(57)【要約】【課題】横リブの高さを抑制することで省スペース化を図ることができる鋼床版を提供する。【解決手段】鋼床版１０の縦リブ１２と横リブ１３とのうちの少なくとも何れか一方が、長さ方向および当該長さ方向と直交する方向に広がる板面を有し、当該板面上の第一方向とこの第一方向と直交する第二方向とでヤング率が異なり、かつ第一方向のヤング率が第二方向のヤング率よりも高く設定された異方性鋼板によって形成され、縦リブ１２が異方性鋼板によって形成されている場合、縦リブ１２は、その第一方向が橋軸方向に向けられ、横リブ１３が異方性鋼板によって形成されている場合、横リブ１３は、その第二方向が鉛直方向に向けられているので、横リブ１３のウェブ高さを抑制することで省スペース化を図ることができる。【選択図】図１
2020020128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
橋軸方向に延びる縦リブと、橋軸直交方向に延びて前記縦リブと交差する横リブとによってデッキプレートを支持してなる鋼床版であって、
前記横リブは、板面上の第一方向とこの第一方向と直交する第二方向とでヤング率が異なり、かつ前記第一方向のヤング率が前記第二方向のヤング率よりも高い異方性鋼板によって形成され、
前記横リブは、前記第二方向が鉛直方向に向けられていることを特徴とする鋼床版。
【請求項２】
前記横リブの第二方向のヤング率は普通鋼のヤング率よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の鋼床版。
【請求項３】
橋軸方向に延びる縦リブと、橋軸直交方向に延びて前記縦リブと交差する横リブとによってデッキプレートを支持してなる鋼床版であって、
前記縦リブは、板面上の第一方向とこの第一方向と直交する第二方向とでヤング率が異なり、かつ前記第一方向のヤング率が前記第二方向のヤング率よりも高い異方性鋼板によって形成され、
前記縦リブは、前記第一方向が橋軸方向に向けられていることを特徴とする鋼床版。
【請求項４】
前記縦リブの第一方向のヤング率は普通鋼のヤング率よりも高いことを特徴とする請求項３に記載の鋼床版。
【請求項５】
前記縦リブが、鉛直方向に沿う板面を有する平板状に形成され、前記横リブが、鉛直方向に沿うウェブ面を有し、かつ前記縦リブが挿入される切欠きが設けられた平板状のウェブと、当該ウェブの下端部に取り付けられた下フランジとを備えていて、
前記縦リブと前記横リブとの交差部が、前記横リブにおける前記切欠きの縁部と縦リブとの間の隙間を塞ぐように連続的に全周溶接されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋼床版。
【請求項６】
前記横リブおよび前記縦リブが前記異方性鋼板により形成されていて、前記横リブは前記第二方向が鉛直方向に向けられると共に、前記縦リブは前記第一方向が橋軸方向に向けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼床版。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は橋梁用の鋼床版に関する。
【背景技術】
【０００２】
橋梁用の鋼床版はその軽量性・急速施工性から特にインフラ更新市場での需要が増している。  鋼床版の一例として特許文献１に記載のものが知られている。この鋼床版は、デッキプレートと、当該デッキプレートの下面に接合されるとともに橋軸方向に延在する平板状の縦リブと、橋軸方向と直交する橋軸直交方向に延在するとともに縦リブと直交して配置された横リブとを備えている。  横リブは、デッキプレートの下面に接合されるウェブと、当該ウェブの下端部に接合される下フランジとを有している。また、縦リブは、横リブのウェブの上端部に形成された切欠きに挿通され、横リブの切欠きの縁部と縦リブとがまわし溶接によって接合されている。  
【０００３】
このような鋼床版では、横リブのウェブを高く設定することで、互いに交差した縦リブと横リブとを接合するまわし溶接の溶接部において、ウェブ側止端から疲労き裂が発生する個所での局所応力を効率的に低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６０７２９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように疲労き裂が発生する箇所での局所応力を低減するために、つまり、疲労耐久性を確保するために横リブのウェブ高さを、例えば標準的な５００ｍｍから６００ｍｍへ増加させると、鋼床版自体の高さ（上下の寸法）が高くなるため、特に中小橋梁における橋梁全体の桁高を低減させるニーズに対して逆行し、横リブの高さが鋼床版の省スペース化を妨げ、結果として低桁高構造の障壁となってしまう。
【０００６】
ところで、鋼床版において、縦リブと横リブとの交差部（溶接部）では縦リブと横リブとが互いの変形を拘束し合う結果、付加的な応力が発生している。このような交差部では、部材の剛性を変化させることで発生応力を低減できる可能性がある。例えば、縦リブの変形によって拘束され、強制的に変形させられる横リブは、その変形が縦リブとの接合部で局所的に発生するため、局所的に高い応力が発生するが、横リブの剛性を下げる（変形しやすくする）ことで、変形する領域を広げ、局所的な応力集中を下げることができると考えられる。しかし、横リブの剛性を変化させるには、付加的な加工による加工コストの上昇や、板厚の減少等による構造部材としての強度低下が発生する懸念がある。
