特開 2015-124553 鋼構造物の補修補強方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2015-124553(P2015-124553A)

(43)【公開日】2015年7月6日

(54)【発明の名称】鋼構造物の補修補強方法

(51)【国際特許分類】

   E04G 23/02 20060101AFI20150609BHJP

   E01D 22/00 20060101ALI20150609BHJP

   E01D 1/00 20060101ALI20150609BHJP

【ＦＩ】

   E04G23/02 F

   E01D22/00 B

   E01D1/00 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】30

(21)【出願番号】特願2013-270579(P2013-270579)

(22)【出願日】2013年12月26日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 発行日：平成２５年７月、刊行物：「設計要領 第二集 橋梁保全編」（第８版）の２章鋼構造物の頁（２−２７）〜（２−３３）、編著：東日本高速道路株式会社、中日本高速道路株式会社、西日本高速道路株式会社、発行：（株）高速道路総合技術研究所 発行日：平成２５年１０月、刊行物：「炭素繊維シートによる鋼構造物の補修・補強工法設計・施工マニュアル」（初版）第１〜２９頁、第６４〜６８頁、第７６、第７７頁、編著：（株）高速道路総合技術研究所 道路研究部橋梁研究室、発行：（株）高速道路総合技術研究所

(71)【出願人】

【識別番号】304021288

【氏名又は名称】国立大学法人長岡技術科学大学

(71)【出願人】

【識別番号】505398941

【氏名又は名称】東日本高速道路株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】505398952

【氏名又は名称】中日本高速道路株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】505398963

【氏名又は名称】西日本高速道路株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】507194017

【氏名又は名称】株式会社高速道路総合技術研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】306032316

【氏名又は名称】新日鉄住金マテリアルズ株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000001096

【氏名又は名称】倉敷紡績株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100075638

【弁理士】

【氏名又は名称】倉橋 暎

(74)【代理人】

【識別番号】100169155

【弁理士】

【氏名又は名称】倉橋 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】宮下 剛

(72)【発明者】

【氏名】長井 正嗣

(72)【発明者】

【氏名】奥山 雄介

(72)【発明者】

【氏名】青木 圭一

(72)【発明者】

【氏名】若林 大

(72)【発明者】

【氏名】大垣 賀津雄

(72)【発明者】

【氏名】小出 宜央

(72)【発明者】

【氏名】小林 朗

(72)【発明者】

【氏名】小森 篤也

(72)【発明者】

【氏名】秀熊 佑哉

(72)【発明者】

【氏名】堀本 歴

【テーマコード（参考）】

2D059

2E176

【Ｆターム（参考）】

2D059AA07

2D059AA08

2D059GG02

2D059GG40

2E176AA07

2E176BB29

(57)【要約】      （修正有）

【課題】高伸度弾性パテ材を介して繊維シートを接着し、高応力時や座屈変形時においても繊維シートの剥離を防止でき、繊維シートから鋼部材への荷重伝達効率が低減しない鋼構造物の補修補強方法を提供する。
【解決手段】（ａ）鋼部材１０における施工対象部分に対して下地処理する工程と、（ｂ）下地処理された鋼部材１０の表面に高伸度弾性パテ材であるポリウレア樹脂パテ材３０Ａによりパテ層（弾性層）３０を形成する工程と、（ｃ）パテ層の上に、複数（ｎ）層の繊維シート１ａを樹脂で接着して積層し、複数層の繊維強化樹脂層２０（２０−１、２０−２、・・・２０−ｎ）を形成する工程において、繊維シートの積層数（ｎ）は、下記式（１）を満足するように決定される。

【選択図】図１４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

鋼構造物における軸方向力及び／又は曲げによる垂直応力を受ける鋼部材に、強化繊維を含む繊維シートを樹脂で接着して前記鋼部材を補修補強する鋼構造物の補修補強方法であって、
（ａ）前記鋼部材における施工対象部分に対して下地処理する工程と、
（ｂ）前記下地処理された前記鋼部材の表面にポリウレア樹脂パテ材によりパテ層を形成する工程と、
（ｃ）前記パテ層の上に、複数（ｎ）層の前記繊維シートを樹脂で接着して積層し、複数層の繊維強化樹脂層を形成する工程と、
を有する鋼構造物の補修補強方法において、
前記繊維シートの積層数（ｎ）は、下記式（１）、

【数1】

を満足するように決定されることを特徴とする鋼構造物の補修補強方法。

【請求項2】

前記複数層の繊維シートは、前記鋼部材表面側の１層目から最外層のｎ層目へと繊維方向長さが短くなるようにし、前記繊維シートの繊維方向の端部を所定量づつ階段状にずらして接着することを特徴とする請求項１に記載の鋼構造物の補修補強方法。

