論文･報告 KM リフト工法による疲労き裂抑制対策

論文･報告

KM リフト工法
リフト工法による疲労き裂工法による疲労き裂抑制対策
による疲労き裂抑制対策～支圧接合用高力ボルトを用いた支圧接合用高力ボルトを用いた当て板補強工法の開発
ボルトを用いた当て板補強工法の開発～
当て板補強工法の開発～
Repair Method for Fatigue Cracks on Top Edge of Vertical Stiffener Using Bearing-type Bolts

長坂 康史 *1
NAGASAKA Yasushi

三浦 誠也 *2
MIURA Seiya

丹羽 健介 *2
NIWA Kensuke

金田 和樹 *3
KANEDA Kazuki

川原 桂史 *4
KAWAHARA Keiji

鋼床版デッキプレートを有する鋼橋の典型的な損傷の 1 つに，垂直補強材の上端部における疲労き裂がある。この部分の補修対策として，溶接止端部処理（グラインダー，ピーニング）を用いて溶接部自体の疲労強度を回復させる方法，半円切欠きや上端部切断除去により補剛材上端部のディテールを改良する方法，垂直補剛材の上端部に当て板を設け，溶接部に生じる作用力をバイパス構造にて低減させる方法などが挙げられる。本研究は芝浦工業大学・穴見教授と MK エンジニアリング㈱との共同研究により，L 字型の当て板を使用した新たなバイパス補修工法（以降，KM リフト工法と呼ぶ）として，特別な使用機材を用いない効率的で効果的な疲労亀裂の修復に着目して開発を実施した。本工法の主な特徴は，支圧接合用高力ボルトを使用して L 字型の当て板（以降，KM リフトと呼ぶ）をリフトアップさせ，鋼床版から当て板を介して垂直補剛材に応力を伝達させる構造である。本稿では，考案した KM リフト工法の適用性を評価するため，静的試験と疲労試験の結果，および施工法の概要を報告する。
キーワード：当て板補強，鋼床版垂直補剛材，疲労き裂，支圧接合用ボルト

カラーを用いてボルト挿入時に当て板をリフトアップす1．
． はじめにる方法 7) など，幾つか提案されている。しかし，当て板

鋼床版デッキプレートと垂直補剛材上端との溶接部でをリフトアップさせるには特殊部材や使用機材を必要とは，図 1 に示すような疲労き裂が多く報告されている 1)。

し，かつ当て板によりき裂を覆ってしまうため，対策後

このき裂はデッキプレートの変形を垂直補剛材が拘束す

のき裂状態と補修効果の確認が難しいという問題が挙げることにより，垂直補剛材とデッキプレートの回し溶接られる。そこで本研究では，該当箇所の疲労き裂抑制対部から発生するものであり，過度に進展するとデッキプ策として，簡便かつ特別な機材を用いない施工性能，補レートの陥没を生じる可能性もある。

強効果の検証に基づく耐久性能を有し，かつ補強後の維鋼床版垂直補剛材のき裂に対する補修・補強対策とし持管理性を確保する新たな当て板によるリフトアップ工て，これまでに様々な方法が提案されており，①溶接止法（KM リフト工法）を考案した。本稿では，KM リフ

端部処理では，グラインダーによるき裂除去や ICR2),3)ト工法の実用に配慮した構造概要，および実験に基づくや UIT4) によるピーニング処理にてき裂を閉じ，溶接部

検証結果について報告するものである。

の疲労強度を回復させる方法，②垂直補剛材上端部に半円切欠き 5)や上端部切断除去により補剛材上端部のディテールを改良する方法，③垂直補剛材の上端部に当て板を設け，溶接部に生じる作用力をバイパス構造にて低減させる方法（従来工法）などが挙げられる。
従来工法は，当て板をデッキプレートにボルト等で締め付ける作業があるため，舗装撤去・再敷設の作業が必要となる。そこで，デッキプレート下面から確実に当て板をデッキプレートに密着させられる工法が求められ，

図1

鋼床版垂直補剛材上端部の疲労き裂

ジャッキを使った当て板のリフトアップ 6) や，テーパー*1 川田工業㈱鋼構造事業部保全推進室 課長*2 川田工業㈱北陸事業部富山工場生産技術課*3 川田工業㈱北陸事業部富山工場品質管理課*4 川田工業㈱鋼構造事業部四国工場橋梁技術課 課長