一方で、ヤング率が通常の鋼板と異なる鋼板、すなわち特定方向のヤング率を高める一方で、この特定方向と直交する方向のヤング率が低くなっている異方性鋼板が開発されている。この異方性鋼板は、特定方向を高ヤング率としたことに伴う剛性増加を主要な狙いとして開発されたもので、基本的に、低ヤング率つまり低剛性となる方向を避けて、高剛性となる方向を利用して部材を形成する。したがって、単純な変形状態にある部材（例えば鉛直荷重に抵抗する桁）では、高ヤング率の特性を利用することにより変形を抑制することが行われるが、部材のヤング率を高めた場合、変形は抑制されるものの、発生する応力自体は不変である。
【０００７】
このような状況において、縦リブと横リブとの交差部に発生する局所応力の低減、及び橋梁の低桁高化を実現させるため、発明者らが鋭意研究を重ねた結果、複数の部材が互いの変形を拘束し合うことで発生応力が決定している箇所では、異方性鋼板を適用し、部材の剛性を変化させることにより、発生応力を制御できるとの知見を得た。そして、縦リブと横リブとの交差部において発生する応力を低減できれば、疲労き裂の発生を抑制しながら、横リブの高さを抑えてスペースを省略し、低桁高化を図ることができるとの結論に至った。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、縦リブと横リブとの交差部での疲労き裂の発生を安定的に抑制する一方で、横リブの高さを抑制することで省スペース化を図ることができる鋼床版を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明の鋼床版は、橋軸方向に延びる縦リブと、橋軸直交方向に延びて前記縦リブと交差する横リブとによってデッキプレートを支持してなる鋼床版であって、
前記横リブは、板面上の第一方向とこの第一方向と直交する第二方向とでヤング率が異なり、かつ前記第一方向のヤング率が前記第二方向のヤング率よりも高い異方性鋼板によって形成され、
前記横リブは、前記第二方向が鉛直方向に向けられていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の鋼床版は、橋軸方向に延びる縦リブと、橋軸直交方向に延びて前記縦リブと交差する横リブとによってデッキプレートを支持してなる鋼床版であって、
前記縦リブは、板面上の第一方向とこの第一方向と直交する第二方向とでヤング率が異なり、かつ前記第一方向のヤング率が前記第二方向のヤング率よりも高い異方性鋼板によって形成され、
前記縦リブは、前記第一方向が橋軸方向に向けられていることを特徴とする。
【００１０】
ここで、縦リブと横リブとが交差している交差部では、縦リブが交通荷重によって鉛直方向にたわみ変形し、変形した縦リブに引きずられるように横リブが面外方向（橋軸方向）に変形する挙動が考えられる。横リブの面外変形量および変形に伴い発生する鉛直方向の曲げひずみ量は、縦リブの変形量、すなわち縦リブのたわみ剛性が支配的となって決定しており、横リブのヤング率等の影響を比較的受けにくい。そのため、横リブの鉛直方向については、ヤング率が低くなるように異方性鋼板を配置することで、ひずみ一定の条件下でのヤング率を低くし、これにより、ひずみとヤング率との積で主に決定される横リブの発生応力を小さくすることができる。
また、縦リブとして、そのたわみ剛性が増加するように異方性鋼板を配置することで、縦リブが横リブを面外方向に引きずる量が低減されるため、横リブの面外曲げひずみ量が低減され、この結果、横リブの発生応力を小さくすることができる。
【００１１】
したがって、本発明においては、縦リブが異方性鋼板によって形成されている場合は、当該縦リブにおいて、ヤング率が高い第一方向が橋軸方向に向けられ、横リブが前記異方性鋼板によって形成されている場合は、当該横リブにおいて、ヤング率が低い第二方向が鉛直方向に向けられているため、縦リブと横リブとの交差部での発生応力を低減できる。
これにより、縦リブと横リブとの交差部での疲労き裂の発生を抑制しながら、横リブの高さを抑えることができるため、鋼床版の省スペース化を図ることができる。
【００１２】
また、横リブは、鉛直方向のヤング率が低く設定されているので、縦リブが異方性鋼板でない場合（普通鋼）であったとしても、横リブのウェブと縦リブとの交差部に発生する応力を低減でき、これにより、疲労き裂の発生を抑制しながら、横リブの高さを抑えることができる。
また、縦リブは橋軸方向のヤング率が高く設定されているので、縦リブのたわみ剛性が増加し、縦リブが横リブを面外方向に引きずる量が低減される。これにより、横リブが異方性鋼板でない場合（普通鋼）であったとしても、横リブの面外曲げ応力を低減でき、この結果、横リブのウェブと縦リブとの交差部に発生する応力を低減できるため、疲労き裂の発生を抑制しながら、横リブの高さを抑えることができる。
【００１３】
