研 究

疲労強度改善法を施した実物大試験体の疲労試験
Fatigue Tests on Full-Sized Specimens by the Fatigue Strength Improvement Method林暢彦＊ 1

Nobuhiko HAYASHI百瀬敏

彦＊ 2Toshihiko MOMOSE

村上貴

紀＊ 3

Takanori MURAKAMI坂根

秀

和＊ 4

Hidekazu SAKANE

金原

愼

一＊ 5

Shin-ichi KIMBARASummary
The fatigue strength of the out-of-plane gusset welded joint is low in relation to joints used for steel bridges and isprone to suffer fatigue damage. To prevent such fatigue damage, it is necessary to improve fatigue strength. In thisstudy, we conducted fatigue tests on full-sized specimens with such fatigue strength improvement methods as LTT,
RSC and UIT applied to welded parts, thereby comparing fatigue resistance depending on the existence of postprocessing after welding and treatment methods.
キーワード：疲労強度改善法、UIT、低変態温度溶接材料（LTT）、残留応力制御型溶接材料（RSC）

ら 6）の報告もあり、森らはグラインダ仕上げ方法の違い

１．はじめにが疲労強度に及ぼす影響を疲労試験と応力解析から確認
わが国の橋梁維持管理の将来を考える際に、新しく建している。

設される橋梁は出来るだけ建設コストを抑え、メンテナ②の溶接部の残留応力を低減させる方法は、止端部にンスに関わる負担を低減していくことが必要と考えら

圧縮残留応力を導入して疲労強度を向上させる方法としれ、平成 18 年の鋼橋の架替理由の内訳として、腐食、て、ショットピーニング、ハンマーピーニングなどがあ

床版の破損、支承の機能不良、自動車荷重に伴う鋼部材る。穴見らが小型試験体を用いてその有効性を確認 7）しのき裂破断という報告 1）もある。そのような背景から、ている。
前述の改善方法に加え、Low Transformation Temperature

今後も各機関からは橋梁の延命化、長寿命化を望まれてWelding Material（低変態温度溶接材料:以後 LTT）を用いる。
溶接継手部の疲労強度を溶接終了後改善する方法としいた付加溶接、Ultrasonic Impact Treatment（超音波打撃て、（社）日本鋼構造協会「鋼構造物の疲労設計指針・処理:以後 UIT）などがあり、大型試験体に LTT を用いた同解説」（以後 JSSC 指針） では、下記の二つに整理で疲労強度向上法を研究された例 8）もある一方、国内外できると述べられている。

は UIT による疲労強度改善方法も検討されている。

2）①溶接ビード及び溶接止端部形状を改善して応力集中を緩和する方法②溶接することにより発生する（引張）残留応力を低減させる方法
これらの改善方法は、古くから検討が行われており、UIT は 1980 年代初頭に E.S.Statnikov により提案され、IIW や Leigh 大学を中心として盛んに研究 9）が行われている。わが国においては、これまで新日本製鐵によりその適用が検討されており、小型〜中型試験体においてその効果を確認 10 〜 15）している。

①は溶接部をグラインダ仕上げすることにより疲労強度さらに、新日本製鐵にて開発された鋼管などの鋼構造を改善する方法 、溶接止端部を TIG 処理して再溶融さ部材の腐食欠損部を肉盛り溶接により補修する際に、溶せる方法 4）などがある。グラインダ仕上げを行うことに接 時 の 溶 接 変 形 が 小 さ い 溶 接 材 料 、 Residual Stressより疲労強度を改善する方法は、最近では森ら 5）や平山

Control Welding Material（残留応力制御型溶材：以後＊1㈱宮地鐵工所 技術本部設計部技術開発グループ係長㈱宮地鐵工所 千葉工場副工場長＊3㈱宮地鐵工所 技術本部技術研究所生産技術グループ課長＊4＊2＊53）㈱宮地鐵工所 技術本部技術研究所生産技術グループ主任㈱宮地鐵工所 技術本部長

17図−１ 試験体概要
表−１ 試験体の溶接後処理

２．試験体の概要
試験体は図− 1 に示す支間長 6m の鈑桁を模擬したものとし合計 3 体製作した。疲労強度の低い面外ガセット溶接継手部の溶接材料や溶接後処理方法による疲労強度の改善を確認するため、図− 1 に示すように試験体の左右で異なる溶接材料、表− 1 に示すような溶接材料と溶接後処理の組合せで、試験体に設けた面外ガセット溶接継手部のまわし溶接部に溶接後処理を施した。
具体的に、試験体の溶接材料には SF-1 と SF-60 の 2 種類使用した。そして、溶接後処理方法を溶接のまま（溶接後処理の無いもの）、LTT の付加溶接、RSC の付加溶接、UIT と変えた。表− 1 に示すように試験体 Sp-1 として溶接のままのもの、試験体 Sp-2 は溶接後処理を LTT（低温度変態溶材）と RSC（残留応力制御溶材）を使用した付加溶接、試験体 Sp-3 は溶接後処理で RSC（残留応力制御溶材）を使用した付加溶接と UIT（超音波打撃処理）を施工したものとした。
試験体の材質は、フランジ・ウェブには SM570、フラ
写真−１ 試験体状況

