技報第 28 号

2016

阪神高速道路における既設鋼桁疲労照査法の提案～ 実態活荷重データを用いた疲労照査法 ～阪神高速道路(株)技術部技術推進室
阪神高速道路(株)技術部技術推進室

藤林
西岡美早
勉

………………………………………………………………………………
要

旨

道路構造物の高齢化や老朽化が進む中，他団体では鋼鈑桁橋の主桁に大きく進展した疲労き裂が報告されており，阪神高速道路でも供用年数の増加に伴い，将来重大な疲労き裂の発生が懸念される．現在事業化されている
特定更新等工事では鋼桁の疲労損傷に対する予防保全対策を行う予定であり，対策箇所選定のため疲労照査を行っている．本稿では，「鋼道路橋の疲労設計指針」での疲労照査の考え方に基づき，阪神高速道路での交通特性を反映させることで，より実態に見合った疲労照査法を提案する．
キーワード: 疲労照査，鋼桁，頻度補正係数，同時載荷係数，実態活荷重はじめに積疲労損傷度を算出する．疲労指針ではこれらの算出時に用いる補正係数を，交通量の多い国道に道路構造物の高齢化や老朽化が進む中，他団体おける活荷重特性に基づき設定している．阪神高

では写真-1 のような鋼鈑桁橋の主桁に大きく進速道路では過年度に活荷重実態調査を実施してお展した疲労き裂が報告されている．鋼道路橋の疲

り，実橋での実態活荷重データが取得できている．

労設計は，「道路橋示方書・同解説 1)」の平成 14

よって，この実橋での調査結果を疲労照査法に反年 3 月改訂時に導入されており，「鋼道路橋の疲映することができれば，より阪神高速道路の実態

労設計指針 2)」（以下，「疲労指針」）が新設橋梁に即した疲労照査法となり合理的である．以上よを対象として発刊された．阪神高速道路におけるり，本稿では疲労指針での照査の考え方に基づき，鋼桁のほとんどは疲労設計が導入される以前に建各種係数に阪神高速道路での交通特性を反映させ，設されており，将来重大な疲労き裂の発生が懸念

疲労照査法として提案することを目的とした．

される．このため，平成 27 年度より事業着手した特定更新等工事では，このような鋼桁に対し予防保全対策を実施予定であり，対策箇所選定のため疲労照査にて疲労き裂の発生に対するリスクを評価し，優先度を付ける必要がある．
疲労照査時には疲労設計荷重を移動載荷させた場合に生じる応力範囲や，載荷回数を考慮した累写真-1 他団体での主桁に発生した疲労き裂事例- 40 -

１ ．検討方針

40.8％であった．トレーラー類と大型車類タンデ
ム軸を合わせると車重損傷度は 94.5％となり，1-1 疲労照査の流れほとんどを占める．

疲労指針での照査の流れを図-1 に示す．

疲労指針では交通量の多い国道における実交通

疲労指針では，最初に「応力照査が不要な条件」 荷重により各種係数が設定されている．この各種すべてに該当するかどうかを確認する．すべてに係数設定の元とされている車重損傷度構成比と阪該当する場合，疲労に対する安全性は確保されて神高速道路での車重損傷度構成比を比較したものいるとみなすことができ，疲労照査は終了となる． を図-3 に示す．図-3 より，疲労指針での係数設一方，すべてに該当しない場合，応力照査を行う

定の根拠とされている交通特性に比較すると阪神必要がある．応力照査は設計供用年数や大型車交高速道路は，車重 50tf 以上の重量車の割合が小通量などの照査条件を設定したうえで，疲労設計さい傾向にある．なお，図-2 の縦軸は 1tf 刻み

荷重として定めた T 荷重１組が移動載荷した場合であるが，図-3 では 2tf 刻みであるため，図-3の応力範囲を算出し，照査対象とする継手の強度での車重損傷度構成比は図-2 での 2tf ごとの重等級により決まる打ち切り限界と比較する（照査

