技術紹介

X 線応力測定法による橋梁の鋼製フィンガージョイントに発生する応力の評価
郡亜美 *1Kohri Ami

河野豊 *2

Kawano Yutaka

西土隆幸 *3

Nishido Takayuki

インフラ構造物の保守は重要であり、点検の際の検査計測は、修繕の手間とコストの面から、非破壊で行うことが望まれる。本稿では、橋梁のフィンガージョイントに着目し、この部位に発生している応力の評価を、非破壊で応力測定ができる X 線応力測定法を用いて試みた。その結果、この部位の応力評価にX 線応力測定法が有効であることを確認した。
キーワード：X 線回折、応力測定、FEM 解析、鋼製橋梁、フィンガージョイント

影響による伸縮を吸収するためや、地震時および1. はじめに車両の通行にともなう橋梁の変形を吸収し、自動近年、インフラ構造物の老朽化は深刻であるが、車や人が安全に通行できるようにするものであメンテナンスが追いついていない状況である。構る。伸縮装置の形状の一つとして、フィンガージョ

造物の保守は重要であり、点検の際の検査計測は、イントがある。健全な状態のフィンガージョイン

修繕の手間とコストの面から、非破壊で行うこと

トを図 2 に示す 。通常このフィンガージョインが望まれる。

ト間には、温度上昇による橋の伸びを吸収するた（1）

橋梁の各部位の名称を図 1 に示す。伸縮装置は、橋梁の路面端部に設置されるもので、気温変化の

図1

橋梁の各部位の名称*1：研究開発センター*2：研究開発センター*3：研究開発センター

図2（1）

遊間のある健全なフィンガージョイント研究開発グループ
研究開発グループ 次長 コンクリート診断士
センター長 工学博士 技術士（建設部門） P. E.（Civil Eng.）
名古屋大学大学院非常勤講師 芝浦工業大学大学院非常勤講師—21—

IIC REVIEW/2016/10. No.56

めに、遊間が設けられている。しかし、地震などX 線で回折する状態を示しているが、回折 X 線の影響により橋台が変形し、この遊間がつまっての角度 h はブラッグの回折条件で決まる 。このしまう事象が起きている。図 3 にその一例を示時、d の変化は図の y 角に依存するので、種々の（7）（2）す 。この時、熱膨張により橋が伸びても遊間がy 角度に対応して d が変化する。y 角度と d の変ないため、伸びを吸収することができず、この部化の関係を求めて応力を評価する方法が sin2y 法

位に過大な応力がかかってしまうことが考えられである。この手法は、従来より多くの測定機関でる。また、この発生応力によりフィンガージョイ採用されており、公益社団法人日本材料学会「Xントと接触している部分の床版の損傷やフィン線応力測定法標準（2002 年版）」、JIS B2711 等にガージョイント付近の床版表面にひび割れが発生解説され、標準方法となっている（8）（9）（3）している事象も報告されている 。

。

X 線応力測定法は材料を問わず常時測定可能なフィンガージョイントが損傷に至ると、自動車ものではなく、有効な測定値を得るためには種々事故につながる恐れがあり、この部位の保全は重の制約を受け、実際に測定した結果で判断する場要である。しかし、これまでフィンガージョイント合が多い。sin2y 法で有効な測定結果が得られる（4）（5）の余寿命評価などに関する研究事例は少ない。

ためには、試験体が以下の条件を満たすことが要

本稿では、フィンガージョイントの余寿命評価求される。

を行う際の一つの指標になりうる、この部位に発① 結晶体である（結晶粒が小さく、X 線照射面生している応力の評価を、模擬試験体を作製し X積内で多数の結晶が計れて、この平均値が結線応力測定装置を用いて行った。

果として得られる。粗大結晶や強い集合組織がない）。
② 材料に強い優先方位を持っていない（材料が均一である）。X 線は極浅いところ（表面から数十 mm 程度）を測定するので、急激な応力変化がなく、平面応力状態である。
③ 表面は塗膜、腐食生成物がない（金属表面である）。
④ 試験体測定部の X 線照射領域が平坦である。

図3⑤ 材料の物性値（弾性定数、ポアソン比）が既（2）遊間のないフィンガージョイント知である。
⑥ 使用する X 線波長 l で高角度に回折する結（6）

2. X 線応力測定法晶面が存在する（およそ回折角度 2q ≦ 130°）。

X 線応力測定は、図 4 に示すブラッグ（Bragg）⑦ 材料の無応力時の回折角度が既知であり、他の回折条件を利用している。図 5 に試験片に引の回折面による回折 X 線と接近していない張応力 s が作用した場合の格子面間隔の変化をこと（明確に区別できること）。

（7）示す 。格子面間隔 d は格子面法線が引張応力方

これらの条件が満たされれば、目的とする信頼向に近くなれば大きくなり、直交方向に近くなる性の高い応力測定結果が得られる。X 線応力測定に従って小さくなる。図 6 に 1 個の結晶粒が入射は、直接結晶格子間の距離変化を測定するので、

