技報第 28 号

2016

超高強度繊維補強コンクリート（UFC）を用いた道路橋床版の開発～新設・更新に資する軽量かつ耐久性の高い UFC 床版～
阪神高速道路(株)技術部湾岸線技術調査室
阪神高速道路(株)技術部湾岸線技術調査室
阪神高速道路(株)技術部湾岸線技術調査室

小坂金治
佐藤崇
英貞彰紀

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要旨

都市高速道路では軽量な鋼床版の使用頻度が高いが，近年，鋼床版における疲労き裂が顕在化しており，点検や補修など維持管理にかかる費用が増加する傾向にある．そこで，著者らは鋼床版と同等に軽量で，より耐久性の高い超高強度繊維補強コンクリートを用いた道路橋床版（UFC 床版）を開発した．UFC 床版はスラブの厚さが40mm，2 方向に配置したリブの高さが 83mm で，従来のコンクリート系床版と比較して部材厚が極めて薄い床版である．この薄い床版構造に対する安全性の確認としては FEM 解析によって，活荷重に対する応力および変位の力学的性状を確認した．また，輪荷重載荷試験によって実大試験体に動的な輪荷重を繰り返し載荷し疲労耐久性を確認した．設計輪荷重の 2 倍程度でリブ側面に微細なひび割れが生じたが剛性は低下しておらず，十分に高い疲労耐久性があることを確認した．
キーワード:超高強度繊維補強コンクリート，UFC，道路橋床版，床版取替え，合成桁するために，超高強度繊維補強コンクリート

はじめに（ Ultra

highstrengthFiberreinforcedConcrete, 略称UFC）を用いた道路橋床版（以下，UFC床版という）を開発した1)～3)．

都市高速の道路橋では，橋脚の位置や基礎の規模が制約されたり，非常に短い期間での建設が要

阪神高速の技術戦略では，想定事業シナリオと求されたりすることから，軽量な鋼床版の使用頻して，ネットワーク強化や，大規模修繕・更新に度が他の道路と比べ相対的に高い．しかし，近年，関する取り組み内容を記載しており，そのための既設橋の鋼床版において様々な要因により溶接部研究・技術開発戦略として「軽量かつ耐久性の高における疲労き裂が顕在化している．新設橋梁にい床版の開発，実用化」を掲げている．ロードマ

おいて鋼床版を採用する場合は，開断面リブやデップとして平成 28 年試験施工，平成 31 年の実用ッキプレートの増厚などの対応により，疲労き裂化・実橋での採用という目標をたてており，平成に対する損傷発生リスクの低減が図られているが，22 年から目標に沿って実施している．この技術根本的な解決とはなっていない．

戦略に基づく開発は，阪神高速グループビジョン
における「世界水準の卓越した都市高速道路技術

そこで，筆者らは，鋼床版を代替する軽量かつで発展する阪神高速」に資するものである．

耐久性の高いコンクリート系の道路橋床版を開発- 46 -

１． UFC を用いた床版構造

プレテンションPC鋼材を配置するリブから構成することとした．床版質量を鋼床版と同等とするこ

4)とを目指し，PC鋼材のかぶり及びあき（20mm以上

度の特性値が150N/mm 以上，ひび割れ発生強度のかつ補強鋼材の直径以上）5)を踏まえ，スラブ厚特性値が4N/mm2以上，引張強度の特性値が5N/mm2を40mm，リブ高を83mm，最小リブ幅を70mmとした．

以上の繊維補強を行ったセメント質複合材と定義

リブ間隔については道路橋示方書（以下，道示とされている．表-1にUFC床版と従来のPC床版に用いう）におけるT荷重の直角方向幅500mmを踏まえ，いる材料特性の比較を示す．

2本以上のリブでひとつのT荷重を支持するものと土木学会指針（案） においてUFCは，圧縮強25)

本研究ではエトリンガイト生成系のUFC （以して中心間隔を250mm以下として設定した．この下Aft系UFCという）の使用を想定して検討を行っ

様にリブを有するUFC床版を床版形状から，ワッている．現時点ではAft系UFCの強度がUFC床版のフル型UFC床版と呼ぶ．

適用条件といえるが，他のUFCも同等の性能があ
表-1 UFC 床版と PC 床版の材料比較 5)

