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

縮小ＲＣ床版供試体を使用した輪荷重走行試験
角間恒*，佐藤孝司**，西弘明*，松井繁之****博（工），（国研）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 1-34）**（国研）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 1-34）***工博，大阪大学名誉教授（〒565-082 吹田市山田西 4-2-40-1006）
道路橋 RC 床版の疲労耐久性評価では，一般的に輪荷重走行試験が実施されるが，実物大供試体の使用により試験が大規模化せざるを得ない現状がある．材料劣化の進行により劣化損傷形態が多様化する RC 床版の現状を踏まえると，豊富な試験結果を蓄積するため，縮小供試体を用いる試験方法の確立は有意義である．本論文では，実物大および縮小供試体を使用した輪荷重走行試験を実施し，たわみ性状や損傷・破壊性状，S-N 関係の比較により，縮小供試体による試験方法の妥当性等について検討した．
キーワード：RC 床版，縮小供試体，輪荷重走行試験

1．はじめに

表－1 輪荷重試験機の仕様

昭和 40 年代から顕在化した道路橋 RC 床版（以下，床版）の疲労問題においては，劣化損傷機構の解明や疲労耐久性を表す S-N 曲線の提案に輪荷重走行試験 1)が貢献してきた．また，近年報告事例が増加している，凍害 2)やアルカリシリカ反応 3)といった材料劣化と疲労との組合せによる複合劣化を受けた床版に対しても，その劣化損傷過程の評価や対策技術の確立において輪荷重走行試験が大いに活用されるものと考えられる．
一方で，輪荷重走行試験の多くでは実物大の床版供試体（以下，実物大供試体）が使用されるために試験が大規模化せざるを得ず，多様な劣化要因を取り入れた試験の実施は困難である．したがって，試験の容易さや試験結果の蓄積の観点から，実物大供試体を縮小した供試体（以下，縮小供試体）を使用した試験方法の確立は大変有意義である．
以上より，本論文では，縮小供試体を使用した輪荷重走行試験方法の確立に向けた基礎的検討として，実物大および縮小供試体の輪荷重走行試験を実施し，たわみ性状や破壊性状，S-N 関係に着目して両者の比較を行った．
2．輪荷重走行試験
2.1 試験装置
試験には，表－1 に示す 2 台の輪荷重走行試験機を使用した．実物大試験機は松井が考案したクランク式の輪荷重走行試験機 1)であり，小型試験機は実物大試験機の縮小版である．

項目

実物大試験機

小型試験機

載荷機構

クランク式

クランク式

走行範囲

2.0m

1.0m

走行速度

24 往復／分

24 往復／分

タイヤの種類

鉄輪 , ゴム

鉄輪 , ウレタン

最大荷重（鉄輪時）

300kN

40kN

2.2 供試体
表－2 に供試体の基本諸元を，表－3 に供試体の一覧を示し，以下にその詳細を説明する．
(1) 概要試験には，昭和 31 年の鋼道路橋設計示方書 4)に準ずる床版供試体を使用した．実物大供試体は床版厚 160mmとして設計し，縮小供試体は試験機の性能を考慮して実物大供試体の 2/5 に縮小した．
(2) 使用材料
供試体コンクリートの配合および圧縮・静弾性係数試
験の結果を表－3 に示す．縮小供試体においては，粗骨材の最大寸法をかぶりの約2/3 に相当する10mm とした．
鉄筋は，実物大供試体では丸鋼鉄筋（SR235）あるいは異形鉄筋（SD345）を使用し，主鉄筋および配力鉄筋の径をそれぞれ 16mm および 13mm とした．縮小供試体
では異形鉄筋（SD295A）を使用し，主鉄筋および配力鉄筋ともに径 6mm とした．
2.3 支持方法
供試体の支持条件は，走行方向 2 辺（長辺）を丸鋼による単純支持，走行直角方向 2 辺（短辺）を H 形鋼によ- 65
1 -表－2 供試体の基本諸元
寸法

供試体主鉄筋

配力鉄筋

走行直角

走行厚さ

径

有効高間隔

径

有効高間隔

（mm）

（mm）

（mm）

（mm）

（mm）

（mm）

（mm）

（mm）

（mm）

実物大

2,650

3,300

160

16120 (40)130 (260)

