研究開発 送出し架設工法における少補剛腹板補強検討 A Study on Reinforcement of THE WEB with Omitted Stiffeners In Constructions by Launching Method 林 宏 充＊ HAYASHI Hiromitsu 寺 口 巨 生＊＊ TERAGUCHI Naoki 近年，我が国では鋼橋のコスト縮減の一環として少数主桁橋が採用されている。この形式の橋梁 には少補剛設計が適用される場合があり，支間中央付近の正曲げを受ける腹板においてアスペクト 比の増大および水平補剛材の省略により構造の合理化・省力化が図られている。この構造を採用し， 送出し工法による架設を行う場合，支持点の鉛直反力等により腹板が局部座屈を起こす可能性があ るため，安全性照査により補剛材を設置する箇所が生じる。従来の照査方法によれば補剛箇所が多 大となるため，少補剛構造の利点を損なう可能性がある。そこで，本検討ではＦＥＭ解析モデルを 用いて，より実状に近い解析を行い，垂直補剛材を配置した場合の補剛腹板の補剛効果について検 討した。その結果，今回用いた実橋モデルでは，少補剛腹板パネルを３等分する位置に桁高の1/2 の垂直補剛材を設置した補剛方法が最も合理的であった。 1. はじめに ＦＥＭ解析結果との比較を行い，ＦＥＭ解析結果の妥当 性を確認することとした。 鋼橋のトータルコスト縮減を目的として，少数主桁橋 が数多く採用されている。この橋梁形式は，従来の多主 2. 検討モデルおよび解析方法 2.1 送出し架設ケース 桁橋に比べ剛なフランジであること，また床版により圧 縮フランジが拘束されることから，腹板の薄板化・少補 １） により，少補剛設計で 解析対象として想定した送出し架設ケースを図１に は支間中央の腹板においてアスペクト比３まで垂直補 示す。少補剛腹板のパネル中心に送出し装置がある状態 剛材を省略することができ，水平補剛材をなし（０段） で，主桁張り出し長が最大となるケースを想定している。 剛化が可能である。既往の研究 図１の着目パネル詳細については図２に示す。腹板高 とすることができる。 鋼道路橋は架設地点の諸条件により送出し架設工法 が採用される場合がある。この場合，送出し装置上の鉛 3066mmに対して垂直補剛材間隔は8300mmと広く，アスペ クト比は2.7である。 直反力や架設系の断面力による腹板の座屈について照 査を行っている。従来の上下フランジのねじり剛度を無 視した照査方法２） によれば補剛箇所が多大となるため， 少補剛構造の合理化・省力化の利点を損なう可能性があ る。 そこで，本検討では送出し架設ステップを想定し，少 補剛腹板パネルの座屈荷重が最も不利に作用する状況 をモデル化し，より実状に近い形でＦＥＭ解析を行い合 理的な補剛方法を検討することとした。 また，既往の研究３）においてフランジのねじり剛度を 考慮した照査方法が提案されており，その提案式を用い ＊技術部鉄構設計グループ ＊＊技術部鉄構設計グループ主任 図１ 送出し架設ケース 佐藤鉄工技報 Ｖol.18 解析モデルに作用させる外力は，想定モデルについて 概略設計を行い決定した仮定鋼重に不均等係数1.20を 乗じた線分布荷重を桁全線に載荷するものとした。各支 点の拘束条件を表１に示す。Ｐ３支点の鉛直方向ｙの拘 束は支点反力に相当する荷重を送出し装置の反力受幅 に線分布荷重として載荷することで対処した。梁－シェ ル要素剛結部は横桁位置のためｘ方向変位を拘束した。 本解析は汎用有限要素法システムＡＮＳＹＳを使用し， 弾性有限要素解析を行った。 