論文・報告

改良型「KMAⅡ」ジョイントの耐久性

論文・報告

改良型「KMAⅡ」ジョイントの耐久性
Durability of New Expansion Joint KMAⅡ
長谷川 真司 *1

木下 正彦 *2

柳澤 則文 *3

Shinji HASEGAWA

Masahiko KINOSHITA

Norifumi YANAGISAWA

河合 功治 *4

久保田 和徳 *5

合津 尚 *6

Koji KAWAI

Kazunori KUBOTA

Takashi GOTSU「耐久性」「耐候性」「走行性」「低騒音性」「止水性」に優れた道路橋用伸縮装置「KMA」ジョイントに、これからの維持管理時代に必要な「施工性」を加えるため、伸縮装置本体及び定着構造を改良し「KMAⅡ」ジョイントを開発した。その優れた耐荷力・耐久性についてここに報告する。
キーワード：伸縮装置，孔あきジベル，アルミ合金鋳物，施工性，疲労試験を開発した。ここでは続報として，KMAⅡ-320 の定着構造

１．はじめにの耐荷力，静的力学特性について報告するとともに，そ受ける。さらに力学的な作用以外にも直射日光や雨水，降雪地域では融雪剤などの化学的な作用も受け，常に厳しい条件下で使用されている。しかし，伸縮装置は橋梁の後に行った疲労試験の結果から改良型「KMAⅡ」ジョイントの優れた耐久性について報告する。

２．改良前後の伸縮装置とその定着構造を構成する各部材の中では付属的な部材として扱われ，要求される条件に比べて，作用する荷重状態や応力の伝改良前後の伸縮装置とその定着構造の断面比較は図 1
および写真 1 に示す通りである。

達機構などの研究は，主部材に比べ未だ少ないのが現状

孔貫通鉄筋（D16）③棚状筋（D16）
アルミ合金鋳物管理時代を迎えるにあたり，道路橋伸縮装置においても，

①230

②250

また我が国においては，これから本格的な橋梁の維持今まで求められた耐久性・環境性などに加えさらに，更380

新時に交通規制の時間が短く施工性に優れた伸縮装置が500
改良前：KMA-230

求められている。
そこで我々はかねてから床版との定着作業を簡素化した KMA ジョイント1)～3)

孔貫通鉄筋（D19）①180である。

②200

道路橋伸縮装置は，車両の走行により繰り返し荷重を330
300500
改良後：KMAⅡ-230

図 1 改良前後の標準断面比較の開発を進め，施工性に優れた伸改良前：KMA-230

改良後：KMAⅡ-230

縮装置として販売してきた。
しかしながら，既設橋梁における伸縮装置の取替工事
ではコンクリートブレーカー等の破砕機を使用するため，既設床版を構成するコンクリートや鉄筋など主部材の損傷が懸念されてきた。
そこで「取替作業の時間短縮」と「既設床版の損傷軽写真 1 改良前後の伸縮装置の断面比較減」を目的に，床版切り欠き断面を低減させるよう伸縮装置とその定着構造の改良を行い，2011 年に新型ジョイント「KMAⅡ」 4)として，静的載荷試験の結果を含め，そ従来型 KMA から KMAⅡへの主な改良点は①～③の通りである（代表例として KMAⅡ-230 で示す）。の耐荷力について報告した。その後，従来の KMA ジョイ①ントよりも広い遊間・大きな伸縮量に対応可能な孔あき製品高さを低減（KMAⅡ-230 は 230 ㎜→180mm に約22%減）

ジベル定着構造の伸縮装置 KMAⅡ-320（ 許容伸縮量 320mm）*1㈱橋梁メンテナンス技術営業部開発課*2㈱橋梁メンテナンス技術営業部開発課 課長*3 川田工業㈱技術研究所構造物試験室 室長*4 川田建設㈱北陸支店事業推進部工事課*5㈱橋梁メンテナンス技術営業部技術課*6㈱橋梁メンテナンス取締役

