阪神高速道路第 50 回技術研究発表会論文集

維持管理性に配慮した鋼箱桁中間ダイアフラム
開口形状の標準化に向けた検討赤松伸祐1・青木康素2・杉山裕樹3
1(一財)阪神高速道路技術センター調査研究部調査研究第二課
2 技術部技術推進室
3 建設･更新事業本部神戸建設所設計課

要約
維持管理性に配慮した鋼箱桁中間ダイアフラムの開口形状については，個別の構造条件において検討が進められてきたが，標準化に向けた検討は行われていない．そこで本検討では，ダイアフラムに求められる要件を整理した上で必要と考えられる照査項目を抽出し，連続合成細幅箱桁橋を対象としたケーススタディを行った．

キーワード: 中間ダイアフラム，開口形状，維持管理

１．はじめに11月に改定された道路橋示方書･同解説 9) （以下，｢H29道示｣という）において，中間ダイアフラムに求められる要件を確認した上で，各要件を検証するために必要と考えられる照査項目を列挙する．
また，照査項目のうち，桁およびダイアフラム断面の設計でこれまでに抽出してきた代表的な応答に着目し，連続合成細幅箱桁橋において中間ダイアフラムの開口形状を変化させて，列挙した項目が照査の必要があるかどうか試行的に検討した．

鋼箱桁の中間ダイアフラムの設計については，道路橋示方書に具体的な手法が示されておらず，｢鋼道路橋設計便覧（昭和55年8月）｣ 1) （以下，｢S55設計便覧｣という）に示されている方法が一般的な設計手引きとなっている．S55設計便覧では，直線橋を対象とした検討2)から中間ダイアフラムの必要間隔と必要剛度が与えられており，その後も曲線桁等への適用や中間ダイアフラムの設計合理化に向けた検討3)～6)が行われているが，基準等には２．設計手法の標準化に向けた検討手順反映されていない．
一方で，近年，維持管理性の重要性が高まって拡大開口を有する中間ダイアフラム開口の設計
おり，鋼箱橋においては，点検等の作業時に箱桁手法の標準化に向けた検討手順を以下に示す．
内を頻繁に通過する必要があるため，ダイアフラムに設けられている開口の拡大が求められている． 1) ダイアフラムに求められる要件の確認：H29道示における橋の性能，要求性能を照査法方を確認
これに対し，阪神高速道路では，個別の構造条件した上で，ダイアフラムに求められる要件を確において，FEM解析による性能評価を行った上で，認する．
ダイアフラムの開口を拡大している 7),8) が，標準化
2) 要件を満たすために照査してきた項目の整理：に向けた整理はされていない．
S55設計便覧に示されている一般的な設計手法に中間ダイアフラムは，橋が耐荷性能を発揮するよって照査されている項目を整理する．
ための前提として要件が定められているが，その3) 要件を検証するための照査項目の列挙：中間ダ要件を検証するために必要な照査項目が明確ではイアフラムに求められる要件に対応する現象をない．そのため，拡大開口を有する中間ダイアフ具体化し，その照査項目を列挙する．
ラムの設計手法を標準化するためには，要件を満4) モデル橋を対象としたケーススタディ：モデル
足するために必要と考えられる照査項目を列挙し橋を対象としたケーススタディにより，開口形た上で，設計上クリティカルとなる項目を抽出す状が桁およびダイアフラム断面の設計でこれまる必要がある．
でに照査してきた代表的な応答に及ぼす影響をそこで，ここでは，拡大開口を有する中間ダイ分析する．
アフラムの設計手法の標準化に向けて，平成29年

