技報第 29 号

2018

供用中鋼道路橋の溶接継手部に対するピーニング系工法による予防保全効果の検証
阪神高速技術(株)技術部技術統括・開発課
塚本 成昭
阪神高速技術(株)技術部調査点検課
坂根 英樹
阪神高速道路(株)大阪管理局保全部保全設計課 柿木啓………………………………………………………………………………
要旨

既設鋼道路橋の溶接継手部に対する疲労強度改善のための補強・予防保全対策として，ピーニング系工法の適用可能性を検討した．ここでは，PPT，UIT，ICR の 3 つのピーニング系工法を抽出し，その疲労対策効果について板曲げ振動疲労試験を行いその効果を確認した．また，施工性について，過去にデッキプレートとコーナープレートの溶接線上にデッキ貫通き裂が発見された湾岸線大和川橋梁において，前述の 3 工法に加え SmartZIC 工法を加えた 4 つの予防保全対策工の試験施工の結果，施工条件や規模により現場施工性は大きく異なることを明らかにした．
キーワード: 鋼床版，き裂，予防保全，ピーニング，施工性

き裂に対する予防保全的な対策（以下，予防保全）

はじめにとしてデッキプレートにSFRCが施工されつつあるが，施工効率に加え，施工時の交通規制に伴う交阪神高速道路では構造物の高齢化に伴い，鋼構通影響の点で大きな課題がある．また，疲労につ造物では鋼床版を始めとして疲労損傷が増加していて配慮の乏しい古い鋼橋において，横桁が主桁

1)いる ．鋼床版では，デッキプレートを貫通するを貫通するような低等級な溶接継ぎ手部からの疲(a)鋼床版上面より(b)箱桁内部より

図-1 コ－ナープレート（C-PL）とデッキプレート（D-PL）溶接部のき裂- 41 -

労損傷の懸念がある2)．これらに対し，疲労損傷

現地試験施工を行い各工法の施工性を評価した．

部に対する補修工法と同様の当て板による予防保本稿では，各工法について試験体による疲労対

全は，全対象箇所への対策を考慮すると，施工効策効果に加え，現地試験施工時における施工効率，率の点で課題が大きい．そこで，交通影響が少な騒音などについても報告する．

く，高い施工効率が期待できるピーニング系工法に着目し，実橋における施工を再現した環境で作

1．試験体の作成概要と試験方法成した試験体の疲労試験により，供用中の鋼橋に対するピーニング系工法の疲労対策としての予防

本検討では図-1 に示す鋼床版箱桁内主桁ウェ保全効果を検証した．この検証では，阪神高速道

ブのコーナープレートとデッキプレートとの溶接路4号湾岸線大和川橋梁の鋼床版箱桁内主桁ウェ

止端部からデッキプレートを貫通するき裂に対すブのコーナープレート（以下，C-PL）とデッキプる予防保全を想定とした検証を行った．C-PL とレート（以下，D-PL）との溶接止端部からD-PLをD-PL の溶接線を模した試験体（図-2）を，実橋貫通するき裂（図-1）に対する予防保全を想定し， における施工と同じ施工条件を再現して箱桁内に4つのピーニング系工法について実橋における施設置後（図-3），ピーニング施工することで作成工を再現した試験体を用いた．さらに，C-PLとD-した．その後，ピーニング箇所における残留応力PLの溶接線に対しそれぞれの工法について75mのの計測および図-4 に示すような板曲げ振動疲労

図-2 疲労試験体寸法

図-3 箱桁内における試験体に対するピーニング施工例- 42 -

試験機を用いた疲労試験により疲労対策効果を検ムが異なるため，疲労強度の評価から除外した．

証した．

また，各試験体に対し cos 法を用いた X 線回折

なお，本検討ではピーニング系工法として法 7)による残留応力を計測した．表面形状の制約

PPP3) ，UIT4)， ICR5)（一般的に ICR はき裂損傷

により，溶接止端上の残留応力の計測は困難であに対する補修工法であり，予防保全に用いる名称ったので，図-5 に示す通り計測位置は，溶接止ではないが，ここでは一般的に認知されている端から 5mm，10mm 離れた位置とし，計測のためφICR と 呼 称 す る ）， コ ー ル ド ス プ レ ー 工 法8mm，深さ 0.1mm を電解研磨した．残留応力は試6)（SmartZIC 工法，以下 SZ） を選定した．それ験体に対し各 2 回計測した．それぞれの試験体のぞれの工法の概要を表-1 に示す．なお，SZ は粉平均の残留応力を表-2 に示す．溶接止端から末金属の投射であり，その他 3 工法とのメカニズ

