(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼構造物を構成する鋼材の表面に補強材を接着剤にて接着する鋼構造物の補強方法において、
前記補強材は、鋼構造物を構成する鋼材より線膨張係数が小さい強化繊維含有材料と、鋼材より線膨張係数が大きな合金板とにて構成され、
前記鋼材表面に前記強化繊維含有材料と前記合金板とを交互に少なくとも１層づつは接着剤にて接着して積層し、前記鋼材の温度変化により前記鋼材、及び、前記補強材と前記鋼材との接着界面に発生する熱応力を低減することを特徴とする鋼構造物の補強方法。
【請求項２】
鋼構造物を構成する鋼材の表面に補強材を接着剤にて接着する鋼構造物の補強方法において、
前記補強材は、鋼構造物を構成する鋼材より線膨張係数が小さい強化繊維含有材料と、鋼材より線膨張係数が大きな合金板とを交互に少なくとも１層づつは接着剤にて接着して一体に積層して構成され、
前記補強材を前記鋼材の表面に接着剤にて接着し、前記鋼材の温度変化により前記鋼材、及び、前記補強材と前記鋼材との接着界面に発生する熱応力を低減することを特徴とする鋼構造物の補強方法。
【請求項３】
前記補強材は、前記強化繊維含有材料、前記合金板及び前記強化繊維含有材料の少なくとも３層を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼構造物の補強方法。
【請求項４】
前記強化繊維含有材料が前記鋼材表面に接着されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。
【請求項５】
前記補強材は、前記合金板、前記強化繊維含有材料及び前記合金板の少なくとも３層を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼構造物の補強方法。
【請求項６】
前記合金板が前記鋼材表面に接着されることを特徴とする請求項１、２又は５に記載の鋼構造物の補強方法。
【請求項７】
前記鋼材の線膨張係数（αｓ）は、１０（μ／℃）≦αｓ≦１２（μ／℃）であり、前記鋼材に接着された前記強化繊維含有材料の線膨張係数（αｆ）は、−１５（μ／℃）≦αｆ＜αｓであり、前記合金板の線膨張係数（αａ）は、αｓ＜αａ≦３０（μ／℃）であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。
【請求項８】
前記鋼材に接着された前記強化繊維含有材料（ＦＲＰ板）及び前記合金板の各層の厚さは、下記式にて算定されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。
【数１】
0005779003.tif 000020
【請求項９】
前記強化繊維含有材料は、一方向に引き揃えた連続した強化繊維を互いに線材固定材にて固定した繊維シートで作製されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。
【請求項１０】
前記強化繊維含有材料は、強化繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、線材を互いに線材固定材にて固定した繊維シートで作製されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。
【請求項１１】
前記強化繊維含有材料は、一方向に引き揃えた連続した強化繊維シートに樹脂が含浸され、前記樹脂が硬化された繊維強化樹脂板であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。
【請求項１２】
前記合金板は、アルミニウム合金、ステンレス合金、又は、マグネシウム合金であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。
【請求項１３】
前記強化繊維含有材料の強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維などの無機繊維、又は、アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用され、
前記強化繊維含有材料に含浸されるマトリクス樹脂及び前記接着剤は、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、又はフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂、又は、ナイロン、ビニロンなどの熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。
【請求項１４】
鋼構造物を構成する鋼材の表面に接着剤にて接着して鋼構造物を補強するための鋼構造物補強用積層材であって、
鋼構造物を構成する鋼材より線膨張係数が小さい強化繊維含有材料と、鋼材より線膨張係数が大きな合金板とを交互に少なくとも１層づつは接着剤にて接着して一体に積層されたことを特徴とする鋼構造物補強用積層材。
【請求項１５】
前記強化繊維含有材料、前記合金板及び前記強化繊維含有材料の少なくとも３層を有していることを特徴とする請求項１４に記載の鋼構造物補強用積層材。
【請求項１６】
前記合金板、前記強化繊維含有材料及び前記合金板の少なくとも３層を有していることを特徴とする請求項１４に記載の鋼構造物補強用積層材。
【請求項１７】
前記鋼材の線膨張係数（αｓ）は、１０（μ／℃）≦αｓ≦１２（μ／℃）であり、前記鋼材に接着された前記強化繊維含有材料の線膨張係数（αｆ）は、−１５（μ／℃）≦αｆ＜αｓであり、前記合金板の線膨張係数（αａ）は、αｓ＜αａ≦３０（μ／℃）であることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれかの項に記載の鋼構造物補強用積層材。
【請求項１８】
前記強化繊維含有材料（ＦＲＰ板）及び前記合金板の各層の厚さは、下記式にて算定されることを特徴とする請求項１４〜１７のいずれかの項に記載の鋼構造物補強用積層材。
【数２】
0005779003.tif 000021
【請求項１９】
前記強化繊維含有材料は、一方向に引き揃えた連続した強化繊維を互いに線材固定材にて固定した繊維シートで作製されることを特徴とする請求項１４〜１８のいずれかの項に記載の鋼構造物補強用積層材。
【請求項２０】
前記強化繊維含有材料は、強化繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、線材を互いに線材固定材にて固定した繊維シートで作製されることを特徴とする請求項１４〜１９のいずれかの項に記載の鋼構造物補強用積層材。
【請求項２１】
前記強化繊維含有材料は、一方向に引き揃えた連続した強化繊維シートに樹脂が含浸され、前記樹脂が硬化された繊維強化樹脂板であることを特徴とする請求項１４〜２０のいずれかの項に記載の鋼構造物補強用積層材。
【請求項２２】
前記合金板は、アルミニウム合金、ステンレス合金、又は、マグネシウム合金であることを特徴とする請求項１４〜２１のいずれかの項に記載の鋼構造物補強用積層材。
【請求項２３】
前記強化繊維含有材料の強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維などの無機繊維、又は、アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用され、
前記強化繊維含有材料に含浸されるマトリクス樹脂及び前記接着剤は、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、又はフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂、又は、ナイロン、ビニロンなどの熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１４〜２２のいずれかの項に記載の鋼構造物補強用積層材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続した強化繊維を含むシート状或いはプレート状の強化繊維含有材料を使用して、橋梁、建築、機械等の鋼構造物を補修補強（以後、単に「補強」という。）する鋼構造物の補強方法、及び、鋼構造物補強用の積層材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、補強対象構造物の鋼材表面に鋼板を溶接若しくは高力ボルトにより添接し既設鋼材の応力度を低減する工法が実施されている。ただ、この工法は、溶接や孔開けが必要で補強鋼板の重量があるため工事が大掛かりとなり、また、溶接による残留応力や孔開けによる断面欠損など構造上弱点となる可能性がある。
