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Academic year: 2022

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NONLINEAR REDUNDANCY ANALYSIS FOR A MANY MAIN GIRDERS STEEL BRIDGE

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Riichi MIHARA, Osamu KATOU, Eiji IWASAKI and Yoshiaki OKUI

ABSTRACT This paper is the nonlinear redundancy analysis which examined the valuation method in consideration of nonlinear. This analysis can take yield after the fracture of a member. By this method, an elucidation and surplus proof stress of a collapse mechanism can be presumed.

KEYWORDS : 㠀⥺ᙧࣜࢲࣥࢲࣥࢩ࣮ゎᯒ㸪ࡦࡧ๭ࢀ㸪ࢯࣜࢵࢻせ⣲㸪ࢩ࢙ࣝせ⣲

Nonlinear redundancy analysis, crack, solid element, shell element

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第17回 鋼構造と橋に関するシンポジウム論文報告集(2014年8月) 土木学会

(2)

図-2 3 径間連続非合成 4 主 I 桁(平面図・断面図)

表-1 対象橋梁の設計条件 形式 3径間連続非合成4主I桁

規格 B活荷重

支間長 37m + 55m + 37m

有効幅員 8.875m

舗装 アスファルト舗装厚 t = 80 mm 床版 鉄筋コンクリート床版厚 t = 230 mm

σck = 24 N/mm2

Mohr-Coulomb降伏基準適用

計画交通量 1000台/日・方向以上

使用鋼材 SM490Y,SM400,SS400,S10T 鉄筋SD295

Von Mises降伏基準適用

バイリニア型の非線形特性適用 適用示方書 道路橋示方書 平成14年3月

床版はソリッド要素でモデル化し,床版内の鉄筋は埋込鉄筋要素を用いてモデル化している.図-

3に配筋図を示す.

(主鉄筋) (配力筋)

(3)

主桁・横桁はシェル要素でモデル化し,ずれ止め・対傾構・横構はバー要素でモデル化している。

なお,ウェブの水平・垂直補剛材は解析結果に影響を与えないと判断し,モデル化から省略している。

解析モデル図を図-4~図-7に示す。

図-4 全体図(床版上面より)

図-5 端支点部拡大図(床版上面より)

図-6 端支点部拡大図(床版下面より)

図-7 床版内の鉄筋表示(床版コンクリートを非表示)

(4)

解析における境界条件(荷重・拘束)は,設計条件に準拠し,鉛直・橋軸直角方向が固定,橋軸方向 は端支点側のみ固定とし,他は可動とする。また,荷重は施工ステップを考慮し,前死荷重・後死荷 重・活荷重を個別に載荷している。

3.材料特性

解析に使用する物理定数(弾性剛性)を表-2に示す。

表-2 物理特性(弾性剛性)

材料 物理定数[N/mm2] ポアソン比 備考

鋼材 2.0×105 0.3

コンクリート 2.0×104 0.167 σck = 24 N/mm2

コンクリートの非線形特性は,引張側はコンクリート標準示方書 2),圧縮側は道路橋示方書 3)の特 性曲線に準拠した。また,本検討では,コンクリートの破壊モードは曲げ破壊先行型と仮定し,固定 ひび割れモデルを適用した。

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図-8 コンクリートの非線形特性曲線(応力-ひずみ)

主桁・鉄筋の非線形特性は道路橋示方書3)の特性曲線に準拠し,降伏点強度を超えた後の 2次勾配 はE/100とした。また,鋼材の非線形構成則はVonMises降伏基準を適用した。

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-0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02

図-9 鋼材の非線形特性曲線(応力-ひずみ)

スラブアンカーはφ16を使用するものと仮定し,既往の論文・実験結果4)を参考にスラブアンカー 1本当たりの材料特性を算出し適用した。

(5)

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図-10 スラブアンカーの非線形特性曲線(荷重-変位)

4.損傷部のモデル化

本検討では,着目する主桁それぞれが単独で損傷する場合と組合せで損傷する場合について解析を 実施した。損傷部のモデル化を図-11~図-14に示す。

図-11 損傷箇所(ケース1:G4 桁ウェブ高の半分まで亀裂)

