特集記事

橋梁の建設からメンテナンスへ −橋梁診断技術−
From Bridge Construction to Maintenance −New Bridge Diagnostic Technology−
川口 喜史①＊
大垣賀津雄②※＊
阿部 和浩③
上野 善彦④
仁瓶 寛太⑤村岸治⑥※
小林 朋平⑦高島顕⑧
岩崎 勇人⑨

Yoshifumi Kawaguchi
Kazuo Ohgaki
Kazuhiro Abe
Yoshihiko Ueno
Kanta Nihei
Osamu Muragishi
Tomohei Kobayashi
Akira Takashima
Hayato Iwasaki

当社の橋梁建設は我が国の「鉄の橋」の歴史とともに１世紀を越えて歩んできた．これらの数多くのストック（資産）は高齢化を迎え，効率的かつ計画的な維持管理・長寿命化が求められている．本稿では，鋼橋の疲労および腐食に関する診断技術である「疲労センサ」と「腐食環境センサ」について述べる．さらに，補修・補強の効果的な技術の一例として，腐食部への「カーボンエイド」適用について述べる．
Infrastructure ages quickly, therefore Diagnostic Technologies for efficient and planned maintenance management areneeded. This paper introduces Diagnostic Technologies for fatigue and corrosion, which are typical forms of degradation anddamage seen in steel bridges. Specifically, it presents Fatigue Detecting Sensor and Atmosphere Corrosion Sensor. CarbonAid is explained as an example of an effective technology for repair and reinforcement.

ま え が き構・造船で培ってきた溶接技術をもとに，数々のエポック橋梁を手がけてきている．以下に，一例を紹介する．橋梁

橋梁の建設が大量に行われてから30年以上が経過し，劣に初めて高張力鋼を採用した「永代橋（1926年）」をはじ化や疲労に起因する損傷や事故が顕在化しつつある．しかめとする隅田川の「清洲橋」，「白鬚橋」，「勝鬨橋」のほか，も，我が国の社会基盤整備は，高度経済成長期に急速にお我が国初の全断面溶接桁として当時，世界最大の支間53mこなわれてきたため，これらの事象発生は諸外国に例を見の「田端跨線橋（1935年）（田端ふれあい大橋：現在は歩ないスピードで増大することが予測されている．
このため，道橋）」などがある．1972年に当社と合併した汽車製造㈱今後は適切な補修による橋梁の延命化や，補修・更新費用においても70余年にわたって多くの鉄道橋・道路橋を手がの平準化・最小化を図ることが必要とされている．近年でけている．北海道旭川のシンボル「旭橋（1932年）」や，は構造物のアセットマネジメントの導入が検討されつつあ現在もる．これは，構造物を資産としてとらえ，構造物の状態を「桜宮橋（1930年）」はその代表である．これらの高い技術把握して客観的に評価し，中長期的な資産の状態を予測すはその後も川崎重工業㈱として引き継がれ，大きく成長さるとともに，予算的制約の中でいつどのような対策をどこせてきた．

本稿では予防保全に寄与できる健全度評価や劣化予測の診断技術として，「疲労センサ」による余寿命診断およびと呼ばれて市民に親しまれている大阪市の近年では，高度経済成長とともに数多くの各種橋梁の製に行うのが最適であるかを考慮して，構造物を計画的かつ効率的に管理することである．

銀橋

作・建設を手がけ，本州四国連絡橋をはじめとする長大橋梁，さらには建設費のコスト縮減に対応した合理化橋梁などの技術開発に貢献してきている．

「腐食環境センサ」による劣化予測の技術開発と適用事例を紹介する．またこれら腐食などの損傷補修に効果的な炭素繊維シートを用いた補修補強工法の技術についても述べる．

π

メンテナンス，長寿命化の時代
当社では約3, 000橋におよぶ膨大な自社製作と建設した橋梁のカルテからなるデータベースを構築している．これ
１∏

橋梁建設の変遷とメンテナンスへの転換
橋梁建設の黎明から発展らをもとにして，補修レベルとその優先順位を決定するに際して，合理的なシステムと明確な判断基準が求められている．メンテナンスとは調査・点検に始まり，橋梁が保有

当社の橋梁建設の歴史は1887年から始まり，我が国のしている性能が要求レベルを下回っているかどうかを評「鉄の橋」の歴史とともに歩み，１世紀を越えている．鉄価・判定し，劣化予測をおこない，適切な対策を立案し実16①②③ 鉄構ビジネスセンター 技術総括部 橋梁・水門技術部④ 川重工事㈱ 技術部⑤⑥⑦ 技術開発本部 技術研究所 強度研究部※工学博士，＊技術士（建設部門）

