5．鋼橋の設計による 合理化に向けた今後の展望

土木学会「鋼・合成構造標準示方書
に基づく新たな設計」講習会
５．鋼橋の設計による
合理化に向けた今後の展望
2009/9/17
土木学会「鋼・合成標準示方書に基づく新たな設計」講習会
1
Contents
５－１ 合成桁の設計概論
５－２ 限界状態設計法を用いた新たな設計
５－３ 鋼橋設計の今後の展望と鋼・合成標準示方
書の改訂に向けた取組み
2009/9/17
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５－１ 合成桁の設計概論
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3
（１）初期の合成桁橋
報告書
pp.5-1
○合成桁橋
鋼桁とコンクリート床版をずれ止めで連結し一体
化した構造の橋梁
1940年代欧米で開発→1950スタッドの溶植法
の実用化に伴い世界中に普及
我が国では1951年鈴橋（大阪）建設→単純合成
桁が多く建設
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4
連続合成桁の開発と国内の普及
1950年代後半ドイツで連続合成桁の開発→国
内では一時普及したが煩雑な施工のため1970年
代には採用されなくなった
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鋼橋のRC床版の損傷
1970年代後半 RC床版の損傷事故が多発
・合成・非合成問わず
・経済を追求：床版支間の拡大、厚さを薄くする設計
・大型車を含む交通量の増大
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6
（２）欧米での合成桁橋の開発
報告書
pp.5-1～5-2
1980年頃（フランス）
走行性や耐久性、設計合理性、景観などを根本
的に見直し ⇒ 合理的で革新的な合成桁橋の開発
22 6 00
ずれ止め
1 67 0
PC鋼材
60 0
150
～
40
3 20 0
フランジに
極厚の鋼板
900
2.5%
2.5%
3 40
440
900
250
補剛材を極力
省略した構造
1 20 0
1 20 0
コンクリート床
版の橋軸直
角方向にプレ
ストレス
12 6 0 0
従来９割がコンクリート橋⇒合成桁橋６対４程度まで採用
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7
合成桁橋の開発
13 5 00
5 50 0
350
250
450
2 00 0
3 700
t
0
4
=
t= 1 2
RCフランジ
t=
15
4 50 0
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（３）国内の合理化鋼橋の開発
報告書
pp.5-2～5-4
第二東名・名神建設プロジェクト
約440km
第二名神
伊勢湾岸道
第二東名
独立行政法人 日本高速道路保有・債務返済機構 高速道路機構WEB参照
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第二東名・名神建設プロジェクト
◎第二東名 海老名南～豊田東
２５５ｋｍ（連絡路１７ｋｍ）
橋梁比率 約３２％≒８５ｋｍ
◎伊勢湾岸道 豊田東～四日市
５６ｋｍ供用中
橋梁比率 約９０％ ≒ ５０ｋｍ
◎第二名神 四日市北～神戸
１２５ｋｍ（連絡路１１ｋｍ）一部供用
橋梁比率 約２３％ ≒ ３０ｋｍ
（参考）橋梁比率
○東名高速道路 14.9％
○名神高速道路 18.2％
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第二東名建設中区間の状況
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NEXCO中日本ホームページより
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第二東名・名神高速道路の合理化鋼橋
北海道のホロナイ川橋などの試験施工を経て
PC床版鋼少主桁橋の本格的導入
30 00 0
5 00
5 00
30 00 0
5 00
2 95 0
5 00
30 000
2 50 0
5 00
少主桁化
厚板の採用
PC 床版
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床版耐久性の向上
◎ＰＣ床版の耐久性評価（輪荷重走行試験）
ＰＣ－０
ＰＣ－１
載荷荷重ステップ
ＲＣ－１
ＰＣー１
押抜きせん断破壊
（６４万）
輪荷重（ｔｆ）
１２ｍ
３ｍ
９ｍ
ＲＣー１
押抜きせん断破壊
（５２万）
６０
７ｍ
供試体
４０
３００
２５０
２５０
④
６．０ｍ
４．０ｍ
２．２５ｍ
２０ ①１６ｔｆ
ＰＣ床版
軸載荷
ＰＣ床版
ＲＣ床版 （支 間２ ．７５ｍ
移動載荷範囲（幅５０ｃｍ）
２万往復毎に
４ｔｆ増加
ＰＣー０試験終了
（４１万）
０
の連続版相当）
⑩４８ｔｆ
③２０ｔｆ
