博士（工学） 角間 恒 学位論文題名
マイクロメカニクスに基づくECC 補強鋼床版の疲労耐久 性評価に関する研究
学位論文内容の要旨
既設道路橋鋼床版では，重交通路線を中心に部材接合部における疲労損傷の発生が数多く報告さ れており，早急を疲労対策が必要となっている．その中で，アスフんルト舗装の一部をセメント系 材料で置き換え，鋼床版と一体化することで鋼床版に生じる応カを低減する上面増厚補強工法は、
橋軸方向全長にわたる剛性向上が可能な補強工法であり，実橋梁において鋼繊維補強コンクリート (Steel Fiber Reinforced Concrete，以下，SFRC)を用いた舗装構造の改善が実施される事例が増加し ている，また近年では，SFRCに替わる増厚材料として，マイクロメカニクスと破壊力学を配合設計 原 理とす ること で初期 ひび割 れ発生 後のひずみ硬化挙動による高い引張抵抗性とひび割れ幅抑制 効果を実現したECC (Engineered Cementitious Composite)を用いた一体化工法が提案されている．
こ れは， 主桁やUリブ上における負曲げ作用に対する優れた抵抗性や舗装ひび割れなどを誘発しを いためのひび割れ幅抑制効果が期待されてのことである．
一方で，ECCが比較的新しい材料であること，配合の組合せが多岐にわたること，また構造物レベ ルでの疲労特性を把握するためには輪荷重走行試験等の長期間の疲労試験を要するといった様々を 制 約条件 により ，疲労耐久性に関する研究が十分でないのが現状であり，ECCの疲労破壊の支配的 機構に基づぃた材料設計と開発および構造物の疲労劣化挙動を予測できる解析モデルの構築と疲労 耐久性・疲労寿命予測手法の開発が必要とをっている，
そ こで本 研究で は，ECCにより上面増厚した鋼床版（以下，ECC補強鋼床版）に関して，ECCの疲 労破壊機構を再現した材料疲労劣化モデルに基づく非線形有限要素解析を実施し，疲労耐久性およ びECCによる 補強効 果を数 値解析 的に評 価する ことを 目的と する，本 論文は 全6章か ら構成され ており，各章の概要をまとめると以下のようになる．
第1章では，本研究の序論として，既設鋼床版において問題とをっている疲労損傷を挙げ，その疲 労 対策と してECCを 用いた上面増厚補強エ法が有効であるとされる理由を説明した，また，関連す る既往の研究を紹介するとともに，本研究の目的を明らかにした，
第2章では ，本研 究で行 う疲労 解析の 基礎とをるECCの疲労劣化モデルの構築を行った．マイク ロ メカニ クスを 配合設計原理とするECCでは，複合材料を構成する繊維，マトリクスおよび両者界 面に関する微視的材料定数から導かれるひび割れ面での繊維伝達応力‐ひび割れ開口幅関係（架橋 則）による材料挙動の予測が可能であり，架橋則において繰返し載荷に伴う微視的材料定数の変化 を仮定することで，ECCの疲労破壊機構である繊維伝達応カの劣化をモデル化した，具体的には．ポ リ ビニル アルコ ール(polyvinyl alcohol，以下，PVA)繊維を補強用に用いたECC（以下，PVA‑ECC) を対象とし，その支配的な繊維伝達応力劣化要因である繊維の疲労破断に着目して，微視的材料定数 のーつである繊維の引張強度に疲労低下則を適用している．構築したモデルは，同一ひび剖れ開口 幅 におけ る引張 応カの 保持率 を表す 応力比の 変化に ついて ，既往のPVA‑ECCの材料疲労試験結果
（ 一軸引 張疲労 試験 および 一軸交 番疲労 試験 ）と比 較する ことで 妥当性 を確 認し，さらに，本モデルの 有 限 要 素 解 析へ の 適 用 を 容易 に す る た め， 応 力 比 の 変化 を ひ び 割れ 開口幅 と繰返 し回数 の関 数とし て 定式化 した．
