技術紹介

温度変動下の橋梁支承に発生する応力による健全性評価
西土隆幸 *1

Nishido Takayuki

福本伸太郎 *2

今川峻 *3

Fukumoto Shintaro

Imagawa Shun

橋梁の可動支承の機能低下は、錆の発生や土砂の堆積により起こる。その結果、桁の変形に従った移動や回転ができなくなる。これらの拘束により、支承付近のコンクリート床版にひび割れが生じるような引張応力が発生することを解析により確認した。一般に、支承機能の健全性は、変位計による支承の移動量や回転量を測定することにより評価できる。しかし、この方法では、長期間継続した計測は困難となる。
支承の移動が拘束された場合に、支承の斜材に大きな応力（ひずみ）が発生することを解析により明らかにした。FBG（Fiber Bragg Grating）センサを使用すれば、支承の斜材に発生するひずみを長期間測定できる。さらに、FBG センサによる計測を無線で行えるシステムを開発した。また、安価なシステムとするためにひずみと温度の測定に特化した。本無線システムを使えば、支承の挙動をリアルタイムに測定でき、対象橋梁が事務所から離れている場合、移動時間やコストを軽減できる。
キーワード：コンクリート床版、橋梁支承、FBG センサ、健全性評価

によりコンクリート床版に引張応力が発生するこ1. はじめにとがわかった。それらの引張応力が引張強度を超

現在では、橋梁にはゴム支承が使われるのが一えると、コンクリート表面にひび割れが発生する般的であるが、それまでは代表的なものとしてピ可能性がある。

ン支承などの金属製のものが使われてきた。これ複数の変位計をピン支承にセットし、それらのらの支承の機能は、死荷重や活荷重を橋台や橋脚移動量や回転量を測定することにより、支承の健などの下部工に伝えることや、温度変化による橋全性を評価できる。しかし、磁石付きの治具で変梁の伸縮や、活荷重によるたわみなどに対応する位計を固定する方法では、変位計を長期間動かなことである。

いようにセットすることは難しく、盗難の可能性

ピン支承は、錆の発生や土砂などの堆積物によもある。そこで支承の機能低下が起これば、温度り機能低下が起こることが考えられる。著者らは、変動等により支承自体のひずみも変化することに単純合成桁を対象にして、解析により支承機能の着目し、支承部材の発生ひずみを測定する方法を低下がコンクリート床版に与える影響を検討し考えた。

た。移動可能な支承が拘束されると、温度変動等*1：研究開発センター センター長 工学博士
*2：研究開発センター 研究開発グループ*3：検査事業部 技術部

さらに、発生ひずみを、FBG センサにより無技術士（建設部門） P. E.（Civil Eng.） 芝浦工業大学大学院非常勤講師—37—

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線で計測するシステムを開発した。このシステム

よる曲げモーメントがコンクリート床版に作用を使えば、事務所内でリアルタイムに支承の挙動し、床版上側に引張応力が発生する。また、活荷を計測できる。対象橋梁が遠隔地の場合には、移重（自動車荷重）が載荷された時、支承が回転で動時間や費用の削減が可能となる。

きなければ固定モーメントにより床版上面に引張応力が発生する。

2. 支承の機能低下

このような応力は設計段階では考慮されておら

図 1 に示すように、ピン支承を持つ単純形式のず、床版に発生する引張応力が引張強度より大き橋梁では、両端に曲げモーメントは発生しない。

くなると、ひび割れが発生する可能性がある。

また、温度変化により、桁が伸縮できるように、

3. 対象橋梁片側（右側）の支承では、移動が可能となっている。
ピン支承の機能低下により、右側支承の移動が著者らは、支承機能が低下した場合のコンク拘束されれば、図 2 のように水平反力と桁高にリート床版に与える影響を解析により検討した。
対象とした橋梁は、図 3、図 4 に示す鋼単純合成（1）桁橋である 。本橋梁は、橋長 33.7m、4 本の主桁で構成され、中央から 5.5m 間隔に横桁が配置されている。設計時の支承条件として、右側の回転と移動は自由、左側の回転は自由、移動は拘束図1とした。