RSC）を利用した疲労強度改善方法も検討されている。

ンジの板厚 16mm、ウェブの板厚は 12mm、支点上・載荷点の補剛材と面外ガセットの材質は SM400A で、補剛材の板厚 22mm、面外セットの板厚 12mm である。

この検討は、腐食等で肉厚が減少した鋼管などの鋼構造

面外ガセット溶接継手の溶接は 6mm のすみ溶接と設部材を肉盛り溶接にて補修する技術に関するものであ定し、直径 1.2mm のフラックス入りワイヤを用いた炭酸り、肉盛り溶接時に生じる溶接変形を低減する技術であガスアーク溶接法を用いて下向き姿勢で行った。溶接時る。の電流は 260 〜 300A、電圧は 32V、速度は 30 〜

本研究では、LTT や RSC、UIT などの疲労強度改善法

40cm/min とした。

を溶接部に施工した実物大レベルの試験体の疲労試験を面外ガセット、荷重位置の垂直補剛材などの溶接に使行うことにより、溶接後処理の有無とその処理方法によ用した溶接材料は、図− 1 に示すように試験体の中心かる疲労耐久性の相対比較を行い確認することを目的とす

ら左に SF-1（軟鋼及び 490N/mm 2 級高張力鋼溶接用・る。さらに、試験体製作に 2 種類の溶接材料を用いるこCO 2 用フラックス入りワイヤ） 16）、試験体の右に SF-60とにより、溶接材料が異なる場合の疲労強度の変化を確（570N/mm 2 級高張力鋼用・ CO 2 用フラックス入りワイ

認する。

ヤ）16）を使用した。そして、桁の首溶接部（フランジと18

宮地技報 No.24

ウェブの溶接部）には SF-60 の 1 種類とした。

疲労き裂は、100 万回の時点で SF-60 ＋ RSC の面外ガセットまわし溶接部において、その後 135 万回にて SF-３．疲労試験

60 ＋ RSC のガセットまわし溶接部側から疲労き裂を確認した。疲労試験は続けて 250 万回まで実施したが、（1）試験方法
疲労試験は、宮地鐵工所所有の試験機（油圧サーボ式

SF-1 ＋ UIT の溶接部においては、疲労き裂の発生は確認出来なかった。

アクチュエーター）を利用して行い、支間を 6m、荷重疲労き裂が発生した全 11 ヶ所のうち 10 ヶ所が引張側

点間距離を 2m とし、試験体が四点曲げとなるようにしで、ウェブをはさんで両面となっており、発生箇所はほた。すべての試験体に対して上限荷重 470kN、下限荷重ぼ一致している。試験終了後に UIT を施した溶接部位に10kN、荷重範囲 460kN とした一定振幅荷重下で実施し、疲労き裂が発生しなかったことを、再度、磁粉探傷試験

載荷周波数は 1Hz、荷重波形は正弦波とした。試験状況（MT）を実施することにより確認した。

を写真− 1 に示す。定期的に磁粉探傷試験（MT）を実施し、疲労き裂発生の確認やき裂進展状況を確認した。

（3）疲労試験結果
各試験体の疲労試験結果は、面外ガセット溶接部で確（2）各試験体の疲労試験状況認した全ての疲労き裂を対象とした。試験データの取扱試験体 Sp-1 の疲労試験は、溶接材料 SF-1 と SF-60 に関は、疲労き裂が発生したガセット溶接継手部での公称応係なく 100 万回時点で多くの疲労き裂をまわし溶接止端力範囲と疲労き裂長さが 10mm 以上になった時点での繰部で確認し、120 万回で試験を終えた。

返し回数で、S-N 線図に整理した。その結果を図− 2 に試験体 Sp-2 の疲労試験は、115 万回時点で疲労き裂を確認し、150 万回で進展したき裂のみでボルト締めスト示す。図中の実線と点線は JSSC 指針で規定されている疲労設計Δσ-N 関係である。