また、本発明の前記構成において、前記縦リブが前記異方性鋼板によって形成されている場合、当該縦リブの第一方向のヤング率は普通鋼のヤング率よりも高く、前記横リブが前記異方性鋼板によって形成されている場合、当該横リブの第二方向のヤング率は普通鋼のヤング率よりも低いことが好ましい。
このような構成によれば、縦リブと横リブとを普通鋼で形成した場合に比べて、交差部での発生応力を一層効果的かつ安定的に低減することができる。
【００１４】
また、本発明の前記構成において、前記縦リブが、鉛直方向に沿う板面を有する平板状に形成され、前記横リブが、鉛直方向に沿うウェブ面を有し、かつ前記縦リブが挿入される切欠きが設けられた平板状のウェブと、当該ウェブの下端部に取り付けられた下フランジとを備えていて、前記縦リブと前記横リブとの交差部が、前記横リブにおける前記切欠きの縁部と縦リブとの間の隙間を塞ぐように全周溶接されているものとすることができる。
【００１５】
このような構成によれば、縦リブと横リブのウェブとの交差部を、横リブにおける前記切欠きの縁部と縦リブとの間の隙間を塞ぐように全周溶接（まわし溶接）によって接合しているので、この交差部（溶接部）において、ウェブ側止端から疲労き裂が発生する個所での局所応力を効率的に低減できる。
【００１６】
また、本発明の前記構成において、前記横リブおよび縦リブが前記異方性鋼板により形成されていて、前記横リブは前記第二方向が鉛直方向に向けられると共に、前記縦リブは前記第一方向が橋軸方向に向けられていてもよい。
【００１７】
このような構成によれば、横リブの鉛直方向のヤング率が低く、かつ縦リブの橋軸方向のヤング率が高いので、これらの相互作用により、横リブの高さを抑制しつつ、より効果的に交差部（溶接部）の疲労耐久性を確保できる。これにより、横リブのウェブと縦リブとの交差部に発生する応力を低減できるため、疲労き裂の発生を抑制しながら、鋼床版の省スペース化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、縦リブと横リブとの交差部での疲労き裂の発生を安定的に抑制することができ、また、横リブのウェブ高さを抑制できるので、鋼床版の省スペース化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る鋼床版を備えた橋梁の要部を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る鋼床版の縦リブと横リブの交差部を示すもので、（ａ）は交差部の斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ円部の拡大図、（ｃ）は交差部の正面図、（ｄ）は交差部の側面図である。
【図３】本発明に係る鋼床版の疲労耐久性評価を有限要素解析によって行った場合を説明するためのもので、（ａ）は解析モデルの側面図、（ｂ）は解析モデルの正面図である。
【図４】同、（ａ）はダブルタイヤ荷重モデルを示す図、（ｂ）は載荷位置を示す図である。
【図５】同、（ａ）は有限要素モデルの全体図、（ｂ）は有限要素モデルの正面図、（ｃ）は有限要素モデルの交差部拡大図である。
【図６】同、シェルモデルの溶接部の板厚を説明するための図である。
【図７】同、異方性鋼板適用による交差部応力の変化を説明するためのもので、各部材のヤング率の変化がＨＳ−２１（縦リブＰ２と横リブとの交差部における横リブウェブ側溶接止端）での発生応力に及ぼす影響を示すグラフである。
【図８】同、横リブウェブ高さとＨＳ−２１の補正ホットスポット応力範囲の低減率との関係を示すものであり、（ａ）は横リブウェブ高さとＨＳ−２１の応力範囲の低減量との関係を示すグラフ、（ｂ）は各部材のヤング率の方向を示す図である。
【図９】同、各部材のヤング率の変化による各応力成分の変化を説明するための図である。
【図１０】同、各部材のヤング率を変化させた場合の鋼床版変形挙動の変化（変形表示倍率：５００）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明に係る鋼床版の実施の形態について説明する。
図１は本実施の形態の鋼床版１０を備えた道路の橋梁１の要部を示す斜視図である。この橋梁１は、鋼床版１０と、当該鋼床版１０の下方に配置されて鋼床版１０を支持する３つの主桁２０と、当該主桁２０を支持する図示しない下部工とを備えている。下部工は基礎や支柱等から構成されている。主桁２０は、鋼床版が載置される上フランジ２０ｂおよび下部工上に配置される下フランジと、橋軸方向および鉛直方向に沿うウェブ面を有する、上フランジ２０ｂと下フランジとを連結するウェブ２０ａとを備えている。３つの主桁２０は、それぞれ橋軸方向に延在し、かつ、橋軸方向と直交する水平方向（橋軸直交方向）に所定間隔で配置されている。
鋼床版１０と主桁２０、主桁２０と下部工は、溶接やボルト等の締結構造により接合されている。
【００２１】
なお、橋梁１は橋軸方向Ｘに延在し、橋梁１の幅方向が橋軸直交方向Ｚとなる。橋軸直交方向Ｚは、橋軸方向Ｘに直交（交差）する水平方向である。
また、橋軸方向Ｘおよび橋軸直交方向Ｚにそれぞれ直交する方向が、鉛直方向Ｙとなる。
【００２２】
