薄鋼板摩擦接合継手の構造特性
法 政 大 学 学 生 員 中村 篤史 法 政 大 学 フェロー 山下 清明 （株）イスミック 正 会 員 杉崎 守
（株）弘洋コンサルタンツ 正 会 員 橋本 和夫 1. はじめに
損傷した橋梁床版の補強方法として、床版下 から施工する薄鋼板を使用した組み立て式床版 補強構造が考えられる。この時、薄鋼板のボル ト継手が重要な要素となる。
ここでは、通常の鋼橋に使用される鋼板より 薄い板厚を使用するボルト摩擦接合部の挙動、
耐荷力を検討した。使用ボルトは、使用頻度の 高いトルシア形高力ボルトとした。
2. 実験概要
（1）試験体概要
薄鋼板ボルト接合部の基本的性質、特に破断 強度とその性状を把握するため、添接板板厚を 3.2mm、1.6mm としたトルシア形ボルト 1 本 による２面せん断継手試験体を作成し、静的実 験、疲労実験を行った(図１、2)。板厚 3.2mm の静的、疲労実験では、設計指針の計算上での 耐力が出ることを確認し、板厚 1.6mm の疲労 実験では疲労破断強度と疲労破断形状を把握す るための実験とした（表１）。
座金配置は、トルシア形高力ボルトでの通常 の座金配置と、疲労強度向上のためにボルト頭 側 に も 座 金 を 追 加 し て 配 置 し た モ デ ル
（16MB-2）を加えた。
（2）載荷方法と着目個所
疲労実験装置を用い、荷重制御により載荷し た。予備解析より、応力が最も高いと予想され る対称軸上のボルト近傍（ボルト頭接触面外周
から 6.5mm 離れた部分）引張部について着目 し、計測を行った（以下計測位置）。対称面上の 添接板外面を着目線とする。ボルト頭接触面外 周引張部をP点とする。
表１．試験体種別
種別 32MB 16MB-1 16MB-2 板厚(ｍｍ) 3.2 1.6 1.6
母材表面 ブラスト ブラスト ブラスト 添接板表面 ブラスト 圧延のまま 圧延のまま
添接板総断面積 960 224 224 降伏応力（MPa） 300 285 285
座金 通常 通常 追加
図4 着目個所 (3) 試験結果
32MB の静的試験では、179ｋN 載荷時に滑 り荷重に達した。これは安全率を考慮した許容 力(96ｋN) を80％上回る。後述する解析による とこの荷重下では、ボルト付近で局部的に降伏 していると考えられる。
疲労破壊は、計測位置での応力範囲上限が、
約260MPaで約200万回の時に、ボルト頭側添 接板のP点を含む断面で発生した(表２、図5)。
表２．疲労試験結果 種別 回数
(万回)
計測位置 応力範囲 (MPa)
上限値
(ｋN) 結果 200 234 120 クリア 32MB
180 262 140 破断 200 202 40 クリア 16MB-1
256 260 55 破断 16MB-1 248 263 55 破断 300 245 60 クリア 16MB-2
146 259 65 破断 キーワード：薄鋼板 摩擦接合継手 トルシア形高力ボルト
連絡先：〒184-8584東京都小金井市梶野町3-7-2 Tel.042-387-6293
土木学会第57回年次学術講演会（平成14年9月）
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16MB-1と16MB-2の相違よりボルト頭側に も座金を配置することにより、18％の増加が見 られた。
図5 16MB破断面形状 3. 数値解析
薄鋼板添接部のボルト付近の応力性状を把握 するため、ソリッド要素で線形解析を、また、
添 接 板 と 母 材 と の 摩 擦 現 象 の 表 現 に 有 効 な GAP摩擦要素を用いた非線形解析を行った。
（1） 解析モデル
線形解析は、対称性を考慮し、母材、添接板 を含めた実際の試験体の 1/8モデルとした。母 材と添接板との有効な接触面(S 点までの範囲) を極薄のソリッド要素を用いて結合した (図 6) 。
非線形解析では、線形解析と同様のモデルを 用い、接触面はGAP摩擦要素を用い表現した。
図6 母材と添接板の接触面
図7 32MB着目線のx方向応力 （170ｋN載荷時）
（2） 解析結果
疲労破断面での最大応力は、Ｐ点直下の母材 との接触面であった。この点をＳ点とする。
着目線上のx方向応力は、計測位置で非線形 解析が実験値に近い値を得た(図7)。
自由端側で実験値が大きい値を示すのは、添 接板の自由端側が母材から外側に離れようとす る偏心板曲げの影響と考えられる。
非線形解析では、接触面が広がることによる 応力分散によりＳ点の値は、線形解析より約 7％低下した。
4. まとめ
数少ない実験および解析であるが、次のこと が言える。
1. 静的な滑り現象において特に薄板である ことの特徴はみられなかった。
2. 疲労破壊は、ボルト頭側添接板のP点を 含む断面で発生した。また、解析結果か ら接触面(S 点)から発生したものと推定 される。
3. S点での解析結果(非線形解析)では、降伏 応力の約95％近くの値となっていた。こ のことにより、このような継手の疲労強 度を検討する時、材料の降伏応力を一つ の目安として検討できるのではないかと 推定される。よって、疲労強度の推定に は、FEM解析の結果が有効である。
4. 添接板(3.2mm)を使用したトルシア形高 力ボルト摩擦接合継手は、安全率を考慮 したボルト許容力以上の120ｋNで、200 万回繰り返し荷重に耐えられた。
5. 線形解析での値は、非線形解析より安全 側の値を示す。
6. トルシア形高力ボルトの頭側にも座金を 配置することにより、疲労強度の改善が 見られた。大きな座金の利用により、疲 労強度増加が期待できる。
-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
0 50 100 150 200 250 300
対称面からの距離 (mm)
軸方向応力 (MPa)
非線形解析 線形解析 実験値
ボルト孔
ボルト頭範囲
対 称面 側 自由 端側
P点
計測位置 しかし、今回の実験は、実際に使用される摩
擦接合継手より添接板と母材の板厚差があるの で、薄鋼板同士の摩擦接合継手では更なる検討 が必要である。
参考文献
1） 中村 篤史・山下 清明・橋本 和夫・杉 崎 守：薄鋼板を使用した床版補強構造の 実験､土木学会第 56 回次学術講演会概要集､
平成13年10月 謝辞
本研究にあたり実験及びデータ作成にご協力 頂いた、法政大学工学部土木工学科の木村祐一 郎氏 、黒田智也氏、嵯峨嘉邦氏に深く感謝い たします。
土木学会第57回年次学術講演会（平成14年9月）
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