13105.5 (54.5)

230 (230)

縮小

1,060

1,370

64

648 (16)45 (90)642 (22)120 (120)

種別

表－3 供試体の一覧
コンクリート ※2
供試体名 ※1

床版種別

鉄筋種別

配合

圧縮強度
2（N/mm ）弾性係数2（kN/mm ）押抜きせん断耐力 ※3（kN）

走行荷重（kN）

荷重比 ※4

43.0

25.9

268.3

110.0

0.41

41.7

25.4

264.2

150.0

0.57

36.6

26.0

242.4

190.0

0.78

38.6

23.9

254.7

150.00.59

L-43-0.41
L-42-0.57

SR235

実物大

L-37-0.78
L-39-0.59

24-8-20N

SD345

S-35-0.46

24-8-10N

35.3

23.8

49.5

23.0

0.46

S-38-0.40

32-8-10N

37.9

26.2

50.6

20.0

0.40

24-8-10N

40.8

29.8

51.3

30.0

0.58

34-8-10N

52.3

33.6

58.3

30.0

0.51

SD295A

縮小

S-41-0.58
S-52.0.51
※1
※2
※3
※4

供試体名のつけ方：床版種別(L：実物大，S：縮小) - コンクリートの圧縮強度 - 荷重比
コンクリートの圧縮強度と弾性係数は試験開始時の値
押抜きせん断耐力は式(1)による計算値
荷重比は走行荷重と押抜きせん断耐力の比

表－4 支持方法の詳細
実物大試験機

小型試験機

単純支持2,350mm

960mm

弾性支持

3,150mm

1,270mm

175×175

100×50項目
支持間隔

H 形鋼の呼称寸法

Psx=2B (fv Xm+ft Cm)
B=b+2dd
fv=0.656 f’c0.606
ft=0.269 f’c2/3

表－5 載荷方法の詳細
実物大試験機

小型試験機

走行直角

300mm

200mm

走行120mm

80mm

±1.0m

±0.5m

項目
載荷ブロック1 組による載荷面積
走行範囲る弾性支持とした．また，供試体の四隅には浮き上がり防止材を設置した．支持方法の詳細を表－4 に示す．
2.4 載荷および計測方法
輪荷重の載荷には鉄輪を使用し，床版支間中央に並列して敷き並べた載荷ブロックの上を連続走行させた．な
お，鉄輪の軌道部では，載荷ブロックの上にベニヤ板および鋼板の敷設を，床版と載荷ブロックの間には供試体
表面の不陸を修正するためのエポキシ樹脂の塗布および衝撃および騒音防止のためのベニヤ板の敷設を行った．
載荷方法の詳細を表－5 に示す．
輪荷重走行は，一定荷重の下，供試体が破壊に至るまで実施した．各供試体の走行荷重は表－3 に示しており，次式で得られる梁状化した床版の押抜きせん断耐力 5)に対する比（以下，荷重比）の範囲は 0.40～0.78 である．

(1)
(2)
(3)
(4)

ここに，Psx：梁状化した床版の押抜きせん断耐力（kN），
B：梁状化の梁幅（mm），
b：載荷板の走行方向の辺長（mm），
dd：配力鉄筋の有効高さ（mm），Xm：引張側コンクリー
トを無視した主鉄筋直角断面の中立軸深さ（mm），Cm：引張側主鉄筋のかぶり（mm），f’c：コンクリートの圧縮，fv：コンクリートのせん断強度（N/mm2），強度（N/mm2）2
ft：コンクリートの引張強度（N/mm ）である．
本試験では，所定の回数において輪荷重走行を停止し，供試体中央での静的載荷により供試体下面のたわみを計測した．また，目視によるひび割れの観察および打音によるはく離の検査も行った．
3．試験結果
本章では，供試体コンクリートの圧縮強度および荷重比が同程度である L-42-0.57，L-39-0.59，S-41-0.58 に着目して，たわみ性状と損傷・破壊性状を比較する．また，最後に縮小供試体による S-N 関係を示す．
3.1 供試体中央たわみ(1) たわみと走行回数の関係
図－1 に，L-42-0.57，L-39-0.59，S-41-0.58 の供試体中
央での活荷重たわみ（以下，たわみ）と走行回数の関係