論文・報告 4-1

川 田 技 報 Vol.32 2013

論文・報告②

床版+舗装の切り欠き深さを低減（KMAⅡ-230 は250mm→200mm に 20%減）③

改良型「KMAⅡ」ジョイントの耐久性

表 1 モデルの構造諸元
モデル

橋軸方向の補強鉄筋形状を変更（棚状筋→フックA

伸縮装置
本体部材
アルミ合金鋳物

補強鉄筋
孔貫通筋
かぶせ筋
D19
D16,後孔コンクリート
設計基準強度30 N/mm2筋を上から被せる形状（かぶせ筋）に。）
従来型では棚状筋であった橋軸方向の補強鉄筋を，フ※(3)設計荷重と載荷位置ック形状のかぶせ筋に置き換える事で ，孔貫通鉄筋より

設計荷重は，鋼製フィンガージョイントの設計要領 5)下方のコンクリートも一体となってジベルのアップリフに従って，伸縮装置の先端に【鉛直荷重：100kN×（1+衝ト作用に抵抗する構造となり，その結果，伸縮装置本体

撃係数 i:1.0）／2】を設計荷重として載荷するものとし，の製品高さが低減され，それに従い切り欠き深さの低減

実際の載荷荷重はジベル孔に発生するせん断力が，設計が可能となった。（※実用新案第 3164031 号）

荷重載荷 時と 同等と なるよ うに，伸 縮装 置の先 端から３．KMAⅡ-320 静的載荷試験120mm の位置に 167kN を基準とした。また安全率は従来型製品同様にアルミニウムハンドブック 6)に従って Fs=2.2(1)

伸縮装置本体の形状とし，定着構造も含めて 167kN×2.2=368kN の載荷に対し今回新たに開発した KMAⅡ-320 の伸縮装置本体の断面形状は図 2 で示す通りである。て耐荷力が有るかを確認した（目標耐荷力）。また，荷重の載荷幅は 500mm とした（図 4 参照）。

645145500170

載荷治具

210801602055033015529012560340

図 2 KMAⅡ-320 の標準断面図998

伸縮装置本体の形状寸法は，他の KMAⅡと同様に設計荷重の 2.2 倍に対して許容応力度内に収まるように決定し

図 4 荷重載荷位置とその載荷幅た。
(2)

供試体

KMAⅡ-320 の耐荷力を確認するために静的載荷試験を行った。その試験体には製品同様のアルミ合金鋳物製の伸縮装置１パネル（1m/パネル）を用いた。また配筋についても，他タイプ同様，貫通鉄筋より下方のコンクリー
トのアップリフト作用への抵抗を期待して，かぶせ筋を後ろのジベル孔に配した（図 3，表 1）。

(4)

KMAⅡ-320 静的載荷試験の結果

a)

耐荷力

静的載荷試験の結果，368kN（目標耐荷力）の載荷では供試体に異常は認められなかった。その後 475kN（安全率2.84）載荷時点で後打ちコンクリート上面にひび割れが発生し，その後 515kN（安全率 3.08）で，伸縮装置本体のフェイスプレート根元が破断し，載荷試験終了とした

載荷荷重（写真 2）。
155

125 100
かぶせ筋

430120290800

図 3 KMAⅡ-320 静的載荷試験供試体断面
写真 2 モデル A の載荷状況

論文・報告 4-2

川 田 技 報 Vol.32 2013

論文・報告b)

孔貫通筋・かぶせ筋の挙動

改良型「KMAⅡ」ジョイントの耐久性した。また繰り返し速度は 1.0～1.5Hz の範囲とした。唯孔貫通鉄筋およびかぶせ筋の発生ひずみは，目標耐荷一設計荷重で繰り返し載荷を行った試験ケース（KMAⅡ

力を超えるまでは微小であるが，載荷荷重が 425kN を超-160）については，2 000 万回載荷しても破壊には至ってえたあたりから，その増加量は大きくなり，後打ちコンいない。それ以外の試験ケースについては，全てフェイクリート上面にひび割れが発生し始める 475kN 以降は大スプレートの根元（アルミ合金鋳肌）から破断した。そきくなる。の際，後打ちコンクリートにはひび割れは発生しなかった。また表中の応力範囲はフェイスプレート根元の発生応力の内，最大値を採用している。