第3章 で は ， 第2章 で 構 築 し た 繊 維 伝 達 応 力 劣 化 モ デ ル を 用 い てPVA‑ECC梁 の 曲 げ 疲 労 載 荷 解 析 を 実 施 し ， 部 材レ ベ ル で の 疲労 劣 化 挙 動 に 対す る 本 モ デ ルの 適 用 性 の 検証 お よ びPVAーECCの 曲 げ 疲 労 特 性 の解 析 的 評 価 を行 っ た ． モ デル の 検 証 で は， 解 析 結 果が 既往の 実験結 果にお ける たわみ の 変 化 お よ びS‑N線 図を 再 現 す る こと を 確 認 し ， 本モ デ ル に よ り疲 労 劣 化 挙 動お よ び 疲 労寿命 の予 測 が 可 能 で ある こ と を 示 して い る ． 曲 げ疲 労 特 性 の 評価 で は ， パラ メトリ ック解 析に基 づき 荷重条 件 がPVA―ECCの 疲 労 特性 に 及 ば す 影響 に つ い て 検討 し た ， こ れ は， 既 往 の 研 究で 明 ら か に なっ て い る 繊 維 架 橋性 能 低 下 の 載荷 履 歴 依 存 性を 評 価 す る こと を 目 的 とし たもの であり ，荷重 振幅 を変数 と し て 採 用 して い る ． パ ラメ ト リ ッ ク 解析 の結 果から は， 最小荷 重毎にS‑N線 図が作 成さ れるこ と，
普 通 コ ン ク リー ト の 圧 縮 疲労 強 度 式 と 同様 に 最 大 荷 重と 最 小 荷 重を 用いて 破壊ま での繰 返し 回数を 推 定 で き る こと ， そ の 推 定式 が 片 振 り 繰返 し 載 荷 時 と正 負 交 番 繰返 し載荷 時に区 別して 定義 できる こ と が 示 さ れて お り 。将来 的によ り広 範囲な 条件の 下で実 験およ び解 析を実 施する ことで ，様 々を荷 重 条 件 に 対 応し たS‑N線 図 お よ び 曲げ 疲 労 強 度 式 の定 式 化 が 可 能で あ る と い う結 論 に 至 ってい る，
第4章 で は ， 繰 返 し 移 動 荷 重 を 受 け るECC補 強 鋼 床版 の 有 限 要 素解 析 を 実 施 し，ECCを 用い た 上 面 増 厚 補 強 によ る 鋼 床 版 の疲 労 耐 久 性 向上 効 果 を 解 析的 に 評 価 した ．解析 に先立 ち，既 往の 研究で 提 案 さ れ て いる 繊 維 強 化 プラ ス チ ッ ク 製の プ レ ー ト 型ジ ベ ル （ 以下 ，PLジベ ル）を 用い た鋼‑ECC一 体 化 構 造 に つ い て も 簡 単 に ま と め て い る ． 有 限要 素 解 析 で は，3本 のUリブ を 有 す る 鋼床 版 とECC をPLジ ベル に よ り 一 体化 し た 合 成 床 版構 造 を 解 析 対象 と し ，Uリプ ‐ デ ッ キ プレ ー ト 間 の接合 部に 生 じ る 局 部 応カ に 着 目 し た2つ の 走 行 ライ ン を 用 意 する こ と で ， 走行 位 置 が 疲 労 耐久 性 に及 ばす影 響 も 検 討 し てい る ． 解 析 結果 は っ た わ み， 鋼 床 版 ひ ずみ ，PLジ ベル に 作 用 す るせ ん 断 カお よびECC の ひ び 割 れ 発生 状 況 に つ いて 確 認 し ， 設計 荷 重 相 当 の輪 荷 重 走 行で は，走 行位置 によら ず120〜160 万 回 の 走 行 で生 じ る 疲 労 損傷 の う ち の 多く が走 行I川数20万川ま での比 較的早 い段階 で生 じるが ，そ の 後 は 、ECCが 十 分 に引 張 カ を 負 担で き る 状 態 に 保た れ ， 増 厚 材に 大 き を 引 張カ が 作 用 する場 合で あ っ て も 安 定し た 剛 性 向 上効 果 が 発 揮 され る こ と を 示し た ． ま た ，ECC補 強 によ る 鋼 床 版ひず みの 低 減 効 果 はUリ ブ ‐ デ ッ キプ レ ー ト 接 合部 で 最も顕 著とを り，同 部位 に関す る疲労 照査結 果か らは，
