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構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法

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構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法
構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法に関する研究
構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法に関する研究
研究予算:運営費交付金(一般勘定)
研究期間:平 26~平 29
担当チーム:橋梁構造研究グループ
研究担当者:村越潤,金田崇男
【要旨】
現在,
道路橋の技術基準に関しては,
要求性能の検証方法として部分係数設計法の導入検討が進められている.
本研究では,鋼道路橋上部構造を対象に,部材等の実験データを基に抵抗側の部分係数の設定方法の検討を行う
とともに,構造合理化・多様化への対応の観点から,鋼コンクリート接合部や厚板・多列を前提とした高力ボル
ト摩擦接合継手の設計法について検討を行うものである.
平成 26 年度は,厚板・多列を前提とした高力ボルト摩擦接合継手の設計法について,接触面を無塗装とした場
合の継手性能について実験的検討を行い,設計に用いるすべり係数の低減係数を提案した.また,抵抗側の部分
係数の設定方法の検討について,現行設計法との整合性の確保を基本方針として,鋼部材としての限界状態及び
抵抗側の部分係数の設定方法の提案を行い,安全余裕の分析を行った.さらに,鋼コンクリート接合部の設計法
について,現行設計法の課題整理を行い,スタッドを対象として水平せん断力に対する強度照査法の合理化及び
部分係数化のため,実験的検討を行った.
キーワード:構造の合理化・多様化,部分係数設計法,高力ボルト摩擦接合,すべり耐力,鋼コンクリート接合
部,スタッド
1.はじめに
法との整合性の確保を含め照査書式や部分係数の設定方
土木・建築分野の各種構造物の設計に係わる技術基準
法に関する検討,さらに,溶接箱断面部材及び局部座屈
については,文献 1)の考え方に沿って,検討・改定を進
を考慮する 3 部材を対象として,設計に用いる基準耐荷
めていくこととされており,この中で要求性能を満たす
力曲線について検討を行った.
ことの検証方法として信頼性設計の考え方を基礎とする
一方で,荷重係数の検討を踏まえた上で,鋼桁以外の
限界状態設計法の導入が求められている.現在,道路橋
形式も含めた抵抗係数の設定に向けた検討を行うととも
2)
に関する技術基準である道路橋示方書 (以下,道示)
に, 個別部材の強度照査規定に関しては,コスト縮減に
については,技術基準の国際的整合への対応を図るとと
向けた構造の合理化・多様化を踏まえ,引き続き,規定
もに,品質を確保しつつより合理的かつ効率的な道路橋
の充実を図っていく必要がある.
整備を可能とするため,要求性能の明確化及び充実化並
本研究は,鋼橋上部構造を対象に,抵抗側の部分係数
びにみなし規定の充実化に向けた次期改定のための調査
の設定方法の検討を行うとともに,構造合理化・多様化
検討が行われており,要求性能の検証方法として限界状
への対応の観点から,厚板・多列を前提とした高力ボル
態設計法の 1 つである部分係数設計法の導入検討が進め
ト摩擦接合継手の設計法や鋼コンクリート接合部設計に
られている.
おける要求性能及び強度照査法について検討を行うもの
過年度に実施したプロジェクト研究(平成 17-20 年度)
である.
平成 26 年度は,
高力ボルト摩擦接合継手のすべり耐力
では,鋼道路橋設計への部分係数設計法の導入に向けた
3)
検討を行い ,鋼桁橋を対象に部分係数の設定の考え方
試験を行い,塗膜厚等の接合面の塗装条件がすべり係数
及び部分係数書式に基づく基準試案を提示している.ま
に与える影響について検討を行った.また,鋼部材とし
た,重点研究(平成 21-25 年度)では,高力ボルト摩擦
ての限界状態及び抵抗側の部分係数の設定方法並びにそ
接合継手について,接触面に無機ジンクリッチペイント
の具体的な数値について検討した.さらに,鋼コンクリ
を塗布した場合の各種構造諸元がすべり耐力に及ぼす影
ート接合部のうち,頭付きスタッドを用いた場合の設計
響の検討,部分係数設計法の導入に向けては,現行設計
法について検討を行った。
-1-
構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法に関する研究
2.高力ボルト摩擦接合継手の合理化に関する検討 2.1
の最小中心間隔 75mm とした.なお,本試験で用いた試
研究の背景と課題
験体は筆者らが文献 4),5)で使用した試験体と同一の試
近年,部材の簡素化,構造の合理化を図った鋼橋の普
験体であり,接触面処理のみをブラスト処理に変更し,
及により,板厚 50mm を超える厚板鋼板を使用する事例
ISO Sa 2.5 を目標としてブラスト処理(スチールグリッ
が増えてきている.鋼板の接合方法には,主に溶接継手
ト:JIS G 5903 の粒度 G50)を行ったものである.
と高力ボルト摩擦接合継手の 2 種類が用いられているが,
ボルトの締付けは,道示Ⅱに従って,内側から外側に
溶接接合は厚板になるほど多層溶接となり品質管理や現
向かって順次行った.締付け作業は 2 度に分けて行い,1
場工期が課題となるため,施工性・経済性の面から,高
次締めでは設計ボルト軸力の 60%程度を導入し,2 次締
力ボルト摩擦接合が採用される場合が多い.高力ボルト
めでは設計ボルト軸力の 100%を導入した.締付け軸力
摩擦接合の設計にあたって,平成 24 年の道示改定では,
は 10%増しせず設計軸力通りとした.ただし,計測側で
無機ジンクリッチペイント(以下,無機ジンク)を塗装
すべるように,
片側
(非計測側)
は設計ボルト軸力の120%
した場合の,8 列以上の場合のボルト継手とする場合の
以上で締付けを行い,非すべり側とした.
ボルト許容力に乗じる低減係数が道示II 鋼橋編解説で示
試験体組立て後に,
ボルト軸力計測及びすべり耐力試
された.本研究では,接触面を無塗装とした場合に対し
験を実施した.ボルト軸力計測では,ボルト軸力の経時
ても同様に多列化の場合のすべり係数の検討を行うもの
変化をひずみゲージにより計測した.すべり耐力試験で
である.
は,すべり挙動を把握するために,母板間及び母板-連結
板間の相対変位をクリップゲージにより計測するととも
に,試験中のボルト軸力の変化を計測した.
2.2 研究内容
平成 26 年度は,
厚板鋼板を用いた多列の高力ボルト摩
表-2.1 試験体の基本諸元
擦接合継手を対象として,接触面を無塗装とした場合の
試験体
名称
継手性能について,実験的検討を行った.主な検討内容
を以下に示す.
1-A,B,C
(1)
厚板多列継手試験体を用いたすべり耐力試験による
各種構造諸元の影響の検討
(2)
既往のすべり耐力試験結果も含めた多列化によるす
べり係数への影響分析
ボルト 母板厚
列数 (mm)
連結板厚
(mm)
3
母板幅
(mm)
すべり
母板すべり
/降伏耐力比
耐力(kN)
β
120
50
2-A,B,C
8
3-A,B,C
12
4-A,B,C
3
5-A,B,C
8
6-A,B,C
12
75
26
38
576
0.32
190
1504
0.49
270
2123
0.46
120
584
0.22
130
1527
0.51
190
2104
0.45
すべり耐力試験では,厚板鋼板を用いた高力ボルト摩
擦接合継手試験体 18 体を製作してすべり耐力試験を行
い,母板・連結板の厚さ,ボルト列数などの構造諸元が
継手性能に及ぼす影響について検討を行った.
2.3 試験体及び試験方法
(a)No.1(No.4)
本試験で用いた試験体の基本諸元を表-2.1 に,その寸
(b)No.2(No.5)
法形状を図-2.1 に示す.