②１６ｔｆ
１０
備 考
⑨
⑧
⑦
⑥
⑤
１０万
２０万
３０万
４０万
５０万
６０万
７０万
載荷回数（往復）
◎床版防水工の敷設が一般化
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PC床版鋼連続合成桁橋の開発
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合理化橋梁の開発効果
近年の高速道路における採用される形式と最大支間の関係
500
鋼箱桁橋
400
単位面積当り工事費
鋼Ｉ桁橋
300
200
ＰＣ箱桁橋（張出施工）
鋼Ｉ桁橋（合成桁）
※波形鋼板ウエブ含む
100
ＰＲＣ橋
0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
最大支間（ｍ）
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５－２ 限界状態設計法を用いた
新たな設計
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（１）土木構造物の設計方法
報告書
pp.5-8～5-12
構造物の設計：目的に適するよう設計
土木構造物：規模が大きく、多くの要求項目があり、期待耐用年数
が長い
設計法
許容応力度法
決定論的設計法
弾性設計法
静的設計法
⇔
⇔
⇔
⇔
限界状態設計法
確率論的設計法
塑性設計法
動的設計法
限界状態設計法
終局強度設計法、荷重抵抗係数設計法、部分安全係数設計法
⇒用語の定義は曖昧で用いる人によりその意味合いが多少異なる
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許容応力度設計法
設計フォーマット
S（Fd ）
1
R（f d /ν）
Fd：設計荷重値、S：荷重効果（Fdに基づいて微小変位解析から算
出される構造物の応答値）、fd：設計材料強度（公称降伏点、その
他規格値）、R：設計抵抗値、ν：安全率
⇒これまで多くの設計施工が蓄積された方法
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許容応力度設計法の問題点
〔弾性設計〕
・降伏応力度に対しはるかに下回る許容応力度をもとに設計
⇒構造解析は弾性理論
・構造物の残留応力や初期たわみの影響など弾性挙動を示すとは限らない
・部材塑性後の応力の再配分や座屈では後座屈強度が存在するなどの余耐力が存在するなど
⇒真の構造物の崩壊に対する安全性を照査する耐力評価が難しい
〔限界状態に関する条項の不明確さ〕
・設計の簡便さが優先し、設計基準の各条項が何に対する限界状態を照査する内容か不明確で
構造物設計の本質を見えにくくしている。
・終局限界状態および使用限界状態など設計上目標とするレベルに対し、極端にコンサバティブな
規定になっている可能性がある。
〔安全率、許容応力度の割増し係数の根拠の不明確さ〕
・安全率は材料安全率から決定論的に決められており、荷重と材料の特性に基づく確率論的な裏
づけがない。⇒構造物全体の安全性を評価する基準となっていない。
・許容応力度の割増し係数については、経験的に問題となっていないことを理由に採用している。
〔適用範囲外となる橋梁への対応の困難さ〕
・示方書の適用範囲外であるような支間長の大きな橋梁や新材料・新構造への適用が難しい。
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限界状態設計法
・構造物や構造要素が設計において意図して機能や条件に適
さなくなる限界状態を設定し、荷重が作用しても構造物が
この限界状態を超えないことを保障する設計方法
終局限界状態：構造物の期待耐用年数の間にまれにしか発
生しない荷重が作用した場合を想定し、それを超えると構
造物が最大耐荷能力に達して崩壊する限界
使用限界状態：通常の使用時に頻繁に作用する荷重を想定し、
その限界を超えると通常の使用または耐久性に影響を及
ぼす限界状態
疲労限界状態：通常の使用時に頻繁に作用する荷重を想定し、
この限界を超えると繰返し荷重により疲労破壊が生じる限
界状態
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限界状態設計法の照査式
一般式
S
ν 1
R
荷重抵抗係数を用いた一般式
S (γf Fd )
1
R( f d /γr )
部分係数を用いた一般式
一般に統計的知識に基
づいて確率論的に決定
される場合が多い。
強度Rと荷重Sのばらつ
きを仮定し安全性指標
βから決定するのが一
般的。
γ2 S
γ1
1
R/γ3
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海外の限界状態設計法の動向
世界の道路橋設計法の変遷
ASD：Allowable Stress Design
LSD:Limit State Design
LRFD:Load Resistance Factor Design
UK
Sweden
Slovakia
Rumania
