土木技術資料 54-8(2012)

土研センター

局部腐食が生じた堀切大橋の構造安全性に関する調査検討高橋節哉 ＊ 相原博紀 ＊＊ 中野正則 ＊＊＊ 安波博道 ＊＊＊＊ 落合盛人 ＊＊＊＊＊
1．はじめに 1
愛媛県が管理する一般国道197号堀切大橋は、佐田岬半島の中間に位置し、瀬戸内海岸と太平洋岸とを結ぶ切通し上に架けられた鋼上路式ローゼ橋であｱｰﾁﾘﾌﾞ
下弦横桁下横構る。本橋は、南北両方向からの潮風が常に吹き抜け図-2るため、非常に厳しい腐食環境下に置かれている。

橋梁一般図（図-1,2、写真-1参照）
本橋は供用後25年が経過し、アーチリブ側(下弦側)の現場接合部において、全橋にわたり添接板の（ｱｰﾁﾘﾌﾞ現場継手部）周辺に、腐食による深い減肉が集中して発生していることが確認された。（写真-2,3参照）
そのため、過年度において腐食発生部位の減肉（下弦横桁現場継手部）量の計測とこれを基にした常時およびL2地震時の応力度照査が行われた。その結果、図-3に示すよう下横構下弦横桁にアーチリブ、下弦横桁、下横構の広い範囲において断面補修が必要との見解が示された。

（下横構現場継手部）

これに対し今回の調査検討では、座屈耐荷力算定とL2地震時の応答解析に局部的な減肉を考慮した弾塑性有限変位FEM解析を適用することにより、全箇所とも補修の必要が無いとの結論を導いた。

図-3

ｱｰﾁﾘﾌﾞ

補修必要箇所：：太平洋岸側補修位置：瀬戸内海岸補修位置

堀切大橋の補修必要性評価結果

2．過年度実施の照査法とその問題点

本稿では、過年度に実施した応力度照査の問題

過年度は、建設時の設計計算書の照査式に、設点を指摘した上で、今回実施した照査方法について計板厚の代りに腐食後の減肉板厚を用いる方法によ紹介する。

り照査が実施された。照査概要を以下に示す。
2.1 パネルの局部座屈に関する照査
1)アーチリブ
アーチリブは、写真-2に示すように下フランジ母材が添接板に沿うように全幅にわたり減肉（最大架橋位置★

6.5mm、平均4.7mm）している状況であった。
母材厚14mm

図-1

減肉量平均4.7mm

橋梁位置図

残板厚平均9.3mm

40mm程度

添接板

写真-1

堀切大橋全景────────────────────────
An investigation on structual safety of Horikiri Bridge
damaged of local corrosion

写真-2－ 58 －

アーチリブ下フランジの腐食状況

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この減肉部の照査は、もともとの母材厚14mmか実際にはこのパネルの局部座屈耐力には母材以外にら平均減肉量4.7mmを差し引いた平均板厚9.3mm

添接板の剛性が大きく寄与するため、この部分の座を用いて道路橋示方書（以下、道示）Ⅱ4.2.4によ屈耐力を適切に評価できさえすれば、実際の耐力はり局部座屈の許容圧縮応力度σ calを求め、発生応力十分存在すると考えられる。
なお下横構については、下弦横桁と同様の照査度を照査する方法であった。計算の結果、以下に示結果であるため、本稿では内容記載を省略する。

すように許容圧縮応力度σcalが極端に低下した。
∴座屈パラメータRR=√(σy/σr)

2.2 L2地震時の構造安定性に関する照査=b/t’√(σy/E・12(1-μ 2)/4π2)=0.933<1.0

下弦横桁のフランジは、L2地震時に腐食部の発∴σcal=(1.5-RR)・σta＝119 N/mm2
ここに、σta：全強応力度生応力度が降伏点を越えるとの結果が示された。

210 N/mm2

下弦横桁

U-Flg：

σ=344 N/mm2＞σy（降伏応力度）＝235∴119/210=0.57・・全強応力度の57%まで低下・・・OUT

これにより発生応力度は許容値を超過する結果

この応力超過については、本橋の場合、横桁はとなった。
これは、図-4右に示すようにダイヤフラムで囲ま地震時の直接の応力伝達部材ではないため、仮に当れたパネルが全て減肉していると仮定して座屈耐力部材が降伏点を超えても、全体構造系がこれによりを求めているためであり、実際は、図-4左のように不安定になるとは考え難い。また道示はもともとパネルのごく一部しか減肉しておらず、さらに添接L2地震時において部分的降伏を許容しており、そ板の剛性も期待できるため、このσ calは極めて安全の意味でも降伏点を超過するか否かではなく、腐食側に評価した値であると考えられる。