2 - 66

を示す．なお，縮小供試体のたわみは，物理量の相似則に基づき実物大供試体でのたわみに換算している．

供試体中央たわみ（mm）

(5)
(6)

，：たわみの計測値
ここに，*：換算後のたわみ（mm），（mm），：係数，n：相似比（=2/5），P*：換算荷重（kN）
P：試験時の輪荷重（kN）である．ここで，実物大供試体と縮小供試体では載荷ブロック寸法などの差異により走行荷重に相似則が成立しておらず，係数により走行荷重の差異も補正している．
いずれの供試体も走行回数の増加とともにたわみが漸増し，L-42-0.57 では 2.9 万回，L-39-0.59 および S-41-0.58
では 4.8 万回でたわみが急増して破壊に至った．各供試体のたわみを比較すると，縮小供試体の S-41-0.58 は，実物大供試体の L-42-0.57 と同程度のたわみを推移し，破壊直前では L-39-0.59 のたわみと概ね一致する．
(2) たわみ分布
図－2 に，L-39-0.59 および S-41-0.58 においてたわみ増加勾配が大きくなり始める走行回数 4 万回における分布を示す．載荷位置は供試体中央，たわみ計測位置は単純支持間隔あるいは弾性支持間隔の中央であり，横軸は支持間隔の 1/2 で無次元化している．また，図中には，S-41-0.58 について引張側コンクリートを無視した断面を用いた場合の理論たわみも図示する．
各々のたわみ分布を比較すると，走行回数 4 万回では，走行方向および走行直角方向ともに，縮小供試体
S-41-0.58 の分布が実物大供試体 L-39-0.59 の分布と一致する．また，両者は理論たわみとも一致することから，活荷重たわみが引張コンクリートを無視した理論たわみに達した時を使用限界状態と定義する既往の知見 6)は，縮小供試体にも適用できる．
3.2 損傷・破壊性状(1) 床版下面の損傷状況
図－3 に，破壊時における供試体下面の損傷状況を示す．いずれの供試体も，軌道部近傍では 2 方向のひび割れが発生し基本的なひび割れ性状は類似しているが，L-42-0.57 および L-39-0.59 では軌道部直下において明らかにコンクリートがブロック化しているのに対し，S-41-0.58 ではコンクリートのブロック化が顕著ではない．本研究で使用した縮小供試体 4 体の中には，ブロック化するものとしないものがあったが，その差異は明らかではなく，今後詳細な比較が必要である．
破壊時のコンクリートのはく離・はく落範囲は，L-39-0.59 では円形状に分布し，2 方向に押抜き面が形成されているが，はく離・はく落はまず走行直角方向に生じ，走行方向へは終局状態に達してからの数回の走行で生じたものであり，損傷・破壊性状は他の 2 体と同様であると判断した．

