［報告］

片山技報　33（30）

　国内最大級の支間を有する鋼ポータルラーメン橋の設計と施工

－　東九州自動車道　山国川橋（鋼上部工）工事　－

片　山　和　也＊

山　本　正　寿＊＊

山　野　　　修＊＊＊

永　田　敏　春＊＊＊＊

＊ 橋梁事業部　生産本部　設計部　設計一課＊＊ 橋梁事業部　生産本部　設計部　設計二課長＊＊＊ 橋梁事業部　生産本部　設計部　技術管理課＊＊＊＊ 橋梁事業部　工事本部　工事部　工事グループ

１．はじめに東九州自動車道（椎田南～宇佐間）は東九州を縦断する

幹線道路として，地域相互の産業，経済，文化の交流を担う道路であり，それらの地域づくりに重要な役割を果たすことが期待されている．本工事は，この区間の1級河川である山国川に架かる山

国川橋，県道697号と立体交差する成恒橋，ならびに金色川に架かる金色川橋の計3橋が西日本高速道路株式会社より発注され，弊社が受注した．本工事の内，成恒橋および金色川橋は，鋼ポータルラー

メン橋である．鋼ポータルラーメン橋の一般的な適用支間長としては20m～50mであるが，成恒橋は53.0mの支間長を有しており，国内最大級の鋼ポータルラーメン橋である．そのため，実橋載荷試験および温度による挙動計測も実施予定である．本稿では，成恒橋の剛結部の設計および施工と，実橋載

荷試験の計画について報告する．3橋の施工位置図を図－１に示す．

２．工事概要本工事の工事概要を以下に示す．

図－１　施工位置図

発 注 者：西日本高速道路株式会社　九州支社中津工事事務所

工 事 名：東九州自動車道　山国川橋（鋼上部工）工事工事箇所：（自）福岡県築上郡上毛町大字上唐原

（至）大分県中津市三光田口工 期：（自）平成23年 9月21日

（至）平成25年12月 8日構造形式：山国川橋

　3径間連続合成2主I桁橋成恒橋　単純合成2主I桁ポータルラーメン橋金色川橋　単純合成2主I桁ポータルラーメン橋

床版形式：PRC床版舗 装：アスファルト舗装 t=80mm活 荷 重：B活荷重適用基準：西日本高速道路㈱設計要領第一集～第八集，

道路橋示方書・同解説（平成14年3月）主要鋼材：SM570，SM490Y，SM400，S10T鋼 重：550t（3橋合計）架設工法：山国川橋　送出し架設工法

成恒橋　　トラッククレーンベント工法金色川橋　トラッククレーンベント工法

一

級河川山国川

山国川橋成恒橋

金色川橋

県道16号

県道675号

国道212号

県道697号

県道664号

犬丸川大分県

福岡県山国川

10

212

10

212

212

大分県

福岡県 犬丸川

JR 日豊本線

中津吉富三毛門

東中津

2212

架橋位置 架橋位置橋位

片山技報　33 （31）

図－２　成恒橋　一般図

図－３　成恒橋　立体解析モデル

（a）平面図

STA. 20

+42. 00

0

R

径間長　50500橋　長　55500

t=80mm

PRC 床版 t=300mm

アスファルト舗装

下り線

PH

2325 5500 23255000

3100

A1 A2

500

3201250 3500 3500 1260

9510 32010150桁　長　54500

80

690

180

3090

0

3100

▽

G1G2

2500500

35. 380 35. 546

0. 30%

4.3 8%～4. 50%

支間長　53000 750

GCL

DCL

5

2500500

750

3100

市道成恒加勢

線

STA. 19+97.

0 県道渋見成恒

中津線

STA. 20+30.

