U リブ鋼床版の横リブ交差部構造の解析的検討
阪神高速道路㈱ 正会員 ○杉山 裕樹 田畑 晶子
㈱横河ブリッジ 正会員 春日井 俊博 石井 博典 井口 進 清川 昇悟 池末 和隆
１．はじめに
近年、重交通路線を中心に数多くの鋼床版で疲労損傷が報告されており、横リ ブ交差部については標準構造で図-1に示すような疲労き裂が報告されている1)。 これらのき裂については従来から様々な検討が行なわれてきた2)が、一般的な U リブ鋼床版を対象とした疲労耐久性の高い横リブ交差部構造の確立には至って いない。そこで著者らは、新設の鋼床版構造を対象として、疲労耐久性を向上さ せた横リブ交差部構造について FEM 解析による検討を行なった。
２．解析対象および解析⽅法
解析対象は、図-2に示すような横リブ間隔を 2.5m と した 2 パネルに U リブ（320mm×240mm×6mm）を 4 本配 置した部分モデルとした。支間中央に配置した横リブス リット部の U リブと横リブとの回し溶接止端部（A 点:U リブ側および B 点:横リブ側）を主な着目点とし、当該 箇所に生じる疲労き裂への影響が大きい密閉ダイヤフ ラム（以下、密閉ダイヤという）を横リブから 460mm の 位置に設けた。デッキプレートの板厚は 16mm とした。
横リブの構造は図-2 中に示すスリット形状を標準とし、
改良構造の検討を行った。載荷荷重はダブルタイヤ 1 輪 を模擬し、2-200mm×200mm の載荷面積に 100kN とした。
載荷位置は橋軸直角方向 7 ケース、橋軸方向 6 ケースと した。検討の手順として、まずシェル要素解析を用いた 概略検討により改良構造を決定し、その後、決定された改 良構造および標準構造を対象とした詳細なソリッド要素解 析を行い、応力低減効果を評価した。
３．シェル要素による概略解析
標準構造において最も絶対値の大きな主応力が発生した 載荷位置(横リブ支間 1/4：x=625mm)でのリブ 1 左側の回し 溶接部における橋軸直角方向影響線を図-4 に示す。着目点 A 点および B 点ともにケ
ース 5 載荷において最大 値が発生している。その 値は A 点で 457N/mm2、B 点で 213N/mm2であり、A 点の 方が大きい 結果 と なった。図-5には標準構 造の変形図を示す。密閉 ダイヤ近傍の U リブ間に 荷重が載荷されること
キーワード Ｕリブ鋼床版、横リブ交差部、疲労き裂、ＦＥＭ解析
連絡先 〒541-0056 大阪市中央区久太郎町４－１－３ 阪神高速道路㈱ 技術部 ＴＥＬ06-4963-5790
図-1 横リブ交差部のき裂例 横リブ U リブ
き裂
200 200
100
200 50kN 50kN
載荷中⼼
リブ２
着⽬位置
リブ１ 160＠6＝960
ケース 1 2 3 4 5 6 7
載荷⾯⼨法 橋軸直⾓⽅向
載荷位置
CL 図-3 橋軸直⾓⽅向載荷位置と載荷⾯⼨法
図-4 下側スリット回し溶接部の主応⼒発⽣状況
リブ１左側 B:横リブ側⽌端
リブ１左側 A:U リブ側⽌端 A
B
-500 -400 -300 -200 -1000 100 200 300 400 500
1 2 3 4 5 6 7
橋軸直⾓⽅向載荷位置 主応⼒（N/mm2 )
最⼤主応⼒ 外⾯
最⼤主応⼒ 内⾯
最⼩主応⼒ 外⾯
最⼩主応⼒ 内⾯
213
-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500
1 2 3 4 5 6 7
橋軸直⾓⽅向載荷位置 主応⼒（N/mm2 )
457
2500 2500
密閉ダイヤ
625 230 460 625 1250 橋軸⽅向
載荷位置
（横リブから の距離：ｘ）
横リブ標準構造と着⽬点 20
R20 B：横リブ側
A：U リブ側
320＠7＝2240 250 250
700
リブ１ リブ２
図-2 解析対象と橋軸⽅向載荷位置 横リブ
土木学会第67回年次学術講演会(平成24年9月)