Poland
Norway
Japan
Finland
Denmark
USA
EU
1890
1910
1930
1950
1970
1990
西暦（年）
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（２）新しい設計法の性能照査
報告書
pp.5-13～5-19
各要求性能と限界状態の関連
要求性能
性能項目
限界状態
安全性
構造安全性
公衆安全性
安全限界状態または終局限界状態（公衆安全性について
は本示方書では限界状態を定めていない）
使用性
走行性・歩行性
使用限界状態
修復性
地震後の修復性
修復限界状態または損傷限界状態
耐疲労性
疲労限界状態
耐久性
耐腐食性
材料劣化抵抗性
維持管理性
他の各限界状態に影響を及ぼす恐れのある状態
（本示方書では限界状態を定めていない）
社会的適合性
社会・環境適合性 経済的合理性
（本示方書では限界状態を定めていない）
環境適合性
施工性
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施工時安全性
容易性
（本示方書では限界状態を定めていない）
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従来の設計法との違い
計算例では
1.7D＋1.7L
主な項目
荷重（作用）
耐力（抵抗）
従来設計法
（許容応力度設計法）
D（死荷重）+L（活荷重）
※1
限界状態設計法
使用限界状態 D+L ※1
終局限界状態 1.3D+2.0L ※1
σy／１．７（許容応力度）
使用限界状態
σy （降伏応力度） ／α
終局限界状態
Ｍｕ（終局モーメント）
設
計
弾性設計
終局時は弾塑性設計
解
析
弾性解析
弾性解析を利用
※CR（ｸﾘｰﾌﾟ）+SH（乾燥収縮）なども必要に応じ考慮
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23
部材の特性を生かした合理的設計
弾性設計
－
－
－－
D1
中立軸
中立軸
＋＋
fy：鋼材降伏点
fy
全塑性モーメントの状態
0.85fcd
－
Dp
Dcp
－
塑 性中立 軸
塑性中立軸
D1
ＰＣ床版２主連続合成桁
PC床版２主連続合成桁
弾塑性設計
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＋
fcd： コンクリート圧縮強度
fy：鋼材降伏点
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fy
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各限界状態の照査項目及びその照査方法
項目
限界状態 番号
構造細目
1
2
3
終局限界
状態
座屈
断面力
4
5
座屈
6
7
使用限界
状態
8
9
10
架設時
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11
12
断面力
座屈
座屈
制限値
適用基準
上フランジ最小板厚
ｂ/16
道示
下フランジ最小板厚
ｂ/16
道示
曲げモーメント
Mp全塑性ﾓｰﾒﾝﾄまたは1.3Myの小さい方
（ダクティリティの照査が別途あり）
Qu（Basler式）
AASHTO
せん断力
曲げせん断合成応力度
（1.15M/My） +（1.15Q/Qu） ≦1.0
NEXCO基準
NEXCO基準
ウエブ幅厚比
（2dc/tw）cr≧（2d c/tw）act
AASHTO
相関幅厚比
6.25√（E/σy）≧2dc/tw+9.35（b/2tf）
AASHTO
横座屈
σcr：限界圧縮力
道示
上フランジ応力度
σy/1.15
独自設定
下フランジ応力度
σy/1.15
独自設定
ウエブ幅厚比
dw/tw≦f （σu，σl，τ，kc，ks，ν，R）
道示
曲げせん断合成応力度
（1.15M/My） +（1.15Q/Qu） ≦1.0
NEXCO基準
ウエブ幅厚比
dw/tw≦f （σu，σl，τ，kc，ks，ν，R）
道示
横座屈
σcr：限界圧縮力
道示
4
4
4
4
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25
各限界状態の照査に用いる制限値（抵抗値）
M
全塑性ﾓｰﾒﾝﾄ
終局ﾓｰﾒﾝﾄ
Mp
終局限界状態照査時の制限値
1.3MyまたはMpの小さい方
降伏ﾓｰﾒﾝﾄ
降伏ﾓｰﾒﾝﾄ
コンパクト断面
My
ノンコンパクト断面
スレンダー断面
使用限界状態照査時の制限値
My/1.15
従来の許容応力度法設計の
制限値 My/1.7
φ
AASHTO LRFDの設計断面分類の例
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設計合理化の効果
試設計の結果（最大支間60mの鋼5径間連続PC床版合成桁）
従来設計法
有効幅 5249
有効幅 5471
580
3 00 0
支間最大
限界状態設計法
①板厚 ｔ
U.FLG 27mm
WEB
20mm