車重傷度構成比を合わせた数値で表示している．

①）．算出した応力範囲が打ち切り限界より小さ
い場合は疲労に対するリスクは小さく，疲労照査は終了となるが，大きい場合は累積損傷度及び疲労寿命を算出する（照査②）．累積損傷度は照査①にて算出した応力範囲を用いて，設計で考慮する期間の大型車交通量を加味して求める．
ここで，応力範囲の算出時には様々な車両の走行による影響を T 荷重で代表させたことに対する補正として T 荷重補正係数，同時載荷係数，衝撃係数，構造解析係数が用いられる．また，累積疲
労損傷度の算出時には載荷回数算出時の補正係数として頻度補正係数が用いられる．
本稿では図-1 中の照査②にて使用する係数の提案を対象としており，照査①にて使用する係数は安全側の照査とするため疲労指針と同じとした．
図-1 疲労指針での疲労照査の流れ
1-2 阪神高速道路の交通特性
本稿では平成 22 年に表-1 に示す 6 箇所の集約

表-1 実態活荷重の調査箇所

料金所で計測された実態活荷重の計測データを用

路線名いた．計測は各 24 時間連続で行われ，車種，軸5号湾岸線

数，軸重，車重等のデータが得られている．実態4号湾岸線
14号松原線活荷重調査の結果による車重損傷度構成比を図-2に示す．トレーラー類の台数構成比は全体の3.3％であるが，車重損傷度は最も大きく 53.7％であった．次に，大型車類タンデム軸の台数構成比は全体の 9.8％であるが，重量損傷度構成比は- 41 -

3号神戸線

上下区分下上
上
上
下
上

料金所名
南芦屋浜
中島高石
大和川
芦屋
尼崎

80
75
70656055

車重 (t)となり，累積疲労損傷度の違いは 3 乗で生じるた

重量損傷度の車種別構成比
乗用車類
0.1%
中型車類
3.2%
大型車類 軽積載車
0.4%
2軸
重積載車
1.4%
2.3%
過積載車
0.5%
大型車類 軽積載車
3.9%
ﾀﾞﾝﾃﾞﾑ軸 重積載車
23.3% 40.8% 96.7%
過積載車
13.5%
ﾄﾚｰﾗｰ類 軽積載車
7.8%
重積載車
29.9% 53.7%
過積載車
16.0%

8550
45

め 0.743≒0.4 倍となる．このように車両毎に異なる軸位置の影響を考慮できればより合理的な疲労照査が可能となる．

403530

また，疲労指針での頻度補正係数は，車両重量252015の頻度分布形状と着目部位に生じる変動応力範囲

105000.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0.035

0.040

0.045

0.050

0.055の頻度分布形状が相似であると仮定して算出され重量損傷度構成比

図-2 阪神高速道路での車重損傷度構成比ている．しかし，前述のように軸位置の影響によ100り生じる応答差の影響を考慮したほうがより実橋

疲労指針の設定での状況に近いため，重量や軸位置の異なる各種本検討の活荷重モデル

車両による応答値分布を適切に評価した方が合理80的である．本稿では，このような応答値分布の補正は，T 荷重そのものに関わる T 荷重補正係数と車重 (tf)60してではなく，応答の頻度に関わる係数として評価する方が分かりやすいと考え，「応答に対する40頻度補正係数」として算出した．すなわち，疲労指針では T 荷重補正係数として考慮されている支20間長や実車両の軸間距離等による影響を本稿では「応答に対する頻度補正係数」に取り入れた．こ00.000.02