により全体構造系が不安定になるか否かで補修の要（実際の腐食状況）
添接板減肉箇所否を判断することができると考える。

（応力照査上の仮定）
パネル全体が減肉したと仮定

3．局部腐食を考慮した耐力照査2.で挙げた照査上の問題点について対応すべく、

ﾀﾞｲﾔﾌﾗﾑ図-4

FEM解析により局部的な減肉を有する部材の耐力

アーチリブの局部座屈照査の概念図

2)下弦横桁を算定し、これをもとに部材の安全性を照査した。

下弦横桁は、写真-3に示すように腹板ならびにフアーチリブ下フランジおよび下弦横桁腹板につランジの添接板周辺に減肉が集中的に発生していた。

いては、腐食パネルの局部座屈の許容圧縮応力度σ

このためアーチリブと同様の応力度照査を行おうとcalを求めるために、腐食部の残存板厚や形状をモデしたが、腹板は腐食により平均板厚が薄くなりすぎ、ル化したFEM要素による有限変位解析を実施した。

道示Ⅱ4.2.2の最小板厚規定（b/80：ここにbは腹板

また下弦横桁フランジについては、腐食部がL2地高さ）を満足しないとして局部座屈の照査上、耐力震力により降伏した際の全体構造系の安定性を確認不足として処理された。

するために、同横桁の腐食部をモデル化したFEM

母材厚t=9mm→減肉部の平均板厚t’=3.5mm（ファイバー）要素による時刻歴応答解析を実施し∴b/80＝6.3＞3.5・・・OUTた。
腐食減肉

3.1 パネルの局部座屈照査
1)アーチリブ
アーチリブ下フランジの局部座屈耐力を評価するためのFEM解析モデルを図-5に示す。解析モデ
ルには腐食による減肉以外に添接板もモデル化した。
また対象パネルにはL/1000の初期不整をモデルの座標値として考慮した。なお解析は、比較のために腐食有りと無しの2ケースについて行った。

下弦横桁の腐食状況

解析の結果、図-6に示すように腐食が有る場合はこの腹板への最小板厚規定の適用については、無い場合に比べ低い荷重ステップで不安定となった

写真-3－ 59 －

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土研センターﾌﾗﾝｼﾞ母材

σcal=0.79σta=167N/mm2

溝状腐食②
縦ﾘﾌﾞ

溝状腐食①

溝状腐食②
溝状腐食①

添接板

図-5

母材の切れ目

アーチリブ下フランジ解析モデル

道示Ⅱ図-解4.2.4

基準耐荷力曲線

腐食あり

：腐食無し

2.52εy2.0

ひずみ（ε/εy）

RR=0.707

図-7

腐食なし

フランジ中央ひずみ：腐食有りが判明し、その結果発生応力度は許容値を超えないことが分かった。

1.5な お 、 本 FEM 解 析 で 得 ら れ た 耐 力 （ 最 大 荷 重1.0※この 領 域 は解 析 がす でに不安定となっているた
め、工 学 的 には意 味 を持たない領域

0.5STEP17STEP26値）は、初期不整や縦リブによる偏心の影響を考慮0.0051015202530354045した耐力であり、この値を真の耐力とみなすことも50STEP※ここにSTEPとは、荷重増分法によるFEM解析の増分ステップを意味する。

図-6

アーチリブ下フランジ解析結果考えられた。しかしながら、初期不整の設定方法や残留応力の影響等、本解析方法だけでは評価しきれが、その低下率は腐食による断面欠損率にほぼ比例ない不確定な要因が他にも存在するため、安全側のしていた。これは減肉により単に断面欠損分しか座判断として、図-7に示す道示の基準耐荷力曲線によ屈耐力が低下しないことを意味する。

り定義される耐力の低減率を考慮した。

本検討では、腐食有りの時の最大ひずみ(2ε y)を2)下弦横桁

もとに、以下に示すように、道示Ⅱ図-解4.2.4（図下弦横桁腹板の解析モデル、解析結果を図-8、9-7）に示す基準耐荷力曲線に照合して、σ calを求めに示す。図-9をもとに許容圧縮応力度σ calを計算しることとした。

た結果、最小板厚を満足しなくとも以下に示す通り座屈パラメータRR：

局部座屈の許容圧縮応力度は全く低下しないことがRR =√(σy/σr)≡√(εy/εcr)＝√(εy/2εy)

確認できた。
RR =√(σy/σr)≡√(εy/εcr)＝√(εy/4εy)=√(0.5)＝0.707<1.0 （参考：2.での値=0.933）∴σcal=(1.5-RR)・σta＝167 N/mm

