2021年11月26日

一般財団法人日本国土開発未来研究財団

中間発表（2019年度採択）海外出張中のため資料のみ

鋼橋の防食塗膜剥離におけるIH工法の最適条件探索* 廣畑幹人

大阪大学大学院工学研究科准教授

第１回

研究成果発表会

【研究の⽬的】鋼橋の防⾷塗装は，その性能を維持するために定期的な塗替えが必要であり，維持管理における重要な管理項⽬となっている．塗替えでは，防⾷機能を確保するために，劣化，損傷した旧塗膜を除去した後に，新規の塗装を施す必要がある．旧塗膜を除去する⽅法としては，⼀般に，動⼒⼯具，ブラスト，塗膜剥離剤を使⽤する⽅法が採⽤されているが，作業で⽣じる騒⾳や粉塵，作業中の安全性確保，除去した塗膜や作業で使⽤した副資材の廃棄物処理，塗膜を除去する作業効率などに種々の課題がある．
これらの課題に対し，⾼周波誘導加熱（Induction Heating : IH）を利⽤した旧塗膜の除去（以下，IH 塗膜除去）が試験的に実施されている[1, 2]．IH 塗膜除去では，塗膜を除去する鋼材に⾼周波電流を通電したコイルを近接し，電磁誘導作⽤で鋼材表⾯に渦電流を⽣じさせる．渦電流のジュール熱により鋼材表⾯を 140〜240℃に加熱して塗膜と鋼材の接合⾯を破壊し，スクレーパー等の⼯具で塗膜をシート状に⼀度で剥離することが可能である．IH 塗膜除去は，動⼒⼯具やブラストを⽤いる場合に⽐べて騒⾳，粉塵の発⽣が少ない．また，引⽕性のあるガス等は⽣じず，廃棄物も除去した塗膜のみしか⽣じないことから，前述した課題の解決⽅法として注⽬されている．鋼橋の IH 塗膜除去においては，橋梁本体部材である鋼材を加熱するため，過度に加熱すると変形や残留応⼒が⽣じ，耐荷性能に影響を及ぼすことが懸念される[2,3]．⼀般的には，⼀定時間内に加熱する⾯積を少なくすると変形が⼩さくなるが，作業効率を低下させる要因となることから，加熱順序や加熱範囲は慎重に計画する必要がある．トラス橋では，加熱時の変形に対する知⾒が不⾜しており，特に，引張軸⼒部材として設計されている斜材等は，加熱により設計的に考慮されていない圧縮⼒が作⽤することが部材の安全性を低下させる懸念がある．本研究では，トラス橋の引張部材として設計された⽐較的剛性の⼩さな斜材に着⽬し，IH 塗膜除去の適⽤性拡⼤を⽬的として，実構造物を⽤いた実験的⽅法により，加熱が斜材の変形に及ぼす影響について基礎的検討を実施した．
【内容，⼿法】本研究で対象としたトラス橋は，沖縄⾃動⾞道の億⾸川橋（上り線）P11〜A2 で，橋⻑ 290m の 3 径間連続鋼上路式平⾏弦プラットトラス橋であり，⾼速道路等で⼀般的なトラス橋である（図 1）．
着⽬した斜材は，図 2 に⽰す I 断⾯引張部材として設計され，斜材の中で最も断⾯の⼩さい U3〜D4（U17〜D18，D18〜U19，D32〜U33 も同断⾯）である．
塗膜除去に使⽤した IH 塗膜剥離装置は，出⼒ 50 kW，誘導加熱ヘッドの幅 200 mm の機材である．加熱⻑ 2270 mm に対して，加熱作業者が誘導加熱ヘッドを持ち替えることなく加熱可能な距離の上限が 1.5m 程度であることから，対象部位を上側 1135 mm と下側 1135mm に⼆分して加熱する計画とした．具体的な加熱順序を図 3 に⽰す．上側半分の加熱が完了した後，続けて下側半分を加熱する．断⾯⽅向には，U3 側から⾒て時計回りに連続して⾏い，フランジや腹板の材⽚裏表を続けて加熱しないように，1 周⽬はフランジ外⾯，2 周⽬はフランジ内⾯を加熱する．なお，⼀連の予備試験の結果より誘導加熱ヘッドの移動速度を 2.5〜3.0 m/min とした．この条件により，図４に⽰すように塗膜はスクレーパーでシート状に剥離することができた．
加熱時の鋼材表⾯と塗膜表⾯の最⾼温度は，⾚外線放射温度計のほか，⽰温ラベルと温度チョークの罫書き線により合計 8 箇所で測定した．⾚外線放射温度計による塗膜表⾯の温度は 80〜95℃程度であった．
⽰温ラベルでは， 加熱後に塗膜表⾯は 95℃まで，鋼材表⾯は 170℃までの温度感知部分が変⾊していた．
温度チョークは，加熱後に 150℃以下の罫書きが融解し，175℃の罫書きは少し融解していた．これらより，鋼材表⾯の温度は 175℃程度まで加熱され，塗膜表⾯の温度は 100℃程度になったことを確認した．
加熱前後の斜材の変形量は，上弦材と下弦材のガセットプレート間に基準⽤ワイヤを張り，斜材のフランジ縁と基準⽤ワイヤの離れ量を測定した．測定位置は，左右フランジの加熱順序の上側上端，上側と下- 3 -図 1 対象としたトラス橋

