第八回道路橋床版シンポジウム論文報告集

土木学会

論文

FRP 歩道用拡幅床版の耐荷性能に関する研究
保呂秀次*，田村修一**，久保圭吾***，角間恒****，岡田慎哉****，松井繁之******宮地エンジニアリング株式会社 技術部（〒103-0006 東京都中央区日本橋富沢町 9 番 19 号）**修（工）宮地エンジニアリング株式会社 技術部（〒103-0006 東京都中央区日本橋富沢町 9 番 19 号）***博（工）宮地エンジニアリング株式会社 技術部（〒103-0006 東京都中央区日本橋富沢町 9 番 19 号）**** 博（工），（独）土木研究所 寒地土木研究所（〒062-8602 札幌市豊平区平岸 1 条 3 丁目 1 番 34 号）***** 工博，大阪大学名誉教授（〒565-0824 吹田市山田西 4‐2‐70‐1006）
近年，交通安全対策として歩道を拡幅する事例が増加してきている．既設橋梁に添架して歩道を拡幅する場合，大幅な死荷重増を避ける必要性から軽量な床版構造が望まれている．このため，軽量で耐食性に優れる FRP歩道用拡幅床版を開発した．本研究では，FRP 床版の実橋への適用性を確認するため，実物大床版供試体を用いて，群集荷重や高欄への水平荷重に着目した静的耐荷力実験および，舗装の付着試験などを実施した．本論文
では，これらの結果について報告する．
キーワード：歩道拡幅，FRP，耐荷性能

1．はじめに歩道および歩行者自転車道においては，道路構造令で歩行者，自転車，車いす同士がスムーズにすれ違うために確保すべき幅員が規定されているが，道路橋においては，必要幅員が確保されていない橋梁が数多く存在しており，歩道の拡幅による使用者の安全対策が求められている．
橋梁で歩道を拡幅する場合，死荷重が過剰にならないように鋼製の歩道を既設橋梁に添架して必要幅員を確保することが多いが，上部工重量の増加により既設桁の補強や下部工の補強等が必要となる場合もあり，さらなる軽量化が望まれている．また，海岸部や凍結防止剤を散布する積雪寒冷地では，塩害により鋼材の腐食が促進する環境にあることから，耐食性に優れた材料の選定も必要となる．このような背景のもと，軽量，高強度で，耐以下，食性に優れるGFRP(ガラス繊維強化プラスチック，FRP)製の床版を用いた歩道拡幅工法の検討を行い過年度の研究において床版上載タイプ 1)の工法について考案した．
本研究では，図－1 に示すブラケット支持桁タイプの自転車歩行者道の拡幅構造を対象に，実物大の試験体を用いて静的載荷試験を実施し，床版のたわみおよび耐荷性能の検討を行った．
また，本構造では FRP 床版上に地覆，高欄を設置することから，高欄基部の耐荷性状の検討が必要となる．この防護柵としては，(1)自動二輪に対するボックスビーム(車両用防護柵)，(2)自転車道と歩道の境界部の横断防止柵，(3)歩道用の転落防止柵があり，それぞれ，実物大の防護柵を模擬した供試体による水平荷重に対する静的載荷実験を実施した．
さらに，FRP 床版の路面には滑り止め機能の確保のため舗装を施工することから，各種舗装仕様による室内試験を実施し，FRP との付着性，FRP の変形に対する追随性に関して検討を行った．
本論文では，これらの一連の実験結果に関して報告す
る．

- 189 -

図－1 FRP 拡幅床版の構造
表－1 FRP 素材の材料特性
底板長手方向
底板幅方向

引張強度
(MPa)
379.0
78.0

引張弾性率
(GPa)
28.0
10.0

曲げ強度
(MPa)
156.0

引張弾性率
(GPa)
16.0

載荷板
2400
600
600
600
600
150 300 150 150 300 150 150 300 150 150 300 150

150 300 300 300 150 150 300 300 300 150
1200
1200

600

950

600

500

2400

600

950

600

3900
100 100

設計荷重載荷(b)

(a)

フランジ

き裂

フランジ

き裂

リブ

リブ

継手

130

130 300(a) ラップ継手部

150750

写真－1 鉛直力載荷試験の供試体損傷状況
63900(a)(b)

(a)

(b)

(a)

(b)

2400(b)300 150300(a)

600(b)

350
70 80 200

図－3 荷重と鉛直変位の関係

転落防止柵
70 80 100 横断防止柵

200 155255

変位(mm)

