JFE 技報 No. 33（2014 年 2 月）p. 49-54

風洞実験による飛来塩分付着評価と橋梁断面部位別腐食予測
Evaluation of Windborne Salt Adhesion Behavior by Wind Tunnel andCorrosion Distribution around a Bridge Girder Section
中西克佳

NAKANISHI Katsuyoshi

JFE スチール

スチール研究所

土木・建築研究部

鹿毛勇

KAGE Isamu

JFE スチール

スチール研究所

耐食材料研究部主任研究員（課長）・博士（工学）加藤真志

KATO Masashi

JFE スチール

厚板セクター部

主任部員（部長）・博士（工学）主任研究員（課長）・博士（工学）

要旨
結露や雨滴による洗い流しの生じない橋梁部位においては，海上から風により運ばれ橋に付着する塩分が支配的な腐食要素である。本論文では，海塩を想定した微粒子を飛散させ，橋梁断面模型に付着させる風洞実験を実施し，かつ実験結果を実橋観測結果と比較することにより，実橋での塩分付着特性を風洞実験によりおおむね評価できることを示した。さらに，2 主 I 桁橋において，断面寸法は付着塩分布に大きな影響を与えないことが分かった。

Abstract:
Windborne salt adhesion by the wind is the predominant factor to govern the corrosion distribution on the part ofbridge girder where no washing by water condensation or raindrop occurs. In this paper, a wind tunnel test including
small particle diffusion and adhesion to the bridge girder section model was performed, and it was proved that thewindborne salt adhesion distribution on the bridge girder section can be estimated by this test based on theobservation of the windborne salt adhesion on real bridge girders. Furthermore it was proved that the shape of thebridge girder section did not affect the windborne salt adhesion distribution on the two main girder bridges.

1． はじめにけて不均一に桁に付着するためであると推察できる。付着した塩分は，部位ごとに異なった雨がかり，結露，および風川や谷で分断された日本にとって，橋梁は地域間を結び，の影響を再び受けて一部脱落し，再分配され残留付着塩分国の経済基盤を支える重要な機能の一つである。一方，建として残る。この残留付着塩分量が鋼材腐食の促進度合い

設後 50 年を越え補修・補強が必要な橋梁が今後増大する現に影響を与えているものと考えられる。また，風雨にさらさ状において，維持管理費の低減は，恒久的な課題である。

れない内桁においては，結露による洗い流しの他，風の巻

他方，耐候性鋼橋梁であれ塗装橋であれ，塩分は構造物のき込み具合，季節風の風向きとの関係により，塩分が多く付劣化速度を速める重要な影響因子である。そして，耐候性着する部位とそうでない部位に分けられることが分かってき鋼橋梁は，メンテナンスフリーではないものの，維持管理費ている

3, 4）

。

腐食には，塩分の影響以外に，雨がかり，温度，湿度，が抑えられることが知られている。
鋼橋における維持・管理上の重要な課題は，疲労と腐食さらには漏水などの雨仕舞いの不備による影響が考えられであり，腐食の影響因子である塩分は，海からの飛来塩分る。今後，腐食に対し厳しい環境の桁端部への防食対策がが主要因であるものと，冬場の凍結防止剤の散布が主要因執られ，雨仕舞いの備えが成された後，さらなる防食の合理

1）であるものとに分けられる 。

化を進める方法として，一般部の部位別防食が挙げられる。

耐候性鋼橋梁は，桁端部や漏水箇所を除いたとしても橋本論文では，海から橋梁架設地点に到達した飛来塩分の梁全体が必ずしも均一に腐食している訳ではなく，付着し橋梁断面への一次付着分布を推定することを目的とし橋梁た海塩粒子が降雨により洗浄されにくい桁内側に腐食が集断面周りの一次付着塩分布を求める方法として，風洞実験中しているなど，特定の断面部位が局所的に腐食しているによる付着塩評価手法について紹介し，2 主 I 桁橋における2）場合が認められる 。この要因として，橋梁架設地点に到達断面寸法と断面周りの付着塩分布との関係について述べる。

