JP2009046931A - 炭素繊維強化樹脂板による鋼製材料の補修方法、及び補修された鋼製材料 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素繊維強化樹脂板（ＣＦＲＰ板）を用いた鋼製構造物の疲労き裂の恒久的な補修方法を提供する。
【解決手段】鋼製材料１に導入された疲労き裂４の先端部にストップホール５を開孔し、該ストップホール５を覆って炭素繊維強化樹脂板（ＣＦＲＰ板）６を貼付し、また、き裂４を覆ってＣＦＲＰ板７を貼付することで、より高い効果が得られる。
【選択図】図４

Description

本発明は、鋼橋等の鋼製材料の補修に関し、疲労き裂の進展を簡便且つ効果的に補修する方法に関する。

近年、車両の大型化、交通量の増加に伴う振動、衝撃等による疲労、及び腐食などにより、鋼橋の各部材へ損傷が数多く報告されている。また、荷重増加に対処するため、補強を必要とする鋼橋も多くなっている。鋼部材に一旦疲労き裂が発生すると、徐々にき裂が進行し、主要部材が破断に至るおそれもある。特にき裂の発生箇所の多くは鋼板の溶接接合部に集中していることが知られている。

このようなき裂の進展を抑えるため、き裂先端にストップホールを形成する応急補修工法が一般に実施されている。このようなストップホールを形成することで、き裂先端の応力集中が緩和されるためき裂の進展を一時的に止めることはできる。しかしながら、このストップホールはあくまでも応急的な処置であるため、その後、さらにき裂進展を抑制するための補修・補強が必要である。

従来、このストップホールを利用して鋼板を高力ボルトにて締結したり、鋼板を更に溶接したりして添接する工法が主に行われていた。例えば、特許文献１には、面外ガセット部の端部に発生したき裂を補修するにあたり、き裂先端にストップホールを開け、特殊形状の座金（板材）を介在させて高力ボルトで締め付ける工法が開示されている。又、特許文献２には、板材を母材よりも硬度が高く、母材に作用する引張荷重に対して、圧縮応力を付与し得る方向に歯が形成された板材を介在させ、ストップホールを中心とした圧縮力を作用させて、疲労き裂の進展を確実に止める方法が開示されている。

しかし、このような補修・補強を必要とする箇所は、部材の取り合いが複雑な狭隘な部分であることが多く、高力ボルト接合、溶接接合のいずれの場合においても作業性が極めて悪いという問題があった。又、特許文献２のように母材よりも硬い材料は重量的にも重く、締め付けボルトと合わせればさらに重量が増加するため、作業性や携行性等の点で改良の余地がある。そこで、簡便且つ効率的な施工方法が望まれている。

このような要求に対し、特許文献３では、鋼製構造物の繰り返し応力の作用する部分に生じたき裂に、簡便に携行することができる繊維強化型合成樹脂シートを貼付して、発見されたき裂の進展を遅延させる方法が開示されている。ここでは、未硬化のプリプレグシートを用いて、鋼製構造物に貼付した後、熱や紫外線を照射して硬化させる方法が提案されている。実施例ではガラス繊維強化合成樹脂プリプレグを貼付し、き裂進展の遅延速度を測定している。補強シートを貼付しない場合に比較して、き裂進展速度が１／３程度に減速することが開示されている。

しかしながら、該方法は、単にき裂の進展速度を抑えるというもので、恒久的な補修までのつなぎとして実施するものであり、恒久的な補修自体は上記従来工法に頼らざるを得ない。また、プリプレグを硬化させるために、熱や紫外線の照射が必要となり、特に狭隘な部分では十分な効果を得られないおそれがある。又、シートは柔軟性に富むため現場での加工性に優れるが、シートでは１枚あたりの繊維量が少ないことから十分な剛性を確保するためにはかなり積層する必要がある。