ることが確認できれば適用可能である．UFC部材

項 目
圧縮強度
ひび割れ強度
引張強度弾性係数
水結合材比
透気係数
透水係数
細孔空隙量

内に配置する引張抵抗材はPC鋼材である．UFCは高い圧縮強度を生かして大きなプレストレスを導入することができ，伸縮装置や壁高欄など現場施工部分との接合部以外には鉄筋を配置しない構造としている．
近年，この様なUFCの特徴を生かした構造として，空港着陸帯における床版や歩道橋での施工実

単 位
N/mm2
N/mm2
N/mm2
kN/mm2m2cm/s
vol.%UFC 床版
1808.08.8
460.15
4.5×10-20
4.0×10-173～4 程度

PC 床版
40
1.22.7310.3～0.6
10-15～10-17
10-10～10-1110 程度

プレテンション PC 鋼材

績がある6)．鋼桁と組み合わせた道路橋床版とし

鋼強度 1S15.7mm(橋軸方向・直角方向)

7)ては海外に事例がある ．この床版はスラブ厚が50mm，2方向のリブを有しリブの高さが330mm，リブ間隔が600mmである．プレストレスはプレテンションPC鋼材とリブ間の外ケーブルを併用してい厚さ 123mm

る．床版自重は約0.40 t/m2とされている．従来

橋軸方向 2.50mのPC床版（約0.74 t/m2）の約半分であり，鋼床版の約2倍の自重である．

図-1 ワッフル型 UFC 床版

このようにUFCを用いた床版は他社においても主桁と UFC 床版をスタッドで合成開発されているが7),8)，著者らの提案するUFC床版は，鋼床版と同等の質量という超軽量を目指しUFC 床版た道路橋床版であり，この点において新規性のある床版構造の研究・技術開発といえる．

２． 構造の設定コンセプト
鋼横リブ

2-1 床版

鋼主桁

鋼横桁

UFC床版の概要を図-1および図-2示す．UFC床版
は，活荷重である輪荷重を直接支持するスラブと，- 47 -図-2 UFC 床版合成桁の床組構造

B鋼横リブ位置

鋼主桁ウェブ位置

橋軸方向

BA

プレテンション
PC 鋼材
1S15.7(SWPR7HT)

プレテンション PC 鋼材
1S15.7(SWPR7HT)

B－B

A

図-3 ワッフル型 UFC 床版構造図（単位：mm）

A－A

図-4 床版同士の接合部

図-5 床版と桁の接合部

プレキャスト床版の形状は，図-2に示す鋼横リ

下面間を縦横断勾配への対応や高さ調整代を考慮ブ間隔（橋軸方向に約2.5m程度）×幅員（橋軸して 50mm と設定している．スタッド高 130mm の直角方向）の形状を想定している．床版は鋼横リうち，50mm が間詰めモルタルとなるが，スタッブで線状に支持されているため，床版の主たる支ド接合部の水平せん断耐力を確保するために，モ間方向は橋軸方向となる．開発当初，既往実績のルタルに繊維を混入した繊維補強モルタルを使用

空港着陸帯における床版2)を参考に，床版の支間することとした．

方向である橋軸方向のリブを密に配置することを３． 解析による構造成立性の検証考えていたが，試設計の結果，鋼主桁支点上における応力などに対して橋軸直角方向にも橋軸方向

3-1 解析条件と同程度のPC鋼材が必要となったため，2方向に解析による安全性評価においては，実橋である同程度のリブを配置する，ワッフル状の床版形状

鋼 5 径間連続鋼床版箱桁（平均支間長 70m）の，となった．

鋼床版デッキプレートおよび鋼縦リブ部分を UFC床版に置き換えるものとして，鋼箱桁および鋼横2-2 接合部リブは実橋の構造を用いて解析した．

床版横目地における床版同士の接合部を図-4に示す．床版間をモルタルで間詰めし，リブ間に床版作用に関する検討については，活荷重によ高力ボルトを設置し軸力を導入する構造である．

る発生応力度に対して構造の成立性を確認するこ

この部分には鋼横桁上に孔あき鋼板ジベルを設け，とを目的に 3 次元 FEM 解析によって行った．解析

間詰め部のモルタルを介して床版と鋼桁を一体化

にあたっては，UFC 床版を支持する鋼横リブの配する．床版横目地部以外の，床版と鋼桁の接合部

置間隔を 2.5m とし，橋軸方向に 15.0m（6 パネル）を図-5 に示す．UFC 床版にスタッド用孔を設け，の範囲をモデル化した．解析モデルにおいて鋼桁

鋼桁上に設けた頭付きスタッドを介して床版と鋼はシェル要素，UFC 床版はソリッド要素，PC 鋼材桁を接合する構造とした．鋼桁上フランジと床版はバー要素を用いてモデル化した．
- 48 -活荷重については，道示に準拠したＴ荷重を載ものの，部材厚および PC 鋼材量の設定に対して，荷する．床版に対して曲げもしくはせん断が厳し制限値の最大 8 割程度の発生応力度であり，設定くなると想定する箇所に載荷した．輪荷重は寸法に対する構造成立性を確認することができた．