鋼床版１０は、デッキプレート１１と、デッキプレート１１の下方において橋軸方向Ｘに延在するように配置されて、当該デッキプレート１１の下面に接合されている複数の縦リブ１２と、橋軸直交方向Ｚに延在して縦リブ１２と交差する複数の横リブ１３とを備えている。
デッキプレート１１は鋼板等で形成された平板であり、板面が橋軸方向Ｘおよび橋軸直交方向Ｚに沿うように配置されている。つまり、デッキプレート１１は板面が水平方向に広がるように配置されている。
縦リブ１２は、鋼板等により形成された帯状平板で形成された板リブであり、板面が橋軸方向Ｘおよび鉛直方向Ｙに沿うように配置されている。また、複数の縦リブ１２は、橋軸直交方向Ｚに所定間隔で配置されており、各縦リブ１２の上端部が溶接等によりデッキプレート１１の下面に接合されている。
【００２３】
横リブ１３は、橋軸方向Ｘに所定間隔で複数配置されており、各横リブ１３はウェブ面（板面）が鉛直方向Ｙおよび橋軸直行方向Ｚに沿うように形成されたウェブ１３ａと、ウェブ１３ａの下端部に設けられた板状の下フランジ１３ｂとからなる断面逆Ｔ字形のリブによって形成されている。ウェブ１３ａは橋軸直交方向Ｚに延在している。下フランジ１３ｂは、ウェブ１３ａの延在方向に沿うように橋軸直交方向Ｚに延在しており、下フランジ１３ｂの橋軸直行方向Ｚの中央部分は、下フランジ１３ｂの板面（上端面及び下端面）が橋軸直交方向Ｚおよび橋軸方向Ｘと略平行となるように配置されている。
また、横リブ１３の橋軸直交方向Ｚの両端部側は、ウェブ１３ａの下端が、鋼床版１０の外側（橋軸直行方向Ｚの両端部）に向かうほどデッキプレート１１に近づくように水平面に対して傾斜しており、このウェブ１３ａの下端の傾斜に沿って下フランジ１３ｂも同様に傾斜している。
【００２４】
また、横リブ１３の橋軸直交方向Ｚにおける中央部と左右両端部には、主桁２０の上フランジ２０ｂを含む上端側が挿入される正面視矩形の切欠部１４が形成されている。切欠部１４は横リブ１３の下フランジ１３ｂとウェブ１３ａの鉛直方向略下半分とを切り欠くことによって下方向きに開くように形成されており、切欠部１４の幅（橋軸直交方向Ｚの幅）は主桁２０の上フランジ２０ｂの幅とほぼ等しいか若干大きめに設定されている。
各横リブ１３の橋軸直交方向Ｚの中央部と両端部近傍とにそれぞれ形成された切欠部１４は、それぞれ橋軸方向Ｘにおいて一直線上に配置されており、当該切欠部１４に主桁２０が下方から挿入され、当該主桁２０の上フランジ２０ｂの上端面が切欠部１４の上縁部に当接されている。
【００２５】
横リブ１３のウェブ１３ａの上端部には、図１および図２に示すように、鉛直方向Ｙに延びるとともにウェブ１３ａのウェブ面を貫通し、上方向きに開くように形成された、縦リブ１２が挿通される複数の切欠き１３ｄが形成されている。切欠き１３ｄの幅（橋軸直交方向Ｚの幅）は縦リブ１２の厚さとほぼ等しいか若干広めに設定され、切欠き１３ｄの上下の長さは縦リブ１２の鉛直方向の長さとほぼ等しいか若干広めに設定されている。
各横リブ１３のウェブ１３ａに形成されている各切欠き１３ｄにそれぞれ縦リブ１２が１枚ずつ挿通されている。これによって、横リブ１３のウェブ１３ａと縦リブ１２とは略直交するようにして交差しており、この交差部が、横リブ１３および切欠き１３ｄの縁部と縦リブ１２との間の隙間を塞ぐように連続的に全周溶接（まわし溶接）されている。全周溶接されてなる溶接部１５は略Ｕ字形に形成され、当該溶接部１５によって切欠き１３ｄの端縁と縦リブ１２との間の隙間が塞がれている。なお、ここで連続的に全周溶接するとは、溶接した部分が空間的に途切れていないことを指す。
また、横リブ１３のウェブ１３ａの上端部における切欠き１３ｄ以外の部分は、溶接等によりデッキプレート１１の下面に接合されている。
【００２６】
また、本実施の形態の鋼床版１０では、縦リブ１２と横リブ１３との双方が異方性鋼板によって形成されている。ここで、異方性鋼板とは、高ヤング率鋼板とも呼ばれ、鋼板の板面上の第一方向のヤング率と、この第一方向と直交する第二方向のヤング率とが異なり、かつ第一方向のヤング率が第二方向のヤング率よりも高く設定された鋼板を指す。
さらに、本実施形態の鋼床版１０に用いられる異方性鋼板は、ヤング率が高い方向である第一方向のヤング率が、普通鋼のヤング率よりも高く、ヤング率が低い方向である第二方向のヤング率が、普通鋼のヤング率よりも低いものを用いている。ここで、普通鋼とは、異方性を有しない鋼板であり、かつ方向に関わらずヤング率が約２０５ＧＰａ程度のものを指す。
【００２７】
縦リブ１２は、第一方向が橋軸方向Ｘに向けられるとともに、第二方向が鉛直方向Ｙに向けられている。ここで、本実施の形態の縦リブ１２の第一方向（橋軸方向Ｘ）のヤング率は、普通鋼のヤング率よりも高ければよいが、例えば１５％程度高く設定されていることが好ましい。一方、縦リブ１２の第二方向（鉛直方向Ｙ）のヤング率は、普通鋼のヤング率よりも低ければよいが、例えば１５％程度低く設定されていることが好ましい。
【００２８】
また、横リブ１３は、ウェブ１３ａが異方性鋼板によって形成されており、当該ウェブ１３ａは、第一方向が橋軸直交方向Ｚに向けられるとともに、第二方向が鉛直方向Ｙに向けられている。ここで、本実施の形態における横リブ１３のウェブ１３ａの第二方向（鉛直方向Ｙ）のヤング率は、普通鋼のヤング率より低ければよいが、例えば１５％程度低く設定されていることが好ましい。一方、横リブ１３のウェブ１３ａの第一方向（橋軸直交方向Ｚ）のヤング率は普通鋼のヤング率より低ければ良いが、例えば１５％程度高く設定されていることが好ましい。