論文・報告 3-1

川 田 技 報 Vol.39 2020

論文･報告 KM リフト工法による疲労き裂抑制対策

2．
． 提案する当て板補強構造

表1

KM リフト工法は，鋼床版の垂直補剛材上端に生じる

アクリル系樹脂接着剤の材料特性

主成分

疲労き裂 に対し ，既往 研究 に示され た当て 板のリ フト

変性アクリル樹脂（硬化剤含有と促進剤含有の2液タイプ）

アップ工法（ジャッキアップ，テーパーカラー使用）と可使時間 (25℃)

25分

比べ，短時間の作業で容易に施工ができる特徴を有して硬化時間 (25℃)

50分いる。そのポイントとして，図 2 に示すように垂直補剛

引張特性

引張強さ9.8N/mm2 ， 引張伸び48%

塗布方法

1～2mm程度の厚さで当て板上面に平滑に塗布．当て板リフトアップ時に樹脂が当て板からはみ出ることを確認

材側と補強材側に設けたボルト孔間にわずかなズラシ量d を設け，ボルト孔に支圧接合用高力ボルトを打ち込む
ことで，補強材をリフトアップすることにある。鋼床版に KM リフトを密着させることで，溶接部に生じる作用
力を低減させる新たな応力伝達機構が成立する。この結果，溶接部に生じる応力が抑えられ，き裂の進展が抑制される。

3．
． 静的載荷試験による検証
KM リフト工法による応力低減効果の検討とボルト孔のズラシ量の設定を目的に静的載荷試験を実施した。試また，KM リフトの構造は，図 3 に示すように L 形鋼の両サイドへ鉛直力を伝達するリブを設け，補剛材側にはき裂の発生点となる回し溶接部を囲むように開口を設けている。これにより，垂直補剛材の止端部において，
より確実な補強効果（応力低減効果）を発揮することができ，かつ開口部より補強後のき裂状況の確認が可能となる。
なお，施工時には既設部材の変形やリフト本体の出来形により，デッキプレートとの隙間が生じる可能性もあることから，当て板フランジ面には表 1 に示すアクリル系樹脂接着剤（以下，接触性向上剤）を塗布した後に当て板を設置する方法を採用した。

験は図 4 に示す試験体（鋼材 SM490A）を用いた。ボル
ト孔のズラシ量 d は 1.0mm，1.5mm の 2 ケースを設定
し，左側の補剛材に d＝1.0mm タイプ，右側に d＝1.5mmタイプの KM リフトを配置した。載荷ケースはデッキプ
レ ー ト の 中 央 載 荷 Lcase1， 補 剛 材 溶 接 部 直 上 の 載 荷
Lcase2-1（d＝1.0mm），Lcase2-2（d＝1.5mm）とし，載荷荷重は，文献 4)を参考に，貼付したひずみゲージの補強前載荷試験の計測値 1000~1200µ 程度となるように
Lcase1 で 20kN，Lcase2 で 60kN に設定している。なお，KM リフトの垂直補剛材からの張出量はき裂部分の確認用開口と支圧応力の伝達に配慮して，ここでは60mm に設定している。
Lcase2-1
Lcase1
Lcase2-2
1.0mm （載荷幅 80mm） 1.5mm

デッキプレート

当て板の
張出し量
60mm

KM リフト
ボルト孔

支圧接合用
高力ボルト

ボルト孔の
ズラシ量 d
垂直補剛材

ズラシ量 d＝1.0 or 1.5mm
445mm

ゴム板

鋼板

12mm
220mm

100mm
10mm

578mm

図2

支圧接合用高力ボルトによるリフトアップ機構

デッキプレート接触面
接触性向上剤塗布

き裂確認用開口

図 4 静的載荷試験体
図 5 にボルト孔の切削方法を示す。垂直補剛材の孔明
けは治具に設置された鉛直突起 PL とデッキプレートのt=15mm

2 箇所で位置合せを行える専用の治具を用い，アトラ（磁気ボール盤）により当て揉みにて孔明けを実施すること
で孔明け精度を確保する工夫を行った。写真 1 に KM リ
リブ t=9mm

