第九回道路橋床版シンポジウム論文報告集

土木学会

第九回道路橋床版シンポジウム論文報告集 土木学会

論文
論文

RC 床版の主鉄筋方向挙動に及ぼす CFRP シート接着補強方向の影響
田中良樹*，村越潤**，玉越隆史*，新藤竹文**** （国研）土木研究所 構造物メンテナンス研究センター（〒305-8516 茨城県つくば市南原 1-6）** 博（工） 首都大学東京教授 都市環境学部（〒192-0397 東京都八王子市南大沢 1-1）*** 工博 炭素繊維補修・補強工法技術研究会（〒103-0021 東京都中央区日本橋本石町 1-2-2）
シート補強された RC 床版の疲労損傷機構の解明に向けて，主鉄筋方向
のみに CFRP シートを貼り付けた RC 床版供試体 1 体の輪荷重走行試験を行った．また比較のため，配力鉄筋方向のみに CFRP シートを貼り付けた
RC 床版供試体 1 体の輪荷重走行試験も実施した．その結果，主鉄筋方向のみにシート接着した場合，シートの初期損傷があっても，補強後の走行初期の段階で主鉄筋方向の鉄筋ひずみやひび割れ幅が抑制され，主鉄筋方向の挙動の改善が見られた．また，配力鉄筋方向のみシート接着した場合であっても，配力鉄筋方向だけでなく，主鉄筋方向の挙動もある程度改善されることが分かった．
キーワード：炭素繊維シート，補強，（シートの）接着方向，（シートの）破断

1．はじめに
炭素繊維シート（以下，シート）による鉄筋コンクリー
ト床版（RC 床版）の補強事例において，類似の RC 床版であっても補強量が異なる場合が見られる．著者らは，
シート補強された RC 床版の疲労損傷機構が必ずしも十分に解明されていないことがその一つの要因であると考え，同機構の解明と性能照査型補強設計法の構築に向けて，輪荷重走行試験による検討を行っている 1)．その検討の一環として，シートの接着方向が RC 床版の挙動や疲労耐久性に及ぼす影響を確認するため，初期損傷を与えた RC 床版供試体 2 体に，それぞれ主鉄筋方向のみまたは配力鉄筋方向のみにシート接着を施した後，それらの輪荷重走行試験を実施した．その結果を用いて，補強
前後の RC 床版の挙動の変化を比較検討した．そのうち本文では，主として RC 床版の主鉄筋方向の挙動に着目して，主鉄筋方向または配力鉄筋方向それぞれのシート
接着補強の影響について述べる．
2．試験方法
供試体 CF4，
CF5 の RC 床版部の形状寸法を図－1 に，主な諸元を表－1 にそれぞれ示す．両供試体の RC 床版の諸元は共通であり，昭和 39 年の道路橋示方書を適用した床版に概ね相当する．シートの諸元と施工時の温度及び材料試験結果を表－2 に示す．また，シートの貼り付け方法を図－2 に示す．供試体 CF4 はシートを主鉄筋

図－1 供試体の形状寸法
表－1 RC 床版供試体の主な諸元（CF4, 5 共通，設計値）
主鉄筋
上縁から
呼び
呼び 間隔
の距離*
径
径
(mm)
(mm)
上段 D16300
30
D10
下段 D16150
160
D13*) 床版上縁から鉄筋中心までの距離

配力鉄筋
間隔
(mm)

配力
鉄筋
比(%)

300
300

32

床版
厚
(mm)
190

表－2 シートの諸元，施工時温度，引張試験結果
弾性シー
繊維目 設計 養生時 引張強
接着剤
係数 2)
1)
2)
供試体 トの付量 厚さ 温度
度
の種類
(×103
種類
(g/m2) (mm)(℃) (N/mm2)
2

- 83
1 -

N/mm )