ピン支承の構造

図2支承機能の低下による曲げモーメント

図3解析モデル（側面）

図4解析モデル（横断面）—38—

図 4 に示すように、コンクリート床版の厚さ

表1解析に使用した材料定数と幅は、220mm、9650mm で、高さ 80mm のハンチを持つ。コンクリートの圧縮強度は 30N/mm2、引張応力強度はその 1/10 として 3N/mm2 と仮定した。床版内の鉄筋は、径 19mm の主筋を 150mm間隔、径 16mm の配力筋を 140mm 間隔にそれぞ4.2 解析ケースれ配置した。
高さ 1700mm の 4 本の主桁は、2550mm 間隔とコンクリート床版の発生応力によるひび割れ可した。上フランジの幅は 300mm、厚さは 10mm か能性を確認するため、支承の拘束条件を変えて温ら 21mm まで変化させた。また、下フランジの幅度変動量と T 荷重（自動車荷重）を与えた。

は 480mm、厚さは 9mm から 36mm まで変化させた。

（1）温度荷重

フランジ幅は実際には橋軸方向に従って変化させ

表 2 に右側支承の拘束条件を示す。支承の数は、るが、本解析では同じ剛性となるようにフランジ

図 5 のように片側 4、計 8 個である。温度荷重を与の板厚のみ変化させた。横桁は、その位置に関係えた時に、コンクリート床版に最大の引張応力が発なく高さ 1300mm、幅 240mm、板厚 10mm とした。

生する支承の拘束条件を考えた。ケース1 は健全時、
ケース 2 は右側すべての支承の移動を拘束、また、

4. 解析方法

ケース 3 は支承 A と B の移動を拘束した。本解析

4.1 モデル化

では、橋全体が同じ温度になる時間帯があると仮定（3）

コンクリートはソリッド要素、鉄筋はバー要素でした 。健全な支承状態では、同一温度で桁と床版モデル化した。主桁と横桁はシェル要素とした。支の伸縮は同じ量となる。支承の拘束により発生する

承はモデル化せず、その位置で拘束条件を与えた。

引張応力は、桁と床版が同一温度の時の方が両者に

図 5 に FEM モデルを示す。床版と上フランジ温度差がある時よりも大きくなるので、橋全体にの接合は、合成効果を考えて同一節点とした。要20℃の温度荷重を与えた。この温度荷重は、支承機

素 数、 節 点 数 は、 約 101500、 約 98000 で あ る。

能が低下した後に発生したと仮定したものである。

解析に使用した材料定数を表 1 に示す。解析は、（2）活荷重（2）

ABAQUS による弾性解析である。

活荷重が橋梁に載荷された時、床版に最大の引張応力が発生する支承の拘束条件を考えた。支承の回転が拘束された時に固定モーメントが発生するが、片側のみ回転が拘束された方が固定モーメントは大きくなるので、右側支承の回転のみ拘束した。ケース 4 は健全時、ケース 5 は右側すべての支承の移動と回転を拘束、ケース 6 は支承 A と Bの移動と回転を拘束した。道路橋示方書では床版の応力を検討する場合には、T 荷重を載荷すること（4）が規定されている 。ここでは、図 6 に示すように
図5鋼合成桁全体の FEM モデル与えた。
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表2右側支承の拘束条件（a）変形状態（b）床版上面の最大主応力

図7

ケース 2 の解析結果

図 8 にケース 3 の橋梁全体の変形（a）と床版図6下面の最大主応力のコンター図（b）を示す。右T 荷重の載荷方法

側支承付近の床版はサイン波形のような変形状態となっている。移動が拘束されている支承 B 付

5. 解析結果
5.1 温度荷重
図 7 にケース 2 の橋全体の変形状態（a）と、床版に発生する最大主応力のコンター図（b）を示す。図 2 のように、この温度荷重により橋全体が伸びようとするが、右側支承により移動が拘束される。その結果、橋全体が凸状に変形する。
床版は支承による拘束がないために、橋軸方向に（a）変形状態移動可能となる。両側支承の回転は拘束されていないので、梁理論によれば曲げモーメントは発生しない。しかし、実際の橋梁と同じようにモデル化すると、下フランジのみピン支持となり、水平反力と桁高により曲げモーメントが床版に作用する。その結果、横桁と支承間に約 1.5N/mm2 の引張応力が発生する。

（b）床版下面の最大主応力

図8—

40—

ケース 3 の解析結果

近の床版上下面の引張応力は、約 2.6N/mm2 である。この引張応力は右側支承と横桁間に斜め 45度方向に発生している。
5.2 床版のひび割れ可能性
表 3 に全ケースのコンクリート床版に発生す