0

（c）断面図

（b）側面図

３．２　解析モデルとステップ（１）解析モデル解析モデルは上部工および下部工を一体化とした立体モデルとし，各構造系を考慮した構造解析を行った．なお，鋼桁と橋台の剛結部は剛域とし，杭基礎はバネでモデル化した．立体解析モデルの構造系の例として，「合成後死荷重時，常時土圧時」を図－３に示す．

３．成恒橋の設計３．１　設計条件成恒橋の設計条件を以下に示す．また，一般図を図－２

に示す．橋 長：55.500m平面線形：A=600～R=1200m縦断勾配：0.300%横断勾配：4.387～4.500%有効幅員：9.260m桁 高：3.1m使用鋼材：普通鋼材(降伏点一定鋼)

SM400,SM490Y,S10Tコンクリート：床版 σck=40N/mm2

剛結部 σck=36N/mm2

躯体・壁高欄 σck=30N/mm2

底版 σck=24N/mm2

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行った結果，G1桁の断面構成は表－１に示す通りとなった．

３．３　剛結部の設計成恒橋の剛結部は，鋼桁をコンクリート橋台へ埋め込む構造であり，ずれ止めとして孔あき鋼板ジベル（以下，PBL）を採用した．剛結部は，上下フランジおよびウェブに直接孔を明けることで，経済性と施工性の向上を図っている．また，孔内には，鉄筋を貫通させることで，無筋の場合と比べて孔中コンクリートに作用するせん断力を効率的に分担し，荷重伝達の向上を図った．

（２）基本荷重と組み合わせ基本荷重について以下に示す．

①前 死 荷 重：鋼重，床版，ハンチ，型枠，検査路，橋台躯体，フーチング，床版打下し

②後 死 荷 重：壁高欄，遮音壁，舗装，型枠撤去，剛結部コンクリート

③活 荷 重：B活荷重 ④静 止 土 圧：静止土圧係数Ks=0.3，0.6 ⑤地震時土圧：土圧による地震時水平力 ⑥地震時荷重：上部工および下部工による地震時水平力 ⑦温 度 変 化：上部工±30℃，下部工±15℃ ⑧ク リ ー プ：考慮する ⑨乾 燥 収 縮：考慮する ⑩温 度 差：床版コンクリートと鋼桁との温度差10℃

基本荷重の組み合わせについて以下に示す．①常　時前死荷重，後死荷重，活荷重，静止土圧，クリープ，乾燥収縮，温度差

②温度変化時（割増係数1.15）前死荷重，後死荷重，活荷重，静止土圧，温度変化，クリープ，乾燥収縮，温度差

③地 震 時（割増係数1.5） 前死荷重，後死荷重，地震時土圧，地震時荷重，クリープ，乾燥収縮

断面力は全て割増し係数を考慮した常時換算値として算

出し，上記の3ケースに対して断面照査を行った．また，設計断面力は，3断面力（Nx,My,Sz）の最大，最小値とした．

（３）解析ステップ成恒橋は橋台に発生する負曲げモーメントを低減するた

め，活荷重合成桁として設計を行った．解析ステップは，図－４に示すように，まず橋台に仮支承を設け，鋼桁を架設する．次に鋼桁の支間部の床版コンクリートを打込み，最後に剛結部コンクリートを打込むものとした．これにより，剛結部コンクリートを先行して打込む場合と比べて，剛結部に床版荷重による応力が作用しないため，剛結部の作用応力を低減できる．以上の解析ステップにより，立体解析および断面計算を

図－４　成恒橋　解析ステップ

表－１　成恒橋　断面構成

断面番号 1 2 3 4 5

主

桁

形

状

上フランジ板　幅 600 600 600 600 600 600 600板　厚 30 30 55 55 55 30 30材　質 SM490YB SM490YB SM520C-H SM520C-H SM520C-H SM490YB SM490YB

ウェブ板　幅 3070 3070 3045 3045 3045 3070 3070板　厚 16 16 16 16 16 16 16材　質 SM490YA SM490YA SM490YA SM490YA SM490YA SM490YA SM490YA

下フランジ板　幅 850 850 850 850 850 850 850板　厚 32 32 41 46 41 32 32材　質 SM490YB SM490YB SM520C-H SM520C-H SM520C-H SM490YB SM490YB