母板厚は 50,
75mm の 2 種類と,
ボルト列数は 3,8,12 列の 3 種類として,それらを組み
合わせた 6 種類を試験対象とした.ボルト列数は,施工
性や継手の適用実績を踏まえ,概ね上限に近いと考えら
れる 12 列を最大とした.
試験体の母板と連結板には溶接
構造用圧延鋼材 SM490Y,高力ボルトには F10T-M22 を
用いた.
(c)No.3(No.6)
また,ボルト中心間隔は,ボルトが多列配置となる場
図-2.1 試験体の寸法形状(単位:mm)
合,設計・施工の面から連結板をできるだけ小さく設計
することが一般的と考えられるため,M22 の高力ボルト
2
構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法に関する研究
図-2.2 に計測箇所を示す.ボルトの軸力計測は,各試
2.4 試験結果
験体 3 体のうち 1 体のみ詳細に計測(詳細計測)し,そ
2.4.1 荷重と母板間の相対変位の関係
れ以外は計測点数を若干減らして計測
(基本計測)
した.
図-2.4 に各試験体のうち 1 体を例に,荷重と母板間の
ひずみゲージの貼付位置は,図-2.3 に示すとおり,締付
相対変位の関係を示す.いずれの試験体においても,初
け厚の中央に相当する位置とし,すべり後もボルト軸力
期は線形関係にあるが,徐々に相対変位が増加し勾配が
を計測できるようにボルト 1 本につき 2 箇所とした.ま
ゆるやかになり,ピーク荷重を迎えた後,荷重の低下と
た,母板間及び母板-連結板間の相対変位の計測は,クリ
相対変位の急激な増加がみられる.これらの結果から,
ップゲージを用いて行い,詳細計測及び基本計測ともに
本試験体はすべり先行型の挙動を呈していると推測され
同じ位置とした.
る.ここでは,荷重が増加しなくなり変位が急激に増加
ボルト番号
する状態をすべりが生じた状態とし,
この時の荷重値
(図
中の曲線上の○印)をすべり耐力と定義した.
2.4.2 すべり耐力及びすべり係数
表-2.2 に試験から得られた各試験体のすべり耐力及び
すべり係数を示す.表中のすべり係数 μ0,μ2 は式 (2.1),
(a) 3 列タイプ
(2.2)により算出した.すべり係数の設計値に対する評価
ボルト番号
は,設計ボルト軸力により算出する μ0 を用いて行い,板
厚及びボルト列数等の影響の分析については,締付け完
了時の軸力によって算出する μ2 を用いて行う.
ボルト番号
(b) 8 列タイプ
(c) 12 列タイプ
図-2.2 ボルト軸力及び相対変位の計測箇所
図-2.4 荷重-母板間の相対変位の関係
表-2.2 荷重-母板間の相対変位の関係
試験結果
構造諸元
試験体 母板 連結
ボルト
No.
厚
板厚
列数
(mm) (mm)
1-A
1-B
1-C
2-A
2-B
2-C
3-A
3-B
3-C
4-A
4-B
4-C
5-A
5-B
5-C
6-A
6-B
図-2.3 ボルトに対するひずみゲージの貼り付け位置
3
3
8
50
12
26
3
75
8
12
締付
軸力
(kN)
207.4
207.5
205.9
206.0
209.4
207.2
209.4
207.2
205.6
205.7
207.8
206.0
206.0
205.6
205.5
205.7
205.4
試験前 すべり すべり係数 すべり係数
変動
軸力
μ0
耐力
μ2
(kN) (kN) 各値 平均 各値 平均 係数
205.9
202.3
204.5
195.2
203.0
201.7
208.1
200.9
204.7
203.5
209.6
208.4
201.2
203.3
204.8
202.5
203.1
552
560
539
1,537
1,526
1,612
2,268
2,259
2,401
552
532
548
1,532
1,667
1,540
2,261
2,314
0.45
0.46
0.44
0.47
0.47
0.49
0.46
0.46
0.49
0.45
0.43
0.45
0.47
0.51
0.47
0.46
0.47
0.45
0.48
0.47
0.44
0.48
0.46
0.45
0.46
0.44
0.49
0.47
0.50
0.45
0.47
0.49
0.45
0.42
0.44
0.48
0.51
0.47
0.47
0.47
0.45
0.02
0.49
0.03
0.47
0.03
0.44
0.03
0.49
0.04
0.47
0.01
構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法に関する研究
0.8
2
・ ・
0
・ ・
2
(2.1)
注)括弧内の数値は中央の値との差を示す
0.7
0.6
相対変位(mm)
0
(2.2)
ここで,
P:すべり耐力(kN)
0.5
0.4
0.3
0.1
m:接触面数(=2)
0.0
(0.20mm)
(0.11mm)
(0.08mm)
0.2
n:ボルト本数
No.3(50mm,12列)
No.2(50mm,8列)
(0.17mm)
(0.01mm)
(0.01mm)
No.1(50mm,3列)
内側
N0:設計軸力(=205kN)
中央
外側
(a) ボルト列数による比較(母板厚 50mm)
(kN)
N2:試験前軸力(計測値)
0.8
試験体 No.6-C を除く全試験体のすべり係数 μ0 は,0.4
0.7
を上回っており,その平均値は 0.46,変動係数は各試験
0.6
相対変位(mm)
体で 0.01~0.04 であった.なお,試験体 No.6-C について
は,すべり係数 μ0 が 0.38 であり,設計値 0.4 を若干下回
る結果であった.本試験結果については試験体の載荷装
置へのセットアップ時の不具合がすべり荷重に影響を与
注)括弧内の数値は中央の値との差を示す
0.5
0.3
0.1
価は行えないと判断し,以下の分析では除外することと
0.0
(0.17mm)
(0.11mm)
(0.07mm)
0.2
えた可能性があり,他の試験体と同等にすべり耐力の評
No.6(75mm,12列)
(0.15mm)
0.4
No.5(75mm,8列)
(0.01mm)
(0.01mm)
No.4(75mm,3列)
内側
した.
中央
外側
(b) ボルト列数による比較(母板厚 75mm)
2.4.3 母板-連結板間の相対変位
0.8
図-2.5 にすべり耐力時(図-2.4 に示す○印の時点)の
注)括弧内の数値は中央の値との差を示す
0.7
母板-連結板間の相対変位について,試験体ごとに各 3 体
0.6
相対変位(mm)
の平均値を整理した結果を示す.図中には,クリップゲ
ージで計測した母板-連結板間の内側,中央,外側の相対
変位を示す.また,各試験体から 1 体を例に,図-2.6 に
荷重と母材-連結板間の相対変位の関係を示す.
0.5
No.5(75mm,8列)
0.4
0.3
0.2
ボルト列数に対して相対変位を比較すると(図
0.1
-2.5(a),(b))
,3 列の試験体では,内側,中央,外側におい
0.0
No.2(50mm,8列)
(0.08mm)
(0.07mm)
(0.11mm)
(0.01mm)
(0.01mm)
No.1(50mm,3列),No.4(75mm,3列)
内側
て差はほとんどみられないが,8 列,12 列と多列になる
中央
外側
(c) 母板厚による比較(ボルト 3 列,8 列)
に伴い,中央と端部(内側,外側)の差が大きくなって
図-2.5 すべり耐力時の中央と端部の母板-連結板間の相対変位
いる.また,荷重と母材-連結板間の相対変位の関係にお
いて(図-2.6(a),(b))
,内側と外側では,中央に比べ初期の
3,000
段階から相対変位が増加している.ボルトが多列配置と
2,500
内側
なるにつれて,端部では荷重初期段階から局所的にすべ
荷重(kN)
りが発生し,すべり発生荷重に至るまでには母材-連結板
間の相対変位について継手の中央と端部(内側,外側)
を比べると差が著しくなり,継手内で不均一なすべり
中央
外側
No.3-C(ボルト12列,母板厚50mm)
2,000
No.2-B(ボルト8列,母板厚50mm)
1,500
1,000
が生じていると考えられる.