川崎重工技報・157号
2005年１月

技術論文・解説
STEP１ 基本調査

目視点検，定期点検のデータ整備
カルテの新規作成，検査手法の提案．

き裂

STEP５ 資産運用プランの提示
STEP２ 非破壊検査
過流探傷検査，「MTフィルム」（磁粉探傷検査），腐食量計測，変形量・応力計測．

橋梁カルテ（データベース）

構造物の劣化度を推定
し，ライフサイクルコスト最小となる，補修・補強の内容と時期を算出．
複数の構造物をアセット
マネジメントの観点から維持管理する方策を提案．

スリット

ひずみの方向

力の流れ
STEP３ 診断・健全度評価

STEP４ 補修・補強工法の提案１）「疲労センサ」による余寿命診断，「腐食環境センサ」による腐食因子の特定・腐食進行度合いの評価，振動測定による剛性劣化評価．

「カーボンエイド」「，単純桁の弾性固定連続化」「，アルミニウム合金床版の拡幅」など．

金属箔 ベース部材

図２ 「疲労センサ」
Fig.２ "Fatigue Detecting Sensor"

疲労センサによる計測

図１ ウェルネスプラン
Fig.１ Wellness Plan

疲労ダメージの部材の推定 疲労損傷度

き裂進展センサの設 置行することである．そして，健全度評価，劣化予測などに疲労寿命の評価

センサー

計測期間 き裂長における疲労損傷度
算 出

き裂進展量の計 測

対象部位の累積疲労損傷度算出

各部位の疲労寿命の評 価結びつけるための定量的なデータに基づく診断が求められている．あわせて効果的な補修・補強技術

図３ 「疲労センサ」による鋼橋の疲労余寿命診断フロー
Fig.３ Flow of fatigue life evaluation using "FDS"

１）も求められている．これに対して，当社ではウェルネス・プラン（図１）と称して，各ステップでの単独およびトータルとして技術

図３に示す手順で，供用中の橋梁にセンサを一定期間（数サービスの提供をおこなっている．

ヶ月）貼付し，その間に検出したセンサのき裂長さから構ウェルネス・プランとは，橋梁などインフラ構造物の健造部位の余寿命を推定するものである．

全度状態（ウェルネス）をチェックし，構造物の補修・補強計画を含めた資産運用プランを提示するものである．

π

従来の応力頻度計測との比較

これは，社会基盤施設を取り巻く環境やこれからのあり橋梁の構造ディテールを設けたプレートガーダー模型供方を踏まえて，予防保全に基づく長寿命化を図ることを目試体を用い，「疲労センサ」の余寿命診断性能の実証疲労的としている．この背景には，総合重工業としての船舶な試験をおこなった．応力集中部でのき裂発生時期を，ひずど他製品やプラント・設備において取り組まれてきた維持

みゲージによる従来法と「疲労センサ」とで推定し，同等管理および診断に関する要素技術があり，これを社会資本の結果を得た ．き裂発生を浸透探傷試験とひずみ振幅の構造物である橋梁へ展開するものである．

低下率で確認した．図４に示すように，「疲労センサ」はひ３）

ずみゲージと同等にかつ正確にき裂発生時期を予測できた．
２∏「疲労センサ」による余寿命診断「疲労センサ」による鋼橋余寿命診断技術

橋梁に代表される鋼構造物は，長寿命化を図ることが求められている．損傷に対しては，目視，磁粉探傷，浸透探また，供用下の橋梁において，「疲労センサ」（６ヶ月間）とひずみゲージによる頻度計測（３日間）にて，両者による疲労寿命の推定比較を実施した結果を図５に示す．両者は満足の行く相関を示し，「疲労センサ」による余寿命診断が妥当であることが確認できた４）．

傷，超音波探傷や高機能な計測装置による点検や検査が必要であり，その調査・診断結果によっては延命策として補り，き裂など将来発生しうる欠陥を予測する予防保全的なものではない．もし疲労き裂損傷の発生時期が事前に予測できるのであれば，小規模の補修・補強で十分であったり，定期的検査の間隔を延ばせるなど，コストの削減を期待できる．ひずみゲージによる応力頻度測定に基づく従来の余寿命診断手法では，測定点数や期間に限界があったり，膨大なデータを処理する必要があった．