本発明者らは、鋼製母材の面外にガセットプレートが回し溶接された、いわゆる面外ガセット部の止端部から発生したき裂の進展を抑制する簡便な方法として、略コの字状の炭素繊維強化樹脂板（以下、ＣＦＲＰ板という）による補修方法を提案している（特許文献４）。該方法によれば、特にコの字状に成形したＣＦＲＰ板を面外ガセットのビード形状に沿って貼付することでき裂進展速度を効果的に遅延することができる。

しかしながら、このような方法をもってしても、き裂の進展を完全に止めることはできず、さらに恒久的な対策としても期待できる、より効果的な補修方法が嘱望されている。
特開平１０−１６８８１７号公報 特開２００４−１７６２５４号公報 特開２００４−２１１３３８号公報 特開２００６−５７３５２号公報

そこで本発明の目的は、鋼製材料に導入された疲労き裂のより簡便且つ効果的な補修方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明は、鋼製材料に導入された疲労き裂の先端部にストップホールを開孔し、該ストップホールを覆って鋼製材料上に少なくとも炭素繊維強化樹脂板（ＣＦＲＰ板）を貼付することを特徴とする鋼製材料の補修方法に関する。

また、き裂上にも該き裂を覆ってＣＦＲＰ板を貼付することで、より高い効果が得られ、ストップホール上とき裂上とで、それぞれ独立したＣＦＲＰ板を貼付することが好ましい。

本発明によれば、ストップホールによるき裂進展阻止とＣＦＲＰ板による補強工法とを組み合わせたところ、単にこれらを組み合わせた場合に予測される以上の相乗効果が認められ、その結果、き裂進展の抑制に効果的な補強が極めて簡便な方法により可能となる。

本発明で使用するＣＦＲＰ板は、比重が鋼材の約１／５程度であるにもかかわらず、引張強度が鋼材の約６倍と高強度であり、容易に携行可能であり、又、接着剤を塗布して貼付するという簡便な方法であるため、狭隘な部分の補修も容易である。

本発明で補修対象となる鋼製材料は、き裂が発生したものであればいずれの鋼製材料にも適用可能であるが、以下の説明では、母材となる鋼材の側面に垂直にガセットプレートを溶接した、いわゆる面外ガセットにおいて、繰り返し作用する応力により溶接部に疲労き裂を生じたものについて説明する。このような面外ガセットにおいては、疲労き裂はガセットのすみ肉溶接部の止端部から発生しやすく、そのまま放置すればき裂が進展して母材の破壊を生ずるものである。

まず、き裂の発見された鋼製材料に対して、従来工法と同様にストップホールを形成する。ストップホールの形状寸法は特に制限されるものではなく、補修する鋼材やき裂の状況に合わせて適宜調整すればよい。通常は、２５ｍｍ程度の直径の孔をドリルであけ、グラインダー等でバリ取りやストップホール内の鏡面仕上げを行う。又、このような研磨後には、さびの発生を抑えるためにさび止め処理を行うことが好ましい。

本発明では、このようにストップホールを形成した後、ストップホールを覆ってＣＦＲＰ板を貼付する。通常は、ストップホールで進展を阻止したき裂の延長線に対して直交する方向にＣＦＲＰ板の長手方向がくるように貼付することが好ましい。ＣＦＲＰ板の長手方向の側面の一部はき裂上にあっても良い。

又、本発明では、き裂が拡張するのを抑制するように、き裂を覆ってＣＦＲＰ板で補強することで、さらに高い効果が得られる。

加えて、き裂全体を覆うＣＦＲＰ板のはく離防止のためにストップホール上のＣＦＲＰ板を積層することや、ストップホール先端からのき裂の再発生および進展に対処するためにストップホールの外側のき裂未進展部にもＣＦＲＰ板を貼付することができる。

面外ガセット部を有する鋼製材料の場合、き裂を覆うＣＦＲＰ板の貼付位置は、特許文献４の図１に示すように、ガセットプレートの両側面及び止端部（長手方向の先端部）を覆うように積層して貼付することが好ましい。