600

載荷荷重（kN）

500

表 2 応力範囲と繰り返し回数，破断位置
記号

400

300

200

100

称

応力範囲
N/mm2

破断位置

破断回数

モデルA（上側）○KMAⅡ-160(1)74.1

20,000,000

モデルA（下側）●

KMAⅡ-160(2)218.7

40,529

根元

設計荷重

●

KMAⅡ-160(3)138.6

636,464

根元

目標耐荷力

●

KMAⅡ-230(1)98.7

1,491,900

根元ひび割れ発生●

KMAⅡ-230(2)127.2

642,255

根元●

KMAⅡ-230(3)110.9

3,648,911

根元●

KMAⅡ-320

110.1

1,792,596

根元0-500

名0500

中断

記事
設計荷重

ひずみ（μ）

図 5 モデル A

孔貫通筋

載荷荷重－ひずみ(2)

S-N 線図各試験ケースについて行った疲労試験の結果をプロッ
トし最小二乗法を用いて近似線を引いたものを図 7 に示

600

す。
500

モデルA（上側）
300
モデルA（下側）
設計荷重

200

目標耐荷力
100

y = 2926.8x-0.1968

応力範囲（N/mm2）

載荷荷重（kN）

1000
400

ひび割れ発生y = 1311.8x-0.1715

1000-100

400

900

ひずみ（μ）

図 6 モデル A

101.E+04

かぶせ筋

1.E+05載荷荷重－ひずみ

1.E+06

1.E+071.E+08

繰り返し回数N

図 7 アルミ合金鋳物製伸縮装置 KMAⅡの S-N 線(5)

KMAⅡ-320 静的載荷試験の考察

KMAⅡ-320 の静的載荷試験から伸縮装置本体および定全てフェイスプレート根元から破断したことから，こ着構造ともに目標以上の耐荷力を有することを確認した。の S-N 線（－：赤）はその位置でのジョイント表面に発また供試体が１体であることから，断定はできないが，生する応力と破断に至る載荷回数の関係を示している。

後打ちコンクリートにひびわれが発生した時点で定着構

また同図上には比較対象として，従来型 KMA 開発時に使造が破壊されたと考えると，定着構造は 475kN（設計荷重用または作成した S-N 線を併せて記載した。の 2.84 倍），フェイスプレート根元は 515kN（設計荷重（－：青）は従来型 KMA の疲労試験の S-N 線で，これの 3.08 倍）程度の耐荷力を有すると言える。

は KMAⅡの破断位置がフェイスプレート根元であるのに４．新型ジョイント「KMAⅡ」の耐久性対して，従来型の破断位置はフェイスと孔あきジベルの間の隅角部が主体であるため，断面や構造が異なる。

(1)

疲労試験の結果（－：緑）はボルト定着タイプのアルミ合金製伸縮装伸縮装置とその定着構造の耐久性を確認するため，疲置であり，その破断位置が KMAⅡ同様にフェイスプレート労試験を行った。試験ケースは表 2 の通りで，使用した根元であるが，その化学成分については従来型 KMA およ

伸縮装置のタイプは KMAⅡ-160,230,320 の全７ケースとび KMAⅡとは異なる。

論文・報告 4-3

川 田 技 報 Vol.32 2013

論文・報告（－：黒）はアルミ合金材料 AC4C-T6 の金型（伸縮装設計荷重載荷時の最大発生応力が設計計算による応力でより小さいことと，設計応力が 82.7 N/mm2 以下であるたある。応力性状が異なるが、平面曲げと回転曲げは、そめ，全てのタイプについて設計荷重で 1 000 万回程度の置は砂型鋳肌）試験片の回転曲げ疲労試験の S-N 線

7)改良型「KMAⅡ」ジョイントの耐久性

8)の S-N 線が近似している 。また試験片であるため，KMA耐久性はあると言える。また表 2 の KMAⅡ-160(1)の 2 000Ⅱとは断面，鋳肌が異なる。

万回以上の耐久性から判断して，この時の発生応力

これらより，同じアルミ合金鋳物であっても，その化74.1N/mm2 に対して計測値のある KMAⅡ-230 と 320 の発生学成分や破断位置の構造が異なると S-N 線が異なること

応力は各々72.3 N/mm2，62.2 N/mm2 であることから、両者が再確認できた。また KMAⅡの S-N 線を評価するため、比についても 2 000 万回の実試験をした KMAⅡ-160 と同程較が容易な（黒：金型試験片）と比べると，両者の傾き度の疲労耐久性を有すると言える。