図3

t=15mm

KM リフト（補強材）構造外観図

フトの設置状況を示す。デッキプレートとの接触面には先に示した接触性向上剤を用いることで，出来形に応じた部材隙間を埋めるためのフィラープレート等を必要としない簡易な構造である。
また，デッキプレートと垂直補剛材の回し溶接部付近
での応力低減効果を確認する目的で，回し溶接止端部か

論文・報告 3-2

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フィラーPL を必要としない構造専用治具裏面の突起

アクリル系樹脂

専用治具に設けた孔で当て揉み

この 2 箇所で位置合せ
専用治具

ズラシ量 d=1.0mm

400
200
0
-200
-400
-600
-800
-1000
-1200

ひずみ [μ]

400
200
0
-200
-400
-600
-800
-1000
-1200

写真 1

ボルト孔の切削方法（専用治具使用）

KM リフト設置状況

ズラシ量 d=1.5mm

止端部から 5mm

Lcase1 (20kN)

無補強
補強直後
5 か月後
17 か月後ひずみ [μ]図5

Lcase1 (20kN) Lcase2-1 (60kN)

Lcase2-2 (60kN)(a) デッキプレート側回し溶接止端部から 5mm 位置
500

ズラシ量 d=1.0mm

-500

-1000
-1500

-500
-1000
-1500

無補強
補強直後
5 か月後
17 か月後

-2000

-2000
-2500

ズラシ量 d=1.5mm

00

ひずみ [μ]ひずみ [μ]500

Lcase1 (20kN) Lcase2-1 (60kN)-2500
Lcase1 (20kN)

Lcase2-2 (60kN)(b) 垂直補剛材側回し溶接止端部から 5mm 位置
図 6 補強の有無によるひずみの低減効果
ら 5mm のデッキプレート位置および垂直補剛材コバ面

プレート側で無補強時に 1000µ 程度の圧縮ひずみが計に単軸のひずみゲージ（ゲージ長 1mm）を貼付し，補測されているものの，補強後には大きなひずみ低下が確

強前後のひずみの変化を測定した．図 6 に静的載荷試験

認でき，引張領域に転じている。Lcase2-2 では無補強時の結果として，ひずみ値の推移を示す。図 6(a)にデッキに引張ひずみが生じているものの，補強後の発生ひずみ

プレート側のひずみ値，図 6(b)に垂直補剛材コバ面のひに大きな変化は見られなかった。無補強時におけるずみ値を示し，補強効果の持続性の確認を目的として，

Lcase2-1 で圧縮，Lcase2-2 で引張と発生領域が異なる

補強後に室内保管を行い，5 ヶ月後と 17 ヶ月後にも静的要因として，垂直補剛材とデッキプレートの溶接により載荷試験を実施している。

デッキプレート厚が急変する位置であり，その付近を中

デッキプレート中央載荷 Lcase1 では，デッキプレー

心とした載荷ケースであるため，補剛材端部との相対的

ト側，垂直補剛材コバ面ともに無補強時に比べて補強後

な位置関 係にお ける若 干の ずれによ り荷重 の分担 が異のひずみ値は微小であり，90%程度以上のひずみ低減効

なったものと考えられる。しかし，KM リフトでの補強果が得られた。また，ズラシ量 d＝1.0mm と 1.5mm のにより，載荷付近全体を剛な構造に転じることで，補強違いにおいて，ひずみ低減効果に大きな差異は見られな

後のひずみ値は引張領域において差異が生じず，いずれかった。

も 200µ 程度の比較的小さい値であることから，補強効

垂直補剛材直上の載荷ケース Lcase2-1 では，デッキ果が期待される構造と考えられる。

論文・報告 3-3

川 田 技 報 Vol.39 2020

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一方，垂直補剛材コバ面では，無補強時の発生ひずみ

き裂挙動を確認する目的として，図 8 に示す試験体を用が case2-1 と Lcase2-2 で異なるため，ひずみ低減率を両いて疲労試験を行った。疲労試験は 2 体の試験体に載荷者で比較はできないものの，両載荷ともにひずみは大き梁を渡し，2 体同時に上下で試験を実施することで，計く低減しており，補強後のひずみも概ね同等の値である