表１ 支点拘束条件 （単位：mm） 図２ 着目パネル 支点 ｄx ｄy ｄz θx θy θz Ｐ１ ○ ○ × × ○ ○ 解析対象の橋梁はG1桁とG2桁が対象断面の２主桁橋 Ｐ２ ○ ○ × × ○ ○ を想定することとし，ＦＥＭ解析ではG1桁のみをモデル Ｐ３ ○ ※ ○ × × × 2.2 ＦＥＭ解析モデル 化する。図３に本解析で用いるモデルの概要を示す。着 ○：拘束，×：自由 目部の腹板，上下フランジおよび垂直補剛材はシェル要 ※反力を線分布荷重として作用させる。 素とした。また，着目部以外の桁は梁要素とし，着目部 とは剛な梁要素にて結合することとした。シェル要素の メッシュサイズは100mm程度とし，着目部以外の梁要素 2.3 検討内容 本解析では，垂直補剛材による少補剛腹板の補剛効果 を検討するために，無補剛モデルと図４に示す２種類の は500mm程度とした。 補剛モデルについて比較を行った。 （ｂ） （着目部詳細図） （ｃ） （モデル全体図） 図３ FEM解析モデル 図４ 補剛方法 佐藤鉄工技報 Ｖol.18 また，フランジのねじり剛度の有無による影響を確認 するため，上記の無補剛・補剛モデルにおいて，フラン 材の設置範囲は圧縮応力が作用する範囲，すな わち腹板高さの半分程度で十分と考えられる。 ジのねじり剛度を考慮した場合と考慮しない場合の解 （５） 上下フランジのねじり剛度を考慮（腹板を弾性 析を行うこととした。なお，フランジのねじり剛度を考 支持）することにより，ねじり剛度を無視（腹 慮しない場合のＦＥＭ解析モデルは，前項2.2のモデル 板を単純支持）した場合に比べ，案全率が1.5 においてフランジおよび垂直補剛材を梁要素とし，フラ ～1.7倍に増加する。これは，フランジのねじ ンジのねじり剛度入力値をゼロとした。以上の解析ケー り 剛 度が 座 屈荷 重に 及 ぼす 影響 が 大き い こと スを表２にまとめた。 を表している。 表２ 解析ケース Case 補剛方法 補剛材長 上下フランジ ねじり剛度Ｊ 1-a なし － 考慮 1-b 3@V-STIF ｈw 考慮 1-c 3@V-STIF ｈw/2 考慮 2-a なし － 考慮せず 2-b 3@V-STIF ｈw 考慮せず 2-c 3@V-STIF ｈw/2 考慮せず 3. 考察 3.1 ＦＥＭ解析結果 （ａ）無補剛 ＦＥＭによる座屈解析より，図５にフランジのねじり 剛度を考慮した１次モードの座屈波形を，表３に各解析 ケースの固有値を示す。同表に示す固有値は，作用荷重 に対する１次モード座屈荷重の倍率を示す。これらの結 果より次のことが言える。 （１） フランジのねじり剛度の有無にかかわらず，垂 直補剛材により補剛することで，安全率が増加 する。 （２） 上 下 フラ ン ジの ねじ り 剛度 考慮 お よび 無 視の 両ケースにおいて，補剛することによる安全率 （ｂ）垂直補剛（補剛材長＝ｈw） の増加率は，２種類の補剛方法ともにほぼ同じ であった。 （３） 図５より，腹板座屈は下フランジ側の位置で生 じている。これより，座屈が曲げ圧縮応力およ び 鉛 直圧 縮 応力 が卓 越 して いる 箇 所で 発 生す ることが確認できる。 （４） 上記（２），（３）より座屈に対する安全率は 圧縮応力が卓越する箇所で決定しており，曲げ 引張応力は安全側に働く。よって，上フランジ ま で 垂直 補 剛材 を延 長 して も座 屈 荷重 に 与え る影響は少ないため，腹板を補剛する垂直補剛 （ｃ）垂直補剛（補剛材長＝ｈw/2） 図５ 座屈１次モード 佐藤鉄工技報 Ｖol.18 表３ 係数は５倍程度増加する。