コの字スリット幅及びスリット長さの異なるＣＦＲＰ板を積層して用い、各層のＣＦＲＰ板がそれぞれ溶接ビードに密着するように上に積層するものほど、そのスリット幅及びスリット長さが小さくなるものを使用することが好ましい。また、予めコの字スリット幅及びスリット長さの異なるプリプレグシートを積層して積層体を得、加圧・加熱して樹脂を硬化させることにより一体成型した積層ＣＦＲＰ板とすることもできる。あるいは、単純に複数のプリプレグシートを積層して積層体を得、加圧・加熱して樹脂を硬化させることにより一体成型した積層ＣＦＲＰ板を得た後、切削等により溶接ビード形状に沿う形状に開口部を形成しても良い。

本発明で使用するＣＦＲＰ板は、例えば、ＪＩＳ Ｋ ７０７３に準拠した炭素繊維強化樹脂の引張試験方法において、標準品（Ｓタイプ）では、１．５２×１０⁵Ｎ／ｍｍ²以上、中弾性品（Ｍタイプ）では１．９６×１０⁵Ｎ／ｍｍ²以上、高弾性品（Ｈタイプ）では２．９４×１０⁵Ｎ／ｍｍ²以上の引張弾性率を有する材料を使用する。

特に、ＣＦＲＰ板としては、連続的に炭素繊維をクリールスタンドから所定量繰り出し、引き揃え、レジンバスを通して加熱された成形型で硬化させる、いわゆる引抜成形により成型されるものが望ましい。また、一方向に引き揃えられた繊維に樹脂を含浸させたプリプレグシートを、所望の強度が得られるように所要枚数同一方向に積層して、この積層体を加圧・加熱して樹脂を硬化させることにより得ることもできる。

このようなＣＦＲＰ板の貼付には、常温硬化型の接着剤を用いる。一般的にＣＦＲＰ板のマトリックス樹脂がエポキシ系樹脂であることから、エポキシ系接着剤を用いると好ましい結果が得られやすい。このような接着剤の接着強度としては、特に制限されるものではないが、貼付したＣＦＲＰ板が容易に剥離しない強度であればよい。又、ＣＦＲＰ板貼付後にはみ出した接着剤は硬化前にふき取ることで容易に除去できる。

又、ＣＦＲＰ板の貼付に先だって、貼付する鋼製材料の表面の塗装を剥がしたり、あるいは露出した鋼製材料表面に接着性改良剤、例えば、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤等でカップリング処理することも有効である。

面外ガセット構造の場合、溶接ビード部についても、その形状をグラインダー等で研磨して調整したり、あるいは、逆にＣＦＲＰ板の溶接ビード当接部の形状を溶接ビードの形状に合うように研磨することにより、溶接ビード部とＣＦＲＰ板との密着性をより良好なものとすることもできる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。

＜試験片の作製＞
図１に示すように、鋼板母材１（ＪＩＳ ＳＭ４００Ａ，２５０×９×１０３０ｍｍ（中央部幅：３００ｍｍ））の中央部の両面にガセットプレート２（ＪＩＳ ＳＭ４００Ａ，１００×９×１４０ｍｍ）を回し溶接してビード部３を形成し試験片を作製した。

表１には、鋼板、ＣＦＲＰ板およびエポキシ樹脂接着剤の機械的性質を示す。試験方法については、まず、疲労実験により試験片の止端部よりき裂４を約３３ｍｍまで進展させた後、図２〜図４に示すような３つのケースの補修を行って、静的載荷試験、疲労試験を実施してその補修効果を比較した。具体的には、次のように補修を行った。

（ａ） ＳＨ：ストップホール５（φ２５）のみで補修したもの（図２）
（ｂ） ＳＨＳ：ストップホール５（φ２５）の施工後、ストップホール５の直上に単層ＣＦＲＰ板６で補修したもの（図３）
（ｃ） ＳＨＭＳ：ストップホール５（φ２５）の施工後、ストップホール５の直上に単層ＣＦＲＰ板６で、ビード形状に密着するように積層ＣＦＲＰ板７（５層）で補修したもの（図４）