8 箇所の垂直補剛材における検証を同時に行える試験方

ことから，補強による応力伝達のバイパス効果が有効に法としている。

機能していると考えられる。

疲労試験は，油圧サーボ試験機（荷力能力±980kN）

なお，デッキプレートおよび垂直補剛材コバ面ともに，を用い，最小荷重を 10kN に固定して行った。載荷範囲

補強後 5 ヶ月後，17 ヶ月後の載荷試験においても，概ねは 200×200mm とし，載荷範囲の中心が垂直補剛材端部

補強直後のひずみ値と同等であり，補強部材設置後の補から 200mm の位置になるように設置した。載荷初期は強効果の持続性において影響がないものと判断される。

最大荷重を 60kN（荷重範囲 50kN）とし，き裂の発生状

実橋で は補強 部位に 縦リ ブが近接 してい ること や横況に応じて最大荷重を増加させ，き裂の発生後，ある程断・縦断勾配を含めた補強部位の変形など，ボルトの打度進展した段階において補強を施した。当て板の張出し

ち込みが難しい施工条件も考えられる。従って，ボルト

量は，前章で示す実構造でのトラフリブと垂直補剛材が孔のズラシ量 d は当て板をリフトアップが可能となる範近接している状態に配慮して 40mm に設定した。

囲において，極力小さいことが望ましい。そこで，図 7

疲労試験の開始後，3 箇所の補剛材位置（No.1-UL，に示すような垂直補剛材上端にトラフリブが近接する大No.1-UR，No.2-UR）の溶接部から疲労き裂が発生し，型の試験体を製作し，施工試験を実施した。その結果，順次補強を施した。最終的には載荷 557 万回（荷重範囲

ズラシ量 d＝1.0mm，1.5mm では共にボルトの打ち込みは難しい場合があり，ボルトが入らない・ボルトが曲が載荷板るなどの施工面での問題が生じる結果となった。従って，ズラシ量 d＝0.8mm に減じて再度施工試験を行い，施工

