技報第 31 号

2022

鋼床版デッキプレートと垂直補剛材溶接部の疲労き裂に対する予防保全工法の効果検証
阪神高速道路(株)管理本部管理企画部保全技術課
阪神高速道路(株)管理本部大阪保全部改築・更新事業課(一財)阪神高速先進技術研究所調査研究部

髙田森山本耕庸
謙吾
修嗣………………………………………………………………………………
要旨

阪神高速の鋼床版では疲労損傷が多数報告されており，その中でもデッキプレート（以下，デッキ）と主桁ウェブの垂直補剛材上端とのすみ肉溶接部に発生するき裂（以下，タイプ③き裂）は，鋼床版に発生するき裂全体の約 3 割に及んでいる．デッキに発生したタイプ③き裂は，板厚方向に進展・貫通することでデッキの変形を増大させ，舗装の損傷を誘発し車両の走行安全性に影響を与える恐れがあるため，予防保全の考えに基づいた対策を実施することが望ましいとされている．阪神高速のタイプ③き裂に対する予防保全対策では，損傷が発生している径間の垂直補剛材に半円孔を設置し，デッキの変形拘束を緩和することで溶接部の応力を低減させる工法がこれまで採用されており，溶接止端部への圧縮残留応力の導入により疲労強度を改善させるピーニング処理による工法も提案されている．一方で，半円切欠き工法については，溶接部の応力集中の低減効果は確認されているが，疲労寿命の向上効果に着目した検討は十分にされておらず，半円孔の位置による影響やピーニングとの比較についても明らかになっていない．そこで本検討では，垂直補剛材と鋼床版デッキを模擬した試験体の板曲げ疲労試験（以下，疲労試験）を行い，各工法の疲労寿命の向上効果を検証した．また，疲労試験の結果を解析的に分析し，半円切欠き工法による応力低減効果の影響要因を検証した．
キーワード:鋼床版，疲労き裂，垂直補剛材，半円切欠き，ピーニング

デッキの板厚方向に進展，貫通することでデッキはじめに面外ガセット
溶接継手

阪神高速では多くの橋梁で鋼床版が採用されており，その多くが重交通路線に位置することから鋼構造物の損傷全体の約 4 割を鋼床版の疲労き裂が占めている．これらのき裂のうち図-1 に示すようなデッキと主桁ウェブの垂直補剛材上端とのすみ肉溶接部（以下，溶接部）に発生するき裂は，鋼床版に発生するき裂全体の約 3 割に及んでいる．
この溶接部のき裂はデッキに直接発生するため，
1

デッキプレート

垂直補剛材

図-1 タイプ③き裂

の変形を増大させる場合がある．これにより，舗きるため，より良い工法となる可能性があるが，装の損傷を誘発し車両の走行安全性に影響を与え半円切欠き工法と横並びで疲労試験が実施された

る恐れがあるため，早急な対策が必要となってい事例はなく，疲労寿命の向上効果の比較は同一条る．一方で，垂直補剛材は主桁ウェブに一定間隔件で実施できていない．

で取り付けられていることから，損傷未発生の溶そこで本検討では，既往検討で十分検討されて接部についても損傷発生箇所と同程度の損傷リスいない半円切欠き工法の疲労寿命向上効果をピークを有していると考えられるため，損傷が発生しニング工法と比較したうえで確認することを目的ている径間の垂直補剛材に対して予防保全対策をとして，垂直補剛材が鋼床版デッキに溶接された実施することが望ましいとされている．

部位を模擬した試験体の疲労試験を実施した．ま

阪神高速のタイプ③き裂に対する予防保全対策

た，試験結果を解析的に分析することで，疲労試

では，損傷が発生している径間の垂直補剛材に対験の境界条件が既往検討 2)で確認されている半円して垂直補剛材上端部に半円孔を設置し，デッキ切欠き工法の応力低減効果に与える影響を検証しの変形拘束を緩和することで溶接部の応力を低減た．

させる工法（以下，半円切欠き工法）がこれまで１．実験的検討採用されている．半円切欠き工法では半円の径を大きくするほど溶接部の応力を低減できることがFEM を用いた解析的検討で確認されている 1)．ま

1-1 試験体概要

た，垂直補剛材の幅の半分を切欠き径とした場合試験体形状を図-2 に示す．試験体はデッキをには溶接部の応力が半円孔設置前に比べ大きく低模擬した 700 × 200 × 12 mm の主板に垂直補減されることが鋼床版モデルを用いた FEM によ剛材を模擬した 340 × 200 × 12 mm のプレー