【０００３】
そこで、近年、溶接や孔開けが不要で工事が簡便であるという理由から、補強対象構造物の鋼材表面に強化繊維含有材料を接着剤で張り付け既設鋼材の応力度を低減する工法が提案されている（例えば、特許文献1参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１９３４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、強化繊維含有材料を鋼構造物に接着剤で張り付ける補強方法は、利点として、材料が軽量であるので施工時のハンドリングが容易であること、接着するだけで補強できるので、鋼材にボルト孔を設けるなど特殊な加工が必要ないことが挙げられる。
【０００６】
しかしながら、例えば、強化繊維含有材料として、例えば、炭素繊維に樹脂を含浸して硬化した炭素繊維強化樹脂板（以下、「ＣＦＲＰ板」という。）は、線膨張係数がほぼ０μ／℃であるため、温度変化を受けるとＣＦＲＰ板が接着された鋼材には内部応力（即ち、熱応力）が生じる。鋼材に生じる応力を低減させるための補強工法としてＣＦＲＰ板が接着されるので、温度変化を受けて鋼材に熱応力が生じることは好ましくない。
【０００７】
そこで、本発明者らは、多くの研究実験を行った結果、鋼材より線膨張係数が大きい、例えば、線膨張係数が鋼の約２倍のアルミニウム合金板をＣＦＲＰ板と共に鋼板に接着することにより、温度変化によって鋼板に生じる熱応力、及び、鋼板と補強材（ＣＦＲＰ板＋アルミニウム合金板）との接着界面に生じる熱応力を低減させる得ることを見出した。
【０００８】
本発明は、斯かる本発明者らの新規な知見に基づくものである。
【０００９】
本発明の目的は、温度変化により鋼構造物表面に接着される補強材と鋼材表面との接着界面に発生する熱応力、及び、鋼材に発生する熱応力を低減し、十分な補強効果を得ることができる鋼構造物の補強方法、及び、鋼構造物補強用積層材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は本発明に係る鋼構造物の補強方法及び鋼構造物補強用積層材にて達成される。要約すれば、第１の本発明によれば、鋼構造物を構成する鋼材の表面に補強材を接着剤にて接着する鋼構造物の補強方法において、
前記補強材は、鋼構造物を構成する鋼材より線膨張係数が小さい強化繊維含有材料と、鋼材より線膨張係数が大きな合金板とにて構成され、
前記鋼材表面に前記強化繊維含有材料と前記合金板とを交互に少なくとも１層づつは接着剤にて接着して積層し、前記鋼材の温度変化により前記鋼材、及び、前記補強材と前記鋼材との接着界面に発生する熱応力を低減することを特徴とする鋼構造物の補強方法が提供される。
【００１１】
第２の本発明によれば、鋼構造物を構成する鋼材の表面に補強材を接着剤にて接着する鋼構造物の補強方法において、
前記補強材は、鋼構造物を構成する鋼材より線膨張係数が小さい強化繊維含有材料と、鋼材より線膨張係数が大きな合金板とを交互に少なくとも１層づつは接着剤にて接着して一体に積層して構成され、
前記補強材を前記鋼材の表面に接着剤にて接着し、前記鋼材の温度変化により前記鋼材、及び、前記補強材と前記鋼材との接着界面に発生する熱応力を低減することを特徴とする鋼構造物の補強方法が提供される。
【００１２】
第３の本発明によれば、鋼構造物を構成する鋼材の表面に接着剤にて接着して鋼構造物を補強するための鋼構造物補強用積層材であって、
鋼構造物を構成する鋼材より線膨張係数が小さい強化繊維含有材料と、鋼材より線膨張係数が大きな合金板とを交互に少なくとも１層づつは接着剤にて接着して一体に積層されたことを特徴とする鋼構造物補強用積層材が提供される。
【００１３】
上記本発明の一実施態様によると、前記補強材又は前記鋼構造物補強用積層材は、前記強化繊維含有材料、前記合金板及び前記強化繊維含有材料の少なくとも３層を有している。また、前記強化繊維含有材料が前記鋼材表面に接着される。
【００１４】
本発明の他の実施態様によると、前記補強材又は前記鋼構造物補強用積層材は、前記合金板、前記強化繊維含有材料及び前記合金板の少なくとも３層を有している。また、前記合金板が前記鋼材表面に接着される。
【００１５】
本発明の他の実施態様によると、前記鋼材の線膨張係数（αｓ）は、１０（μ／℃）≦αｓ≦１２（μ／℃）であり、前記鋼材に接着された前記強化繊維含有材料の線膨張係数（αｆ）は、−１５（μ／℃）≦αｆ＜αｓであり、前記合金板の線膨張係数（αａ）は、αｓ＜αａ≦３０（μ／℃）である。
【００１６】
本発明の他の実施態様によると、前記鋼材に接着された前記強化繊維含有材料（ＦＲＰ板）及び前記合金板の各層の厚さは、下記式にて算定される。
【００１７】
【数１】
0005779003.tif 000002
【００１８】
本発明の他の実施態様によると、前記強化繊維含有材料は、一方向に引き揃えた連続した強化繊維を互いに線材固定材にて固定した繊維シートで作製されるか、又は、強化繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、線材を互いに線材固定材にて固定した繊維シートで作製されるか、又は、一方向に引き揃えた連続した強化繊維シートに樹脂が含浸され、前記樹脂が硬化された繊維強化樹脂板である。
【００１９】
本発明の他の実施態様によると、前記合金板は、アルミニウム合金、ステンレス合金、又は、マグネシウム合金である。
【００２０】
本発明の他の実施態様によると、前記強化繊維含有材料の強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維などの無機繊維、又は、アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用され、
前記強化繊維含有材料に含浸されるマトリクス樹脂及び前記接着剤は、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、又はフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂、又は、ナイロン、ビニロンなどの熱可塑性樹脂である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の鋼構造物の補強方法、及び、鋼構造物補強用積層材によれば、温度変化により鋼構造物表面に接着される補強材と鋼材表面との接着界面に発生する熱応力、及び、鋼材に発生する熱応力を低減し、十分な補強効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の鋼構造物の補強方法の実施例を説明するための断面図である。
【図２】本発明の鋼構造物の補強方法に使用する強化繊維含有材料を作製するための繊維シートの一実施例を示す図である。
【図３】本発明の鋼構造物の補強方法に使用する強化繊維含有材料を作製するための繊維強化樹脂板の一実施例を示す図である。
【図４】本発明の鋼構造物の補強方法に使用する強化繊維含有材料を作製するための繊維シートの他の実施例を示す斜視図である。
【図５】図４に示す繊維シートを構成する繊維強化プラスチック線材の断面図である。
【図６】本発明の鋼構造物の補強方法に使用する強化繊維含有材料を作製するための繊維シートの他の実施例を示す斜視図である。
【図７】本発明の鋼構造物の補強方法に使用する合金板の一実施例を示す斜視図である。
【図８】本発明の鋼構造物の補強方法の一実施例を説明する工程図である。
【図９】本発明の鋼構造物の補強方法の他の実施例を説明する工程図である。
【図１０】本発明の鋼構造物の補強方法を実証するための種々の試験体の構成を説明する図である。