した飛来塩分が，風による移流により橋梁断面周りに達した
後，橋梁の断面形状と橋梁架設地点の地形に応じた風の周2． 塩分付着と腐食の概念

4）

り込み，風速分布の影響，および桁の濡れ具合の影響を受
風により運ばれてきた飛来塩分が鋼桁表面に付着し，鋼2013 年 8 月 16 日受付

桁が腐食するまでのメカニズムは，概念的に図 1 に示すよ－ 49 －風洞実験による飛来塩分付着評価と橋梁断面部位別腐食予測

Steel①②③①④Rust⑤ ⑥②③④⑤⑥Phenomenon
Windborne salt around bridge
construction site
Windborne salt in each partof bridge section
Primary adhesion of windborne
salt
Residual windborne salt
Corrosion of steel
Long-term corrosion of steel

図 1 鋼桁が腐食するまでのメカニズム
Fig. 1Wind tunnel

Wind

1.0 mParticle jet machine

Particle
Bridge section model

図 3 風洞実験による粒子付着実験手法
Fig. 35）

Method of particle adhesion distribution by using wind5)
tunnel test4）

Mechanism of running to corrosion

4)

Wind

写真 1 粒子の付着状況

Raindrop-washing aria
Misty-raindrop-washing aria
Non-raindrop-washing aria

Photo 1図 2 雨洗いの有無
Fig. 2

State of particle adhesion風洞内の測定洞に橋梁断面模型を設置し，風上から海塩Presence or absence of raindrop-washing

粒子を想定した微粒子を，微粒子発生装置内で十分拡散させた後，風上側の噴出口から飛散させる。飛散粒子としては，うに分類できる。海からの離岸距離や地形により決まる橋梁

粒子が橋梁断面周りの風の巻き込みに追従し，かつ橋桁を建設位置の飛来塩分（①）は，橋梁周辺の局部的な風の流通過する短時間に重力沈降が起きないことを重視し，塩分れに伴う移流により，橋梁周辺で分布（②）し，桁付近の粒子径 に近く，かつ識別が容易な球状のフェノール粒子（平風向風速，桁面の向き，粗さ，湿潤状態などの影響を受け均粒径 8 mm，粒径範囲 5～20 mm，比重 1.25）を用いている。

6）て桁に付着（1 次付着）（③）する。また，降雨，結露，堆積，海塩粒子は，風，高さ方向，および離岸距離によって，空風化や剥離により付着塩分は再分配（残留付着塩分）（④）

間的・時間的に非一様な分布を有すると考えられるものの，され，桁は表面の付着塩分と湿潤状態の継続（ぬれ時間）

地形のスケールに比して橋梁が小さい場合，橋梁の大きさにより腐食（⑤）する。これらの過程は防食設計や補修要の範囲でほぼ一様に分布していると考えられる。

否の目安となる長期腐食（将来腐食量）（⑥）に反映される。

海塩粒子の付着率は付着面の粗さや濡れ具合および塩分

桁外面のウェブ下部や同下フランジ上面のように，雨滴粒子自体が含んでいる湿分により時々刻々と変化すると考による付着塩分の洗い流しを受ける部位や桁内部のようにえられるが，本粒子付着実験では，断面部位毎の状態が同雨洗いを受けない部位もある。また，雨滴が直接降りかかっじである場合を想定し，かつ一度付着した塩分粒子は脱落て当たることは少ないが，霧雨のような細かな雨滴が当たるしないものと仮定している。そのため，模型表面における粒部位もある。そこで，図 2 のように，桁表面を，雨洗いのな子の捕獲方法としては，模型計測点に粘着テープを貼付す

い無雨洗部位，雨洗部位，および半雨洗部位に区分する。

る方法を採用している。写真 1 には，粒子の付着状況を例

本文中の「飛来塩分」は，その名のとおり，空気中を飛示する。微粒子発生装置の位置は，模型を設置していない来している塩分を意味しているが，実体としては，塩分捕状態での模型近傍位置における飛散粒子濃度分布および平集器具の一定面積の捕集面に，一定期間に付着した塩分と均風速分布ができる限り一様になるように調整している。

定義している。また，桁や曝露試験片の表面の一定面積に付着している塩分を「付着塩分」と呼んでいる。

ここで，フェノール粒子の沈降速度 U ∞を，以下の式より求めると，U ∞＝0.003 66 m/s となり，風速毎秒数メートルに対し十分小さく，仮定どおり，重力の影響を無視できるレ