なお、横リブ１３のウェブ１３ａについて、第一方向のヤング率は縦リブの第一方向のヤング率と同じである必要はなく、また第二方向のヤング率は縦リブの第二方向のヤング率と同じである必要はなく、第一方向および第二方向ともに、縦リブの第一方向および第二方向と異なるヤング率であってよい。
なお、図２（ａ）〜（ｄ）において、Ｘ方向が橋軸方向、Ｚ方向が橋軸直交方向、Ｙ方向が橋軸方向および橋軸直交方向に直交する鉛直方向である。
【００２９】
前記構成を有する鋼床版１０は、横リブ１３のウェブ１３ａが、その第二方向を鉛直方向Ｙに向けた状態で配設されているととともに、当該鉛直方向のヤング率が第一方向のヤング率より低く設定されている。このとき、横リブ１３のウェブ１３ａの面外変形量は、縦リブ１２の変形量、すなわち縦リブ１２のたわみ剛性が支配的となって決定するため、横リブ１３のウェブ１３ａのヤング率の影響を受けにくい。したがって、本実施の形態のように、横リブ１３は、第一方向に比べてヤング率が小さい第二方向を鉛直方向Ｙに向けて配置することにより、鉛直方向Ｙについてはひずみ一定の条件下でのヤング率を低くして、ひずみとヤング率との積で主に決定される横リブの発生応力を小さく抑えることができるため、横リブ１３のウェブ１３ａと縦リブ１２との交差部（溶接部１５）に発生する応力を低減できる。
【００３０】
また、縦リブ１２を、ヤング率が高い第一方向を橋軸方向Ｘに向けたことにより、縦リブ１２が横リブ１３のウェブ１３ａを面外方向にひきずる量が低減される。これにより、横リブ１３のウェブ１３ａの面外曲げひずみ量を低減することができるため、横リブ１３のウェブ１３ａと縦リブ１２との交差部に発生する応力、つまり、縦リブ１２と横リブ１３のウェブ１３ａとの溶接部１５において、ウェブ側止端から疲労き裂が発生する個所での局所応力を効率的に低減できる。
【００３１】
さらに、本実施の形態においては、横リブ１３のウェブ１３ａおよび縦リブ１２がともに異方性鋼板により形成されていて、横リブ１３のウェブ１３ａはヤング率の低い第二方向が鉛直方向Ｙに向けられると共に、縦リブ１２はヤング率が高い第一方向が橋軸方向Ｘに向けられている。したがって、これらの相互作用により、ウェブ側止端から疲労き裂が発生する個所での局所応力を一層効率的に低減して、縦リブと横リブとの交差部での疲労き裂の発生をより安定的に抑止することができる。特に、本実施の形態にように縦リブ１２と横リブ１３の両方が異方性鋼板であると、縦リブのみあるいは横リブのみが異方性鋼板である場合に比べて交差部での応力低減量が大きくなるため、非常に効果的である。これにより、横リブ（のウェブ）の高さを抑制しながら、より効果的に交差部の疲労耐久性を確保できる。これにより、横リブ１３のウェブ１３ａの高さを抑制しつつ、より効果的に溶接部１５の疲労耐久性を確保できるので、鋼床版１０の省スペース化を図ることができる。
【００３２】
また、本実施の形態においては、縦リブ１２については、第一方向のヤング率が普通鋼のヤング率よりも高く設定されている一方、横リブ１３のウェブ１３ａについては、第二方向のヤング率が普通鋼のヤング率よりも低く設定されている。これにより、従来普通鋼のみにより形成されていた縦リブおよび横リブのウェブに比べて、縦リブの場合は、横リブ１３のウェブ１３ａを面外方向にひきずる量を低減することができるため、横リブ１３のウェブ１３ａの面外曲げひずみ量を確実に低減することができ、横リブの場合は、発生応力を確実に小さく抑えることができる。この結果、横リブ１３のウェブ１３ａと縦リブ１２との交差部に発生する応力を安定的に低減するこことができ、また横リブ１３のウェブ１３ａの高さを確実に低減することができる。
【００３３】
前記実施の形態においては、縦リブ１２及び横リブ１３（のウェブ１３ａ）がともに異方性鋼板により形成されていたが、縦リブ１２のみあるいは横リブ１３のみを異方性鋼板で形成するようにしてもよい。このとき、縦リブ１２が異方性鋼板によって形成されている場合には、縦リブ１２はヤング率が高い第一方向が橋軸方向に向けられている必要があり、また、横リブ１３が異方性鋼板によって形成されている場合、横リブ１３はヤング率が低い第二方向が鉛直方向に向けられる必要がある。
縦リブ１２のみが異方性鋼板で形成されている場合であっても、この縦リブ１２が横リブ１３を面外方向にひきずる量は低減できるため、横リブ１３の面外曲げひずみ量を低減して横リブ１３と縦リブ１２との交差部１５に発生する応力を小さくすることができ、また疲労き裂の発生を抑止することが可能となる。また、横リブ１３のみが異方性鋼板で形成されている場合であっても、前述のように、横リブ１３の発生応力を小さく抑えることができるため、横リブ１３と縦リブ１２との交差部１５に発生する応力を低減することができる。このように、縦リブ１２のみあるいは横リブ１３のみを異方性鋼板で形成した場合であっても、縦リブ１２と横リブ１３との交差部１５での疲労き裂の発生を安定的に抑制し、また、横リブ１２のウェブ高さを抑制できるため、鋼床版の省スペース化を図ることができる。
【００３４】
