講座

道路橋床版更新における基礎知識

第5回

鋼部材の診断・対策
講師：永井政伸*

鋼 I 桁橋には，主桁などの一次部材のほかに下横構や対1．は じ め に傾構などの二次部材も多く設置されています。この下横構

わが国には約 70 万の道路橋があり，10 年後には建設後を設置するためには主桁ウェブ面に部材（ガセットプレー

50 年以上を経過した橋梁の割合が 5 割以上になると見込ト）をすみ肉溶接により接合しており，このガセットプレまれています。そのなかでも首都高速道路のような都市内ート付近も疲労き裂が多く確認される構造です。

高速道路は，交通量が非常に多く，また，大型車混入率が疲労損傷と並ぶ代表的な損傷として腐食があります。鋼

高いため，構造物にとっては非常に過酷な環境下にありま材の主成分となる鉄はそのままで放置すると酸化して錆とす。このような環境で長期にわたり使用され続けている結なる性質を有しています。防食方法としては，表面被覆，果，鋼構造物では疲労き裂や腐食などの損傷が多数確認さ

高耐食性材，電気防食などがありますが，もっとも一般的れており，維持管理上の大きな課題となっています。

な防食方法が表面被覆（塗装）となります。建設時には，構造物の損傷は，損傷が発生した部材，部位および位置，塗装により腐食因子である水や酸素，塩分などを遮断して損傷の状態などに応じて損傷ランクを判定し，補修・補強いますが，経年劣化によりその遮断機能が失われると鋼材の要否や緊急性などの診断が行われていますが，診断（損に腐食が発生します。とくに，桁端部は伸縮継手部からの傷部位・位置・状態，損傷の進行性などにより早期な対応舗装が必要かなどの観点から判定する一連の行為）を行うため床板には，「知識」と「技能」が必要となります。
以下では，診断・対策を行うために必要な基礎的な知識として，首都高速道路の鋼橋における疲労き裂を事例に説明

伸縮装置するとともに，そのほかの損傷の概要についても紹介します。

2．構 造 概 要
鋼橋の代表的な構造である鋼 I 桁橋は，鋼板を組み合せ主桁
対傾構支承て製作された I 桁を主桁とする橋梁で，一般的な構造とし下横構ては図 - 1 に示されるような構造となります。鋼板同士の接合には，ボルト継手や溶接継手があり，溶接の種類は完ガセットプレート

全溶け込み溶接，すみ肉溶接または部分溶け込み溶接に分

図- 1類されます（図 - 2 および図 - 3）。完全溶け込み溶接は

鋼Ｉ桁橋の構造
止端き裂

鋼板同士が一体化されるため，母材と同等に扱われます。
一方，すみ肉溶接は，三角形断面の溶接金属により接合し溶接金属ているのみで鋼板同士は一体化されていません。そのため，継手をはがす方向に引張力の作用する部分には用いず，せ鋼板ん断力が作用する部分に用いられます。ここで，せん断力

図- 2の作用方向とは，溶接金属の長手方向（図 - 3 の紙面奥行

完全溶け込み溶接の形状とき裂発生位置
ルートギャップ方向）を指します。疲労き裂の損傷事例については後述し

止端き裂

ますが，すみ肉溶接や部分溶け込み溶接の場合には，溶接の未溶着部（ルート部）を起点としたき裂（ルートき裂）が発生するなど，溶接の種類によっても損傷の発生しやす

ルート部さが異なります。ルートき裂は，表面に進展するまで外観からの目視では発見が困難な損傷です。

図- 3

ルートき裂

すみ肉溶接の形状とき裂発生位置* Masanobu NAGAI：首都高速道路 ㈱ 保全・交通部 点検・補修推進室 保全技術課 課長代理

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プレストレストコンクリート

講座
漏水，冬季の凍結防止剤の散布などによる影響を受けやす

ガセットプレート周辺には，① ガセットプレート端部，く，水や塩分などの腐食因子が供給されやすい環境にある② スカラップ側の溶接部，③ 垂直補剛材と主桁ウェブのため，腐食が顕著なものとなっています。

溶接部に疲労き裂が発生しますが，主桁ウェブにき裂が進展している場合，急速に進展して，主桁が破断する場合が3．損傷および補強対策事例
3.1

あります。

疲労き裂

下横構を取り付けているガセットプレートは，主桁下フランジの近傍にあるため，取付け位置に作用する主桁の応疲労き裂は繰返し荷重が作用する部位や応力集中部位に発生する損傷で，鋼構造物の疲労損傷度は応力範囲Δσ（車力が高い箇所です。活荷重が作用すると主桁ウェブの応力両通過などにより発生する最大応力と最小応力の変動幅）（ここでは橋軸方向に発生する応力）が発生しますが，ガの 3 乗と繰返し回数 N（交通量）によります。大型車交通

セットプレートが存在することによって，ガセットプレー量の比率が高い場合，Δσが大きいため，疲労き裂が発生ト端部が応力集中部位となり，① のような疲労き裂が発生しやすい環境にあるといえます。

