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長岡技術科学大学大学院 工学研究科　環境・建設系 建設構造研究室
長井正嗣 教授　様高性能鋼系橋梁の開発から診断、
維持管理技術開発まで競争力のある橋梁を開発

長岡技術科学大学は、全国の高専生を対象に1976年に創設されたユニークな大学で、昨年創設30周年を迎えました。大学院への進学を前提とした大学で学生の約80%は高専卒業生です。現在は機械、電気、物質・材料、環境・建設、生物、経営情報、システム安全の7系が置かれています。
環境・建設系は、環境システム工学課程（学部）と専攻（大学院）、建設工学課程（学部）と専攻（大学院）で構成されています。

建設構造研究室は、これまで構造解析研究室と呼ばれ、主に有限要素解析法や最適設計手法の開発を行ってきました。現在は、「建設」「診断」「管理」の3つのテーマのもと、長大橋梁の開発、鋼系複合橋梁の開発、橋設計の一層の合理化をめざした新しいデザイン手法の開発、耐候性鋼材の長期パフォーマンス予測のための計測や環境解析手法の開発、モニタリング技術を駆使した既設構造物の診断技術の開発を行っています。

今回は、環境・建設系の「建設構造研究室」を訪問し、長井正嗣教授にお話を伺いました。

新しいコンセプト「構造形態改革」と「設計法改革」のコンビネーション

－性能照査限界状態設計法の導入による合理化橋梁の開発推進－

橋梁には、主に鋼橋、コンクリート橋、鋼とコンクリートを用いた複合橋がありますが、設計から施工、維持管理に至るまで、コストパフォーマンスに優れた橋梁が求められており、いかに合理化できるかが大きなテーマになっています。

当研究室では、1990～2000年にかけて旧日本道路公団（JH）が推し進めた新しい合理化複合橋梁の開発、導入に関連する検討課題が大きな研究テーマでした。旧JH北海道でスタートした非合成2主桁橋の設計マニュアルの作成、高速道路ではわが国初となる連続合成2主桁橋「千鳥の沢川橋」の建設とあわせてウェブの薄板化、少補剛設計の導入、第2東名で最初の鋼系橋梁となるプレキャストPC床版3主桁橋「東海大府橋」の設計施工マニュアル、また、連続合成2主I桁用の設計マニュアルの作成のお手伝いをしてきましたが、以上のコスト縮減対応、コスト競争力アップ対応は20世紀までにほぼ終了しました。

私は、上記の新しい橋の導入を“構造形態改革”と呼んでいますが、合成少数主桁橋の形態は非常にシンプルで、これ以上の部材省略による一層の合理化は困難であり、さらなる性能アップの次の一手が見えない状況になっています。

そこで、当研究室で提案しているのが、“設計法の改革”とのコンビネーションによる一層の合理化です。あわせて、70m以上の長スパンをターゲットとした新たな競争的橋システムの開発です。

周知のとおり、わが国の橋設計には、40年近く許容応力度設計法(working stress design method : WSD)が採用されています。この方法は弾性設計と呼ばれ、材料のもつ非弾性域を十分に利用できません。それに対し、合成桁では材料の一部が降伏した状態(現行設計はこれを終局限界とみなしている)から破壊(海外では破壊を終局限界とみなしており、降伏は使用限界とみなし、荷重係数が終局限界状態より小さく設定される)に至るまで、大きな強度アップが見込めます。

例えば、材料の一部が降伏したときのモーメントが降伏モーメント(My)ですが、部材断面がほぼ塑性化する塑性モーメント(Mp)は、その1.4～1.6倍程度です。これを利用しない手はありません。AASHTO(アメリカの基準)やEC(欧州圏の基準)ではすでに利用しているのに対し、日本は依然として桁橋の95%が非合成設計、鋼桁のみで全ての荷重を受け持つ設計が行われています。鋼桁単独の橋梁では、Mp = 1.05My程度(腹板に複数の水平補剛材が必要)でメリットが見られないため、塑性域を利用する設計がこれまであまり注目されなかったわけです。

現在、文部科学省からの助成や他機関との共同研究の形で開発を推し進め、合成桁を対象とした塑性強度も利用できる性能照査限界状態設計法(Performance-based LSD)の開発を急いでいます。また、当研究室が提案する競争的な鋼系橋梁は、（1）2重合成2主桁橋、（2）合成ハイブリッド2主桁橋、（3）無補剛厚板からなる狭小2箱桁橋で、これまでの日本では見られない新しいコンセプトの橋構造です。スパン70～120mを対象とした場合、コンクリート系橋梁が競争力があるため、鋼系橋梁の建設がみられません。以上の取り組みは、スパン70～120mを対象とした競争的鋼系橋梁の開発活動の一環でもあります。

