(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板の表面から裏面まで貫通した疲労き裂の補修構造であって、
前記鋼板の表面の前記疲労き裂の開口部の周辺及び／又は直上を該疲労き裂と平行にピーニングすることにより該鋼板の表面に塑性変形が付与され、該鋼板の表面の該疲労き裂の開口部が閉じられてき裂接触面が形成されていると共に、
前記鋼板の裏面の前記疲労き裂の開口部の周辺及び／又は直上を該疲労き裂と平行にピーニングすることにより該鋼板の裏面に塑性変形が付与され、該鋼板の裏面の該疲労き裂の開口部が閉じられてき裂接触面が形成されていることを特徴とする鋼構造物の疲労き裂補修構造。
【請求項２】
前記き裂接触面に作用する圧縮残留応力が設計引張応力以上であることを特徴とする請求項１に記載の鋼構造物の疲労き裂補修構造。
【請求項３】
鋼板の表面から裏面まで貫通した疲労き裂を補修の対象とし、
前記鋼板の表面の前記疲労き裂を挟んだ両側のうち少なくとも一側を該疲労き裂と平行にピーニングすることにより該鋼板の表面に塑性変形を付与し、該鋼板の表面の該疲労き裂の開口部を閉じてき裂接触面を形成する疲労き裂周辺ピーニング工程と、
前記鋼板の裏面の前記疲労き裂を挟んだ両側のうち少なくとも一側を該疲労き裂と平行にピーニングすることにより該鋼板の裏面に塑性変形を付与し、該鋼板の裏面の該疲労き裂の開口部を閉じてき裂接触面を形成する疲労き裂周辺ピーニング工程と、を有することを特徴とする鋼構造物の疲労き裂補修方法。
【請求項４】
前記鋼板の表面及び／又は裏面に対する前記疲労き裂周辺ピーニング工程の後工程として、前記疲労き裂の直上をピーニングすることにより前記鋼板の表面及び／又は裏面に塑性変形を付与し、前記き裂接触面の接触面積及び／又は接触圧力を増加する疲労き裂直上ピーニング工程を有することを特徴とする請求項３に記載の鋼構造物の疲労き裂補修方法。
【請求項５】
前記疲労き裂と平行に設置したガイドにより前記ピーニングの軌道を案内しながら、該ピーニングを行うことを特徴とする請求項３又は４に記載の鋼構造物の疲労き裂補修方法。
【請求項６】
前記き裂接触面に作用する圧縮残留応力が設計引張応力以上であることを特徴とする請求項３〜５のうちのいずれか一つに記載の鋼構造物の疲労き裂補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鋼構造物に発生した疲労き裂の補修構造及び補修方法に関し、詳しくは鋼板の表面から裏面まで貫通した疲労き裂の補修構造及び補修方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼橋に代表される鋼構造物が繰返し荷重を受けると、金属疲労によって鋼構造部材の表面に疲労き裂が発生する場合があり、この疲労き裂を放置すると、疲労き裂が進展し、鋼橋の耐力が維持できなくなる危険性がある。このため、鋼橋の維持・管理においては、疲労き裂の発生防止や早期発見・補修・補強などの疲労き裂対策が求められている。
【０００３】
日本では、１９６０年代からの高度経済成長に合わせて道路網が整備され、多くの鋼橋が建設されてきた。これらの鋼橋は供用開始後４０〜５０年が経過しており、様々な劣化現象が顕在化しているのに加えて、近年の交通荷重とその頻度の増加に伴って、鋼橋の溶接継手部に疲労き裂が発生しているのが発見されるようになった。
【０００４】
図１４に鋼橋における代表的な継手構造である面外ガセット溶接継手のまわし溶接部における溶接止端に発生した疲労き裂がその周辺の鋼板部に進展していく状況を示す。面外ガセット溶接継手５０は、鋼板５１と直角にガセットプレート５２がすみ肉溶接された継手構造からなる。すみ肉溶接金属５３の特にまわし溶接部５３ａの溶接止端及びその周辺は、溶接時の熱による引張残留応力の蓄積や、溶接止端を境界に形状が急変することにより応力集中の影響を受け易いことから、疲労き裂５４が発生し易い部位となっている。
【０００５】
図１４（ａ）は疲労き裂５４が発生していない状況、図１４（ｂ）はまわし溶接部５３ａの溶接止端に疲労き裂５４が発生した状況（以下、Ｎｔｏｅと呼ぶ）、図１４（ｃ）はまわし溶接部５３ａの溶接止端に発生した疲労き裂５４が進展してすみ肉溶接金属５３の溶接止端から離れ始めた状況（以下、Ｎｂと呼ぶ）、図１４（ｄ）は疲労き裂５４が鋼板５１に１０ｍｍ進展した状況（以下、Ｎ１０と呼ぶ）、図１４（ｅ）は疲労き裂５４が鋼板５１に３０ｍｍ進展した状況（以下、Ｎ３０と呼ぶ）、図１４（ｆ）は疲労き裂５４が鋼板５１に６０ｍｍ進展した状況（以下、Ｎ６０と呼ぶ）を示している。
【０００６】
図１４の（ｂ）〜（ｆ）に示した面外ガセット溶接継手５０を疲労き裂５４に沿って切断した断面図を図１５に示す。鋼板５１の表面５１ａに発生した疲労き裂５４が、Ｎｔｏｅ→Ｎｂ→Ｎ１０→Ｎ３０→Ｎ６０と進展するのに伴って、疲労き裂５４は、鋼板５１の厚さ方向（深さ方向）と面方向（横方向）に進展する。そして、Ｎ３０まで進展した段階において、疲労き裂５４が鋼板５１の表面５１ａから裏面５１ｂまで貫通することが多い。Ｎ３０の段階からさらに疲労き裂５４が進展すれば、鋼板５１の表面５１ａと裏面５１ｂの双方から疲労き裂５４が面方向に進展して、やがてＮ６０の段階となる。なお、Ｎ１０から先の疲労き裂５４の進展は急速であることが知られている。
【０００７】
このような鋼板の表面から裏面まで貫通した疲労き裂は、鋼橋の桁や部材の破断に繋がる危険なき裂である。このため、鋼板の面方向の疲労き裂の先端に、疲労き裂の進展を停止させるためのドリル孔（ストップホール）が設けられると共に、疲労き裂発生部分に添接板を配置して高力ボルトで摩擦接合を行うという恒久的な補修・補強対策が実施されるのが一般的である。
【０００８】
なお、疲労き裂が小さくて鋼板の表面から裏面まで貫通しておらず、疲労き裂が危険な状況まで進展していないと判断される場合には、添接板を用いずにストップホールを設けることのみによって一時的に疲労き裂の進展を止めるという疲労き裂補修方法が実施されている。また、鋼板の表面から裏面まで疲労き裂が貫通していない段階において、疲労き裂の開口部の周辺及び直上を疲労き裂と平行にピーニングすることにより鋼板の表面に塑性変形を付与し、疲労き裂の開口部を閉じてき裂接触面を形成するという疲労き裂補修方法も発明者らによって実用化されつつある（特許文献１、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特願２００８−２９９８８０
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】山田健太郎、石川敏之、柿市拓巳、李薈、「疲労き裂を閉口させて寿命を向上させる技術の開発」、平成２０年度土木学会中部支部研究発表会講演概要集、Ｉ−５、ｐｐ．９〜１０、２００９年
【非特許文献２】柿市拓巳、山田健太郎、石川敏之、李薈、「ＩＣＲ処理を用いた面外ガセット溶接継手の疲労寿命延命効果」、土木学会第６４回年次学術講演会概要集第１部、第６４巻、Ｉ−１５１、ｐｐ．３０１〜３０２、２００９年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、鋼板を貫通した疲労き裂を補修の対象とする前述のストップホールと添接板による恒久的な補修・補強対策においては、多大な労力とコストがかかり、また、施工期間中は通行止めや交通制限を施す必要があるため、疲労き裂が発生している多数の鋼橋の全てに適用するのは非現実的である。
