土木学会東北支部技術研究発表会（平成20年度）

I-15

３次元 FEM 解析に基づく２連合成鋼鈑桁橋の静的挙動特性の検討

1.

岩手大学工学部

学生会員

○南琢磨

東邦技研株式会社

正会員

山村浩一

岩手大学工学部

正会員

岩崎正二 出戸秀明

岩手大学大学院学生会員

田中正徳

はじめに著者等の実施した大型トラック車両を用いた実橋載荷試験の結果 1)から、下部工のわずかな変形が上部工に大きな影響を与えることが分かっている 2)。そこで、本論文ではそれらの影響を明らかにするために対象橋梁である 2連合成鋼鈑桁橋を、下部工を含めた 2 径間にわたるモデル化を行い、過去に実施した静的載荷試験を再現する解析を行った。FEM 解析結果を静的載荷試験の実測結果に近づける方法により最適モデルを作成し、支承が拘束状態にある 2 連合成鋼鈑桁橋の上部工と下部工の静的挙動特性を検討した。

2. 対象橋梁と FEM 解析の概要
対象橋梁である岩手県紫波町の下梅田橋は 2 連単純合成鋼鈑桁橋であり、橋長 57.00m、支間長 27.75m、幅員 5.00m、桁高 1.5m、3 本主桁の二等橋(TL-14)である。本研究では、汎用 FEM 解析ツール ANSYS を用いて静的解析を行った。
対象橋梁は図-1 に示すように対傾構・横構を Beam 要素、主桁・補剛材を Shell 要素、床版・支承・橋脚等を Solid 要素を用いて 3 次元でモデル化した。要素数は 14303 要素、
図-1

節点数は 18746 点である。

3 次元 FEM 解析モデル

目視点検によると本橋梁の可動支承は錆等により機能不全状態にあり、固定支承に近い状態であった。したがって、橋台側の支承には、全並進方向に固定の境界条件を定義した。また、橋脚上の支承は Solid 要素でモデル化したため、ほぼ剛結状態となっている。地盤の影響を検討するため、橋脚のフーチング下面に地盤ばねを設置した場合と、全並進方向に固定の境界条件を定義した場合の 2 種類のモデルで比較検討したが、計算結果がより実測結果に近かったのは、後者のモデルであった。FEM 解析では、20tf トラック 2 台を計測径間の支間中央に載荷した場合について静的解析を行う。実橋の最適モデルを求めるために、鋼主桁のヤング係数 Es を固定した状態(Es=2.10×1011N/m2)で床版全体のヤング係数 Ec と橋脚全体のヤング係数 Ec’を変える方法を採用し、ヤング係数比をそれぞれ n、n’と表した。初期値は、Ec= 2.00×1010N/m2(n=10.5)、Ec’ =2.35×1010N/m2(n’=8.9)として、各支間中央の垂直変位と橋脚天端の水平変位が実測値に近づくように最適化を行った。

3. FEM 解析結果と考察
解析結果と考察Ec と Ec’を変化させ、最適化を行った結果、Ec と Ec’がそれぞれ n=15、n’=9.5 の場合に実測値との相対誤差が最も小さくなり、実測値に近い結果が得られた。表-1 に示すように最適化後の計算値と実測値との相対誤差は、計測径間で約 7.3%程度、他径間で約 7.7%程度、橋脚で約 1.9%程度となった。支間中央の耳桁(G1 桁)に偏載荷した場合についても最適化を実施したが、G2 桁載荷の場合とほぼ同等の結果が得られた。
図-2、3 に、それぞれ 2 径間にわたる G1 桁の垂直変位と下フランジ下面の軸方向ひずみの分布図を示す。図中
キーワード : 2 連合成鋼鈑桁橋