構造フォームの改革(I-桁)

実験結果：少補剛鋼,合成I桁の曲げ及びせん断崩壊状態

実験結果：合成I桁の終局曲げ強度(正曲げ)

実験結果：2重合成I桁の終局曲げ強度(負曲げ)

アジアの中の日本のプレゼンスを高めるために

－国際競争に耐える性能照査限界状態設計法の開発とアジア諸国との連携－

鋼構造や鋼橋に関する国際会議の席で、“世界の2大コード”という言葉をよく耳にします。ASSHTO LRFDとECです。また、大型の橋プロジェクトの設計では、世界のコードを比較した検討結果が報告されます。確か、アーチの有効座屈長では、日本の設計が一番“conservative”だと発表されています。

AASHTOやECはその作成に20～30年を要し、現在最終段階に入っています。当然、限界状態設計法(LSD)がベースで、設定した限界状態での性能照査に、AASHTOではLRFDを、ECでは部分係数フォーマットを採用しています。

一方、日本は許容応力度設計(WSD)を採用しています。これでも構わないのですが、ECは圏内の飽和しつつある市場からアジアのみならず、世界を目指していると思われます。私はここが問題だと思います。

お隣の韓国では、2004年から5年間で年間3億円、合計15億円をかけ、橋のデザインコード作成プロジェクトがスタートしています。このプロジェクトでは、AASHTOをフォローするといわれています。大型プロジェクトのため、かなり充実した基準の整備が行われ、アジアの覇権を目指す可能性が高いとみています。

土木学会鋼構造委員会では、私が委員長時代に鋼・合成構造標準示方書作成小委員会がスタートしました。現在、私が小委員長を務めています。ここでは設計法として、グローバル化に対応できる性能照査限界状態設計法の導入、また、世界共通に競争的と認識され、多数建設されている合成桁の設計手法を充実させています。

小委員会において、海外連携グループの発足をお願いしました。学会の助成をいただく場合もありますが、主にボランタリーでアジアの各国を訪ね、作成中の上記コードの紹介と連携を模索しています。これまでにバングラデッシュ、タイ、ベトナム、韓国、中国を訪問しました。『鋼・合成構造標準示方書』の設計編も2007年3月に出版予定で、引き続き英文化作業に入り、アジアでの活動を一層活発化させようと考えています。そのためにもオリジナルコードならびにGlobal competition を制覇できる競争力のあるコードの開発が欠かせません。

海外連携のためバングラディシュを訪問（2005年8月）

超長大ケーブル系橋梁、経済的な複合ケーブル系橋梁の開発

－静的、動的不安定現象の解明と日本発のオリジナル知見 －

1990～2000年にかけて、もう一つの大きなテーマが、超長大ケーブル系橋梁の開発でした。多くの成果を公表しましたが、なかでも斜張橋については、その限界スパンを力学的ならびに経済的観点から提唱しました。長大斜張橋の静的・動的不安定問題を明らかにする非線形FEM解析法を開発し、同定を行っています。

結論からいうとスパン1,200～1,400mが限界と考えています。これ以上のスパンで吊橋に対抗するのは困難と思われます。あわせて、これまでの世界的な通説を覆す幾つかの知見を公表しました。例えば、風荷重による横安定を確保するのに必要な桁幅はスパンの1/40以上といわれていましたが、1/50～1/55程度まで問題ありません。また、フラッター風速は高く、静的な安定問題、特に静的風荷重によって桁が浮き上がるダイバージェンスで断面寸法が決定されます。以上の成果により、2001年に土木学会田中賞(論文部門)を受賞することができました。

1400m斜張橋の終局時崩壊モード形

現在、スパン3,000mクラスのケーブル系橋梁の検討も行っていますが、次世代国土軸構想の実現が見えない状況の中、100～200mというもっと短いスパンをターゲットとした経済的な複合ケーブル系橋梁の開発が重要と考えています。現在、この領域では、PCエキストラドーズド橋や波形鋼板ウェブPC箱桁断面の斜張橋が経済的とされています。この代案として、合成2主I桁を主桁とするケーブル系橋梁の開発、提案に取り組んでいます。

