日交通量 10 万台区間における RC 床版取替工事 九州自動車道 向佐野橋 *1 *2 *3 *4 山本敏彦 今村壮宏 三浦泰博 藤木慶博 九州自動車道の日交通量約 10 万台区間の高速道路橋で, 車線規制をして劣化した RC 床版をプレキャスト PC 床版に取替える工事を実施した この工事では, 工事箇所の制約条件や車線規制期間の短縮等から, の橋軸方向の継手に, エンドバンド継手を採用した また, 使用する材料等の仕様は, コンクリートに高炉スラグ微粉末を混合するなど, 耐久性の向上と環境負荷の低減に配慮した 本稿では, その工事内容を報告する : 鋼鈑桁橋,RC 床版取替え,, エンドバンド継手, 高炉スラグ微粉末 1. はじめに 九州自動車道は, 九州を南北に結ぶ基幹道路であり, 1971 年にまず植木 IC~ 熊本 IC 間が開通している 現在では, その延長の約 70% が供用後 30 年以上経過しており, 橋などの構造物の経年的な劣化も顕在化しはじめている 向佐野橋は, この九州自動車道の最重交通区間である太宰府 IC~ 筑紫野 IC 間に位置し ( ),1975 年に供用を開始した橋である 本橋は, 単径間 RC 中空床版橋,4 径間連続鋼鈑桁橋,2 径間連続 RC 中空床版橋から構成されているが, 特に 4 径間連続鋼鈑桁橋の RC 床版の劣化が著しく, その抜本的な補修対策としてを用いた全面取替工事を実施した 本工事は日交通量約 10 万台の重交通区間で行われる 高速道路 ( 供用後 30 年以上 ) 高速道路 ( 供用後 30 年未満 ) 北九州 福岡 向佐野橋 八幡 IC 太宰府 IC 筑紫野 IC PC 工場 門司 IC 6 車線区間 ことから, 渋滞が生じる車線規制期間を短縮するとともに, 高速道路利用者や周辺環境に配慮した施工方法を採用した さらに, 材料等の仕様は, 耐久性の向上と環境負荷の低減に配慮した 本稿では, の取替方法, 設計概要や使用材料を中心に報告する 2. 向佐野橋の概要と劣化状況向佐野橋は, 大宰府 IC から約 2 5 km に位置する片側 3 車線の橋で, その直下を JR 鹿児島本線が斜め約 17 で交差している ( ) そのため,4 径間連続鋼鈑桁橋の中間支点では, 斜角約 73 で配置された橋脚上の鋼箱形横梁に, 上下線の主桁が剛結されるという特徴のある構造となっている ( ) 本橋は 1975 年に供用を開始したが, その RC 床版は, 供用 10 年後には遊離石灰が確認され,15 年後にはコンクリートの剥離が生じはじめている これらの損傷に対しては,1990 年には下面のエポキシ樹脂による補修を, 1990 年と 1994 年には上面の部分打替えを, さらに, 1995 年には上面増厚を行っている ( ) また, 床版下側には 1994 年に剥落防護ネットを設置したが,1997 佐賀 久留米 IC 九州自動車道 植木 IC 大分 長崎 熊本 熊本 IC *1 / 西日本高速道路 九州支社久留米管理事務所改良課長 *2 / 西日本高速道路 九州支社保全サービス事業部改良グループサブリーダー *3 / オリエンタル白石 福岡支店施工 技術部土木工事チーム現場代理人 *4 / オリエンタル白石 福岡支店施工 技術部土木工事チーム副現場代理人 30 コンクリート工学
向佐野橋 210 050 単径間 RC 中空床版橋 幅員拡幅 19 050 4 径間連続鋼鈑裄橋 RC 床版取替 153 000 18 350 37 500 38 000 38 000 38 500 太宰府 市道 JR 鹿児島本線 大佐野川 2 径間連続中空床版橋 幅員拡幅 38 000 18 470 18 650 筑紫野 A1 P1 P2 P3 P4 P5 P6 A2 F F F DL=20 0 000 15 450 15 450 1 100 32 上り線 R=5 000 0 A=1 800 0 大佐野川 JR 鹿児島本線 下り線 A1 P1 P2 P3 P4 P5 P6 A2 アスファルト舗装 D 19 D 19 (a) 当初断面 220 75 25 アスファルト舗装鋼繊維補強コンクリート 切削 10 増厚 60 (b) 上面増厚後断面 50 210 270 抜本的な補修対策が必要と判断された 1) このような,RC 