No.1-A(ボルト3列,母板厚50mm)
500
母板厚に対して相対変位を比較すると(図-2.5(c),図
0
-2.6(c))
,母板厚 75mm と 50mm の場合では,すべり耐力
に至るまでの中央と端部の挙動や,すべり耐力時の差は
0.0
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
母板-連結板間の相対変位(mm)
同程度であり,板厚による挙動の特筆すべき違いはみら
(a) ボルト列数による比較(母板厚 50mm)
れない.
0.1
図-2.6 荷重と母板-連結板間の相対変位の関係
4
0.7
構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法に関する研究
2.4.5 ボルト列数の影響
3,000
内側
外側
図-2.8 にボルト列数とすべり耐力比の関係を示す.こ
No.6-B(ボルト12列,母板厚75mm)
こで,すべり耐力比とは,各試験体のすべり係数 μ2 の 8
2,000
列試験体のすべり係数 μ2(平均値)に対する比を表す.
No.5-C(ボルト8列,母板厚75mm)
1,500
ボルト列数が 8 列から 12 列に増加すると, 8 列の場合
と比較してすべり耐力は母板厚 50mm,75mm ともに約
1,000
3%低下している.また,図中には,道示Ⅱ解説中のボ
No.4-A(ボルト3列,母板厚75mm)
500
ルト列数 12 列に対する低減係数
(無機ジンクリッチペイ
ント仕様)の 0.92 より求めたすべり耐力比を示し,本試
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
母板-連結板間の相対変位(mm)
0.7
験のすべり係数の低下程度は,この値よりもさらに小さ
い傾向にある.
(b) ボルト列数による比較(母板厚 75mm)
1,800
No.5-C(母板厚75mm)中央
1,600
なお,ボルト列数 3 列の試験体では,8 列に比べてす
No.2-B(母板厚50mm)中央
べり係数が小さくなっている.これは,ボルト列数が少
ないと,母板間の板厚差や母板及び連結板端部の凹凸等
1,200
の初期不整の影響を受けやすく,母板と連結板間の密着
No.5-C(母板厚75mm)内側
800
性が確保しにくくなり,すべり係数が相対的に小さくな
No.5-C(母板厚75mm)外側
るためと考えられる.
(1)
接触面に無機ジンクリッチペイントを塗装した板厚
No.2-B(母板厚50mm)外側
600
75mmで12列まで諸元を変化させた全ての試験体に
No.2-B(母板厚50mm)内側
1.10
400
おいて,すべり係数は道示に規定
200
内側
中央
外側
道示Ⅱ9)低減係数
0
0.1
0.2
母板-連結板間の相対変位(mm)
すべり耐力比
0.0
(c) 板厚による比較(ボルト列数 8 列)
図-2.6 荷重と母板-連結板間の相対変位の関係(続き)
1.00
母板75mm(平均値)
0.90
母板50mm(平均値)
2.4.4 試験時のボルト軸力の変化
母板50mm
母板75mm
ボルト軸力残存率と荷重の関係について,試験体
No.6-B を例として図-2.7 に示す.ボルト軸力に関しては
10 列
9列
8列
7列
6列
5列
4列
内側(ボルト No.1)では荷重に対する低下の比率(低下
3列
2列
0.80
13 列
1,000
12 列
荷重(kN)
1,400
11 列
荷重(kN)
2,500
中央
ボルト列数
率)が大きく,試験開始時からすべり発生まで概ね一定
図-2.8 ボルト列数とすべり耐力比の関係
の割合で低下している.一方,中央(ボルト No.6, 7)で
2.5 既往の試験結果との比較
はボルト軸力の低下率は小さく,かつすべり直前に急激
に低下する挙動がみられる.
以上の傾向は 8 列や 12 列の
著者らは,
本試験を実施する前に,
本試験体を使用し,
全ての試験体で確認されており,多列の場合の内側のボ
接触面に無機ジンクリッチペイント
(以下,
無機ジンク)
ルト軸力減少が顕著にみられた.
を塗布した場合に対して,同様のすべり耐力試験 4) , 5)を
ボルト軸力 残存率(%)
100%
98%
97.3%
96%
94.4%
92%
1135.9kN
(すべり耐力50%)
90%
0
500
1000
2039.5kN
(すべり耐力90%)
相対変位について,本試験結果(無塗装の場合)と無機
ジンクを塗布した場合の試験結果を比較して示す.接触
外側
95.3%
中央
94.7%
95.7%
94%
実施している.図-2.9 にすべり耐力時の母板-連結板間の
ボルトNo.1
ボルトNo.6
ボルトNo.7
ボルトNo.12
96.3%(No.6)
98.1%
96.1%(No.7)
面の処理によらず,中央に対する端部(外側,内側)の
相対変位の差は,ボルト列数の増加に伴い,大きくなる
傾向が同様にみられる.
91.6%
1500
2000
荷重 (kN)
図-2.10にボルト列数8列に対する各列数のすべり耐力
内側
91.1%
2500
比について,本試験結果と接触面に無機ジンクを塗布し
3000
た場合の試験結果を比較して示す.参考に,図中には無
機ジンク仕様の場合の低減係数に相当するすべり耐力比
図-2.7 ボルト軸力残存率と荷重の関係(試験体 No.6-B)
5
構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法に関する研究
を示す.いずれの場合も,12 列では低減係数の範囲内の
すべり耐力の低下がみられる.
図-2.11 に試験後の母板及び連結板の接触面の状況(ボ
ルト列数 3 列で,母板厚 50mm の試験体の例)を示す.
なお,本試験結果(無塗装の場合)の写真については,
すべり面を明確にするため画像の強調処理を行っている.
板幅方向のすべり発生面の状況に着目すると,接触面の
処理によらず同程度の幅のすべり痕が生じていることが
確認できる.
図-2.11 すべり発生時におけるすべり面の状況
(左) 本試験結果(無塗装) (右) 無機ジンクを塗布した場合 4) , 5)
0.8
相対変位(mm)
0.7
0.6
0.5
接触面の処理
無塗装の場合
無機ジンク仕様の場合6), 7)
0.2
0.1
0
これまで現行道示で設計された鋼道路橋の信頼性レベ
(0.11)
(0.09)
(0.01)
内側
ルや鋼部材の抵抗側部分係数(以下,抵抗係数)に関し
(0.01)
中央
外側
て,過去には文献 6)~8)等,最近では文献 9)等多くの調
内側
中央
外側
内側
8列
中央
考慮した設計法の実務への適用に関しては,長年の実績
がある現行の許容応力度設計法との整合性の確保を含め,
接触面の処理
照査書式や部分係数の設定方法等,検討すべき課題も多
無塗装の場合
無機ジンク仕様の場合
6), 7)
※()内の数値は中央に対する相対変位の差
く,現行設計基準が有する信頼性を評価し,抵抗係数を
(0.35)
具体的に提示するという,実用化に重点をおいた系統立
(0.24)
0.3
(0.20)
(0.00)
てた検討が必ずしも行われてきているわけではない.
