鉄道橋における疲労損傷対策事例発見～調査～補修補強

阿部 允（(株)ＢＭＣ）

土木学会継続教育講習会

鉄道橋における疲労損傷対策と事例（メンテナンスに対する取り組み）

平成24年12月19日

ＢＭＣ

阿部 允

講義の要旨１．鉄道橋における疲労への取り組み① 疲労設計② 疲労損傷と事例

２．疲労損傷に対する取り組み事例① 発見（点検と検査）② 調査および診断③ 損傷対策３．これからのメンテナンスに対する取り組み① 長寿命化
② 「やりくり」のマネジメント

鋼鉄道橋の疲労に関する配慮～ 歴史、材料、活荷重、設計基準 ～古鋼材の概要(加工上の注意点)
鋼 種年代

錬 鉄

1883
以前

作錬式

ﾍﾞｯｾﾏｰ 1909
鋼以前

作30,35
達10等

S39

達95,875 ・材質的に不均一
達680,540 ・強度的には規格値を保証
・靭性は低く、割れやすい
達16,74・溶接は避けるのがよい
達827,SS39

1928
以前

桁形式

注 意 点
・材質が不均質、層状・強度は現行の41ｷﾛ鋼の70～80%・靭性、伸びは劣る
・溶接は避けるべき・強度にﾊﾞﾗﾂｷ、錬鉄と同程度に・靭性も劣る
・P,Sが多く溶接性は劣る

達1084※ ﾘﾍﾞｯﾄ構造の桁には基本的には溶接を行うのは避けるのがよい。

鋼鉄道橋の疲労設計の変遷
１．ベッカー示方書（明治２８年）
リベット構造の疲労に対する配慮

２．溶接鋼鉄道設計示方書案（昭和３５年）
・西ドイツの鉄道示方書を参考にした疲労照査手法を取り入れる。
・継手を５分類し、それぞれＢの２００万回疲労強度のみを示す。
・東海道新幹線の設計にも使用。

３．建造物設計標準（昭和４５年）
許容応力度を整理し直す。

４．全国新幹線網建造部設計標準（昭和４７年）
・変動応力の効果を実態に近づける。
・スパン毎基本的な疲労許容応力度に乗じる係数を決める。
・耐用年数を７０年とした。

５．建造物設計標準の改訂（昭和５８年）
・「応力範囲」を用い疲労の照査を行う。
・繰返し回数は影響線長によって異なる疲労許容応力範囲（σta）を用いる。

σmax – σmin ≦ σta

６．現行の示方書（限界状態設計）（平成４年、平成２１年）
・長寿命域を考慮した疲労設計

照査の流れ
静的設計（終局限界状態の設計）による断面の想定
ＯＫ

断面もしくは簡便な疲労の照査

ディティールの見直し

ＮＧ

詳細な疲労の照査
ＯＫ断面および用いるディティールの確定
終了

ＮＧ

鉄道橋における疲労照査の流れ終局限界状態（性的設計）の設計に用いる荷重で、その継手部に生じる最大応力範囲（Δσmax , Δτmax）を計算する。

簡便な疲労の照査
O K（γb・γw・γｉ） Δσmax ＜ Δσce ・ ＣR ・ ＣT（γb・γw・γｉ） Δτmax ＜ Δτce ・ ＣR ・ ＣTΔσce：一定振幅応力に対する応力範囲の打切限界
OUT

疲労の照査
bw

di

1

Rbw

di

1Rd,

R，

：設計応力範囲dR‘：疲労許容応力範囲

終 了

繰返し数の影響を考慮した疲労の照査継手が保有する疲労強度作用する応力の大きさ
繰返し数

疲労許容応力範囲
ΔσＲ， ΔτＲ

作用応力範囲Δσd ， Δτd

・継手の疲労強度・板厚効果
・製作上の品質・公称応力
・列車の種類・影響線長・列車本数

f1

繰返し数の影響を考慮した照査式

abdi≦1Rdabi≦1R

ここに、,dd：作用応力範囲d( maxd( maxminmin) f1 f 2) f1 f 2

f1：繰返し数を考慮した係数

f2：複線載荷を考慮した係数
R,R：疲労許容応力範囲

a：構造解析係数（＝0.85）

b：部材係数（＝1.0）

i：構造物係数（＝1.0）

係数 ｆ１ の算出
f１は繰返し数を考慮した疲労の照査に用いる列車荷重が静的に載荷した時に発生する最大応力範囲Δσm a xと、その列車が通過した時に発生する変動応力の繰返し数および列車本数の影響を考慮した効果応力範囲Δσeqで与えられる。
eq

f1max

また、eqは次の式で与えられる

1/ m＝
(n)
eqeq。

max

従って、f1( n eq ) 1 / m

すなわち、f１はある列車が通過した時の最大応力範囲Δσmaxに代表させた等価繰返し数ｎeqを算出することによって求められる。

疲労損傷と検査～ 目視検査のポイント ～疲労き裂の発生しやすい箇所
１．応力集中箇所
鋭い形状の箇所、傷の入った箇所、溶接欠陥のある箇所、剛性の急変する箇所、面外変形箇所、欠食している箇所