床版の比較的早期な劣化進行は, 主に以下のような要因によるものと推定された 1) 1) 使用されたコンクリートが, 水セメント比の配合推定値は約 69% であり, コアの圧縮強度は最小で 15 N/mm 2, 透水係数も最大で 1 5 10-2 cm/s と低品質で多孔質である 2) RC 床版は 1972 年道示 (TL 20) に基づいて設計されており, 現状の重交通量に対して疲労耐久性が不足している また, 上面増厚を行っているが, 当初床版との付着強度が低く, 層間剥離により一体性が確保されていない 3) 増厚部と当初床版との剥離により, 層間に滞水が生じてコンクリートを土砂化させる さらに, 凍結防止剤も浸透して塩化物イオン濃度が増加し ( 上縁側鉄筋位置で最大 3 0 kg/m 3 ), 鉄筋腐食を促進させる 3. への取替概要 年にかぶりコンクリートが 3 m 1 m の範囲で落下したため,2000 年に剥落防護用の床鋼板を配置している ( ) しかしながら,2003 年頃から路面のポットホールが多発し路面補修の頻度が急増したため,RC 床版全体の健全性が著しく低下していることが懸念された そこで, 詳細調査を行い, パネル ( 主桁間 横桁間 ) ごとの上下面それぞれの劣化度から健全度を複合評価した結果, 上り線は 88%, 下り線は 37% のパネルが 劣化が大きく, 早急な補修が必要 なランク以上と判定され, RC 床版の抜本的な補修対策としては,1 床版上部の全面打替え,2 剥落防護用の床鋼板を利用した場所打ち合成床版への取替え,3への取替えなどが考えられる また, 施工方法として, 床版全幅を一括で施工する方法と,2 分割して施工する方法とが考えられる 本橋では, これらの案について,LCC や社会的影響度 ( 車線規制期間の渋滞損失 ), 施工性, 維持管理性などを比較した結果, を用いて床版全幅を一括で取替える案を選定した 1) への取替順序を, に示す 取替えでは, まず下り線側に車線幅員を 3 250 m に縮小 Vol. 49, No. 3, 2011. 3 31
した上下各 2 車線を配置し, 上り線側を全幅一括で取替 えた その後, 上り線側に縮小した上下各 2 車線を配置し, 下り線側を全幅一括で取替えた ここで, 既設の RC 床版全幅では, 縮小した車線幅員でも上下各 2 車線 15 450 1 100 15 450 下り線 2 250 3 500+3 750+3 500 750 As 舗装 t=50 9 月 9 日 ~10 月 7 日 (29 日間 ) 上り線 750 3 500+3 750+3 500 2 250 RC 床版 t=270 (a) 取替工事前 ( 片側 3 車線供用 ) 下り線 上り線 500 2 @ 3 250 1 500 2 @ 3 250 500 仮設 PGF 仮設鋼床版 仮設遮音壁トラッククレーン (b) 上り線施工 ( 片側縮小 2 車線供用 ) 仮設遮音壁トラッククレーン 10 月 23 日 ~11 月 21 日 (30 日間 ) 下り線 上り線 500 2 @ 3 250 1 500 2 @ 3 250 500 仮設 PGF を配置できないことから, 上り線施工時には中央分離帯部分に仮設の鋼床版を設けて幅員を拡幅した なお, 車線規制区間の制限速度は 50 km/h とし, 高速道路利用者の安全性を確保するために, 上下線の間には PGF を用いた仮設防護柵を設置した 下り線施工時の片側縮小 2 車線での供用状況を, に示す 上下線の取替えは, それぞれ約 30 日間で行い, 迂回路の施工および撤去を含めて, 夏季混雑期から年末年始混雑期の間に連続して行った への取替えは, に示すように, トラッククレーン 2 台を使用して,P 3 橋脚から両側に向けて行った ここで, トラッククレーンの施工ヤード内への侵入方向は 1 方向であることから, 一般的には, トラッククレーンの 1 台は後尾を架設側に,1 台は車頭を架設側に向けて配置される しかしながら, この区間は片側 3 車線の幅員があり,1 200 kn トラッククレーンは施工ヤード内で反転することが可能であることから, 両トラッククレーンとも, 車両端部からの作業半径が大きくなる後尾を架設側に向けて配置した 取替えでは, 