(0.22)
(0.16)
(0.11)
(0.01)
土木研究所では過年度までに鋼道路橋の大半を占める
(0.17)
鋼桁橋を対象として,現行設計法の信頼性評価や,抵抗
(0.07)
0.1
0
査研究が行われてきている.ただし,これらの信頼性を
12列
0.4
0.2
外側
(a)母板厚 50mm
0.6
相対変位(mm)
(0.17)
(0.04)
3.1 研究内容
(0.20)
(0.02)
0.8
0.5
3.部分係数設計法に関する検討
(0.31)
(0.17)
3列
0.7
(0.30)
※()内の数値は中央に対する相対変位の差
0.4
0.3
(0.44)
(0.04)
内側
(0.03)
中央
外側
内側
3列
中央
8列
外側
内側
中央
係数の設定に関する検討を行ってきた
外側
.本研究で
は,これらの検討結果を元に,照査書式について現行設
12列
(b)母板厚 75mm
図-2.9 すべり耐力時の母板-連結板間の相対変位の比較
計との整合性の観点から検討を行った.具体的には,部
分係数設計法が抵抗特性等の不確実性の影響を考慮して
適切な安全余裕を与える設計体系であり要求事項を明確
1.10
12列のすべり耐力比(8列を1.0)
3),10),11)
無塗装の場合
無機ジンク仕様の場合
なものとする必要があることから,許容応力度設計法に
1.00
おける各種基準耐荷力と安全率設定の考え方を整理した.
また,鋼橋上部構造に要求される性能を満たすことを
0.90
検証するために必要な限界状態及び工学的な評価指標の
設定を行い,それぞれの限界状態に対する抵抗係数の設
0.80
道示Ⅱ9)における低減係数0.92に相当
定方法を検討した.
0.70
0.60
3.2 部材等の限界状態の整理と設計限界値
鋼橋上部構造を構成する部材等の限界状態に関しては,
50mm 75mm
本試験
50mm 75mm
著者らによる別試験6), 7)
橋の重要度,橋全体の性能や各種作用に対して考慮する
限界状態に応じて,床版,床組,桁などの部材等ごとに
図-2.10 8 列に対する 12 列のすべり耐力比の
無機ジンク仕様の試験結果との比較
具体的に設定することも考えられるが,橋全体系の性能
を満たす部材等の組合せは複数想定され,各組合せ全て
6
構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法に関する研究
界状態に対する抵抗係数,ΦRU:部材等の終局限界状態
に対する抵抗係数,γm:材料係数,f:材料の特性値,RY:
部材等の使用限界状態を代表する抵抗値,RU:部材等の
終局限界状態を代表する抵抗値
鋼橋上部構造の設計においては,現行基準の照査の考
を網羅して橋の限界状態を設定し,それを照査するのは
困難であると考えられる.したがって,部材等の限界状
態を設定した上で,全ての部材等が各限界状態に対して
適当な安全余裕を有することで,橋全体系の性能を代表
させることとした.なお,部材等の限界状態は,材料・
え方を踏襲しつつ,部材等の使用限界状態に対する照査
構造によらない普遍的な表現として,供用性,修復性,
式(式(3.1.2)
)を満足させることで,使用限界状態を超
安全性の観点から,表-3.1 に示すとおり耐荷性能に対し
えたとしても,終局限界状態に至るまでの挙動に対して
て,使用限界状態と終局限界状態の 2 段階の限界状態を
必要な安全余裕を確保することにより,部材等の損傷が
設定した.また,図-3.2 に橋の耐荷性能に関する部材等
橋にとって致命的とならないことを照査することを基本
の限界状態を例示する.
としている.
なお,部材等の耐荷力照査においては,部材等の使用
照査においては,式(3.1.1)のとおり,部材としての
限界状態及び終局限界状態を超えないことを必要な確か
力学的特性や挙動が弾性範囲を超えないだけでなく,弾
らしさで満足することや,使用限界状態を超えた場合の
性挙動が脆性的に失われるような破壊形態を避けるよう
脆性的な破壊を防止する等の観点から,以下の 2 つの照
に,部材等の強度特性を考慮した上で破壊性状が制御さ
査式を設定している.
れていることが前提としている。ただし,鋼部材のよう
ΣSi(γSiPi)≦ΦaΦRYRY(γmf) かつ ΦaΦRURU(γmf) …(3.1.1)
に,構造細目等により使用限界状態を超えたあとの挙動
ΣSi(γSiPi)≦ΦaΦcΦRYRY(γmf) ……………………(3.1.2)
が制御される場合には,みなし規定による 1 段階照査,
ここに,γSi:荷重係数,Pi:荷重の特性値,Si:応答値,
Φa:構造物係数,ΦC:部材係数,ΦRY:部材等の使用限
すなわち式(3.1.2)による照査が可能となると考えられ
る。
表-3.1 耐荷性能に関する鋼橋の部材等の限界状態
部材等として必要される強度等について特段の注意なく使用が可能な限界の状態であり,設計
部材等の使用
限界状態
では,次のうち,いずれかが満足されなくなる限界の状態
1)部材等の応答が可逆性を有する。
2)部材の使用上有害な変位,変形又は振動が生じないとみなせる。
3)部材の使用限界状態に対する設計で前提した状態を満たすとみなせる。
部材等としての抵抗が期待できる限界の状態であり,設計では,次のうち,いずれかが満足さ
部材等の終局
限界状態
れなくなる限界の状態
1)変位やひずみの増加に対して発揮される強度の低下が生じないとみなせる。
2)部材の変形により構造安定性に影響を及ぼさないとみなせる。(※鋼橋編のみ設定)
3)部材の終局限界状態に対する設計で前提とした状態を満たすとみなせる。
荷重
(応力)
最大強度σU
降伏強度σy
2)部材の変形により
構造安定性に影響を
及ぼさないとみなせ
る点
使用限界状態
1)変位の増加に対し
て強度低下が生じな
いとみなせる点
荷重
(応力)
終局限界状態
※部材の引張では工学的指標
となる最大強度を終局限界状
態と設定しているが、最大強
度に至る前に部材の変形が構
造安定性に影響を及ぼす状態
が終局限界状態となる場合も
ある。
2)部材の変形により構造安定性に影響
を及ぼさないとみなせる点
最大強度以降の強度低下、ねばりを考慮
最大強度σcr
終局限界状態
:線形限界点
:使用限界状態
:終局限界状態
:使用限界状態
:終局限界状態
(a) 引張部材
使用限界状態
変位(ひずみ)
変位
(b) 圧縮部材
図-3.2 部材等の限界状態と限界値の設定例(鋼部材)
7
構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法に関する研究
3.3 抵抗係数の設定方法に関する検討
値-2×標準偏差)とした上で,暫定的に抵抗強度に対する
3.3.1 抵抗係数に含まれる安全余裕の内訳
部分係数 ΦM =0.90 とした.表-3.3 に抵抗強度に対する信
頼性指標 β=3.0 を確保する場合の試算結果を示す.
抵抗係数 ΦR は,鋼材料や鋼部材の強度特性等に関す
る実験データの統計量を基に,信頼性設計の考え方も踏
まえつつ提案した.具体的には,荷重係数と抵抗係数の
3.3.3 部材等の破壊形態やねばりに応じた部分係数(部
組合せにより得られる安全余裕が,現行設計と大きく乖
材係数)
:ΦC
離しないように,現行基準の信頼性指標 β を評価し,抵
部材係数 ΦC については,表-3.4 のとおり,使用限界状
抗係数を調整,提案した.抵抗係数は式(3.2)で与えら
態以降の強度・変形特性を考慮して安全余裕を提案した.
引張部材に関しては,降伏強度と引張強度の比である
れる.
降伏比を踏まえ,高張力鋼に対して,道示における
ΦC・ΦRY・RY(γmf)=ΦR・RY ……………………(3.2)
SM570 材の許容応力度の安全率を基本に,部分係数を提
ここに,ΦR:抵抗係数,RY:部材等の使用限界状態に
案した(図-3.4)
.