疲労センサによる予測寿命の範囲
1201.0100
ひずみ低下率（左軸）0.8800.6600.4

表面き裂長さ（右軸）0.20.0104105106107

当社で開発した「疲労センサ（図２）」は，繰返し荷重疲労寿命（Cycles）を受ける溶接接合部近傍に貼付することで当該部の疲労損

図４ プレートーガーダー実証試験の結果
Fig.４ Fatigue crack prediction and actual generation

4020

表面き裂長さ（mm）

腐食・変形などの異常を見つけ出す事後保全的なものであ

ひずみゲージによる予測寿命の範囲

ひずみ範囲低下率（Δε/Δε0 ）修や補強が行われている．これらの検査法は通常，き裂・0

傷度を推定する金属箔状の犠牲試験片型ゲージである ２）．
⑧ 川重テクノサービス㈱ 基礎技術事業部 材料技術部⑨ 技術開発本部 技術研究所 材料研究部

川崎重工技報・157号
2005年１月

17特集記事「疲労センサ」による疲労寿命Y（年）1,000② 複数の金属の分析評価から，複合的な要因で生じる腐食も一度に推定することが可能となる．
③100

従来の測定計器での気象因子単独分析は高費用で，腐食との対応も困難であるとういう問題点を解決することができる．

10

1

0.1
0.1

π

５ヶ所の計測結果
Y＝２X
Y＝X
Y＝X/２

À
Ω

「腐食環境センサ」を用いた劣化予測
分析・評価の手順と橋梁への適用「腐食環境センサ」を用いた鋼構造物の腐食環境の分析と評価の手順は，次の通りである．

1101001,000
応力頻度による疲労寿命X（年）まず，鋼構造物の測定対象部位にセンサを設置して，現

図５ 実橋での従来法と「疲労センサ」の比較Fig.５ Comparison of conventional method and "FDS" on a bridge

地に数ヶ月間放置しておく．この間に外界環境の要因によりセンサ金属の変色が進行する．

∫ 疲労損傷の余寿命予測と補強効果の定量化

次に，センサを回収し，金属表面の変色状態について，当社は，全国の道路橋や鉄道橋において，500枚を超え各種腐食試験による基準マスターデータとの照合を行う．
これにより，腐食要因の特定や，腐食環境の定量化と腐食る「疲労センサ」の適用実績を有している．
現在では，鋼橋における対象部位の疲労余寿命を算出す速度の推定を行う．
「腐食環境センサ」は，北海道から沖縄までさまざまなるほか，構造体の補修・補強に対する効果の定量化にも環境条件下の橋梁において適用を図っている．腐食環境因「疲労センサ」が用いられている．

子やその度合いについて，各地域特性や各部位ごとの特性３∏を明らかにでき，これらの結果はさらなる性能の向上に反「腐食環境センサ」による劣化診断映されている．
ÃΩ「腐食環境センサ」による腐食因子特定の技術

腐食環境の定量評価による劣化診断

大気中に置かれた鋼構造物の腐食の原因は，水分（結露，腐食環境因子の定量化の一つとして，センサ金属の変色雨水），飛来塩分，大気汚染物質，風，温度などの複合さを，明度L ＊ ，色相と彩度を示す色度a ＊ ，b ＊ の表色系で評れたものであるが，気象因子の単独分析では腐食との対応価する手法にて数値化して表現している．

は困難である．また，合理的な防食設計を行うためにも，これにより，腐食環境の度合いおよび劣化の判定が可能

付着塩分量，硫黄酸化物，温度・湿度などの腐食環境因子となる．この診断結果に基づき，効率的な予防保全のためと腐食状態（形態，部位，速度）との定量的な関係を明らの，腐食劣化予測やライフサイクルコストをも考慮した最かにする必要がある．

適な防食方法を選定することが可能となる．

そこで，金属の変色（状態変化）を利用することで腐食要因を容易に特定する，「腐食環境センサ」を開発した

５）６）

．

４

大気腐食にて変色しやすい数種類の純金属板（30×30mm）
を非電導材ベースに埋め込んだ構造である（図６）．この∏CFRPによる補修・補強「カーボンエイド」
CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）の特長

ベース裏面はマグネット式になっており，鋼構造物のあら

炭素繊維は軽量，高強度，高弾性，高耐食性などの優れゆる部位で簡単に設置・回収を行うことが可能な構造であた特性を持つ高性能無機繊維であり，直径７〜10μmでこる．図６は通常の大気環境下で変色しやすい金属（Mg，れを3, 000〜24, 000本程度収束させたストランドとされてAg，Al，Cu）およびFeを用いたものである．

いる．このストランドを50cmなど単位幅に数百本並べた2「腐食環境センサ」は以下のような特長を有する．

炭素繊維シートは，繊維目付け量の違い（200〜600g/m ）① 長期間を要する鋼材の大気暴露試験に比べ，数ヶ月と材料特性の違い（高強度型〜高弾性型）がある（表１）．の短時間で腐食状況を簡易に知ることができる．

CFRPとは炭素繊維シートに樹脂を含浸させ完全硬化さ非電導板

保護フィルムせたものである．さらにこのCFRPを鋼板表面に接着した試験片の引張試験では，鋼材が降伏するまで炭素繊維シー

表１ 炭素繊維シートの種別と特性
Table１ Characteristics of carbon fiber sheet
種
マグネシウム（Mg）銀（Ag） アルミニウム（Al） 銅（Cu）