【請求項3】

前記最外層のｎ層目の繊維シートの繊維方向長さは、前記鋼部材の施工対象部分における欠損範囲より定着長だけ長くされることを特徴とする請求項２に記載の鋼構造物の補修補強方法。

【請求項4】

前記繊維シートの前記定着長及びずらし量は、前記繊維シートの引張剛性が大きくなると大きくすることを特徴とする請求項３に記載の鋼構造物の補修補強方法。

【請求項5】

前記応力低減係数の値は、前記繊維シートの積層数が大きくなると小さくし、前記繊維シートの積層数が所定数に達すると一定値に設定することを特徴とする請求項４に記載の鋼構造物の補修補強方法。

【請求項6】

前記応力低減係数の値が一定値となる前記繊維シートの積層数は、前記繊維シートの定着長及びずらし量が大となると小さくすることを特徴とする請求項５に記載の鋼構造物の補修補強方法。

【請求項7】

前記鋼部材の施工対象部分に接着される複数層の繊維シートは、前記繊維シートの繊維方向において、前記施工対象部分の第１の領域に接着して第１の繊維強化樹脂層を形成する第１の複数層の繊維シートと、前記施工対象部分の第２の領域に接着して第２の繊維強化樹脂層を形成する第２の複数層の繊維シートと、にて形成され、前記第１及び第２の繊維強化樹脂層の重なり合った領域では前記第１の繊維強化樹脂層と前記第２の繊維強化樹脂層とを重ねて接着することを特徴とする請求項１〜６のいずれかの項に記載の鋼構造物の補修補強方法。

【請求項8】

前記鋼部材の施工対象部分に形成された段差部においては、前記段差部を除く施工対象部分に複数層の繊維シートを接着して第１の繊維強化樹脂層を形成し、前記段差部を含む施工対象部分に複数層の繊維シートを接着して第２の繊維強化樹脂層を形成し、前記第１及び第２の繊維強化樹脂層の重なり合った領域で前記第２の繊維強化樹脂層を前記第１の繊維強化樹脂層の上に重ねて接着することを特徴とする請求項１〜６のいずれかの項に記載の鋼構造物の補修補強方法。

【請求項9】

前記繊維シートは、少なくとも、シート軸方向へと一方向に引き揃えた強化繊維を含む強化繊維を互いに線材固定材にて固定した繊維シートであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかの項に記載の鋼構造物の補修補強方法。

【請求項10】

前記繊維シートは、強化繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、線材を互いに線材固定材にて固定した繊維シートであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかの項に記載の鋼構造物の補修補強方法。

【請求項11】

前記繊維シートは、強化繊維を一方向に引き揃えた強化繊維シートに樹脂を含浸して、前記樹脂が硬化された樹脂含浸硬化繊維シートか、又は、一方向に引き揃えた強化繊維束に樹脂を含浸して、前記樹脂が硬化された樹脂含浸硬化繊維シートを、少なくとも１層含む繊維シートであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかの項に記載の鋼構造物の補修補強方法。

【請求項12】

前記繊維シートの強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維などの無機繊維；ボロン繊維、チタン繊維、スチール繊維などの金属繊維；アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維；が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかの項に記載の鋼構造物の補修補強方法。

【請求項13】

前記接着剤は、常温硬化型若しくは熱硬化型のエポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、アクリル樹脂、ＭＭＡ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、又は、光硬化型樹脂であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかの項に記載の鋼構造物の補修補強方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般には、連続した強化繊維を含むシート状の強化繊維含有材料（以下、「繊維シート」という。）を使用した例えば橋、桟橋、煙突等、更には、船、車両、航空機等の鋼構造物の補修補強方法に関するものである。詳しくは、本発明は、鋼構造物にて軸方向力及び曲げによる垂直応力を受ける鋼部材の補修補強方法に関するものであり、特に、腐食減肉した鋼部材を補修又は補強する鋼構造物の補修補強方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

例えば鋼橋などの鋼構造物は、雨水や海からの飛来塩分、路面に散布される凍結防止剤の飛散などの影響により、供用と共に腐食が進み鋼部材が減肉してくる。

【0003】

鋼橋の大部分はＩ桁や箱桁の鈑桁構造であり、桁端部における漏水や、通気や水はけの悪さなどの影響によりフランジの腐食のみならず、腹板の腐食損傷が数多く発生する。

【0004】

従来、このような場合の対策としては、鋼材を用いた部材取替えや当て板が一般的であったが、補修範囲が局部的であっても一定の架設機材や専門技術者が必要となり、補修費が著しく割高となっている。

【0005】

特許文献１は、本願添付の図２１に示すように、鋼構造物（鋼材）１００の表面にポリウレア樹脂パテ剤を塗布して硬化させた弾性層１０４を形成し、該弾性層１０４が形成された鋼構造物１００の表面に強化繊維ｆを含む繊維シート１を接着剤１０５により接着して繊維シート層（繊維強化樹脂層）１０６を形成する鋼構造物の補強構造体２００及び補修補強方法を開示している。