【図１１】本発明に従って補強された試験体の温度変化試験におけるひずみゲージの取付け位置を説明する図である。
【図１２】本発明と比較するために従来方法にて補強された試験体に生じる熱応力を示す図である。
【図１３】本発明と比較するために従来方法にて補強された試験体に生じる熱応力を示す図である。
【図１４】本発明に従って補強された試験体に生じる熱応力を示す図である。
【図１５】本発明に従って補強された試験体に生じる熱応力を示す図である。
【図１６】本発明に従って補強された試験体に生じる熱応力を示す図である。
【図１７】図１７（ａ）は本発明に従って複数の補強板にて補強された試験体の側面図であり、図１７（ｂ）は断面図である。
【図１８】本発明に従って複数の補強板にて補強された試験体における鋼板の微小区間の水平方向の力のつり合いを説明する図である。
【図１９】図１９（ａ）、（ｂ）は本発明と比較するために従来方法にて補強された試験体の接着剤に生じるせん断力の分布を示す図であり、図１９（ｃ）は本発明に従って補強された試験体の接着剤に生じるせん断力の分布を示す図である。
【図２０】図２０（ａ）、（ｂ）は本発明に従って補強された試験体の接着剤に生じるせん断力の分布を示す図である。
【図２１】図２１（ａ）、（ｂ）は本発明に従って補強された試験体における積層数と、熱応力及び接着剤に生じるせん断力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る鋼構造物の補強方法及び鋼構造物補強用積層材を図面に則して更に詳しく説明する。
【００２４】
図１（ａ）、（ｂ）を参照すると、本発明に係る鋼構造物の補強方法によれば、所定の厚さ（Ｔ）、例えば、１〜５０ｍｍ厚の鋼材とされるような鋼構造物２００に対して、少なくとも一側の鋼材表面に鋼構造物補強材１００が接着剤１１０により接着されて一体化される。
【００２５】
鋼構造物補強材１００は、鋼構造物を構成する鋼材２００より線膨張係数が小さいシート状或いはプレート状とされる強化繊維含有材料１と、鋼材２００より線膨張係数が大きな合金板１０とにて構成される。補強材１００は、強化繊維含有材料１か又は合金板１０のいずれか一方の部材を鋼材２００の表面に接着剤１１０にて接着し、次いで、他方の部材を前記一方の部材に積層して、必要に応じて更に前記部材を交互に積層して接着剤１１０にて接着する。又は、予め、所定の層数の強化繊維含有材料１と合金板１０を接着剤１１０で交互に積層して一体とした積層材とされ、この補強積層材が鋼材表面に接着剤で接着される。図１（ａ）では、強化繊維含有材料１が鋼材表面に接着され、図１（ｂ）では、合金板１０が鋼材表面に接着された態様を示す。
【００２６】
本発明の特徴は、温度変化により鋼材２００に発生する熱応力、及び、鋼構造物補強材１００と鋼材２００との接着界面に発生する熱応力を低減することにある。そのために、強化繊維含有材料１と合金板１０との積層構造とされる鋼構造物補強材１００を鋼材表面に接着剤１１０にて一体的に接着し、鋼材２００の温度変化により、鋼材２００、及び、鋼構造物補強材１００と鋼材２００の接着界面に発生する熱応力を低減する。
【００２７】
先ず、本発明にて使用する各材料について説明する。
【００２８】
（鋼構造物補強材）
鋼構造物補強材１００は、上述のように、鋼材より線膨張係数が小さい強化繊維含有材料１と、鋼材より線膨張係数が大きな合金板１０とを交互に、少なくとも１層づつは含むようにして積層される。通常、鋼材は、その線膨張係数（αｓ）が、１０（μ／℃）≦αｓ≦１２（μ／℃）とされる。従って、強化繊維含有材料１は、含有した強化繊維自体の線膨張係数（αｆｔ）は−１５（μ／℃）≦αｆｔ＜αｓとされ、また、マトリクス樹脂自体の線膨張係数（αｆｍ）は、通常、３０（μ／℃）≦αｆｍ≦１５０（μ／℃）されるが、マトリクス樹脂含浸硬化された状態での強化繊維含有材料自体の線膨張係数（αｆ）は、−１５（μ／℃）≦αｆ＜αｓとされる。また、強化繊維含有材料１の厚さ（ｔｆ）は、０．１〜２ｍｍとされる。また、合金板１は、線膨張係数（αａ）は、αｓ＜αａ≦３０（μ／℃）とされ、厚さ（ｔａ）は、０．５〜５ｍｍとされる。接着剤１１０の層厚（ｔｓ）は、１００〜１０００μｍとされる。
【００２９】
（１）強化繊維含有材料
本発明においては種々の形態の強化繊維含有材料１を使用することができる。強化繊維含有材料１の実施例を以下に具体例１〜３として説明するが、本発明で使用する強化繊維含有材料１の形態は、これら具体例に示すものに限定されるものではない。
【００３０】
具体例１
図２に、本発明にて使用することのできる強化繊維含有材料１の一実施例を示す。強化繊維含有材料１は、連続した強化繊維ｆを一方向に引き揃えてシート状に構成される樹脂未含浸の繊維シート１Ａとされる。樹脂未含浸の繊維シート１Ａは、補強工程において樹脂含浸されるが、繊維シート１Ａの厚さは、０．１〜０．３ｍｍとされる。繊維シート１Ａは、所望に応じて複数枚積層して使用される。
【００３１】
更に説明すると、繊維シート１Ａは、一方向に引き揃えた連続した強化繊維ｆから成る強化繊維シートをメッシュ状の支持体シートなどとされる線材固定材３にて保持した構成とすることができる。例えば、強化繊維ｆとして炭素繊維を使用した場合には、例えば平均径７μｍの単繊維（炭素繊維モノフィラメント）ｆを６０００〜２４０００本収束した樹脂未含浸の単繊維束を複数本、一方向に平行に引き揃えて使用される。炭素繊維シート１Ａの繊維目付は、通常、３０〜１０００ｇ／ｍ2とされる。
【００３２】
線材固定材３としてのメッシュ状の支持体シートを構成する縦糸４及び横糸５の表面に低融点タイプの熱可塑性樹脂を予め含浸させておき、メッシュ状支持体シート３をシート状に配列した炭素繊維の片面或いは両面に積層して加熱加圧し、メッシュ状支持体シート３の縦糸４及び横糸５の部分を炭素繊維シートに溶着する。
【００３３】
メッシュ状支持体シート３は、２軸構成のほかに、ガラス繊維を３軸に配向して形成したり、或いは、ガラス繊維を一方向に配列された炭素繊維に対して直交する横糸５のみを配置した、所謂、１軸に配向して形成して前記シート状に引き揃えた炭素繊維に接着することもできる。
【００３４】
又、上記線材固定材３の糸条としては、例えばガラス繊維を芯部に有し、低融点の熱融着性ポリエステルをその周囲に配したような二重構造の複合繊維も又好ましく用いられる。
【００３５】
具体例２
また、強化繊維含有材料１は、図３に示すように、複数の強化繊維ｆを一方向に引き揃えた強化繊維シート、例えば、図２に示すような繊維シート１Ａを1枚或いは複数枚積層して、樹脂Ｒｅを含浸し、前記樹脂が硬化されたプレート状の繊維強化樹脂板（以下、「ＦＲＰ板」という。）１Ｂとすることもできる。通常、繊維強化樹脂板１Ｂは、厚さが、０．１〜２ｍｍとされるが、これに限定されるものではない。
【００３６】
上記具体例１、２で説明した繊維シート１Ａ、繊維強化樹脂板１Ｂにおいて、強化繊維ｆは、炭素繊維に限定されるものではなく、その他、ガラス繊維、バサルト繊維などの無機繊維、更には、アラミド繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）繊維、ポリアミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリエステル繊維などの有機繊維が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用することができる。
【００３７】
また、具体例２における繊維強化樹脂板１Ｂの場合の樹脂Ｒｅとしては、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を使用することができ、熱硬化性樹脂としては、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、又はフェノール樹脂などが好適に使用され、又、熱可塑性樹脂としては、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用可能である。又、樹脂含浸量は、３０〜７０重量％、好ましくは、４０〜６０重量％とされる。
【００３８】
具体例３