２．高繰り返し荷重を受ける箇所
長い部材より短い部材、面外変形を受ける板材、振動する細長部材

３．荷重点に近い箇所や負荷を集中的に支える箇所
載荷点（特に偏心）、支点部（特に沈下）、

疲労上心配な箇所① 断面急変等の応力集中箇所② たわみ差、変位差等の発生箇所③ 支点沈下の影響④ 振動部材⑤ 偏心載荷の影響箇所⑥ 溶接品質の不良箇所(溶接補修部含む)⑦ 後付け付帯物の取付け箇所(特に溶接部)

現場における検査は・どこをどのように検査するか
疲労点検の着目箇所（起こりやすい箇所はマップで）さびの確認が一つの決め手、ガタツキのある個所・発見したらどうするか
三つの確認項目（発生状況、放置すると、何時）とスケッチ

・何を記録し報告するか
発生部位、き裂形状、錆の色、周辺の異常・重点項目に対する亀裂の有無と状況・発見されたき裂：三つの確認項目、緊急性判断
原因の想定、詳細調査の有無

検査における押さえどころ３要素
１．損傷・劣化のパターン
発生位置、き裂先端位置と長さ、原因の推定

２．放置したときの許容限界
放置するとどうなるか（限界亀裂長さ、冗長性）

３．進展速度（損傷・劣化のメカニズム）
限界に達する時期（メカニズムと進行性）
発生パターン

許容限界

位置、長さ、原因

限界き裂長、冗長性

損傷・劣化のメカニズム
進行性、余寿命

目視検査のポイント ①
１．異常に気が付くこと（着目個所の把握、錆やガタツキのある個所、支点沈下個所、たわみ差、厳しい継ぎ手、面外曲げ）

２．接近して診て記録する（近接目視、亀裂に触れる、周辺の動き、検査の３要素）

３．性能面から評価する（耐久性能の評価：余寿命、限界き裂長）目視検査のポイント ②
１．サビの出ている箇所は要注意
２．支点沈下のある箇所は周辺を確認
３．部材のあるガセットや連結材の端部は要注意
４．リベットやボルトに弛みのある周辺は要注意）
５．応力集中部で塗膜にわれのある箇所は要注意
６．溶接で補修されている箇所は必ず確認
７．疑わしい箇所や発見したものは磁粉探傷

目視検査のポイント ③
き裂もしくはき裂の兆候が見られたら
１．写真を撮る、スケッチする（局部と周囲も）２．検査の３要素を「橋守調書」に記録する
３．周辺の状況にも注意
４．原因についても考える（自分なりに推定する）
５．原因究明や類似箇所の発生予測などのための応力測定や定量的診断のための詳細調査の要否の判断とその方法
６．原因究明、緊急処置の要否、対策案などについては、インフォームドコンセント、セカンドオピニオンも重要。

疲労損傷と検査～ 詳細検査（非破壊検査、定量的診断） ～疲労き裂(き裂、欠陥等の検査方法)

検査方法

検出の原理

検出位置

浸透探傷試験
(PT)

毛細管現象による浸透液の浸透作用

表面

磁粉探傷試験
(MT)

漏えい磁束が生じ、傷に磁粉が吸着する磁気吸引作用

表層部

渦流探傷試験
(ET)

電磁誘導作用による渦電流の変化

表層部

超音波探傷試験 超音波パルス(エコー)の反射作用
(UT)

内部

放射線透過試験 放射線(主にX線)の透過強さの変化
(RT)

内部

劣化予測（腐食疲労）の手順
START
目視調査

・ 現地の確認・ 致命的損傷の抽出・測定位置の決定

実橋測定
・ 継手形式による疲労強度の決定（継手等級）

継手等級の選定・ 実働応力の把握（道路は応力頻度測定）

・ 荷重の把握
応力頻度解析 （大きさと回数）
・応力頻度分布の作成（レインフロー法）

累積疲労損傷度の計算
余寿命の算出END・ 疲労限界に到達するまでの日数の算出

橋梁診断システム【疲労損傷診断と効果の確認】～補修前における応力頻度測定結果～～補修後における応力頻度測定結果～

補
補 修
修

疲労き裂の発生予測～疲労き裂に対する劣化曲線～

き裂発生寿命

経年

余寿命

下路トラスの疲労損傷マップ

疲労損傷と対策～ 対策のポイント ～疲労損傷対策・発見したらどのような措置を考えるか
応急措置の有無（必ず管理責任者に報告し判断を）対策の時期と原因の推定そして対策の提案へ