【００１２】
また、添接板を高力ボルトで摩擦接合するため、添接板とボルト孔の設計が必要であり、疲労き裂を発見してから補修を開始するまでに時間を要するという問題がある。さらに、施工を行うためには、大掛かりな足場や支保工が必要となる。また、添接板や高力ボルトの重量が付加されることによって鋼橋の死荷重が増加するという問題もある。
【００１３】
一方、ピーニングにより疲労き裂の開口部を閉じてき裂接触面を形成するという疲労き裂補修方法は、簡便かつ安価に疲労き裂を補修することが可能な方法ではあるものの、Ｎｔｏｅ、Ｎｂ及びＮ１０段階のように鋼板の片面のみに発生した疲労き裂を補修の対象としており、Ｎ３０及びＮ６０段階のように鋼板を貫通した疲労き裂に適用するには至っていない。この疲労き裂補修方法を、鋼板を貫通した疲労き裂の表面側と裏面側の両面に適用するにあたっては、以下に述べる懸案事項がある。
【００１４】
第一に、疲労き裂が鋼板を貫通した場合、その鋼板は疲労強度（疲労破壊強度）に達したと考えて、設計に基づいた恒久的な補修・補強対策を施すという思想が一般化されている。したがって、一時的に疲労き裂の進展を止めるという疲労き裂補修方法が受け入れられにくい風潮がある。
【００１５】
第二に、ピーニング処理によって疲労き裂を補修する方法としては、発明者らが実用化しつつあるエアーハンマーを用いる方法の他に、超音波振動を利用する方法もある。前者の方法では、き裂深さ４ｍｍ程度のある程度深い疲労き裂までを補修の対象としており、一方、後者の方法では、き裂深さ１ｍｍ程度の極小さな疲労き裂を補修の対象としている。このように、ピーニング処理による疲労き裂補修方法は、鋼板の片面のみに発生した小さな疲労き裂を補修の対象としていることから、鋼板を貫通する大きな疲労き裂の補修に適用するには発想の飛躍が必要である。
【００１６】
第三に、鋼板を貫通した疲労き裂の表面側と裏面側の両面にピーニング処理を施してき裂接触面を形成した場合、鋼板の片面のみに発生した疲労き裂を補修する場合と同様に鋼構造物の疲労寿命の延命化効果が得られるのか未解明である。
【００１７】
第四に、鋼板を貫通した疲労き裂の表面側にピーニング処理を施した場合、仮に表面側の疲労き裂の開口部が閉じて表面側にき裂接触面が形成されたとしても、ピーニング時の衝撃荷重によって、裏面側の疲労き裂の開口部がさらに大きく開いてしまうのではないかという点が懸念される。
【００１８】
第五に、鋼板を貫通した疲労き裂の表面側にピーニング処理を施して表面側にき裂接触面が形成された後に、裏面側のピーニング処理を施した場合、ピーニング時の衝撃荷重によって、せっかくき裂接触面が形成された表面側の疲労き裂が再度開いてしまうのではないかという点が懸念される。
【００１９】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、鋼板の表面から裏面まで貫通した疲労き裂を簡便かつ安価に補修することが可能であり、疲労き裂の進展を止める、あるいは疲労き裂の進展を遅延させて鋼構造物の疲労寿命の延命化を図ることができる疲労き裂補修構造及び補修方法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】
【００２０】
以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、必要に応じて作用効果等を付記しつつ説明する。
【００２１】
（１）本発明の鋼構造物の疲労き裂補修構造は、鋼板の表面から裏面まで貫通した疲労き裂の補修構造であって、前記鋼板の表面の前記疲労き裂の開口部の周辺及び／又は直上を該疲労き裂と平行にピーニングすることにより該鋼板の表面に塑性変形が付与され、該鋼板の表面の該疲労き裂の開口部が閉じられてき裂接触面が形成されていると共に、前記鋼板の裏面の前記疲労き裂の開口部の周辺及び／又は直上を該疲労き裂と平行にピーニングすることにより該鋼板の裏面に塑性変形が付与され、該鋼板の裏面の該疲労き裂の開口部が閉じられてき裂接触面が形成されていることを特徴とする。
【００２２】
ここで、鋼板には、鋼構造物を構成する鋼材の溶接金属とは異なる全ての部分が含まれている。例えば、鋼板には、単純な平鋼板の他、Ｈ形鋼やＩ形鋼などの構造用鋼材のフランジやウェブなどの平面部分、及び鋼管や角鋼管のように曲がり加工等が施された管材の平面部分や曲面部分も含まれている。また、疲労き裂の直上とは、疲労き裂に重なる又は重なる程度に極近接している状態を述べているのであって、上下方向の上方や、鋼板の面方向に対して垂直となる状態を述べているのではない。
【００２３】
表面から裏面まで貫通した疲労き裂が発生した鋼板に外力が作用して疲労き裂周辺に引張応力が作用すると、疲労き裂の対向する内側面が離れる方向に引っ張られることによって、表面側及び裏面側のき裂開口幅が広がって、疲労き裂が面方向に進展しようとする。
【００２４】
本発明の構成によれば、鋼板の表面及び裏面の疲労き裂の開口部が閉じて、き裂の対向する内側面同士が接触したき裂接触面が形成され、き裂接触面には少なからず圧縮残留応力が導入さている。したがって、外力による引張応力と圧縮残留応力とが相殺されることによって、鋼板の表面及び裏面の疲労き裂が開口しにくくなる、あるいはき裂開口幅が広がりにくくなる。これにより、疲労き裂の面方向への進展を止める、あるいは疲労き裂の面方向への進展を遅延させて鋼構造物の疲労寿命の延命化を図ることができる。
【００２５】
また、ピーニングという簡易な方法で疲労き裂の補修を行うため、従来から実施されてきた恒久的な補修・補強対策のような多大な労力とコストは不要であり、簡便かつ安価に疲労き裂を補修することができる。また、鋼板の表面及び裏面のみに加工を施すため、鋼板への削孔等は不要であり、疲労き裂発生部位の構造や疲労き裂の進展具合を配慮することなく適用することが可能である。
【００２６】
（２）本発明の鋼構造物の疲労き裂補修構造は、前記き裂接触面に作用する圧縮残留応力が設計引張応力以上であることが好ましい。
【００２７】
き裂接触面に作用する圧縮残留応力が、設計荷重によって発生する引張応力（設計引張応力）以上であれば、設計荷重に対して疲労き裂が開口することがない。したがって、疲労き裂の進展を止める、あるいは疲労き裂の進展を遅延させて鋼構造物の疲労寿命の延命化を図る効果を十分に得ることができる。
【００２８】
さらに好ましくは、前記き裂接触面に作用する圧縮残留応力が降伏応力と同程度又はそれ以上であるとよい。
【００２９】
許容応力度法で設計された既設の鋼構造物は、設計引張応力が鋼材の許容引張応力以内に収まるように設計されている。設計では許容引張応力を降伏応力の１／１．７程度としており、実際に作用する引張応力は許容引張応力のさらに１／２程度と考えられている。したがって、圧縮残留応力が降伏応力と同程度又はそれ以上となっていれば、疲労き裂の進展を確実に防ぐことが可能である。
【００３０】