さらに、前記実施の形態においては、異方性鋼板によって形成された縦リブ１２について、この縦リブ１２の第一方向のヤング率が普通鋼のヤング率よりも高く設定され、また異方性鋼板によって形成されている横リブ１３（のウェブ１３ａ）については、この横リブ１３（のウェブ１３ａ）の第二方向のヤング率が普通鋼のヤング率よりも低く設定されている。
しかしながら、縦リブ１２が異方性鋼板によって形成されている場合において、この縦リブ１２の第一方向のヤング率は、第二方向のヤング率よりも高ければ、第一方向のヤング率は必ずしも普通鋼のヤング率よりも高くなくてもよい。普通鋼のヤング率はあくまで基準となるヤング率の一つであり、縦リブ１２の第一方向のヤング率が、他の基準となるヤング率を有する異方性のない材料の当該ヤング率よりも高ければ、その材料との比較においては、縦リブ１２が横リブ１３を面外方向にひきずる量は低減でき、横リブ１３と縦リブ１２との交差部１５に発生する応力を小さくすることが可能となる。
また、横リブ１３が異方性鋼板によって形成されている場合において、この横リブ１３の第一方向のヤング率が、第二方向のヤング率よりも高ければ、第二方向のヤング率は必ずしも普通鋼のヤング率よりも低くなくてもよい。前述のように、普通鋼のヤング率はあくまで基準のヤング率の一つであり、横リブ１３の第二方向のヤング率が、他の基準となるヤング率を有する異方性のない材料の当該ヤング率よりも低ければ、その材料との比較においては、横リブ１３の発生応力を小さく抑えることができるため、横リブ１３と縦リブ１２との交差部１５に発生する応力を低減することが可能となる。
【００３５】
次に、本発明に係る鋼床版の疲労耐久性評価を有限要素解析によって行ったので以下に説明する。
１．解析モデル
図３に示すように、解析モデルは１０本の縦リブ（符号１２Ａで示す）を有し、逆T字形断面の横リブ（符号１３Ａで示す）３本すなわち縦リブ（符号１２Ａで示す）２支間をふくむ実構造の部分モデルとし、横リブ（符号１３Ａで示す）のウェブ（以下、横リブウェブと称す。）、縦リブ（符号１２Ａで示す）、デッキプレート（符号１１Ａで示す）のヤング率を変化させた（表１参照）。なお、図３において、符号２０Ａは主桁、Ｖ方向は鉛直方向、Ｌ方向は橋軸方向、Ｔ方向は橋軸直交方向を示す。
また、図３において、ｔ＝９は、横リブウェブの厚さが９ｍｍであること、ｔ＝１２は横リブ（符号１３Ａで示す）のフランジの幅寸法（縦リブの長手方向における幅寸法）が１２ｍｍであることを示す。
表１中のヤング率の変化率は、横リブの場合は橋軸直行方向（Ｔ方向）、縦リブおよびデッキプレートの場合は橋軸方向（Ｌ方向）のヤング率（Ｅ１）をそれぞれ示すものであり、これらに直交する方向、すなわち横リブの場合は橋軸方向（Ｌ方向）、縦リブおよびデッキプレートの場合は橋軸直交方向（Ｔ方向）の各ヤング率（Ｅ２）は、普通鋼のヤング率（Ｅ）との関係が、（Ｅ１＋Ｅ２）／２＝Ｅとなるようにした。両方向のポアソン比は、基準値０．３から、ヤング率と同じ変化率で変化させた値とし、せん断弾性係数は一定値Ｅ／２．６とした。
【００３６】
縦リブ、横リブウェブのヤング率は、両者の交差部の接合において、両リブが拘束し合うことで発生する応力を低減させることを狙って変化させた。横リブウェブ高さが縦横リブ交差部の応力に影響することがわかっているため、横リブウェブ高さも４００，５００，６００ｍｍと変化させた。デッキプレートのヤング率変化は、最も荷重を負担する縦リブから、隣接する縦リブへの荷重分配を増やし、縦横リブ交差部の応力を低減させることを狙った。
ホットスポット応力（溶接止端部における応力）を算出する対象溶接部は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面におけるＰ２〜Ｐ５で示す縦リブと横リブとの交差部とし（図３（ｂ）参照）、各交差部において横リブウェブ側、縦リブ側の両溶接止端に着目し、それぞれ止端１，２とした（図２（ｂ）参照）、以降では溶接止端の名称を、縦リブ番号と止端番号で表し、例えば縦リブＰ３と横リブとの交差部の、横リブウェブ側溶接止端であればＨＳ−３１と称する。
【００３７】
【表１】
2020020128.tif 000003
【００３８】
モデル名の１文字目４，５，６はそれぞれ横リブウェブ高さｈＴ＝４００，５００，６００ｍｍを示し、２文字目は各部材のヤング率の変化の組合せを示す。
各部材の方向は、横リブは橋軸直行方向（Ｔ方向）、縦リブおよびデッキプレートは橋軸方向（Ｌ方向）を指す。
ヤング率の変化率は、２０５ｋＮ／ｍｍ２（２０５ＧＰａ）を基準として、「０」はヤング率を変化させない場合、「＋１５」は第一方向のヤング率を１５％増加させた場合、「−１５」は第一方向のヤング率を１５％減少させた場合を示す。
【００３９】
２．荷重：移動載荷による最も厳しい荷重位置探索
荷重は、道路橋示方書を参考にモデル化したダブルタイヤ接地面への合計１００ｋＮの等分布圧力とした（図４（ａ）参照）。