る解析的検討および実験供試体への静的載荷試験

トをまわし溶接した面外ガセット溶接継手の試験の結果から確認されている 2）．一方で，疲労試験での検討では半円切欠きの設置位置によって疲労寿命に差が出ることが確認されており，既往検討
2)や阪神高速での実績である半円孔がデッキから20 mm 離れた場合には，応力の低減効果が見られなかったことが報告されている 3)．これらより，
半円切欠き工法では応力の低減効果は確認されているが疲労寿命の向上効果や半円孔の設置位置に図-2 試験体形状よる影響については十分検討されていない．
また，JSSC の疲労設計指針においては疲労強度の改善方法として，溶接止端形状を改善する方法と残留応力を改善する方法があるとされている
4)．これらのうち，残留応力を改善する方法の一つとしてハンマーピーニングや超音波ピーニング（UIT），エアー式ニードルピーニング（PPP）などの溶接止端のピーニング処理による方法があり，高い疲労強度改善効果が確認されている 5)-8)．ピーニングによる方法は適切に施工が実施されれば図-3 PPP 処理範囲

既設部材を欠損させることなく疲労強度を改善で2

体であり，溶接は半自動 CO2 ガスシールドアーク
溶接（溶接材料 MX-Z200[JIS 規格：Z3313 T 49J 0T1-0 C A-U]）とし，溶接電流 215 A，溶接電圧31.5 V，溶接速度 350 mm/min で実施した．試験体は溶接のままの試験体（AW），デッキから 20mm 離れた位置に半円切欠きを施した試験体（H20），デッキから 7 mm 離れた位置に半円切欠きを施した試験体（H7），図-3 に示す処理範囲で

図-4 板曲げ振動疲労試験機

エアー式ニードルピーニングを施した試験体（PPP）9)の 4 種類を用いて試験を実施した．半円切欠きを実施した試験体では，半円孔の設置位置によって疲労寿命に差が出ることが確認されていることから阪神高速での予防保全の実施時の設置位置である 20 mm 位置の試験体に加え，既往検討 3)で応力低減効果が大きいとされている 7 mm位置の 2 種類の試験体で試験を実施した．また，
図-5 疲労き裂の定義

本試験では試験機に完全固定される範囲をガセッ
ト幅に考慮せず，曲げ試験の荷重が伝達される範囲である 100 mm までをガセット幅とした．H20，
H7 の半円切欠きはガセット幅の 3/4 である R75 とし，半円切欠きの施工はガセット溶接後に実施した．
1-2 試験条件
疲労試験は山田ら 3),10)により開発された板曲げ振動疲労試験機（図-4）を用いて行った．本試験

図-6 Ch A の応力範囲

では，ガセット先端から 245 mm 位置に加振機を取り付けることで垂直補剛材から離れた箇所に載の輪荷重を想定して全試験体で R = -∞とした．

荷される輪荷重による曲げを再現している．

疲労き裂の定義を図-5 に示す．試験体にはき試験体にはひずみゲージを貼付し，まわし溶接裂発生確認のための被覆銅線（φ0.05 mm）を止止端から板長手方向には 12 mm と 62 mm 位置か端から 10 mm 離れたデッキ側に添付した．溶接

つ板幅方向には 0 mm と± 50 mm 位置の合計 6 箇

止端に近いひずみゲージ（Ch A）から得られた所（Ch A～Ch F）とした（図-2）．公称応力範囲

応力範囲が初期から 5%低下した繰返し回数をはき裂発生前のゲージ B，C のひずみの平均値とN5%，疲労き裂が溶接止端部から 10 mm 離れた位

ゲージ E，F のひずみの平均値の比に，試験中の置に到達して被覆銅線が破断した段階の繰返し回E，F のひずみの平均値と弾性係数を乗ずること数を N10 と定義した．各工法の疲労き裂発生寿命で算出した．本試験の公称応力範囲は AW，H20，の評価には N5%を用い，き裂発生から進展までのH7 は Δσ = 100，120，150 N/mm2 で実施し，Δσ =進展抑制効果は N5%から N10 までの回数を用いて120 でき裂が発生しなかった PPP は Δσ = 120，150， 評価した．
180 N/mm2 で実施した．応力比は鋼床版上面から3

1-3 試験結果および考察(1) 疲労試験結果
各試験体の載荷 1 回目時点の Ch A で計測した応力範囲を図-6 に示す．これより，溶接止端近傍位置である Ch A の応力範囲は各試験体間で大きな差は見られなかった．これは，既往検討 1),2)で確認されていた半円切欠きによる溶接止端部の応力低減効果が今回の試験条件では発揮されなかったためと考えられ，要因としては既往検討との図-7 S-N 線図（N5％）