なお、鋼構造物はある程度の寿命（耐用年数）を想定して設計されており、疲労き裂等の補修や塗装の塗替えなどの部分的な維持補修を行いながら全体構造としての健全性が維持されている。したがって、疲労き裂を補修する場合には、構造物の耐用年数を超えるほどの強固な補修を施す必要はなく、疲労き裂の進展を止める、あるいは残存寿命が十分に確保できる程度に進展を遅延することができればよい。このような観点からは、本発明の疲労き裂補修方法も、一時的な疲労き裂補修対策ではなく、恒久的な疲労き裂補修対策と見なすこともできる。
【００３１】
（３）鋼板の表面から裏面まで貫通した疲労き裂を補修の対象とする本発明の鋼構造物の疲労き裂補修方法は、前記鋼板の表面の前記疲労き裂を挟んだ両側のうち少なくとも一側を該疲労き裂と平行にピーニングすることにより該鋼板の表面に塑性変形を付与し、該鋼板の表面の該疲労き裂の開口部を閉じてき裂接触面を形成する疲労き裂周辺ピーニング工程と、前記鋼板の裏面の前記疲労き裂を挟んだ両側のうち少なくとも一側を該疲労き裂と平行にピーニングすることにより該鋼板の裏面に塑性変形を付与し、該鋼板の裏面の該疲労き裂の開口部を閉じてき裂接触面を形成する疲労き裂周辺ピーニング工程と、を有することを特徴とする。
【００３２】
単に疲労き裂の直上のみをピーニングするだけでは、疲労き裂の開口部付近の対向する内側面を近づける方向に塑性変形を付与しにくいため、効率よくき裂接触面を形成することができない。本発明においては、疲労き裂周辺ピーニング工程によって疲労き裂の開口部付近の対向する内側面を近づける方向に塑性変形を付与することができるため、効率よくき裂接触面を形成することができる。その他の作用効果については、上述した（１）の作用効果と同様である。
【００３３】
（４）本発明の鋼構造物の疲労き裂補修方法は、必要に応じて、前記鋼板の表面及び／又は裏面に対する前記疲労き裂周辺ピーニング工程の後工程として、前記疲労き裂の直上をピーニングすることにより前記鋼板の表面及び／又は裏面に塑性変形を付与し、前記き裂接触面の接触面積及び／又は接触圧力を増加する疲労き裂直上ピーニング工程を施すことができる。
【００３４】
疲労き裂周辺ピーニング工程によってき裂接触面を形成した後に、疲労き裂直上ピーニング工程を施すことによって、き裂接触面の接触面積や接触圧力が増加する。これにより、き裂接触面の広い範囲で高い圧縮残留応力を導入することができるため、疲労き裂を開口しようとする引張応力に抵抗する効果はさらに高くなる。
【００３５】
なお、一般には疲労き裂直上ピーニング工程によって、き裂接触面の接触面積と接触圧力の両方が増加することが想定されるが、ピーニングの方法によっては、接触面積が変わらずに接触圧力のみが増加する場合や、接触圧力が変わらずに接触面積のみが増加する場合や、部分的に接触面積や接触圧力が減少する場合も想定される。
【００３６】
このような場合であっても、接触面積と接触圧力を掛け合わせた合力として、疲労き裂を開口しようとする引張応力に抵抗する効果が高くなれば、疲労き裂周辺ピーニング工程の後工程として疲労き裂直上ピーニング工程を実施することの利点が得られる。
【００３７】
（５）本発明の鋼構造物の疲労き裂補修方法は、前記疲労き裂と平行に設置したガイドにより前記ピーニングの軌道を案内しながら、該ピーニングを行うことが好ましい。
【００３８】
疲労き裂に沿って設置したガイドによりピーニングの軌道を案内すれば、疲労き裂に平行して正確な軌道でピーニングを行うことができる。したがって、ピーニングによって鋼板に付与する塑性変形の精度を確保することができる。
【００３９】
（６）本発明の鋼構造物の疲労き裂補修方法は、前記き裂接触面に作用する圧縮残留応力が設計引張応力以上であることが好ましい。作用効果については、上述した（１）の作用効果と同様である。
【発明の効果】
【００４０】
本発明の鋼構造物の疲労き裂補修方法によれば、鋼板を貫通した疲労き裂を補修の対象とした従来の恒久的な補修・補強対策であるストップホールと添接板による方法と比べて、作業時間及び労力が大幅に削減される。
【００４１】
本発明の鋼構造物の疲労き裂補修構造及び補修方法によれば、鋼板の表面から裏面まで貫通した疲労き裂を簡便かつ安価に補修することが可能であり、疲労き裂の進展を止める、あるいは疲労き裂の進展を遅延させて鋼構造物の疲労寿命の延命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】一実施形態における疲労き裂補修方法を説明する斜視図であって、（ａ）は鋼板の表面に疲労き裂が発生した状況、（ｂ）は鋼板の表面から裏面まで疲労き裂が進展した状況、（ｃ）は鋼板の表面に疲労き裂周辺ピーニング工程を実施している状況、（ｄ）は鋼板の表面に疲労き裂直上ピーニング工程を実施している状況、（ｅ）は鋼板の裏面に疲労き裂周辺ピーニング工程を実施している状況、（ｆ）は鋼板の裏面に疲労き裂直上ピーニング工程を実施している状況を示している。
【図２】本発明の一実施形態における疲労き裂補修方法を説明する斜視図であって、ガイドによりピーニングの軌道を案内しながら疲労き裂周辺ピーニング工程を実施している状況を示している。
【図３】疲労き裂補修を行わない場合の疲労き裂の進展状況を模式的に説明する説明図であって、（ａ）は鋼板の表面から裏面まで疲労き裂が進展した状況を説明する斜視図、（ｂ）は（ａ）の鋼板の両端に下向きの曲げ荷重が作用して鋼板の表面付近に引張応力が発生した状況を説明する断面図、（ｃ）は（ａ）の鋼板の両端に上向きの曲げ荷重が作用して鋼板の裏面付近に引張応力が発生した状況を説明する断面図、（ｄ）は（ｂ）及び（ｃ）に示した曲げ荷重の繰返しによって疲労き裂がさらに進展した状況を説明する斜視図を示している。
【図４】一実施形態における疲労き裂補修構造及び補修方法の効果を模式的に説明する説明図であって、（ａ）は疲労き裂補修が完了した状況を説明する斜視図、（ｂ）は（ａ）の鋼板の両端に下向きの曲げ荷重が作用して鋼板の表面側のき裂接触面に作用する圧縮残留応力が減少している状況を説明する断面図、（ｃ）は（ａ）の鋼板の両端に上向きの曲げ荷重が作用して鋼板の裏面側のき裂接触面に作用する圧縮残留応力が減少している状況を説明する断面図、（ｄ）は（ｂ）及び（ｃ）に示した曲げ荷重が繰返し載荷されても疲労き裂が進展していない状況を説明する斜視図を示している。
【図５】一般的な構造用鋼材の応力−ひずみ曲線である。
【図６】板曲げ疲労試験機の側面図である。
【図７】実施例１における面外ガセット溶接継手試験体の構造を説明する斜視図である。
【図８】実施例１による延命化効果を説明するＳ−Ｎ線図である。
【図９】実施例１における面外ガセット溶接継手試験体の疲労き裂補修順序を説明する斜視図である。
【図１０】実施例２及び３におけるＴ形溶接継手試験体の構造を説明する斜視図である。
【図１１】実施例２及び３による延命化効果を説明するＳ−Ｎ線図である。
【図１２】実施例２及び３におけるＴ形溶接継手試験体の疲労き裂補修順序を説明する斜視図である。
【図１３】実施例４におけるＴ形溶接継手試験体のピーニング処理中のひずみの発生状況を説明するグラフである。