材の腐食と疲労，鉄筋コンクリート床版の損傷及び支承や伸縮装置の破損となっている．そのため，
H29道示において，鋼部材の耐久性能については，橋の性能は，H29道示 Ⅰ共通編の“用語の定義”に規定されており，｢橋の耐荷性能や耐久性能， ｢経年的な劣化として，少なくとも鋼材の腐食及び疲労は考慮しなければならない．｣とされている．
その他使用目的との整合性を満足するために必要また，耐久性能は，耐荷性能の前提条件であり，な性能から構成される一連の性能｣としている．ま橋の設計供用期間中の更新を前提としない鋼部材
た，図-1に示すように，耐久性能は，耐荷性能のの設計耐久期間は橋の設計供用期間（100年）とさ前提と位置付けられている．
れている．
橋の耐荷性能を照査するにあたって，橋全体系をシステムとして捉えて橋の限界状態を評価する方法に標準的な考え方は確立されていない．その４．要件を満たすために照査してきた項目
ため，図-2に示すように，部材等の限界状態で橋の限界状態を代表させる構成となっている．
前述のように，鋼箱桁橋の中間ダイアフラムに(設計供⽤期間を通しての)ついては，従前より道示には具体的な設計手法が使⽤⽬的との適合性示されておらず，S55設計便覧に示されている手法(耐荷性能として担保される)(耐荷性能の前提としての)で一般的な設計が行われてきている．
構造物の安全性
耐久性能
S55設計便覧において，ダイアフラムの効果は，その他使⽤⽬的との適合性を達成するために必要な性能①断面形状を保持する，②剛性を増大させ，応力・例：不快感、不安感を⽣じさせないたわみを減少させる，③局部集中荷重を円滑に桁に伝え・例：フェールセーフ
る，でとあり，特に①に着目して，式(1)及び式(2)により，必要間隔と必要剛度の照査式を与えてい図-1 H29道示に規定される橋の性能の定義
る．

３．中間ダイアフラムに求められる要件

橋の限界状態
例：橋の限界状態１橋としての荷重を⽀持する能⼒が損なわれていない限界の状態代表させてよい上部･下部･上下部接合部の限界状態
例：上部･下部･上下部接合部の限界状態１
部分的にも荷重を⽀持する能⼒の低下が⽣じておらず、耐荷⼒の観点からは特別の注意なく使⽤できる限界の状態代表させてよい部材(桁･床版等)の限界状態
例：部材の限界状態１
部材等としての荷重を⽀持する能⼒が確保されている限界の状態
みなしてよい部材(下フランジ･ウェブ･ダイアフラム等)の設計原理での照査基準

図-2 橋の限界状態と部材の限界状態(耐荷性能)の関係

Lu ≦ 50 
Lu ≧ 50 LD ≦ 6LD ≦ 0.14 Lu  1(1)ただし， LD ≦ 20

LD：ダイアフラムの間隔 m L：等分布荷重に対する等価支間長 m uK ≧ 20

EI DW3LD(2)K：ダイアフラムの剛性 kNm 

LD：ダイアフラムの必要 間隔m  I DW：箱桁の断面変形に対 するずり定数 m 6

E：鋼のヤング係数 kN/m2

(1) 耐荷性能
鋼桁は，荷重の増加に対して，フランジや腹板の降伏や座屈，鋼桁の横倒れ座屈等により，可逆性を失ったのちに，桁の著しい変形が生じたり，最大強度に達することから，鋼桁が可逆性を有する限界の状態を鋼桁の限界状態1，荷重を支持する能力が大きく低下するような変形又は鋼桁の最大強度点を鋼桁の限界状態3と捉えている．この鋼桁の限界状態1を超えないとみなす前提として，13.9に“ダイアフラム等による補剛”が規定されており，｢箱型断面の鋼桁の設計にあたっては，ダイアフラム等の補剛により断面形状が保持できる構造とするとともに，集中力の作用点では力の伝達が確実となるようにする．｣とされている．だたし，具体的な設計設計法については，解説文においてS55設計便覧を参考としている．
(2) 耐久性能
耐久性能に係る鋼橋の主たる損傷形態は，鋼部