100kN に 衝 撃 係 数 （ i=0.4 ） お よ び 安 全 係 数（νa=0.1）を考慮し，154kN を橋軸直角方向幅3-3 質量比較500mm，橋軸方向幅 200mm に分布荷重として載荷

UFC 床版と鋼床版および PC 床版に関するした．

19m×2.5m の床版の質量比較を表-2 に示す．鋼床版については，縦リブに U リブを有する構造を3-2 解析結果想定し，表の括弧内の数値は UFC 床版の質量を 1発生応力度が最も大きくなった載荷位置であるとした場合の比率を示す．算定した UFC 床版の質「張出し床版先端付近での曲げ」と「箱桁－箱桁量は，デッキプレートの板厚が 16mm の鋼床版と間での曲げ」に着目した載荷位置の解析結果（死同等となった．

荷重＋プレストレス＋活荷重）について，最大主応力分布と最小主応力分布を，図-6，図-7 に示

表-2

す．床版上面で 6.6N/mm2 の引張応力度（制限値UFC 床版
8.472 t(1.00)，床版下面側で 80.2N/mm2
8N/mm2 に対して 0.83）の圧縮応力度（制限値 108N/mm2 に対して 0.74）

床版質量の比較（19m×2.5m）
鋼床版
8.272 t(0.98)

PC 床版
34.963 t(4.13)が生じている．上縁と下縁の応力度の差は大きい(a) 床版上面（引張：＋，圧縮：－）(b)床版下面（引張：＋，圧縮：－）

図-6 最大主応力分布(a) 床版上面（引張：＋，圧縮：－）(b)床版下面（引張：＋，圧縮：－）

図-7 最小主応力分布- 49 -

４． 実験による動的挙動および耐久性の検証

さは，実橋における鋼主桁または鋼縦桁の最小間隔と同程度の2.5mとした．橋軸方向に3枚の床版

4-1 概要を並べ，中央の試験体は横リブのみで支持される

UFC床版は2方向にリブを有する床版構造である

2辺支持とし，両側の試験体は鋼主桁または鋼縦ため，輪荷重載荷によって，リブ同士の交差部付桁で支持されることを想定して鋼桁にボルトで緊近で応力が大きくなるなど局所的な応力が生じる結して4辺支持とした．2辺支持は主桁間中央付近可能性があった．局所応力を把握するために実際の床版の支持状態，4辺支持は主桁ウェブ近傍にに輪荷重を走行させて移動載荷による応力の変動おける床版の状態を模擬したものである．床版とを把握する必要がある．そこで応力の変動を動的

床版はM22のボルトをリブ間に配置し（ひとつのに計測した．

床版横目地あたり計20本），1本あたり205kN（ボまた，これまでにない床版構造のため，輪荷重ルト降伏軸力の75%）で緊結した．の繰返し走行に対する安全性を検証する必要がある．これに対し，輪荷重の繰り返し走行載荷による床版の疲労性状を確認するために，一定の載荷回数ごとに静的載荷試験し，ひずみやたわみを計測することによって疲労耐久性を確認した．
4-2 試験体
PC鋼材を緊張した状態で丸口バケットを用いて
写真-1 試験体

床版の中央にUFCを打ち込み，放射状に流動させながら充填した．一次養生として20～30℃の湿潤養生を2日行い，圧縮強度が100～120N/mm2で緊張力を解放してUFC床版にプレストレスを導入した．
その後，85℃の蒸気養生を24時間行い，試験時の圧縮強度は182～198N/mm2であった．試験体を写真-1に示す．
試験体の配置を図-8に示す．試験体は，実構造物と同様に橋軸方向に2.5mピッチに配置された横写真-2 静的載荷用ダブルタイヤ（100kN）リブに支持される構造とした．橋軸直角方向の長床版の支持位置