対する抵抗強度の特性値(強度の下限値を基本に設定,
圧縮部材に関しては,基準耐荷力曲線の中で考慮され
以下,強度特性値)
ていた安全余裕を踏まえて設定.
(圧縮部材のうち局部座
抵抗係数については,式(3.3)及び表-3.2 のとおり,
屈強度については,座屈パラメータに応じた最大強度以
その内訳の分類・整理を行い,係数設定の考え方を提案
降の破壊形態を考慮して1.0~0.65の範囲で設定)
(図-3.4,
した.
5)
ΦR=ΦC・ΦM・ΦY ……………………(3.3)
ここに,ΦC:部材等の破壊形態やねばりに応じた部分
3.3.4 抵抗側の部分係数の内訳
係数,ΦM:材料強度,部材耐力に応じた部分係数,ΦY:
表-3.5 に抵抗係数の内訳を示す.現行基準における安
Φc, ΦM 及び荷重側の安全余裕とは別に使用限界状態に
全余裕は,過去の様々な経緯から設定されており,大き
対して確保しておくべき安全余裕を考慮するための部分
な過不足があるとは考えにくいため,当面現行基準と同
係数.
程度となるように設定することを基本として提案した.
3.3.2 抵抗強度に対する部分係数:ΦM
強度特性値を実験データの統計量の下限値相当(平均
表-3.2 鋼部材における安全余裕の内訳
係数
安全余裕
設定方法
Φc
弾性挙動から逸脱後のねばり
強さに応じた安全余裕
部材等の使用限界状態以降の強度特性を考慮して設定
ΦM
材料強度,部材耐力のばらつ
きに応じた安全余裕
材料,モデル,及び幾何学的な不確実性(材料強度の特性値からの
望ましくない方向への変動,部材耐力の算定上の不確実性,部材
寸法のばらつきの影響等)を考慮して設定
ΦY
ΦM とは別に確保しておく
Φc,
べき安全余裕
橋全体系として確保しておくべき安全余裕や上記部分係数には含
まれない不確実要因を考慮して設定
表-3.4 部材係数 Φc の値の設定イメージ
表-3.3 部分係数ΦM の設定例(β=3.0 を確保する場合)
ΦM
項目
引張部材
圧縮部材
引張降伏
0.93
引張強度
1.00
全体座屈
局部座屈
部材の例
使用限界状態
(降伏強度に対して)
引張部材
下記以外の鋼材:1.0
SM570 及び
圧縮柱
0.89
横倒れ座屈
0.93
最大強度が降伏強度に達する領域
(最大強度に対して)
自由突出板
1.01
(座屈パラメータ:小)
1.0
両縁支持板
0.92
上記以外
(最大強度に対して)
(座屈パラメータ:中~大)
1.0~0.65
補剛板
0.97
SMA570W:0.95
圧縮部材
8
構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法に関する研究
荷重
(応力)
荷重
(応力)
高張力鋼
【圧縮降伏】
降伏比:大
→安全余裕:大
最大強度以降のねばり:大
→安全余裕:小
引張強度σt
降伏強度σy
普通鋼
【座屈パラメータ:小】
降伏比:小
→安全余裕:小
降伏強度σy
【座屈パラメータ:大】
最大強度以降のねばり:小
:線形限界点
→安全余裕:大
:最大強度
:降伏強度
:引張強度
変位(ひずみ)
変位
図-3.3 引張部材に対する安全余裕のイメージ
図-3.4 圧縮部材に対する安全余裕のイメージ
強度特性値:RY
統計データ(平均値)
基準耐荷力曲線: RY'=(RY×ΦC)
統計データの下限値(平均値-2×標準偏差)
1.4
安全率1.7~1.9
安全率※1.7
安全率1.9~2.6
1.2
σcr/σy
1.0
0.8
0.6
0.2
ΦC=1.0
限界幅厚比
補剛版の安全余裕を踏襲
0.4
ΦC=1.0~0.89
0.0
幅厚比制限値(常時)
基準耐荷力曲線:RY'
強度特性値:RY
ΦC=0.89~0.65
座屈パラメータ
※許容応力度法で考えた場合の安全率
図-3.5 圧縮部材の基準耐荷力曲線における安全余裕のイメージ
表-3.5 抵抗係数 ΦR の内訳
部材・限界状態・限界値の例
引張
使用
降伏強度(下記以外)
部材
限界状態
降伏強度(高降伏比の材料)
Φc × ΦM
使用
部材
限界状態
最大強度
(降伏強度に達する領域)
最大強度
(弾性・非弾性座屈領域)
=
ΦR
1.0
0.90
0.70
1.0×0.90×0.70=0.63
0.95
0.90
0.70
0.95×0.90×0.70=0.60
1.0
0.90
0.70
1.0×0.90×0.70=0.63
1.0~
0.65
0.90
0.70
(1.0~0.65)×0.90×0.70
=0.63~0.41
(SM570 及び SMA570W)
圧縮
× ΦY
9
構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法に関する研究
4.鋼コンクリート接合部の設計法に関する検討
道示の解説によると,スタッドによる接合部の破壊形態
4.1 研究の背景と課題
は,
全高H とスタッドの直径d との比によって分けられ,
H/d≧5.5 ではスタッドのせん断で破壊が生じ,H/d<5.5
現行道示で規定されている頭付きスタッド(以下,ス
12)
タッド)については,平城ら をはじめ,道示式が規定
ではコンクリート床版の割裂によって破壊が生じるとし
された以降に実施された押抜きせん断試験に関する実験
ている.また,道示式により設計されたスタッドは,一
及び解析等に基づく照査式の提案や,規定当時には想定
般に降伏荷重に対して 3 以上,破壊荷重に対して 6 以上
されていなかった諸元の材料の採用や外力作用の下での
の安全率を有するものと考えてよいとしている.
適用も行われている.また,合成桁や鋼コンクリート合
図-4.1 に押抜き 2 面せん断試験による荷重-ずれ変位
成床版,波形鋼板ウェブの接合部に用いられている孔あ
曲線を示す.降伏荷重とは,ずれ止めまたはその周囲の
き鋼板ジベルについても,照査法は規定されているわけ
コンクリートの塑性変形に起因して塑性変形が起り始め
ではない.
る荷重で,実用上使用に耐えうる限界の荷重と定義して
いる 15).また,最大荷重を破壊荷重としている.
本研究では,鋼部材及びコンクリート部材の接合部の
設計法の充実の観点から,ずれ止めに着目し,要求性能
降伏荷重に対する安全率 3 に関しては,
「安全率のとり
及び強度照査法の充実を図ることを目的として検討を行
方には多少問題があるが,既出の実験ならびに理論的研
究を参照してこの値を採用することにした」としており
うものである.
15)
,それ以上の明確な根拠は示されていない.
また,破壊荷重に対する安全率 6 に関しては,道示式
4.2 検討内容
が破壊荷重に対して結果的に 6.6~7.5 の安全率が確保さ
平成 26 年度は,スタッドを対象に,現行道示及び既往
れていることによる 13).
研究等を踏まえた課題整理を行った.また,スタッドの
強度照査式の見直し及び照査書式の部分係数化のため,
既往研究における押抜きせん断試験の試験データを整
理・分析した上で,試験データが少ない高強度コンクリ
ートを用いたケースの試験データを得るとともに,限界
状態時における挙動を詳細に確認するため,スタッドの
押抜きせん断試験を実施した.