ダイアフラム間隔 LD (m)201510σDW：断面変形に伴って生じる付加応力度
σa ：許容曲げ応力度

65004080120160200

等価支間長 Lu (m)図-3 ダイアフラムの間隔

この照査式は，剛なダイアフラムをある程度密に配置すれば箱桁のラーメンの剛性の影響がほとんどなくなり，ダイアフラムの面内剛性を考慮すれば十分であるとして提案されたBEAMアナロジーを適用し，鋼床版単室箱桁に偏心活荷重を載荷させた場合の断面変形に伴うずり応力(主桁フランジに作用する二次応力)に着目して規定されている．
具体的には，幅員方向に1/2の活荷重を偏載荷させたときに生じるずり応力が許容応力度の2～6%程度になるように設定された式である．ずり応力が最大となる載荷状態と活荷重応力が最大となる載荷状態は異なるが，支間長が長くなると死荷重応力の割合が大きくなるため，図-3に示すように，支間長が大きいところではずり応力度を許容応力度の2%程度とし，支間長が短いところではずり応力度を許容応力度の6%程度としている1)．また，局部荷重を円滑に桁へ伝達するために，横桁及びブラケット取り付け部には中間ダイアフラムの設置を義務付けている1)．
鋼部材の耐久性能について，S55便覧において照査は規定されていない．

ランジおよびウェブの降伏・座屈が生じないようにする必要があると考えて照査項目を抽出した．
耐久性能に関して，S55設計便覧では照査が規定されていないが，耐荷力を減少させないためには，表-2に示すように，少なくとも鋼材の疲労損傷を防ぐ必要があると考えて照査項目を抽出した．主桁系溶接部の疲労に対しては，ダイアフラム剛度の変化に伴う付加応力を考慮した主桁の一次応力に対する溶接部の疲労照査が必要であると考えた．
また，ダイアフラムの疲労に対しては，切欠き形状に起因する応力集中部，縦リブ交差部の溶接部およびダイアフラム補剛材取付け部の疲労を照査項目として抽出した．

６．モデル橋を対象としたケーススタディ
５．要件を検証するためのアプローチ手法
３章に整理したダイアフラムに求められる要件を具体化し，各要件に対応する現象とその現象に対して必要と考えられる照査項目を抽出した．
耐荷性能に関して，S55設計便覧では，箱断面の変形によるずり応力が主桁フランジ応力に影響を及ぼさないように必要間隔と必要剛度が規定されており，ずり応力を付加した主桁フランジの降伏・座屈を照査してきたといえる．箱断面形状を保持するためにはダイアフラム自体の剛度を照査する必要があるが，この照査によって設計された中間ダイアフラムを有する鋼桁が耐荷性能上問題となっていないことから，結果的に必要剛度を満足してきたと考えられる．ここでは表-1に示すよ
うに，中間ダイアフラムに求められる要件に対して，ダイアフラムの面内座屈・面外変形，主桁フ表-1(1) 対象橋梁と検討構造
検討対象橋梁を図-4に示す．検討対象橋梁は，阪神高速で作成中である標準図のモデル橋とした．
橋長は約180m，幅員は27.25mの3径間連続合成細幅箱桁橋の直橋である．床版形式は厚さ130mmの超高強度繊維補強コンクリート床版であり，2.5m間隔で配置された横リブを床版支間とする構造である．また，主桁本数は3本であり，主桁断面はウェ
ブ高2.5m，フランジ幅1.5mである．
検討対象とするダイアフラム開口形状は，以下の通りとした．
a) 標準的な開口形状(図-5(a))
標準的な開口の形状は，高さ1300mm×幅500mmであり，下フランジから開口下端までの立ち上がり高さは500mmである．
b) 維持管理に配慮した拡大開口形状(図-5(b))
拡大開口形状の形状は，補修時における箱内へ鋼桁の耐荷性能の観点からダイアフラムに求められる要件と照査項目（案）中間ダイアフラムに求められる要件

断面形状を保持することによって，フランジやウェブの降伏や座屈による桁の著しい変形を防ぐ

対象とする現象照査項目(案)