また、ユニークな発想で、エキストラドーズドタイプ(塔高を、経済的と誰もが信じている高さの半分にする)の鋼製斜張橋を開発中であり、コストはかえって安くなるという結果が得られました。斜張橋の力学的特性の本質をつくこれまでの研究成果から、このような発想が出てきました。

FEMによる全体解析に対応

－鋼橋の3D-FEM解析のためのモデル化と要素分割－

一般的な形式として多用されている鋼多主I桁橋では、はり理論に基づいた格子解析によって構造解析されるのが一般的です。計算機が普及していなかった時代には簡単に解くことに力点が置かれていたためです、近年のコンピュータ能力の向上と普及、また、コスト縮減、競争力アップに対応した性能照査型の限界状態設計法への移行を見据えると、有限要素法により橋梁全体をそのまま解析することの可能性と要求が増えることが予想されます。

FEM要素分割例

上図はFEM要素分割の一例ですが、FEMによる全体解析が可能となりつつある現状においても、際限なく精緻な要素分割を行うことは現実的ではないため、細部構造の単純化や要素分割の目安をパラメトリックスタディにより検討しています。

ライフサイクルコスト低減へ向けて

－耐候性鋼橋の腐食に及ぼす環境因子の数値シミュレーション－

鋼橋の建設に際して、メンテナンス費用も含めたライフサイクルコスト(LCC)が選定の条件となりつつあり、LCCを押し上げる原因となっている塗装に伴うメンテナンス費用の縮減を可能とする無塗装耐候性鋼材の採用が多くなっています。これは、鋼材表面に生成する緻密な保護性さびにより、鋼材内部への腐食原因物質の侵入が抑制されることにより、時間の経過とともに腐食量は，維持管理上問題とならない範囲に抑えられることを期待しているためです。通常の腐食環境下では、耐候性鋼は緻密なさびにより以降のさびの生成を抑制することが確認され、多くの使用実績があります。しかし、多くの塩分が飛来する環境や適度な乾湿の繰り返しにならない環境では、さびは安定化せず生成し続けることがあります。

そこで、ある時間内にある点を通過する物質の累積量に着目し、数値シミュレーションから得られたこの物質通過累積量と、実測により得られた飛来塩分量、鋼表面の付着塩分量との比較により、橋梁断面周辺の飛来塩分の推定の可能性について検討しています。

飛来温分流の分布

上図は、５本主桁のI桁橋の左側から、塩分を含んだ風が吹いた場合の橋梁断面周辺の飛来塩分量の分布を、風の流れ解析と移流拡散解析を2次元FEM解析により計算した結果を表しています。図中の緑色の領域は入力値と同程度の飛来塩分量、青色の領域は入力値より多く、赤色の領域は入力値より少ないことを表しています

トラスやアーチ部材の補修に有用

－炭素繊維シート(CFRP)を用いた腐食鋼部材の補修技術の確立－

CFRPを接着した鋼桁の曲げ圧縮実験

最近、劣化した構造物の補修や補強に新素材が用いられ始め、そのパフォーマンスの同定に関する研究例が多く見られるようになっています。当研究室では、主にトラスやアーチ部材の腐食補修をターゲットに、CFRPの性能に関する検討を行っています。すでに、いくつかの実験から有用な知見を得ており、設計マニュアルとして整理しました。今後、この手法の一般化に向けた検討を継続予定です。本テーマは数年前から取り組み始めた新しいテーマで、実験による性能の確認を繰り返すとともに、今後は3D FEAによる性状の把握に取り組みたいと考えています。

定量かつ効果的なメンテナンス手法の確立に向けて

－振動計測による社会基盤構造ヘルスモニタリング－

社会基盤構造物に対する従来の維持管理は外観の目視検査が主体であり、検査結果は実施者の主観に大きく依存します。そこで、定量的かつ効率的な維持管理手法の確立が強く求められています。通常、構造部材の損傷や劣化は動特性の変化として現れ、振動計測から客観的かつ定量的なデータとして得られます。そのため、振動計測によるモニタリングが有効であるといえます。

これまで、非接触かつ遠隔的に高精度な振動計測を可能にするレーザードップラー速度計(LDV)を利用したモニタリングを東京大学橋梁(藤野)研究室と共同で進めており、新幹線鋼鉄道橋などの実構造物に対して適用しました。しかし、従来のLDVによる振動計測には、次のような問題点があります。