試験体形状の違いや試験時の境界条件，荷重載荷位置の影響が考えられる．
各試験体の N5%をプロットした S-N 線図を図-7に示す．S-N 線図には JSSC の疲労設計指針で示されている疲労強度等級をあわせて示している．
また，PPP 試験体で確認されたガセット側の溶接止端から発生した試験体についてはマークの上に“g”を付け区別している．これは，ピーニングを実施することによりデッキ側の溶接止端の疲労寿命が向上したことでガセット側の溶接止端の疲労寿命が相対的に低下したためと考えられる．図図-8 S-N 線図（N5%→N10 進展寿命）-7 より，PPP による予防保全の効果は非常に高く，
AW や H20，H7 に比べ大幅に疲労寿命が向上していることが分かる．一方で，半円切欠きを施した H20 と H7 の疲労寿命は AW に比べほとんど差が見られなかった．これは Ch A で計測した応力範囲と同じ傾向であり，本試験条件では応力の低減効果が発揮されなかったためと考えられる．
AW と H20，H7 のき裂進展の抑制効果を比較するため，N5%から N10 までのき裂進展に要した回数をプロットした S-N 線図を図-8 に示す．これ

図-9 Ch A と Ch E，F の応力の関係

より，H20 と H7 は AW の結果とほぼ同様の分布をしていることから，本試験の載荷状態に対してから算出した応力の関係を図-9 に示す．試験開は，AW と H20，H7 のき裂進展の繰返し回数に始時の応力状態を Initial，き裂が N10 まで進展し大きな差がないことがわかる．

た時点を N10 としてプロットしている．AW，H20，(2) 疲労き裂と応力の関係

H7 の Initial では，Ch A の応力はガセットによる疲労き裂の進展による試験体内での応力伝達状応力集中を受けるため，Ch E，F の平均値に比べ態を確認するために公称応力に近い Ch E，F のひ

大きくなり傾きが大きくなっているが，き裂がずみと止端近傍の Ch A の応力の関係を確認した． N10 へ進展することで傾きが小さくなっているこ各試験体の Δσ = 120 N/mm2 における Ch A のひずとから，Ch A への応力伝達がなくなっているこみから算出した応力と Ch E，F のひずみの平均値とがわかる．AW，H20，H7 では半円切欠きの有4無に関わらずその傾きに大きな差は見られなかった．これより，本試験では半円切欠きによるき裂発生後の溶接止端部近傍の応力低減の効果は小さいことがわかる．一方で，PPP では Δσ = 150
N/mm2 で疲労き裂が発生しなかったため Initial からの傾きの変化は見られなかった．
図-10 解析モデル形状

２．解析的検討
疲労試験において半円切欠きの応力低減効果が確認できなかった要因を解析的に検証した．
2-1 解析条件および解析モデル
解析には汎用の有限要素解析プログラム SC
MARC を用い，線形有限要素解析を行った．解図-11 溶接止端部のメッシュサイズ

析モデルは AW，H20，H7 を対象として作成し，(a) ケース 1(b) ケース 2(c) ケース 3(d) ケース 4(e) ケース 5
図-12 解析ケースごとの解析条件
5基本形状は疲労試験体と同等の形状の 1/2 モデルとした．図-10 に各試験体の解析モデルの基本形状を示す．要素は全てソリッド要素であり，ヤング係数は 200,000 N/mm2，ポアソン比は 0.3 とした．また，着目部は主板側の溶接止端部とし，着目部のメッシュサイズは 0.1 × 0.1 × 0.1 mm とした（図-11）．ガセットと主板の間には 0.1 mmの隙間を設け，試験体と同様に溶接ビードのみでデッキからガセットに応力を伝達するモデルとした．

図-13

AW に対する着目部発生応力の比率

本検討の疲労試験では面外ガセット溶接継手の試験体を用いて曲げ疲労試験を実施しているのに対し，応力低減効果を確認した既往検討 2)では鋼床版や主桁ウェブを模擬した試験体を用いて垂直補剛材直上に近い位置での載荷を実施していることから，載荷位置，境界条件，ガセット幅の違い(a) 検討ケース 2や主桁ウェブの有無が応力低減効果に影響を与えていると仮定し，これらをパラメータとして解析を実施した．図-12 に影響要因を考慮した解析ケースを示す．ケース 1 は疲労試験と同条件としたケースであり，ケース 2 は載荷位置の影響を確認(b) 検討ケース 4するために載荷位置をガセット直下に面載荷（幅200 mm × 長さ 100 mm）したケース，ケース 3 はガセットの剛性の影響を確認するためにガセット幅を 100 mm とし，ガセット上端部を固定したケース，ケース 4 は実橋のデッキの連続性による影(c) 検討ケース 5響を確認するためにケース 3 のモデルに主板先端