設 計 荷 重 相 当 の 下 で は ， 補 強 前 の6〜10倍 の 耐 用 年 数 が 期 待 さ れ る こ と が 示 さ れ た ， 第5章 で は 、 trJ‑ECC合 成部 材 の 疲 労 き裂 進 展 解 析 を行 っ た ． 既 設 鋼床 版 に 対 す るECC補 強の 効 果 を 検 討 す る場 合 ， 既にき 裂が発 生し ている 鋼床版 を想定 した余 寿命 （き裂 進展寿 命）評 価手 法の開 発 が 必 要 で あり ， 本 章 で はそ の 基 礎 的 段階 と し て ， 非常 に 簡 便 を き 裂進 展 問 題 を 対象 にECC補 強が 鋼 部 材 の 疲 労き 裂 進 展 に 及ぼ す 影 響 を 解析 的 に 評 価 した ． 有 限 要素 解析で は，接 合要素 のー つであ る 結 合 力 要 素お よ び 結 合 カの 疲 労 損 傷 則を 用 い て き 裂開 閉 口 お よび 進展挙 動をモ デル化 して おり，
ま ず ．SM490材 を 対 象 とし た き 裂 先 端開 ロ 変 位 試 験 およ び 線 形 破 壊力 学 とParis則 を 併用 し た 疲 労 き 裂 進 展 予 測結 果 と の 比 較か ら 解 析 手 法の 適 用 性 を 検証 し て い る． 合成部 材の疲 労き裂 進展 解析で は 、 ECC補 強 の 有 無に よるき 裂進展 速度お よびき 裂開 口速度 の違い を比較 し， その結 果，補 強後で は き 裂 進 展 お よび き 裂 開 口 が抑 制 さ れ ，ECCの ひ び 割れ 分 散 性 が 発揮 さ せ る 高 疲労 荷 重 時 ほどそ の抑 制 効果が 大きく をる ことが 示され た．
最 後 に6章 で は ， 本 研 究 の 結 論 と し て 得 ら れ た 知 見 を ま と め ， 今 後 の 課 題 を 示 し て い る ．
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学位論文審査の要旨 主査 副査
副査 副査
准教授 教授 教授 教授
松本 林川 上田 横田
学 位 論 文 題 名
高志 俊郎 多門 弘
マイクロメカニクスに基づく ECC 補強鋼床版の疲労耐久 性評価に関する研究
道 路 橋 の 鋼 床版 は 輪 荷 重 が直 接 作 用 す る部 材 で あ り 、経 年 し た 既 設 橋にお いて多 数の疲 労損傷 が 報 告 さ れ て い る 。 疲 労 損 傷 の 中 で も 、 デ ッ キプ レ ー ト とUリ ブ と の 接 合部 に お け る 亀裂 の 報 告 件 数 が多 く 、 こ れは 輪 荷 重 による デッキ プレー トの 局部的 を負曲 げに伴 う応力 集中 から亀 裂が発 生・
進 展す る も の と され て い る 。 疲労 亀 裂 の 進 展 は、 舗 装 の 割 れや 陥 没 を 招くの みな らず、 構造物 の安 全 性に お い て も 重要 で あ り 、 早急 を 対 策 が 必 要と さ れ て い る。