荷重-ずれ変位曲線
の勾配が急変する点
4.3 道示の強度照査規定の概要
(1)スタッドの許容せん断力
スタッドの許容せん断力は,道示 II 鋼橋編において式
図-4.1 押抜き 2 面せん断試験による
(4.1)(以下,道示式)で与えられている.道示式で算出
荷重-ずれ変位曲線 13)
する場合には,疲労,降伏及び破壊に対して,安全性が
4.4 スタッドの押抜きせん断試験
確保できるものとみなすとしている.
既往研究の試験データの分析を踏まえ,特に高強度コ
Qa  9.4d 2  ck (H / d  5.5)
・・・・(4.1)
Qa  1.72dH  ck (H / d  5.5)
ンクリートを用いたケースの試験データの取得及び限界
状態時における挙動の確認を目的に,文献 16)を参考に
押抜きせん断試験を実施した.
ここで,
Qa:スタッドの許容せん断力(N/本)
d:スタッドの軸径(mm)
(19mm 及び 22mm のものを
4.4.1 試験条件
標準)
表-4.1 に試験体の基本諸元を,図-4.2 に試験体の寸法
H:スタッドの全高(mm)
(150mm 程度を標準)
形状を示す.スタッドは,JIS B 1198 の規格を満たす
2
SS400 相当品とし,H 形鋼は SM490A を用いた.スタッ
σck:設計基準強度(N/mm )
(2)スタッドの強度照査式の概要
道示式は,旧土木研究所で実施された試験結果
ドの機械的性質(ミルシートの平均値)及びコンクリー
13)
と
トの材料試験結果(平均値)を示す.
14)
Viest の試験結果 等に基づいて提案されたものである.
10
構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法に関する研究
b-b断面
a-a断面
a
b
試験は,スタッドの全高及びコンクリートブロックの
200
150
200
150
c
c
50
めである.また,コンクリートブロックの設計基準強度
A=400
ス 2,4)とした.これは,全高/軸径の影響を検討するた
400
350
スタッドの全高は 100mm(ケース 1,3)
,150mm(ケー
200
150
A=400
50
コンクリート設計基準強度をパラメータとして実施した.
H形鋼
H-200x200x8x12(SM490)
については,強度の影響を検討するため,RC 床版(合
100 100
200
C=200
600
C=200
2
1,
2)
成桁)
を使用した場合の最小強度 27N/mm(ケース
B=500
a
コンクリートブロック
b
c-c断面
C=200
200
C=200
とプレキャスト PC 床版を使用した場合の高強度コンク
拡大図
2
リート 50N/mm (ケース 3,4)とした.
D
の幅と厚さは,局部破壊を防止するため,圧縮耐力をス
B=500
H
試験体数は各ケース 3 体とし,コンクリートブロック
段差を設ける
1mm程度
タッドの引張耐力の総和の 6 倍以上になるように設定し
た.
C=200
スタッド
図-4.2 試験体の形状寸法図
コンクリートブロックの製作時には,コンクリート打
設前に,コンクリートと接触する H 形鋼のフランジ面に
グリースを塗布し,コンクリートと H 形鋼の付着を排除
B-B断面
A-A断面
B
した.なお,図-4.2 の拡大図に示すように,載荷時にフ
A
載荷
ランジがコンクリートに接触することで試験結果に影響
載荷
触面には 1mm 程度の段差を設けた.また,コンクリー
トは,合成桁と同じ施工条件とし,H 形鋼のフランジ面
載荷梁
鋼ブロックA
球座②
載荷梁
鋼ブロックB,C(球座①)
鋼ブロックB,C(球座①)
※
400
を上向きにして打設した.
200
を与えないため,フランジとコンクリートブロックの接
730+※
50 80
球座②
600
表-4.1 試験体の形状寸法とパラメータ
普通コンクリート
ケース
試験ケース
No.
ケース1
全高H(mm)
100
150
H/D
4.55
6.82
150
4.55
6.82
降伏強度(N/mm 2 )
360
385
360
385
引張強度(N/mm 2 )
470
469
470
469
高さA(mm)
400
幅B(mm)
500
図-4.3 載荷概要図
A-A断面
スタッド
200
設計基準強度σck(N/mm 2 )
2
材料試験
100
A
4
厚さC(mm)
コンクリート
ブロック
ケース4
22
本数
ミルシート
B
27
50
63.4
圧縮強度(N/mm )
31.5
引張強度(N/mm 2 )
2.32
3.79
ヤング係数(N/mm 2 )
26057
32712
B
H形鋼
コンクリートブロック
スタッド水平断面位置
0(ずれ測定レベル)
B
B-B断面
①
③
A
A
250
スタッド
ケース3
500
敷きモルタル
試験機のヘッド
高強度コンクリート
ケース
ケース2
軸径D(mm)
敷きモルタル
下向きのずれ変位量
②
④
図-4.4 ずれ測定位置図
4.4.2 試験方法
押抜きせん断試験は,コンクリート打設作業から 28
日以上経過してから実施した.試験は 2000kN 材料試験
機で実施し,各試験ケース(3 体)に対して,1 体は漸増
繰返し載荷法で,残り 2 体は単調増加載荷法で行った.
漸増繰返し載荷法における載荷は変位制御で行い,相対
ずれが1.0mm までは0.2mm 増すごとに,
それ以後4.0mm
までは 0.5mm 増すごとに,載荷・除荷の漸増繰返し(全
写真-4.1 載荷試験機
12 サイクル)載荷を行うものとした.ただし,4.0mm 以
11
写真-4.2 変位計取付状況
構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法に関する研究
降から破壊までは 0.5mm 程度の増分間隔で単調載荷と
180
した.
140
せん断力 (kN)
160
試験状況を図-4.3 及び写真-4.1 に示す.試験時には,
載荷荷重とともに,H 形鋼フランジとコンクリートブロ
ックとの間に生じる相対ずれを計測した.また,コンク
リートブロックに発生するひび割れ等,試験体の破壊形
120
100
80
ケース 1-1:漸増繰返し
60
ケース 1-2:単調増加1
40
ケース 1-3:単調増加2
20
0
態の観察を行った.測定位置は,図-4.4 及び写真-4.2 に
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
相対ずれ量 (mm)
示すように,スタッドが配置されている水平面内で,H
図-4.5 せん断力-相対ずれ曲線(ケース 1)
形鋼左右のコンクリートブロックの両側面の 4 箇所で行
ケース 2-1:漸増繰返し
った.なお,変位計には精度が 1/500mm のものを使用し,
荷重及び相対ずれの測定は,
変位増分間隔ごとに行った.
200
ケース 2-2:単調増加1
180
ケース 2-3:単調増加2
せん断力 (kN)
160
4.4.3 試験結果
表-4.2 に各ケースにおける最大荷重,最大荷重時変位,
140
120
100
80
60
初期ひび割れ発生荷重及び破壊形態,図-4.5~4.8 に各ケ
40
ースにおけるせん断力-相対ずれ曲線(スタッド 1 本当
0
20
-5.0
0.0
5.0
り)を示す.
10.0
15.0
20.0
25.0
相対ずれ量 (mm)
図-4.6 せん断力-相対ずれ曲線(ケース 2)
破壊形態としては,σck=27N/mm2 のケース 1 と 2 では
250
3 と 4 ではスタッドのせん断破断が生じた.