します。また，設計上，横構は活荷重に対して力を分担し鋼部材にき裂が発生すると，塗膜がき裂の動きに追従でないとしていますが，実構造物では主桁にたわみ差が生じきずに写真 - 1 のように塗膜の割れとして表面化します。

ると横構に軸力が発生し，その軸力によってスカラップ部目視点検により塗膜割れや塗膜割れ箇所からの発錆を発見に局部的な変形が生じて，② や ③ のようにスカラップ周した場合，塗膜を除去したのち，磁粉探傷試験などの非破辺に疲労き裂が発生します。き裂の種類によりますが，対壊検査により，き裂の詳細（位置，長さ，進展方向など）策としては平鋼や型鋼による当て板補強により当該部位のを確認します。疲労き裂は進行すると構造物の安全性を損応力を低減することで疲労耐久性を向上させます（写真

なう重大な損傷となる可能性があり，発生部位によっては- 2）。

進行が速い場合もあるため，損傷を初期の段階で発見することが重要となります。しかし，き裂長さが短い初期の段

垂直補剛材

階においては目視で発見することが困難で見落とす可能性

主桁ウェブ
当て板も高いため，点検においてはき裂の見落としがないよう，また，疲労き裂が発生しやすい部位を慎重に点検するなど横構の注意が必要です。
塗膜割れ

ガセットプレート

写真 - 2
写真 - 1⑴

塗膜割れ状況
⑵

主桁－横構ガセットプレート部の疲労き裂

ガセットプレート端部のき裂に対する当て板補強

ソールプレート部の疲労き裂

横構は地震荷重や風荷重に抵抗するために，外桁と隣接

図 - 5 に示すように主桁下フランジと支承の間にはソー桁の間および支点部付近に配置されています。横構と主桁ルプレートと称される鋼板が設置されています。主桁下フの連結部は，ガセットプレートを主桁ウェブに溶接で取りランジとの接合には溶接が用いられており，経年により錆付けて，そのガセットプレートと横構を接合しています。

や堆積物などによる支承の回転・水平変位機能が低下する

また，垂直補剛材がある場合にはガセットプレートにスカと，主桁フランジの下面側とソールプレート端部の溶接部

ラップ（溶接継目の重なりを防ぐ目的で設けられた円弧状である断面変化部に高い局部応力が生じることとなります。の切欠き）が設けられています（図 - 4）。
垂直補剛材①スカラップ③ ②①

主桁下フランジ

ソールプレート
対傾構

支承

横構
ガセットプレート

図- 4

ガセットプレート周辺の構造

Vol.62, No.6, Nov. 2020

図- 5101

ソールプレート周辺の構造

講座
荷重

主桁ウェブ
主桁下フランジR

ソールプレート

図- 6

逆ひずみによるソールプレートと主桁下フランジの隙間

図- 7

桁端部の構造および作用力

また，建設時の工場製作においては，主桁下フランジとが発生しやすい状況にあります。桁橋の設計計算は梁理論

主桁ウェブの溶接の際に下フランジが変形することを考慮を用いているため，端支点で発生する曲げモーメントは理して，溶接前に下フランジに逆ひずみをつけることがあり，論上は 0で局部的な応力集中が発生することは想定し

図 - 6 のように溶接後もこの逆ひずみが残り，主桁下フラていません。しかし，切欠き部がある場合に活荷重が作用ンジとソールプレートの間に隙間が残ると，荷重伝達が面すると，図 - 7 に示すように曲線部の主桁下フランジ側がではなく，溶接部のみで行われるため，ソールプレート端円の中心側に変形しようとするため，溶接部と直交する方部の溶接部に応力集中が生じ，① き裂が発生します（写向に大きな引張応力が生じ，結果として局部的な応力集中

真 - 3 ⒜）。さらに，き裂が溶接部のみにとどまらず，写真が主桁下フランジと主桁ウェブのすみ肉溶接の継手に作用- 3 ⒝のように主桁下フランジの上面側（②），主桁ウェすることになります。その結果，切欠き部の溶接未溶着部

ブまで進展する（③）と主桁が破断するおそれがあります。

（ルート部）から発生したき裂は溶接内部で進展し，表面主桁下フランジ

主桁ウェブ①で確認できるときには長く進展しています（写真 - 5）。

③②ソールプレート端部

写真 - 3き裂

主桁下フランジ

ソールプレート⒜

主桁切欠きウェブ⒝

主桁ウェブへの進展

主桁フラ 切欠
ンジ き

ソールプレート部に発生する疲労き裂

対策としては，支承の機能回復のための支承交換，ソールプレートの拡大化，ソールプレートの継手を高力ボルト継手に変更します。また，き裂によって主桁に断面欠損が写真 - 5生じている場合は，主桁ウェブと主桁下フランジに L 型

桁端切欠き部に発生する疲労き裂の当て板補強を実施し，主桁の継手機能を回復させます（写真 - 4）。

現行の設計では，切欠きを設ける場合は，その構造の応力集中が緩和されるように補剛材などを設けるように規定されていますが，古い時期に設計された桁では，図 - 7 に示したように円弧状に切欠いたウェブに沿ってフランジを設けた例が多く，コーナー部の溶接部からき裂が生じ，ウェブまでき裂が進展する場合があります。これらの損傷に当て板対しては，切欠き部の応力低減を目的とした当て板補強を実施しています（写真 - 6）。

