応力聴診器を用いた鋼鉄道橋のひずみ測定例とたわみの推定

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応力聴診器を用いた鋼鉄道橋のひずみ測定例とたわみの推定

北海道旅客鉄道(株) 札幌構造物検査センター正会員 ○岩田直泰北海道旅客鉄道(株) 札幌構造物検査センター福井亮太

1. はじめに

JR の在来線における鉄道土木構造物の大部分は昭和初期までに建設されたものが多く、経年による老朽劣化が進んでいるものも少なくない。経年の進んだ構造物を適切に維持管理するためにも構造物の状態を正しく把握する必要があり、本論では鋼鉄道橋に着目する。

鋼桁の耐荷力性能照査は、机上計算による現有応力比率 ¹⁾により検討されることが多い。しかし、この手法では腐食やき裂などの変状が発生した橋りょうの耐荷力を正確に把握することは難しい。この問題を解決するためには、橋りょうに発生している応力を直接計測することが有効であると考えられる。

ただし、変状箇所の応力集中などを把握しようとする場合には多点での測定が必要であり、列車間合いで検査を行う場合など、従来の接着剤を用いるひずみゲージは作業性に問題があった。この点、摩擦型ひずみゲージをマグネットで構造物に圧着する応力聴診器 ²⁾を用いることにより、作業性は大きく改善される。ここでは、応力聴診器を用いた営業線における鋼鉄道橋の測定事例を紹介するとともに、測定したひずみからたわみを推定する手法を提案する。

2. 変状の発生した橋りょうにおける測定例

本章では、耐荷力性能を検討する目的で実施した、

応力聴診器を用いた変状橋りょうの測定例を記す。

事例 1) 溶接切れが発生した橋りょう

溶接によるカバープレート補強が行われている橋りょうで、上フランジの溶接ビートにき裂が発見された。上フランジカバープレートの上に応力聴診器を設置して測定したところ、圧縮部材であるにも関わらず強い引張力も作用していることが分かった。

溶接切れにより、上フランジカバープレートは構造部材としては想定の機能とは異なる挙動をしている

と考えられる。

事例 2) 横構が破断した橋りょう

左右上フランジを接続する横構の破断が発見された橋りょうにおいて、補修済みではあるが破断が生じた横構と健全な横構で測定を行った。健全な横構ではほとんど応力が作用していないが、破断した横構では、支間中央部の上下フランジと同程度の圧縮力と引張力が交互に作用していることが分かった。

原因究明のために検査を行ったところ、沓座の傾きが発見され、これにより特定の横構に応力が集中して破断に至ったと考えられる。

応力聴診器を用いたひずみ測定により、鋼桁の耐荷力性能を定量的に評価できるものではないが、構造部材として想定どおりに機能しているか否かを判定することは可能であり、変状橋りょうの健全度判定の一助になると考えられる。

3. 実測ひずみよりたわみを推定する手法の検討 3.1 換算たわみの算出

鉄道橋の性能照査を行う際には、安全性の照査、

使用性の照査とも、列車走行時の桁のたわみ量を指標としている³⁾｡桁のたわみの測定は、不動点を橋りょう下にとり、ピアノ線を介して桁の変形を測定する手法(例えば大鉄式変位形)が一般的である。ただし、

河床から桁までが高い橋りょうや河床の状況が悪く不動点を設定できない橋りょうなどでは、この手法の採用は難しい。支間中央部にて測定したひずみからたわみを推定することができれば、状況を選ばず、

簡易にたわみを把握することができる。

以下に、実測のひずみからたわみを算出する手法を示す。まず、変断面の桁のたわみは次式で推定することができる⁴⁾。

I E

L M

⋅

⋅ ⋅

=

²

48 5 .