図9

ケース 7 の床版下面の最大主応力る最大引張応力を示す。ここで U は上側、L は下側を示している。ケース 1 では支承が正常に機6. 支承の健全度評価

能しており、応力は発生しない。半分の支承（A6.1 従来法と B）の機能が低下しているケース 3 は、すべての支承の機能が低下しているケース 2 に比べ、床コンクリート床版の損傷が進めば、床版の打ち版の発生引張応力は大きくなっている。また、温替えが必要となる。しかし、支承の機能を回復さ度荷重は、T 荷重に比べ発生応力が大きくなってせなければ、同様な床版では再度ひび割れが発生おり、回転より移動を拘束した方の影響が大きいする可能性がある。支承の機能低下は目視検査でといえる。

発見するのが難しい。そのため、それらの移動量参考文献（3）では、橋全体が 32℃になる時間や回転量を連続的に測定する必要がある。一般に帯がある。この条件をケース 3 に当てはめてみる

は、図 10（a）に示すように、変位計①を橋軸方と、温度荷重 20℃の 1.6 倍となるので発生引張応向に設置して支承の移動量を、また、変位計②、力 は 2.6 × 1.6 = 4.2N/mm2 と な る。 こ の 場 合 に は、③を支承の前後に設置し、それらの変位計間の距支承付近の床版の広い範囲でひび割れが発生する

離と変位量の差から回転角を測定する。健全性を可能性があるといえる。

評価するためには、同時に支承付近の温度を知る

実際の橋梁では、温度変動と T 荷重を同時に必要があるので、支承付近の上下フランジの表面受ける。そのような場合も想定して、ケース 3 のを接触温度計や熱電対で測定する。健全な支承で拘束条件で、20℃の温度荷重と T 荷重を同時にあれば、夏には桁の伸び、冬には桁の縮みにより、受ける場合（ケース 7）の解析も実施した。図 9

支承が移動や回転する。このような測定は容易ににケース 7 の床版下面の最大主応力のコンター図行える。しかし、長期の計測では、変位計を磁石を示す。また表 3 には、ケース 7 の最大引張応力付きの治具で同じ位置に固定することは困難であを示す。このような条件では、さらに低い温度変り、それらの盗難のおそれもある。

動でも床版にひび割れが発生する可能性があることがわかった。

表3

全解析ケースのコンクリート床版の最大引張応力—

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6.2 提案法能が低下した後に橋全体が 20℃上昇した場合、支承機能の低下により拘束を受ける支承では、

コ ン ク リ ー ト 床 版 の み 10 ℃ 上 昇 し た 場 合 の健全な支承に比べ支承自体の部材に発生するひず2 ケースを考えた。右側支承の移動と回転の拘束みが大きくなることが予想できる。そこで、図条件は、ケース S1 から S4 までの 4 ケースであり、10（b）に示すように、支承の①や②などの温度4 つの全支承で同じ条件とした。
図 11（a）は、支承の斜材①と②の矢印方向の変動に伴う発生ひずみを連続的に測定すれば、支発生応力を示す。図 11（b）は、ケース S4 の最大承の機能低下を検出できる可能性がある。

主応力のコンター図を示す。支承が正常に機能しているケース S1 では、温度変動にかかわらず応力は発生しない。橋全体の温度が 20℃の場合、支承の移動が拘束されているケース S2 と S4 では、コンクリート床版のみ温度が 10℃の時に比べ、大きな応力が発生している。また、回転のみ拘束されているケース S3 では、温度の大きさにかかわらず約 20N/mm2 以下の発生応力となっている。
図 12 は、支承の上側プレートの橋軸（矢印）（a）従来法による健全性評価のための計測法方向の発生応力を示す。図 11（b）には、ケースS4 での上側プレートの最大主応力コンター図も
示 し て い る。 こ の 位 置 の 発 生 応 力 は、 温 度 が20℃の場合の支承斜材の発生応力の約 1/4 となる。
さらに、圧縮応力のみ発生している。プレート中央④の応力は端③の応力よりも大きい。また、コンクリート床版のみ温度が 10℃の時には、いずれの場合にも応力はほとんど発生していない。

（b）提案法による健全性評価のための計測法

図 10以上の解析結果より温度変動時に発生する支承支承の計測法

斜材の応力（ひずみ）は十分大きく、支承機能の低下を計測により検知することが可能と考えられ

6.3 解析による確認る。 ま た、 発 生 応 力 が 20N/mm2 以 上 で あ れ ば、本提案法の有効性を確かめるために、以下の解支承機能が低下している可能性がある。このよう析を実施した。支承をモデル化し、支承の支持条な場合には、支承の移動量や回転量を従来法で測件を変化させる。そして、温度荷重を与えた場合定すれば、さらに詳しい支承状態を検出できる。の支承に発生する応力（ひずみ）の大きさを比較