鋼床版の縦横リブ交差部は、荷重位置によって発生応力が変化し、一方で実働交通荷重はあらゆる位置に作用する可能性があるため、荷重位置を変化させて発生応力が最大、最小となる荷重位置を探索し、両応力の差によって応力範囲を決定した。荷重位置はモデル平面図における、モデルのデッキプレート上面での図心（図４（ｂ）にあらわされているデッキプレートの上面における対角線の交点位置。即ち、図４（ｂ）中にあらわされている座標軸の原点位置。）を原点として、橋軸方向にＬ＝−０，−１００，−２００，…，−９００，−１０００ｍｍ、橋軸直交方向にＴ＝−１２８０，−１１２０，…，１１２０，１２８０ｍｍと動かした（図４（ｂ）参照）。ここで荷重位置とはタイヤ接地面の図心位置を指す。従って荷重ケース数は１８７ケースであった。解析モデルが中間横リブを軸に対象であるため、荷重位置が（Ｌ，Ｔ）＝（ａ，ｂ）である時の解析結果は、荷重位置が（Ｌ，Ｔ）＝（−ａ，ｂ）である時の解析結果を、中間横リブを軸としてＬ軸方向に反転させたものであるとみなした。
【００４０】
３．応力の算出方法
応力算出方法を以下に示す。まず、様々な形状の縦横リブ交差部の疲労性能を評価、比較するため、継手形状による応力集中を考慮することができる構造ホットスポット応力（以下、ホットスポット応力と称す。）を用いて溶接部の応力を評価した。ホットスポット応力は国際溶接学会の疲労設計指針に従い、次式によって算出した。
【００４１】
【数１】
2020020128.tif 000004
【００４２】
ここで、左辺のσhはホットスポット応力、右辺のσは鋼板表面の溶接止端直角方向の応力、その添え字は止端から応力参照点までの距離、ｔは鋼板の板厚を示す。式（１ａ），（１ｂ）はそれぞれ、鋼板表面、鋼板端面と溶接金属との交点からなる止端が対象である場合に用いた。
さらに、鋼板厚が薄い場合には疲労強度が上昇すること、面外曲げ応力が作用する場合には、面内膜応力が作用する場合に比して疲労強度が上昇することを考慮し、下式によってホットスポット応力を補正した。補正したホットスポット応力（以下「補正ホットスポット応力」という。）に対する疲労設計曲線は、ＪＳＳＣ（日本鋼構造協会：鋼構造物の疲労設計指針・同解説，技報堂出版，２０１２）を参考にＥ等級とした。
【００４３】
【数２】
2020020128.tif 000005
ここで、左辺のσ´ｈは補正ホットスポット応力、右辺のσｈ,ｍ、σh,bはそれぞれホットスポット応力の膜応力、曲げ応力成分であり、σh, obv，σh, revから算出した。σh, obv，σh, revはそれぞれ応力を評価する対象の面を表面としたときの表面、裏面のホットスポット応力を表す。
【００４４】
４．有限要素解析条件
モデルはシェル要素で構築し、ホットスポット応力を算出する対象溶接部近傍で、周囲に比して細かいメッシュサイズを持つようにした（図５参照）。対象溶接部近傍の縦リブ側、横リブ側の要素サイズはそれぞれ１．８ｍｍ，２．０ｍｍとした。対象溶接部近傍の要素形状はなるべく正方形に近づくよう制御した。対象溶接部近傍では、溶接部の剛性を再現するために、町田らの報告（町田進, 的場正明, 吉成仁志, 西村隆一: ホットスポット応力基準による疲労強度評価（第３報）―ＦＥＭによる評価―, 日本造船学会論文集, Ｎｏ.１７１,  ｐｐ.４７７−４８４,  １９９）にしたがって板厚を変化させた（図６参照）。
解析での境界条件は、橋軸および橋軸直角方向に単純支持となる様な、主桁下フランジの支持とした。解析には汎用有限要素解析ソフトウェア，Ａｂａｑｕｓ  ６．１３を用いた。
【００４５】
５．結果
異方性鋼板適用による交差部応力の変化
表２に解析結果の一覧を示す。表２中の結果は、表１で示した各モデルにおいて補正ホットスポット応力範囲が最も大きい溶接止端の結果を示している。そのモデル−６７以外の全モデルでＨＳ−２１であった。モデル−６７では、ＨＳ−３２となったが、他モデルとの効果比較のため、ＨＳ−２１に着目した解析結果もモデル名を６７’として示した。表２中のＰＯＳｍａｘ，ＰＯＳｍｉｎはそれぞれ着目部での補正ホットスポット応力が最大、最小となったケースでの荷重位置を示す。
【００４６】
【表２】
2020020128.tif 000006
括弧内は表面応力に占める面内膜応力成分を示す。
【００４７】
表２の結果に基づき、図７に横リブの場合は橋軸直行方向、縦リブおよびデッキプレートの場合は橋軸方向のヤング率と、ＨＳ−２１の補正ホットスポット応力範囲との関係、およびＪＳＳＣによる疲労設計曲線Ｅ等級の疲労限度をあわせて示す。ここで補正ホットスポット応力による疲労設計はＥ等級とするのがよいことが既往の検討からわかっている。
図７に示すように、縦リブのみ（図７（ａ）参照）、横リブウェブのみ（図７（ｂ）参照）、縦リブおよび横リブウェブの両方（図７（ｃ）参照）のそれぞれのヤング率Ｅ１を１５％増加させた場合、ＨＳ−２１の応力範囲は４．６，４．１，８．４％それぞれ低減された。ここで応力低減率は横リブウェブ高さ５００ｍｍ場合の結果である。
デッキプレートは、Ｅ１を１５％減少させた場合に、すなわち橋幅方向のヤング率Ｅ２が１５％増加した場合にＨＳ−２１が低減されたが、その低減量は０．３％と、縦リブや横リブウェブのヤング率変化の効果に比して１／１０程度であった。
横リブウェブのヤング率Ｅ１を変化させ、ＨＳ−２１の応力範囲を低減した結果、横リブウェブ高さ５００ｍｍの場合も、Ｅ等級の疲労限度６２Ｎ／ｍｍ２を満たす結果となった。なお、横リブウェブ高さが６００ｍｍの場合は、縦リブや横リブウェブのヤング率Ｅ１の変化によらず、Ｅ等級の疲労限度６２Ｎ／ｍｍ２を満たしていた。