3． 風洞実験による付着塩評価手法
3.15）

ベルであることが分かる。

4 31p r ρ g − ρ ai rU E2CD p r 2 = 0 …………………… （1）32

粒子付着実験の概要

図 3 には，風洞実験による粒子付着実験手法を示す。
JFE 技報 No. 33（2014 年 2 月）

－ 50 －

風洞実験による飛来塩分付着評価と橋梁断面部位別腐食予測

CD =24………………………………………… （2）Re部の最大値で無次元化して示す。図 4 より，桁ウェブへのD……………………………………… （3）ν

また，両桁内とも，風上面の方が多い。そして，下フランジ

Re = U ∞3

図 4 には付着粒子量の断面分布を，各ケースの桁ウェブ付着量は，風上側桁内の方が風下側桁内よりもやや多い。

，rair：空気密度，g：
ここに，r：粒子の密度（＝1 250 kg/m ）下面への付着は，風上側桁でほとんどなく，風下側桁よりも重力加速度，UE：粒子の速度，CD：抗力係数，Re：レイノ

内桁の方が多く，内桁でウェブ部の量をやや上回っている。

ルズ数，n ：空気の動粘性係数，D：粒子の径，および r：

なお，付着粒子量の断面分布に関し実験ごとの測定値のバ粒子の半径である。

ラツキが小さいことから，本実験手法における再現性は概ね3.2確保されていると言える。

粒子付着実験手法の検証

図 5 には，実橋断面周りの冬期 1 ヶ月間飛来塩分布を示す。

粒子付着実験手法の妥当性を，3 主 I 桁橋を対象にして検5）

まず，図 4 と図 5 との比較から，また双方が雨洗いの影証する。実験模型は実橋の 1/20 縮尺模型とした 。ここで，響を受けにくい部位であることを考慮すれば，風洞による粒実橋（海風が橋軸直角方向から吹く凍結防止剤を散布しな子付着実験で計測した付着粒子量の断面分布はドライガー

い新潟県の耐候性鋼橋梁）における橋梁下方の川面との空ゼ法による実橋断面周りの冬期 1 ヶ月間飛来塩分布に非常間が 2 m 程度と狭いため，風洞床面を便宜的に実橋におけに近いことが分かる。

る橋梁下方の川面と想定し，下フランジ下面の高さ位置が次に，内桁ウェブ風上面の付着分布と風下側桁ウェブ風床面から 100 mm としている。また，風洞内の風速を 5 m/s

上面の付着分布とを比較すると，風洞実験においても，実とし，粒子の噴霧状況や付着状況の実験ごとの再現性を確

橋においても内桁の方がやや多いことが，図 4 および図 5認するため，同じ実験を 3 回実施している。

から認められる。風上側桁の下フランジ先端からの剥離流： Test 1： Test 2： Test 3Wind

Base point

0210000122100

図 4 付着粒子量の断面分布
Fig. 412 21000125）

Particle adhesion distribution by using wind tunnel test5)

WindBase point000 1.0 2.0 3.003.0 2.0 1.0 0

3.0 2.0 1.0 0

図 5 実橋断面周りの冬期 1 ヶ月間飛来塩分布
Fig. 500 1.0 2.0 3.05）

Windborne salt adhesion distribution around a bridge girder section for a month in winter－ 51 －5)

JFE 技報 No. 33（2014 年 2 月）

風洞実験による飛来塩分付着評価と橋梁断面部位別腐食予測の腐食減耗量との間にも比較的高い相関が認められている。
このことから，断面周辺の飛来塩分量，あるいは一次付着塩分量の推定が，断面部位毎の腐食評価に繋げられる可能性がある。ところが，剥離流の再付着などに影響を及ぼす断面寸法比が断面周りの付着塩分布に与える影響については明らかにされていない。そこで，鈑桁橋の中で最も形状パラメータが少ない 2 主 I 桁橋に関して，断面寸法比が異なる模型を用いた粒子付着実験を実施した。
粒子付着実験には，一般的な 2 主 I 桁橋の断面諸元として，