ップホール法による補修を行い、230 万回まで試験を続け終了した。疲労き裂は、
115 万回時において SF-60 ＋ RSC のガセットまわし溶接部で確認し、その後 135
万回で SF-1 ＋ LTT と SF-60 ＋ RSC の両組合せの面外ガセット部まわし溶接部からの発生を確認した。疲労き裂の発生に関しては、溶接材料と溶接後処理の組合
せ SF-1 ＋ LTT と SF-60 ＋ RSC との大きな差異は見られず、両組合せともほぼ同時期に疲労き裂を確認している。そして、ウェブ両面の対称となる面外ガセット溶接継手部において、き裂が発生した位置が異なる溶接部もあった。例えば、一方はガセットまわし溶接部のウェブ側に、他方はガセット側の溶接部において疲労き裂が発生しており、ウェブをはさんで発生位置が異なっていた。
試験体 Sp-3 の疲労試験については、100 万回で疲労き裂を確認し、135 万回、220 万回の時点でボルト締めストップホール法による補修を行い、250 万回まで試験を続け終了した。

疲労強度改善法を施した実物大試験体の疲労試験

図−２ 疲労試験結果

19

試験体 Sp-1 は、溶接材料を同一の試験体に SF-1 と SF60 に 2 種類使用し、溶接のまま（溶接後処理を行わない）疲労強度が変化するような試験結果は確認出来なかった。の試験体である。この試験体の結果において、SF-1 ＋AsWeld は●、SF-60 ＋ AsWeld は■と図− 2 に整理した。

謝辞

溶接材料に関係なく JSSC 指針の疲労設計Δσ-N 関係のG 等級と F 等級の間に位置し、面外ガセットの G 等級を本研究開発は、数年前から新日本製鐵株式会社と共同満足している。溶接材料を 2 種類使用し溶接後処理を施で実施してきたものである。真摯に対応・活動していたした試験体 Sp-1 での疲労試験結果より、溶接材料を変えだいた新日本製鐵の諸氏や、試験体製作、疲労試験に関ても疲労強度が大きく変わるような試験データは得られわった弊社スタッフに深く感謝いたします。

なかった。
試験体 Sp-2 は溶接材料 SF-1 と溶接後処理 LTT、溶接＜参考文献＞

材料 SF-60 と溶接後処理 RSC の組合せで製作した試験体で、この試験体の試験結果は、SF-1 ＋ LTT は▲、SF-１）市川明広，武田達也，玉越隆史:既設橋梁の架替実

60 ＋ RSC は＊とし図− 2 に整理した。SF-1 ＋ LTT の▲態調査結果，土木技術資料，Vol.50，No.5，pp.10-の多くは F 等級から E 等級程度までばらついている。SF-13，2008.

60 ＋ RSC の＊の多くは、F 等級程度に位置している。試験体 Sp-2 の▲と＊の試験結果は、試験体 Sp-1 の溶接の

２）日本鋼構造協会:鋼構造物の疲労設計指針.同解説，1993.

まま（AsWeld）の試験結果（SF-1 ＋ AsWeld は●、SF-３）例えば，日本鋼構造協会:JSSC レポート No.6，止端

60 ＋ AsWeld は■）よりは長寿命側に位置していること

加工による疲労強度向上法，pp.22-36，1987.

がわかる。
試験体 Sp-3 は、溶接材料 SF-60 と溶接後処理 RSC と溶

４）例えば，太田省三朗，浅井公屋，大谷真一:すみ肉溶接継手の TIG アーク再溶融による疲労強度の向接材料 SF-1 と溶接後処理 UIT の組合せで製作した試験体

上，溶接学会論文集，Vol.8，pp.254-261，1990.

である。この試験体の結果は、SF-60 ＋ RSC は◇で、SF-

５）森猛，猪股俊哉，平山繁幸:グラインダ仕上げ方法

1 ＋ UIT は＋で、図− 2 に整理した。SF-60 ＋ RSC の試が面外ガセット溶接継手の疲労強度に及ぼす影響，

験結果◇の多くは F 等級上に位置し、E 等級程度までば鋼構造論文集，第 11 巻，第 42 号，pp.55-62，2004.

らついていることが確認できる。そして、SF-1 ＋ UIT の６）平山繁幸，森猛，猪股俊哉:面外ガセット溶接継手

結果＋は、250 万回まで試験を続けたが疲労き裂を確認の疲労強度に対するグラインダ仕上げ方法の影響，出来なかったので、E 等級以上と整理した。

鋼構造論文集，第 12 巻，第 45 号，pp.111-121，2005.
７）穴見健吾，三木千壽，谷秀樹，山本晴人:ハンマー

４．まとめ

ピーニング及び TIG 処理による溶接継手部の疲労強度向上法，土木学会論文集，No.647/Ⅰ-51，pp.67-

LTT や RSC、UIT などの疲労強度改善法を溶接部に施した実物大レベルの試験体の疲労試験を実施して得た知見を列記する。
・ RSC（残留応力制御溶材）、LTT（低温変態温度溶材）などの付加溶接を施した疲労強度改善法を採用

８）冨永智則，三木千壽，高橋健，糟谷正，森影康:低温変態溶接材料を用いた既設鋼橋の疲労強度の向上法の研究，土木学会論文集，No.759/Ⅰ-67，pp.355367，2004.