支承交換

写真 - 4⑶ソールプレート交換（ボルト継手）

ソールプレート部の補強事例

桁端切欠き部の疲労き裂

桁下条件などから桁端部の桁高を抑えたい場合は桁端部を切欠いた形状を用いることがあります。桁を切欠いた部分は断面が急変する箇所となるため，応力が集中し，損傷

写真 - 6102

桁端切欠き部の補強事例

プレストレストコンクリート

講座CFRP 板

写真 - 7桁端部付近の腐食

写真 - 8当て板による補強

写真 - 9CFRP 板による補強

主な疲労き裂の事例と補強事例について述べましたが，非破壊検査によるき裂の確認の際には，き裂の有無，き裂の発生箇所（止端き裂，溶接金属内），き裂の長さ，き裂の進展方向などを詳細に確認する必要があります。主桁ウェブの母材に進展している場合は，放置することで主桁破断のおそれがあり，構造安全性に与える影響が大きいため，早期に対策が必要となります。
3.2

発錆および腐食

発錆・腐食は鋼部材の損傷でもっとも多く，目視点検では塗膜のフクレ・ワレ・ハガレなどの劣化が生じていないか確認すると同時に鋼材に錆や断面欠損が生じていないか

写真 - 10を点検します。発錆・腐食の主な原因には，以下のような橋脚基部付近添接部のボルト破断ことがあげられます。ていましたが，昭和 50 年代に遅れ破壊による損傷が報告

・塗膜厚の不足：適切な塗膜厚を部材平滑部と同程度に確されたため，道路橋示方書鋼橋編（昭和 55 年）からは削保することが困難な部位や添接部のボルト・ナットなど除され，それ以後は使用されていないボルトの種類です。

・構造上避けられない箇所の漏水・滞水：伸縮装置や床版

遅れ破壊とは，建設時にボルト軸力を導入してから，高張端部からの雨水の落下・漏水，添接板の隙間からの水の力下である時間の経過後に軸部から突然に脆性的に破断す

浸入，桁端部付近の水分の滞留，土砂堆積る現象で，構造物の安全性が失われる可能性がある損傷です。しかし，F11T を使用した橋梁は数多く存在し，遅れ・ほかの損傷に起因する漏水，滞水：排水管の劣化，床版のひび割れからの漏水破壊によるボルト破断は現在に至っても報告されています

・飛来塩分や凍結防止剤（写真 - 10）。これらについては，ボルトの取替えを行っコンクリート構造物と同様に塩分は構造物を劣化させるていく必要がありますが，供用下での作業となるため，1要因で，鋼部材にとってももっとも厳しい腐食要因です。腐

本ずつ取替え・締付けを行い，応力の移転等に配慮しなが食の進行具合などにより板厚減少や断面欠損の状態はさまらの補修となります。

ざまですが，とくに桁端部は伸縮装置や排水装置からの浸4．お わ り に水・漏水，凍結防止剤による影響を受けやすく，もっとも腐食しやすい部位です（写真 - 7）。また，力学的にもせん

床版取替えを伴う大規模な更新工事の場合には，最新の断力が大きいことから断面欠損に注意する必要があります。

設計基準や知見に基づいて設計・施工が行われますが，イ腐食による板厚の減少，断面欠損に対しては，写真 - 8

ンフラの更新には莫大な費用がかかり，また，通行止めなに示すような当て板による補強を行うとともに，腐食しやどによる社会的な影響もあります。老朽化＝取替えというすい環境に配慮して高耐久の塗装仕様にするなどが求めら選択をとることが困難な場合もあり，その場合には既設構れます。また，支承取替えまでの暫定的な補強，狭隘でボ造物の補修・補強で対応していかなければなりません。そルト配置が困難な箇所の対応として，コンクリート橋の補のためには，現状の構造物の状態を適切に診断し，補修・強にも用いられる CFRP 板を桁の鋼材面に接着する補強工補強の対策を行う必要があり，本講座で述べた工法もさら法を試行的に採用した事例もあります（写真 - 9）。

なる合理化を目指しているところです。

3.3

ボルト破断，脱落

今回は疲労き裂の事例を中心に述べておりますが，読者接合部の構造として溶接継手と並んで使用されるボルトの皆様にはコンクリート構造物のみならず，鋼構造物に関継手ですが，高力ボルトの損傷として，高力ボルト（F11T）する知識も高め，維持管理の技術を発展させていくことをの遅れ破壊によるボルト破断・脱落があげられます。

お願い申し上げ，今回の講座を終わらせていただきます。

F11T は鋼道路橋高力ボルト摩擦接合設計施工指針（昭【2020 年 9 月 23 日受付】

和 41 年），道路橋示方書鋼橋編（昭和 48 年）で規定されVol.62, No.6, Nov. 2020

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