更には、図４及び図５に示すように、強化繊維含有材料１としては、マトリクス樹脂Ｒが含浸され硬化された細径の連続した繊維強化プラスチック線材２を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、各線材２を互いに線材固定材３にて固定した繊維シート１Ｃを使用することもできる。
【００３９】
繊維強化プラスチック線材２は、直径（ｄ）が０．５〜３ｍｍの略円形断面形状（図５（ａ））であるか、又は、幅（ｗ）が１〜１０ｍｍ、厚み（ｔ）が０．１〜２ｍｍとされる略矩形断面形状（図５（ｂ））とし得る。勿論、必要に応じて、その他の種々の断面形状とすることができる。
【００４０】
上述のように、一方向に引き揃えスダレ状とされた繊維シート１Ｃにおいて、各線材２は、互いに空隙（ｇ）＝０．０５〜３．０ｍｍだけ近接離間して、線材固定材３にて固定される。また、このようにして形成された繊維シート１Ｃの長さ（Ｌｆ）及び幅（Ｗｆ）は、補強される構造物の寸法、形状に応じて適宜決定されるが、取扱い上の問題から、一般に、全幅（Ｗｆ）は、１００〜１０００ｍｍとされる。又、長さ（Ｌｆ）は、１〜５ｍ程度の短冊状のもの、或いは、１００ｍ以上のものを製造し得るが、使用時においては、適宜切断して使用される。
【００４１】
また、繊維シート１Ｃの長さ（Ｌｆ）を１〜５ｍ程度として、幅Ｗｆをこれより長く１〜１０ｍ程度として製造することも可能である。繊維シート１Ｃの厚さｔｆは、０．１〜２ｍｍとされるが、これに限定されるものではない。
【００４２】
繊維シート１Ｃの場合においても、強化繊維ｆとしては、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維などの無機繊維、更には、アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用することができる。また、繊維強化プラスチック線材２に含浸されるマトリクス樹脂Ｒは、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を使用することができ、熱硬化性樹脂としては、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、又はフェノール樹脂などが好適に使用され、又、熱可塑性樹脂としては、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用可能である。又、樹脂含浸量は、３０〜７０重量％、好ましくは、４０〜６０重量％とされる。
【００４３】
又、各線材２を線材固定材３にて固定する方法としては、図４に示すように、例えば、線材固定材３として横糸を使用し、一方向にスダレ状に配列された複数本の線材２から成るシート形態とされる線材、即ち、連続した線材シートを、線材に対して直交して一定の間隔（Ｐ）にて打ち込み、編み付ける方法を採用し得る。横糸３の打ち込み間隔（Ｐ）は、特に制限されないが、作製された繊維シート１の取り扱い性を考慮して、通常１０〜１００ｍｍ間隔の範囲で選定される。
【００４４】
このとき、横糸３は、例えば直径２〜５０μｍのガラス繊維或いは有機繊維を複数本束ねた糸条とされる。又、有機繊維としては、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用される。
【００４５】
各線材２をスダレ状に固定する他の方法としては、図６（ａ）に示すように、線材固定材３としてメッシュ状支持体シートを使用することができる。
【００４６】
つまり、シート形態を成すスダレ状に引き揃えた複数本の線材２、即ち、線材シートの片側面、又は、両面を、例えば直径２〜５０μｍのガラス繊維或いは有機繊維にて作製した、上記具体例１で説明したと同様の構成とされるメッシュ状の支持体シート３により支持した構成とすることもできる。
【００４７】
更に、各線材２をスダレ状に固定する他の方法としては、図６（ｂ）に示すように、線材固定材３として、例えば、粘着テープ又は接着テープなどとされる可撓性帯材を使用することができる。可撓性帯材３は、シート形態を成すスダレ状に引き揃えた各繊維強化プラスチック線材２の長手方向に対して垂直方向に、複数本の繊維強化プラスチック線材２の片側面、又は、両面を貼り付けて固定する。
【００４８】
つまり、可撓性帯材３として、幅（ｗ１）２〜３０ｍｍ程度の、塩化ビニルテープ、紙テープ、布テープ、不織布テープなどの粘着テープ又は接着テープが使用される。これらテープ３を、通常、１０〜１００ｍｍ間隔（Ｐ）で各繊維強化プラスチック線材２の長手方向に対して垂直方向に貼り付ける。
【００４９】
更に、可撓性帯材３としては、ナイロン、ＥＶＡ樹脂などの熱可塑性樹脂を帯状に、線材２の長手方向に対して垂直方向に片側面、又は、両面に熱融着させることによっても達成される。
【００５０】
（２）合金板
図１、図２に示す補強材１００を構成する合金板１０は、アルミニウム合金、ステンレス合金、マグネシウム合金、などとされる。図７に示すように、合金板１０の長さ（Ｌａ）及び幅（Ｗａ）は、補強される鋼構造物２００の寸法、形状に応じて適宜決定される。合金板１０の厚さ（ｔａ）は、０．５〜５ｍｍとされるが、この厚さに限定されるものではない。
【００５１】
（３）接着剤
補強材１００を鋼材表面に接着する接着剤１１０、及び、強化繊維含有材料１と合金板１０とを接着する接着剤１１０は、上記強化繊維含有材料１に含浸されるマトリクス樹脂と同じとすることができ、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を使用することができる。例えば、熱硬化性樹脂としては、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、又はフェノール樹脂などが好適に使用され、又、熱可塑性樹脂としては、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用可能である。上述のように、接着剤１１０の層厚（ｔｓ）は、１００〜１０００μｍの範囲とされる。
【００５２】
（補強方法）
本発明によれば、上記構成とされる強化繊維含有材料１及び合金板１０を交互に順次、鋼構造物２００の表面に積層しながら接着するか、或いは、強化繊維含有材料１及び合金板１０を予め接着剤にて積層して一体化した補強用積層材を補強材１００として、この補強用積層材１００を鋼構造物２００の表面に接着して、鋼構造物２００の補強を行うことができる。
【００５３】
本発明に係る鋼構造物の補強方法の実施例を具体例１、２について説明する。
【００５４】
具体例１
本発明の鋼構造物の補強方法によれば、例えば、強化繊維含有材料１として、上記強化繊維含有材料具体例１で説明した強化繊維ｆを一方向に引き揃えて作製された繊維シート１Ａを使用することができ、鋼構造物２００の表面上に接着剤１１０にて接着して一体化する。
【００５５】
鋼構造物２００の補強に際して、曲げモーメント及び軸力を主として受ける部材（構造物）に対しては、曲げモーメントにより生じる引張応力或いは圧縮応力の主応力方向に強化繊維の配向方向を概ね一致させて接着することで、繊維シート１Ａが効果的に応力を負担し、効率的に構造物の耐荷力を向上させることが可能である。
【００５６】
また、直交する２方向に曲げモーメントが作用する場合、繊維シート１Ａの強化繊維ｆの配向方向が曲げモーメントにより生じる主応力に概ね一致するように２層以上の繊維シート１Ａを直交させて積層接着することで効率的に耐荷力の向上が図れる。
【００５７】
次に、図８を参照して、本発明に係る鋼構造物の補強方法の具体例１について更に説明する。
【００５８】
（第１工程）
図８（ａ）、（ｂ）に示すように、鋼構造物２００の被補強面（即ち、被接着面）２０１の脆弱部２０１ａを、ディスクサンダー、サンドブラスト、スチールショットブラスト、ウォータージェットなどの研削手段５０により除去し、鋼構造物２００の被接着面２０１を適度な粗度を持つ面２０２となるように下地処理をする。
【００５９】
（第２工程）
下地処理した面２０２にエポキシ樹脂プライマー２０３を塗布する（図８（ｃ））。プライマー２０３としては、エポキシ樹脂系に限ることなくＭＭＡ系樹脂など被補強鋼構造物２００の材質に合わせて適宜選定される。