0.040.060.08

れにより， T 荷重補正係数はこれらの影響を考

重量損傷度構成比

慮しない一定値の 3.0 と設定し，照査②にて累積

図-3 車重損傷度構成比の比較

疲労損傷度を算出する際には「T 荷重×3.0」を用いて変動応力の算出を行う．

1-3 検討方針

また，実態活荷重データを用いた活荷重シミュ

疲労指針での T 荷重補正係数は，設計で考慮する期間に載荷される可能性のある最重量級の自動レーションを行い，同時載荷係数も算出した．

車荷重の影響を考慮するとともに，実車両の様々なお，衝撃係数や構造解析係数の評価には実橋な軸間距離や軸数による応力変動を T 荷重にて表計測のデータが必要であるが，今回はデータ数が現することを補正する係数として設定されている． 少ないことから，本検討では対象としていない．
また，設定時には疲労に及ぼす影響が支配的であるとして，大型ダンプを基にしている．
ここで，大型ダンプは軸間距離が約 4ｍと短く，1 本の集中荷重で与える場合と軸位置を考慮した場合の応答差は小さい．しかし，阪神高速道路では前述のようにトレーラー類や大型車タンデム軸による疲労への影響が大きいことが分かっている(a)1 組の集中荷重ので，軸位置の影響を考慮するため，図-4 に示

図-4 軸位置による曲げモーメントの違い(b)トレーラー

すように支間長 30ｍの単純桁に対して 60ton の集中荷重が作用した場合と総重量 60ton のトレー２ ．係数の提案

ラーが 3 軸で載荷された場合の曲げモーメントを比較した．その結果，前者に対して後者は 74％

2-1 応答に対する頻度補正係数- 42 -

0.05

疲労指針での頻度補正係数は，疲労設計荷重の載荷頻度として大型車交通量をそのまま用いるこ14号松原線 ・ ①大和川
３号神戸線 ・ ②芦屋
３号神戸線 ・ ③尼崎
５号湾岸線 ・ ④南芦屋
５号湾岸線 ・ ⑤中島
４号湾岸線 ・ ⑥高石
活荷重ﾓﾃﾞﾙ ・ ∑(②…⑤)

0.04

設定されている．疲労指針では，前述のとおり車両重量の頻度分布形状と着目部位に生じる変動応力範囲の頻度分布形状が相似であると仮定し，代頻度補正係数とは適切でないため，その影響を考慮するために表荷重 60tf に基づき設定されている．

0.030.02

0.01(a)支間長

本稿ではここに軸位置の影響を考慮するため，
実橋で取得した実態活荷重データより全車両の軸L=24.4ｍ

0012重と軸間距離の影響を考慮したうえで影響線載荷3 4 5 6 7α= ⊿σmax/ ⊿σve

89 100.05

し，応答に対する頻度補正係数を算出した．この際，最大応答が打ち切り限界以上となる車両のみ

14号松原線 ・ ①大和川
３号神戸線 ・ ②芦屋
３号神戸線 ・ ③尼崎
５号湾岸線 ・ ④南芦屋
５号湾岸線 ・ ⑤中島４号湾岸線 ・ ⑥高石
活荷重ﾓﾃﾞﾙ ・ ∑(②…⑤)

0.04

頻度補正係数

3 乗平均を求め，これと疲労照査荷重 1 組による応答の 3 乗との比により算出した．なお，算出時の支間長は，疲労耐久性の低い橋梁として抽出していた実橋の 24.4ｍ及び支間長の違いによる影響を確認するため 50ｍとした．図-5 に算出結果

0.030.02

0.01(b)支間長を示す．図-5 での横軸は，打ち切り限界⊿σveに対する最大応力振幅⊿σmax の比を表す係数αL=50ｍ00である．

123 4 5 6 7α= ⊿σmax/ ⊿σve89 10

図-5 応答頻度補正係数の算出結果

図-5 より，応答に対する頻度補正係数は集約料金所毎に異なる．例えば，①大和川と②南芦屋

2-2 同時載荷係数を比較すると①大和川の方が 1/2 程度小さい．こ疲労指針での同時載荷係数は複数の車両が同時れは，②南芦屋浜のトレーラー類の混入率がに載荷されることによる影響を考慮する係数であ20％台と突出して多いためである．このように計り，本稿でも疲労指針の考え方に基づき，実橋 4測箇所による違いは確認できるものの，十分なデ橋梁を対象に活荷重シミュレーションを行い同時ータ数ではないため，本稿では計測箇所の区別を載荷の有無による比率を算出した．4 橋梁の諸元せず，すべての結果を満足する値として応答に対を表-2 に示す．4 橋梁は交通量，設備数量，支間する頻度補正係数を設定した．図-5 より，支間長，竣工年度などの条件から，疲労に対するリス長の短い 24.4ｍは疲労損傷が発生する可能性がクが高いと考えられる橋梁として抽出した鋼単純高くなるが，横軸のαが大きくなっても 0.02 を合成 I 桁橋，鋼連続非合成 I 桁橋である．