このように、横リブウェブの高さを６００ｍｍとしなくても、異方性鋼板を用いて縦リブや横リブの所定の方向のヤング率を適切に変化させることによって、横リブウェブの高さは５００ｍｍでもＥ等級の疲労限度６２Ｎ／ｍｍ２以下を満たしていることがわかる。したがって、本発明によれば、縦リブと横リブとの交差部での発生応力を低減させて横リブウェブ高さを小さくすることができることが明らかとなった。
【００４８】
図８に横リブウェブ高さとＨＳ−２１での補正ホットスポット応力範囲の低減率の関係を示す。低減量は、図８（ｂ）に示すように、横リブウェブのヤング率Ｅ１（第一方向のヤング率）、縦リブのヤング率Ｅ１（第一方向のヤング率）、デッキプレートのヤング率Ｅ２（第二方向のヤング率）、横リブウェブと縦リブの両方のヤング率Ｅ１（第一方向のヤング率）をそれぞれ１５％増加させた場合の結果である。図８（ａ）に示すように、いずれも場合も横リブウェブ高さが低いほど、応力範囲低減量が大きかった。この要因には、横リブウェブ高さが低いほど、元々の応力範囲が大きいため低減しろがあったこと、および前述の横リブウェブの鉛直方向の変形に起因した応力低減メカニズムが考えられる。従ってより横リブウェブ高さを小さくする場合、すなわち発生応力が高くなってしまう場合において、横リブウェブに異方性鋼鈑を適用することによる、疲労耐久性改善効果が大きいと言える。
【００４９】
図９に各部材のヤング率Ｅ１を変化させた場合の、ＨＳ−２１に発生する補正ホットスポット応力の各成分の変化を示す。図９では、モデル−４１についてのみ、４本の棒グラフにそれぞれ「圧縮・膜」、「圧縮・曲」、「引張・膜」、「引張・曲」と記載され、４本の棒グラフは「圧縮・膜」、「圧縮・曲」、「引張・膜」、「引張・曲」を示している。その他のモデルについてはこのような記載は無いが、その他のモデルでも同様に４本の棒グラフは「圧縮・膜」、「圧縮・曲」、「引張・膜」、「引張・曲」を示している。また「圧縮・膜」は圧縮・膜応力、「圧縮・曲」は圧縮・曲げ応力、「引張・膜」は引張り・膜応力、「引張・曲」は引張り・曲げ応力を意味する。
横リブウェブのヤング率Ｅ１を増加（すなわちヤング率Ｅ２を低減）させた場合には、圧縮・曲げ応力成分の低下幅が最も大きく、次いで圧縮・膜応力も低下していた。前者は横リブウェブ高さが低い程、低下幅が大きく、後者は横リブウェブ高さが高い程、低減幅が大きくなっていた。縦リブのヤング率Ｅ１を増加させた場合も傾向は同様であったが、応力の低下幅は、横リブウェブのヤング率Ｅ１を増加させた場合に比して小さかった。デッキプレートのヤング率Ｅ１を１５％低減させた場合（Ｅ２を１５％増加させた場合）には、引張応力成分が低下していたが、その応力低減効果は、縦リブや横リブウェブのヤング率を変化させた場合のそれらに比して小さかった。これらの結果は、前記の、異方性鋼鈑を横リブウェブもしくは縦リブに適用することによる横リブウェブに発生する面外曲げ応力の低減メカニズムを裏付けるものであり、くわえて、今回検討した構造では横リブウェブへの異方性鋼鈑適用の方が、縦リブへの異方性鋼鈑適用よりも、横リブウェブの応力低減効果が大きいこと、デッキプレートへの異方性鋼鈑適用は、ほとんど横リブウェブの応力低減に寄与しないことを示している。
【００５０】
６．異方性鋼板適用による鋼床版変形挙動の変化
図１０に横リブウェブ高さ５００ｍｍのモデルにおける、各部材のヤング率変化前後での鋼床版の変形図を比較して示す。荷重位置は、ＨＳ−２１の補正ホットスポット応力を最小（圧縮最大）とするケースとした。また、図１０において、破線は普通鋼適用時の変形図、実線は異方性鋼板適用時の変形図を示す。
図１０（ａ），（ｄ）に示すように、横リブウェブのＥ１を１５％増加させたケースでは、変形図にほとんど変化が見られなかった。また、図１０（ｂ），（ｅ），（ｇ）に示すように、縦リブのＥ１を１５％増加させたケースでは、縦リブのたわみが６．４％減少し、図１０（ｃ），（ｆ），（ｈ）に示すように、デッキプレートのＥ２を１５％増加させたケースでは荷重位置直下縦リブから隣接する縦リブの回転変形が５．３％減少した。ここで縦リブのたわみは、縦リブの横リブに支えられている位置での変位を直線でつないだ基線からの鉛直変位量として算出した。これらの結果は、前記の、異方性鋼鈑を横リブウェブもしくは縦リブに適用することによる横リブウェブに発生する面外曲げ応力の低減メカニズムを裏付けるものと考えられる。
【符号の説明】
【００５１】
１０  鋼床版
１１  デッキプレート
１２  縦リブ
１３  横リブ
１３ａ  ウェブ
１３ｂ  下フランジ
１５  溶接部
【図１】
2020020128.tif 000007
【図２】
2020020128.tif 000008
【図３】
2020020128.tif 000009
【図４】
2020020128.tif 000010
【図５】
2020020128.tif 000011
【図６】
2020020128.tif 000012
【図７】
2020020128.tif 000013
【図８】
2020020128.tif 000014
【図９】
2020020128.tif 000015
【図１０】
2020020128.tif 000016