主桁・横桁取合い部のウェブギャップ部に生じる疲労損傷の原因検討
（財）首都高速道路技術センター 正会員 ○大住 圭太 同上 正会員 小西 拓洋
１．はじめに
鋼 I 桁橋に生じる疲労き裂うち，特に発生数の多いき裂に，主桁上フランジと荷重分配横 桁の上フランジの間に取り付けられたウェブギャップ板のき裂がある（図 1）．既往の検討 から，ウェブギャップ板のき裂の原因は，床版のたわみにより生じる主桁上フランジの回転 と隣接する主桁間のたわみ差により生じるウェブギャップ部のせん断変形をウェブギャッ プ板が拘束するためとされており1)，補修補強を検討するうえでは，実橋梁でどちらの変形 による応力が卓越しているかを把握しておくことが望ましい．
本研究では，弾性 FEM 解析により，3 主桁および 4 主桁の合成 I 桁橋における床版のたわみと主桁のたわみ差の 影響を確認し，さらに，縦桁増設補強が実施されている橋梁への補修補強を想定して，縦桁増設補強によるウェブ ギャップ部の応力低減効果を確認した．
２．解析モデルおよび載荷ケース 解析モデルは，3 主桁および 4 主桁の単 純合成 I 桁橋の全体モデルに，ソリッド要 素でモデル化したウェブギャップ部（着目 部）を挿入する複合モデルとした．全体モ デルの舗装，高欄，床版はソリッド要素，
主桁ウェブ，主桁フランジ，分配横桁は板 要素，対傾構，横構は梁要素でモデル化し た（図 2）．載荷は，4 主桁で第 1 走行車線，
第 2 走行車線，着目桁近傍，着目桁上，隣 接桁上の 5 ケース（図 3），3 主桁で第 1 走行車線の 1 ケースとし，支間中央部に 2 輪を載荷した．なお，解析には汎用構造解 析プログラム MidasNastranFX を用いた．
３．床版のたわみと主桁のたわみ差の影響
ウェブギャップ板の載荷側こば面における上下の溶接止端 から 2mm 位置の主応力に着目して，床版のたわみの影響と主桁 のたわみ差の影響を確認した．なお，双方の影響については，
床版のたわみに伴う主桁フランジの回転を主桁フランジと横 桁上フランジの傾きの差（θ1），主に主桁のたわみ差により生 じるウェブギャップ部のせん断変形をウェブギャップ下部の
角度（θ2）（図 4）とし，上部の応力は（θ1＋θ2），下部の応力は（θ2）により生じると仮定することで確認し た．図 5 に（θ1）と（上部の応力＋下部の応力）および（θ2）と（下部の応力）の関係を示す．両者とも，着目 桁上を除いて相関がみられ，前述の仮定により，載荷が主桁間であれば，主桁フランジの回転による応力とウェブ ギャップ部のせん断変形による応力の関係について，大まかではあるが把握できると考えられる．
キーワード 疲労，ウェブギャップ，原因，縦桁補強
連絡先 〒105‑0001 東京都港区虎ノ門 3‑10‑11 (財)首都高速道路技術センター ＴＥＬ 03‑3578‑5750
6000mm×6
3500mm×2
鋼 E= 2.0 ×105N/mm2,ν=0.30 コンクリート E= 2.35×104N/mm2,ν=0.17
舗装 E= 1.5 ×103N/mm2,ν=0.35 6000mm×6
3500mm×3 全体モデル（4主桁）
全体モデル（3主桁）
床版厚 220mm 舗装厚 80mm 主桁高 1600mm
脚長：8mm ，曲率半径：0mm 止端角：45°，要素寸法 ：2mm ウェブギャップ板：150mm×90mm×9mm
ウェブギャップ部（着目部）
シェル-ソリッド境界部
・板厚aの要素 a を貼り付ける
第2走行車線 着目桁近傍 着目桁上
隣接桁上 第1走行車線
（25ton）
ウェブギャップ部（着目部）
主桁ウェ ブ 主桁フラ ン ジ
横桁フラ ン ジ
ウェ ブギャップ板
図 1 き裂の状況
図 2 解析モデルの概要
図 3 載荷ケース 土木学会第67回年次学術講演会(平成24年9月)
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前述の仮定をもとに，各載荷ケースの載荷側こば面上部に おける溶接止端から 2mm 位置の主応力について，主桁フラン ジの回転による応力とウェブギャップ部のせん断変形によ る応力を算出した（図 6）．なお，3 主桁と 4 主桁の第 1 走行 車線で生じる応力は同程度であったため，3 主桁の応力状態 については 4 主桁の第 1 走行車線に着目することで確認した．
第 1 走行車線，着目桁近傍は主桁 フランジの回転の影響が支配的で あり，隣接桁上はせん断変形の影響 が支配的である．上部の応力が最も 高い第 2 走行車線では，第 1 走行車 線，着目桁近傍と同程度の主桁フラ ンジの回転による応力が生じてい るのに加え，せん断変形による応力 も生じている．3 主桁は 4 主桁に比 べ，主桁のたわみ差による影響が小 さいと考えられる．