【図１４】面外ガセット溶接継手のまわし溶接部における溶接止端に発生した疲労き裂がその周辺の鋼板部に進展していく状況を説明する斜視図であって、（ａ）は疲労き裂が発生していない状況、（ｂ）はまわし溶接部の溶接止端に疲労き裂が発生した状況、（ｃ）はまわし溶接部の溶接止端に発生した疲労き裂が進展して溶接止端から離れ始めた状況、（ｄ）は疲労き裂が鋼板部に１０ｍｍ進展した状況、（ｅ）は疲労き裂が鋼板部に３０ｍｍ進展した状況、（ｆ）は疲労き裂が鋼板部に６０ｍｍ進展した状況を示している。
【図１５】図１４の（ｂ）〜（ｆ）に示した面外ガセット溶接継手を疲労き裂に沿って切断した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明の鋼構造物の疲労き裂補修構造及び補修方法を具体化した一実施形態について図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００４４】
（１）疲労き裂補修構造及び補修方法
図１に本実施形態の疲労き裂補修方法を説明する斜視図を示す。図１（ａ）は鋼板の表面に疲労き裂が発生した状況、図１（ｂ）は鋼板の表面から裏面まで疲労き裂が進展した状況、図１（ｃ）は鋼板の表面に疲労き裂周辺ピーニング工程を実施している状況、図１（ｄ）は鋼板の表面に疲労き裂直上ピーニング工程を実施している状況、図１（ｅ）は鋼板の裏面に疲労き裂周辺ピーニング工程を実施している状況、図１（ｆ）は鋼板の裏面に疲労き裂直上ピーニング工程を実施している状況を示している。
【００４５】
鋼板１に外力が繰返し作用すると、金属疲労によって、図１（ａ）に示すように鋼板１の表面１ａに疲労き裂２が発生する。この疲労き裂２を放置すると、疲労き裂２は、厚さ方向（深さ方向）と面方向（横方向）に半だ円状にき裂断面が拡大しながら進展し、やがてき裂断面が鋼板１の裏面１ｂまで到達して、図１（ｂ）に示すように鋼板１の表面１ａから裏面１ｂまで貫通した疲労き裂２となる。この貫通した疲労き裂２の進展を防止するために、図１（ｃ）〜（ｆ）に示す補修が行われる。
【００４６】
図１（ｃ）に示すように、まず鋼板１の表面１ａ側の疲労き裂２と平行に疲労き裂２の両側に２本のピーニング軌道Ｌａ１及びＬａ２を設定する。ここで、疲労き裂２からピーニング軌道Ｌａ１及び疲労き裂２からピーニング軌道Ｌａ２までの間隔は同一間隔とし、後述するチッパー３ａの先端と鋼板１とのピーニング時の接触面が疲労き裂２の直上に重ならない間隔を確保する。
【００４７】
次にピーニング軌道Ｌａ１、Ｌａ２の順にピーニングを行って鋼板１の表面１ａに塑性変形を付与し、疲労き裂２の開口部を閉じて表面側き裂接触面２ａを形成する。この工程を疲労き裂周辺ピーニング工程と呼ぶ。なお、表面側き裂接触面２ａは疲労き裂２の最上方付近のみに形成されており、表面側き裂接触面２ａより下方では疲労き裂２の対向する内側面同士が接触していない。
【００４８】
ピーニングには先端にチッパー３ａが取り付けられた市販の手持ち可能なピーニング器具３を使用する。ピーニング器具３はコンプレッサー（図示せず）の空気圧を利用して、チッパー３ａを高速振動するエアーハンマーであり、このピーニング器具３を使用したピーニングをエアーハンマーピーニングと呼ぶ。
【００４９】
チッパー３ａの先端形状は、４ｍｍ×５ｍｍ程度の平坦な矩形形状であり、少し角が丸く面取りされている。この先端形状は、いくつかの先端形状のチッパー３ａを試して、鋼板１の表面に塑性変形を付与し易いものとして決定しているが、コンプレッサーの空気圧や使用するピーニング器具３の性能によってチッパー３ａの最適な先端形状は異なるものと考えられる。
【００５０】
ピーニング方法としては、本実施形態のエアーハンマーピーニングの他、鋼球を投射することによる衝撃を利用するショットピーニングや、超音波振動による衝撃を利用する超音波ピーニングなどがあるが、鋼材表面に塑性変形を効率よく付与することが可能な衝撃エネルギーと、様々な施工条件に対応可能な作業性を考慮すると、手持ち可能なエアーハンマーピーニングが本実施形態を実施する上で最も適していると考えられる。
【００５１】
図２にピーニング軌道Ｌａ１の疲労き裂周辺ピーニング工程を実施している状況を示す。疲労き裂２は面方向に直線的に進展することから、例えば、木製の角材をピーニングを行う際のガイド４（定規）として使用することができる。ガイド４の長手方向がピーニング軌道Ｌａ１と平行になるように鋼板１の表面１ａ上に設置して、クランプ等のガイド固定治具５を用いて、鋼板１とガイド４とを一緒に挟み込むことによって固定する。ここで、鋼板１がクランプ等で挟み込めない構造である場合には、マグネットを用いて鋼板１にガイド４を固定することもできる。
【００５２】
続いて図１（ｄ）に示すように、鋼板１の表面１ａ側の疲労き裂２の直上にピーニング軌道Ｌａ３を設定する。そして、ピーニング軌道Ｌａ３に沿ってピーニングを行うことによって、表面側き裂接触面２ａの接触面積や接触圧力を増加させる。このピーニング軌道Ｌａ３に沿ってピーニングを行う工程を疲労き裂直上ピーニング工程と呼ぶ。
【００５３】
なお、疲労き裂周辺ピーニング工程によって形成された表面側き裂接触面２ａが疲労き裂直上ピーニング工程によって再度開口することがないように、疲労き裂直上ピーニング工程で使用するピーニング器具３のチッパー３ａの先端幅は、図１（ｂ）の疲労き裂２の開口幅よりも大きく設定されていることは言うまでもない。
【００５４】
続いて図１（ｅ）に示すように、鋼板１の裏面１ｂ側の疲労き裂２と平行に疲労き裂２の両側に２本のピーニング軌道Ｌｂ１及びＬｂ２を設定して、上述した鋼板１の表面１ａ側のピーニング軌道Ｌａ１及びＬａ２に対するピーニング処理と同様の方法で、ピーニング軌道Ｌｂ１及びＬｂ２に対して疲労き裂周辺ピーニング工程を実施する。これにより、疲労き裂２の開口部が閉じられて裏面側き裂接触面２ｂが形成される。
【００５５】
続いて図１（ｆ）に示すように、鋼板１の裏面１ｂ側の疲労き裂２の直上にピーニング軌道Ｌｂ３を設定して、上述した鋼板１の表面１ａ側のピーニング軌道Ｌａ３に対するピーニング処理と同様の方法で、ピーニング軌道Ｌｂ３に対して疲労き裂直上ピーニング工程を実施する。これにより、裏面側き裂接触面２ｂの接触面積や接触圧力が増加する。
【００５６】
本実施形態の疲労き裂補修方法を実施する上での留意点として、本実施形態の疲労き裂補修方法は、鋼板１の表面１ａから裏面１ｂまで貫通した疲労き裂２を補修の対象としているが、疲労き裂２がかなり進展してき裂開口幅が大きくなり、ピーニングにより鋼板１に塑性変形を加えることでき裂接触面２ａ及び２ｂを形成することができたとしても、この塑性変形量が大きくて鋼板１の断面性能等に悪影響を及ぼす場合においては適用の対象外とする。
【００５７】
また、疲労き裂２が面方向に進展して、鋼板１が疲労き裂２で分断された場合においては、本実施形態の疲労き裂補修方法を適用することができない。疲労き裂２の開口部を閉じるためには、力のつり合い上、疲労き裂２の面方向の先端よりも先の部分の鋼板１に疲労き裂２が発生していない領域１ｃ（図２参照）が必要である。
【００５８】