70 80 150

1110
900775

載荷点2.2 実験結果
図－3 に，載荷点直下フランジにおける荷重と変位の関係を示す．ここで，図中の FEM は，FRP 成形材を直交異方性材料でモデル化した線形 FEM 解析の結果である．実験では，荷重の増加とともに変位が線形的に増加し，荷重 60kN 程度で剛性がわずかに低下した後，96.9kNで荷重が低下し破壊に至った．得られた最大荷重 96.9kNは，設計荷重 3.95kN の 24.5 倍であり，FRP 床版が設計荷重に対して極めて高い耐力を有するものであった．また，FEM 解析結果は実験結果とよく一致しており，破壊までの挙動を概ね再現可能であると判断できる．

載荷点

92.1 試験概要
表―1 に，使用した FRP 素材の材料特性を示す．
また，
図－2 に，供試体の概要を示す．FRP 床版は，π形断面の GFRP 引抜成形材を用いており，本供試体では，全長3900mm，幅 600mm の FRP 材を橋軸方向に 4 枚並べ，継手部をエポキシ樹脂系接着剤とブラインドリベットで接合した．設計荷重は等分布荷重であるが，偏載を考慮して中央 2 本のリブに載荷した．このときの設計荷重は，設計計算による曲げモーメント（7.916kN・m/m）と等価となる載荷荷重（3.95 kN）を設計荷重とした．

地覆PL(FRP)

130 204 6252．鉛直力載荷試験

ボックスビーム

載荷点

ひずみゲージ(a)15060200506004020030200 1002081070110(a)600350120000300 1501700ﾌﾞﾗｲﾝﾄﾞﾘﾍﾞｯﾄ φ4.8(SUS)

設計荷重 3.95kN

20150 300

401020

FEM360

破壊後荷重80 200 80300
100 100 100

実験601020

900

80

ひずみゲージ(b)

300 150 150 300

ひずみゲージ(a)

破壊荷重100600230
25 180 25150
30 90 30300

120600300
100
100 100

150 300

図－2 鉛直力載荷試験の供試体概要図

荷重(kN)(b) リブ隅角部

310 180 310

1125
2400

200 1001125

6 19 450
25150750

ひずみゲージ(b)

200

550750

1325

1075
2400

375375750

図－4 水平力載荷試験の供試体概要図
写真－1 には，供試体の損傷状況を示す．実験終了時には，上フランジとリブの隅角部がせん断破壊していた
ほか，FRP 成形材のラップ継手部では，断面変化位置で繊維方向にき裂が発生していた．本供試体の FRP 成形材
は，繊維方向に対して繊維直角方向の強度が小さい異方性材料であることに加え，ラップ継手部の断面急変部に応力集中が生じたために，継手部近傍で曲げ破壊が生じたと考えられる．ただし，供試体が破壊した後も 90kN程度の荷重を保持しており，隅角部がせん断破壊しても崩壊に至るような破壊形態とならないことが確認できた．
3．水平力載荷試験
3.1 試験概要
実験に使用した供試体の概要を図－4 に示す．各防護柵基部は，図－5 に示すように，荷重に応じて，転落防- 190 -19200200400
800

アンカーボルト
B.N M20x190(SS400)
150
30 90 30

10 230 10
ひずみゲージ 25 180 25

補強材
t=19（SS400）(b)下フランジ

固定用アングル50 160 50 補強材
補強材
L50x50x4（FRP）
260
t=19（SS400） t=9（SS400）
アンカーボルト
4-B.N M20x205(SS400)3026150(a)上フランジ
19

歩道地覆PL
t=6（FRP）

130 6 25

12 180 12
130 10 170

260

ボックスビーム

横断防止

鋼製台座（SM400A）

9 130 910

転落防止柵
400
アンカーボルト200
200
10 4-B.N M20x80(SS400)
70 260 70
260
カバープレート
80 100 80
t=6（FRP）

6 198 6210

800
780
260

6384
50 130 204

前回はリブ 2 本を挟み込む構造[ 250x90x9x13

ひずみゲージ
アンカーボルト
B.N M20xL(SS400)
250
2525

図－5 高欄基部の構造
600
300

床板側

256

設計荷重：
25.0ｋＮ

最大荷重：27.0ｋＮ

転落防止柵
横断防止柵

25

リブ中央

10625
10

6 61003043150
25150

65040

フランジ側

き裂

2040

ボックスビーム

最大荷重：15.0ｋＮ荷重(kN)