鋼 床 版 の 疲 労対 策 と し て 、鋼 繊 維 補 強 コン ク リ 一卜(Steel Fiber Reinforced Concrete、SFRC)に よ る 鋼 床 版 上 面 増 厚 工 法 は 、 ア ス フ ん ル ト 舗 装 の 一 部 をSFRCで 置 換 し 鋼 床 版と 合 成 化 す る こと で 剛性 向 上 を 図 り、 鋼 床 版 に 発生 す る 応 カ を 低滅 さ せ る も ので あ り 、 適用事 例が 増加し ている 。ま た 近 年 で は 、 複 数 微 細 ひ び 割れ の 発 生 に よ りひ ず み 硬 化 挙動 を 示 す セ メン ト 系 繊 維 補強 複 合 材 料 (Engineered Cementitious Composite、ECC)を 用い た上面 増厚 工法が 提案さ れてい る。 これは 、0.5 パ ー セ ン ト 以 上 の 高 い 引 張 ひず み 性 能 に よ る鋼 材 変 形 へ の追 従 性 、 ひ ずみ 硬 化 挙 動 によ る 応 力 分 担 、 最 大 で も0.2mm以 下 の 微 細 ひ び 割 れ 幅 よ る 耐 久性 向 上 を ど が、 期 待 さ れ てい る た め で あ る。
し か し を が ら 、ECCは 比 較 的 新 し い 材 料 で あ る ため 疲 労 特 性 の把 握 が 十 分 でな く 、 合 成 部 材で あ るECC補 強 釧 床 版 の 疲 労 挙 動 の 把 握 に は 長 期 間 の 輪荷 重 走 行 試 験 を要 す る な ど の状 況 に よ り 疲 労 耐久 性 に 関 す る研 究 が 十 分 では な い 。
こ の よ う な 背 景 の も と で 、 本 論 文 はECCに よ り 上 面 増 厚 補 強 し た 鋼 床 版 を対 象 と し て 、ECCの 微 視的 を 疲 労 劣 化機 構 に 基 づ ぃた 材 料 疲 労 劣 化モ デ ル を 導 出し た 上 で 、この モデ ルを組 み込ん だ非 線 形 有 限 要 素 解 析 手 法 を 構 築 す る こ と に よ り 、ECC補 強 鋼 床 版 の 疲 労 耐 久 性 とECCに よ る補 強 効 果 を数 値 解 析 的 に検 討 す る も ので あ る 。
本 論 文 は 全 6章 か ら 構 成 さ れ て お り 、 各 章 の 内 容 は 以 下 の と お り で あ る 。 第1章 で は、 研 究 の 背 景 と既 往 の 研 究 成果 を ま と め てお り 、 研 究 の目 的 と と も に 論文 の 構 成を 示 し てい る 。
第2章 で は 、ECCのひ び 割 れ 面 にお け る 繊 維 伝達 応 力 ‐ ひ び 割れ 開 口 幅 関 係に お い て 疲 労劣 化 の 影 響を 考 慮 し た 繊維 伝 達 応 力 劣化 モ デ ル を 構 築し て い る 。 構築 さ れ た モデル は、 繊維補 強複合 材料 の 微視 的 材 料 定 数に よ り 表 さ れて お り 、 繊 維 の疲 労 破 断 に よる 繊 維 数 の減少 で伝 達応カ の低下 を再 現 して い る 。 妥 当性 は 既 往 の 疲労 試 験 結 果 と 比較 す る こ と で確 認 さ れ ている 。ま た、有 限要素 解析