は同程度であることから，今回得られた S-N 線が AC4CHの疲労特性を表していると言える。また疲労強度の大き5．まとめ

さは、明確な疲労限の無いアルミで一般的に疲労限とし今回，伸縮装置本体とその定着構造の改良を試み，静て扱う 1 000 万回の疲労強度では（黒：金型試験片）は的載荷試験と疲労試験により改良前と同様に設計荷重に万回)-0.1968=122.7

Y=2926.8×(1000N/mm 2 で（－：KMAⅡ）は 82.7 N/mm2 となる。

た。その後，販売を開始し 2012 年 8 月現在では 790m を

また、回転曲げは両振れ、KMAⅡの平面曲げは片振れであるため修正グッドマン線で疲労強度を補正すると、
awm7)
B

1122.7 1

対して十分な耐荷力・耐久性を有していることを確認し61.353007 )超える納入実績となり，これらの取替に要する作業時間などから「施工性」の向上を確認している。KMAⅡは，これからの維持管理時代に向けて，適用性の拡大が期待さ

97.6 N / mm 2れると考える。

さらに両者間の条件の違いを埋めるために一般的に疲

6．おわりに労強度は引張強さの 50～60%と言われることから，その引橋梁の付属物として扱われてきた伸縮装置は近年，経張強さと比例関係にあると考え，JIS H 5202 の引張強さ済性重視から性能重視へと顧客の要求も変化してきていに関する規格を利用して補正すると，る。そのため今後も伸縮装置の改良・改善に努める必要①があると考える。

鋳物本体から採取した試験片は引張強度が規格値の75%以上あれば良い。

②

最後に KMA ジョイントの改良にあたり，ご指導とご協
2

金型試験片 AC4C の引張強さは 230 N/mm 以上，一方力をいただいた関係各位には，心よりお礼申し上げます。

2

砂型試験片 AC4CH の引張強さは 230 N/mm 以上である。
①②より 97.6×0.75(230/230)=73.2 N/mm2<82.7 N/mm2

参考文献となり，KMAⅡ本体の疲労強度の大きさは材質的にも十分

1)渡辺，永井，金野，中西，依田，山内：孔あきジベルであると言える。

を用いたアルミ合金鋳物製伸縮装置に関する基礎的実験，以上より，今回得られた S-N 線は KMAⅡ（AC4CH-T6，砂土木学会第 58 回年次学術講演会，2003.9.

型鋳肌，フェイスプレートからの曲げによる破断）に関

2)中西，依田，渡辺，吉田：孔あきジベルを用いたアルして，十分な信頼性があると言える。

ミ合金鋳物製伸縮装置に関する数値解析的研究，土木学(3)

疲労試験の考察会第 31 回関東支部技術研究発表会，2004.3.

疲 労 試 験 の結 果 ， KMAⅡ -160 に つ い て は設 計 荷 重で3)中西，吉田，渡辺，依田：孔あきジベルを用いたアル

2 000 万回の耐久性があることが確認できた。そこで，そミ合金鋳物製伸縮装置に関する実験的研究，土木学会第の他のタイプの耐久性についても考察する。信頼性があ

59 回年次学術講演会，2004.9.

ると判断した KMAⅡの S-N 線で 1 000 万回の繰り返し載荷4)河合，柳澤，久保田，合津，金澤：施工性を追求した

2に耐える発生応力は前述の通り 82.7N/mm 以下である。こ新型ジョイント「KMAⅡ」，川田技報 vol.30，2011.1.

こで各タイプのフェイスプレート根元の設計曲げ応力お5)東日本・中日本・西日本高速道路(株)：設計要領第二よび最大発生応力は表 4 の通りである。

集橋梁建設編，2011.7.
6)(社)日本アルミニウム協会：アルミニウムハンドブッ

表4 各タイプの根元の設計曲げ応力および設計荷重載荷時の最大発生応力
タイプ

KMAⅡ-60

KMAⅡ-80

KMAⅡ-110

KMAⅡ-160

KMAⅡ-230

KMAⅡ-320

設計応力(N/mm2)

57.8

74.6

79.0

76.2

78.166.4

最大発生応(N/mm2)---74.1

72.362.2ク，2007.
7)日本軽金属(株)：AC4C-T6 金型鋳物の疲労 S-N 線図，2003.2.
8)公江，中村，恒成，岡田：曲げ疲労強度と引張圧縮疲
労強度の関係，「材料」第 32 巻第 356 号，1983.5.

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