騒音の発生の恐れがある RC 床版の撤去から鋼桁上フランジ上のケレンまでを 8:00~18:00 の間に行った は, 一般道を運搬可能な 21:00 より PC 工場 ( 図 1) から搬出し,24:00 までに架設を完了した その後, スタッドジベルの溶殖と無収縮モルタルの充てんを行い,1 サイクルとした トラッククレーン 1 台当たりの架設枚数は,3 ~ / 日で (c) 下り線施工 ( 片側縮小 2 車線供用 ) 15 730 20 16 250 下り線 上り線 2 555 3 500+3 750+3 500 1 755 1 945 3 500+3 750+3 500 2 555 As 舗装 t=75 t=240 (d) 取替工事後 ( 片側 3 車線供用 ) 施工方向 1 200 kn トラッククレーンポールトレーラ ( 最大 187 kn) 既設 RC 床版 既設 RC 床版撤去 ( 昼間 ) 架設 ( 夜間 ) 施工方向 2 000 kn トラッククレーン ( 最大 187 kn) 既設 RC 床版 上り線施工時 ( 筑紫野側 ) P1 9 日目 8 日目 7 日目 6 日目 P2 P3 P4 P5 5 日目 4 日目 3 日目 2 日目 1 日目 6 枚 2 日目 3 日目 4 日目 5 日目 6 日目 7 日目 8 日目 9 日目 ( 下り線施工時 ) 32 コンクリート工学
330 La=280 279 40 継手内横方向鉄筋 D 19 継手内横方向鉄筋仮配置空間架設中床版 160 55 db=106 98 240 架設済床版 仮配置空間 垂直に降下 25 31 10 30 (a) 標準的なループ継手 D 10 橋軸方向鉄筋 D 19 40 440 15 φ=285 継手内横方向鉄筋 D 19 95 50 95 112 240 40 340 橋軸方向鉄筋 D 19 (b) 向佐野橋で採用したエンドバンド継手 圧着鋼管支圧力 付着力 ある なお, 上り線の筑紫野側の架設では, ポールトレー ラを高速道路脇の側道に入れて橋上から吊上げることで, 高速道路本線へのポールトレーラの出入台数を低減した 4. と継手構造 の橋軸方向の接合方法としては, PC 構造と RC 構造とがある 本橋では, コストが安く将来的に部分取替えも可能な RC 構造とした RC 構造の継手構造としては, 標準的には, (a) に示すループ継手が用いられている この継手構造では, 継手内横方向鉄筋は, 床版の横から挿入するか, 鋼桁位置の鉄筋曲げ半径を小さくして設けた空間から挿入することになる しかしながら, 本橋は JR と交差しており, 周辺の住宅に配慮して工事中は仮設の遮音壁も設置していることから ( 図 4), 床版の横から継手内横方向鉄筋を挿入することができない また, 鋼桁位置に設けた空 間からの挿入も, 継手内横方向鉄筋を湾曲させながらの挿入となるので, 挿入が困難で騒音を伴う恐れもある そこで, 本橋では, 継手構造として (b) に示すエンドバンド継手を採用した 2) この継手構造は, 端部にエンドバンド ( 鋼管 ) を圧着した鉄筋を使用し, エンドバンドの支圧抵抗力と鉄筋の付着力との複合作用により定着することで, 重ね継手 ( 継手長 30 φ) に比べて継手長を 15 φ まで短くすることができる に, エンドバンド継手を示す エンドバンド継手での継手内横方向鉄筋の挿入方法を, に示す 継手内横方向鉄筋は, プレキャスト PC 床版の架設時に, あらかじめ上縁側鉄筋の下の仮配置空間に挿入しておくことで配置が可能である この仮配置空間のある断面形状は, 様々な形状の目地部に対して載荷実験した結果の中で, ひび割れ幅が最も抑制された形状でもある 架設時の継手内横方向鉄筋の挿入状況を, に示す なお, エンドバンド継手の採用にあたっては, ループ継手に対して実施された輪荷重走行疲労試験と同一条件での試験を実施し, その疲労耐久性が同等であることを確認した 3) の配置は, 主桁軸線に直角方向に配置する場合と, 斜角方向に配置する場合とがある 本橋では, 以下の点から斜角方向に配置した 1) RC 床版の主鉄筋が斜角方向に配置されていることから, トラッククレーンやポールトレーラに対する床版耐荷力を確保するため, 床版撤去時の切断方向を主鉄筋方向と一致させる Vol. 49, No. 3, 2011. 3 33