【００６０】
なお、プライマー２０３の塗布工程は、省略することも可能である。
【００６１】
（第３工程）
次いで、図８（ｄ１）に示すように、鋼材表面上に接着剤１１０を塗布し、この面に、繊維シート１Ａを押し付けて補強対象鋼構造物２００の表面２０２に繊維シート１Ａを接着する。本例では、樹脂未含浸の繊維シート１Ａを使用しているために、接着剤（樹脂）は、その一部がマトリクス樹脂として繊維シート１Ａに含浸される。勿論、現場で樹脂含浸した繊維シート１Ａを鋼構造物表面２０２上に押え付け接着してもよい。
【００６２】
繊維シート１Ａへの樹脂含浸量は、上述のように、３０〜７０重量％、好ましくは、４０〜６０重量％とされる。
【００６３】
その後、図８（ｅ１）に示すように、樹脂含浸された繊維シート１Ａ（即ち、強化繊維含有材料１）の上に、必要に応じて、更に接着剤１１０を追加塗布して、合金板、例えば、アルミ合金板１０を押し付けて接着する。
【００６４】
また、別法として、図８（ｄ２）に示すように、鋼材表面２０２上に接着剤１１０を塗布し、この面に、先ず、例えばアルミ合金板のような合金板１０を押し付けて補強対象鋼構造物２００の表面２０２に合金板１０を接着する。その後、図８（ｅ２）に示すように、合金板１０の上に接着剤１１０を塗布し、その上に、繊維シート１Ａを押し付けて接着する。勿論、現場で樹脂含浸した繊維シート１Ａを合金板１０上に押し付けて接着してもよい。
【００６５】
使用される接着剤１１０としては、上述の繊維シート１Ａに含浸されるマトリクス樹脂と同様のものが使用され、特に、常温硬化型エポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、アクリル樹脂、ＭＭＡ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ビニルエステル樹脂、光硬化型樹脂等が挙げられ、具体的には、常温硬化型エポキシ樹脂及びＭＭＡ樹脂が好適とされる。本実施例では、エポキシ樹脂を使用した。
【００６６】
上記補強作業により、図８（ｆ１）、（ｆ２）に示すように、鋼材表面２０２に強化繊維含有材料１と合金板１０を少なくとも１層ずつ積層して構成される２層構成の補強材１００が一体的に接着され、鋼構造物２００が補強される。
【００６７】
更に、必要に応じて、図８（ｇ１）、（ｇ２）に示すように、更に、上述した強化繊維含有材料１又は合金板１０を交互に積層することにより、強化繊維含有材料１と合金板１０をそれぞれ複数層備えた補強材１００による鋼材補強が可能である。
【００６８】
また、上記補強方法具体例１の説明では、強化繊維含有材料１と合金板１０とを各々交互に、鋼材表面上へ接着剤を介して積層しながら補強材１００による鋼材補強を行なうものとしたが、図９（ａ）に示すように、予め、強化繊維含有材料１と合金板１０を互いに接着剤１１０にて一体に接着した積層物を形成し、この積層物からなる補強材（補強用積層材）１００を、図９（ｄ１１）に示すように、鋼材表面２０２上に接着剤１１０を塗布し、補強材１００の強化繊維含有材料１の側を接着するか、或いは、図９（ｄ１２）に示すように、補強材１００の合金板１０の側を押し付けて接着することもできる。このとき、補強用積層材１００を構成する強化繊維含有材料１は、通常、樹脂が含浸され、硬化された繊維強化樹脂板（即ち、ＦＲＰ板）１Ｂとされるが、樹脂未含浸の繊維シート１Ａであってもよい。樹脂未含浸繊維シート１Ａの場合は、接着時に接着剤がマトリクス樹脂として繊維シート１Ａに含浸される。
【００６９】
具体例２
上記補強方法具体例１では、鋼材表面２０２に強化繊維含有材料１と合金板１０にて構成される２層構成の補強材１００を接着して補強する態様について説明したが、本発明で使用する補強材の積層構成は、これに限定されるものではない。
【００７０】
例えば、図８（ｇ１）に示すように、鋼材表面に積層する補強材１００は、強化繊維含有材料１、合金板１０、強化繊維含有材料１の３層構成とすることもでき、この場合は、硬化繊維含有材料１が鋼材表面２０２に接着されることとなる。
【００７１】
更には、図８（ｇ２）に示すように、鋼材表面に積層する補強材１００は、合金板１０、強化繊維含有材料１、合金板１０の３層構成とすることもでき、この場合は、合金板１０が鋼材表面２０２に接着されることとなる。
【００７２】
これら積層構成の補強材１００の上に、更に、強化繊維含有材料１或いは合金板１０を重ねて積層することができる。積層数（Ｎ）は、必要とされる鋼板補強程度によって適宜決定される。
【００７３】
上記構成とされる本発明の補強方法によれば、強化繊維含有材料１と合金板１０が接着され一体となった補強材１００の線膨張係数を、鋼板２００の線膨張係数に近づけることによって、補強材１００が接着された鋼板２００に生じる熱応力、及び、補強材１００と鋼板２００との接着界面に生じる熱応力を小さくすることができる。この点について、次に詳しく説明する。
【００７４】
一般に、樹脂（マトリクス樹脂）含浸済みの強化繊維含有材料１、即ち、繊維強化樹脂板（ＦＲＰ板）においては、強化繊維含有率を変化させることにより、ＦＲＰ板の線膨張係数を任意に設定することができる。
【００７５】
しかし、強化繊維含有材料（ＦＲＰ板）１は、マトリクス樹脂のヤング率が強化繊維と比べて非常に小さいので、ＦＲＰ板の線膨張係数を鋼と同程度にすると、繊維含有率が小さくなり、力学的性質が乏しくなる。そこで、鋼板に生じる熱応力、及び、ＦＲＰ板と鋼板との接着界面に生じる熱応力を低減させる方法として、本発明では、ＦＲＰ板１に加え、例えば、ヤング率７０ＧＰａ、線膨張係数２３μ／℃とされるアルミニウム合金板のような合金板１０を鋼板２００に接着することとした。
【００７６】
つまり、ＦＲＰ板１と合金板１０が接着され一体となった補強材（補強用積層材）１００の線膨張係数を、鋼板２００の線膨張係数に近づけることによって、ＦＲＰ板１と合金板１０の積層材（補強材）１００が接着された鋼板２００に生じる熱応力、及び、補強材１００と鋼板２００との接着界面に生じる熱応力を小さくすることができる。
【００７７】
ＦＲＰ板１と合金板１０が接着され、一体となった補強材１００の線膨張係数ανは、各ＦＲＰ板１と各合金板１０の熱伸縮による内力のつり合いから次式で与えられる。
【００７８】
【数２】
0005779003.tif 000003
【００７９】
式（１）のανを鋼の線膨張係数αsに置換し、ＦＲＰ板１に対する合金板１０の伸び剛性比ＥaＡa／（ＥfＡf）に対して解いて次式を得る。
【００８０】
【数３】
0005779003.tif 000004
【００８１】
この式（２）に、鋼、ＦＲＰ板及び合金板の線膨張係数を代入して、ＦＲＰ板１と合金板１０の補強材１００の線膨張係数を、鋼板２００のそれと等しくするＦＲＰ板１の伸び剛性に対する合金板１０の伸び剛性が設計できる。
【００８２】
上述より理解されるように、ＦＲＰ板及び合金板が複数枚（Ｎ層）積層される場合には、上記式（１）及び式（２）は、一般化し、下記式（１−１）、（２−１）として表すことができる。
【００８３】
【数４】
0005779003.tif 000005
【００８４】
上記各式は、補強材１００を構成する積層板の熱膨張係数と補強対象である鋼材の熱膨張係数とを等しくするために必要な積層板の各層の板厚、幅を求める式であり、積層板の各層の板厚、幅はこれに限定されるものではない。これらの式から求まる各層の板厚、幅にすれば理論上熱応力は発生しないが、これに限らず、鋼材より熱膨張係数の小さいＦＲＰ板のみの補強に比べて、鋼材より熱膨張係数の大きい合金板を組み合わせれば、熱応力は緩和される。
【００８５】
本発明に係る構造物の補強方法の作用効果を実証するために以下の試験を行った。以下に、この試験例について説明する。
【００８６】
なお、本発明の補強方法において、強化繊維含有材料１の強化繊維としては、典型的には炭素繊維が使用されるので、本試験例において強化繊維含有材料１としては、具体例２として説明した、強化繊維として炭素繊維を使用し、含浸樹脂としてエポキシ樹脂を使用した炭素繊維強化樹脂板（ＣＦＲＰ板）１Ｂを用いた。また、補強材１００における合金板１０としては、典型的には、アルミニウム合金板（ＡＬ板）が使用されるので、本試験例ではＡＬ板を使用して試験を行なった。
