2 軸荷重を受ける主桁・横桁交差部の疲労破壊起点の検討
法政大学大学院博士後期課程 学生員○平山 繁幸 法政大学 正会員 森 猛
１．はじめに
近年、鋼橋で数多くの疲労損傷事例が報告されている。その1つに鋼I断面橋梁の主桁・横桁交差部に生 じた疲労亀裂がある。この部分は、主桁ウェブ応力に加えて横桁フランジ応力が作用する2軸応力状態とな ることが多い。交差部の疲労破壊起点としては廻し溶接部の主桁側止端と横桁側止端の2箇所が考えられる。
本研究では、交差部の疲労破壊起点について検討するために、試験条件を変えて疲労試験を行った。さらに、
試験体の応力性状を調べる目的で応力測定試験を行った。疲労試験には溶接のままの試験体と熱処理を施し た試験体を用いた。なお、溶接のままの試験体については既に発表済み１）である。
２．応力性状
疲労試験と応力測定試験に用いた試験体は、図1に示す十字試験体である。試験体の製作は、主桁ウェブ 中央にガス切断で矩形の穴を設け、横桁フランジを差し込み仮付けした後、CO2溶接法による完全溶け込み 溶接で行った。供試鋼材は板厚9mmのSM490Y（降伏応力：415N／mm2、引張強さ：540N／mm2、伸び：
23％）である。試験体は溶接のままのもの（AW 試験体）と応力除去焼鈍を施したもの（SR 試験体）の 2
種類である。焼鈍は、昇温速度21℃／hで630℃まで加熱して約3時間保持した後、降温速度 80℃／hで
250℃となった時に炉から取り出し空冷することによって行った。主桁と横桁の表裏面の溶接止端から5mm
程度離れた位置にひずみゲージを貼付し（図 1 参照）、ゲージの回りを切断することにより解放されるひず みから試験体の残留応力を測定した。なお、ゲージは板の表裏面に加えて側面にも貼付した。残留応力測定 結果を図 3(a)、(b)に示す。AW
試験体では、主桁側で降伏応力
の約 90%に相当する引張残留
応力、横桁側で降伏応力にほぼ 等しい圧縮残留応力が生じてい るのに対し、SR 試験体の残留 応力は非常に小さい。
図2に示すように、試験体の 主桁表裏面と横桁両側面の溶接 止端から約3mm離れた位置に 5 連のひずみゲージを貼付し、
応力測定試験を行った。この試 験は、主桁側の応力を 100N／
mm2で一定として、横桁側の応 力を 0〜150N／mm2の範囲で 50N／mm2 づつ変化させて行 った。以後、横桁応力と主桁応 力の比を2軸応力比と呼ぶ。し たがって、ここでは2軸応力比
キーワード：主桁・横桁交差部 2軸荷重 疲労破壊起点 疲労強度
連絡先：〒184-8584 東京都小金井市梶野町3-7-2 法政大学工学部 電話番号 042-387-6279 図 1 試験体の形状と寸法
横桁フランジ
主桁ウェブ 700mm
345.5mm 9mm
9mm 120mm
120mm 残留応力測定用
ひずみゲージ
3mm 3mm 5連ゲージ
図2 5連ゲージ貼付位置
図3 残留応力測定結果 (a) 主桁ウェブ
–60 –40 –20 0 20 40 60 –300
–200 –100 0 100 200 300 400
裏面(AW) 裏面(SR)
板中心からの距離 (mm) 残留応力 (N/mm2 )
側面(AW) 側面(AW) 表面(AW) 表面(SR)
(b) 横桁フランジ
–60 –40 –20 0 20 40 60 –400
–300 –200 –100 0 100 200
裏面(AW) 裏面(SR)
板中心からの距離 (mm) 残留応力 (N/mm2 )
側面(AW) 側面(SR) 表面(AW) 表面(SR)
0、0.5、1.0、1.5の条件で試験を行ったことになる。応力測定 試験より得られた溶接止端近傍の応力分布を図4(a)、(b)に示す。
2軸応力比が1.0の場合、溶接止端に最も近い位置での応力は、
主桁側で153N／mm2、横桁側で157N／mm2と横桁側の応力 が主桁側よりも若干高くなっている。
３．疲労試験
AW試験体を対象として、2軸応力比0、0.5、1.0、1.5の条 件で疲労試験を行った。その際、主桁ウェブの公称応力範囲は
100N／mm2で一定としている。AW 試験体での疲労亀裂はす
べての2軸応力比において主桁側溶接止端部から発生し、破断 に至った。上述の応力測定試験結果から、2 軸応力比1.0 及び 1.5 の場合には、横桁側溶接止端が疲労亀裂の起点になると考 えられるが、この部分から疲労亀裂は生じなかった。これは主 桁側溶接止端部に引張残留応力が生じているのに対し、横桁側 溶接止端部には圧縮残留応力が生じているためと考えられる。
しかし、実際の橋梁では、隣接する部材による拘束あるいは高 力ボルトで接合することにより、横桁側に常に圧縮残留応力が 生じるとは限らない。
以上のことを考慮して、残留応力を除去したSR試験体で疲 労試験を行った。疲労破壊は、破断したすべての試験体で横桁 側溶接止端部から発生した疲労亀裂の進展により生じた。主桁 側溶接止端部を磁粉探傷法で検査したが、疲労亀裂は認められ なかった。
疲労試験結果を図 5に示す。SR 試験体で2 軸応力比が0.5 のとき、残留応力の影響により繰返し回数が500万回を超えて も試験体は破断しなかった。磁粉探傷法により疲労亀裂の有無 を調べたが亀裂の存在は認められなかった。2 軸応力比が 1.0 になると、疲労破壊起点は横桁側溶接止端部となった。また、
SR 試験体の疲労寿命は、主桁側から破断したAW 試験体と比 べて45%程度増加した。
４．まとめ
主桁・横桁交差部の疲労破壊起点について検討することを目 的として、疲労試験と応力測定試験を行った。本研究で得られ た結果は以下の通りである。
1. 疲労破壊起点は溶接残留応力に大きな影響を受ける。
2. 拘束応力等により圧縮残留応力の効果が期待できず、横 桁に主桁と同程度の応力が生じる場合には、横桁側溶接 止端部が疲労破壊起点となりやすい。
参考文献
1)平山繁幸，森猛：2軸荷重を受ける主桁・横桁接合部の疲労強度，土木学会第57回年次学術講演会，Ⅰ-654，
2002.
図4 応力測定試験結果 (a) 主桁ウェブ表面
4 6 8 10 12
120 130 140 150 160 170
応力 (N/mm2 )
溶接止端からの距離 (mm) 2軸応力比 1.5 2軸応力比 1.0 2軸応力比 0.5 2軸応力比 0
(b) 横桁フランジ側面
4 6 8 10 12
0 100 200 300
2軸応力比 1.5 2軸応力比 1.0 2軸応力比 0.5 2軸応力比 0
応力 (N/mm2 )
溶接止端からの距離 (mm)
図5 疲労試験結果
0 0.5 1 1.5
疲労寿命 (×105 cycle)
2軸応力比 試験結果 (SR試験体) 平均値 (AW試験体) 40
10 20
5
2
試験結果 (AW試験体)
平均値 (SR試験体) (＞5×106)