４．縦桁増設補強の効果
縦桁を増設した解析モデルを作 製し，縦桁増設補強によるウェブギ ャップ部の応力低減効果を確認し た．なお，縦桁（Flg：200mm×22mm，
Web：800mm×9mm）の設置にあたり，中間対傾構断面および端対傾構近傍断面には新たに横桁（Flg：260mm×12mm，
Web：800mm×9mm）を設置した．表 1 に，補強前後のウェブギャップ板こば面の上下溶接止端から 2mm 位置における 主応力，3 主桁と 4 主桁を想定した場合の応力範囲，さらにそれらの応力比（補強後/補強前）を示す．各載荷ケー スにおいて，上部の応力および下部の非載荷側の応力は低減しているが，下部の載荷側の応力は，補強前に床版の たわみによる影響が確認された第 1 走行車線や第 2 走行車線において増加している．荷重が床版から横桁に伝達さ れることで横桁がたわみ，引張応力が増加したためと考えられる．応力範囲は，3 主桁，4 主桁とも上部では 0.5〜
0.6 程度に低減しているが，下部ではほぼ低減しておらず，縦桁増設補強は，ウェブギャップ部上部の応力低減に は効果があるが，下部にはあまり効果がないと考えられる．
５．まとめ
主桁間隔 3500mm，床版厚 220mm の単純合成 I 桁橋の中桁に設置されたウェブギャップ板に着目して弾性 FEM 解析 を行い，以下の結果を得た．
・3 主桁のほうが 4 主桁に比べて，隣接する主桁間のたわみ差による影響が小さいと考えられる．
・縦桁増設補強は，ウェブギャップ部上部の応力低減には効果があるが，下部にはあまり効果がないと考えられる．
参考文献 1)日本道路協会：鋼橋の疲労，pp80‑105，1997.5
（第2走行車線の150倍変形図）
載荷側
θ1：主桁フランジと横桁 フランジの傾きの差 θ2：ウェブギャップ
下部の角度
－
－
せん断変形 主桁フランジの回転
載荷側
＋ 載荷側
＋
主桁フランジ
横桁フランジ ウェブギャップ板
－ ＋
-500 -400 -300 -200 -100 0 100
首振り応力 せん断応力
首振り応力＋せん断応力 応力（N/mm2）
第1走行 着目桁近傍 第2走行 隣接桁上
G1 G2 G3
G1 G2 G3 G4
第1走行 隣接桁上
-3500 -1750 0 1750 3500 5250 載荷位置 着目桁からの距離（mm）
主桁フランジ回転による応力 せん断変形による応力 主桁フランジの回転とせん断 変形による応力（上部の応力）
左，右 左 右
上部 -349 257 392 -474 268 -270 607 741 732
下部 49 -180 -312 194 -217 229 229 361 374
上部 -170 142 248 -275 202 -195 311 418 416
下部 102 -131 -231 200 -173 198 234 333 331
上部 0.49 0.55 0.63 0.58 0.75 0.72 0.51 0.56 0.57
下部 2.08 0.73 0.74 1.03 0.80 0.87 1.02 0.92 0.89
左
（載荷側）
右
（非載荷側）
左
（非載荷側）
右
（載荷側）
左
（非載荷側）
右
（載荷側）
3主桁応力範囲
（第1走行 左-右）
4主桁応力範囲
（第1走行-第2走行）
応力，応力範囲
（N/mm2）
応力比
（後/前）
補強前 応力値 補強後 応力値
第1走行 第2走行 隣接桁上
-400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
0.0000 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 第1走行 第2走行 着目桁近傍 着目桁上 隣接桁上
（N/mm2）
（°）
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
89.99900 89.99925 89.99950 89.99975
第1走行 第2走行 着目桁近傍 着目桁上 隣接桁上
（N/mm2）
90.00000 （°）
（θ1）と（上部の応力＋下部の応力） （θ2）と（下部の応力）
図 4 主桁フランジの回転とせん断変形
図 5 （θ1）と（上部の応力＋下部の応力），（θ2）と（下部の応力）の関係
図 6 載荷側上部主応力における主桁フランジの回転とせん断変形の影響
表 1 縦桁増設補強によるウェブギャップ部の応力低減効果 土木学会第67回年次学術講演会(平成24年9月)
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