令和元年度土木学会全国大会第74回年次学術講演会

I-295

FEA を用いた鋼桁橋の応答照査法に関する検討(一財)阪神高速道路技術センター 正会員 ○赤松 伸祐
阪神高速道路(株) 正会員

青木 康素

１．はじめに近年，コンピュータの進歩に伴い，有限要素解析（Finite Element Analysis：以下，FEA）が普及しており，鋼桁橋の設計にも FEA の導入が可能となっている．しかし，FEA から算出された応答値は，評価手法に明確な定めがない上に，格子解析による公称応力評価との関連性についても不明瞭である．そこで本検討では，FEA を用いた設計及び耐荷力照査法の提案に向けて，鋼 I 桁多主桁橋を対象とした格子解析と FFA を実施し，応答抽出に関する基礎的な検討を行った．
２．検討方法と対象橋梁
鋼 I 桁橋の耐荷性能の照査では，公称応力と道路橋示方書などで規定される許容値（制限値）を比較す床版ることが多い．FEA を適用して公称応力による評価を行う場合は，構築結合材(剛体梁要素)したモデルからの応力の取り出しある．例えば，応力の取り出し方については，節点応力と要素応力の応答誤差の可能性を考慮する．また，抽出した作用応答値については，板厚･板幅方向に応力勾配や応力集中がある場合の取り扱いに注意が必<設計条件>
道路規格：第１種第３級
設計速度：V=８０km/h
橋梁形式：４径間連続鋼非合成鈑桁橋
支承形式：密閉ゴム支承板支承（ＢＰ・Ｂ沓）
設計荷重：活荷重 TL－20，TT－43
幅員構成：全幅員 10.380～10.900m
有効幅員 9.250m
道路線形：平面曲線 R=3200m，3195m
縦断勾配 2.857%直線下り勾配
横断勾配 2.0%直線片勾配
使用鋼材：SS400，SM490Y，HTB M22（S10T）
PC床版 ：コンクリート σck=50N/mm2
鉄筋 SD345
橋軸方向および橋軸直角方向の２方向緊張
プレキャスト床板より床版間はPC継手連結

上フランジ
4分割
垂直補剛材2分割ウェブ
6分割剛体梁要素
下フランジ4分割※上り線側に壁高欄は設置されていない

検討対象橋梁のFEモデル1)

図-1

要である．ここでは設定した対象構造物の格子モデルと FE モデルを構築し，これらのモデルから応答を抽出して，必要と考えられる検証事項を分析した．
対象とする構造物は，図-1 に示すように，土木研究所でFE モデル化手法の検討に用いた橋梁とした 1)．検討に使用すピラミッド型で集約した節点に支持条件を与える

T4

支間中央載荷P2P3G1G2G3G4る FE モデルの要素種類や分割数等は，文献 1)で提案されて上フランジ

３．１ 節点応力と要素応力の分析

A25300 5500 5300 5500 5300 5500 5300
1500
38000(mm)0400

応答の取り出し方の違いによる影響を確認するために，支800

間中央載荷時における主桁ウェブの直応力に着目し，節点応1200

力と要素応力を抽出･比較した(図-2(a)(b))．

1600FEモデル(節点)ウェブの直応力は，節点応力と要素応力で違いは見られず，
文献 1)で提案された主桁設計用の FE モデルから応答を抽出する場合は，取り扱いが容易な節点応力を抽出して差し支えないと考えられる．
連絡先

直応力抽出位置T1(a) 載荷状態と応答抽出位置

３．応答値の分析

キーワード

T2載荷CASE341500

いる主桁設計を対象としたモデル化手法を参考とした．

T3

2000
下フランジ

FEモデル(要素 )-40-2002040
2
直応力度(N/mm )(b) G4 桁のウェブの直応力度分布
図-2 節点応力と要素応力の比較

鋼桁橋，FEA，格子解析，設計法〒541-0054 大阪市中央区南本町 4-5-7 東亜ビル内© Japan Society of Civil Engineers(一財)阪神高速道路技術センター