CF4 高弾242510
一般用 300
0.143
CF5 性型
302430
1) シート養生期間中の平均温度，2) 5 本の平均値

726
700

輪荷重
走行方向

写真－1 CF4 の試験状況

輪荷重
走行方向

(a) 供試体 CF4

写真－2 CF5 の試験状況
表－4 走行載荷時及び養生載荷時の主な事象
CF4CF5■18 万回■4.1 万回・CL-600mm で動的載荷時変位 9.1mm ・CL-600mm の位置
での静的載荷時
補強前 ■22 万回
147kN ・CL-600mm の位置での静的載荷時変 変位 8.1mm，動的
位 8.2mm，動的載荷時変位 9.4mm
載荷時変位 9.1mm
養生 ・走行範囲のシートすべてでシート破断 ・繊維に沿った樹脂
載荷 （部分破断含む），いずれも載荷ブロッ 割れ
68kN ク直下かそのやや外側■2.7 万回■500 回
・シート部分破断箇所のほとんどが，幅 ・シートの浮きが見られ始める
補強後 250mm にわたって全破断
147kN ■0.6 万回・シート破断箇所付近で浮きが見られ始
める■走行直後～6 万回■0.6～1 万回・シート破断箇所で浮 ・シートの浮きが拡大，走行範囲直
下のシートは CL-650～800mm 及きび CL+1000～1700mm の範囲のみ■7.8 万回・CL-600mm での動的 で浮き補強後 載荷時変位 12mm， ■7.3 万回
196kN 上面に抜け落ちの兆 ・シート破断，CL-600mm で動的載荷
時変位 12mm，上面に抜け落ちの候
・別の箇所 CL+400～ 兆候
600mm で抜け落ち ・CL-300mm で抜け落ち，床版下面
は片側(図－2(b)の上辺側)の剥離が顕著
供試体(b) 供試体 CF5
図－2 シートの貼り付け方法，シートの損傷箇所，及び抜け落ち範囲
表－3 補強前及び補強後の繰返し数
補強前
補強後
コンク コンク
リート リート静2)
供試
目標変位まで
養生載荷
147kN, 196kN,
圧縮強 弾性係数 1)体
147kN，15rpm 68kN，5rpm 15rpm 15rpm
1)
3
度
(×10
(回)
(回)
(回)
(回)
(N/mm2) N/mm2)
CF4
26.2
21.1
220,000
98,000 294,000 78,664
CF5
25.1
21.1
40,96398,00041,000 73,251
1) 補強前開始時，補強後開始時及び試験終了時の平均値，各 3 本，計 9
本の平均値，2) 7 日間

方向のみに，供試体 CF5 はシートを配力鉄筋方向のみにそれぞれ 1 層ずつ床版下面に接着した．著者らの既往の試験 1)における格子貼りの各方向の貼り方と一致するよ
うに，シート間の距離を 150mm とした．養生期間中，供試体 CF4 はシートを貼り終えた直後から，供試体 CF5はシートを貼り終えてから 1 日後に，供用中での養生を想定して68kN で輪荷重を走行させた（以下，養生載荷）2)．

供試体の支持は 2 辺（長辺）を単純支持，他の 2 辺を弾性支持とした．図－1 に示した網掛け部分に輪荷重を走行載荷させた．表－3 に，各供試体の補強前及び補強後の走行繰返し数を示す．両供試体ともに，初期損傷を与2 - 84

5

床版中央変位 (mm)50

1.E+001

1.E+0110

1.E+02102

1.E+03103

1.E+04104

1.E+05105

1.E+06106

1.E+001

1.E+02102

1.E+03103

1.E+04104

1.E+05105

1.E+06106

1.E+0110

1.E+02102

1.E+03103

1.E+04104

5

1.E+03103

1.E+041040

1.E+001

1.E+06106

1.E+05
105

1.E+0
106

補強後，147 kN

1.E+0110

1.E+02102

1.E+03103

1.E+04104

繰返し数 (回)15

補強後，196 kN

1.E+02102

5

1.E+05105(b) 補強後，147kN(b) 補強後，147kN

1.E+01100(a) 補強前，147kN

10

1.E+0015(a) 補強前，147kN

残留ピーク荷重時活荷重分

0

補強前，147 kN

残留
ピーク荷重時
活荷重分

繰返し数 (回)繰返し数 (回)1510

繰返し数 (回)