—

22—

図4

図5l = 2d·sinql：特性 X 線の波長d：格子面間隔q：Bragg の回折角度

exx = (d-d0) /d0

sxx = E·exx（6）

ブラッグの条件による X 線応力測定法の原理

引張応力 s が作用したときの結晶格子面間（7）隔の変化
図6—23—（7）

1 つの結晶粒内での X 線回折状況

IIC REVIEW/2016/10. No.56

材料の製造過程、機械加工、表面仕上げ状況、保⑤ 摩擦係数（m）は、0 とした。

存状況、使用環境下の外力負荷状況など全てが加この解析結果を図 8 に示す。応力（sy ）の分布

算された、測定時点・測定箇所に限定したものと状態から、フィンガージョイント先端部で高い応なる。

力が発生することがわかった。この解析結果を受け、X 線で応力測定する部位を図 8 中の①～⑤の3. 試験内容位置と決定した。

今回は、発生応力状態がより複雑になると考えられる斜橋のフィンガージョイントを対象に、FEM 解析と模擬試験体による載荷試験を実施し、その際に発生している応力を測定した。
3.1 FEM 解析による測定位置の決定
フィンガージョイントの応力状態を評価するた
めに、事前に模擬試験体の線形 FEM 解析を実施した。フィンガージョイントの解析モデルを図 7に示す。解析条件は以下のとおりである。
① 有 限 要 素 に は、4 節 点 平 面 応 力 要 素（t =30mm）を使用した。メッシュサイズは、3 ～図8

フィンガージョイント解析結果6mm 程度である。
3.2 模擬試験体② 全要素数は 1,718、全節点数は 1,872 である。
③ モデルの下端となる辺を完全拘束し、上端の図 9 に 模 擬 試 験 体 の 概 略 図 を 示 す。 材 質 は辺には 500（kN）の圧縮荷重を載荷した。

SM490A であり、2 対のフィンガージョイントを④ 上下のフィンガージョイント間は、面接触と穴あき平板（210 × 210 × 50mm）に溶接し、それぞれの試験体を組み合わせて、圧縮応力をかけら定義した。

れるようにした。
3.3 応力測定
応力測定装置には、当社が代理店販売を行ってい る Stresstech 社 製 の Xstress3000-SP を 用 い た。
装置外観写真を図 10 に、測定条件を表 1 に示す。
X 線応力測定値の妥当性を検証するためにひずみゲージによる応力測定も行った。X 線応力測定位
置は図 11 に示すように、ひずみゲージの近傍とした。測定箇所は、加工による残留応力の影響を除去するために約 200mm の深さまで電解研磨を
図7

フィンガージョイント解析モデル施した。
—

24—

図9

フィンガージョイント模擬試験体の概略図

表1

図 10X 線応力測定条件

Stresstech 社製：Xstress3000-SP—

25—

IIC REVIEW/2016/10. No.56

4. 測定結果および考察
測定結果を図 13 に示す。測定値と FEM 解析
結果において、先端部（④）の応力値は同等であったが、その他の場所においては、解析結果に比べて小さくなった。これは、解析条件の試験体接触状態を実験では再現できておらず、面同士が完全に接触している状態ではなかったことが原因と考える。しかしながら、測定値と解析結果の応力分布傾向は同じであった。また、ひずみゲージと X線応力値は同等であり、X 線応力測定法の妥当性は確認できた。

図 11

応力測定箇所

3.4 載荷方法

図 13

試験体の中心穴に載荷鋼棒を通し、センターホールジャッキ、油圧ポンプで載荷した。載荷荷重はセンターホール型のロードセルで測定した。
載荷方法と測定状況を図 12 に示す。

図 12

載荷方法と測定の風景—

26—

応力測定結果5. まとめ

参考文献

温度変化によってフィンガージョイントに発生（1） http://www.chudai.co.jp/road/road05.html

する応力の評価をするために、実機を模擬した試（2） http://www.thr.mlit.go.jp/road/pato_bridge/pdf/

験体を作製し、非破壊で応力が測定できる X 線

101222_pato_bridge.pdf

応力測定法を用いてフィンガージョイントの応力（3） http://www.mlit.go.jp/road/sisaku/yobohozen/

測定を行った。解析結果との比較では、接触状態

yobo3_1_5.pdf（4） http://library.jsce.or.jp/jsce/open/00035/2008/63-の違いから応力値に差がでたが、応力の分布傾向は同じであった。また、ひずみゲージと同等の測01/63-01-0073.pdf（5） http://jcma.heteml.jp/bunken-search/wp-content/定値が得られ、X 線応力測定法の妥当性が確認できた。これにより、橋梁のフィンガージョイント

uploads/ronbun/2010/046.pdfの残留応力を含めた発生応力の測定には、X 線応（6） 中代雅士、高久泰弘、郡亜美：X 線応力計測

力測定が有効であることがわかった。今回の Xによる現地計測の実際と活用法、検査技術、線応力測定では、Xstress3000 を使用したが、当第 20 巻 第 6 号、2015/6、pp.52-57

社ではフランジと垂直補剛材などの隅角部の応力（7） 田中啓介、鈴木賢治、秋庭義明：残留応力のが測定できる装置μ -X360n も所有している。こX 線評価－基礎と応用－、養賢堂、第 1 版、れまで、タンクや配管などの現地応力測定を行っ2006、pp.99-105（8） 公益社団法人日本材料学会：JSMS-SD-5-02 Xてきたが、今後は、橋梁などのインフラ構造物の線応力測定法標準－鉄鋼編－、2002

応力測定にも X 線応力測定法を活用していきた（9） JIS B 2711：付属書 3（規程）残留応力の測いと考えている。

定法、一般財団法人日本規格協会、2013

研究開発センター
研究開発グループ

郡研究開発センター
研究開発グループ 次長
コンクリート診断士

亜美

河野TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547

豊TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547

研究開発センター センター長
工学博士 技術士（建設部門）
P. E.（Civil Eng.）
名古屋大学大学院非常勤講師
芝浦工業大学大学院非常勤講師

西土 隆幸

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547—27—

IIC REVIEW/2016/10. No.56