図-8 輪荷重走行試験の試験体- 50 -

れ発生応力度以下であること，プレストレスが導4-3 挙動確認試験
床版の挙動を確認するための静的載荷試験では，大阪工業大学所有の輪荷重走行試験装置を用いた．

入されていることから，ひび割れ発生の可能性は低いと考えられる．

写真-2に示す実際の大型車のタイヤを模擬したダブルタイヤを用い，走行方向には図-8に矢印で示す位置に，直角方向には二つのタイヤが中央のリブを跨ぐように，100kNの輪荷重を2000回動的載荷し1回，100回，1000回時に静的載荷し計測した．
挙動確認試験結果として，100kNの輪荷重載荷位置の隣のリブ側面鉛直ひずみ，中央リブ直上
図-9 リブ側面の鉛直ひずみの走行直角方向ひずみ，輪荷重直下の版部材下面の走行直角方向ひずみを図-9，図-10，図-11に示す．それぞれ，リブが横に開くことによる影響，輪荷重がリブを跨いで載荷される影響，薄い版部材の曲げの影響について確認するための計測である．横軸を図-8に矢印で示す輪荷重走行位置における床版中央からの距離とし，それぞれの位置に載荷した場合の床版中央のひずみを示している．

図-10 床版上面の走行直角方向ひずみ

図-9より，リブ側面の鉛直ひずみは計測点の直近に載荷された場合にひずみの変動が最も大きくなっており，リブの両側とも圧縮であった．
引張ひずみは最大で13μ（応力度に換算すると0.6N/mm2）であり，圧縮ひずみは最大で61μ（応力度に換算すると2.8N/mm2）であった．載荷点に近い側が圧縮となったのは，輪荷重の載荷によって走行方向リブが横に開こうとするのを直角方向のリブが拘束したことによると考えられる．

図-11 床版下面走行直角方向ひずみ実験供試体について事前に解析した結果においても，リブに着目すると荷重載荷の外側は引張4-4 輪荷重載荷試験

応力が生じる傾向となっており実験結果と整合輪荷重の移動繰返し載荷に対する安全性を確認している．

するための試験では，最大220kNまで載荷できる

図-10より，リブを跨いでダブルタイヤが載荷

ジャンボタイヤを用いて100kNから220kNまで30kNされることによって，床版上面が直角方向に引っ刻みで階段状に荷重を増加させながら各荷重で4張られる挙動を示すが，輪荷重の載荷によって床万回ずつ繰返し載荷し，合計20万回（10万往復）

版上面直角方向には圧縮ひずみが生じており，引輪荷重を走行させた．各荷重載荷開始前（0万回）張ひずみが生じることはなかった．図-11より，および4万回載荷後（4万回）に，静的載荷試験を輪荷重の直下の床版下面直角方向において80μ程行い，床版のたわみおよびひずみを計測した．さ度のひずみ（応力度に換算すると3.7N/mm2）が生らに床版表面に水を張って130kNで2万回，160kNじていたが，輪荷重が倍になった場合でもひび割で2万回の輪荷重走行試験を行った．高速道路で- 51 -

実測された軸重から100年分の載荷回数を推定しと，たわみ分布やひずみ分布からは剛性の低下て試験における等価回数を求めたところ，水を張は見られなかったことから，床版の構造性能にらない輪荷重走行試験の160kN載荷時点であった与える影響は小さいと考えられる．

ため，本疲労試験により床版としての安全性を確250認できると考えられる．図-12に載荷荷重のステ

静的計測
疲労試験水張疲労試験

200載荷荷重(kN)ップを示す．
輪荷重走行試験結果の例として，荷重100kN，160kNおよび220kNで0万回および4万回における150
100中央床版のたわみ分布およびひずみ分布を図-1350および図-14に示す．両者とも，輪荷重を載荷す

0

輪荷重走行試験
水張疲労試験

挙動確認試験

0る前後の計測値の差をとったものである．たわ510152025

走行回数(万回)

みおよびひずみとも，荷重の増加に比例して増図-12 輪荷重走行試験載荷プログラム加した．また，それぞれの荷重における繰返し載荷前後で差はなく，輪荷重の繰返し載荷による剛性の低下は見られなかった．他の計測位置や他の床版も同様な結果であった．
図-15に床版横目地部において床版同士を接続するボルトの軸力の経時変化を示す．張力変動の残留分として7kN程度の軸力が低下した．これは導入軸力205kNの3.4%であり，輪荷重載荷試験に要した期間である1.5ヶ月を考慮するとボルト軸力のリラクゼーションと考えらえる．弾性変位に着目するとほぼ張力の変動は生じなかった