UL

UR

可能なことと KM リフトに過剰な応力が生じていない状

1004mm態を確認し，疲労試験以降の検討では d=0.8mm を用い

130mm

500mm

1000mmて検証を行うこととした。
板厚 :12mm

1000

2000

LR

LL
50
2000

75

No.2

No.1

図 8 疲労試験のセットアップ

1748

デッキプレート

垂直補剛材 t=10mm

き裂

トラフリブ

垂直補剛材
(a) 補剛材 No.1-UL(a) 実構造を考慮した施工試験体

デッキプレートき裂

垂直補剛材(b) 補剛材 No.1-UR
垂直補剛材との隙間発生

施工時に大きな変形を伴うボルト

き裂(b) 正しくリフトアップできなかった例
図7

実物大試験体による施工試験

4．
． 疲労試験による検証

垂直補剛材 デッキプレート(c) 補剛材 No.2-UR

繰返し荷重下における KM リフト工法の補強効果の持写真 2 補強直前の疲労き裂の状況

続性，および疲労き裂に適用した場合の当て板補強後の論文・報告 3-4

川 田 技 報 Vol.39 2020

論文･報告 KM リフト工法による疲労き裂抑制対策

表 2 疲労試験結果（ひずみは全てひずみ範囲）(a) 疲労き裂が発生した補剛材
開始時ひずみ（ΔP=50kN）
補剛材No

ﾃﾞｯｷﾌﾟﾚｰﾄ側

補剛材側

補強時荷重範囲

補強時き裂長さ

試験終了時
き裂長さ

備考

No.1-UL

-679μ

-610μ

ΔP=70kN

39.5mm

39.5mm

き裂先端ひずみゲージ

No.1-UR

-733μ

-835μ

ΔP=70kN

28mm

28mm

き裂先端クラックゲージ

No.2-UR

-849μ

-935μ

ΔP=60kN

60mm

60mm

き裂先端ひずみゲージ(b) 疲労き裂が発生しなかった補剛材
開始時ひずみ（ΔP=50kN）

補強直後B/試験終了時ひずみC（ΔP=120kN）

補強時前ひずみ（ΔP=80kNでの実験値/ΔP=120kNに換算値A）

補剛材No

ﾃﾞｯｷﾌﾟﾚｰﾄ側

補剛材側

ﾃﾞｯｷﾌﾟﾚｰﾄ側

補剛材側

ﾃﾞｯｷﾌﾟﾚｰﾄ側

補剛材側

No.1-LL

-563μ

-756μ

-1007/-1511μ-1269/-1904μ-267/ -304 μ

16 / 14 μNo.1-LR

-649μ

-694μ

-1057/-1586μ-1125/-1688μ-167 / -241 μ

52 / 56 μ
29 / 65 μNo.2-UL

-652μ

-772μ

-1076/-1614μ-1203/-1805μ-414 / -280 μNo.2-LL

-559μ

-636μ

-996/-1494μ-1050/-1575μ-83 / -109 μ

7 / 11 μNo.2-LR

-653μ

-733μ

-830/-1245μ-1013/-1520μ-118 / -161 μ

76 /88 μ※本文中の疲労き裂が発生していない補剛材の補強によるひずみ低減率は1-（B/AまたはC/Aの絶対値）×100%と定義
ひずみゲージ

1503mm

荷重範囲 (kN)

クラックゲージ

100

39.5mm

60mm

28mm
3mm

No.1-UL

0
No.2-UR No.1-UR/UL
補強
補強

No.2-UR

き裂先端のひずみゲージ・クラックゲージ

80kN）で，き裂の発生していない補剛材も全て補強し，最大荷重を 130kN として 200 万回載荷した後，疲労試
験を終了した．
補強直前における 3 箇所の疲労き裂状態を写真 2 に示す。No.1-UL および No.2-UR のき裂は，き裂先端が両ひずみ範囲 (μ)

図9No.1-UR50

0

Deck-PL 側

補剛材側

No.2-UR
No.1-UL

側とも母材に進展している状態であり，No.1-UR のき裂−1000

先端の片側は止端部に留まっている状態であった。KM

全補剛材補強

No.1-UR

リフトでの補強はき裂先端に特別な処理（ストップホールなど）を設けず，直接当て板を施す方法としている。

02

No.2-UR の補強時(載荷 170 万回)には，補修前・補強時・

4
載荷回数

6
6
(×10 )

8

補強後のき裂先端におけるひずみ挙動の把握を目的とし

図 10 き裂発生位置でのひずみ変化て，き裂先端から 3mm の位置に単軸ひずみゲージを貼

お よ び No.1-UL の き 裂 先 端 位 置 に 貼 付 し た ク ラ ッ ク付した。また，No.1-UL の補強時（載荷 301.6 万回）にゲージ（緑・橙）の変化を示す。き裂先端のひずみは，は，き裂進展の確認を目的として，き裂先端位置にクラッ

補強前には-1000µ 程度発生していたが，補強直後の静的クゲージを貼付した。表 2 に疲労試験の結果を，図 9 に試験では，ほとんど発生しておらず，大きな応力の低減

き裂先端に施した各ゲージの貼付状況を示す。

効果が得られたものと判断できる。また，No.1-UL のき

まず，疲労試験中のき裂発生補剛材において，予め設

裂先端に貼付したクラックゲージの値はほとんど変化し置した溶接止端部から 5mm 位置でのひずみ変化を図 10ておらず，表 2(a)に示す通り，No.1-UR，および No.2-URに示す．載荷初期のひずみは各補剛材で異なるが，補強

のき裂に対しても，補強後の表面方向のき裂の進展は見後は概ね同様の傾向を示している。特に，単独で補強をられなかった。

行った No.2-UR のひずみは補強後，しばらくは若干のひ

次に，載荷 557 万回（荷重範囲 ∆P=80kN）において，ずみ値増大が確認できるものの，その後，載荷荷重の増き裂未発生の 5 箇所に対しても当て板補強を行った。疲

大に伴い，概ね一定の値に推移している。図 11 に No.2-UR

労試験中の溶接止端部から 5mm 位置でのひずみ変化をのき裂先端 5mm 位置に貼付したひずみゲージ（赤・青），示した図 12，および表 2(b)の補強前後のひずみ値にも示

論文・報告 3-5

川 田 技 報 Vol.39 2020

論文･報告 KM リフト工法による疲労き裂抑制対策

0No.2-UR No.1-UR/UL
補強
補強
クラックゲージ(No.1-UL)

0

0.4

0

き裂先端のひずみゲージ（No.2-UR)