ダイアフラムの面内座屈

ダイアフラムの最大せん断応力度
ダイアフラム補剛材の垂直応力度
ダイアフラム開口フィレット部のミーゼス応力

ダイアフラムの面外座屈主桁ウェブ間のずれ量
ダイアフラムの板曲げ応力度

主桁フランジの降伏・座屈

ずり応力を付加したフランジ応力度

主桁ウェブの降伏･座屈

ウェブのせん断応力度
ウェブの合成応力度

ダイアフラムの配置

横桁及びブラケット位置との整合性

ダイアフラムの座屈

ダイアフラムと補剛材の垂直応力度

集中力作用点での力の伝達を確実にする

表-2

鋼部材の耐荷性能の観点からダイアフラムに求められる要件と照査項目（案）中間ダイアフラムに求められる要件

対象とする現象
主桁系溶接部の疲労

ダイアフラム剛度の変化に伴う付加応力を考慮した
主桁の一次応力に対する溶接部の疲労照査

ダイアフラムの疲労

切欠き形状に起因する応力集中部の疲労照査
縦リブ交差部の溶接部の疲労照査
ダイアフラム補剛材取付け部の溶接部の疲労照査

鋼材の疲労によって，ダイアフラムの耐荷力を減少させない

鋼材の腐食によって，ダイアフラムの耐荷力を減少させない照査項目(案)―

箱断面内に配置される部材であるため，照査不要

C1C2C3C4C7C6C5C8図-4 検討対象橋梁
1-Rib. 300×12

700

t=9ブラケットt=9①②③t=9横桁

1-Rib. 210×10t=9t=9④⑤
1-Rib. 210×10

1-Rib. 210×10500

1300

2500

1-Flg. 300×12⑥500

⑦⑧500

500

1-Flg. 360×19
1-Rib. 360×19

1-Rib. 360×191500(a)標準的な開口形状(ケース１)

700

1-Rib.300×12
ブラケット

t=9①t=9②③t=91-Rib. 210×10t=9t=91-Flg. 300×1214002500

横桁④(3) 検討モデル
フランジに付加されるずり応力度，ダイアフラムのせん断応力度およびダイアフラム補剛材の垂直応力度については，一定せん断流パネル要素を用いた全体形立体骨組みモデル 10)（以下，｢せん断パネルモデル｣という）を用いた．また，ダイアフ
ラム開口フィレット部の応力は，せん断パネルモデルで把握できないため，着目部位を抽出した上で，FEモデルを用いた．

⑤1-Rib. 210×10

1-Rib. 210×10400

大せん断応力度・ダイアフラム補剛材の垂直応力度・ダイアフラム開口フィレット部のミーゼス応力）について，ケース１とケース２の応答値を抽出して比較を行った．

⑥⑦⑧1000250

1-Flg. 360×19250

1-Flg. 360×191500(b)維持管理に配慮した拡大開口形状(ケース２)
図-5 中間ダイアフラムの開口形状の機材搬入等の作業性を考慮し，高さ1400mm×幅1000mmとした．また，下フランジから開口下端までの立ち上がり高さは，箱内移動時の負担軽減のために400mmとした．
(2) 照査項目
表-1及び表-2に示した照査項目（案）の設計での照査の必要性を検討するため，本稿ではまずこれまでの設計で抽出してきた代表的な項目に着目して応答を抽出した．
具体的には，フランジの降伏・座屈に対する照査項目として抽出したフランジに付加されるずり応力度と，ダイアフラムの面内座屈に対する照査として抽出した3つの照査項目（ダイアフラムの最(4) 主桁フランジの降伏・座屈に対する照査
主桁フランジの降伏・座屈に対する照査として，箱断面の変形に伴ってフランジに付加される応力度を抽出した．荷重の載荷状態は，図-6に示すように，橋体のねじり荷重が最大となるように，各径間の橋梁中心線から片側にB活荷重を偏心載荷した．
G2桁における橋軸方向のずり応力分布図を図-7に示す．上フランジは床版により拘束される影響でずり応力が小さいため，下フランジのずり応力に着目した．応力分布図からは，ケース１とケース２の顕著な違いは確認できない．
また，どちらのケースにおいても，ずり応力度が最大15N/mm2 程度発生しているが，主桁のねじりモーメントが最大となるような活荷重の載荷状態は，主桁の曲げモーメントが最大になる載荷ケースと異なるため，主桁の断面設計には影響を及ぼさないと考えられる．