図 6 数値シミュレーション結果
Fig. 6

床版厚 300 mm，桁高 3 000 mm，および桁上下フランジ幅

Numerical simulation result

750 mm を想定した。粒子付着実験に用いる風洞が断面の高は，多くの粒子を乗せて流下するが，相対的に風上側であさ 1 m で幅 0.5 m の小型風洞であるため，高さ方向の閉塞る内桁の方が風下側桁よりも，ウェブの風上面に当たる流率が 1/10 以下となるように，床版厚 9 mm，桁高 80 mm，速がやや大きく，また粒子の数も多くなると考えられる。つおよび桁上下フランジ幅 20 mm の 1/37.5 縮尺模型を用いた。

まり，剥離流は先ず内桁の下フランジ付近に衝突し，粒子高欄は橋梁用車両防護柵（A 種）を想定した。の濃度と流速を落としながら風下側桁に到達する。内桁ウェ実験模型断面を，図 7 に示す。すなわち，実橋梁幅 7.5～

ブ風上面の方が風下側桁ウェブ内面よりも粒子付着数が若11.25 m および実橋主桁間隔 5.25～6.75 m を想定し，模型幅干多めなのは，上記の理由によるものと考えられる。

200～300 mm および模型主桁間隔 140～180 mm とした。な

一方，内桁ウェブ風上面，および風下側桁ウェブ内面へ

お，実験模型は，実験結果に一般性を持たせるために，歩道，の付着数は，上から下へと次第に多くなっている。風上側および横断勾配がないものとした。粒子付着実験の内訳を，桁下フランジから剥離流に乗った粒子は，風下側桁下フラ表 1 に示す。

ンジへ衝突し，その一部は風下側桁下フランジの下面に直図 8（a）～（e）には，Case 1～5 における桁への粒子付着接付着し，また別の一部は風下側桁下フランジよりも上方分布を，桁ウェブ面下部への最大付着数の値で無次元化しに曲がり，桁内で循環する。慣性力で曲がりきれなかった粒て示す。

子は，ウェブ上方よりもウェブ下方に衝突して付着するため，Case 1～3 の桁への粒子付着分布比較から，B/d の変化にウェブ下方への付着数が多くなったと考えられる。
3 主 I 桁橋を対象とした塩分粒子の流れを，実橋観測およB22016び数値シミュレーションにより確認する。ここで，数値シミュ

16レーション（FLUENT ver. 6.3.26）は，乱流を考慮しない非216定常解析とし，流入境界から高さ方向に等風速 5 m/s を与に示した断面周りの風の流れは，上述の考察を裏付けるも80のになっていることが分かる。したがって，断面周りの風の2dえた。図 6 には，数値シミュレーション結果を示す。図 6

流れが塩分の付着分布に大きく影響しており，断面周りのs風の流れが再現できれば，付着塩分布が再現できると考え

b1

2020sunit: mm

図 7 実験模型断面られる。
以上の結果から，風洞実験により実橋の塩分付着傾向をFig. 7Section of specimen

おおむね再現できることが分かった。したがって，本節で紹介した風洞実験手法が橋梁断面各部位への塩分付着傾向を表 1 粒子付着実験の内訳事前に評価する手法の一つとして有効であることが実証さ

Table 1 Specification of particle adhesion test

れた。
B (mm)

4． 2 主 I 桁橋における風の流れと付着塩分布4.1

風洞実験による粒子付着実験

2 主 I 桁橋断面周りの飛来塩分量と年間の腐食減耗量とは4）

比較的高い相関があることが分かっている 。特に，無雨洗部位においては，1 ヶ月曝露試験片の年平均付着塩分と年間JFE 技報 No. 33（2014 年 2 月）

b1 (mm)B/db1/dCase 1198

14029

2.01.4

Case 2252

14056

2.51.4

Case 3300

14080

3.01.4

Case 4300

16070

3.01.6

Case 5300

18060

3.01.8B, b1, s, d: Dimension in Fig. 7
d = 100 mm－ 52 －s (mm)