また，鉛直局部応 ＦＥＭ固有値座屈解析結果（固有値） 力はせん断応力より著しく大きいため，鉛直 モデル 荷重 に対しては大幅 な補剛効果 があ ると 考 安全率（固有値） 比率 補剛 方法 補剛 材長 ねじり 剛度考慮 ねじり 剛度無視 ａ 無補剛 2.018 1.326 1.5 ｂ ｈw 2.701 1.627 1.7 ｃ ｈw/2 2.536 1.560 1.6 えられる。 （４） Ｆ Ｅ Ｍに よ る座 屈解 析 によ り得 ら れた 座 屈荷 重 倍 率は 照 査式 の計 算 安全 率よ り 大き な 値と なっている。 4. まとめ 本稿では，少補剛桁の送出し架設時における腹板の 3.2 座屈照査式 局部座屈に対する安全性および合理的な補剛方法を 座屈照査式により，着目する腹板パネルの座屈照査を 行い，ＦＥＭによる座屈解析結果と比較検討を行うこと とする。本検討では，既往の研究３）にて提案されたフラ ＦＥＭ解析により検討を行い，座屈照査式を用いてＦ ＥＭ解析結果との比較検討を行った。上記の検討によ り得られた結果をまとめる。 ンジのねじり剛度を考慮した腹板座屈係数の提案式を 用いた。照査は，（ａ）無補剛状態の腹板と（ｂ）腹板 パネルを３等分する垂直補剛材配置をした腹板につい て行った。その照査結果を表４に示す。 （１） 曲げモーメント，鉛直局部荷重およびせん断力 が作用する腹板パネルにおいて，垂直補剛材に より局部座屈の補強を行う場合，垂直補剛材の 長 さ は曲 げ 圧縮 応力 お よび 鉛直 圧 縮応 力 が生 表４ 照査結果（フランジねじり剛性考慮） 照査ケース （ａ）無補剛 （ｂ）補剛 アスペクト比 2.7 0.9 23.9 23.9 曲げモーメントに 対する座屈係数 せん断力に対する 座屈係数 鉛直荷重に対する じる範囲を補強すればよい。本検討では，垂直 補剛材長を腹板高の1/2とした補剛方法が合理 的であった。 （２） フランジのねじり剛度を考慮した場合（ 腹板 を弾性支持） は，フランジのねじり剛度を考 5.89 10.56 慮しない場合（腹板を単純支持）に比べ，座 屈荷重が大きい。 （３） 垂 直 補剛 材 は鉛 直局 部 荷重 に対 す る補 剛 効果 1.38 7.08 計算安全率 1.163 1.523 所要安全率 1.429 1.387 参考文献 判定 ＯＵＴ ＯＫ １） 大垣賀津雄・川口喜史・磯江暁・高橋昭一・川尻 座屈係数 が高い。 克利・長井正嗣： 『合成２主桁橋の鋼主桁補剛設計に 上表より次のことが言える。 関する実験的研究』,構造工学論文集 Vol44A,PP.1229 ～1239，1998 年 （１） 無補剛 の 場合 は所要 の 安全率 を 満 たさない ２） 伊藤紘一：『鉛直局部荷重を受けるプレートガー が，垂直補剛材の配置により所要の安全率が ダー腹板のＤＡＳｔ０１２による座屈照査例』,橋梁 得られる。 と基礎,PP.32～39，1984 年 （２） ＦＥＭ解析および照査式の結果において，垂 ３） 作川孝一・大垣賀津雄・山本晃久・田村陽司・川 直補剛材 の 増 設するこ とで局部 座屈 に対す 尻克利： 『鉛直局部荷重が作用する腹板のフランジを る安全性が増加する。 考慮した座屈係数の提案』,鋼構造論文集 第６巻 22 （３） 補剛を行うことにより，せん断力に対する座 屈係数はおよそ２倍，鉛直荷重に対する座屈 号,PP.79～90，1999 年
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