しかし、本提案法では、以下のような検討項目もする。全体の解析モデルは、図 4、図 5 と同じである。発生ひずみを測定するので、変位量や回転ある。4 つの支承はソリッド要素とし、支承のヤ量のような直接評価できる指標がない。明確な機ング率は表 1 の鋼と同じ値とした。ここでは表 3能低下の判断が困難であり、今後、測定回数を増の結果に従い、温度荷重のみを考慮した。支承機

やし評価法を確立する必要がある。

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（a）支承斜材①、②の発生応力（b）支承の最大主応力

図 11

図 12ケース S4ケース S4 の解析結果

支承上側プレート③、④の発生応力

支承機能の低下はいつ起こるか予想できないの

FBG センサは、電気的な影響を受けない、錆で、発生ひずみの測定を長期間継続して行う必要びない、高いひずみ感度を持つ、温度測定が可能がある。ひずみ測定は、ひずみゲージで行うのがである、などの特徴を持っている。また、後述す一般的である。しかし、この方法による測定は、る無線システムを利用すれば、長期間、測定の都養生対策を採っても 1 年以上継続して行うことは度、現場に行く必要がない。新設橋梁に取り付け困難である。そこで、FBG センサによる支承斜れば、支承の機能低下がどれくらいの時間で発生材の長期間のひずみ測定法を提案する。

するか明らかとなる。
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サは、1 本のファイバで複数点の測定が可能で、7. FBG センサによる長期測定システム

センサ内で反射した波長 lB は、ひずみや温度に7.1 FBG センサの測定原理よって変化する。

図 13 に FBG センサの構成図を示す。FBG セ

図 14、 図 15 は、FBG センサのひずみと温度ンサは光ファイバの一種で、光ファイバのコア内をそれぞれ独立に変化させた時のブラッグ波長のにブラッグ格子と呼ばれる回析格子が形成されて変化を示している。これらは線形性があり、ひずいる。また、本センサは、特定波長（ブラッグ波みと温度の計測が可能となる。

（5）長）のみ反射する機能を持っている 。FBG セン

図 14

図 13

FBG センサの構造図

ひずみに対するブラッグ波長変化

図 15

図 16

温度に対するブラッグ波長変化

FBG センサ用無線システム—44—

7.2 無線測定方法（3）FBG センサを使用すれば、支承斜材の発生ひずみを長期間測定できる。

FBG セ ン サ 用 に 開 発 し た 無 線 シ ス テ ム の ブ
ロック図を図 16 に示す。光源と光電変換器は、（4）開発した無線システムにより、事務所でリ支承などのインフラのモニタリングを想定し、ひアルタイムに支承の挙動がモニタリングでき、移ずみと温度を計測するための機能に限定した。

動時間やコストの削減が期待できる。

これらの装置を組み合わせ、安価で小型の測定参考文献システムを開発した。また、本システムは、橋台や（1） 一般社団法人日本橋梁建設協会：合成桁の設橋脚に設置することを想定し、防水性も考慮した。

計例と解説、1995

本システムを使用すれば、事務所でリアルタイ（2） ABAQUS：ユーザーズマニュアル、Ver.6.10-1、ムに支承の挙動がモニタリングできる。対象橋梁が事務所から遠距離にある場合には、移動時間や2010（3） 山村浩一、日下徹、櫻田和志ら：温度日変動コストを削減できることから特に有用となる。に伴う既設鋼合成 I 桁橋の変形挙動の実態と

8. おわりに検討、公益社団法人土木学会、東北支部研究発表会、I-26、2010

以下に本研究で得られた結果を示す。
（1）ピン支承機能の低下により、コンクリート（4） 公益社団法人日本道路協会：道路橋示方書・床版に引張応力が発生し、コンクリート表面のひ同解説（Ⅰ共通編・Ⅱ鋼橋編）、2012（5） 福本伸太郎、中島富男：FBG センサ、ひずみび割れが発生する可能性がある。
（2）温度変動に伴うピン支承斜材の発生ひずみゲージ、および加速度ピックアップによる片持を測定すれば、支承の機能低下を検出できる。

ち 梁 の 振 動 計 測 性 能 の 比 較、IIC REVIEW、No.55、2016/04、pp.46-51

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.）
芝浦工業大学大学院非常勤講師

研究開発センター
研究開発グループ

西土 隆幸

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

福本伸太郎

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547
検査事業部
技術部

今川

峻

TEL. 045-791-3523
FAX. 045-791-3547—45—

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