仮支承

下部工

STEP-1

STEP-2

STEP-3

STEP-4

STEP-5

鋼桁架設

床版

剛結部

橋面工・背面土活荷重・地震荷重

仮支承

仮支承仮支承

片山技報　33 （33）

PBLの設計では，曲げモーメントを偶力に換算した作用力に対して，上下フランジのすべてのPBLとウェブの上端から1/4の高さ範囲にあるPBLが抵抗すると考えた．また，せん断力に対してはウェブすべてのPBL，軸力に対してはフランジ，ウェブすべてのPBLが抵抗するものと考えた．図－５にPBLの設計の考え方を示す．PBL1個あたりの許容せん断耐力Qaは，設計要領第二集

（H23.7）に準拠1）し，式（1）とした．

Qa =1.85A−106.1 × 103/3　　　　　　　　　　　（1）A=π （d2-ø2st） /4 × f’cu+πø2st/4 × fst

ここに，Qa ：孔内に貫通鉄筋を有する孔あき鋼板ジベルの許容せ

ん断耐力（kN/個）f’cu ：コンクリートの設計圧縮強度（η∙f’ck/γ c）η=1.1f’ck ：コンクリートの設計基準強度（N/mm2）d ：孔径（mm）γ c ：部材係数（=1.3）øst ：貫通鉄筋径（mm）fst ：貫通鉄筋の引張強度（N/mm2）

図－５　PBL設計の考え方

か設置できないため，全5ブロックの桁を2ブロックと3ブロックでそれぞれ地組立てを行い，高力ボルトの本締めを完了させた状態で架設を行った．図－６に架設順序，写真－１に桁架設状況を示す．

図－６　架設順序

A2A1

橋 長 55500

500 桁 長 54500 500① ②

側 面 図

架設順序

J1

市道成恒 県道697号

加勢線

写真－１　成恒橋　桁架設状況

４．２　剛結部施工までの支点条件成恒橋は写真－２に示すような仮支承を橋台上に設けて

桁架設を行った．仮支承構造はS1側を固定，S2側を可動とし，主桁の温度変化や床版の自重によるたわみで生じる水平移動と桁端部の回転を吸収できる構造とした．ただし，剛結部のコンクリート打込み時には，桁の移動を拘束させる必要があるため，仮支承にくさび板を挿入して，S2側も固定させた．

４．３　剛結部コンクリートの施工床版と橋台の剛結部のコンクリートは一体化する必要があり，同時に施工を行った．剛結部は鋼桁の鉄筋が密に配置されているため，コンクリートの打込み順序や締め固め

3100

PBL孔 φ65D16

32

hwm

hw'

hw/4

=775

hw/4

=775

曲げに抵抗Nwm個×2

せん断，軸力に抵抗Nw個

曲げ，軸力に抵抗Nf個

曲げ，軸力に抵抗Nf個

MS

N

４．成恒橋の施工４．１　鋼桁の架設鋼桁の架設は200t吊オールテレーンクレーンを用いたクレーンベント工法である．ベント設備は市道脇に1箇所し

片山技報　33（34）

（１）静的載荷試験50tラフタークレーン（重量約400kN）を試験車として，支間中央に2台載荷し，橋梁全体の変形性状と剛結部の応力性状を確認する．載荷方法は，支間中央部に並列載荷およびG1桁側に縦列載荷の2種類とする．事前検討によって把握した並列載荷時の挙動を図－７，応力性状を図－８示す．

図－７　並列載荷時の挙動

AI桁端部から距離

図－８　並列載荷時の応力性状

（２）振動試験50tラフタークレーン（重量約400kN）を試験車として，支間中央で後輪を枕木から落下させて強制振動させる．幅員中央で強制振動させた場合および主桁G1直上で強制振動させた場合で，鉛直たわみモードおよびねじれ振動モードの減衰自由振動波形を計測し，固有振動数と対数減衰率を評価する．図－９に振動試験要領を示す．