【００８７】
（試験例）
（１）試験条件
試験体
図１０（ａ）に示す、厚さ４．５ｍｍ、幅２５ｍｍの鋼板の上下面に、ヤング率１４０ＧＰａ、厚さ１ｍｍ、幅２５ｍｍのＣＦＲＰ板２枚をそれぞれ接着した場合（従来工法）を対象（比較例）として、本発明に係る補強法における熱応力の低減効果を明らかにする。
【００８８】
鋼板の補強効果を一定にするために、ＣＦＲＰ板と、ＡＬ板の和の伸び剛性を図１０（ａ）のＣＦＲＰ板の伸び剛性と同じになるように設計する。接着するＡＬ板の伸び剛性を設計するために、鋼板の線膨張係数αs、ＣＦＲＰ板の線膨張係数αf及びＡＬ板の線膨張係数αaをそれぞれ、αs＝１２μ／℃、αf＝１μ／℃及びαa＝２３μ／℃として与えた。それらの値を式（２）に代入して、ＥaＡa／（ＥfＡf）＝１を得る。
【００８９】
したがって、ＡＬ板の伸び剛性をＣＦＲＰ板のそれと等しくすることにより、ＣＦＲＰ板とＡＬ板の合成板の線膨張係数を、鋼板のそれと等しくすることができる。すなわち、図１０（ａ）に対して、鋼板の片面に接着された２枚のＣＦＲＰ板のうち、１枚のＣＦＲＰ板を、それと同じ伸び剛性のＡＬ板に置換する。ＡＬ板のヤング率が７０ＧＰａ（ＣＦＲＰ板の１／２倍）であるので、熱応力を低減させるＡＬ板の断面はＣＦＲＰ板の２倍になる。このように設計した、ＣＦＲＰ板とＡＬ板が接着された鋼板を図１０（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す。
【００９０】
図１０（ｄ）の試験体ＡＣＡには、各厚さ１ｍｍのＡＬ板の間にＣＦＲＰ板が接着された３層の積層板としている。
【００９１】
図１０（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の試験体に加え、図１０（ａ）で示したＣＦＲＰ板が２枚接着された試験体ＣＣ、及び、図示してはいないが、鋼板の両面に厚さ２ｍｍのＡＬ板が各２枚装着された試験体ＡＡの温度変化試験も行った。また、図示してはいないが、図１０（ｄ）の試験体ＡＣＡと同様の３層構成であるが、各厚さ１ｍｍのＣＦＲＰ板の間に厚さ２ｍｍのＡＬ板が接着された３層の積層板とされる試験体ＣＡＣの温度変化試験も行った。
【００９２】
本発明のように補強材を被補強対象物に接着することにより補強する補強方法では、接着剤を介して鋼板とＣＦＲＰ板或いはＡＬ板の相互の力が伝達される。したがって、鋼板、ＣＦＲＰ板及びＡＬ板間の力の伝達が十分になされるように接着長さを設計する必要があるが、本試験例では、試験に用いた乾燥炉の大きさからＣＦＲＰ板及びＡＬ板の長さを１００ｍｍ（鋼板の長さ１６０ｍｍ）とした。
【００９３】
鋼板、ＣＦＲＰ板及びＡＬ板の各接着面を、＃１００のサンドペーパーで研磨し、油脂を拭き取ってからそれぞれ接着剤にて接着した。鋼板の片面にＣＦＲＰ板及びＡＬ板を接着し室温２０℃の恒温状態で１日養生した後、もう片面に同様にしてＣＦＲＰ板とＡＬ板を接着し、室温２０℃の恒温状態で１週間以上養生した。
【００９４】
計測した試験体の各寸法を表−１に示す。各材料の厚さは表−２の材料定数に示している。接着剤の厚さは、ノギスで計測した試験体の全厚さから、鋼板及び接着したＣＦＲＰ板とＡＬ板の厚さを引いて、接着剤層の数で除した平均厚さが示されている。
【００９５】
【表１】
0005779003.tif 000006
【００９６】
【表２】
0005779003.tif 000007
【００９７】
図１１に、試験体に貼付けたひずみゲージの位置を示している。鋼板の両側面と、最外に接着されたＣＦＲＰ板或いはＡＬ板の両表面に線膨張係数が１１．７μ／℃に設定されたひずみゲージを貼付けている。
【００９８】
試験体に用いた材料の特性
試験体に用いた鋼板、ＣＦＲＰ板、ＡＬ板及び接着剤の材料定数を表−２に示す。鋼板、ＣＦＲＰ板及びＡＬ板は、引張試験、及び、温度変化を与えた試験から得られた値を示している。接着剤の材料定数は、材料試験成績書の値に加え、試験体で用いた接着剤で作成した立方体（一辺１４ｍｍ）の供試体の圧縮試験（２０℃）から得られた圧縮弾性係数とポアソン比も示している。
【００９９】
鋼板、ＣＦＲＰ板及びＡＬ板の線膨張係数は、後で説明する温度変化試験において、無拘束の鋼板、ＣＦＲＰ板及びＡＬ板に生じたひずみから次式を利用して算出した。
【０１００】
【数５】
0005779003.tif 000008
【０１０１】
εg（Ｔ）［μ］は、自己温度補償ひずみゲージの見掛けひずみの近似式であり、製造ロットによって係数が異なる。
【０１０２】
表−１、表−２から、試験体に用いた鋼板、ＣＦＲＰ板及びＡＬ板の各ヤング率と各線膨張係数は、それぞれ設計で仮定した各材料の値と同程度であることがわかる。表−１、２の計測寸法と材料定数を式（１）へ代入し算出されたＣＦＲＰ板とＡＬ板からなる合成板（補強材）の線膨張係数ανを表−１に示す。試験体ＣＡ、ＡＣ及びＡＣＡに対して、合成板（補強材）の線膨張係数ανは、鋼の線膨張係数αsに近い値になっていることがわかる。
【０１０３】
試験方法
本試験例では、乾燥炉を用いて、温度変化試験を行った。乾燥炉に試験体を鉛直に吊るし、扉を開けた状態で２０℃の恒温室に２時間程度放置した。その後、ひずみを計測し、乾燥炉の扉を閉め、炉内の設定温度を４０℃まで上昇させて、各ひずみの変動がなくなるまで温度を保持した後、ひずみを計測して温度上昇に対する試験とした。さらに、その状態から乾燥炉の扉を開けて、温度を２０℃まで低下させ、同様に各ひずみの変動がなくなった後、ひずみを計測して温度下降に対する試験とした。各試験体に加え、無拘束の鋼板、ＣＦＲＰ板、ＡＬ板も同様に温度変化を与えてひずみを計測した。試験体の温度は熱伝対を用いて計測した。実際に計測された試験開始時と終了時の温度Ｔ１、Ｔ２を表−１に示している。
【０１０４】
（２）（試験結果）
計測された鋼板に生じるひずみεsmと無拘束の鋼板に生じるひずみεsn及び鋼ヤング率Ｅsを用いて、次式から鋼板に生じる熱応力σsを算出した。
【０１０５】
【数６】
0005779003.tif 000009
【０１０６】
同様にして、試験体のＣＦＲＰ板或いはＡＬ板に生じるひずみ及び無拘束のＣＦＲＰ板或いはＡＬ板に生じるひずみを用いて、最外のＣＦＲＰ板或いはＡＬ板の熱応力σf、σaを算出した。
【０１０７】
温度上昇時及び下降時の各試験体に生じる熱応力を図１２（ａ）、（ｂ）〜図１６（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示す。
【０１０８】
鋼板に生じる熱応力は、鋼板の両側面の平均値を示し、ＣＦＲＰ板及びＡＬ板に生じる熱応力は、上下面の平均値を示している。図の横軸は、ＣＦＲＰ板とＡＬ板の接着長さの中央からの距離ｘ（図１０（ａ）〜（ｄ）参照）を示している。図１２（ａ）、（ｂ）〜図１６（ａ）、（ｂ）には、後で説明する「数値解析結果」も実線と破線で示されている。
【０１０９】
図１２（ａ）、（ｂ）〜図１６（ａ）、（ｂ）からわかるように、温度上昇時と降下時に生じる熱応力は、符号が異なるのみで絶対値はほぼ等しい。
【０１１０】
図１２（ａ）、（ｂ）及び図１３（ａ）、（ｂ）から、温度上昇時、ＣＦＲＰ板のみが接着された試験体ＣＣとＡＬ板のみが接着された試験体ＡＡでは、圧縮応力及び引張応力がそれぞれ生じていることがわかる。ＣＦＲＰ板或いはＡＬ板の端部では、それらの値は小さく、ｘ＝０の位置で、大きな引張応力或いは圧縮応力が生じている。ｘ＝０の位置の鋼板及びＣＦＲＰ板に生じる熱応力は、部材内力のつり合いから導出される次式に、表−１、２の計測寸法と材料定数を代入して算出された値σsT、σfT（図中のｘ＝０の位置の■）とほぼ一致している。
【０１１１】
【数７】
0005779003.tif 000010
【０１１２】
式（６）〜（８）のＣＦＲＰ板の断面Ａfと材料定数Ｅf、αfをそれぞれＡＬ板のＡa、Ｅa及びαfに置換することにより、試験体ＡＡの鋼板とＡＬ板に生じる熱応力の収束値σsT、σaTがそれぞれ計算できる。
【０１１３】
図１４（ａ）、（ｂ）〜図１６（ａ）、（ｂ）から、試験体ＣＡ、ＡＣ及びＡＣＡでは、ｘ＝０の位置の鋼板に生じる熱応力がほぼ０になっていることがわかる。試験体ＣＡ、ＡＣでは、補強板の端部近傍の鋼板に若干熱応力が生じているが、試験体ＡＣＡでは、接着端部近傍においても鋼板に生じる熱応力が低減されていることがわかる。