図－6 圧縮試験の概要

床版

15表－2 FRP リブの材料特性
床版側
リブ中央
フランジ側

圧縮強度(MPa)101.0
101.0106.0

設計荷重：
6.0ｋＮ

10

圧縮弾性率(GPa)
10.0
13.0
11.0

ウェブ

最大荷重：5.9ｋＮ

写真－2 ウェブの損傷状況
500

止柵は FRP リブ 3 本，横断防止柵は FRP リブ 2 本，ボックスビームは FRP リブ 6 本を，床版上面と下面の鋼材で FRP 床版をボルトで挟み込む構造とした．
載荷は，各高欄頂部をチェーンブロックで引込むことで実施し，破壊に至るまで荷重を漸増させた．このときの設計荷重は，防護柵に作用する水平荷重（転落防止柵：6.0kN，横断防止柵：1.17kN，ボックスビーム：25.0kN）である．
FRP の材料試験は，通常，長手（繊維）方向のみ実施
しているが，高欄基部の FRP リブには幅（繊維直角）方向に圧縮力が作用する．このため，図－6 に示す位置の供試体を採取し，JIS K 6911 に準じた圧縮試験を実施した．表－2 に，FRP リブ材の圧縮試験結果を示す．これより，床版側の強度，弾性率が若干小さいものの，部位による差はほとんどないことがわかった．
3.2 試験結果および考察
荷重と水平変位の関係を図－7 に示す．なお，水平変位の計測点は，図－4 に示す各高欄の載荷点の位置である．
転落防止柵については，荷重の増加とともに変位が若干大きくなる傾向はあるものの概ね線形的に増加し，荷重 15.0kN のときに FRP 床版の高欄基部のウェブ上端にき裂が発生（写真－2）して荷重が低下した.この破壊荷重は，リブ 2 本で挟み込む構造とした前回の転落防止柵の載荷試験結果 2)（最大荷重 12.1kN）に対して，2 割程度耐力が増加していることから，高欄基部で荷重を受け20

設計荷重：1.17ｋＮ
406080100
変位(mm)

120140160

図－7 荷重と水平変位の関係

き裂

床版

ウェブ

写真－2 ウェブの損傷状況

柱基部の鋼材が降伏

写真－3 横断防止柵基部の鋼材降伏状況持たせるリブの本数を増やすことで，耐荷力が向上することが確認された．また，載荷時の変位に，破壊まで急変箇所が見られないことから，FRP 床版，鋼製台座，高欄のそれぞれの間での滑りは生じていないと推察できる．
横断防止柵については，最大荷重 5.9kN の時点で載荷用柱基部の鋼材が降伏（写真―3）し，変形が大きくな- 191 -

3900

1200

600
2400
600
600

0(a)点：設計荷重/2(a)点：設計荷重(a)点：破壊荷重(b)点：設計荷重/2(b)点：設計荷重(b)点：破壊荷重

2000

4000

集中荷重載荷 ケースC

130 300130

ひずみ( m)

-2000

2400
600
600
600
600
150 300 150 150 300 150 150 300 150 150 300 150

1050600
-6000

-4000

150 300 300 300 150 150 300 300 300 150
1200
1200

集中荷重載荷 ケースW

150

11251125

750

6000-1100 -900 -700 -500 -300 -100 100 300 500 700 900 1100
中心から距離(mm)