2＝√(0.25)＝0.500（参考：2.での値=119 N/mm ）∴σcal=210 N/mm2

なお、上式中「≡：合同の記号」は、今回の解溝状腐食②2

溝状腐食①溝状腐食②

溝状腐食①

析が弾性座屈解析ではなく、塑性を考慮した有限変位解析であることから、本来の道示式に示すσr（オイラーの理想座屈耐力）、σ y(降伏点)の代わりﾌﾗﾝｼﾞ母材に、これらに相当するパラメータとして本解析によ添接板り得られた最大ひずみε crと降伏ひずみε yを使用し母材の切れ目図-8たことを意味する。

下弦横桁腹板解析モデル
アーチ横桁ＷＥＢ

腐食なし

ひずみ

腐食あり
6.0

参考までに減肉の無い一般断面（t=14mm）の場
ひずみ（ε/εy）

合、座屈パラメータおよび許容圧縮応力度は以下となる。
RR=b/t√(σy/E・12(1-μ2)/4π2)=0.620<1.0∴σcal=(1.5-RR)・σta＝185 N/mm

2：腐食無し5.0：腐食有り

4εy4.03.02.0

STEP51

STEP821.0このように本検討の結果、腐食パネルの局部座屈の許容圧縮応力度σ cal は、過年度に算定した値(119 N/mm2)に比べ、167 N/mm2とかなり大きいこと－ 60 －0.00102030405060708090STEP

図-9

下弦横桁腹板解析結果

100

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腐食無しと比較すると塑性領域は全く拡大していな

3.2 L2地震時の構造安定性照査
腐食が生じた下弦横桁フランジがL2地震時においことが分かった。このことから下弦横桁は、L2いて部分的に降伏するという過年度照査の結果を受

地震時において全体構造系の安定性には無関係であけ、その応力の発生状況を確認すると同時に、全体り、したがって同腐食部が部分的に降伏しても問題構造系の安定性を確認するため、以下に示すファイないことを確認した。

バー要素を用いた時刻歴応答解析を行った。図-10、図-11に腐食部をモデル化したファイバー要素と全4．まとめ体解析モデルを示す。解析は比較のため腐食有りと無しの両方について行った。

力評価を前提としていないため、過年度の照査方法

解 析 の 結 果 を 図 -12に 示 す 。 同 図 の 腐 食 有 り を①⑤②⑥③⑦④⑧② ⑫

⑤ ⑮

起点側

改めてFEM解析を用いて、局部的な減肉を有する：減肉要素④ ⑭
終点側⑥ ⑯

減肉要素の板厚には、腐食による減肉後の板厚を入力。

部材の局部座屈耐力やそれが全体構造系に及ぼす影響について評価する方法を採用した。以下にこの検⑦ ⑰⑧ ⑱討結果を総括する。

⑨ ⑲⑩ ⑳①⑤

図-10②⑥のように、この式に減肉部の断面性能を入れて照査する方法には無理があった。そのため本検討では、① ⑪③ ⑬

もともと道示の照査式は局部的な減肉断面の耐③⑦① アーチリブおよび下弦横桁腹板に関し、局部的④⑧な減肉を有する部材について、腐食部をモデル下弦横桁の腐食減肉を考慮したファイバー要素モデル化したFEM解析をもとに座屈耐力を算定した。
その結果、パネル全体が一様に減肉したと仮定して求めた耐力よりもかなり大きいことが分かった。

：ﾌｧｲﾊﾞｰ要素② 下弦横桁フランジに関し、減肉による局部の降

：棒要素

図-11

伏が全体構造系の安定性に影響をおよぼすか否

L2地震時の解析モデル

かを、腐食部をモデル化したファイバー要素に凡例よる全体有限変位解析（時刻歴応答解析）によ：1<ε/εy<2：2 <ε/εy<4

り照査した結果、当該部位の降伏に関係なく全体構造系は安定であることを確認した。
③①、②のように、部分的な減肉が局部座屈耐力や全体構造系の安定性に及ぼす影響を適切に評価することにより、本橋の場合、全ての腐食箇所について補修不要との結論を得た。
以上の検討結果を踏まえ、今後は、他橋にもこ腐食なし

図-12

腐食あり

L2地震時の解析結果（塑性領域図）

高橋節哉*

相原博紀**

愛媛県土木部道路都市局道路維持課主幹（前愛媛県南予地方局八幡浜土木事務所 道路課課長）
Setsuya TAKAHASHI

愛媛県土木部道路都市局道路維持課道路保全係担当係長（前 愛媛県
南予地方局八幡浜土木事務所 道路課道路ｸﾞﾙｰﾌﾟ専門員）
Hiroki AIBARAの考え方や手法を適用し、さらなる維持管理コストの縮減を図っていきたい。

中野正則***

一般財団法人土木研究センター審議役
Masanori NAKANO－ 61 －

安波博道****

落合盛人*****

一般財団法人土木研究センター 材料・構造研究部長、博(工)Dr.Hiromichi YASUNAMI

一般財団法人土木研究センター 材料・構造研究部次長Morito OCHIAI