（３）温度挙動計測鋼ポータルラーメン橋は，支点部が橋台と一体化しているため，温度による鋼桁の伸縮挙動が橋台および背面土圧により拘束される．その影響により，剛結部に大きな2次

に留意しながら施工した．写真－３にコンクリートの打込み状況を示す．なお，橋台部分のコンクリートはマスコンクリート（竪壁厚2.5m）となるため，3次元温度応力解析によるひび割れ照査2）を行った．

写真－３　剛結部コンクリート打込み状況

５．実橋載荷試験の計画５．１　試験の目的鋼ポータルラーメン橋は，維持管理上の弱点となりやす

い支承や伸縮装置を省略することで，維持管理費を軽減できるとともに，耐震性，走行性の向上や騒音の低減も期待できる特長を有している．しかしながら，鋼ポータルラーメン橋における解析的検討や，剛結部に着目した載荷試験の事例は複数行われているが，実橋を対象として全体挙動を計測した事例は非常に少ない．そこで，剛結部の応力性状や設計手法の妥当性検証なら

びに計画的な予防保全を行う上で必要となる振動特性の初期値データの取得を目的として，国内最大級の支間長を有する成恒橋を対象とし，実橋を用いた静的載荷試験，振動試験および温度挙動計測を実施するものとした．ここでは，試験の計画について述べる．

写真－２　仮支承

片山技報　33 （35）

いて，概要を述べた．本工事は写真－４に示すように，9月に橋面の引き渡しが完了した．また，10月には実橋載荷試験も完了した（写真－５参照）．試験結果については，別の機会に報告する予定である．

謝辞本工事を進めるにあたり，西日本高速道路株式会社　九州支社および中津工事事務所の方々をはじめ，関係各位に深く感謝の意を表します．

参考文献１）西日本高速道路株式会社：設計要領第二集，2011.7.２）土木学会：2007年制定コンクリート標準示方書 設計編，2008.3.

力が発生するため，温度伸縮変化の影響による橋梁全体の挙動を確認する（図－10，図－11参照）．

６．おわりに本文は，成恒橋の剛結部に着目し，その設計と施工につ

（床版） （床版）

枕木上に後輪をのせ、段差を作る低速で前進しながら段差から後輪を落として停止する。

（b）ねじれ振動モード （a）鉛直たわみモード 図－９　振動試験要領

図－10　夏季における温度伸縮挙動

図－11　夏季における剛結部のひずみ挙動

写真－４　成恒橋完成時

写真－５　実橋載荷試験

AI桁端部からの距離

片山技報no33.pdfから挿入したしおり表紙目次巻頭言匠の養成

特別寄稿限界状態設計法と維持管理

論文既設鋼床版Ｕリブの溶接補修部の応力性状と疲労試験

報告厚板SA440鋼の四面ＢＯＸ・サブマージアーク溶接実験　－溶接諸性能に及ぼす自己溶接熱による保温効果－ケーブルエレクション直吊り工法を用いた単純箱桁橋の架設　－常磐自動車道　大清水橋（鋼上部工）工事－形状が複雑なトラス歩道橋の振動使用性評価　－阿倍野歩道橋架替工事－国内最大級の支間を有する鋼ポータルラーメン橋の設計と施工　－東九州自動車道　山国川橋（鋼上部工）工事－桁下制約条件により複数の架設工法を併用した橋梁架設　－さがみ縦貫　小倉第二高架橋上部工事－

紹介仙台松島（Ⅶ）橋梁上部工　堤大橋工事の概要　－比較的長い中央径間を有する2主Ⅰ桁橋－一般県道粟倉飯富線　早川橋梁上部工製作工事の概要　－マルチストランドケーブルを用いたニールセンローゼ橋－朝霞大橋２期線上部工１工区の概要　－鋼７径間連続非合成少数鈑桁橋－KAPシステムの紹介（２４）　－BIM設備設計との連携－マネジメントシステムのさらなる発展　－ISO14001の認証取得と統合マネジメントシステムの構築－

工事紹介橋梁鉄構

編集後記裏表紙