δ 5

式1

キーワード: 鋼鉄道橋，応力聴診器，ひずみ測定，たわみ推定

連絡先 :〒060-0005 北海道札幌市中央区北 5 条西 5 丁目(本社西ビル) 北海道旅客鉄道(株) 札幌構造物検査センター土木学会第64回年次学術講演会(平成21年9月)

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ここで、δは主桁中央のたわみ(mm)、Mは列車荷重による最大曲げモーメント(N･mm)、L は支間

(mm)、E はヤング係数(N/mm²)、I は桁の中央断面

の中立軸まわりの総断面の断面二次モーメント

(mm⁴)である。y を中立軸距離(mm)とすると、応力

度の計算式は式 2のとおりであり、応力とひずみの関係はフックの法則より式3のとおりである。

式3を式2に代入し、変形したものを式1に代入すると式4が得られる。

式4のεに実測ひずみを代入することより、換算たわみを計算することができる。

3橋りょうにて行った測定ケースを表 1に、測定したひずみを用いて換算たわみを計算し実測のたわみと比較したものを図1に示す。

図1によると、換算たわみは実測たわみより小さくなっている。この原因としては、応力聴診器の設置不良による実測ひずみの過小評価および換算式の係数の不適正が考えられるが、計算ひずみに対する実測ひずみの割合が従来の知見と概ね一致することから、後者が支配要因であると考えられる。

3.2 換算たわみ算出の補正係数の提案

一定断面の単純梁に等分布荷重が作用したときのたわみの推定式は式1 の係数部分がであり、

変断面のたわみを推定する式 1の係数は、

一定断面の係数を割り増したものと考えられる。

図 1に示したとおり、実測たわみよりも換算たわみが小さくなっているが、ここでは、その割り増しが過小であると考え、式4を1.72倍した補正式として式 5を提案する。なお、この係数は実測たわみを目的変数とし換算たわみを説明変数としたときの、

最小二乗法による切片0の一次式の係数である。

補正式を用いて算出した補正換算たわみと実測たわみの関係を図 2 に示す。この図によると、ばらつきは大きいものの、実測ひずみからある程度の精度でたわみを推定することができ、たわみ測定が困難な橋りょうに本手法が活用できると考えられる。

図2 実測たわみと補正換算たわみの関係

4. おわりに

本論では鋼桁の耐荷性をより正確に把握する取り組みとして、応力聴診器による変状橋りょうの測定例を紹介した。また、支間中央部で測定したひずみからたわみを推定する手法を検討し、換算式を提案した。本論で紹介したたわみ推定の手法は、少ないデータに基づいたものであり、今後も様々な橋りょうで測定を行い、検討を重ねたいと考えている。

参考文献

1) 鉄道構造物等維持管理標準・同解説(構造物編) 鋼・

合成構造物，鉄道総合技術研究所編，2007.1 2) (株)東京測器研究所HP，http://www.tml.jp 3) 鉄道構造物等設計標準・同解説変位制限，鉄道総合

技術研究所編，2006.2

4) 鉄道構造物等設計標準・同解説鋼・合成構造物，鉄道総合技術研究所編，2000.7

I y M ⋅

= σ

⋅E ε

= σ

y L

.

²

48 5 5 ε ⋅

⋅

= δ

式2 式3

式4

式5 72

48 1 5

5 ²

y . L . ⋅ε⋅ ×

= δ

48 0 5.

表1 測定ケース一覧

図1 実測たわみと換算たわみの関係

48 5 . 5

0 2 4 6 8

A橋りょう B橋りょう(上り線) B橋りょう(下り線) C橋りょう

換算たわみ (mm)

実測たわみ (mm)

0 2 4 6 8

A橋りょう B橋りょう(上り線) B橋りょう(下り線) C橋りょう

補正換算たわみ (mm)

実測たわみ (mm)

測定

ケース測定橋りょう橋りょう形式経年支間

（m）

CLの断面二次モーメント (m⁴) 1 A橋りょうデックガーダー(Gd) 118年 19.2 2.896E-02 2 B橋りょう(上り線) デックガーダー(Gd) 66年 12.8 1.321E-02 3 B橋りょう(下り線) デックガーダー(Gd) 110年 12.8 1.790E-02 4 C橋りょうデックガーダー(Gd) 74年 9.8 5.713E-03

土木学会第64回年次学術講演会(平成21年9月)

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