静的載荷試験

FEM 解析

住所 : 岩手県盛岡市上田 4-3-5

岩手大学工学部

最適化

ヤング係数比建設環境工学科- 29 -TEL ,FAX : 019-621-6436

土木学会東北支部技術研究発表会（平成20年度）

表-1 各支間中央の垂直変位と橋脚天端の水平変位の相対誤差

実測値
初期値 Ec(n=10.5),Ec'(n'=8.9)
最適値 Ec(n=15),Ec'(n'=9.5)
実測値と最適値との差実測値との相対誤差

計測径間-垂直変位
G1G2
G3-6.198-6.42-6.283-5.163-5.303
5.164-5.791-5.942-5.7910.406
0.478
0.492-6.56%-7.45%-7.83%(単位:mm)

他径間-垂直変位
G1G2
G3
1.255
1.275
1.245
1.26
1.284
1.287
1.338
1.363
1.366
0.083
0.088
0.121
6.61%
6.90%
9.72%

橋脚-水平変位
G1側天端 G3側天端
0.782
0.806
0.773
0.773
0.809
0.809
0.028
0.003
3.52%
0.37%
2

では、実測値と初期条件による計算値、最適化後の計算値を鉛直変位 (mm)0比較している。図-3 に示すひずみ分布は n を変化させてもほ-2とんど影響の出ないのに対し、図-2 に示す垂直変位は敏感に反応していることがわかる。Ec だけ変化させると、n が 1 増

実測値

えるごとに計測径間の垂直変位は 0.08mm 程度増加した。

最適値 Ec(n=15)，Ec'(n'=9.5)-4-6

初期値 Ec(n=10.5)，Ec'(n'=8.9)

最適化により n=15 がより実測値を再現する結果となった-850が、本橋梁で行われた目視点検の結果、床版劣化はあまり見403020100

軸方向距離 (m)られず、n=15 は大きすぎるように思われる。このような結果

図-2になった原因としては、現在のモデル化では橋脚上の支承をG1 桁の垂直変位分布図-150

鋼の材料特性をもつ Solid 要素でモデル化しており、支承の0い場合について支間中央にトラック 2 台載荷して検討を行っ

50実測値
最適値 Ec(n=15)，Ec'(n'=9.5)た。図-4 では、支承下部全面を全並進方向に固定した場合(回50403015020100

軸方向距離 (m)場合(回転あり)を比較検討した。図-4 より、支間中央の垂直
図-3G1 桁下フランジ下面の軸方向ひずみ分布図程大きくなっている。前述したように n が 1 増えるごとに計0測径間支間中央の垂直変位が 0.08mm 増えるということから、-1支承の回転を許した場合の計算結果は n を 2.5 程度下げるこ-2とと同等になることがわかった。すなわち、より現実の挙動を再現できる支承のモデル化ができるなら、対象橋梁の Ecは n=12.5、Ec’は n’=9.5 程度であると推測される。従って、-3

支承回転なし鉛直変位 (mm)

変位は支承の回転がある場合の方がない場合に比べて 0.2mm100

初期値 Ec(n=10.5)，Ec'(n'=8.9)

転なし)と支承下部の中心一点だけを全並進方向に固定した-6-50

計測径間のみのモデルを作成し、支承の回転がある場合となひずみ (×10 )-100

回転機能が十分再現されていないことが考えられる。そこで、-4支承回転あり-52725232119171513

支間中央

支承のモデル化は今後の検討課題と思われる。

軸方向距離 (m)図-4支承の回転の有無による垂直変位分布図

4.まとめ
まとめ
今回の解析の結果、下梅田橋では可動支承の水平移動が機能していないこと、RC 床版と橋脚の剛性か低下していることが明らかになった。また、2 連合成鋼鈑桁橋を FEM モデルで解析する際、下部工を含めたモデル化を行うことで、静的載荷試験の再現が可能となった。
参考文献
1)

平洋文，岩崎正二，出戸秀明，吉田和子：静的載荷試験に基づく 2 径間単純鋼鈑桁橋の静的特性評価，土木学会東北支部
技術研究発表会公演概要，I-47，2007.3

2)

山村浩一，岩崎正二，出戸秀明，五郎丸英博，田中正徳：既設 2 連鋼鈑桁橋の静的および動的特性に及ぼす下部工の影響について，構造工学論文集 Vol.54A，2008.3- 30 -