【０１１４】
したがって、式（２）で算出されるＣＦＲＰ板の伸び剛性に対するＡＬ板の伸び剛性の比を満足するように、ＣＦＲＰ板及びＡＬ板を接着することにより、鋼板に生じる熱応力を大幅に低減させることができる。
【０１１５】
一方、図１４（ａ）、（ｂ）〜図１６（ａ）、（ｂ）から、試験体ＣＡ、ＡＣ及びＡＣＡの最外のＣＦＲＰ板或いはＡＬ板に生じる熱応力は、試験体ＣＣ（図１２）或いは試験体ＡＡ（図１３）に生じる熱応力σf、σaよりも大きくなっている。これは、鋼板とＣＦＲＰ板或いは鋼板とＡＬ板の線膨張係数の差より、ＣＦＲＰ板とＡＬ板の線膨張係数の差が大きいためである。
【０１１６】
試験体ＣＡ、ＡＣ及びＡＣＡのｘ＝０の位置の鋼板、ＣＦＲＰ板及びＡＬ板に生じる熱応力は、鋼板、ＣＦＲＰ板及びＡＬ板の内力の釣り合いから導出される次式に、表−１、２の計測寸法と材料定数を代入して算出された値σsT、σfT及びσaT（図中のｘ＝０の位置の■）とほぼ一致している。
【０１１７】
【数８】
0005779003.tif 000011
【０１１８】
試験体ＡＣＡに対して、ＡＬ板の断面積Ａaは、２枚のＡＬ板の断面積の和を与えた。
【０１１９】
（３）（数値解析）
次に、２枚或いは３枚のＣＦＲＰ板とＡＬ板が鋼板の上下面に接着された場合に対して、文献「宮下剛、長井正嗣：一軸引張りを受ける多層のＣＦＲＰが積層された鋼板の応力解析、土木学会論文集Ａ、Ｖｏｌ．６６、Ｎｏ．２、ｐｐ．３７８−３９２、２０１０」を参考に、数値解析によって鋼板、ＣＦＲＰ板及びＡＬ板に生じる熱応力を算出した。図１７に示すように、鋼板に近い側から、ＣＦＲＰ板或いはＡＬ板とされる補強板に各々補強板１、２、・・・ｉと番号付をして数値解析を行った。
【０１２０】
解析方法
鋼板に生じる応力σs（ｘ）とひずみεs（ｘ）の関係及び補強板ｉに生じる応力σi（ｘ）とひずみεi（ｘ）の関係をそれぞれ次式で与える。
【０１２１】
【数９】
0005779003.tif 000012
【０１２２】
接着剤ｉに生じるせん断応力τi（ｘ）とせん断ひずみγi（ｘ）の関係を次式で与える。
【０１２３】
【数１０】
0005779003.tif 000013
【０１２４】
式（１４）、（１５）及び（１８）を行列・ベクトル形式で表すと次式になる。
【０１２５】
【数１１】
0005779003.tif 000014
【０１２６】
図１８に示す、複数の補強板が接着された鋼板の微小区間の水平方向の力のつり合いから、導出されるひずみの関係式の行列・ベクトル形式が次式で与えられる。
【０１２７】
【数１２】
0005779003.tif 000015
【０１２８】
式（２４）の一般解は、次式で与えられる。
【０１２９】
【数１３】
0005779003.tif 000016
【０１３０】
未定係数ベクトルＣは、境界条件を与えて決定される。図１７に示す複数の補強板が接着された鋼板に対して、補強板の端部において、鋼板に生じる応力σs（ｘ）が作用応力σsnと等しく、各補強板に生じる応力σi（ｘ）が全て０になり、更に補強板の付着中央（ｘ＝０）で各接着剤に生じるせん断応力τi（ｘ）が全て０になる境界条件を与えて、未定係数ベクトルＣが次式で算出される。
【０１３１】
【数１４】
0005779003.tif 000017
【０１３２】
したがって、複数の補強板が接着された場合に対して、式（３１）から算出される未定係数ベクトルを式（２６）に代入し、式（１９）から、鋼板、各補強板及び各接着剤に生じる応力が数値解析によって計算できる。
【０１３３】
数値解析結果
（１）鋼板に生じる応力
表−１、２の試験体の寸法と材料定数を与えて、算出した数値解析結果を図１２（ａ）、（ｂ）〜図１６（ａ）、（ｂ）に実線と破線で示している。解析値は、ＣＦＲＰ板を形成する樹脂の影響を含んでいないので、接着端部近傍で、実験値よりも若干大きくなるが、両者は同様な傾向を示していることがわかる。
【０１３４】
図１４（ａ）、（ｂ）〜図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、解析によって、試験体ＣＡ、ＡＣ及びＡＣＡの接着端部の鋼板に若干生じる熱応力も評価できていることがわかる。温度上昇時、試験体ＣＡでは、接着端部の鋼板の熱応力は圧縮であるが、試験体ＡＣでは引張が生じている。この理由は、鋼板から補強板１に軸力が伝達され、次に補強板１から補強板２に軸力が伝達されるため、接着端部近傍の鋼板は、他の補強板と比べて補強板１の線膨張係数の影響を大きく受けるためである。
【０１３５】
さらに、解析結果では、積層数が３層の試験体ＡＣＡの接着端部の鋼板に生じる熱応力が試験体ＣＡ及びＡＣよりも小さくなっており、実験結果と同じ傾向を示した。
【０１３６】
ＣＦＲＰ板或いはＡＬ板に生じる応力は、ｘ＝０の位置では、解析値と実験値がほぼ一致しているが、試験体ＣＡ、ＡＣ及びＡＣＡでは、接着端部近傍（ｘ＝４５ｍｍ）において、両者の値に差が見られた。これは、本解析が軸力のみを取り扱った手法であるため、ＣＦＲＰ板とＡＬ板の接着端部に生じる曲げモーメントが考慮されていないことが原因である。鋼板には曲げモーメントが生じないので、ＣＦＲＰ板とＡＬ板の接着端部に生じる曲げモーメントが鋼板の熱応力に与える影響は小さいと考えられる。しかしＣＦＲＰ板或いはＡＬ板の接着端部近傍に生じる曲げモーメントによって接着剤に垂直応力が生じるため、ＣＦＲＰ板やＡＬ板のはく離を評価する際には、それらに生じる曲げモーメントを明らかにする必要があると考えられる。
【０１３７】
（２）接着剤に生じるせん断応力
数値解析で得られた、温度上昇時に対する各試験体の接着剤に生じるせん断応力の分布を図１９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び図２０（ａ）、（ｂ）に示す。
【０１３８】
これらの図からわかるように、試験体ＣＣ及びＡＡでは、各接着剤に生じるせん断応力の符号は等しく、鋼板に近い接着剤１に生じるせん断応力の絶対値が接着剤２のそれよりも大きくなる。一方、試験体ＣＡ及びＡＣでは、接着剤１と２に生じるせん断応力の符号が異なり、接着剤２に生じるせん断応力の絶対値が接着剤１のそれよりも大きい。
【０１３９】
さらに、試験体ＣＡ及びＡＣの接着剤２に生じるせん断応力の絶対値は、試験体ＣＣ、ＡＡの接着剤１に生じるせん断応力の絶対値よりも大きい。試験体ＡＣＡでは、接着剤１と３に生じるせん断応力の符号が等しく、接着剤３に生じるせん断応力の絶対値が最大になる。
【０１４０】
さらに、試験体ＡＣＡの接着剤３に生じるせん断応力の絶対値は、試験体ＣＣ、ＡＡの接着剤１に生じるせん断応力の絶対値よりも小さくなっている。
【０１４１】
これらの現象は、鋼板とＣＦＲＰ板、鋼板とＡＬ板及びＣＦＲＰ板とＡＬ板の線膨張係数の差と各材料の伸び剛性に依存していることによる。
【０１４２】
先に述べたように、実験で計測された最外のＣＦＲＰ板或いはＡＬ板の接着端部近傍の表面のひずみは、曲げモーメントの影響を受けているので、それらの値を用いて接着剤に生じるせん断応力が算出できない、しかし、曲げモーメントが生じない鋼板応力の計測値を利用して、接着剤１に生じるせん断応力を計算できる。
【０１４３】
接着剤１に生じるせん断応力と鋼板応力の間には、以下の関係がある。
【０１４４】
【数１５】
0005779003.tif 000018
【０１４５】
この式を差分の形で表すと次式になる。
【０１４６】
【数１６】
0005779003.tif 000019
【０１４７】
各試験体の鋼板の熱応力を利用して式（３４）から温度変化を受けて接着剤１に生じるせん断応力τ１を図１９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び図２０（ａ）、（ｂ）にプロットしている。鋼板に生じるひずみの計測点数が少なく、それらの間隔が大きいため、精度の良い値は得られていないが、これらの図から、実験値から算出した接着剤１に生じるせん断応力は、解析値と同様な傾向を示していることがわかる。
【０１４８】
さらに、３層積層された試験体ＡＣＡの接着剤１に生じるせん断応力が最も低減されていることが実験値からも明らかである。