1. 計測システムが煩雑となること
2. 長距離計測において計測点にレーザーを正確に照射させることが困難になること
3. 計測システムが高価なこと

現在、上記の問題点を克服するために、以下の開発を進めています。

1. ハンディタイプLDVを用いた可搬性に優れる振動計測システム
2. トータルステーションを利用してレーザーの高精度位置決めおよび自動連続計測を可能にするシステム
3. 安価なMEMSセンサーを利用した計測システム

レーザーやMEMSセンサを用いた橋梁のモニタリング

望まれるFEMソフトウェアのさらなる充実

FEMソフトは力学的な知識がなくても、誰でもデータを作成できるように入力方法やツールが開発され、改良されています。しかし、「得られた結果の解釈は力学的な素養がある熟練したスペシャリストでなければ行えない」というジレンマがあるのが実情です。

市販のFEMソフトを使用すると、データの作成方法がソフトにより異なり習熟に時間がかかります。学生は年毎に入れ替わるために、習熟した頃には卒業してしまいます。また、簡単な線形弾性問題を解くために節点数の同じタイプの要素と同じ要素分割を用いると、使用したFEMソフトにより結果が異なるということが多々あります。

それぞれのソフトで操作性や精度の改良が日々行われているためやむを得ないものの、要素の定式化や理論の説明、サンプル計算例などによる要素の精度特性の明示された資料の充実、マニュアルやサンプルデータの充実が望まれます。

教育方針は自立心の育成

学生には、まず研究の背景と目的、社会が今何を求めているか、とりわけ社会とのかかわり、また成果の社会貢献を説明しています。これには私の15年間にわたる企業での経験が役立っています。もちろん基礎的な研究では、必ずしも直接的な社会との関わりを説明できない場合があります。その場合でも、研究レベルとしての位置づけを説明します。つまり、“何のために”を、まず明確にします。

本学は学部の卒業研究がありません。基本的に大学院進学が前提で、かつ、５ヵ月にわたり実務訓練(インターンシップ)に出かけます。研究は修士からで、1年生は基礎勉強や幅広い高度知識の修得および修了単位の修得のための授業を優先させています。そして2年生から本格的に研究活動に参画します。しかしながら、研究室の学生数は4～5名のため、そう多くのテーマには取り組めません。

学生に対しては最初に説明した後サポートはするものの、学生が独自に切り拓いていくことを前提としています。これは、私の恩師から受けた教育方法です。自立心の育成こそが大きな財産になり、後々社会で役立つと思っているからです。

今後は、建設・診断・管理の３つのテーマに沿って技術・手法の確立をめざす

当研究室の建設、診断、管理の3つのテーマに沿って、建設では合成桁の性能照査限界状態設計手法を構築したいと考えています。また、橋構造の強度照査は部材単位で行われていますが、これをシステムとしての強度、各部材の役割を明確にできる評価できるようにしたいと思っています。そのためには、3D FEAの力が欠かせません。さらには、劣化した部材をもつシステムのリダンダンシー評価も行いたいので、3D FEAをベースとした橋の信頼性、性能向上アップが大きなテーマです。これらの研究テーマを推進するにあたり、FEAに多くの実績を有するCTCに期待しています。

今後は、莫大な数の既設橋梁群の健全性を簡易な振動計測モニタリングにより高精度に診断し、メンテナンスに対する合理的な意思決定を支援する構造ヘルスモニタリングフレームワークの構築を目標とします。

具体的には、まず空間的に大規模な既設橋梁の現況性能をLDVおよびMEMSセンサネットワークを利用した高密度な振動計測システムから把握します。次に計測結果に基づき、高精度な健全性診断をシステム同定、構造解析などを行います。また、リアルタイム診断を可能にするデータ通信やデータベースから有益な情報を抽出するためのデータマネージメントシステムについても研究を進めたいと思っています。

これからの構造物にはミニマムメンテナンスが求められています。これを実現するためには初期建設コストだけでなく、維持管理を含めたLCCが少なく、部材の経年劣化を考慮した計画・設計を行う必要があります。このため、鋼橋では無塗装の耐候性鋼橋の採用が増えています。この耐候性鋼橋の経年劣化を左右するのは鋼材の腐食であり、計画・設計段階での腐食環境の把握が重要となります。このことから、腐食環境や腐食量の把握のための環境シミュレーション技術の開発・向上は大きなテーマと考えます。

大学・研究室概要	長岡技術科学大学　環境・建設系　建設構造研究室 http://struct102.nagaokaut.ac.jp/structuralj.html