・対策工法の選定
原因を踏まえた判断
制約条件の確認（時期、技量、資金の手当て、LCCなど）

・施工計画と検証方法について工法を提案し施工者との調整、有効性の判断根拠
施工条件や管理シートの確認

疲労損傷対策の考え方① き裂部はｶﾞｳｼﾞﾝｸﾞ、再溶接し、当板を基本② ｽﾄｯﾌﾟﾎｰﾙは一時的進展遅延の応急対策③ 原因によっては○ 応力集中緩和：
TIG,ｸﾞﾗｲﾝﾀﾞｰ処理等応力集中緩和○ 2次的要因改善：
支点沈下、たわみ差等の改善○ 構造的要因改善：
ﾃﾞｨﾃｰﾙの改善(構造的改良)

疲労損傷に対する対策計画上のポイント
１．原因を把握することは対策する場合の前提
２．期待する効果のレベルを予め明確にする
３．過度に技量や仕上がり精度に頼らない
４．できるだけリダンダンシーを持つ工夫を
５．予防保全の面からの検討
早期発見（着目箇所、センシング）、リダンダンシーの確保

疲労による損傷対策のポイント
・ 作用応力を高める要因を排除する
・ 作用応力を小さくする手を打つ

１．支点沈下を防ぐ
２．偏心載荷の影響を小さくする
３．面外変形を極力抑える
４．応力集中を起こらないようにする
５．急激な断面変化をなくする
６．溶接欠陥や部材に傷のない品質管理を行う
７．原因の把握と対策工法の選定は専門家に相談

維持管理のマネジメント～ 効果的疲労のメンテナンス ～重大事故を防ぐためのマネジメント• 人材育成と新技術の導入（検査の質を上げる）
橋守の育成 ： 橋の弱点・性能を見分けられる人、技量認定者
常時監視 ： 常時監視の異常検知モニタリングシステムで補完• 予防保全体制へ移行
機能の低下や問題が起こらないように処方箋を（橋守カルテ）
これまでの点検は、問題の起こったものを探すことだった• リダンダンシーの確保
重大な箇所や心配な箇所には冗長性（ 落橋防止工、二重系）を

鉄道橋の長寿命化対策の事例• 検査力の強化（資格認定制度、モニタリング）
検査専門家を希望する技術者を「専門職」として位置づけし、徹底し た強化育成を図ること。常時の異常検知も• 「橋守カルテ」の継続と充実（橋守管理図も）専門家の力をかり、橋毎に管理の処方箋（カルテ）の更新作業を通して責任技術者の育成。また、重要な構造物には、維持管理の設計図に当たる「橋守管理図」の整備も。

• 予防保全対策体制（技術基準の見直しとマネジメントの導入）

危機管理、リスクベースマネジメント及びアセットマネジメントの導入で新幹線の機能を充実させる。併せて、性能診断など技術基準の見直しを図る。

今までの検査手順でよいか一次判定は重い

信頼できる効率的な検査体制へ
直轄が基本

専門家との連携

「橋守カルテ」（台帳＋処方箋）とは１．構造物情報
設計条件、製作示方書、構造形式、使用材料など

２．管理情報管理個所、検査履歴、補修・補強・改造履歴など

３．処方箋（構造特性、弱点の把握も）① 構造特性、弱点、FCM,管理上の注意点、設計条件② 重点検査項目、特定管理項目（支点のずれ量・・・）③ 将来予測（2年、5年、10年後どうなってるか）④ 予防保全策(2年に一回は水洗いと草刈り・・・）⑤ 対策（措置）項目（早急、計画的など）

メリハリをつけた検査方法の事例
１．専門家による近接踏査で検査の処方箋を作成
・ FCM（破壊重要部材）の抽出：検査方法の提示
・ 重点検査項目の選定

２．FCMについては特別メニュー（予算）で事前対策
検査のグレード、足場の要否、検査頻度などはここで示す

３．それ以外のものは「重点検査項目」として点検
損傷の客観的事実

４．10年に一度は専門家による処方箋の見直しを
内容は、「橋守カルテ」に記載し蓄積し更新していく。
カルテは、インハウスエンジニア組織で一元化して管理する

重要破壊部材
FCM：Fracture Critical Members，
米国のAASHTO LRFD基準
破壊すると橋梁の崩壊や機能不全を招く恐れのある部材（米国では引張り部材としている）
FCMを有する橋の設計，製作，維持管理の安全水準を規定化