全ての実験シリーズを表２に示す。疲労試験には、容量７５０ｋＮの電気油圧式サーボアクチュエーターを用い、載荷速度を２Ｈｚ、試験片の応力範囲Δσ_ｎを１００ＭＰａとした。なお、き裂の進展上の鋼板およびＣＦＲＰ板の表面にひずみゲージを貼付して応力を計測した。さらに、き裂の開口変位を計測するためにクリップ型変位計を設置した。

＜静的載荷試験結果＞
まず、Δσ_ｎ＝１００ＭＰａ（ΔＰ＝２５０ｋＮ）の載荷時におけるき裂進展上の鋼板のひずみ分布を図５に示す。同図より、ストップホールのみで補修したＳＨでは、一様な引張応力Δσ_ｎに対して最大応力は約５倍となる。さらに、ストップホールとＣＦＲＰ板を併用することで、鋼板の最大応力を低減することができることが解る。ＳＨＭＳの応力の低減効果は高く、ストップホールのみで補修したＳＨと比較して、最大応力は約５０％低減されることも解る。

次に、図６にはＣＦＲＰ板上の応力分布を示す。同図より、ＳＨＳではＣＦＲＰ板に発生する応力は大きいが、ＳＨＭＳでは積層部で効果的に作用応力を分担することから、単層部における応力の負担が低下することが解る。このように、ＳＨＭＳでは、積層部と単層部のＣＦＲＰ板により効果的に鋼板の応力が低減されることが解る。したがって、疲労強度も高くなることが予想される。

図７に、各シリーズの開口変位を示す。同図より、ストップホールの施工前（き裂長さ３３ｍｍ時）と施工後（き裂長さ５０ｍｍに相当）を比較すると、施工後の開口変位量は大きくなる。ＳＨＳでは、中心位置の開口変位の低減効果は小さいことが解る。これに対し、ＳＨＭＳでは、ＣＦＲＰ板で覆われているため、開口変位を計測できないが、鋼板の応力の低減効果から判断すれば、開口変位はＳＨＳと比較してさらに低減されていることは容易に推察できる。

＜疲労試験結果＞
図８に、Ｓ−Ｎｐ線図を示す。ここで、Ｎｐは、補修後（き裂長さ５０ｍｍに相当）から全破断までの繰り返し回数（余寿命）である。まず、無補修のＮに対して、ＳＨでは余寿命は１．６倍である。ＳＨＭＳでは８０倍以上に余寿命が延び、十分な補修効果のあることが解る。

ＳＨＭＳでは、Ｎｐが約４７万回に達した時点で片側の積層ＣＦＲＰ板が、また、約４３０万回でもう一方の積層ＣＦＲＰ板が剥離した。しかしながら、Ｎｐが約５６５万回に達した時点でも、単層部のＣＦＲＰ板のはく離やストップホール縁端からのき裂の再発生は確認されていない。すなわち、ＳＨＳの状態にあるといえ、その状態での補修効果が高いことが解る。

特許文献４では、ストップホールを形成せずに、ガセット中心部に密着して接着した積層ＣＦＲＰ板で補修を行った場合について検討を行っている。試験片幅は異なるが、き裂長さを除いた残存幅で評価した場合、ほぼ同じであるため、参考までに比較例として示している。比較例では、応力範囲１００ＭＰａで約２６０万回の繰返し回数を達成している。これに対して、ＳＨＭＳでは、特許文献４の場合（比較例）とＳＨとの効果の単純に組み合わせて予測できる回数を大きく上回って与寿命が大幅に延びており驚くべき効果であることが解る。

又、ＳＨＭＳでは、ガセット中心部に接着した積層ＣＦＲＰ板とストップホールを併用する場合、ストップホール縁端の応力集中を低減する効果は高いものの、ストップホールの施工によって開口変位が大きくなるため、ＣＦＲＰ板がはく離しやすくなったものと考えられる。き裂全体を覆うＣＦＲＰ板のはく離の防止と、ストップホールの先端からき裂が再発生および進展に対処するために、図９に一例を示すように、ストップホール上のＣＦＲＰ板を積層することや、ストップホールの外側にＣＦＲＰ板を貼付すれば、さらに効果的な補修が実現でき、恒久的な補修工法としても期待できる。