10mm 離れた位置 A，B の残留応力の計測値は，各575

固定端C15075BA
10図-5 残留応力の計測位置

図-4 疲労試験状況

表-1 ピーニング系工法概要一覧

Δσ[N/mm2]r

試験体名

A(10mm)B(10mm)r
A(190)

200

表-2 各種試験体の残留応力の平均値（N/mm ）2R

B(155)

C(5mm)

C(125)

AW

91

114

34100
80

UIT

103

106-2660

PPP5896-27ICR

3799

740

20

D(100)
E(80)

Bending Test(R= 1)
AW2
UIT2
PPP2ICR2r:rootき裂
510106F(65)
G(50)
H(40)
710

図-6 各工法の疲労試験の結果（R＝-1）- 43 -Nf試験体で大きな差はなかった．溶接止端から 5mmにて疲労試験したが，それぞれ繰返し回数が離れた位置では，全工法とも最初に溶接のまま1,000 万回に達した．次に応力範囲を 240N/mm2 に（As weld，以下 AW）やそれぞれの 10mm 離れた上げて再度疲労試験したところ，UIT は繰り返し

位置 A，B と比較して溶接止端部近傍の引張残留回数が 1,000 万回に達したのに対して，PPP と応力が大きく低下し，中でも PPP，UIT では圧縮

ICR は溶接ルート部からき裂が発生した．各試験残留応力が計測された．ICR も 5mm の位置 C では， 体の S-N 関係を図-6 に示す．横軸 Nf は疲労き裂
圧縮残留応力ではないものの溶接止端部近傍の引が試験体の縁に達して試験を終了した際の繰返し張残留応力が大幅に小さくなっていた．

回数を示している．繰返し回数が 1,000 万回に達した場合，プロットに矢印を付している．また，

２．板曲げ振動試験機を用いた疲労試験結果

AW において疲労き裂が発生したものには R を付している．先に述べたように，PPP,UIT および板曲げ振動疲労試験機を用いた疲労試験は，最ICR 処理の試験体では，AW と比べて，疲労強度が初に AW に対して疲労試験した．応力比 R=-∞，大きく向上した．また，各工法間における効果の222

応力範囲では 100N/mm ，120N/mm ，150N/mm に上大きな差異はないと判断できる．

げて疲労試験したが，繰返し回数が 1,000 万回に達した．さらに，190N/mm2 でルートき裂が発生し３．供用中鋼橋におけるピーニング系工法による試験施工の概要と結果た．そこで，以後の試験体に対しルートき裂発生抑制のため，試験体裏面に ICR を施工し，実橋の荷重条件と比べて，より厳しい条件となる応力比

本検討では大和川橋梁において，先に述べた 4R=-1 で試験を行った．なお，ICR 施工後に X 線回つのピーニング系工法について C-PL と D-PL の溶折法により溶接止端近傍の残留応力を計測し，着接線 D-PL 側止端 75m の施工を行い，上向き作業目した疲労き裂発生に関して，裏面に施工したによる施工性，施工時の騒音，品質管理，経済性，ICR の影響がないことを確認している．AW に対し施工スピードなどの観点で評価した．試験施工箇

2て応力範囲を 150N/mm にて疲労試験したが，繰所を図-7 に示す．

返し回数が 1,000 万回に達したので，応力範囲を施工性等を評価した試験施工の結果を表-3 に180N/mm2 に上げて再度疲労試験したところ，溶接示す．試験施工は打撃系の 3 種類は比較のため全止端部から疲労き裂が発生した．PPP，UIT，ICRて同じ作業員により実施した．SZ はレールを走に対しても応力範囲を 180N/mm2 および 200N/mm2行する機器による自動施工であった．以下に試験