図-14 載荷時のコンター図の対象条件を追加したケース，ケース 5 は主桁ウェブによる影響を確認するためにケース 4 に主桁で約 2 割の応力低減効果が見られた．H20 では応ウェブをモデル化したケースである．主桁ウェブ力の低減効果が確認できなかったが，H7 で若干のモデル化範囲はモデル幅と同等の 200 mm としの応力低減効果が確認できた要因としては半円孔た．なお，後述するとおり着目部の応力を無次元をデッキに近づけることでガセットの立ち上がり化して評価するため，荷重値は単位荷重としてい部が短くなり，局所的な応力集中が低減したためる．と考えられる．ケース 2 および 3 の結果はケース1 とほぼ同等の結果となった．これより，載荷位

2-2 解析結果および考察

置およびガセットの剛性の違いが半円切欠き工法

図-13 に AW，H20，H7 に対し，各ケースで求の応力低減に及ぼす影響は小さいと考えられる．

めた溶接止端部着目要素に発生する主応力を AW

ケース 4 では， H20 と H7 の両モデルで AW に比の応力で無次元化した結果を示す．ケース 1 の結べ大きな応力低減効果が見られた．これは主板先果より，AW と H20 の応力はほぼ同等であり，H7端に対象条件を追加したことで主板の変形モード6が変化し，溶接止端部の発生応力が大きく低減し円切欠き工法の疲労寿命向上効果をピーニング工たためと考えられる．ケース 5 では主桁ウェブを法と比較したうえで確認することを目的として，再現することでケース 4 に比べ H20 および H7 の垂直補剛材が鋼床版デッキに溶接された部位を模応力低減効果は小さくなり，AW に比べ H20 は約擬した試験体の疲労試験を実施した．また，疲労2 割，H7 は約 4 割の応力低減効果が見られた．

試験結果を解析的に分析することで，疲労試験の2)

H20 については既往検討 の傾向と同様であり，境界条件が既往検討 2)で確認されている半円切欠

ケース 5 の解析条件が最も既往検討 2)における応き工法の応力低減効果に与える影響を検証した．

力低減効果を再現できたと考えられる．また，全以下に結果をまとめる．てのケースにおいて H20 に比べ，H7 の発生応力①今回実施した疲労試験の条件下では，半円切欠が小さいことから既往検討 3)で確認された半円孔き工法による応力低減効果は見られなかった．の設置位置による影響を確認できた．これは，半②PPP による疲労寿命の向上効果は非常に大きく円孔の設置位置によりガセットの立ち上がり部のAW や H20，H7 に比べ大幅に疲労寿命が向上

長さが変わり，局所的な形状の影響による応力集した．

中に差が出ているためと考えられる 11)．疲労試験③主板の境界条件による変形モードの違いは半円時の Ch A の応力範囲でこの傾向が見られなかっ

切欠き工法による応力低減効果に大きな影響をた原因としては，解析では止端位置での応力集中及ぼす要因であり，その影響は主板の変形を拘を比較しているが，Ch A の応力は止端から 12束するガセットの剛性によって大きく変化する

mm 離れた位置であるため，半円切欠きによる局ことが確認された．

所的な応力集中の緩和が捉えられなかったことが本検討より，従来の検討と同様に適切な施工が原因と考えられる．

実施されたピーニングの疲労寿命向上効果は非常

図-14 にケース 2，4，5 の載荷時のコンター図に大きく，予防保全工法としての可能性が示されを示す．ケース 4 は最も半円切欠きの応力低減効た．一方で，既設橋梁への適用については，施工果が出たケースであるが，実験と同様の境界条件条件におけるピーニングの施工管理が困難であるであるケース 2 に比べ主板が上に反り，半円の中ことから，現場での品質管理手法の検討が課題と央部に応力集中していることが分かる．これより，なる．また，半円切欠き工法においては変形モー対称条件により主板の変形性状および半円内の応ドの違いにより応力低減効果が大きく変動するこ力発生位置が大きく変化していることが分かる．とが示されたことから，今回の疲労試験結果をよ

一方で，ケース 5 では主桁ウェブを再現することり正確に評価するために，実橋における変形モーでウェブがガセット部の変形を抑えるため，主板ドを把握し，疲労試験の変形モードとの違いを確の変形および半円中央部の応力集中を抑え，ケー認することが必要であると考えられる．

