梁・鋼構造の設計と管理

要点と定義

荷重点が自由端より内側にある片持ちばりでは、先端のたわみは、荷重点でのたわみと、荷重点から先まで傾きによって増えるたわみの和です。固定端から荷重点までの距離を a、全長を L、集中荷重を P、ヤング率を E、断面二次モーメントを I とすると、荷重点のたわみは Pa³/(3EI)、傾きは Pa²/(2EI) です。したがって先端のたわみは Pa³/(3EI)＋Pa²(L−a)/(2EI)＝Pa²(3L−a)/(6EI) となります。荷重点より先には曲げモーメントがないため、その区間では傾きが一定です。

単純ばりに作用する偶力と支点反力は、鉛直力とモーメントのつり合いで求めます。支点間距離を L、支点 B に加える反時計回りの偶力を M、上向きを正とすると、鉛直方向のつり合いは V_A＋V_B＝0、支点 A まわりのモーメントのつり合いは M＋LV_B＝0 です。よって V_A＝M/L、V_B＝−M/L。負の反力は、想定した上向きと逆向き、つまり下向きを表します。

鋼構造物の溶接継手設計では、応力の流れを明確にするため接合部を単純にし、溶接の集中や交差を避けます。部材の偏心や板厚差を抑え、溶接箇所と溶接量は必要な範囲にします。衝撃や繰返し応力を受ける継手には、全断面溶込みグルーブ溶接が有効です。施工性を考え、下向き姿勢で溶接しやすい構造を目指します。

鋼材の腐食と防食では、環境と防食方法の組合せを押さえます。厚膜被覆はゴムやプラスチックなどの有機材料を厚く施工し、港湾・海洋鋼構造物の飛沫部や干満部などで用いられます。ジンクリッチペイントは、鋼材と接触した亜鉛末が傷部で犠牲防食作用を発揮し、亜鉛の腐食生成物も保護皮膜になります。溶融めっきは鋼材を溶融金属に浸して皮膜を作り、金属溶射では溶射皮膜の気孔への腐食因子の侵入を抑えるため封孔処理をします。

耐候性鋼材は、少量の合金元素を含む低合金鋼材です。塩化物イオンがほとんどなく、適度な乾湿の繰返しがある環境では、表面に緻密な保護性錆が形成され、腐食の進展を抑えます。したがって、腐食性の高い環境に向くという理解は誤りです。

鋼橋の維持管理と損傷では、疲労、遅れ破壊、ラメラテア、腐食環境を区別します。ラメラテアは、板厚方向に引張力を受ける部位の溶接部付近で、板表面と平行に生じる層状の割れです。疲労は、変動荷重の繰返しで生じたき裂が進展し、最終破壊に至る現象です。遅れ破壊は、高強度鋼に持続的な引張応力が作用し、時間が経ってから突然生じる脆性的な破壊です。溶接補修では鋼材の溶接性と作業環境に配慮します。橋の端部は雨水や土砂がたまり、風通しも悪くなりやすいため、腐食環境が厳しくなることがあります。