図６ 「腐食環境センサ」
Fig.６ "Atmosphere Corrosion Sensor"

18

鉄（Fe）
〈基準金属〉類

引張強度（N/mm2） ヤング係数（kN/mm2）

炭シ 高強度型
素中弾性型
繊ート
維高弾性型

3400

245

2, 900−2, 400

390−450

1, 900540−640

鋼400−570

200

川崎重工技報・157号
2005年１月

技術論文・解説
トの剥離は発生しない．この荷重−ひずみ関係は，炭素繊

自動車荷重の増大による抵抗断面不足を生じている下フラ維シートと鋼材の完全合成断面を仮定した計算値とほぼ一ンジ補強や応力低減に適用が可能である．また，じん性向致する．鋼材の降伏ひずみ程度の範囲では，引張側も圧縮上などを目的とする鋼製橋脚補強にも適用が見込まれる．

側もほぼ同じヤング係数を持っており，座屈の生じない範囲では圧縮強度も鋼材に比べて高い．
温度サイクル（20℃⇔60℃）100回負荷試験後や，サンあ と が きシャインウェザロメーターによる10, 000時間（約50年相

近い将来，確実に迫り来る膨大な規模のメンテナンスの当）促進暴露試験後に行ったCFRPと鋼版の一体試験片の需要に対して，今後も優れた診断技術や補修技術の開発に

引張試験結果は，それぞれの試験前の結果と比べて引張強努め，これを広く提供することで，社会資本構造物の維度の低下がないことを確認した．

持・管理や長寿命化に貢献していきたいと考えている．

π

CFRP補修・補強技術の鋼橋への適用ÀΩ

CFRPによる補修・補強方法

参 考 文 献鋼橋の部材腐食への対策として，従来の鋼板の当て板工

１）梅田，尼子，山田，澤田，黒木，松浦，西本：

橋梁法に変わるものとして，CFRPによる補修工法が有効であのリニューアル−補修・補強技術− ，川崎重工技報，る．施工は図７に示す①から⑥の手順で行う．

No.157，pp.20-23（2004）

このうち，④炭素繊維シートの積層貼付は，含浸接着剤を塗布し炭素繊維シートを部材軸方向に貼付け，さらに含浸接着剤を上塗りし，炭素繊維シート内に十分エポキシ樹２）仁瓶，小林，今井：

疲労センシングの技術開発 ，

川崎重工技報，No.151，pp.70-71（2002）
３）大垣，川口，梅田，仁瓶，村岸，小林：

疲労センサ

脂を含浸させる．これを繰り返して，設計で求める必要層による鋼橋の余寿命診断性能に関する実験研究 ，土数の炭素繊維シートを部材軸方向に貼り付ける．⑤アラミ

木学会第58回年次講演会Ⅰ-559（2003）

ド繊維は，耐衝撃性・耐摩耗性に優れており，将来の塗装

４）川口，大垣，小林，川尻，今塩谷：

疲労センサによ塗り替えケレン時における炭素繊維シート保護の機能を果る余寿命診断と応力頻度計測による手法との比較 ，たすので，必要に応じて設置する．

土木学会第58回年次講演会Ⅰ-441（2003）

ÃΩ

CFRPによる鋼部材の補修・補強方法の特長①

CFRP自体が鋼部材の外的劣化要因を遮断し，耐久

５）川口，大垣，高島，梅田，上野，阿部，岩崎：

金属の変色を利用した鋼構造物の腐食因子特定に関する研究 ，土木学会第59回年次講演会Ⅰ-100（2004）

性と耐食性に高い効果が得られる．
② 構造物本体の鋼部材への溶接による熱影響やボルト孔による欠損といった弱点が生じない．
③ 大がかりな架設機材は不要で手作業中心であり，施

６）阿部，川口，大垣，梅田，上野，高島，岩崎：

腐食

環境センサを用いた腐食環境の定量化と鋼橋への適用 ，土木学会第59回年次講演会Ⅰ-128（2004）

工スペースの制約がある供用中の補修・補強に適する．
④ 薄く軽量な炭素繊維シートのため，鋼部材表面厚の増加や重量増加を生じさせない．
ÕΩ

鋼橋への具体的な使用方法
トラス部材や鋼管部材などの腐食（部分腐食や孔食），狭隘部の疲労き裂に対する補修に適している．さらには，
川口喜史

大垣賀津雄

阿部和浩

上野善彦

仁瓶寛太

村岸治

小林朋平

高島顕

岩崎勇人

⑤アラミド繊維シート③不陸修正⑥仕上げ塗装②プライマー塗布①下地処理（塗膜除去・素地調整）④炭素繊維シート（必要量のシート層を重ねる）

鋼材

図７ 鋼部材のCFRP補修の施工手順
Fig.７ Work procedure for CFRP repair of steel component

川崎重工技報・157号
2005年１月

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