理論的には,、Mi20の場合スパン中 央の50%,JIa21,22は100%である。Fig.12は繰返し 回数とともに理論値に近づいている。 00000000 ●●の ■■ ●●■ 87654321

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(8)

琉球大学工学部紀要第21号,1981年 37 Fig.14に設iil・荷重における股大ひび馴れ幅と繰返 し回数の関係を.Fig.15に最大残留ひび剛れ幅と繰 返し回数の関係を示す。 ㈹ 0 0 6 4 (宮U一四二)ぬ⑪四匹』ぬ 6 4 0 0 0 0 (E医〉ェ』・ヨニ崔。く崖。 200 00.51.01.52.02.5 CYCLES(×106) Figl3ResidualStresses 0.02 3.3ひびわれ幅 ひび馴れ幅は一般にコンクリート中の鉄筋の腐食な どに対する問題から制限されている。コンクリート床 版にひび11111れを与える要因として鉄筋比。Ⅱil腿率,鉄 筋直径.鉄筋雄およびずれ止め配置が考えられる。こ の研究では特にずれ」[ぬの配ilfの影響を調べた。 ひび狐れ幅は一般には顕微鏡やコンタクトゲージで 測定される。この研究ではFig.3に示されるldfiPHでコン タクトゲージを川いてill1l定した。コンタクトゲージは 精度が1116〈,i1lリ定が早い利点があるか,あらかじめ鋼 球を接折する必婆があり、最大ひび割れの位Ii'【の推定 が誤る場合もある。 0 ().51.01.52.O CYCLES(×106) ResidualMaximumCrack Widths Fig.15 Fig.14から,いづれの梁も設計荷肛においては, 009~().14mm程度のひび割れ幅であることがわかる。 これらのIhは幾柵ひび割れも含まれている。一般に, 環境灸イノ|:のかなりきびしい所ではql5Imm礎度に現l1iIIさ れることがある。iii距橘の示方書の規定では鉄筋胱を コンクリート断Uliの2%以上にすることになっている が,これらの供試体はいづれも2.96%となって,示方 書の規定を上遡っている。この実験から,示方10『の鉄 筋htを用いれば、ひび割れ幅に関してはほとんど問題 ないものと考えられよう。なお.3本の供試体がいづ れも異なるジベル配置であるが.設計荷砿時における ひびW11jL幅はほとんど変りないことがわかる。 残制ひびW11jLIIMも3供試体の間に大きい差は見られ ない。A6L22か比鮫的'1、さい残留ひび割れを示している。 Fig.16に鉄筋応力とひび制れ幅の関係を示す。 ほぼi([線的なllU係を示している。これらの応力および ひび綱れ幅は残留も含まれている。図中に求められた 直線は原点をjlDI),なお直線となる条件に撃づいた般 小自飛法によるものである。この直線からひび割れ幅 015,020,,1が生ずる鉄筋応力と鉄筋応ブjl400kg/cllf のときのひび制れ帆をTabIe-4に示す。この表によ れば,艇21は小さい応力で大きいひびWIIれIlllAを示して いる。 j l 0 0 (芒痘)エ・一色ご夛当Qく崖。 I).5101.52.() CYCLES(xlO6) MaximumCrackWidthsat theDesignLoad 0 Fig.14 15 1(】 OE 腿20 JIa21 AfL22

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(9)

断続合成桁の疲労性状について:浜田・有住・名趣 38 200 JI6L20 A6L21 500 君cへ如二〉、②凶塵ト② ● 1000 ● ● ● 500 0.10.200.10.200.10.2 CRACKWIDTH(、、)

RelationshipsbetweenStressmRinforcingBarsand

CrackWidth Table-4MaximumCrackWidthsataStressof

l400k9/cm,ofSlabReinforcingBarsandStresses

at0.15andq2InmCrackWidth 0

Fig.16

3.4終局耐力 Tab]e-5に疲労試験の終局耐力を示す。同表の理論 値①は規定の降伏応力を用いて計算されたものであり,

理論値②は材料実験による降伏応力を用いて計算した

ものである。理論値は3本の供試体ともに同一になる。 実験値にも大きい差は見られない。 4.あとがき 完全合成桁,断続合成桁,部分断続合成桁の3本の 桁について負の11111f繰返し荷重を受ける場合の挙動を 調べた。数少ないデータではあるが,明らかになった 点を列挙しよう。 (1)荷重一たわみ関係は繰返し回数のj1ii加とともに理 論値に近くなる。また,ひぴ削れの墹加とともに残 留たわみはjii力Ⅱする。 (2)スラブ[|]の鉄筋はいづれの場合も有効に作用して いる。たわみとIiU様に繰返し数のhii加とともに残留応 力の噸加がある。これらの残制応力はかなり大きい. (3)残留ひび割れIWjjと`没;l・荷巫時のクラック幅は繰返 し回数の期加かあってもほとんど一定である。これ はひび釧れ数のjWlllを意味しているものと思われる。 (4)ひび割オし幅と鉄筋Lij;力の間にはほぼ比例的な関係 Table-5UltimateStrength BEAM No. CRACK WIDTHAT 14001`9/cm, STRESSパT 0.15mmCRACK WIDIH STRESSAT O2mmCRACK WIDTH 20 、182 1150 1530 21 、350 600 800 22 、175 1210 1610 BEAM No. THEORY(t、、) ① ② TEST (t、、) TEST THEORY② 21 22 9.57111.49 14.4 1.25 13.5 117 14.11.22

(10)

琉球大学工学部紀要第21号,1981年 39 がある。 (5)3本の桁の間には終局耐力の差はほとんど見られ なかった。これは理論的には同じ耐力となるので当 然の結果である。 3)浜田純夫・有住康llII・与那嶺隆・宮良信秀「負の ’'11げを受ける合成桁の疲労試験」琉球大学理工学部 紀要工学縄,第17号,1979年3月 4)浜田純夫・有住康則「不完全迦統合成桁の有限要 素解析」土木学会論文報告集,第265号,1977年9月 5)浜田純夫・佐久川政健・渡慶次一彦「負の曲げを 受ける断続合成桁の実験」琉球大学理工学部紀要工 学鯛,第14号,1977年9月 6)IjIj佃幸雄・梶川端拾・中谷幸僻「連続合成桁の中 Illl支点上の床版引張力の低減について」第30回土木 学会年次学術講演会講演集.1-109,1975 7)梶川靖治・iiilm幸雄「断続合成桁の弾塑性曲げ性 状および曲げ耐荷力について」第32回土木学会年次 学術講演会講演巣,1-301,1977 8)縞井次郎・前田幸雄・梶川端治「断続合成桁の弾 塑性Illlげ性状および曲げ耐荷力について」第33回土 木学会年次学術織演会講演巣,1-288,1978 9)「道路橋示方轡・同解説」日本道路協会,昭和55 年2月 謝辞:この研究は,昭和53年度橋梁班卒業研究生全風 で実験を行い,遂行された。ここに諸君に深謝しま す。また,建設工学科大城教授には実験他多大な御 協力を頂いた。ここに厚く御礼申し上げます。 参考文献 1)AASHTO:StaMardSpecificationsfor HighwayBridges,TwelfthEdition,American AssociationofStateHighwayandTransportati-onOfficia15,1977. 2)浜田純夫・有住康MII「断続合成桁の曲げ性状につ いて」琉球大学理工学部紀要工学鯛,第16号,1978年 9月

参照

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