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TEL 06-6244-6038

1730 6900
1900

方法などを，予め定めておく必要がウェブ

上フランジ方や取り出した応力値の取り扱い

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令和元年度土木学会全国大会第74回年次学術講演会

３．２ 主桁フランジ応力の分析

中間支点上載荷T4T3T2T1P3

応答抽出位置

主桁フランジの応答を分析するために，格子モデルおよび
G1G2G3G4載荷CASE4

断面決定ケースとなる中間支点上載荷時の支点上上フラン

5300 5500 5300 27505300 5500 5300
2750
41500
38000

ジとした．抽出する応答は，図-3(b)に示すように，格子モ(a)載荷状態と応答抽出位置構成する節点の直応力とその平均値に加え，主応力，ミーゼス応力とした．
一般的に断面設計で用いている直応力は，FE モデルの方が格子モデルより小さな値となっている．また，フランジ幅方向の直応力分布は，ウェブ直上で大きくなる傾向が見られたが，主応力，ミーゼス応力と一致していないため，せん断

5※床版は全断面有効上フランジ上面の応力度(N/mm2)

デルではフランジの縁応力とし，FE モデルではフランジを

421ウェブ位置

00P2P3G1G2G3G4梁理論(合成)G4-C15
G4-C15 200mm
G4-C15 467mm

2000

ウェブ高(mm)

1500
1000
500
0

桁に応力が流れることによって，主桁断面の直応力に乱れが-40に着目して基礎的な検討を実施した結果，抽出する応力の種類や位置に議論の余地があることが明らかとなった．今後は，応答の抽出方法の検討に加え，抵抗側に必要な安全余裕を分析し，鋼桁の設計及び耐荷力照査法の提案に結び付けたい．
参考文献
1) 土木研究所資料：鋼桁橋の設計への FEM 解析の適用に関する研究，土木研究所資料第 4047 号，2007.4© Japan Society of Civil Engineers

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02040(b) G4桁ウェブの直応力
下フランジ下面の直応力度(N/mm2)

既に提案されたFEモデル1)を用いて，取り組みやすい項目-20直応力度(N/mm2)

見られるが，その範囲は 200mm 以下と限定的であると考え

４．まとめ

A2直応力抽出位置

2500確認できなかった．このことから，横桁取付け位置では，横ると言える．

T1(a)載荷状態と応答抽出位置

フランジおよびウェブ共に横桁取付け断面では直応力に部材との取り合いを考慮した評価断面を設定する必要があT25300 5500 5300 5500 5300 5500 5300
1500
38000

41500

ランジおよびウェブの直応力を抽出した(図-4(b)(c))．

られる．このように FE モデルから応答を抽出する場合には，

T3C15と取付け位置から 500mm 程度離れた主桁断面に着目し，フ断面から 200mm 離れた断面の直応力を抽出したが，乱れは400載荷CASE3

図-4(a)に示すように，支間中央載荷時の横桁(C15)取付け部確認できなかった．さらに影響範囲を分析するために取付け

300T4

支間中央載荷直応力を抽出すると危険側となるため，ミーゼス応力を評価

乱れが見られるものの，500mm 程度離れた断面ではそれを200(b) G4桁上フランジの応答
図-3 中間支点上載荷時の上フランジ応力の抽出評価するかについては検討の必要があるが，評価する場合は，部材取付け部の応力の乱れの影響範囲を確認するために，100フランジ幅方向の距離(mm)いると考えられる．このような応力の乱れを公称応力として３．３ 部材取付け部の主桁応力の分析

梁理論(合成)
直応力
直応力平均
主応力
ﾐｰｾﾞｽ応力3遅れ現象ではなく，支点上横桁に応力が流れた影響を捉えて応力とするなど評価応力については注意が必要と言える．

A21730 6900
1900

び抽出断面は，図-3(a)に示すように，一般的に鋼桁設計でP230ウェブ位置

25201510

梁理論(合成)G4-C15
G4-C15 200mm
G4-C15 467mm

500100200300400500

フランジ幅方向の距離(mm)(c) G4桁下フランジの直応力
図-4 横方向部材付近の主桁の直応力

1730 6900
1900

FE モデルから応答を抽出した．応答抽出時の載荷状態およ