図-7 ピーニング系工法試験施工箇所- 44 -

表-3 ピーニング系試験施工結果一覧
項目

PPP

UIT

（エアー式ニードルピーニング）

ICR

Smart ZIC

（超音波衝撃処理）

施工性評価（上向き作業･重量及び大きさ共に適切性）

・機器を持つ部位と、操作時に･ﾊﾝﾄﾞﾂｰﾙが大きいため隙間に･押さえる方向とﾚﾊﾞｰの向きが･レールを設置しての自動施工

入らない

違うため安定しないの場合、桁の振動が伝わり噴動かす部位が同じのため、楽に･ﾊﾝﾄﾞﾂｰﾙが重く長時間不可能

・打撃の際の機器の振動が強射位置が安定しない施工できる。

・下向きの場合は、比較的楽にい。

・手持ちの施工の場合、反動が・故障時の修理に時間を要する

施工できる

・上向きの場合は、特に上に押ないので、比較的楽に施工でさえつけるのに非常に疲れる

きる。

場合がある（エア駆動のため ・故障時の修理に時間を要する
UIT より構造が簡単なため、・ホームセンターで購入できる可能性あり。

機器のため故障時の対応も容UIT よりは容易）。

易。

環境評価（騒音、振動など） ･連続作業に影響するほどの振･連続作業に影響するほどの振･振動は大きく連続作業困難

騒音、振動無し

動は感じない動は感じない･桁内部に打撃音が反響

・騒音や振動に配慮必要な場所

箱桁内

箱桁内

箱桁内

では、非常に有力

騒音レベル（テストピース施工時）

通常時 80dB（ｼﾞｮｲﾝﾄ音有）

通常時 80dB（ｼﾞｮｲﾝﾄ音有）

箱桁内

通常時 80dB（ｼﾞｮｲﾝﾄ音有）

通常時 80dB（ｼﾞｮｲﾝﾄ音有）

施工時 95dB

施工時 92dB

施工時 98dB

路下の作業場所直下

路下の作業場所直下

路下の作業場所直下

路下の作業場所直下

施工時

未計測（打撃無し）通常時 68dB

通常時 68dB

通常時 68dB

通常時 68dB

施工時 77dB（実橋 69dB）

施工時 74dB（実橋 68dB）

施工時 78dB（実橋 71dB）

施工時

品質管理の評価（簡易性） ･品質項目で時間当たりの長さ･溝深さが浅いため計測しづら･外観および触手により比較的い

容易が決められているので管理が未計測（打撃無し）･噴射速度及び膜厚測定による容易

施工 1m 当りコスト比

1.361.33

11.22（最も低コストの ICR を基準）

経済性評価

･圧縮空気の供給に設備（中継･機械使用料が高価のエアタンク）が必要･長距離での電源(200V)の確 ・ホームセンターで購入できる･機材が安価・溶射のため、景観上の必要性･ﾋﾟｰﾆﾝｸﾞ機械の購入が必要

保が必要

を除き、塗装が不要

機材のため、機材が安価。

･機材使用料及び機材費が高価

・機器のレンタル費および事前の講習費が高額

施工スピード･連続作業可能なため、比較的･ﾊﾝﾄﾞﾙﾂｰﾙが重いため連続作業･振動、騒音及び圧縮空気の関･比較的早い

早い

は困難

係で連続作業困難

・塗装が不要のため、塗装工程･機材重量の関係で移動が困難

・施工時の振動により作業員がが省略できる。

疲れるので、施工数量が大きい場合に、効率が落ちる場合がある

置などが必要である．また，機器が複雑であり故施工の結果を示す．

障時の対応に時間を要する可能性がある．
3-1 PPPPPP は，機器の重さや大きさは上向き施工に支3-2 UIT

障はなく，品質管理も時間当たり施工長さが定め

UIT は，騒音レベルは打撃系の中では最も小さられており比較的容易である．作業員へのヒアリい測定値となった．一方，施工機器の重さおよびングでは，最も施工が容易な工法であった．一方， 大きさのため，狭隘部の上向き連続施工を行うに施工に際し圧縮空気の供給が必要なため，連続箱工夫が必要である．さらに，施工に際し 200V 電

桁などの長距離連続施工を行う場合は，長い圧縮源が必要なため，連続箱桁などの長距離連続施工

空気のホースに加え，圧縮空気の中継タンクの設を行う場合は，長い電源ケーブルの配線に加え，- 45 -

電源の降圧対策や機器の運搬などにおいて注意がても引張残留応力が大きく低減した．

必要である．また，機器が複雑であり故障時の対(2) 板曲げ振動疲労試験を用いた R=-1 の疲労試応に時間を要する可能性がある．

験では PPP，UIT，ICR は，溶接止端に高い圧縮の残留応力が残されているため，AW と3-3 ICR比べて，疲労強度が大きく向上した．

ICR は，施工に際し施工機器であるフラックス(3) PPP は作業員へのヒアリングにおいても最もチッパーの打撃による振動が強い上，打撃操作レ施工が容易な工法であったが，長距離連続バーと機器を押さえる方向が異なるため，連続上施工の場合，設備面で課題がある．

向き施工では安定しにくく，施工には熟練を要す(4) UIT は打撃系の中では最も小さい騒音測定値る．また，振動は大きく打撃音も箱桁内に反響すであった．一方で，狭隘部の上向き施工やるため，長時間連続作業を安定して行う場合は耳長距離連続施工の場合，機材の重量や設備栓など騒音に対する作業員の対策が必要である．

面で課題がある．

一方で，施工機器が安価かつ入手容易であり故障(5) ICR は連続作業性が他の工法より低い．一方時の対応は容易である．さらに機器構成がコンパで，機器構成がコンパクトで小規模施工にクトで箱桁内の運搬も他工法より容易であるため適用性が高い．