風洞実験による飛来塩分付着評価と橋梁断面部位別腐食予測で増加し，B/d＝2.5 → 3.0 で減少している。風下側桁下フランジ下面は，B/d＝2.0 → 2.5 で変化がなく，B/d＝3.0 でWind

B/d＝2.0 の 50～75％に減少している。風下側桁ウェブ外面

Base point

は B/d＝2.0 → 2.5 で変化がなく，B/d＝3.0 で B/d＝2.0 の 2

6.11

22.6
5.000

5.0

5.00

Windward side girder

01.0
2.0
3.0
4.0
5.0

Leeward side girder

05.0倍に増加している。

01.0
2.0
3.0
4.0
5.0

Case 3～5 の桁への付着粒子分布比較から，b1/d の変化に伴う付着分布の傾向に大きな差異はない。ただし，量的な差異が風上側桁下フランジ上面内側，風下側桁下フランジ(a) Case 1 in Table 1上面内側，風下側桁下フランジ上面外側，および風下側桁下フランジ下面に認められる。このうち，風下側桁下フランWind

ジ上面外側は，b1/d＝1.4 → 1.6 で変化がなく，b1/d＝1.8 でBase point

b1/d＝1.4 の 2 倍弱と増加している。風下側桁ウェブ外面は，

5.02

23.1
5.000

5.05.00

Windward side girder
Leeward side girder

01.0
2.0
3.0
4.0
5.00

b1/d＝1.4 → 1.6 で変化がなく，b1/d＝1.8 で b1/d＝1.4 の 2 倍

5.00
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0弱と増加している。
ちなみに，参考文献 5）では，風洞実験による粒子付着実
験の妥当性を，凍結防止剤を散布しない海風が橋軸直角方(b) Case 2 in Table 1

向から吹く 2 主 I 桁橋の塩分観測結果と照合することでも，実橋の塩分の付着傾向をおおむね再現できることを実証しWindている。

Base point

したがって，細かく観れば，断面寸法の差異により，主桁21.75.0005.0

5.00

Windward side girder
Leeward side girder

01.0
2.0
3.0
4.05.00

各部位への付着量に多少の増減があるものの，2 主 I 桁橋に5.0

おいては，断面の寸法比が変化しても塩分の付着分布傾向

01.0
2.0
3.0
4.05.0として大きな変化がないことが分かった。

4.2(c) Case 3 in Table 1粒子軌道の可視化

断面周りの粒子軌道を確認するため，スモークワイヤー
Wind法による流れの可視化実験を実施した。
Base point

21.2
5.0005.0

図 9（a）～（e）には，表 1 に示した Case 1～5 の可視化実
5.0

Windward side girder
Leeward side girder

01.0
2.0
3.0
4.0
5.000

験の瞬間映像を動画映像から観察した流れの概要図と併記

5.0

して示す。

01.0
2.0
3.0
4.0
5.0

図 9（a）～（e）より，床版部張出し長，B/d，および b1/dの変化により，巻き込み流の発生位置や渦の剥離角度が若(d) Case 4 in Table 1

干異なるものの，桁近傍の流れの向きは同じであることが分かる。すなわち，風上側桁ウェブの外面近傍の流れは下向き，風下側桁ウェブ外面近傍の流れは下向き，また桁内の流れ

Wind
Base point

は時計回りであるため，風上側桁ウェブの内面近傍の流れ

5.0は上向き，風下側桁ウェブ内面近傍の流れは下向きとなる。

7.3534.1001.0
2.0
3.0
4.0
5.00

5.0

5.0

Windward side girder
Leeward side girder

000
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0

5.0

図（9 a）～（c）の比較より，床版部張出し長が大きくなると，模型高欄部からの流れの剥離角度が小さくなり，風上側桁外面への流れの衝突位置が変わるものの，模型下方，模型内，5.91

模型後方の流れは変化しないことが分かる。

(e) Case 5 in Table 1

図 9（c）～（e）の比較より，桁間隔が変化すると，桁下方

図 8 桁への粒子付着分布
Fig. 8の巻き込み流の発生位置が若干前後に移動するものの，こParticl eadhesion distribution on girders of specimen（Numerals in figures are non-dimensional value）の発生位置の変化が流れの向きを大きく変化させるには至っていないことが分かる。