補強後，147 kN

1.E+01
10

写真－3 CF4 のシートの初期損傷例

床版中央変位 (mm)0

1.E+001

床版中央変位 (mm)

補強前，147 kN

残留
ピーク荷重時活荷重分

図－2 には，各供試体のシートの破断箇所及び抜け落
ち範囲を併せて示した．表－4 に，走行載荷時及び養生載荷時の主な事象を示す．既往の試験 1)では，シートの床版中央変位 (mm)103．シートの初期損傷と破断

床版中央変位 (mm)

床版中央変位 (mm)えるため，補強前の RC 床版供試体に静的載荷時における床版中央の変位が 8mm になるまで 147kN で走行載荷を行った．補強後は，それぞれの補強前と同じ荷重，繰
返し数で走行載荷を行った後，荷重を 196kN に上げて抜け落ちが生じるまで走行載荷を行うこととした．走行載
荷の途中で，所定の回数ごとに床版中央での静的載荷を行った．その際に変位，ひび割れ幅，鉄筋ひずみ等を測定するとともに（以下，SS データ）
，その直前 60 秒間の走行載荷時の各波形データを記録した（以下，DT デー
タ）．本文で示す補強後のデータは，補強時点で初期化した値で示す．ひび割れ幅は，図－1 に示すとおり，上下面のひび割れを対象として，パイ型変位計を用いて測定した．上下面ともに，コンクリートのひび割れは，鉄筋位置に概ね沿って出る傾向があることから，鉄筋を跨ぐようにパイ型変位計を配置した（基長 150mm）．写真－1～2 に示すとおり，シート補強後の床版下面のパイ型変位計は，シート上の補強前と同じ位置に設置した．こ
こでは，その測定値をシート接着後のひび割れ幅に相当する値とする．シートの浮きの確認は小型のハンマーによる叩き調査によった．

1.E+05
105

1.E+0
106

補強後，196 kN

残留
ピーク荷重時
活荷重分

シート破断後
シート破断前10

50

1.E+001

1.E+0110

1.E+02102

1.E+03103

1.E+04104

1.E+05105

1.E+06106図－4(c) 補強後，196kN
CF5 の床版中央変位の変化（SS データ）

繰返し数 (回)繰返し数 (回)(c) 補強後，196kN
図－3 CF4 の床版中央変位の変化（SS データ）

3 - 850
0.2
0.5

補強前終了時（残留分除く）

-600

-300

0

4. シート接着された RC 床版の全体挙動
図－3～4 に，供試体 CF4，CF5 それぞれの繰返し数
ごとの静的載荷における床版中央変位の変化を示す．図中，載荷時の測定結果を「ピーク荷重時」，除荷時の測定結果を「残留」，それらの差を「活荷重分」として，それぞれ示す．補強後の繰返し数は，荷重条件ごとの繰返し数で示した．補強前の変位は，いずれも走行載荷の開始直後から変位が徐々に増加する傾向が見られた．補強後，いずれの方向のシート接着であっても，活荷重分のたわみが若干改善された．また，補強後，147kN で走行載荷を行った場合，同じ荷重で行った補強前よりも繰返し数に伴う変位の増分が小さくなった．これは，補強前，147kN
補強後，147kN
補強後，196kN

補強後147kN
50回時

基長150 mm1-900

開けたことから，シートの繊維を破断させるような初期損傷は見られなかった．シートの破断は抜け落ち直前に
図－2(b)に示した 2 箇所で見られた．

ひび割れ幅 (mm)

ひび割れ幅 (mm)