L-42-0.57

10L-39-0.59
8S-41-0.58

64
20102

103104
走行回数（回）

105106

図－1 供試体中央たわみと走行回数の関係
理論たわみ
L-39-0.59
論み（※白塗り：4万回、中塗り：破壊時）

S-41-0.58

02
たわみ（mm）

*=  / n n2 P* / P

12468※理論たわみ，S-41-0.58 は式(5)による換算値
10-0.8-0.4
00.40.8
供試体中央からの距離（単純支持間隔の1/2で無次元化）

図－2 走行直角方向のたわみ分布（たわみ増加勾配の変化時）
図－4 は供試体下面のひび割れ密度と走行回数の関係であり，横軸は破壊時の走行回数で無次元化した．なお，縮小供試体の計測結果は，縮小比を考慮して実物大に換算した値である．図より，全ての供試体で概ね同様のひび割れ密度の増加を示し，S-41-0.58 では丸鋼鉄筋を使用した L-42-0.57 と同程度である．
異形鉄筋を使用した場合，丸鋼鉄筋を使用した場合よりひび割れ密度が増加するとされる 7)が，本試験では異なる傾向であった．
(2) 押抜きせん断破壊の範囲
表－6 は，破壊性状の比較として，打音検査により確認された下面コンクリートはく離・はく落部最外縁から載荷ブロック端部までの距離，および主鉄筋の有効高から押抜きせん断破壊の範囲を簡易に推定したものである．
表－6 より，縮小供試体の破壊範囲が実物大供試体と同程度であることがわかる．
(3) S-N 関係
図－5 は，本試験から得られた全供試体の S-N 関係であり，縮小供試体の S-N 関係は，実物大供試体の曲線を精度良く再現している．
また，丸鋼鉄筋を使用した場合，ひび割れ分散性の低下とひび割れ幅の増大により，異形鉄筋を使用した場合と比較して疲労耐久性が低下するとされている 7)が，図－5 では鉄筋種類による違いは見られない．
本試験では，実物大供試体にはリブと節を有する異形3 - 67

はく離(a) L-42-0.57

はく落走行位置(b) L-39-0.59(c) S-41-0.58

図－3 床版下面の損傷状況
表－6 破壊範囲の比較

14

供試体名

（˚）

12

L-42-0.57

79.5

10L-39-0.59

77.7

S-41-0.58

74.0

=tan-1(a/d)

L-42-0.57

8

aa：はく離・はく落部最外縁から載荷ブロック端部までの距離
d：主鉄筋の有効高

L-39-0.59
64

S-41-0.58
00.2

0.4
0.60.8
無次元化走行回数

11.2

図－4 ひび割れ密度と走行回数の関係
1

荷重比 P / Psx

d2

ひび割れ密度（m/m ）16

縮小供試体の輪荷重走行試験により，RC 床版が疲労破壊に至るまでの挙動を評価できることを示唆した．
本論文は，供試体諸元や実物大供試体に対する縮小比が限定された条件の下で輪荷重走行試験を実施したものである．今後は，床版の挙動における寸法効果等の確認を行い，縮小供試体を使用した輪荷重走行試験の妥当性や適用範囲を検討する．

参考文献
1) 松井繁之：道路橋コンクリート系床版の疲労と設計法
実物大供試体（異形鉄筋）に関する研究，大阪大学学位論文，1984.
縮小供試体（異形鉄筋）
2) 三田村浩，佐藤京，本田幸一，松井繁之：道路橋 RC
床版上面の凍害劣化と疲労寿命への影響，構造工学論
0.1
102
103
104
105
106
107
108
文集，Vol.55A，pp.1420-1431，2009.
破壊までの走行回数（回）3) 五島孝行，大田孝二，梶尾聡，鈴木康範，井戸康清，
図－5 S-N 関係
島田守：アルカリ骨材反応で損傷した道路橋床版の調査，土木学会年次学術講演会講演概要集，Vol.68，No.1，
鉄筋を，縮小供試体にはリブのないネジ状の節を有する異形鉄筋を使用した．コンクリートと鉄筋の付着強度はpp.835-836，2013.
4) 日本道路協会：鋼道路橋設計示方書，1956.
鉄筋の形状により異なるが，床版の疲労挙動における鉄5) 松井繁之：移動荷重を受ける道路橋 RC 床版の疲労強筋形状の影響は明確ではない．また，縮小供試体におい度と水の影響について，第 9 回コンクリート工学年次てコンクリートの粗骨材寸法を縮小した影響も明らかで
論文報告集，pp.627-632，1987.
はない．したがって，こうした影響要因を考慮して，縮小供試体による S-N 関係の精度の再検証が必要であろう． 6) 松井繁之，前田幸雄：道路橋 RC 床版の劣化度判定法
pp.419-426，の一提案，土木学会論文集，
第 374 号/I-6，1986.
4．おわりに
7) 赤代恵司，三田村浩，渡邉忠朋，岸徳光：丸鋼鉄筋を用いた RC 床版の疲労特性に関する実験的研究，構造
本論文では，実物大 RC 床版供試体および縮小 RC 床工学論文集，Vol.57A，pp.1297-1304，2011.
版供試体の輪荷重走行試験を実施した．その結果，両者（2016 年 7 月 18 日受付）
ではたわみ性状やひび割れ性状，S-N 関係が概ね一致し，実物大供試体（丸鋼鉄筋）

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