16 771 16 577 16 730 16 536 16 691 16 498 16 483 16 676 1 925 1 840 37 500 1 840 38 000 1 755 1 795 1 840 38 000 1 795 1 755 P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 930 1 38 500 1 965 間詰め 場所打ち部 橋軸方向鉄筋 D 16 版幅 1 840(1 930) 最大 2 375(2 457) 橋軸方向鉄筋 D 19 版幅 1 795 最大 2 428 橋軸方向鉄筋 D 22 版幅 1 755 最大 2 467 寸法は版直角方向の値 ( ) 内は P 4-P 5 径間の値 2) 車線規制期間を短縮するために, 端部場所打ち床版部を極力少なくする また, 連続桁の中間支点部においては, 曲げモーメントの最大点は支点位置となるため, 弱点部となるの間詰め部を支点位置に設けないのが一般的である しかしながら, 本橋のように主桁が箱形横梁に剛結された構造では, 横梁と主桁との接合部のせん断変形の不連続性により付加的な曲げ応力が床版に生じて, 支点位置よりも応力度が大きくなることから, 弱点部となる間詰め部が, 横梁と主桁との接合位置上にならないようにを配置した の橋軸方向の鉄筋は, 中間支点付近のひび割れを抑制するために, 床版としての作用と不完全合成桁としての合成作用とを組合せた鉄筋応力度が 140 N/mm 2 以下となるように配置した ここで, 不完全合成桁としての合成作用は, 配置されたスタッドジベルのフレキシビリティ定数が約 2 であることから, 完全合成の場合の 60% とした 4) の配置を, に示す の幅は, 運搬時の制約から, エンドバンド鉄筋の両端間の版直角方向の寸法が 2 5 m 以下となるように設定した 5. 耐久性向上と環境負荷低減 本橋は海岸から 14 km の内陸部に位置するが, この 区間の凍結防止剤の散布量が年間 16 t/km に及ぶことから 1), 塩化物イオンの浸透を抑制するために, 使用するすべてのコンクリートにセメントの 50% を高炉スラグ微粉末 6 000 に置換したコンクリートを使用した 使用したコンクリートの配合を, に示す に使用するコンクリートは, 工場での製作工程から材齢 15 時間で緊張強度 35 N/mm 2 を確保するために, 水結合材比を 33 7% とした また, 場所打ち部に使用するコンクリートは, 車線規制期間の短縮から材齢 2 日での発現強度が 30 N/mm 2 以上となるように, 水結合材比を 35 0% とした セメント単味配合の場合と, 高炉スラグ微粉末 6 000 で 50% 置換した場合について, 電気泳動法試験から得られた見掛けの塩化物イオン拡散係数を に示す 図中には, コンクリート標準示方書および道路橋示方書で想定している水結合材比と見掛けの拡散係数との関係を付記する 高炉スラグ微粉末を混合した配合に対して得られた見掛けの拡散係数は, セメント単味の配合に対して得られた見掛けの拡散係数に比べて,1/10 程度の値となっている 5) また, 高炉スラグ微粉末の混合は, 耐久性を向上させるとともに, 環境負荷の低減にも寄与する 高炉スラグ微粉末は鉄鋼製造での副生品であり,CO 2 排出量の原単位はセメントの 1/30 程度である 6) したがって, セメントの 50% を高炉スラグ微粉末に置換することで, コンクリート製造に伴う CO 2 排出量は約 43% 低減され, 本 部位 呼び強度スランプ W/B 空気量単位量 (kg/m 3 ) (N/mm 2 ) (cm) (%) (%) セメント微粉末水粗骨材細骨材膨張材混和材繊維 50 12 0±2 5 33 7 4 5±1 5 230 230 155 1 051 726-3 67 4 55 間詰め 場所打ち床版 50 20 0±2 0 35 0 4 5±1 5 226 226 165 937 766 20 4 25 4 55 地覆 壁高欄 50 23 0±2 0 35 0 4 5±1 5 226 226 165 937 766 20 4 25-34 コンクリート工学