破断が配力鉄筋方向シートで多く見られた．主鉄筋方向
シートの施工の翌日，配力鉄筋方向シートの接着後早々に養生載荷を開始したことがその一因として挙げられる．一方，供試体 CF4 は，主鉄筋方向シートの接着後早々に養生載荷を開始したため，主鉄筋方向シートであってもシートの破断が見られた．写真－3 に供試体
CF4 に見られたシートの初期損傷の例を示す．シートの初期損傷は，養生載荷の比較的早期に見られ，貼り付け前に生じていたコンクリートのひび割れに沿って見られた．シートの初期損傷の多くは，繊維の縒れであるが，部分的に繊維の破断も含まれる．シートの破断の多くは，
図－2(a)に示すように，養生載荷時や補強後の載荷早々に，いずれも輪荷重走行範囲直下またはそのやや外側のシートの初期損傷箇所で生じた．それらのシート破断は，
補強後 147kN 時の 500 回までに，走行範囲直下のほとんどのシートで見られた．
供試体 CF5 は，シート施工から養生載荷までに 1 日

300

600

900

補強前終了時（残留分除く） 補強後147kN
50回時
基長150 mm

1
-900

-600

-300

0

補強前，147kN
補強後，147kN
補強後，196kN

300

600

測定位置 (CLからの距離，mm)(a) 床版上面，走行方向(a) 床版上面，走行方向

900

0
0.2

ひび割れ幅 (mm)0.5
1

補強後147kN
50回時

1.5

補強前終了時（残留分除く）基長150 mm

2
-900

-600

-300

0

補強前，147kN
補強後，147kN
補強後，196kN

300

600

補強前終了時（残留分除く）

1.5

900

-600

-300

0

補強前，147kN
補強後，147kN
補強後，196kN

300

600

測定位置 (CLからの距離，mm)

測定位置 (CLからの距離，mm)(b) 床版下面，走行方向(b) 床版下面，走行方向

00.2
補強前終了時（残留分除く）基長150 mm

-600

補強後147kN
50回時
補強前，147kN
補強後，147kN
補強後，196kN

1.5-300 2.2mm 0

300

600

900

0
0.2

0.5

2
-900

補強後147kN
50回時

1

基長150 mmシートの初期損傷の位置

1

0.5

2
-900

ひび割れ幅 (mm)

ひび割れ幅 (mm)0.5

測定位置 (CLからの距離，mm)

00.2

ひび割れ幅 (mm)

0
0.2

0.5
補強後147kN
50回時

補強前終了時（残留分除く）1

補強前，147kN
補強後，147kN
補強後，196kN

1.5
基長150 mm

2
-900

900

-600

-300

0

300

600

900

測定位置 (CLからの距離，mm)

測定位置 (CLからの距離，mm)(c) 床版下面，走行直角方向
図－5 CF4 のパイ型変位計によるひび割れ幅（DT データの最大値）(c) 床版下面，走行直角方向
図－6 CF5 のパイ型変位計によるひび割れ幅（DT データの最大値）

4 - 86

補強前にコンクリートの曲げひび割れがほとんど発生
していたことによるところが大きいが，同荷重，同繰返し数で補強後の活荷重変位が補強前よりも小さいのは，
シートの補強効果によると考えられる．供試体 CF4 はシートの初期損傷やそれに伴う破断が見られたにもかかわらず，ある程度の補強効果が見られた．両供試体ともに，補強後，荷重を 147kN から 196 kN に増加させた
後は，変位の増分が急増して，抜け落ちに至った．
図－5～6 に，供試体 CF4，CF5 それぞれのひび割れ

500

0
250

500

750

1000

500

0
0

250

500

750

1000

走行位置中心からの距離 x (mm)(a) 補強前，147kN(a) 補強前，147kN
1500
下段主鉄筋ひずみ (×10-6)

繰返し数（回）
25.5万
10万
6万
1万
50
計算値

1000

500

0
250

500

750

1000

繰返し数（回）
4万
2万
0.6万
0.2万
50
計算値

1000

500

0

1250

0

250

500

750

1000

走行位置中心からの距離 x (mm)(b) 補強後，147kN(b) 補強後，147kN
1500

補強後，196 kN
CL
繰返し数（回）
7.5万
2万
1万
0.2万
50

1000

500

計算値

0
250

500

750

1000

1250

1250

補強後，147 kN
CL

走行位置中心からの距離 x (mm)