また、疲労き裂２の開口部の全域を確実に閉じるためには、疲労き裂２の面方向の先端よりも先の部分までピーニング処理を施すのが望ましい。例えば、図２に示すように、ピーニング軌道Ｌａ１、Ｌａ２、Ｌａ３、Ｌｂ１、Ｌｂ２及びＬｂ３の長さを、疲労き裂２の面方向の進展長さよりも１０ｍｍ以上長く設定しておくとよい。ここで、図２に示すように、鋼板１の表面１ａ側の疲労き裂２の進展長さと裏面１ｂ側の疲労き裂２の進展長さとが大きく異なる場合には、少なくとも疲労き裂２の進展長さが長い側のピーニング軌道の長さを、疲労き裂２の面方向の進展長さよりも１０ｍｍ以上長く設定しておくとよい。ピーニング軌道の長さは疲労き裂２のき裂開口幅の開き具合に応じて適宜設定することが可能であり、疲労き裂２のき裂開口幅が小さい場合には、疲労き裂２の面方向の進展長さとピーニング軌道の長さを同程度の長さとしてもよい。
【００５９】
本実施形態によれば、鋼板１の表面１ａ及び裏面１ｂの疲労き裂２の開口部が閉じて、き裂の対向する内側面同士が接触したき裂接触面２ａ及び２ｂが形成され、き裂接触面２ａ及び２ｂには少なからず圧縮残留応力が導入さている。したがって、外力による引張応力と圧縮残留応力とが相殺されることによって、鋼板１の表面１ａ及び裏面１ｂの疲労き裂２が開口しにくくなる、あるいはき裂開口幅が広がりにくくなる。これにより、疲労き裂２の面方向への進展を止める、あるいは疲労き裂２の面方向への進展を遅延させて鋼構造物の疲労寿命の延命化を図ることができる。
【００６０】
また、単に疲労き裂２の直上のみをピーニングするだけでは、疲労き裂２の開口部付近の対向する内側面を近づける方向に塑性変形を付与しにくいため、効率よくき裂接触面２ａ及び２ｂを形成することができない。本実施形態においては、疲労き裂周辺ピーニング工程によって疲労き裂２の開口部付近の対向する内側面を近づける方向に塑性変形を付与することができるため、効率よくき裂接触面２ａ及び２ｂを形成することができる。
【００６１】
また、疲労き裂周辺ピーニング工程によってき裂接触面２ａ及び２ｂを形成した後に、疲労き裂直上ピーニング工程を施すことによって、き裂接触面２ａ及び２ｂの接触面積や接触圧力が増加する。これにより、き裂接触面２ａ及び２ｂの広い範囲で高い圧縮残留応力を導入することができるため、疲労き裂２を開口しようとする引張応力に抵抗する効果はさらに高くなる。
【００６２】
また、市販の手持ち可能なピーニング器具３を使用してピーニングを行うという簡易な方法で疲労き裂２の補修を行うため、簡便かつ安価に疲労き裂２を補修することができる。また、鋼板１の表面１ａ及び裏面１ｂのみに加工を施すため、鋼板１への削孔等は不要であり、疲労き裂２の発生部位の構造や疲労き裂２の進展具合を配慮することなく適用することが可能である。
【００６３】
また、疲労き裂２に沿って設置したガイド４によりピーニングの軌道を案内するため、疲労き裂２に平行して正確な軌道でピーニングを行うことができる。したがって、ピーニングによって鋼板１に付与する塑性変形の精度を確保することができる。
【００６４】
（２）閉口させた疲労き裂の力学的な考え方
上述した本実施形態の疲労き裂補修構造は、疲労き裂２が開口する方向に働く引張応力に対して、き裂接触面２ａ及び２ｂに導入した圧縮残留応力が抵抗することによって、鋼板１の表面１ａ及び裏面１ｂの疲労き裂２が開口しにくくなる、あるいはき裂開口幅が広がりにくくなる。
【００６５】
図３は疲労き裂補修を行わない場合の疲労き裂の進展状況を模式的に説明する説明図である。疲労き裂補修を行っていない図３（ａ）に示す鋼板１は、き裂接触面２ａ及び２ｂが形成されていないため、図３（ｂ）に示すように、鋼板１の両端に下向きの曲げ荷重が作用すると鋼板１の表面１ａ付近に引張応力が発生して表面１ａ側の疲労き裂２のき裂開口幅が広がる。同様に、図３（ｃ）に示すように、鋼板１の両端に上向きの曲げ荷重が作用すると鋼板１の裏面１ｂ付近に引張応力が発生して裏面１ｂ側の疲労き裂２のき裂開口幅が広がる。鋼板１に図３（ｂ）及び（ｃ）に示す外力が繰返し載荷されると、図３（ｄ）に示すように、金属疲労によって疲労き裂２が面方向に進展していく。
【００６６】
一方、図４は本実施形態の疲労き裂補修方法により疲労き裂補修を行った場合の疲労き裂の進展を抑制する効果について模式的に説明する説明図である。図４（ａ）の鋼板１には疲労き裂２の開口部が閉じてき裂接触面２ａ及び２ｂが形成されており、このき裂接触面２ａ及び２ｂには圧縮残留応力が導入されている。
【００６７】
この状態で、図４（ｂ）に示すように、鋼板１の両端に下向きの曲げ荷重が作用すると鋼板１の表面１ａ付近に引張応力が発生し、この引張応力が疲労き裂２を開口させる方向に働く。ところが、表面側き裂接触面２ａに導入した圧縮残留応力が引張応力よりも大きければ、引張応力と圧縮残留応力とが相殺されることにより圧縮残留応力が小さくなるものの疲労き裂２が開口することはない。同様に、図４（ｃ）に示すように、鋼板１の両端に上向きの曲げ荷重が作用すると鋼板１の裏面１ｂ付近に引張応力が発生し、裏面側き裂接触面２ｂに導入した圧縮残留応力が小さくなるものの疲労き裂２が開口することはない。
【００６８】
このように図４（ｂ）及び（ｃ）に示す外力が繰返し載荷されたとしても、疲労き裂２が開口することがないため、図４（ｄ）に示すように、疲労き裂２が面方向に進展することはない。したがって、外力の繰返し載荷に対して、疲労き裂２の進展を止める、あるいは疲労き裂２の進展を遅延することができる。
【００６９】
なお、図４（ｂ）及び（ｃ）においては、鋼板１の両端に作用する外力として曲げ荷重を想定したが、本実施形態の疲労き裂補修構造は、鋼板１の両端に引張荷重が作用する場合であっても効果を奏する。鋼板１の両端に引張荷重が作用することによって鋼板１の表面１ａ付近及び裏面１ｂ付近に引張応力が発生した場合、き裂接触面２ａ及び２ｂに導入した圧縮残留応力がこの引張応力よりも大きければ、疲労き裂２が面方向に進展することはない。
【００７０】
以上より、鋼板を貫通する疲労き裂の開口部を閉口させることは、疲労き裂の面方向への進展を止める、あるいは疲労き裂の面方向への進展を遅延させて、鋼構造物の疲労寿命の延命化を図る上で効果的であることがわかる。
【００７１】
以上で説明した一実施形態において、表面側き裂接触面２ａ及び裏面側き裂接触面２ｂに作用する圧縮残留応力は設計引張応力以上であることが好ましい。き裂接触面２ａ及び２ｂに作用する圧縮残留応力が、設計荷重によって発生する引張応力（設計引張応力）以上であれば、設計荷重に対して疲労き裂２が開口することがない。したがって、疲労き裂２の進展を止める、あるいは疲労き裂２の進展を遅延させて鋼構造物の疲労寿命の延命化を図る効果を十分に得ることができる。
【００７２】
さらに好ましくは、表面側き裂接触面２ａ及び裏面側き裂接触面２ｂに作用する圧縮残留応力が降伏応力と同程度又はそれ以上であるとよい。許容応力度法で設計された既設の鋼構造物は、設計引張応力が鋼材の許容引張応力以内に収まるように設計されている。設計では許容引張応力を降伏応力の１／１．７程度としており、実際に作用する引張応力は許容引張応力のさらに１／２程度と考えられている。したがって、圧縮残留応力が降伏応力と同程度又はそれ以上となっていれば、疲労き裂２の進展を確実に防ぐことが可能である。
【００７３】
このように、き裂接触面２ａ及び２ｂに大きな圧縮残留応力を発生させるためには、ピーニングによって疲労き裂２周辺の鋼板の表面及び裏面に塑性変形を付与して疲労き裂２の開口部を閉口してき裂接触面２ａ及び２ｂを形成するとともに、さらなる塑性変形を加えて、き裂接触面２ａ及び２ｂの接触圧力を大きくする必要がある。