図-13 中央床版の橋軸方向たわみ分布ため，接合部に目開きは生じていなかったと考えられる．
190kNでの4万回載荷後，リブ付け根の側面水平方向に幅0.04mm未満の微細なひび割れが観察された．また，220kNでの4万回までに同様なひび割れが数十か所で観察された．このひび割れの原因は特定できていないが，プレストレス導入時においてPC鋼材のポアソン効果（鋼材のポアソン比は0.3，UFCのポアソン比は0.2）によっ

図-14 中央床版の橋軸方向ひずみ分布てUFCにPC鋼材直角方向の引張応力が生じ，引張応力が残留した状態のリブ側面に，輪荷重の繰返し載荷によって図-9に示す応力変動が繰り返し作用することによって発生したものと推定している．ひび割れが生じたのは設計輪荷重の約2倍の荷重載荷時であったこと，UFCはひび割れが生じても鋼繊維の補強効果によりひび割れ発生強度以上の引張応力を伝達することができるこ

図-15 床版横目地部ボルト軸力の経時変化- 52 -

５． まとめ

参考文献
1)

UFC 床版の開発において，解析によってワッフ
2)ル形状の構造寸法を算定し，鋼床版と同等の軽量な構造で UFC 床版が成立することを確認した．こ

3)の UFC 床版について，輪荷重の載荷による挙動を確認するために，設計荷重の 2 倍以上の荷重を載4)荷した輪荷重走行試験により，移動繰返し載荷に5)対して十分な疲労耐久性を有し安全性を確認することができた．

6)

謝辞：本研究は，鹿島建設㈱と公募型共同研究を遂行させて頂き，貴重なご意見を頂いている．また，大阪大学松井名誉教授，長岡技術科学大学長

7)

井名誉教授，東京工業大学二羽教授，岐阜大学内田教授，神戸大学三木准教授にご指導をいただきました．ここに深く感謝の意を表します．

8)

小坂崇ら：超高強度繊維補強コンクリートを用いた軽量かつ耐久性の高い道路橋床版の開発，土木学会
年次学術講演会，2013.9.
齋藤公生ら：超高強度繊維補強コンクリートを用いた軽量かつ耐久性の高い道路橋床版の輪荷重載荷試
験，土木学会年次学術講演会，2013.9.
一宮利通ら：鋼床版と同等の軽量かつ耐久性の高いUFC 道路橋床版の開発，プレストレストコンクリー
ト，Vol.56，No.1，2014.1.
土木学会：超高強度繊維補強コンクリートの設計・施工指針（案），2004.9.
土木学会：超高強度繊維補強コンクリート「サクセム」の技術評価報告書，技術推進ライブラリーNo.3，
2006.11.
一宮ら：東京国際空港 D 滑走路桟橋部プレキャスト
床版間詰部の性能確認実験，第 16 回プレストレスト
コンクリートの発展に関するシンポジウム論文集，
2007.10.
François Toulemonde, Jacques Resplendino:
Design and Building with UHPFRC,Chapter17
UHPFRC Waffle Deck Concept for a Bridge atLivron-Loriol,pp.249-262, 2011.
趙唯堅ら：UFC プレキャスト PC 床版の技術的検討，
土木学会年次学術講演会，2009.9.

DEVELOPMENT OF HIGHWAY BRIDGE DECKS USING ULTRA HIGH PERFORMANCEFIBER REINFORCED CONCRETE (UFC)
Takashi KOSAKA, Hidesada KANAJI and Akinori SATO
Orthotropic steel deck slabs have been frequently used, especially for urban highway bridges, becauseof their light weight. However, a number of fatigue cracks are detected in the steel deck slabs in recentyears, pushing up the maintenance cost for the steel deck slabs. To solve this problem, we developed adeck slab using ultra high performance fiber reinforced concrete (UFC) with a compressive strength of
150 MPa, as an alternative to the conventional steel deck slabs. The own weight of the UFC deck slab isalmost the same as that of an orthotropic steel deck slab. Mechanical properties and fatigue durability of
the UFC deck slab were investigated, and satisfactory results were obtained.

小坂崇

阪神高速道路株式会社
技術部 湾岸線技術調査室
Takashi Kosaka

金治 英貞

阪神高速道路株式会社
技術部 湾岸線技術調査室
Hidesada Kanaji- 53 -佐藤 彰紀

阪神高速道路株式会社
技術部 湾岸線技術調査室
Akinori Sato