1500

0

繰返し数（回）
4万
2万
0.6万
0.2万
50
計算値

1000

1250

補強後，147 kN
CL0

補強前，147 kN
CL

走行位置中心からの距離 x (mm)1500
下段主鉄筋ひずみ (×10-6)

下段主鉄筋ひずみ (×10-6)

繰返し数（回）
22万
10万
2万
0.2万
50
計算値

1000

0

下段主鉄筋ひずみ (×10-6)

1500

補強前，147 kN
CL

下段主鉄筋ひずみ (×10-6)

下段主鉄筋ひずみ (×10-6)1500

幅を示す．ひび割れ幅は，走行中の輪荷重の位置によって大きく変化することから，それぞれ走行中の最大値を示した．また，補強前後の変化を比較するため，補強前
終了時の残留分を除いた値と，147kN，50 回時の値も示
す．同図(a)～(c) は，それぞれ床版上面の走行方向に開閉するひび割れの幅（以下，走行方向のひび割れ幅という，走行直角方向，主鉄筋方向等についても同様），床版下面の走行方向のひび割れ幅，同走行直角方向のひび割れ幅を示す．補強後，シート破断がない限り，シート

1250

補強後，196 kN
CL
繰返し数（回）
7万
2万
0.6万
0.2万
50
計算値

1000

500

0
0

250

500

750

1000

1250

走行位置中心からの距離 x (mm)