200
せん断力 (kN)
コンクリートの割裂による破壊,σck=50N/mm2 のケース
破壊に至るまでの挙動としては,全てのケースにおい
て,最大荷重付近でコンクリートブロックにひび割れが
発生し,ひび割れ発生後,荷重が低下し破壊に至る結果
150
100
ケース 3-1:漸増繰返し
ケース 3-2:単調増加1
50
となった.なお,道示では,4.3 で記述したようにスタッ
ケース 3-3:単調増加2
0
ドの全高/軸径が 5.5 を境に破壊形態が異なるとしている
-2.0
0.0
2.0
4.0
が,今回の試験では,スタッド全高/軸径の違いによる破
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
18.0
相対ずれ量 (mm)
図-4.7 せん断力-相対ずれ曲線(ケース 3)
壊形態への影響は見られなかった.
250
200
最大載荷重
(kN)
試験体
ケース1
ケース2
ケース3
ケース4
最大荷重時変位
(mm)
初期ひび割れ
発生荷重
(kN)
破壊形態
4本当り
1本当り
4本当り
1本当り
4本当り
1本当り
1-1
589.9
147.5
8.02
8.02
540付近
135付近
コンクリート破壊
1-2
630.7
157.7
6.02
6.02
630付近
158付近
〃
1-3
620.8
155.2
7.42
7.42
590付近
148付近
〃
平均
613.8
153.5
7.15
7.15
590付近
147付近
2-1
631.7
157.9
630付近
158付近
コンクリート破壊
2-2
662.8
165.7
7.66
7.66
660付近
165付近
〃
2-3
699.5
174.9
11.38
11.38
680付近
170付近
〃
平均
664.7
166.2
9.34
9.34
660付近
164付近
3-1
818.3
204.6
11.62
11.62
800付近
200付近
スタッド破断
3-2
863.2
215.8
10.36
10.36
860付近
215付近
〃
〃
8.97
8.97
3-3
881.4
220.4
12.28
12.28
830付近
208付近
平均
854.3
213.6
11.42
11.42
830付近
208付近
4-1
772.7
193.2
11.01
11.01
770付近
193付近
スタッド破断
4-2
849.0
212.3
9.67
9.67
850付近
213付近
〃
〃
4-3
879.4
219.9
12.14
12.14
880付近
220付近
平均
833.7
208.4
10.94
10.94
830付近
209付近
せん断力 (kN)
表-4.2 試験結果
150
100
ケース 4-1:漸増繰返し
ケース 4-2:単調増加1
50
ケース 4-3:単調増加2
0
-2.0
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
18.0
相対ずれ量 (mm)
図-4.8 せん断力-相対ずれ曲線(ケース 4)
4.5 スタッドの強度照査式の検討
4.5.1 道示式と試験データの比較
道示式と試験データとの関係及び道示式に考慮される
安全余裕について検討するために,規定の根拠となって
いる試験データ(21 体)13)に加えて,その後に実施され
た国内の既往研究による試験データ(72 体)17)~22)と本研
究の試験データ
(12 体)
を追加し,
分析を行った
(表-4.3)
.
対象とする試験データは,スタッドの鋼種が JIS 規格
12
構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法に関する研究
(SS400 相当)で,試験値が数値データとして示されて
図-4.9 及び図-4.10 に道示式と試験データの関係を示す.
いるものとした.
主な結果を以下に示す.
・道示式に安全率分の 3,6 を乗じた計算値(図中,道示
表-4.3 試験データの整理
式×3,道示式×6 と表記)は,それぞれ,試験値より
文献
スタッド軸径(mm)
道示式に対する
パラメータ
スタッド全高(mm)
2
コンクリート圧縮強度(N/mm )
13)
(山本ら+Viest)
既往研究
17)-22)
本研究
12.7~31.8
13.0~25.0
22.0
71.7~214.4
80.0~150.0
100.0,150.0
20.7~36.9
18.2~62.3
31.5,63.4
試験値
破壊形態
-
-
-
降伏荷重
-
21
40
12
スタッド破断
9
29
6
破壊荷重
コンクリート破壊
12
43
6
計
21
72
12
ている.
・コンクリート圧縮強度が大きい場合(σc>40N/mm2)
には,破壊形態は主としてスタッド破断となり,試験
値(破壊荷重)は,道示式×6 による計算値に対して
若干小さくなる傾向がみられる.
350
道示式×6
(破壊荷重に対して安全率6
と仮定した場合の計算値)
降伏荷重:道示根拠データ
300
破壊荷重:道示根拠データ
※1.平均値曲線は,対象試験データの線形回帰式による
※2.下限値相当曲線は,強度(横軸の計算値)を一定範囲毎に分割し,
各範囲内の2σ相当の値を算出した上で,その値の線形回帰式による
試験値(kN)
250
200
道示式×3
(降伏荷重に対して安全率3
と仮定した場合の計算値)
破壊(平均値)
y = 7.6x,R² = 0.86
150
破壊(下限値相当)
y = 5.9x,R² = 0.94
100
降伏(平均値)
y = 3.1x,R² = 0.89
50
降伏(下限値相当)
y = 2.6x,R² = 0.94
0
0
5
10
15
20
25
30
道示式による計算値(kN)
35
40
45
50
図-4.9 道示式と根拠となる試験データの関係
σcが大きく(≧40N/mm2),
かつスタッド破断の場合
降伏荷重:道示根拠データ
350
降伏荷重:既往試験データ
道示式×6
破壊(平均値)
降伏荷重:本試験データ
300
y = 7.1x,R² = 0.45
破壊荷重:道示根拠データ(スタッド破断)
破壊荷重:道示根拠データ(コンクリート破壊)
破壊荷重:既往試験データ(スタッド破断)
250
破壊荷重:既往試験データ(コンクリート破壊)
破壊荷重:本試験データ(スタッド破断)
破壊荷重:本試験データ(コンクリート破壊)
試験値(kN)
データ数
得られた降伏荷重,破壊荷重の下限値に近い値を示し
追加データ
道示式の根拠データ
破壊(下限値相当)
y = 5.5x,R² = 0.98
200
降伏(平均値)
y = 3.7x,R² = 0.12
150
道示式×3
100
降伏(下限値相当)
y = 2.6x,R² = 0.83
50
※1.平均値曲線は,対象試験データの線形回帰式による
※2.下限値相当曲線は,強度(横軸の計算値)を一定範囲毎に分割し,
各範囲内の2σ相当の値を算出した上で,その値の線形回帰式による
0
0
5
10
15
20
25
30
道示式による計算値(kN)
35
図-4.10 道示式と試験データの関係
13
40
45
50
構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法に関する研究
コンクリート破壊
スタッド破断
70
スタッド破断:道示根拠データ
コンクリート破壊:道示根拠データ
60
スタッド破断
スタッド破断:既往試験データ
コンクリート破壊:既往試験データ
コンクリート圧縮強度:σc(N/mm2)
スタッド破断:本試験データ
50
コンクリート破壊:本試験データ
コンクリート破壊
40
30
20
試験データから推定される
スタッド破断とコンクリート破壊の境界ライン
10
道示式における
スタッド破断とコンクリート破壊の境界ライン
0
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5 6.0 6.5 7.0 7.5
スタッドの全高/軸径の比:H/d
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0 10.5 11.0
図-4.11 H/d と σc の関係
体の平均値)は,母板厚 50mm,75mm ともに約 3%低
4.5.2 試験のパラメータと破壊形態の関係
図-4.11 に破壊形態毎のスタッドの全高/軸径の比 H/d
下した.また,ボルト列数の多列化によるすべり係数の
とコンクリート圧縮強度σc の関係を示す.道示式では,
低下の傾向,すべり耐力時の継手内の相対変位の不均一
H/d=5.5 を境界として破壊形態が異なると想定している
さ及びすべり面の発生の傾向は,著者ら 4) , 5)が同一試験
が,図-4.11 に示すように,追加データを含めた試験デー
体を用いて別途実施した,接触面に無機ジンクリッチペ
タから,破壊形態は,H/d だけでなく,コンクリート圧
イントを塗布した場合のすべり耐力試験の結果と概ね一
縮強度にも依存していると考えられる.試験データから
致していた.