【００７４】
鋼材に圧縮応力が作用すると、圧縮応力が作用した方向（圧縮方向）に鋼材が縮み、圧縮方向の直角方向に膨らもうとする性質がある。したがって、疲労き裂周辺ピーニング工程によって鋼板の表面及び裏面にピーニングの衝撃を加えれば、ピーニングの衝撃荷重が作用した方向（荷重方向）には鋼板が縮み、荷重方向の直角方向に膨らもうとする。すなわち、疲労き裂２が閉じる方向に変形しようとする。疲労き裂２が閉じてき裂接触面２ａ及び２ｂが形成された時点で、この変形が塑性変形領域まで到達していれば、き裂接触面２ａ及び２ｂが保持され、き裂接触面２ａ及び２ｂに圧縮残留応力を発生させることができる。
【００７５】
図５に一般的な構造用鋼材の応力−ひずみ曲線を示す。この応力−ひずみ曲線は引張試験によって得られた鋼材の引張特性であるが、鋼材の引張特性と圧縮特性は類似していることから、鋼材の圧縮特性として代用することもできる。ここでは、図５を圧縮特性として代用して鋼材表面に付与する塑性変形（塑性ひずみ）について説明する。
【００７６】
図５において、ｐ１は比例限界、ｐ２は弾性限界、ｐ３は上降伏点、ｐ４は下降伏点、ｐ６は引張強度、ｐ７は破断点であり、０−ｐ１間は応力−ひずみが直線的な比例関係にある比例範囲、０−ｐ２間は除荷することでひずみεが０に戻る弾性範囲、下降伏点ｐ４以降は除荷してもひずみεが０に戻らずに残留ひずみが蓄積する塑性範囲と呼ばれており、鋼材に塑性変形を付与するということは、鋼材に残留ひずみを付与することである。
【００７７】
例えば、鋼材に作用する圧縮応力を徐々に大きくしていけば、やがて応力−ひずみ曲線上のｐＡに到達する。ここで、圧縮応力を除荷すれば、ｐＡからｐＢに向かって弾性的にひずみεが減少し、０−ｐＢ間に相当する残留ひずみが蓄積する。
【００７８】
鋼板の表面及び裏面にピーニングによる衝撃荷重を繰返し加えれば、ピーニングの衝撃荷重が作用した方向（荷重方向）には鋼板が縮み、荷重方向の直角方向に膨らもうとする。しかし、き裂接触面２ａ及び２ｂが形成された以降は、荷重方向の直角方向の変形が拘束されるため、ピーニングの衝撃荷重により鋼板が縮むほど、き裂接触面２ａ及び２ｂの接触圧力が大きくなり、ここでピーニングを終了しても塑性変形した鋼材表面の形状は保持され、き裂接触面２ａ及び２ｂの接触圧力も保持される。
【００７９】
以上詳述したことから明らかなように、本実施形態の鋼構造物の疲労き裂補修構造及び補修方法によれば、鋼板の表面から裏面まで貫通した疲労き裂を簡便かつ安価に補修することが可能であり、疲労き裂の進展を止める、あるいは疲労き裂の進展を遅延させて鋼構造物の疲労寿命の延命化を図ることができる。
【００８０】
（３）その他の実施形態
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能であることは言うまでもない。
【００８１】
例えば、図１に示す表面側き裂接触面２ａ及び裏面側き裂接触面２ｂは、疲労き裂２の最上方付近及び最下方付近のみに形成されており、表面側き裂接触面２ａより下方かつ裏面側き裂接触面２ｂより上方では疲労き裂２の対向する内側面同士が接触してはいない。しかし、疲労き裂２の最上方から最下方までの全域にわたってき裂接触面が形成されていてもよい。
【００８２】
また、表面側き裂接触面２ａの接触面積と接触圧力を掛け合わせた合力として、疲労き裂２を開口しようとする引張応力に抵抗することができれば本発明の鋼構造物の疲労寿命の延命化を図る効果が得られることから、表面側き裂接触面２ａは必ずしも疲労き裂２の最上方付近に形成されている必要はなく、疲労き裂２の最上方の対向する内側面同士が接触していなくてもよい。ただし、一般に鋼板１の表面１ａにおいて最も大きな引張応力が発生することを勘案すれば、表面側き裂接触面２ａの接触面積と接触圧力が一定の場合には、表面側き裂接触面２ａの形成位置が疲労き裂２の上方に近いほど本発明の鋼構造物の疲労寿命の延命化を図る効果が高くなる。同様に、裏面側き裂接触面２ｂについても必ずしも疲労き裂２の最下方付近に形成されている必要はない。
【００８３】
また、図１では鋼板１の表面１ａ側を先行してピーニング処理を施しているが、ピーニング処理は、表面１ａ側及び裏面１ｂ側のうちのいずれの側を先行して行ってもよい。
【００８４】
また、図１（ｃ）及び（ｅ）に示す疲労き裂周辺ピーニング工程において、疲労き裂２と平行に疲労き裂２の両側に２本のピーニング軌道を設定したが、疲労き裂２を挟んだ両側のうち少なくとも一側に複数本のピーニング軌道を設定してもよい。き裂接触面２ａ及び２ｂの形成が可能であれば、疲労き裂２を挟んだ両側のうち一側のみにピーニング軌道を設定してもよい。
【００８５】
また、図１（ｃ）及び（ｅ）に示す疲労き裂周辺ピーニング工程において、き裂接触面２ａ及び２ｂの接触面積及び接触圧力が、疲労き裂２を開口しようとする引張応力に抵抗可能な値となる場合には、図１（ｄ）及び（ｆ）に示す疲労き裂直上ピーニング工程を省略してもよい。
【００８６】
また、本実施形態におけるピーニング器具３のチッパー３ａの先端形状は、平坦な矩形形状としているが、平坦に限らず部分的に凹凸を有していてもよい。また、矩形に限らず円形であってもよい。また、疲労き裂周辺ピーニング工程と疲労き裂直上ピーニング工程で、それぞれ異なる形状のチッパー３ａを使用してもよい。
【００８７】
また、図１及び２において、ピーニング器具３のチッパー３ａを鋼板１に対してほぼ直角に立ててピーニングを行っているが、鋼板１に対して斜めからピーニングを行ってもよい。
【００８８】
また、本実施形態の疲労き裂補修によって、疲労き裂２の進展を止める、あるいは疲労き裂２の進展を遅延させて鋼構造物の疲労寿命を耐用年数まで延命化することができれば、恒久的な疲労き裂補修対策となるが、仮に耐用年数まで延命化することができずに、補修後に更に疲労き裂が大きく進展した場合には、本実施形態の疲労き裂補修を再度実施して延命化を図ることも可能であるし、従来の補修方法を施すことも可能である。
【実施例】
【００８９】
前述のとおり、鋼板の表面から裏面まで貫通した疲労き裂の開口部を閉口させることによって、疲労き裂の進展を止める、あるいは疲労き裂の進展を遅延させて、鋼構造物の疲労寿命の延命化を図ることが可能な点については、力学的に説明できる。
【００９０】
ここでは、鋼橋における代表的な溶接継手である面外ガセット溶接継手及びＴ形溶接継手について試験体を作成し、この試験体の鋼板部分に鋼板を貫通した疲労き裂を発生させて、この疲労き裂の補修を行ったものと、補修を行っていないものとで疲労寿命の比較を行った。
【００９１】
（実施例１）
本実施例は、鋼板を貫通した疲労き裂が発生した面外ガセット溶接継手を補修の対象とし、疲労寿命の延命化効果を実験により検証したものである。実験には図６に示す板曲げ疲労試験機１０を使用した。板曲げ疲労試験機１０は、面外ガセット溶接継手試験体２０の一端側をボルト固定して、他端側に加振器１１により繰返し載荷を行う装置である。
【００９２】
図７に実施例１における面外ガセット溶接継手試験体２０の構造を説明する斜視図を示す。面外ガセット溶接継手試験体２０は、幅３００ｍｍ、長さ７００ｍｍ、厚さ１２ｍｍの鋼板１（材質ＳＭ４９０）の表面１ａと直角方向に、高さ３００ｍｍ、長さ３４０ｍｍ、厚さ１２ｍｍのガセットプレート２１（材質ＳＭ４９０）を等脚長６ｍｍのすみ肉溶接で接合した構造からなる。