【０１４９】
（３）ＣＦＲＰ板とＡＬ板の積層数が熱応力及びせん断力に与える影響
ＣＦＲＰ板とＡＬ板の積層数Ｎに対する数値解析の結果、先に述べたように、積層数が偶数（Ｎ＝２）の場合、鋼板に近い補強板がＣＦＲＰ板の場合と、ＡＬ板の場合では、鋼板に生じる熱応力および接着剤に生じるせん断応力は符号が異なるだけで絶対値が等しい。同様に、積層数が奇数（Ｎ＝３）の場合でも、図１９、図２０には示していないが、鋼板に近い補強板がＣＦＲＰ板の場合と、ＡＬ板の場合では、鋼板に生じる熱応力および接着剤に生じるせん断応力は符号が異なるだけで絶対値が等しい。
【０１５０】
したがって、積層数Ｎ＝４以上に対して、１層目がＣＦＲＰ板となるようにＣＦＲＰ板とＡＬ板が鋼板に接着された場合に対して数値解析を行った。
【０１５１】
理論解析および数値解析を行った条件に対して、鋼板に生じる熱応力は、ＣＦＲＰ板の端部近傍以外はほぼ０であった。したがって、図２１（ａ）では、Ｎ＝１の場合を除いて、ＣＦＲＰ板の端部近傍の鋼板に生じる熱応力の最大値σsTと積層数Ｎの関係を示している。図のＮ＝１は、１層のＣＦＲＰ板が鋼板に接着された場合のＣＦＲＰ板の接着長さの中央の鋼板に生じる熱応力σs（０）（ただし、σsn＝０）を示し、縦軸はσsＴをσs（０）で除した値を示している。この図から、ＣＦＲＰ板の端部近傍の鋼板に生じる熱応力の最大値σsTは、積層数Ｎが偶数の場合に若干増加傾向を示すが、積層数の増加に伴って低減していることがわかる。
【０１５２】
図２１（ｂ）に、各接着剤に生じるはく離せん断応力τeiと積層数Ｎの関係を示す。温度が上昇あるいは降下することによって、各接着剤に生じるはく離せん断応力は正負交番する。したがって、図の縦軸は、各接着剤のはく離せん断応力τeiを、Ｎ＝１すなわち１層のＣＦＲＰ板が鋼板に接着された場合の接着剤に生じるはく離せん断応力τ（ｌ）（ただし、σsn＝０）で除した値の絶対値を示している。図２１（ｂ）から、接着層が２の場合、温度変化によって接着剤２に生じるせん断応力の絶対値が、１層のＣＦＲＰ板を鋼板に接着する場合に生じるはく離せん断応力τ（ｌ）よりも大きくなるが接着層が３以上の場合、ＡＬ板とＣＦＲＰ板を接着することにより、温度変化によって生じるはく離せん断応力の絶対値は、τ（ｌ）の絶対値よりも常に小さくなることがわかる。
【０１５３】
引張応力が作用した場合にはく離せん断応力が最も大きくなる接着剤１では、ＣＦＲＰ板とＡＬ板を接着することにより、温度変化によって生じるはく離せん断応力の絶対値が大きく低減していることがわかる。ＣＦＲＰ板とＡＬ板の線膨張係数の差が、ＣＦＲＰ板と鋼のそれよりも大きいため、ＡＬ板とＣＦＲＰ板の間の接着剤２〜７に生じるはく離せん断応力の絶対値は、接着剤１のはく離せん断応力の絶対値よりも常に大きく、最外層の接着剤に生じるせん断応力は、各積層数Ｎに対して常に最大になる。
【０１５４】
温度変化によって各接着剤に生じるはく離せん断応力は、積層数Ｎの増加に伴って低下傾向にあるが、積層数Ｎが偶数の場合、各接着剤に生じるはく離せん断応力は、積層数Ｎが奇数の場合の低下と比べて若干大きくなっている。この現象は、ＦＥＭ解析の結果からも得られた。積層数Ｎが偶数の場合、各１層のＣＦＲＰ板とＡＬ板毎に、線膨張係数が鋼板と等しくなる部材が構成されるため、図２１（ａ）、（ｂ）に示されるように、鋼板に生じる熱応力の最大値及び接着剤に生じるはく離せん断応力に影響を与えたと考えられる。
【０１５５】
以上より、積層数Ｎが３以上になるようにＡＬ板とＣＦＲＰ板を鋼板の上下面に対称に接着することにより、鋼板に生じる熱応力、及び、温度変化によって接着剤に生じるはく離せん断応力を、ＣＦＲＰ板とアルミニウム合金板の和の伸び剛性を有する１層のＣＦＲＰ板を鋼板に接着した場合よりも低減できることが明らかとなった。ただし、積層数Ｎが２の場合でも、作用応力やＣＦＲＰ板とＡＬ板の接着時間によって、ＣＦＲＰ板のはく離が防止されれば、鋼板に生じる熱応力を低減するために利用できる。
【０１５６】
（まとめ）
本試験例では、ＣＦＲＰ板が上下面に対称に接着された鋼板を対象（比較例）に、温度変化によって鋼板に生じる熱応力、及び、補強材と鋼板との接着界面に生じる熱応力を低減させる方法として、線膨張係数が鋼の約２倍のアルミニウム合金板をＣＦＲＰ板と共に鋼板に接着する方法を提案し、鋼板にＣＦＲＰ板とアルミニウム合金板を接着した試験体の温度変化試験及び数値解析を行い、開発した工法による鋼板の熱応力、及び、補強材と鋼板との接着界面に生じる熱応力の低減効果を明らかにした。主な結論を以下に示す。
【０１５７】
１）アルミニウム合金板をＣＦＲＰ板と共に接着して、鋼板、及び、補強材（アルミニウム合金板＋ＣＦＲＰ板）と鋼板との接着界面に熱応力が発生しないＣＦＲＰ板を用いた補強工法を開発した。ＣＦＲＰ板の接着の中央で、鋼板に生じる熱応力を０にするのに必要なアルミニウム合金板の伸び剛性は式（２）（又は（２−１））から計算できる。
【０１５８】
２）式（２）（又は（２−１））を満足するように設計したＣＦＲＰ板とアルミニウム合金板が接着された鋼板の温度変化試験を行い、接着端部の鋼板に若干熱応力が生じるが、それ以外の範囲では０になることを示した。さらに補強板全体の伸び剛性が等しい条件において、補強板の積層数を増加させることによって接着端部の鋼板に生じる熱応力を小さくできることを明らかにした。接着端部に生じる鋼板の熱応力の符号は、鋼板と鋼板に近い側の補強板との間の線膨張係数差に依存する。
【０１５９】
すなわち、ＣＦＲＰ板とアルミニウム合金板との２層で鋼材に生じる熱応力は小さくなるが、式（２−１）を満足する場合、積層数が３以上の場合に（即ち、ＣＦＲＰ板＋アルミニウム合金板＋ＣＦＲＰ板、又は、アルミニウム合金板＋ＣＦＲＰ板＋アルミニウム合金板以上で）鋼板に生じる熱応力及び各接着剤に生じるせん断応力をＣＦＲＰ板とアルミニウム合金板の和の伸び剛性を有する補強材を鋼板に接着した場合よりも低減できる。
【０１６０】
３）本発明の補強方法によって、鋼板直上の接着剤に生じるせん断応力の絶対値が、ＣＦＲＰ板のみが接着されている場合よりも小さくなることを示した。さらに、補強板全体の伸び剛性が等しい条件において、補強板の積層数を増加させることによって鋼板直上の接着剤に生じるせん断応力の絶対値小さくできることを明らかにした。
【０１６１】
以上の試験例にても明らかとなったように、本発明の鋼構造物の補強方法、及び、鋼構造物補強用積層材によれば、温度変化により鋼構造物表面に接着される補強材と鋼材表面との接着界面に発生する熱応力、及び、鋼材に発生する熱応力を低減し、十分な補強効果を得ることができる。
【符号の説明】
【０１６２】
１              強化繊維含有材料（繊維シート、繊維強化樹脂板）
１０            合金板
１００          鋼構造物補強材（補強積層材）
１１０          接着剤
２００          鋼構造物（鋼材、鋼板）
【図１】
0005779003.tif 000022
【図２】
0005779003.tif 000023
【図３】
0005779003.tif 000024
【図４】
0005779003.tif 000025
【図５】
0005779003.tif 000026
【図６】
0005779003.tif 000027
【図７】
0005779003.tif 000028
【図８】
0005779003.tif 000029
【図９】
0005779003.tif 000030
【図１０】
0005779003.tif 000031
【図１１】
0005779003.tif 000032
【図１２】
0005779003.tif 000033
【図１３】
0005779003.tif 000034
【図１４】
0005779003.tif 000035
【図１５】
0005779003.tif 000036
【図１６】
0005779003.tif 000037
【図１７】
0005779003.tif 000038
【図１８】
0005779003.tif 000039
【図１９】
0005779003.tif 000040
【図２０】
0005779003.tif 000041
【図２１】
0005779003.tif 000042