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で生じるねじり力により U リブにオイルキャニ ング変形が生じ、この変形が横リブにより拘束 されることで着目部に大きな応力集中が生じて いる。
改良構造は、回し溶接部付近の応力集中を緩 和するとともにせん断力の伝達を期待する平行 部を設けることで溶接部の発生応力を低減させ る構造とした。検討パラメータは、図-6に示す ように平行部の長さ（Y1）、平行部の幅（Y2）、
半円切欠き径（Y3）とした。Y1=52mm、Y2=10mm、
Y3=R30mm を基準として、U リブ回し溶接部の発 生応力を各パラメータ間で比較した結果を図-7 に示す。Y1 は最も大きいものが最大の応力低減 効果があり、Y2 は小さいほど応力低減効果があ る。また、Y3 の影響は小さいことがわかった。
これらの結果を踏まえ、U リブと横リブ溶接
部のせん断耐力の照査結果から許容される最大値として Y1=65mm、製作上の問題 から Y2=15mm、断面欠損を最小にするため Y3=R20mm を決定し、これらの形状パ ラメータをもって改良構造とした。改良構造のシェルモデル解析における変形 図および応力コンター図を図-8に示す。U リブ回し溶接部の応力は約 50％低減 され、疲労耐久性の向上が期待できる。変
形図からは、U リブのオイルキャニング変 形に対する横リブによる拘束が緩和され、
これが着目部の応力低減に寄与している と考えられる。一方で、半円部には新たな 応力集中が発生しているが、その値は標準 構造の溶接部に発生した最大値の半分程 度である。
４．ソリッド要素による詳細解析
３．の検討で決定した改良構造と標準構造との比較を目的として、溶接 部まで詳細にモデル化したソリッド要素での解析を行なった。結果を図-9 に示す。載荷位置は前章と同じである。着目点の最大主応力は標準構造で 392N/mm2であるのに対し、改良構造では 99N/mm2となり約 75％低減した。
一方で、改良構造では半円部に 168N/mm2と比較的大きな応力が発生してい るが、溶接部に比べて疲労強度の高い母材部であるため、全体として疲労 耐久性は大きく向上していると考えられる。
５．まとめ
U リブ鋼床版における横リブ交差部構造について、標準構造と比較して U リブと横リブとの回し溶接部に発生する応力を大幅に低減可能な改良構 造を示した。今後、疲労試験により改良構造の疲労耐久性向上効果につい て検証する予定である。
参考⽂献
1) 土木学会：鋼床版の疲労[2010 年改訂版]、2010 年 12 月
2) 例えば、森永、磯上、千葉、三木：東京港臨海大橋（仮称）における技術開発とコスト 縮減 第 3 回 上部工の構造検討(2)、橋梁と基礎、Vol.42 No.10、2008 年 10 月
図-5 標準構造の変形図
（倍率:200 倍） 着⽬点
図-7 U リブ回し溶接部応⼒の⽐較 図-6 改良構造と形状パラメータ
Y3(R)
Y1
Y2 200
CL 単位:mm
457
284 341 138
0 100 200 300 400 500
標準 Y1=0 Y1=26 Y1=52 最⼤主応⼒（N/mm2） Y2=10,Y3=30
457
138 241
318
0 100 200 300 400 500
標準 Y2=10 Y2=15 Y2=20 最⼤主応⼒（N/mm2 ）
Y1=52,Y3=30
457
149 138 132
0 100 200 300 400 500
標準 Y3=20 Y3=30 Y3=40 最⼤主応⼒（N/mm2）
Y1=52,Y2=10
図-8 改良構造の変形図および主応⼒コンター図
（倍率：200 倍）
227
（単位：N/mm2）
232 リブ１
392
168
99 横リブ
U リブ
（標準構造）
（改良構造）
図-9 ソリッド要素での詳細解析結果 (単位:N/mm2)
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