小規模施工に適用性が高い．

(6) 上向き作業における連続施工性及び施工ス
ピードは若干ながら PPP が良い結果となっ3-4 SmartZIC

たが，施工条件や規模により適用性は大き

SZ は，レールを設置した自動施工であったが，く異なる．

交通車両に伴う桁の振動を受けて噴射位置が安定

本検討における疲労対策効果は，試験体サイズしなかった．そのため，手動による施工性は今後の制約により実構造物と溶接部の拘束および荷重確認する必要がある．一方，亜鉛とアルミニウム条件が異なるため，今後，実橋における拘束・荷の微細金属を高速で投射させる特性から，直接打重条件を再現した，より詳細な試験を行う予定で撃による騒音及び振動がないため，環境に配慮すある．また，今回の試験施工は，箱桁内におけるべき箇所における適用性が高い．さらに，他の工狭隘部の鋼床版上面に対する上向き作業での試験法と大きく異なり，処理後の鋼面には亜鉛とアル施工結果であるため，施工場所や施工条件，施工ミニウムの溶射被膜を形成するため，景観上の要規模を考慮して適宜評価する必要がある．

請以外は施工後の塗装が不要となる．そのため，施工後の防食の配慮が必要な一般外面や，施工の謝辞：「本論文の一部は阪神高速道路㈱，阪神高短縮が必要な箇所への適用性が高い．

速技術㈱，関西大学との共同研究「既設鋼橋へのピーニングの効果の検証に関する研究」の成果で４．まとめある．この共同研究を指導頂いた関西大学石川敏之准教授にはここに記して謝意を表します．

実橋の箱桁内において供用中の鋼床版橋梁への施工を再現した試験体に対し PPP，UIT，ICR の 3

参考文献

つの工法による疲労対策効果を検証した．また，

1)

実橋の箱桁内におけるピーニング系工法の試験施
2)工の結果を以下に，結果をまとめる．
(1) X 線回折法による残留応力計測の結果，PPP，UIT は圧縮残留応力を確認した．ICR につい3)- 46 -

例えば，阪神高速道路(株)，(財)阪神高速道路管理
技術センター：阪神高速道路における鋼橋の疲労対策，2012.
岡本亮二，高村義行，田畑晶子：供用下における鋼I 桁橋の疲労照査のための応力計測，土木学会第 68
回年次学術講演会講演概要集，Ⅰ-581，2013.
苗木隆太郎，安部央矩，高橋宏治，安藤柱，北條恵

4)

5)

司，半田充：溶接止端部にき裂を有するステンレス鋼のピーニングによる疲労限度向上とき裂の無害化，圧力技術 第 53 巻 3 号，pp.30-pp.38，2015.
冨永知徳，松岡和巳，佐藤嘉昭：補修溶接を施した既設クレーンランウエイガーダーの超音波衝撃処理による疲労寿命向上，鋼構造論文集，Vol. 14，No.55，pp.47-58，2007.
石川敏之，山田健太郎，柿市拓巳，李薈：ICR 処理による面外ガセット溶接継手に発生した疲労き裂の寿命向上効果，土木学会論文集 A，Vol.66，No.2，

6)7)

pp.264-272，2010．
松原由典，石川敏之，曽我麻衣子，井口進：Smart
ZIC 工法による溶接継手の疲労強度向上効果，土木学会第 72 回年次学術講演会講演概要集，Ⅰ-265，2017.
佐々木敏彦，広瀬幸雄：2 次元的 X 線検出器イメー
ジングプレートを用いた全平面応力成分の単一入射X 線応力測定，「材料」(J.Soc.Mat.Sci.Jaoan)，Vol.44，No.504，pp.1138-1143，1995.

VERIFICATION OF THE EFFECT OF PEENING AS A PROACTIVE MEASURE ON WELD
LINES IN STEEL BRIDGES IN SERVICE
Shigeaki TSUKAMOTO, Eiki SAKANE and Hiroshi KAKINOKI
Applicability of peening as a proactive measure for improving fatigue strength of weld lines in steel
bridges in service was investigated. For the verification, ultrasonic impact treatment (UIT), portablepneumatic needle-peening (PPP), impact crack closure retrofit (ICR) and Smart ZIC were selected as
peening methods, and bending fatigue tests were carried out. Workability was also verified by performing
test execution on the Yamatogawa Bridge at weld lines between a deck plate and a corner plate whichwere known to have penetrating fatigue cracks. This paper reports the effect of peening in improving
fatigue strength and the workability of the four methods.

塚本 成昭

坂根 英樹

阪神高速技術株式会社
技術部 技術統括・開発課
Shigeaki Tsukamoto

阪神高速道路株式会社
技術部 調査点検課
Eiki Sakane- 47 -柿木 啓

阪神高速道路株式会社
大阪管理局保全部保全設計課
Hiroshi Kakinoki