図 2 着⽬した斜材と加熱対象部位側の境，下側下端の計 6 箇所とし，斜材の⾯内と⾯外の変形量を測定した．測定頻度は，加熱前，加熱直後（完了後），温度低下後（常温到達後で加熱完了から 5 時間経過）の 3 回とした．

図 3 加熱順序

加熱順序 1〜24 の加熱が完了した加熱直後は，橋軸直⾓⽅向に左フランジが 2 mm と右フランジが 1mm の変形が⽣じていた．橋軸⽅向は右フランジの下側が 1mm 変形しているが他の測定箇所に変形は⽣じておらず，橋軸⽅向へはほとんど変形していなかった．橋軸⽅向の変形量が⼩さい理由としては，腹板は斜材の部材軸上にあり，熱膨張しても斜材を曲げ変形させる⼒が作⽤しにくいことが考えられる．温度低下後は，橋軸直⾓⽅向に左フランジが 1mm の変形を残していたが，橋軸⽅向は変形量がゼロであり加熱前の状態に戻っていた．
これらの結果では，左フランジと右フランジの橋軸直⾓⽅

図 4 塗膜剥離状況

向変形量に 1 mm の差が⽣じている．フランジは外⾯を先⾏して加熱しているため，フランジの張出部が加熱により内側に変形したことも考えられる．しかしながら，変形量はフランジ張出部先端で測定しており，斜材断⾯全体の変形であるか，あるいはフランジ材⽚の板厚⽅向のそり等による変形であるかは判別が困難である．また，加熱作業途中の変形量も測定していないため，加熱作業の進⾏に伴う変形の変化については不明である．変形量の測定では，フランジと腹板の接合部も測定しておくことなどに加えて，経時的な斜材断⾯全体の計測を検討する必要がある．斜材の- 4 -加熱線

図 5 熱弾塑性解析モデル
許容変形量に関しては，鋼橋の部材精度として，部材⻑ L の圧縮材の曲がり量 L/1000 の規定がある[4]．
加熱時の変形量は L/5000 以下（L≒11.8 m：ガセットプレート間の斜材⻑）で⼩さく，残留変形量も僅かであるため，選定した加熱順序等の条件は妥当であることが確認された．
上述の実構造部材に対する温度測定および変形計測では，現場の制約等により詳細な検討が困難であった．このため，熱弾塑性解析によるシミュレーション[5]を⾏い，本施⼯の妥当性について補⾜的検討を実施した．解析モデルを図 5 に⽰す．トラス部材の上下フランジは⻑さ 11820 mm，幅 300 mm，厚さ 12mm であり，ウェブ（⾼さ 404 mm）とフランジの溶接は考慮せず完全に結合されているものとした．解析モデルはシェル要素で作成し，材料の機械的性質および物理定数の温度依存性は既往の⽂献を参照して決定した[6, 7]．⼒学的境界条件は部材の両端を完全固定し，熱的境界条件は空気中への熱伝達を考慮した．メッシュサイズは⼊熱部には 25 mm×25 mm を採⽤した．⼊熱⽅法は図 5 に⽰すように各加熱線に対してそれぞれ⼀度で⼊熱を⾏うこととし，IH 装置の移動速度を考慮して⼊熱時間を定めた．⼊熱量については，同じ IH 装置を⽤いて実施した既往の実験および解析を参考に，1.2 J/mm2 を表⾯熱流束として与えた[5]．⼊熱時間終了後は，実験において次の加熱線に作業が移⾏するまでの時間を考慮し，各加熱線の作業間に冷却時間を設けた．
実験による加熱順序（図 3）を模擬し，加熱線 1〜24 に対し順次⼊熱を⾏った．各加熱線の⼊熱が他の加熱線の温度に及ぼす影響は⼩さかったため，代表として加熱線 18（下側断⾯，上フランジ外⾯）の加熱線内の平均温度の履歴を図 6 に⽰す．加熱線内を⼀度に⼊熱する⽅法で得られる平均温度であるため，実部材の温度状態とは異なるものの，平均温度の最⾼値は 136℃であった．これは，実験で得られた⽰温ラベルおよび温度チョークによる最⾼温度の推定結果（150℃〜175℃）に⽐べやや低いが，局所的な温度上昇や実験における温度測定精度を考慮すれば，概ね妥当な温度範囲を⽰していると考えられる．
解析により得られたフランジ変形量は 1.0×10-3 mm よりも⼩さかった．実験では，変形計測精度として 1 mm 程度の誤差が含まれるが，実際には加熱による変形はほとんど⽣じていなかった可能性が⽰唆される．部材⻑さ⽅向中央断⾯のウェブ中央位置において，上側加熱終了後，下側加熱終了後および完全冷却後の部材軸⽅向応⼒を図 7 に⽰す．上側加熱，下側加熱終了直後は，加熱部の熱膨張が周辺に拘束されるために-50MPa〜-60MPa の圧縮応⼒が⽣じたが，完全冷却後の応⼒はほぼ零となった．引張部材であり設計上は圧縮⼒に対する抵抗を考慮していない断⾯であるが，加熱中の圧縮応⼒による座屈や過⼤な変形が⽣じることはなかった．
【成果，新たな知⾒】トラス橋の引張斜材に着⽬し，IH 塗膜除去の適⽤性を検証することを⽬的として，IH 塗膜除去に伴う加熱が斜材の変形に及ぼす影響を明らかにするための⼀連の基礎的検討を実施した．