【００９３】
この面外ガセット溶接継手試験体２０を板曲げ疲労試験機１０にセットして、応力制御の条件で繰返し載荷による疲労試験を行った。面外ガセット溶接継手試験体２０の固定位置は長さ方向の端部から２４０ｍｍの範囲、繰返し荷重の載荷位置は固定位置と反対側の端部から１１５ｍｍの位置とした。
【００９４】
ここで、面外ガセット溶接継手試験体２０に作用する応力の検出にはひずみゲージ１２を使用し、ひずみゲージ１２の貼り付け位置は、面外ガセット溶接継手試験体２０の表面１ａの長さ方向の中心線から載荷方向に１２ｍｍ離れ、幅方向の中心線上及び中心線から両側に７５ｍｍ離れた位置の３箇所とした。
【００９５】
図８に実施例１の延命化効果を説明するＳ−Ｎ線図を示す。Ｓ−Ｎ線図は横軸を繰返し載荷の繰返し数Ｎ、縦軸を応力範囲Δσとして、試験体が破断に至った点をプロットしたグラフであって、日本鋼構造協会（ＪＳＳＣ）ではＳ−Ｎ線図に破線で示すＪＳＳＣ−Ａ〜Ｈの８段階の等級を定めて鋼構造物の継手構造の疲労破壊に対する耐久性を評価している。ここで、ＪＳＳＣ−Ｅ（８０）という表記はΔσ＝８０ＭＰａで２００万回の繰返し荷重が載荷されると破断に至ることを示している。
【００９６】
図８にプロットした黒塗り丸印は、実施例１の比較例として実施した疲労試験の試験結果（比較例１〜６）を示している。比較例１〜６は、様々な応力範囲において、疲労き裂２の補修を行わずに破断に至るまで試験を続けた試験結果である。ここで、まわし溶接部２２ａの溶接止端に発生した疲労き裂２が進展してすみ肉溶接金属２２の溶接止端から離れて鋼板１に３０ｍｍ進展した時点（Ｎ３０）、又は疲労き裂２が鋼板１の裏面１ｂまで貫通した時点を破断（Ｎｆ）と定義した。図８に示すとおり、比較例１〜６の面外ガセット溶接継手試験体２０は、ＪＳＳＣ−Ｅ等級程度の疲労破壊に対する耐久性を有している。
【００９７】
図８にプロットした白塗り四角印は、実施例１の疲労試験の試験結果を示している。実施例１においては、応力範囲９７ＭＰａの応力制御の条件で繰返し載荷による疲労試験を実施して、繰返し数１４９万回で鋼板１の表面１ａの疲労き裂２がＮ３０の段階まで進展した。この時、疲労き裂２は鋼板１の裏面１ｂまで貫通していた。この状態で疲労試験を一時中断して、本発明の疲労き裂補修方法により疲労き裂２の補修を行った。
【００９８】
図９に実施例１における面外ガセット溶接継手試験体２０の疲労き裂２の補修順序を説明する斜視図を示す。初めに表面１ａ側の疲労き裂２の開口部を閉口し、続いて面外ガセット溶接継手試験体２０の上下方向を反転して裏面１ｂ側の疲労き裂２の開口部を閉口した。表面１ａ側のピーニングは、図９の（１）〜（８）の順序で実施した。ここで、（７）及び（８）は、まわし溶接部２２ａの溶接止端に発生した疲労き裂２をピーニングする処理であるが、まわし溶接部２２ａまわりの曲線状のピーニング軌道を連続してピーニングすることは困難であるため、（７）及び（８）に二分割して処理を行った。裏面１ｂ側の疲労き裂２の補修手順は、図１（ｅ）及び（ｆ）で示した手順と同様とした。
【００９９】
ピーニング処理に用いたピーニング器具は、打撃数９０Ｈｚ、ピンストローク１６ｍｍ、消費空気量０．１４ｍ３/ｍｉｎの市販のエアーハンマーである。また、チッパーは、市販のタガネの先端を、角が丸みをおびた４ｍｍ×５ｍｍ程度の平坦な面になるように加工したものである。ピーニング器具へのエアーの供給には、タンク容量１０リットルの小型のエアーコンプレッサーを用いた。ピーニング処理中のエアーコンプレッサーの空気圧力は０．５〜０．６ＭＰａであった。
【０１００】
ピーニング処理によって疲労き裂２の開口部を閉口した後に、応力範囲１００ＭＰａの応力制御の条件で繰返し載荷による疲労試験を再度行った結果、疲労き裂２の開口部を閉口した後の繰返し数が８８１万回に達しても疲労き裂２が再度開口及び進展することはなかった。
【０１０１】
すなわち疲労き裂２がＮ３０の段階まで進展した時点で疲労き裂２の補修を行った場合の面外ガセット溶接継手試験体２０は、少なくともＪＳＳＣ−Ｄ等級に相当する疲労破壊に対する耐久性を有しているものと見なせる。
【０１０２】
このように、鋼板を貫通した疲労き裂が発生した面外ガセット溶接継手に本発明の疲労き裂補修方法を適用することによって、疲労き裂の進展を止める、あるいは疲労き裂の進展を遅延させて、疲労破壊に対する耐久性を格段に向上させることができる。これにより、鋼構造物の疲労寿命の延命化を図ることができる。
【０１０３】
（実施例２及び３）
本実施例は、鋼板を貫通した疲労き裂が発生したＴ形溶接継手を補修の対象とし、疲労寿命の延命化効果を実験により検証したものである。実験には実施例１と同様に図６に示した板曲げ疲労試験機１０を使用した。
【０１０４】
図１０に実施例２及び３におけるＴ形溶接継手試験体３０の構造を説明する斜視図を示す。Ｔ形溶接継手試験体３０は、幅３３４ｍｍ、長さ６００ｍｍ、厚さ１２ｍｍの鋼板１（材質ＳＭ４００）の幅方向の両端面に、鋼板１の面方向と直角方向に、高さ１００ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ１２ｍｍのフランジ部材３１（材質ＳＭ４００）を等脚長６ｍｍのすみ肉溶接で接合した構造からなる。
【０１０５】
このＴ形溶接継手試験体３０を板曲げ疲労試験機１０にセットして、応力制御の条件で繰返し載荷による疲労試験を行った。Ｔ形溶接継手試験体３０の固定位置は長さ方向の端部から２４０ｍｍの範囲、繰返し荷重の載荷位置は固定位置と反対側の端部から１２０ｍｍの位置とした。
【０１０６】
ここで、Ｔ形溶接継手試験体３０に作用する応力の検出にはひずみゲージ１２を使用し、ひずみゲージ１２の貼り付け位置は、Ｔ形溶接継手試験体３０の表面１ａのまわし溶接部３２ａの溶接止端から載荷方向に５ｍｍ離れ、幅方向の両端から７５ｍｍ離れた位置の２箇所とした。
【０１０７】
図１１に実施例２及び３の延命化効果を説明するＳ−Ｎ線図を示す。図１１にプロットした黒塗り丸印は、実施例２及び３の比較例として実施した疲労試験の試験結果（比較例７〜１４）を示している。比較例７〜１４は、様々な応力範囲において、疲労き裂２の補修を行わずに破断に至るまで試験を続けた試験結果である。ここで、まわし溶接部３２ａの溶接止端に発生した疲労き裂２が進展してすみ肉溶接金属３２の溶接止端から離れて鋼板１に３０ｍｍ進展した時点（Ｎ３０）を破断（Ｎｆ）と定義した。図１１に示すとおり、比較例７〜１４のＴ形溶接継手試験体３０は、ＪＳＳＣ−Ｆ等級程度の疲労破壊に対する耐久性を有している。
【０１０８】
図１１にプロットした白塗り四角印は、実施例２の疲労試験の試験結果を示している。実施例２においては、応力範囲４８ＭＰａの応力制御の条件で繰返し載荷による疲労試験を実施して、繰返し数６９０万回で鋼板１の表面１ａの疲労き裂２がＮ３０の段階まで進展した。この時、鋼板１の裏面１ｂの疲労き裂２もＮ３０の段階まで進展しており、鋼板１の内部で疲労き裂２が結合して鋼板１を貫通した疲労き裂２となっていた。この状態で疲労試験を一時中断して、本発明の疲労き裂補修方法により疲労き裂２の補修を行った。
【０１０９】