することにより、面外ガセット溶接継手に対して

９）穴見健吾:UltrasonicImpactTreatment（UIT），鋼構造

JSSC 指針の疲労設計強度 1 等級程度の疲労強度改善

物の疲労損傷は防止できるのか？（各種鋼構造物のができると考えられる。

疲労設計の現状と将来像）シンポジウムテキスト，

・ UIT（超音波打撃処理）を採用することにより、1等級以上〜 2 等級程度の疲労強度改善が期待できる。
・溶接材料を SF-1 と SF-60 に 2 種類使用したが、特に20

78，2000.

（社）日本溶接協会鉄鋼部会技術委員会発行，
pp.101-104，2005.
10）野瀬哲郎:疲労強度向上向け超音波ピーニング，溶接学会誌，第 77 巻，第 3 号，pp.6-9，2008.

宮地技報 No.2411）野瀬哲郎，島貫広志:重ね継手の疲労寿命に及ぼす

14）島貫広志，野瀬哲郎:構造モデル試験体の疲労特性

超音波ピーニングの影響に関する実験及び解析，日に及ぼす超音波衝撃処理の効果，溶接学会全国大会

本機械学会論文集（A 編），74 巻，737 号，2008.1，講演概要，第 81 集，2007.915）冨永知徳，松岡和己，佐藤嘉昭:補修溶接を施した

pp166-168
12）野瀬哲郎，島貫広志，中島清孝:溶接構造物の疲労既設クレーンランウエイガーダーの超音波衝撃処理

特性に及ぼす超音波衝撃処理の効果−疲労対策技術

による寿命向上，鋼構造論文集，第 14 巻，第 55 号，の溶接構造物への応用−（第 1 報），日本船舶海洋

2007.9，pp47-58

工学会講演論文集，第 5E 号，2007，pp75-76.
13）野瀬哲郎，島貫広志，中島清孝:溶接構造モデル試16）日本規格協会:JISZ3313-1999 軟鋼、鋼張力鋼及び低温用鋼用アーク溶接フラックス入りワイヤ

験による疲労対策効果の実証試験−疲労対策技術の溶接構造物への応用−（第 1 報），日本船舶海洋工2009.1.26

受付

学会講演論文集，第 5E 号，2007，pp81-82.

グラビア写真説明東京港南部地区臨海道路橋梁上部築造工事（その５）工事
本工事は、中央防波堤外側埋立地と若洲を結ぶ東京港臨海道路Ⅱ期事業における延長約 2.9km の東京港臨海大橋（仮称）のうち、国土交通省施工区間（海上部）のアプローチ部を対象とした工事です（本橋≪トラス・ボックス複合橋≫も宮地 JV にて施工しております）。
主要材料に橋梁用高性能鋼材（BHS）を採用。溶接では施工性確認試験や技量試験を実施するなど品質管理は特に留意しています。
架設は、大型起重機船による大ブロック一括架設（全 7 回）で行われ、1 回目の架設は多くの報道機関で紹介されるなど注目をあつめています。
完成後は周辺の整備（公園、展望台の計画）もされ、東京港の入り口で一際目を引くランドマークの一端を担うこととなるでしょう。

（清水 達也）

銚子大橋
本橋は、老朽化が激しい供用中の銚子大橋の架け替え橋として、現橋の真横（上流側）に架けられる橋梁です。
当社施工部分は、H21.3.24 に隣接の現橋の迂回部分として先行供用されます。現場施工では、強風地域・ 12 月〜 4月のシラス漁期による作業制限等により通常の現場に較べて施工稼働率は低くならざるを得ないこと、また供用中の隣接現橋が 26,000 台超／日の交通量があり施工時（特に主塔工の施工時）の安全確保に特段の配慮が必要であったことから、工程管理・安全管理・品質管理・環境配慮の面で非常に難しい現場でありました。
しかし、現場担当者の努力により安全に且つスムースに施工は進捗し、竣工を迎えることができました。
（菊地 秀貴）GGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGG

GGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGG

GGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGG

疲労強度改善法を施した実物大試験体の疲労試験21