- 5 -

160

101400(MPa)

10080

応力

温度 (℃)

120

60-10-20-30

12step終了直後

40-40

24step終了直後

20-50

完全冷却時

00500

1000

1500

2000

2500

-603000

02000

4000

時間 (s)

6000 8000
X (mm)

10000 11820

図 7 部材軸⽅向の応⼒

図 6 加熱線 18 の平均温度履歴(1) 除去する旧塗膜の塗膜厚等の状態により，IH 塗膜除去による加熱作業時の最適な誘導加熱ヘッドの移動速度が異なることから，予備試験を実施して移動速度を選定した．予備試験で決定したヘッドの移動速度による加熱を実施した場合，加熱時の鋼材表⾯の最⾼温度は 175℃程度であり，鋼材の材質に影響を及ぼすような過度の加熱が⽣じていないことを確認した．
(2)加熱直後のトラス橋の斜材の変形量は 2 mm 程度（部材⻑ L の L/5000 以下）で⼩さく，温度低下後は概ね加熱前の形状に戻ることを確認した．この結果から，引張部材として設計されているトラス橋の斜材は，IH 塗膜除去による加熱を実施した場合において，変形による耐荷性能への影響は⼩さいと考えられる．
(3) 実施⼯を模擬した熱弾塑性解析によるシミュレーションを実施した．装置の移動を考慮せず，各加熱線に⼀度に⼊熱する⽅法により，各加熱線内の平均温度が最⾼で 136℃となることを確認した．
(4) 解析におけるフランジ変形量は 1.0×10-3 mm よりも⼩さく，実際には加熱による変形はほとんど⽣じていなかった可能性が⽰唆された．加熱中の部材には-50MPa〜-60MPa の圧縮応⼒が⽣じたが，完全冷却後の応⼒はほぼ零となった．引張部材であり設計上は圧縮⼒に対する抵抗を考慮していない断⾯であるが，加熱中の圧縮応⼒による座屈や過⼤な変形が⽣じることはなかった．
【今後の⽅向性，予定】本解析では，部材および⼊熱⽅法のモデル化に精度向上の余地があるものの，実際のトラス斜材に適⽤した施⼯条件の妥当性および安全性を⽰す補⾜的データが得られたと⾔える．今後は，解析⼿法の⾼精度化により，実施⼯に先⽴って適切な装置の移動速度や加熱順序などの条件を選定できる技術の確⽴に向けて検討を継続する．
【参考⽂献】[1] ⼩⻄，鈴⽊，⽥中，鮫島，⻄⾕，廣畑：許⽥⾼架橋補修⼯事における IH 装置による塗膜剥離⼯法の適⽤，橋梁と基礎，Vol.51(7)，pp.14-20，2017.7[2] ⼩⻄⽇，井隼，福島，松井，早⽮仕，廣畑：

市川橋における IH 装置による塗膜剥離の試験施⼯，橋梁と基礎，Vol.54(6)，pp.18-23，2020.6 [3]岡部，吉川，⼩野，中村：IH（電磁誘導加熱）による鋼橋の塗膜除去⼯法，橋梁・鋼構造物塗装，pp.
2-10，2014. 9[4] 公益社団法⼈⽇本道路協会：道路橋⽰⽅書・同解説，20.7.2 部材精度，pp.522-523，2017.11[5] 桐畑，廣畑，⼩⻄：⾼周波誘導加熱による塗膜剥離施⼯シミュレーションに関する検討，鋼構造年次論⽂報告集，第 27 巻，pp.707-714，2019.11[6] ⾦，李，猪瀬：すみ⾁溶接で⽣じる⾯外変形の⾼精度予測，溶接学会論⽂集，第 23 巻，第 3 号，pp.431-435，2005. 8 [7] 中川，
鈴⽊：鋼梁の崩壊温度，鋼構造論⽂集，第 6 巻，第 22 号，pp.57-65，1996. 6- 6 -