米国のAASHTO FCMを持つ橋の検査は– 近接目視（Hands-on Inspection）を義務付け– 検査費用：FCB以外の200％～500％と査定重大化を防ぐ、リダンダンシーの確保

Ⅰﾋﾞｰﾑ
部材構造

冗長性

ﾘﾍﾞｯﾄ構造

溶接構造

進行性

健全度判定例

重要破壊部材か○×

Ⅰﾋﾞｰﾑ

ａ～ｂａ

ぜい性破壊の心配有り
Ａ1

ﾘﾍﾞｯﾄ構造ｂ～ｃ

ａ～ｃ

破断は部分的Ａ1～Ｃ

ａ～ｂ

一般的にぜい性破壊はしない
Ａ1～Ａ2

溶接構造

ａ～ｂ△
（条件付き）

長寿命化のために(設計での配慮)■構造物の弱点の把握
腐食:平滑面を、狭隘箇所の回避、溜水の配慮
疲労:強度の弱い継手の回避、断面の余裕■単純化(製作、施工性の考慮)
断面急変箇所、部材交差箇所の回避■変位差の吸収支点沈下等のたわみ差吸収の工夫

ディテールの工夫本当に「老朽化」か
老朽化が進んできた橋の特徴① ちょっとしたことで重大化する恐れがある （重大化）② 回復を図るのにお金と時間がかかる恐れ （脆弱性）③ いくら補修しても元に戻らないことが多くなる （負担増）④ いくら検査の数を増やしても発見できない損傷が多くなり、かつ、重大損傷を見逃す恐れも （見落とし）⑤ 今の基準（時代）に合わなくなった （基準不適合）

実態を「知り尽くして」いな人が、安易に「老朽化」とあおっていないか

橋の寿命は橋の寿命は50，60年で物理的、機能的、経済的寿命で○ 実績から寿命50，60年と言うのは、取り換えた橋の実績○ 説明手法として「物理的、機能的、経済的寿命」を用いるが現実には「保守困難」で更新
役に立たない、実態が把握できない、技術的対応不可、関連工事資金が利用できる、お金が対応可能な限度を超えるという人為的行為

この部分だけを延命化?

現在の基準（要求性能）

基準不適合（当初の要求性能）

分布

当初の基準

取り換えの実績はごくわずか
損傷対策だけでよいか
陳腐化も大きな要因に全部捨てるのか
劣化は進む

実際の性能（保有性能）

損傷以外の要因で取り換えが多い

橋の寿命は橋の寿命は実績から150年以上を目標に出来る
人間の約２倍：
経年４０～５０年の橋は、人間の２０～２５歳（老朽化？）

橋の寿命は、橋が決めるのではなく「人が決める」

性能

当初の想定劣化曲線

初期性能

こまめな対策で劣化曲線の改善
現時点での性能水準
実劣化曲線

経年60年の時点で保つべき水準

通常の補修による回復
０

実際の部材寿命

目標とする
寿命120年
120年

管理上の限界性能（AA)120年もたせるためのマネジメント線
４０ （現在）

６０

１２０

経年

想定耐用年数目標とする耐用年数「劣化を予測して直すのではなく」、「目標とする性能水準」を「劣化を予測して直すのではなく」設定して、劣化に対しこまめに手当てする」
劣化に対しこまめに手当てする

橋の寿命は橋が決めるのでなく人が決める延命化のマネジメント線図

長寿命化のための予防保全策
長寿命化の範囲は全期間
初期故障

安全策

磨耗故障
偶発故障

劣化防止策

防災対策
想定外の損傷安全予防対策優先： 検査力,モニタリング
ＦＣＭ

経年

耐用期間の末期
主に事故災害重大事故・防災対策： リダンダンシー

劣化防止策： 日常的予防で延命化

ＬＣＣ

ＲＢＭ

初期欠陥には目に見える指標を、経年劣化には日常手当てに指標を予防保全は「橋」より「利用者」が先
施設設備を常に当てにできる状態に保っておくことが目標
安全の確保 ： 重大損傷の防止（FCM)
脆弱性の解消 ： 防災対策とBCP
延 命 化 ： 劣化の防止と早期対策

まとめ
１．疲労は判断できる人材が必要「知り尽くすこと」と「なす術を知る」人材

２．安全確保は「気が付くこと」と「重大化させないこと「予防保全」と「情報の共有化（カルテ）」

３．長寿命化を考えた取り組みに「メリハリ」の利いた管理の実現