金田 祐樹

腐食減肉を伴う高力ボルトの残存軸力評価と実用推定式の提案

岩崎 英治

我が国では，高度経済成長期の1960年代以降に多くの社会基盤構造物が建設され，経年劣化に伴う腐食損傷事例が増加している．そのため，今後増加が予想される腐食損傷に対する適切な維持管理が求められている．鋼橋の腐食事例のうち，高力ボルト継手部は角部を有する複雑な形状であることから，防錆対策の塗料が付着しにくく，鋼材の腐食要因となる海塩粒子や凍結防止剤，雨水等が滞留しやすいため，腐食の早期進行が懸念される．継手部に腐食が発生した場合，高力ボルトの締付け軸力および摩擦接合継手耐力の低下が指摘されるが，この腐食に対する高力ボルトの残存軸力に関する明確な評価指標は未だ定められていない．そこで本研究では，腐食減肉を伴う高力ボルトの残存軸力評価と，維持管理に有用な残存軸力の実用推定式の提案を目的とした．
高力ボルトの残存軸力は，有限要素法による弾塑性解析を用い，継手部の腐食減肉を再現することで評価した．まず，高力ボルトの腐食を再現した解析方法の妥当性を検証し，継手部で使用される各材料の形状や寸法許容差が軸力低下に与える影響を検討した．また，既往の実験結果と比較することで，本研究の解析モデルにおける残存軸力推定の有効性を確認した．最後に，維持管理に適用可能な高力ボルトの残存軸力の推定式を提案した．本論文から得られた知見を以下に示す．
高力ボルトの腐食再現方法として，強制変位による軸力導入後の要素除去が適切であり，本研究の解析方法は妥当であると考えた．ねじ部のモデル化では，有効断面積を用いて簡易化しても解析結果の精度に影響はない，一方，使用材料の形状では，座金の面取り部の影響により残存軸力が大幅に低下する．すなわち，残存軸力の安全な評価を得るためには，座金の面取り部の考慮が必要である．残存軸力の推定では，ナットとボルト頭の残存二面幅による評価の有効性を明らかにした．さらに，高力ボルトの軸力低下は，座金近傍の減肉による影響が支配的である．そのため，ナットおよびボルト頭の腐食においては，座金近傍の残存二面幅を測定することで，残存軸力の推定が可能である．また，本研究の解析結果と既往の実験結果の傾向は一致したため，本研究の解析モデルは残存軸力の推定に有効である．最後に，ナット，ボルト頭および座金の腐食について，部材の塑性化による傾向を考慮し，多項式近似によって残存軸力の推定式を提案した．