図－8 ボックスビーム基部の各リブ位置における鉛直ひずみの分布

2400

150750

図－9 舗装の適用性確認試験の供試体概要図

表－3 FRP 床版への舗装の種類
ニート舗装

樹脂モルタル舗装

ゴムチップ舗装

エポキシ樹脂＋セラミック骨材

エポキシ樹脂＋骨材（珪砂）

ウレタン樹脂＋カラーゴムチップ

舗装仕様

樹脂モルタル舗装

FRP床版

FRP床版への適用事例
一般的厚さ
特徴

車道のため剥離が生じているが歩道でれば問題ないと思われる

樹脂系滑止舗装
FRP床版

ゴムチップ舗装
FRP床版

Bently Creek Bridge-歩道(米国)
3㎜程度

Bennetts Creek Bridge-車道(米国)
10～20㎜

羽咋巌門自転車道13号橋（石川県）8～20㎜

超薄層で滑り抵抗性が大きい

薄層仕上が可能で滑り抵抗性が大きい

弾性舗装で歩行感が良く透水性が有る-4

リブ直上の薄層舗 装に引 張発生

リブ間の 薄層舗装に圧縮発生-2
たわみ(mm）

変形のイメージ

活荷重

床版パネルリブ

図－10 変形のイメージ

02舗装有4舗装無ったため試験を終了した．
これらより，転落防止柵，横断防止柵共に設計荷重6.0kN,1.17kN に対して 2.5 倍,5 倍程度の最大荷重を持ち，かつ実構造では高欄の剛性による荷重分配も考えられることから，本構造は十分な安全性を有していると考えらえる．
一方，ボックスビームは，設計荷重 25.0kN とほぼ同程度の最大荷重 27.0kN の時点でウェブ上端よりき裂が発生する結果となった．しかしながら，この設計荷重は自動車の衝突を想定して設定されたものであり，今回の拡幅歩道におけるボックスビームは，自転車帯と自動二輪帯の間に設置されることから，過大な設計荷重となっていると考えられる．したがって，実用上想定される衝突荷重においては，十分な耐荷力を持つと推察できる．
図－8 にボックスビーム基部の FRP リブ位置における6-900-600-3000300
橋軸方向の位置(mm)600900

図－11 たわみ分布（設計荷重 1.5kN）
鉛直ひずみの分布を示す．計測位置は図 4，5 に示す(a)点，(b)点である．これより，鋼材でリブ 6 本を挟み込んでいるものの，両端のリブのひずみが小さい傾向が見られる．これは，鋼材の剛性による荷重分配が十分でなかったためと考えられる．なお，表－2 の試験結果より，
FRP の圧壊時のひずみは 10000μ程度となるが，水平載荷試験の結果では，最大ひずみは 5000μ程度となっている．これは，リブの水平方向の変形によるせん断力の作用により，圧縮破壊に到達する前にせん断破壊したものと考えられる．

- 192 -

4．各種舗装の適用性確認試験
4.1 試験概要
舗装は，一般的にアスファルト舗装が用いられているが，歩道の拡幅に用いる場合には死荷重の増加が課題となる．このため，国内外で FRP 床版に対して施工実績があり，舗装厚もアスファルト舗装等と比べ薄く死荷重の軽減が図れる表－3 に示すニート舗装，ゴムチップ舗装，
樹脂モルタル舗装の 3 種類に関して FRP の付着性，FRPの変形に対する追随性の検討を行うこととした．
4.2 実物大載荷試験結果
舗装の変形に対する追随性を確認するには，FRP 床版の変形特性を把握する必要がある．本床版では，300mm間隔に設けたリブを有するπ型断面であることから，リブ間の変形が大きくなるものの，歩道の活荷重100mm

拡大写真

ニート舗装の割れ

写真－4 試験状況（最大荷重 21kN 載荷時）

100mm

100mm

舗装

100mm

FRP 板

FRP 板

舗装

100mm

100mm

供試体寸法 200mm

供試体寸法 200mm

正曲げ負曲げ

図－12 曲げ試験方法
舗装
FRP8

設計変位：0.1mm

ニート

樹脂モルタル

ゴムチップ

ニート

舗装の割れなし樹脂モルタル

正曲げ

60℃

-10℃

-30℃

60℃

23℃

-10℃

-30℃

60℃

23℃

-10℃

-30℃

60℃

23℃

-10℃

-30℃

023℃

舗装の割れなし

0-10℃

舗装の割れなし

舗装の
割れなし

-30℃

260℃

2

423℃

設計変位：0.5mm

-10℃

4

6-30℃

660℃

変位(mm)

8
変位(mm)

10

舗装
FRP

23℃

10

ゴムチップ

負曲げ

図－13 ひび割れ時の変位量
10
舗装
FRP

4
舗装の割れなし

樹脂モルタルニート

ゴムチップ

樹脂モルタル

負曲げ

正曲げ

図－14 ひび割れ時の荷重- 193 -60℃

23℃

舗装の割れなし

-10℃

-30℃

60℃

23℃

-10℃

-30℃

60℃

23℃

-10℃

-30℃

60℃

23℃

-10℃

ニート-10℃

0060℃

舗装の割れなし

23℃

舗装の割れなし-30℃

22-10℃

46-30℃

荷重(kN)