L.FLG 40mm
②桁高 3.0m
③材質 SM490Y
④断面積比 1.00
550
2 5 00
断面位置
800
①板厚 ｔ
U.FLG 25mm
WEB
20mm
L.FLG 29mm
②桁高 2.5m
③材質 SM490Y
④断面積比 0.57
840
◎鋼材量が少なくできる
材料、運搬、架設のコスト縮減
◎桁高が従来より小さい
縦断線形の見直しによる道路全体のコスト縮減
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決定要因のレーダーチャート
鋼5径間連続合成I桁橋 最大支間60m 桁高さ2.5mのケース
1
100%
12
2
75%
11
3
50%
25%
10
4
0%
9
5
8
正曲げ
負曲げ
6
7
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桁高－スパン比
2.75
桁高さ（m）
2.50
2.25
2.00
1.75
1.50
30
40
50
60
70
最大支間（m）
最適断面の桁高スパン比は、1／21～24程度
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照査に用いる制限値に関する検討
a.曲げせん断供試体①～③
※①～③は桁長の違う供試体
b.純せん断供 試体①
図-6 荷重載荷フロー
図-5 載荷試験の供試体の構造
2009/9/17
（曲げせん断相関試験体 1 の場合）
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30
実験結果
2,5 00
1 ,80 0
1 ,60 0
曲げせ ん断供 試体 ①
曲げせ ん断供 試体 ②
2,0 00
曲げせ ん断供 試体 ③
1 ,40 0
1 ,20 0
【実験 値】
荷重（ kN)
荷重 （kN)
1,5 00
終局荷 重 Pu ＝1,545kN
1 ,00 0
終局せ ん断強度
80 0
Q u=1,269kN
1,0 00
5 00
実験値（終局強度）
荷重Pu
Mu
Qu
kN
kN・m
kN
2,356
3,298
1,178
1,865
3,264
933
1,417
3,259
709
供試体①
供試体②
供試体③
計算値
Mp
Qu（basle r)
kN・m
kN
3,061
1,149
3,033
1,149
3,127
1,171
【計算 値】
60 0
Q u（basl er） ＝1,17 1kN
40 0
20 0
0
0
0
20
40
60
80
100
14 0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
変 位（㎜ ）
変 位（ ㎜）
図-8 荷重変位曲線
（曲げせん断供試体①～③）
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12 0
図-9 荷重変位曲線
（純せん断供試体①）
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破壊シナリオ解析（弾塑性解析）
着目範囲
活荷重載荷範囲
A1
P1
P2
着目断面
P3
Ｗ＝ 1.3D ＋ α（荷重係数）×2.0L
荷重係数
0.1
0.5
0.8
1.0
1.1
1.2
1.3
1.5
2.0
0.4
終局荷重（1.3D+2.0L）
P4
■ 降伏箇所（引張）
■ 降伏箇所（圧縮）
P2橋脚
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A2
P3橋脚
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維持管理性、修復性の検討
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供用中の部材の降伏に対する照査
東名高速道路の軸重計データを用いた解析
軸重計データ
解析用車列データ
発生断面力図
使用限界状態照査荷重
（D+L）
軸重データ最大荷重作用時
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供用中の環境適合性の検討
騒音・振動解析（時刻歴応答解析）
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５－３ 鋼橋設計の今後の展望と鋼・合成
標準示方書の改訂に向けた取組み
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今後の課題と展望




ハイブリッド桁の設計
２重合成桁の設計法の開発
連続合成桁の中間支点上の横倒れ座屈の設計法
断面間の板厚差
鋼橋の新たな技術開発への期待
⇒新しい構造、材料の活用
⇒維持管理において既存橋梁の評価や部材照査や
既存部材耐力の評価に基づく新たな補修方法の開
発などへの応用
2009/9/17
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