図-12 損傷箇所(ケース2:G4 桁ウェブ高の全高亀裂)

図-13 損傷箇所(ケース3:G4 桁ウェブ全高・G3 桁ウェブ高の半分まで亀裂) G4桁側

G1桁側

G4桁側

G1桁側

G4桁側

G1桁側

(6)

図-14 損傷箇所(ケース4:G4 桁ウェブ全高・G3 桁ウェブ全高亀裂) 本検討では,施工ステップを考慮して解析を実施している。図-15に解析手順を示す。

図-15 非線形を考慮した段階施工解析の解析手順 G4桁側

G1桁側

解析ステップ1 鋼部材のみ 前死荷重

解析ステップ2 鋼部材+床版 後死荷重

解析ステップ3 鋼部材+床版 活荷重

解析ステップ4 鋼部材+床版+損傷 破壊荷重

破壊荷重を増分

構造不安定による解析終了

施 工 ス テ ッ プ

(7)

5.解析結果

・変形挙動について

(変形図) (床版のねじれ) 図-16 変形挙動

損傷程度(損傷度:青(一点破線)<赤(破線)<緑(実線))によって床版のねじれが増加する傾向を示した。

・床版コンクリートのひび割れについて

(引張ひずみコンター) (引張ひずみ分布) 図-17 引張ひずみ

損傷が外桁のみの場合(ケース 1,2)では,終局時においてもひび割れが床版を貫通することは無か った。一方,外桁・内桁ともに損傷した場合(ケース3)では,終局時にひび割れが床版を貫通し,かつ 床版の全幅に渡ってひび割れが進展したため,本橋は構造不安定となった。なお,支点部近傍では損 傷程度による影響をほぼ受けていない傾向を示した。

・主桁のVonMises応力分布について

(VonMises応力コンター) (VonMises応力分布) 図-18 VonMises 応力

外桁(紫(実線))はウェブ全高で破断していることから応力解放が生じているが,内桁(緑(破線))は損傷部

主桁損傷位置

主桁損傷位置

支点位置

外桁:応力解放

内桁:損傷部先端で降伏

(8)

先端位置で降伏する傾向を示した。しかし,終局時においても上フランジは降伏せず,内桁が完全に 破断することは無かった。

・鉄筋の軸応力について

(鉄筋軸応力コンター) (鉄筋軸応力分布) 図-19 鉄筋の軸応力

損傷程度によって床版に生じるひび割れの発生領域が拡大するため,鉄筋への応力分担量が増加す る傾向を示した。終局時では,鉄筋が降伏し破断することで構造不安定となった。

6.まとめ

・損傷程度に関わらず床版にはひび割れが生じる傾向が得られたことから,より厳密な検討を行う場 合には非線形解析を実施する必要があるものと思われる。

・横構,対傾構は一部非線形領域に達する部材はあったが,ほとんどの部材は弾性範囲であったこと から,非線形解析を実施する際には,横構,対傾構は弾性材料としてモデル化してもその影響度は少 ないものと思われる。

・本検討では「鋼部材の亀裂の進展」は考慮していないため,主桁ウェブの亀裂先端が塑性化してい るが,亀裂進展を考慮した場合,非線形挙動が変化することが予測される。

謝辞

本研究の一部は土木学会平成25年度重点研究課題の研究助成を受けて「鋼構造物のリダンダンシー に関する検討小委員会」の一環として実施されました。

参考文献

1) ガイドライン型設計適用上の考え方と標準図集(改訂版) (社)日本橋梁建設協会 平成 15 年 3 月 2) コンクリート標準示方書【構造性能照査編】(社)土木学会 2002 年度制定

3) 道路橋示方書・同解説 1 共通編 (社)日本道路協会 平成 24 年 3 月

4) RC 床版と鋼フランジ間の付着とスラブアンカーによるせん断抵抗の評価 2001 年 3 月構造工学 論文集 Vol.47A

主桁損傷位置

(9)

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