超えることはなかった．また，αが大きくなるほ同時載荷係数の算出結果を図-6 に示す．図-6

ど最大応力値が大きくなり，疲労に対するリスク

より鋼単純合成 I 桁は 1.04～1.08，連続非合成 Iが大きくなるが，支間長 50ｍの場合は α が十分

桁は 0.98～1.03 であり，阪神高速道路は疲労指大きい 5.0 程度まで考慮しても 0.02 以下であっ

針での交通量の多い国道に比して同時載荷の影響た．以上より，疲労指針での 0.03 に対して本稿を受ける特性があることが分かった．以上より，

では全線を網羅する値として 0.02 を提案する．

本稿では疲労指針での 1.0 に対して安全側の設定

これは，トレーラー類と大型車類タンデム軸が多となるが，影響線が正負交番しない場合は 1.1，いという阪神高速道路の交通特性を軸位置の影響正負交番する場合は 1.05 を提案する．

を含めて考慮した結果である．
- 43 -

表-2 橋梁諸元
管理番号

橋梁形式

支間長（ｍ）

竣工年度

神S614

鋼単純合成I桁

24.4

1968

神S658

鋼単純合成I桁37.4

1968

神S500-502

鋼連続非合成I桁

24.7+25.0+24.71966

神S489-491

鋼連続非合成I桁

32.7+33.0+32.7

1965

図-7

試験車走行時の主桁内面応力分布（G1 桁）（試験車 25ton，鋼 3 径間連続 I 桁（3＠25ｍ））

表-3 各手法による疲労寿命の算出結果

図-6 同時載荷係数の算出結果
2-3 その他の改善点
実橋にて総重量 25ton の試験車を走行させた際の主桁に発生する応力を計測した結果を図-7 に示す．走行車両による桁挙動は鋼桁とコンクリートとの付着やスラブアンカー等の合成効果により合成桁としての挙動を示すため，変動応力の算出は係数の見直しによるものと考えられ，それ以外時には非合成桁を合成桁として取り扱う．

は非合成桁を合成桁とした影響と考えられる．
また，表-3より，①疲労指針及び②提案法によ３ ．提案照査法による疲労照査

る疲労寿命は③実橋計測に対して短い傾向にある．
ここで，③実橋計測では神S614のG2桁及び神S658

本稿での提案法の妥当性を確認するため，①疲のG1桁にて腹板の板曲げや応力集中が生じており，労指針，②提案法，及び③実橋計測（応力頻度計

疲労寿命は17年及び24年という短い結果であった．

測）による疲労照査結果を比較した．ここで，大これに対し②提案法では22年及び25年であり，若型車交通量は過年度に神戸線での現地計測時に整干長くなるものの実橋計測と同等の疲労寿命であ理された14,000台/日/方向とした．表-2の4橋梁

る．この結果より，提案法は実橋にて板曲げや応に対する算出結果を表-3に示す．

力集中が生じている場合も含めて適用できる可能表-3より，①疲労指針に対する②提案法の疲労性がある．

寿命の比は，鋼単純合成I桁ではE等級で1.04～４ ．まとめ1.14，G等級で1.12～1.16とほぼ同等であり，鋼連続非合成I桁橋ではE等級で1.28～3.80，G等級で1.29～2.29であった．②提案法は①疲労指針に