図１２に実施例２におけるＴ形溶接継手試験体３０の疲労き裂２の補修順序を説明する斜視図を示す。初めに表面１ａ側の疲労き裂２の開口部を閉口し、続いてＴ形溶接継手試験体３０の上下方向を反転して裏面１ｂ側の疲労き裂２の開口部を閉口した。表面１ａ側のピーニングは、図１２の（１）〜（３）の順序で実施した。裏面１ｂ側の疲労き裂２の補修手順は表面１ａ側の補修手順と同様とした。また、ピーニング処理には実施例１と同様のピーニング器具を使用した。
【０１１０】
ピーニング処理によって疲労き裂２の開口部を閉口した後に、応力範囲１２６ＭＰａの応力制御の条件で繰返し載荷による疲労試験を再度行った結果、疲労き裂２の開口部を閉口した後の繰返し数が１１００万回に達した時点で疲労き裂２が再度開口して、鋼板１に３０ｍｍ進展した時点（Ｎ３０）の状態となった。
【０１１１】
図１１にプロットした白塗り三角印は、実施例３の疲労試験の試験結果を示している。実施例３においては、応力範囲５６ＭＰａの応力制御の条件で繰返し載荷による疲労試験を実施して、繰返し数４７０万回で鋼板１の表面１ａの疲労き裂２がＮ３０の段階まで進展した。その後、疲労試験を継続して、鋼板１の表面１ａから裏面１ｂまで貫通する疲労き裂２をＮ６０の段階まで進展させ、この状態で疲労試験を一時中断して、本発明の疲労き裂補修方法により疲労き裂２の補修を行った。疲労き裂２の補修順序は、実施例２と同様とした。
【０１１２】
ピーニング処理によって疲労き裂２の開口部を閉口した後に、応力範囲２０３ＭＰａの応力制御の条件で繰返し載荷による疲労試験を再度行った結果、疲労き裂２の開口部を閉口した後の繰返し数が２２１０万回に達しても疲労き裂２が再度開口及び進展することはなかった。再び疲労き裂２がＮ３０の段階まで進展することもなかった。
【０１１３】
すなわち疲労き裂２がＮ３０又はＮ６０の段階まで進展した時点で疲労き裂２の補修を行った場合のＴ形溶接継手試験体３０は、少なくともＪＳＳＣ−Ｃ等級に相当する疲労破壊に対する耐久性を有しているものと見なせる。
【０１１４】
このように、鋼板を貫通した疲労き裂が発生したＴ形溶接継手に本発明の疲労き裂補修方法を適用することによって、疲労き裂の進展を止める、あるいは疲労き裂の進展を遅延させて、疲労破壊に対する耐久性を格段に向上させることができる。これにより、鋼構造物の疲労寿命の延命化を図ることができる。
【０１１５】
（実施例４）
本実施例は、鋼板を貫通した疲労き裂が発生したＴ形溶接継手に本発明の疲労き裂補修方法を適用した場合のピーニング処理中のひずみの発生状況を検証した実施例である。実験には実施例１と同様に図６に示した板曲げ疲労試験機１０を使用した。Ｔ形溶接継手試験体の構造は、図１０に示した実施例２及び３におけるＴ形溶接継手試験体３０と同様であるため説明を省略する。
【０１１６】
図１３に実施例４におけるＴ形溶接継手試験体３０のピーニング処理中のひずみの発生状況を説明するグラフを示す。まずＴ形溶接継手試験体３０を板曲げ疲労試験機１０にセットして、応力制御の条件で繰返し載荷による疲労試験を行い、鋼板１の表面１ａから裏面１ｂまで貫通したＮ３０の段階の疲労き裂２を発生させた。
【０１１７】
次にＴ形溶接継手試験体３０を板曲げ疲労試験機１０から取り外して、Ｔ形溶接継手試験体３０の上下方向を反転して、鋼板１の裏面１ｂの疲労き裂２ａの開口部が完全に閉じるまで、実施例２と同様の補修手順で裏面１ｂ側のピーニング処理を行った。
【０１１８】
その後、開口部が閉じた裏面１ｂ側の疲労き裂２の進展長さの中央でかつ疲労き裂２の直上に裏面側ひずみゲージ１２ｂを貼り付けた後、Ｔ形溶接継手試験体３０の上下方向を反転して、Ｔ形溶接継手試験体３０の表面１ａ側を上方に向けた。
【０１１９】
その後、開口部が開いた状態の表面１ａ側の疲労き裂２の進展長さの中央でかつ疲労き裂２から５ｍｍ離れた位置に表面側ひずみゲージ１２ａを貼り付けた。すなわち表面側ひずみゲージ１２ａは、図１２の（２）で示されたピーニング処理領域の中央に貼り付けられている。その後、図１２の（１）で示されたピーニング処理領域のピーニングを実施した。
【０１２０】
図１３のグラフの横軸は、鋼板１の表面１ａ側のピーニングを開始してからの経過時間ｔであり、グラフ中に記載されている１往復目、２往復目、３往復目とは、図１２の（１）で示されたピーニング処理領域を疲労き裂２と平行にピーニング処理する際の往復回数を示している。また、グラフの縦軸は、表面側ひずみゲージ１２ａ及び裏面側ひずみゲージ１２ｂによって計測される鋼板１のひずみεである。ここで、ひずみεがマイナスの場合には鋼板１に圧縮ひずみが発生していることを示している。
【０１２１】
図１３のグラフに示すように、鋼板１の表面１ａ側にピーニング処理を施すことによって、表面側ひずみゲージ１２ａのひずみεのマイナス値が増減を繰り返しながら徐々に大きくなる。すなわち鋼板１の表面１ａの圧縮残留ひずみが増加する。そして、表面側ひずみゲージ１２ａのひずみεのマイナス値が大きくなるのと連動して、裏面側ひずみゲージ１２ｂのひずみεのマイナス値も徐々に大きくなっている。すなわち鋼板１の裏面１ｂの圧縮残留ひずみも増加する。
【０１２２】
以上の実験結果から、鋼板１の表面１ａ側の疲労き裂２の周辺に圧縮残留ひずみを付与すれば、鋼板１の裏面１ｂ側の疲労き裂２の周辺にも圧縮残留ひずみが付与されることが明らかとなった。
【０１２３】
これにより、発明者らが本発明の構想段階で抱いていた、鋼板を貫通した疲労き裂の表面側にピーニング処理を施して表面側にき裂接触面が形成された後に、裏面側のピーニング処理を施した場合、ピーニング時の衝撃荷重によって、せっかくき裂接触面が形成された表面側の疲労き裂が再度開いてしまうのではないかという懸念は払拭された。
【符号の説明】
【０１２４】
Ｌａ１，Ｌａ２，Ｌａ３，Ｌｂ１，Ｌｂ２，Ｌｂ３  …  ピーニング軌道
１    …  鋼板                          １ａ  …  表面
１ｂ  …  裏面                          ２    …  疲労き裂
２ａ  …  表面側き裂接触面              ２ｂ  …  裏面側き裂接触面
３    …  ピーニング器具                ３ａ  …  チッパー
４    …  ガイド                        ５    …  ガイド固定治具
１０  …  板曲げ疲労試験機              １１  …  加振器
１２  …  ひずみゲージ                  １２ａ…  表面ひずみゲージ
１２ｂ…  裏面ひずみゲージ              ２０  …  面外ガセット溶接継手試験体
２１  …  ガセットプレート              ２２  …  すみ肉溶接金属
２２ａ…  まわし溶接部                  ３０  …  Ｔ形溶接継手試験体
３１  …  フランジ部材                  ３２  …  すみ肉溶接金属
３２ａ…  まわし溶接部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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