86-30℃

荷重(kN)860℃

舗装FRP23℃

10ゴムチップ

（5.0kN/m2）が等分布荷重のため，リブ間の変形はほとんど生じない結果となる．このため，図－9 に示す実物大供試体で，爪先で立った時を想定した荷重 1.5kN（面積：100mm×100mm）をリブ間，リブ上に載荷したときの変形曲率が等価となるような変位を用いて設計変位を設定した．なお，舗装の有無による変形の違いを調べるため，床版上にニート舗装を施したものと，舗装なしのもので試験を実施した．リブ間に載荷した場合の変形のイメージを図－10 に，支間中央部のたわみ分布を図－11 に示す．これより，舗装有り供試体のたわみが，舗装無し供試体のものより大きい傾向が見られるが，後述の曲げ試験結果では舗装が剛性に寄与していることから，支持桁取付部のずれ等の影響と考えられる．
FRP の変形を計測後，舗装有り供試体では，ケース Cの載荷位置で破壊まで試験を継続した．この結果，写真リブ間に 21kN 載荷した状態において－4 に示すように，も，FRP 継手部の損傷変形によるニート舗装の割れの他は大きな変状がないことから，実用上十分な変形追随性を有していることが確認できた．

FRP の割れ舗装の割れニート舗装（FRP 板厚 5ｍｍ）

FRP の割れ樹脂モルタル舗装（FRP 板厚 10ｍｍ）

FRP の割れゴムチップ舗装（FRP 板厚 10ｍｍ）

写真－5 試験終了時の状況（負曲げ-30℃）
4.3 曲げ試験
らかになった．
各舗装の変形追随性を確認するため，小型試験片によ(1) 鉛直荷重に対しては，設計荷重の 24.5 倍と，極めてる曲げ試験を実施した．試験は，200mm×100mm の FRP高い耐力を有することが確認できた．また，破壊形板に舗装を施した供試体を用い，支間 100mm の 3 点曲態は，上フランジとリブの隅角部のせん断破壊であげ試験とした．図－12 に試験方法の概要を示す．このとるが，せん断破壊しても破壊時と同程度の荷重を保きの設計変位は，図－11 の試験結果の変形曲率と本試験持しており，崩壊に至るような破壊形態とならないによる曲率が同等となる変位を設計変位として設定（正ことが確認できた．
曲げ 0.5mm，負曲げ 0.1mm）した．試験時の温度は，温度の違いによる性状を確認するため，-30℃，-10℃，23℃， (2) FRP 床版の転落防止柵，横断防止柵の取付部は，設計水平荷重に対して十分な耐力を有していることが60℃の 4 種類で実施した．
確認できた．また，ボックスビームに対しては，自ひび割れ時の変位量を図－13 に示す．これより，いず動車の衝突を想定して設定された設計荷重とほぼ同れの供試体も，試験温度によらず設計たわみ量に対して程度の耐荷力であり，自動二輪に対しては十分な耐十分な追随性を有していることが確認できた．ただし，荷力を持つことがわかった．
樹脂モルタル舗装では正曲げ，負曲げともに舗装の割れ(3)
FRP 床版に対する舗装は，ニート舗装，ゴムチッが FRP 母材より先に生じているが，ニート舗装，ゴムチプ舗装，樹脂モルタル舗装のいずれも，-30℃からップ舗装では，負曲げのニート舗装低温時を除いて，FRP60℃の温度領域における正曲げ・負曲げに対して母材の破断まで舗装が変形に追随できることがわかっ
FRP 床版の変形に追随しており，供用時に想定さた．
れるたわみに対しては十分な適用性を有すること
図－14 に，ひび割れ時の荷重を示す．正曲げでは，低がわかった．
温時のニート舗装，樹脂モルタル舗装の破壊荷重が，高温時と比べて大きい傾向が見られることから，低温時は，参考文献
ニート舗装と樹脂モルタル舗装が，床版の剛性に寄与す
1) 角間恒，岡田慎哉，久保圭吾，松井繁之：ＦＲＰを用ることがわかる．ただし，負曲げでは，いずれの舗装もいた道路橋歩道拡幅構造の耐荷性能に関する研究，土剛性に寄与しないことがわかる．写真－5 に負曲げ-30℃
木学会構造工学論文集，Vol.60A，pp.1150-1158，2014.の試験終了時の状況を示すが，FRP の割れは，いずれも
2) 久保圭吾，角間恒，岡田慎哉，松井繁之：FRP を用いガラス繊維の界面に沿った水平なひび割れとなることた歩道拡幅床板における高欄基部の耐荷性能，土木学がわかった．
会第 68 回年次学術講演会，I-424，pp.847-848，2013.
5．まとめ
FRP 床版に対する一連の実験により，以下のことが明- 194 -