見掛けの拡散係数 (cm 2 / 年 ) 10 00 1 00 0 10 電気泳動法 (C+BF ) 電気泳動法 (C 単味 ) 道示想定値コ標準 ( 通 ) コ標準 ( 高炉 ) =15 75-1 6( /W) log =-3 9(W/ ) 2 +7 2(W/ )-2 5 0 01 20 25 30 35 40 45 50 水結合材比 比重 0 91 繊維長 30 mm 繊維径 1 0 mm 引張強度 500 N/mm 2 ヤング係数 1 000 N/mm 2 融点 160~170 工事で使用するコンクリート総量約 1 700 m 3 に対しては, 約 240 t CO 2 削減することになる なお, の製造においては, 蒸気養生に替えて断熱養生シートを用いた促進養生を用いている 7) これより,CO 2 排出量は蒸気養生に比べて約 89% 低減され, 約 31 t CO 2 削減することになる 本橋は JR や市道と交差していることから, 床版が将来的に劣化した場合を想定して, コンクリート片の剥落防止対策を行った 剥落防止対策としては, 対策コストおよびの製造サイクルに与える影響を考慮して, コンクリートへのポリプロピレン繊維の混入とした 混入したポリプロピレン繊維を に, その特性を に示す 混入量は, 剥落防止に必要な繊維本数 20 万本 /m 3 を確保できるように 0 5 vol% とした なお, 地覆 壁高欄のコンクリートについては, 脱枠工程を省略するために外側面に FRP 埋設型枠を設置していることから, 剥落防止用の繊維は混入していない 床版の端部は, 伸縮装置を通過した後の車両からの衝撃力によりひび割れが生じやすい そこで, 端部場所打ち部は, 耐久性の高い PC 構造とした ここで,PC 鋼材はグラウトの充てんが確実なプレグラウト PC 鋼材としたが,PC 鋼材緊張後に短期間で供用することから, エポキシ樹脂系プレグラウト PC 鋼材に比べてグラウト材の強度発現が早いセメント系プレグラウト PC 鋼材 ( ) を使用した 8) なお, セメント系のプレグラウト材は, 無機系の材料 であるので環境にも優しい さらに,PC 鋼材表面に不動態被膜を形成するので, 耐久性にも優れている 6. おわりに 本工事は 2010 年 11 月 21 日に下り線の施工を完了し, 迂回路を撤去した後, 車線規制に用いた仮設 PGF を転用して, 盛土部の中央分離帯の施工を行っている 本工事での施工方法や各種の仕様が, 今後の RC 床版取替工事の参考になることを期待するものである 最後に, 本工事にあたって多大なご支援を頂いた関係各位に, 心より感謝の意を表します 1) 高速道路技術センター : 重交通区間における鋼橋床版の補修に関する技術検討報告書 ( その 2),2008. 3 2) 阿部浩幸 澤田浩昭 大谷悟司 原健悟 : 新しい RC 接合構造を用いたに関する研究, プレストレストコンクリート,Vol.50,No.1,pp.45~53,2008. 1 3) 原健悟 福永靖雄 今村壮宏 三浦泰博 : エンドバンド継手を有するの輪荷重走行疲労試験, 第 19 回プレストレストコンクリートの発展に関するシンポジウム論文集, pp.61~64,2010. 10 4) 中井博 : プレキャスト床版合成桁橋の設計 施工, 森北出版, 1988. 5 5) 福永靖雄 石塚純 田中正裕 吉村徹 : 高炉スラグ微粉末を用いた沖縄自動車道 億首川橋におけるリニューアル工事, コンクリート工学,Vol.47,No.2,pp.53~59,2009. 2 6) 土木学会 : コンクリート構造物の環境性能照査指針 ( 試案 ), コンクリートライブラリー 125,2005. 11 7) 呉承寧 佐橋裕隆 堀博 吉野博 : 断熱養生工法におけるコンクリートの配合設計法およびその実施事例, プレストレストコンクリート,Vol.46,No.3,pp.56~60,2004. 5 8) 呉承寧 石橋忠良 白濱昭二 広瀬晴次 : 超遅延性を有する PC グラウトのプレグラウト工法への応用, 第 13 回プレストレストコンクリートの発展に関するシンポジウム論文集,pp.571~576, 2004. 10 Vol. 49, No. 3, 2011. 3 35