表-3 ダイアフラムの最大せん断応力度
最大せん断応力度
τ(N/mm2)

部位
板厚t(mm)
桁

パネル

ケース１

ケース２

ケース２
ケース１

①18.8

24.4

1.29

②

38.1

30.2

0.79

③

15.4

22.4

1.45

27.5

36.8

1.34⑤

31.1

43.8

1.41

⑥

16.1

38.9

2.42

⑦

25.5

25.8

1.01⑧

22.8

38.3

1.68

G
1
桁

図-6 B活荷重の載荷状態
D(σ2L-σ2R)/2
13.68
8.80
3.95

4.48

5.55

Lmax(σ2L-σ2R)/2Lmin(σ2L-σ2R)/28.80

5.50

5.52
3.54

5.59

3.60

4.49

第2
径間
支間
中央C8④93.74

1.38

1.31

表-4 ダイアフラム補剛材の垂直応力度-3.95 -4.48-3.54-3.60-5.55 -5.50-5.52 -5.59-8.80-4.49 -3.74-13.68

垂直応力度σ(N/mm2)

部位

-8.80

部
材

断面(mm)
桁

節点

ケース１

ケース２

ケース２
ケース１

C1-48.3-67.2

1.39

C2-59.5

-88.8

1.49

C3-64.5-97.6

1.51-62.8-94.1

1.50-56.4-81.4

1.44

C6-57.2-82.6

1.44C7-61.9-94.11.52

C8

-66.9

-102.1

1.53

C1-43.7

-40.5

0.93

C2-46.0

-42.3

0.92

C3

-46.3

-42.4

0.92

-45.7

-41.7

0.91

-45.9

-42.6

0.93

C6

-43.7

-44.3

1.01

C7

-46.4

-42.4

0.91

C8

-46.4

-42.3

0.91

C1

22.0

17.7

0.80

C2

37.5

31.7

0.85

C3

40.4

36.1

0.89

38.6

34.1

0.88

34.4

30.3

0.88

C6

35.1

30.8

0.88

C7

39.0

34.5

0.88

C8

42.0

37.0

0.88

下フランジ

(a) 標準開口形状(ケース１)
D(σ2L-σ2R)/213.66

4.55-3.95 -4.55

5.79

Lmin(σ2L-σ2R)/2

9.10

5.78

5.81

5.84

3.51

3.46-3.46-3.51-5.79 -5.78-5.81 -5.84-9.11

4.56-4.56

3.74

垂直補剛材

9.11
3.95

Lmax(σ2L-σ2R)/2C4G1C5210×10-3.74-9.10-13.66

下フランジ(b) 拡大開口形状(ケース２)
図-7 G2桁下フランジのずり応力分布図
上側水平補剛材
下側水平補剛材(5) ダイアフラムの面内座屈に対する照査a) ダイアフラムの最大せん断応力度
ケース１およびケース２のダイアフラムの最大せん断応力を表-3に示す．ダイアフラムの最大せん断応力度は，ほぼ全てのパネルにおいてケース１よりケース２のほうが大きくなる傾向があり，その増加量は最大で15N/mm2程度であった．今回の対象は直橋かつ道示の最小板厚規定に市場性を考慮した厚み(t=9mm)であったため，板厚には影響を及ぼさなかったが，増加率では2倍を超えるパネルも見られており，拡大開口を適用する場合には照査が必要な項目と考えられる．
b) ダイアフラム補剛材の垂直応力度
ダイアフラム補剛材の垂直応力度を表-4に示す．
垂直補剛材の応力度は増加しており，その増加量は最大で50N/mm2 程度であった．増加率は1.5倍程度であり，拡大開口を適用する場合には照査が必要と考えられる．水平補剛材については，発生応力度に差はほとんど見られなかった．
c) フィレット部の応力に及ぼす影響
ダイアフラム開口フィレット部の応力状態については，ずり変形による応力度が大きいG1桁C3ダイアフラムを抽出してFEM解析により，影響を分C4G1C5C4G1C5300×12360×19析した．FEM解析は，汎用有限要素解析プログラ
ムFEMAP with NX Nastranを用いた弾性解析とした．
モデル化の範囲は，図-8に示すように対象ダイアフラム前後の1格点を対象とし，コンクリート床版はソリッド要素，鋼部材はシェル要素でモデル化