ス 4 に比べ溶接止端部の応力集中低減効果が小さくなっていることを確認できた．これらより，主謝辞：本検討の疲労試験および解析的検討を実施

板の境界条件による変形モードの違いは半円切欠していただいた関西大学の石川敏之教授に深く感き工法による応力低減効果に大きな影響を及ぼす謝します．

要因であり，その影響はガセットの剛性によって参考文献大きく変化することが確認できた．

1) 川村勝，高田佳彦，流田寛之，坂野昌弘：デッキプレートと垂直補剛材溶接部の予防保全対策，土木学会第60 回年次学術講演会，1-401, 2005.
2) 高田佳彦，川上順子，青木康素，坂野昌弘，酒井優
二：半円切欠き工法による鋼床版垂直補剛材溶接部の疲労対策の検討，鋼構造年次論文報告集，第 15 巻,３．まとめ
本検討では既往検討で十分検討されていない半7

pp.343-350, 2007.
3) 山田健太郎，小薗江朋尭，小塩達也：垂直補剛材と鋼床版デッキプレートのすみ肉溶接の曲げ疲労試験，鋼構造論文集，第 14 巻第 55 号, pp.1-8, 2007.
4) (一社)日本鋼構造協会：鋼構造物の疲労設計指針・同解説―付・設計例―，技報堂出版株式会社，2014.
5) 田井政行，三木千壽，鈴木啓悟：ハンマーピーニング処理による面外ガセットの溶接止端部の疲労強度改善，土木学会論文集 A1，Vol.67 No.2, PP.396-409, 2011.
6) 森猛，島貫広志，田中睦人，宇佐美龍一：UIT を施した面外ガセット溶接継手の疲労強度に対する施工時応力レベルと応力比の影響，土木学会論文集 A1，Vol.67
No.2, pp.421-429, 2011.
7) 北條恵司，高橋宏冶，安藤柱，関口祐司：溶接止端部にき裂を有する構造用圧延鋼のピーニングによる疲労限度向上およびき裂の無害化，日本機械学会論文集，
79 巻 797 号, pp.110-114, 2013.
8) 木下幸治，今村明登，渡邊吉弘，半田充：先端曲率半径が小さい Ultrasonic Needle Peening を施した面外ガセ
ットの疲労強度，鋼構造論文集，第 21 巻 83 号, pp.1118, 2014.
9) 井上諒，細見直史，入部孝夫：エアー式ニードルピー
ニングによる面外ガセット溶接継手の疲労強度向上対策，東京鐵骨橋梁技術報，No.57, pp.38-57, 2016.
10) 山田聡，渡辺直起，山田健太郎，小塩達也：簡易型振動疲労試験機の開発と適用試験，トピー鉄構技報，
No.24, pp.15-22, 2008.
11) 白彬，柿市拓巳，石川敏之，小塩達也，山田健太郎：
鋼床版上の吊りピースおよびスタッドジベルの板曲げ疲労挙動，鋼構造論文集，第 17 巻 65 号, pp.43-52, 2010.

VERIFICATION OF PREVENTIVE MAINTENANCE METHOD FOR FATIGUECRACKS IN VERTICAL STIFFENER WELDS OF STEEL DECK PLATES
Koyo TAKATA, Kengo MORI and Syuji YAMAMOTO
Fatigue cracks in the welds between vertical stiffeners and steel deck plates account for about 30% of all
cracks found in steel deck plates on the Hanshin Expressway. To the bridges with existing damage on theHanshin Expressway, semicircular holes have been conventionally installed in their vertical stiffeners in an
attempt to reduce stress, while peening for improved fatigue strength has also been proposed as anotheroption for preventive maintenance. In this study, bending fatigue tests were conducted on a specimen
modeling the welded joints between vertical stiffeners and steel deck plates. It was found that peening wasmore effective than semicircular hole cutting in extending fatigue life, and that the stress reduction effectof the semicircular holes was smaller than expected under the test conditions in this study. A numericalanalysis was also performed on the fatigue test results to investigate the effects of the boundary conditions
on the stress reduction effect.

髙田 耕庸

森 謙吾

山本 修嗣

阪神高速道路株式会社
管理本部 管理企画部
保全技術課
Koyo TAKATA

阪神高速道路株式会社
管理本部 大阪保全部
改築・更新事業課
Kengo MORI

（一財）阪神高速先進技術研究所
調査研究部

8Syuji YAMAMOTO