−1000

0

−1

2

4
載荷回数

6
6
(×10 )

補強後き裂進展量(mm, クラックゲージ)

50

50
0
Deck-PL 側 補剛材側

ひずみ範囲 (μ)

荷重範囲 (kN)

100

100

ひずみ範囲 (μ)

荷重範囲 (kN)

150

150

0

全補剛材補強

No.1-LR
No.2-UL
No.2-LR
No.2-UR
補強

No.1-UL/UR
補強
1000μ
程度の改善

−1000

8

0

図 11 き裂先端のひずみ・クラックゲージの変化

図 12

2

4
載荷回数

6
6
(×10 )

8

溶接止端部のひずみ変化（き裂なし）

される通り，全ての補剛材位置において当て板による引

参考文献
1)

土木学会：鋼床版の疲労, 2010いる。これは，KM リフトの設置により当て板がリフト

2)

松本理佐, 石川敏之, 塚本成昭, 粟津裕太, 河野広

アップされ，デッキプレートを押上げている状況を示し

隆：鋼床版の垂直補剛材溶接部のき裂を対象とした各種ている。補強によるひずみ低減率は 74%～94%，補強後補強法の効果の比較に関する研究, 土木学会論文集 A1,

200 万回の載荷（荷重範囲 ∆P=120kN）後でも 80%～93%

Vol.72, No-1, pp.192-205, 2016.

張応力が生じ，ひずみ値は 1000µ 程度プラス側に転じての大きなひずみ低減効果が得られ，補強効果とその持続3)性も確保できることがわかった。

発生した疲労き裂への ICR 処理, 土木学会中部支部研究柿市拓巳, 石川敏之, 山田健太郎：垂直補剛材上端に発表会, I-20, 2010.
4)5．
． おわりに

大住圭太：鋼床版垂直スティフナー上端溶接部に生じる疲労 き裂の 発生・ 進展 性状と補 修方法 に関す る研

本研究では，鋼床版デッキプレートと垂直補剛材上端

究：法政大学博士論文, 2016.

との溶接部で生じる疲労き裂に対し，簡便かつ特別な使5)用機材を用いない新たな当て板によるリフトアップ工法

きを用いた既設鋼床版橋主桁垂直補剛材上端溶接部の疲

高田佳彦, 川上順子, 酒井優二, 坂野昌弘：半円切欠として，KM リフト工法の開発を実施した。各種検討（施労対策, 鋼構造論文集, 第 16 巻, 第 62 号, pp.35-46,

工試験，静的試験，疲労試験）の結果，応力低減効果と2009.

疲労き裂の進展抑制効果，および各効果の持続性につい

6)て，実用に値する評価が得られたものと考える。今後は，床版垂直補剛材回し溶接部の疲労損傷に対する補修方法

八木貴之, 江崎正浩, 村越潤, 梁取直樹, 宇井崇：鋼

実際に生じている疲労き裂部位への適用を推進させ，実と そ の 効 果 , 土 木 学 会 第 63 回 年 次 学 術 講 演 概 要 集 ,証での評価を進めると共に，他の疲労き裂部位への応用

I-209, pp.407-408, 2008.

を求め，研究開発を進めることとする。なお，本構造と7)施工法については，2018 年 8 月に特許第 6386616 号とプレート と主桁 ウェブ 垂直 補剛材溶 接部の 疲労損 傷補石川誠, 江崎正浩, 村越潤, 有馬敬育：鋼床版デッキ

して取得済である。

修・補強構造検討, 第 61 回土木学会年次学術講演概要集,

最後に，本報告は芝浦工業大学・穴見教授に執筆頂いた

I-541, pp.1079-1080, 2006.

構造工学論文集 No.65A8) を編集したものである．また，

8)開発に当っては穴見教授および研究室の学生，MK エン

支圧接合用高力ボルトを用いた鋼床版垂直補剛材上端の穴見健吾，竹渕敏郎，米山徹，長坂康史，木ノ本剛：

ジニアリング株式会社の皆様に多大なるご指導とご協力

当 て 板 補 修 ， 構 造 工 学 論 文 集 Vol.65A， pp.533-543，を賜りましたこと，ここに感謝の意を表します。

2019.3.

論文・報告 3-6

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