推定されるスタッド破断とコンクリート破壊の境界ライ
5.2 部分係数設計法に関する検討
ンは,概ね図中に示す破線のようなイメージになると考
えられる.しかし,試験データとしては,H/d とσc の組
橋の要求性能の照査の考え方に基づき,鋼部材及び鋼
合せにおいて,網羅的にプロットされているわけではな
上部構造の照査の基準となる部材等の限界状態について
い.また,スタッド破断により破壊に至る場合でも,推
定義した.
定した境界ラインより下側に位置する試験データも存在
部材等の耐荷力照査における抵抗係数については,従
する.引き続き試験データの分析を実施し,破壊形態に
来より考慮されている安全余裕の確保を基本としつつ,
違いをもたらす要因を整理する予定である.
考慮する安全余裕に応じた抵抗係数の内訳の分類・整理
を行い,係数設定の考え方を示した.
5.まとめ
部材等の使用限界状態以降の強度特性を考慮した部材
係数 ΦC については,引張部材及び圧縮部材を対象に新
5.1 高力ボルト摩擦接合継手の合理化に関する検討
接触面を無塗装とした高力ボルト摩擦接合継手を対象
たに設定した.また,抵抗強度に対する部分係数 ΦM に
に,板厚(50,75mm)
,ボルト列数(3,8,12 列)をパ
ついては,鋼材料や鋼部材の強度特性等に関する実験デ
ラメータとした試験体のすべり耐力試験を行い,母板厚
ータ等を踏まえ,信頼性指標を評価し,ΦM=0.90 とした.
及びボルト列数が継手挙動に及ぼす影響について検討し
5.3 鋼コンクリート接合部の設計法に関する検討
た.得られた主な結果は以下に示す.
設計ボルト軸力に対するすべり係数 μ0 は 0.43~0.51
スタッドについて,現在の設計法の課題整理及び既往
(平均値 0.46)であり,道示Ⅱに規定されるすべり係
研究における押抜きせん断試験の試験データの整理・分
数 0.4 を上回った.ボルト列数の影響に関して,ボルト
析を行った.その上で,スタッドの限界状態時における
列数 8 列に対する 12 列の場合のすべり係数 μ2(各試験
耐荷力及び挙動を確認するため,スタッド高(100,
14
構造の合理化・多様化に対応した鋼橋の部分係数設計法に関する研究
150mm)とコンクリートブロックの設計基準強度(272,
14) Viest : Investigation of Stud Shear Connectors for
2
50N/mm )をパラメータとした試験体の押抜きせん断試
Composite Concrete and Steel T-Beams,Viest,I.M.,
験を行い,コンクリート圧縮強度が試験体のせん断耐力
Journal of ACI,Vol.27,No.8,pp.875-891,1956.
15) 山本,中村:Block Channel および Hoop Shear
及び破壊形態に及ぼす影響を検討した.
Connector の試験報告,建設省土木研究所報告,第 109
また,道示式と既往の試験データとの関係及び道示式
で考慮される安全余裕について検討し,破壊形態が,ス
号,pp.35-66,1961.1.
タッドの全高/軸径の比 H/d だけでなく,コンクリート圧
16) 日本鋼構造協会:頭付きスタッドの押抜きせん断試
縮強度にも依存していることを示した.
験方法(案)とスタッドに関する研究の現状,JSSC
テクニカルレポート No.35,1996.11.
17) 平野,穂積,吉川,友永:床鋼板つきコンクリート
参考文献
1) 国土交通省:土木・建築にかかる設計の基本,2002.3.
スラブに埋込まれたスタッドコネクタの押抜試験,
日
2) 日本道路協会:道路橋示方書・同解説,Ⅱ鋼橋編,
本建築学会論文報告集,第 281 号,pp.57-69,1979.7.
2012.3.
18) 田川,平城,尾形,井上,松井:頭付きスタッドの
3) 独立行政法人土木研究所:鋼道路橋の部分係数設計法
押抜きせん断試験方法の標準化に関する検討,鋼構
に関する検討,土木研究所資料,第 4141 号,2009.3.
造論文集,第 2 巻第 8 号,pp.47-60,1995.12.
4) 独立行政法人土木研究所,公立大学法人大阪市立大
19) 前田,石崎,平城,池尾:合成構造の省力化に適す
学:高力ボルト摩擦接合継手の設計法の合理化に関す
るスタッドの研究,第 4 回複合構造の活用に関する
る共同研究報告書,428 号,2012.1.
シンポジウム講演論文集,pp.139-144,1999.11.
5) 村越,澤田,山口,彭,大嶽:接触面に無機ジンクリ
20) 岡田,依田,Jean-Paul LEBET:グループ配列したス
ッチペイントを塗装した厚板・多列の高力ボルト摩擦
タッドのせん断耐荷性能に関する検討,土木学会論
接合継手のすべり耐力試験,
土木学会論文集,
Vol.70,
文集,No.766/I-68,81-95,2004.7.
No.1,pp.94-104,2014
21) 島,渡部:頭付きスタッドのせん断力-ずれ関係の定
6) 土木学会:構造物の安全性・信頼性,1976.10.
式化,土木学会論文集 A,Vol.64 No.4,935-947,
7) 東海鋼構造研究グループ:鋼構造部材の抵抗強度の評
2008.11.
22) 大谷,中島:軸径 25mm の頭付きスタッドの押抜き
価と信頼性設計への適用(上)
(下)
,橋梁と基礎,
1980.11-12.
せん断強度性状,土木学会第 69 回年次学術講演会,
8) 土木学会:鋼構造物設計指針 PART A 一般構造物,
CS3-007,2014.9.
1997.5.
9) 日本鋼構造協会:土木構造物の性能設計ガイドライン,
2001.10.
10) 独立行政法人土木研究所:鋼材料・鋼部材の強度等
に関する統計データの調査,土木研究所資料,第 4090
号,2008.3.
11) 赤松,金田,村越,小野:鋼部材の局部座屈強度に
関する基準耐荷力曲線の一検討,土木学会第 69 回年
次学術講演会,I-129,2014.9.
12) 平城,松井,福本:頭付きスタッドの強度評価式の
誘導-静的強度評価式-,土木学会構造工学論文集,
Vol.35A,pp.1221-1232,1989.3.
13) 山本,中村:Studd Shear Connector の試験報告,
建設省土木研究所報告,第 109 号,pp.67-90,1961.1.
15
STUDY ON DESIGN RATIONALIZATION AND DIVERSIFICATION FOR STEEL
BRIDGES
Budged : Grants for operating expenses,
General account
Research Period : FY2014-2017
Research Team : Bridge and Structural
Engineering Research Group
Author : Jun MURAKOSHI,
Takao KANEDA
Abstract : For the next revision of Japanese Specification of Highway Bridges, partial factor design (PFD) based on reliability
analysis is being investigated in order to secure consistency with international technical standard, and to make bridge design more
rational and reliable. The goal of this study is to propose the resistance factors for the design of highway bridges and to rationalize the
design of steel members, including stud joint and high-strength bolted joint, based on experimental data.
In FY2014, slip resistance tests of high strength bolted friction type joints with uncoated contact surfaces were carried out and design
slip factors were proposed. In addition, based on principle that satisfy the consistency with current design code, verification method for
strength limit state and resistance factors were proposed. Furthermore, shear tests of stud joints were carried out and its design
formulation and the resistance factors were investigated.
Key words : rational design, partial factor design method, resistance factor, high-strength bolted connection, slip-resistance, stud
joints
- 16 -
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