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で の 適 用 を 容 易 と す る た め に 、 モ デ ル に 対 す る 近 似 式 も 提 案 し て い る 。 第3章 で は 、 繊 維 伝 達 応 力 劣 化 モ デ ル を 用 い たECC梁 の 曲げ 疲 労 載 荷 解 析に よ り 、 部 材レ ベ ル で の モ デ ル の 適 用 性 の 検 証 と 、ECC梁 の曲 げ 疲 労 特 性の 解 析 的 検 討を 行 っ て い る 。検 証 で は 梁 の た わ み 変 化 とS‑N線 図 の 再 現 を 確 認 し 、疲 労 挙 動 と 疲労 寿 命 の 予 測が 可 能 で あ る こと を 示 し て い る 。 検 討 で はパ ラ メ ト リ ック 解 析 に よ り荷 重 条 件 が 曲 げ疲 労 特 性に及 ばす影 響を 確認し ており 、コ ン ク リ ー ト の圧 縮 疲 労 強 度式 と 同 様 の 定式 化 を 提 案 し てい る 。
第4章 で は 、 繰 返 し 移 動 荷 重 を 受 け るECC補 強 鋼 床 版 の 有限 要 素 解 析 を 行い 、 鋼 床 版 の疲 労 耐 久 性 向 上 を 解 析 的 に 検 討 し て い る 。 解 析 で は 、3本 のUリ ブ を 有 す る 鋼 床 版 とECCを プ ラ スチ ッ ク 製 ジ ベ ル によ り 一 体 化 した 合 成 床 版 構造 を 対 象 と し 、Uリ ブ ‐ デ ッキ プ レ ー ト 問の 接 合部に 生じ る 局 部 応 カ に 着 目 し た2つ の 走 行 ラ イ ン につ い て 、 走 行 位置 が 疲 労 耐 久性 に 及 ば す 影響 も 検 討 し て い る 。 解 析 結果 は 、 設 計 荷重 相 当 で は 走行 位 置 に よ ら ず120〜160万 回 の 繰返 し 移 動 荷 重の 間 に ECCが 十 分 に 引 張 カ を 負 担 で き る 状 態 に保 た れ 、 安 定的 極 剛 性 向 上効 果 が 発 揮 さ れる こ と を 示 し て い る 。
第5章 で は 、 鋼‑ECC合 成 部 材 の 疲 労 亀 裂 進 展解 析 を 行 っ てい る 。 既 に 亀 裂が 発 生 し て いる 鋼 床 版 に 対 す るECC増 厚 補 強 を 想 定 し て 、 疲労 損 傷 を 考 慮し た 結 合 力 要素 を 用 い て 鋼 材の 亀 裂 進 展 解 析 を 行 っ て い る。Paris則 に よ る 疲労 亀 裂 進 展 計算 と 比 較 す る こと で 適 用 性 を検 証 し て お り、ECC 補 強 に よ り 亀 裂 進 展 及 び 亀 裂 開 口 の 速 度 抑 制 効 果 が 得 ら れ る こ と を 示 し て い る 。 最 後 に6章 で は 、 本 研 究 の 結 論 と し て 得 ら れ た 知 見 を ま と め 、 今 後 の 課 題 を 示 し て い る 。 こ れ を 要 す る に 、 著 者 はECCの マ イ ク ロ メ カ ニ クス に 基 づ ぃ て疲 労 劣 化 を 考慮 し た 構 成 則を 導 出 し 、 こ の 構 成 則 を 組 み 込 ん だ 非 線 形 有 限 要素 解 析 手 法 を構 築 し 、ECC合 成 鋼 床 版の 輪 荷 重 載 荷 試 験 を 数 値 的 に 検 討 す る こ と で 、ECC補 強 鋼 床 版 の 疲 労 耐 久 性 とECCに よ る補 強 効 果 に 関す る 知 見 を 得 た も ので あ り 、 橋 梁工 学 、 鋼 構 造学 、 複 合 構 造 学、 メ ン テナン ス工学 に貢 献する ところ 大誼 る も の が あ る。 よ って 著者 は、北 海道大 学博士 （工学 ）の 学位を 授与さ れる資 格あ るもの と認め る。
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