また、図１０に示すように、ストップホール５を覆うことなく、き裂４上のみを積層ＣＦＲＰ板７で覆う補修工法が考えられる。この工法でも、ストップホールのみの補修より効果がある。この場合、ＳＨＭＳで見られたようなＣＦＲＰ板のはく離がより顕著になることが懸念されるが、接着剤や接着方法等の改良により、高い補修効果が期待できる。

試験に使用した試験体の概要を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）側面図を示す。 従来のストップホール（φ２５）のみで補修した試験体（ＳＨ）の部分平面図である。 ストップホール（φ２５）の施工後、ストップホールの直上に単層ＣＦＲＰ板で補修した試験体（ＳＨＳ）の部分平面図である。 ストップホール（φ２５）の施工後、ストップホールの直上に単層ＣＦＲＰ板で、き裂上を積層ＣＦＲＰ板で補修した試験体（ＳＨＭＳ）の部分平面図である。 Δσ_ｎ＝１００ＭＰａ（ΔＰ＝２５０ｋＮ）の載荷時におけるき裂進展上の鋼板のひずみ分布を示す図である。 ＣＦＲＰ板上の応力分布を示す図である。 実施例で実施した各シリーズの開口変位を示す図である。 応力範囲と補修後から破断までの繰返し回数Ｎｐとの関係のＳ−Ｎｐ線図を示す。 ストップホール（φ２５）の施工後、ストップホールの直上及びき裂上を積層ＣＦＲＰ板で補修し、ストップホールの外側を単層ＣＦＲＰ板で補修する形態を説明する部分平面図である。 ストップホール（φ２５）の施工後、き裂上のみを積層ＣＦＲＰ板で補修する形態を説明する部分平面図である。

符号の説明

１ 母材
２ ガセットプレート
３ 溶接ビード
４ き裂
５ ストップホール
６ 単層ＣＦＲＰ板
７ 積層ＣＦＲＰ板
８ 積層ＣＦＲＰ板

Claims (8)

1. 鋼製材料に発生した疲労き裂の先端部にストップホールを開孔し、該ストップホールを覆って鋼製材料上に少なくとも炭素繊維強化樹脂板を貼付することを特徴とする鋼製材料の補修方法。
2. 前記鋼製材料に発生した疲労き裂の拡張を抑制するよう、前記き裂を覆って炭素繊維強化樹脂板を貼付することを特徴とする請求項１に記載の鋼製材料の補修方法。
3. ストップホールを覆って貼付する炭素繊維強化樹脂板とき裂を覆って貼付する炭素繊維強化樹脂板とは、それぞれ独立した炭素繊維強化樹脂板を貼付したものである請求項２に記載の鋼製材料の補修方法。
4. 前記鋼製材料は、鋼製母材の面外にガセットプレートが回し溶接された面外ガセット構造を有し、ガセットプレート端部に発生した疲労き裂を覆い、溶接ビード部に密着して貼付された略コの字状の炭素繊維強化樹脂板と、き裂先端部に設けたストップホールを覆って貼付された別の炭素繊維強化樹脂板とを設けることを特徴とする請求項３に記載の鋼製材料の補修方法。
5. 炭素繊維強化樹脂板を、前記ストップホール外側のき裂未進展部にも貼付することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の鋼製材料の補修方法。
6. ストップホールを覆って貼付される炭素繊維強化樹脂板と、き裂未進展部に貼付される炭素繊維強化樹脂板とは、それぞれ独立した炭素繊維樹脂板を貼付したものである請求項５に記載の鋼製材料の補修方法。
7. 鋼製材料に発生した疲労き裂の先端部にストップホールを開孔し、前記き裂上のみを覆って炭素繊維強化樹脂板を貼付することを特徴とする鋼製材料の補修方法。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の補修方法で補修された鋼製材料。

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