(a) 標準開口形状(ケース１)
図-8 解析モデル図

図-9 活荷重の載荷状態した．活荷重は，図-9に示すように，せん断パネルモデルによって算出した箱断面の最大ずり変形を再現する載荷状態を特定して載荷させた．
FEM解析から得られたVon mises応力分布を図-10に示す．開口周りの応力に着目すると，母材R部に応力集中が見られ，応力集中部の最大値は，全てコーナー部においてケース２がケース１より1.3～1.6倍程度大きくなった．弾性解析のため得られた応力を絶対評価すること，また応力集中部の最大値を評価することは難しいが，ケース２ではフィレット部に降伏点を越える局所的な応力が発生していることや，横桁にまで応力集中の影響が及んでいることを考慮すると，むやみに開口形状を大きくすることは危険であると言える．

７．まとめ
橋の性能，桁の限界状態からダイアフラムに求められる要件と各要件を検証するために必要と考えられる照査項目を抽出した．また，直橋を対象としたケーススタディから，これまで抽出してきた代表的な応答に着目して拡大開口の影響を分析したところ，ダイアフラムの最大せん断力や垂直補剛材の垂直応力度に増加傾向が見られた．また，開口フィレット部に局所的な応力が見られたことから，将来的に設計での照査項目となりえる可能性がある．
今後，今回分析できなかった項目に対して応力性状に及ぼす影響分析を進めるとともに，曲線橋を対象とした同様の検討を実施したい．

(b) 拡大開口形状(ケース２)
図-10 Von mises応力図

参考文献
1) 社団法人日本道路橋会：鋼道路橋設計便覧，昭和55年8月
2) 坂井藤一，長井正嗣：鋼箱桁橋の中間ダイアフラム設計法に関する一試案，土木学会論文報告集，No.261，pp.21-34，1977.5
3) 坂井藤一，長井正嗣：曲線鋼箱桁橋の中間ダイアフラム設計法に関する一提案，土木学会論文報告集，No.305，pp.11-22，1981.1
4) 中井博，村上泰男：ダイアフラムを有する曲線箱桁橋のずり応力の解析と設計への応用，土木学会論文集，No.309，pp.25-39，1981.55) 小松定夫，長井正嗣：中間ダイアフラムの新しい設計法に関する研究，土木学会論文報告集，No.326，pp.5162，1982.106) 田中賢太，酒井修平，若林大，長井正嗣：鋼箱桁の維持管理を考慮した中間ダイアフラムの設計手法に関する検討，鋼構造論文集，第21巻第81号，2014年3月
7) 石井博典，篠原聖二，杉山裕樹，金治英貞，金澤宏明，
長井正嗣：維持管理作業性に配慮した鋼箱桁ダイアフ
ラム開口形状の設計と解析的検証，鋼構造論文集，第21巻第83号，2014.98) 杉山裕樹，小林寛，石井博典，長井正嗣：維持管理性に配慮した鋼箱桁中間支点上ダイアフラムの開口形状の検討，第70回年次学術講演会，Ⅰ-612，2015.99) 日本道路橋会：道路橋示方書・同解説（Ⅰ共通偏，Ⅱ鋼橋編），丸善，2017.1110) 国土技術政策総合研究所資料：鋼道路橋の合理的な設計解析手法に関する研究－一定せん断流パネルを主体とした鋼道路橋の設計手法－，国総研資料第841号，2015.3