本検討での提案内容を表-4に示す．疲労指針と対してやや寿命が長くなる傾向であった．疲労寿

本検討での提案法による疲労寿命の推定を行った命の増加率の内訳は，応答頻度補正係数により約結果，単純合成I桁ではほぼ同程度，連続非合成I5割の増加，同時載荷係数に対するにより約2割の桁ではやや長くなる結果であった．実橋計測によ減少が生じており，これらを併せた約3割の増加

る結果と比較するといずれも短く，安全側である- 44 -

表-4 本検討での提案
鋼道路橋の疲労設計指針
疲労設計荷重本検討での提案

T荷重：200 kN

同左
三次元FEM解析あ るい は骨組解析または格子解析による．非合成桁は合成桁として算出する．

変動応力の算出方法 特に指定なし
Ｔ荷重
γT1 = Log LB1 +1.50
補正係数 （2.00≦γT1≦3.00）
γT1
ここに、LB1：Ｔ荷重補正係数算出時の基線長(m)
活荷重
補正係数
γT

同時載荷係数γT2

頻度補正係数

照査①では，疲労指針と同じ．
照査②では，T荷重補正係数を一定の3.0と設定．
（※支間長や軸位置の影響は応答に対する頻度補正係数で考慮）

・影響線が正負交番する場合は1.0・影響線が正負交番する場合は1.05

・正負交番しない影響線形状を有する場合は下表・正負交番しない影響線形状を有する場合は下表

LB2≦50m50m＜LB2
LB2≦50m50m＜LB2
1.0
1.0
1.0
1.0
ADTTSLi≦2000
ADTTSLi≦2000
1.0
1.1
1.1
1.1
2000＜ADTTSLi
2000＜ADTTSLi
LB2：同時載荷係数算出時の基線長(m)ADTTSLi ：一方向一車線当たりの日大型車交通量（ 台/(日･車 ※本検討では2000＜ADTTSLi、LB2 ≦ 50mの係数のみ検討
線) ）実態活荷重調査データより支間長や軸位置の影響を考慮し，応答に対する頻度補正係数として，全路線に対し0.02を設定．

代表的な一般国道の実交通より0.03を標準．

が，疲労指針に比べると提案法の方が実橋に近い謝辞結果が得られており，提案法は疲労指針に比して本照査法の提案に際し，阪神高速道路株式会社技術

阪神高速道路の交通特性を反映していると考えら

審議会構造技術委員会鋼橋疲労分科会（主査：舘石れる．今後，阪神高速道路の既設鋼桁を対象に疲和男名古屋大学教授）の委員各位に貴重なご意見を労照査を行う際は，提案法を使用した方が合理的頂きました．関係各位に深く感謝致します．

である．最後に，提案法は実橋計測による疲労照査結果と比較し，安全側の評価であり，より実態参考文献に即した疲労照査法とするためには，路線ごとの1)（社）日本道路協会，道路橋示方書・同解説Ⅱ鋼橋編，
平成 14 年 3 月
2)（社）日本道路協会，鋼道路橋の疲労設計指針，平成14年3月

交通特性を考慮することなどが考えられる．また，新たに実態活荷重データが得られた際にはその結果を反映させることも有効である．

PROPOSING THE METHOD OF FATIGUE CHECK FOR EXISTING STEEL
GIRDERS OF THE HANSHIN EXPRESSWAY
Misa FUJIBAYASHI, Tsutomu NISHIOKA
There have been reports by other road organizations about severe fatigue cracks found in steel maingirders as a result of advanced deterioration of road structures. It is highly possible that cracks of thesame type will occur on the Hanshin Expressway. This study proposed a method of fatigue checkdeveloped for existing steel girders of the Hanshin Expressway, based on the Guidelines for Fatigue
Design of Steel Highway Bridges. In order to make the method more realistic, actual characteristics ofthe traffic on the Hanshin Expressway were taken into account by using two coefficients for correction ofload frequency distribution and consideration of simultaneous loading.

藤林 美早

西岡 勉

阪神高速道路株式会社
技術部 技術推進室
Misa Fujibayashi

阪神高速道路株式会社
技術部 技術推進室
Tsutomu Nishioka- 45 -