走行位置中心からの距離 x (mm)(c) 補強後，196kN(c) 補強後，196kN

図－7 CF4 の床版中央下段主鉄筋のひずみ分布（DT データ，輪荷重位置は中央，残留ひずみを除く）

図－8 CF5 の床版中央下段主鉄筋のひずみ分布（DT データ，輪荷重位置は中央，残留ひずみを除く）

5 - 87

接着の方向に応じて，供試体 CF4 は，主鉄筋方向のひび
割れ幅が抑制され，供試体 CF5 は，配力鉄筋方向のひび
割れ幅が抑制される傾向がそれぞれ見られた（図－5(c)，図－6(b)）．CF4 のひび割れ幅測定箇所におけるシートの初期損傷と破断は，補強前のひび割れ幅が著しく大きい箇所で見られた．シート破断が見られた箇所では，ひび割れ幅の増加がその位置で集中して，顕著に生じる傾向が見られた．
図－6(c)は供試体 CF5 の走行直角方向のひび割れ幅を示した．補強の直前と直後でひび割れ幅の明確な変化は見られなかったが，方向が 90°異なる配力鉄筋方向のシート接着であっても，
4.1 万回走行による走行直角方向のひび割れ幅の増加は小さく，主鉄筋方向の挙動がある
程度改善されていたと考えられる．なお，供試体 CF4 では（図－5(b)），シートの初期損傷の影響があっても，補強後走行初期の段階では，方向が 90°異なる主鉄筋方向のシート接着によって，走行方向のひび割れ幅がある程度抑制される傾向が見られた．
5. 補強前後における主鉄筋の挙動
図－7～8 に，床版中央下段主鉄筋のひずみの分布を示す．ひずみは鉄筋の側面のみで測定した箇所と，鉄筋の上下両面でひずみを測定した箇所があり，後者の場合はその平均値で示す．繰返し数ごとに記号を変えて示す．
いずれも各繰返し数における残留ひずみを減じた値を示す．また，版理論に基づく主鉄筋ひずみの計算値を示
す．計算ひずみは，供試体の設置条件と同様に 2 辺単純支持，2 辺弾性支持とし，引張側コンクリートを無視した RC 断面として，2 章に示した諸元を用いて直交異方性版理論により算定した．両供試体ともに，補強前の走
行初期（概ね CF4 は 2 万回まで，CF5 は 2000 回まで）には，既往の無補強 RC 床版の輪荷重走行試験 3)と同様に，計算値と同程度のひずみ分布が見られ，版の曲げモーメント分布に概ね沿った分布形状であったことが分かる．繰返し数の増加に伴い，床版中央から 500mm程度までの下段主鉄筋のひずみ分布が版の曲げモーメ
ント分布から，軸方向に変化がほとんどないタイドアー
チのタイ状の分布形状に移行する傾向が見られた 3), 4)．
図－7(b)に示す供試体 CF4 の補強後，147kN の載荷では，シート接着によって，計算値が低下するのと同様に，
走行位置中心から 625mm の範囲のひずみが一旦低下した．ただし，同 450～625mm の範囲のひずみは計算値よりも若干高い傾向が見られ，補強前に見られたタイ状の分布が十分には解消されていなかった．
図－8(b)に示した計算値のとおり，供試体 CF5 の補強
後，147kN における床版中央付近の主鉄筋ひずみの計算
値は，配力鉄筋方向のシート接着を考慮しても，補強前とほとんど変化しない．試験結果でも，補強の直前と直後で鉄筋ひずみの明確な変化は見られなかった．しかしながら，補強後において，補強前のような計算ひずみか
らのかい離の増加がほとんど見られなかった．このことは，図－6(c)で供試体 CF5 の走行直角方向のひび割れ幅の増加が抑制されていたことと傾向が一致する．
配力鉄筋量が少ない RC 床版では，輪荷重走行試験の早期に配力鉄筋方向の挙動が版としての挙動から膜のような挙動に移行して，その分主鉄筋の負担が増加する
傾向が見られた 3)．上記の図－6(c)や図－8(b)の結果は，配力鉄筋方向のシート接着によって，配力鉄筋方向の版としての挙動がある程度改善され，繰返し走行載荷の下での主鉄筋方向の負担が軽減されたことを示唆するものと考えられる．
6．まとめ
RC 床版供試体 2 体の下面に，それぞれ主鉄筋方向のみまたは配力鉄筋方向のみにシートを貼り付けて，輪荷
重走行試験を実施した．得られた結果は次のとおりである．
(1) 主鉄筋方向のみにシート接着した場合，シートの初期損傷があっても，補強後の走行初期の段階では，主鉄筋方向の鉄筋ひずみやひび割れ幅が抑制され，主鉄筋方向の挙動の改善が見られた．
(2) 配力鉄筋方向のみシート接着した場合であっても，配力鉄筋方向だけでなく，主鉄筋方向の鉄筋ひずみやひび割れ幅の増加が抑制されていた．この点から，配力鉄筋方向のシート接着が，90°異なる主鉄筋方向の挙動もある程度改善する効果があることが分かった．
本試験結果については，配力鉄筋方向の挙動への影響を含めて，さらに分析を行うとともに，一連の試験結果と合わせて，シート補強された RC 床版の疲労損傷機構の解明と性能照査型補強設計法の検討に役立てる予定である．
参考文献
1) 村越潤，田中良樹，吉田英二，新藤竹文，近藤富士夫：
格子状に炭素繊維シート接着補強された RC 床版の輪荷重走行下における破壊性状，土木学会第 70 回年次学術講演会講演概要集，Ⅰ，pp. 425-426，2015．
2) 建設省土木研究所，炭素繊維補修・補強工法技術研究会：コンクリート部材の補修・補強に関する共同研究
報告書（II），共同研究報告書第 230 号，1999.10.
3) 田中良樹，村越潤，長屋優子：鉄筋コンクリート床版の疲労耐久性に及ぼす配力鉄筋の影響，第 7 回道路橋
床版シンポジウム論文報告集，pp.161-168，2012.6.
4) 長屋優子，村越潤，田中良樹：繰返し移動荷重を受ける鉄筋コンクリート床版のひび割れ挙動に関する検討，コンクリート工学年次論文集，pp. 907-912，2008．

6 - 88（2016 年 7 月 18 日受付）