伴う付着分布の傾向に大きな差異はない。ただし，量的な以上のことから，一般的な 2 主 I 桁橋の断面寸法比の範囲差異が桁下フランジ下面と風下側桁ウェブ外面とに認めら

内 で あ る B/d＝2.0～3.0，b1/d＝1.4～1.8 の 範 囲 に お い て，れる。このうち，風上側桁下フランジ下面は，B/d＝2.0 → 2.5

断面周りの風の流れに大きな差異はなく，このため断面周り－ 53 －JFE 技報 No. 33（2014 年 2 月）

風洞実験による飛来塩分付着評価と橋梁断面部位別腐食予測

付着する付着塩分布であると想定した。風洞実験により再現を試みたところ，粒子付着実験手法が橋梁断面周りの一次付着塩分布を予測する手法として有効であることが分かった。本手法の妥当性は，2 主 I 桁橋および 3 主 I 桁橋に関して，実橋の塩分観測結果と照合することで実証している。さらに，2 主 I 桁橋における断面寸法比と断面周りの付(a) Case 1 in Table 1

着塩分布との関係についても評価を試みたところ，2 主 I 桁橋では，断面の寸法比（架橋実績の範囲内）が付着塩分布に大きな影響を与えないことが分かった。
粒子付着実験により得られた一次付着塩分布から雨がかりなどによる脱落を想定すれば，残留付着塩分布を推測することができる。そして，残留付着塩分布から，橋梁断面部位ごとに腐食する傾向が異なることを定量的に評価すれば，(b) Case 2 in Table 1

部位ごとにレベルの異なる防食を施すことにより，鋼橋の腐食耐久性を向上させ，鋼橋全体の長寿命化を実現できると考える。防食への活用例を挙げると，塗装橋における塗装仕様の部位別使い分け，鋼材材質の部材別使い分け，あるいは水洗い部位の選定がある。本論文の風洞実験手法が今後の橋梁の効果的な部分防食手法の根拠として活用されれば幸いである。

(c) Case 3 in Table 1

耐候性鋼橋梁断面周りの塩分観測では，長岡技術科学大学岩崎英治教授をはじめ研究室の皆様に多大なるご助力を戴きました。ここに記して，深謝の意を表します。
参考文献
1）建設省土木研究所，鋼材倶楽部，日本橋梁建設協会．耐候性鋼材の橋梁への適用に関する共同研究報告書（XX）―無塗装耐候性鋼橋梁の設計・施工要領（改訂案）―．1993-03．
2）日本鋼構造協会鋼橋性能向上委員会・耐候性鋼橋梁部会．耐候性鋼橋
梁の適用性評価と防食予防安全．JSSC テクニカルレポート．2009-09，
no. 86.
3）日本鋼構造協会鋼橋性能向上委員会・耐候性鋼橋梁部会．耐候性鋼橋(d) Case 4 in Table 1梁の可能性と新しい技術．JSSC テクニカルレポート．2006-10，no. 73.
4）岩崎英治，鹿毛勇，加藤真志，中西克佳，丹羽秀聡．耐候性鋼橋梁の断面部位別の腐食特性とその評価に関する一考察．土木学会論文集 A．
2010-06，vol. 66, no. 2, p. 297-311.
5）中西克佳，加藤真志，岩崎英治．風洞実験による橋梁断面の部位別付着塩分布評価手法に関する基礎的研究．土木学会論文集 A1（構造・地震工学）．2011-06，vol. 67, no. 2, p. 326-335.
6）中村秀治，藤井堅，緒方琴未，田口義隆．地形影響を考慮した飛来塩分量の推定と構造物への塩分付着に関する検討．鋼構造論文集．2007-(e) Case 5 in Table 1

06，vol. 14, no. 55.

図 9 可視化実験の瞬間映像と流れの概要
Fig. 9Snapshot of visible test and schema of flowの付着分布傾向に大きな変化はないことが分かった。

5． おわりに本研究では，実橋が桁端部以外の一般部において，必ずしも均一に腐食していないこと，また断面内の特定の部位が腐食しやすいことに着目し，この原因が風により運ばれ桁にJFE 技報 No. 33（2014 年 2 月）

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鹿毛勇加藤真志