【0006】

また、特許文献２は、本願添付の図２２（ａ）、（ｂ）に示すように、鋼橋１００の鋼部材であって、腹板１１と、フランジ１２、１３と、補剛材１４とを有した鋼桁１０において、腹板１１に繊維強化樹脂層２０を設置するに際して、鋼桁腹板１１と繊維強化樹脂層２０との間にポリウレア系樹脂とされるパテ層３０を設け、それにより、鋼桁腹板１０の終局耐荷力を回復増強するものである。即ち、斯かる特許文献２に記載の発明は、特に、鋼部材１０に繊維強化樹脂層２０を剥離しないように貼り付け、せん断力を受ける鋼部材、即ち、鋼桁１０の腹板１１の座屈耐荷力を向上させんとするものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】国際公開番号ＷＯ２０１２／０２９９６６号公報

【特許文献2】特開２０１２−５２２９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

一方、例えば鋼橋などの鋼構造物は、鋼部材として、鋼桁橋の主桁、横桁、縦桁のフランジ等の曲げによる垂直応力を受ける部材、鋼桁橋の対傾構、横構、トラス橋の弦材、アーチリブ等の軸方向力を受ける部材を有している。

【0009】

本発明者らは、これら軸方向力及び曲げによる垂直応力を受ける鋼部材に対して上記特許文献１、２に記載の技術を適用することにより、鋼部材の補修補強を有効に達成することができるが、次のような問題があることが分かった。

【0010】

つまり、本発明者らの研究実験の結果によると、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）を接着した鋼部材は、ＦＲＰの積層数に応じた応力改善効果が得られ、また、高伸度弾性パテ材であるポリウレア樹脂パテ材を介してＦＲＰを接着することにより高応力時や座屈変形時においてもＦＲＰの剥離が確実に防止できるが、一方、ＦＲＰから鋼部材への荷重伝達効率が低減することが分かった。そのため、鋼部材の応力度改善を図る場合に、ＦＲＰ接着後の断面を鋼とＦＲＰとの完全合成断面として評価すると、補修補強量がやや不足することとなる。

【0011】

そこで、本発明者らは、このことを考慮して荷重伝達効率の低下の影響は、応力低減係数Ｃｎを繊維シートの鋼換算断面積に乗じることにより評価し得ることを見出した。応力低減係数Ｃｎについては、後で詳しく説明する。

【0012】

本発明は、斯かる本発明者らの新規な知見に基づきなされたものである。

【0013】

本発明の目的は、高伸度弾性パテ材を介して繊維シートを接着することにより、高応力時や座屈変形時においても繊維シートの剥離を確実に防止することができ、且つ、繊維シートから鋼部材への荷重伝達効率が低減することのない鋼構造物の補修補強方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記目的は本発明に係る鋼構造物の補修補強方法にて達成される。要約すれば、本発明は、鋼構造物における軸方向力及び／又は曲げによる垂直応力を受ける鋼部材に、強化繊維を含む繊維シートを樹脂で接着して前記鋼部材を補修補強する鋼構造物の補修補強方法であって、
（ａ）前記鋼部材における施工対象部分に対して下地処理する工程と、
（ｂ）前記下地処理された前記鋼部材の表面にポリウレア樹脂パテ材によりパテ層を形成する工程と、
（ｃ）前記パテ層の上に、複数（ｎ）層の前記繊維シートを樹脂で接着して積層し、複数層の繊維強化樹脂層を形成する工程と、
を有する鋼構造物の補修補強方法において、
前記繊維シートの積層数（ｎ）は、下記式（１）を満足するように決定されることを特徴とする鋼構造物の補修補強方法である。

【0015】

【数1】

【0016】

本発明の一実施態様によれば、前記複数層の繊維シートは、前記鋼部材表面側の１層目から最外層のｎ層目へと繊維方向長さが短くなるようにし、前記繊維シートの繊維方向の端部を所定量づつ階段状にずらして接着する。

【0017】

本発明の他の実施態様によると、前記最外層のｎ層目の繊維シートの繊維方向長さは、前記鋼部材の施工対象部分における欠損範囲より定着長だけ長くされる。

【0018】

本発明の他の実施態様によると、前記繊維シートの前記定着長及びずらし量は、前記繊維シートの引張剛性が大きくなると大きくする。

【0019】

本発明の他の実施態様によると、前記応力低減係数の値は、前記繊維シートの積層数が大きくなると小さくし、前記繊維シートの積層数が所定数に達すると一定値に設定する。

【0020】

本発明の他の実施態様によると、前記応力低減係数の値が一定値となる前記繊維シートの積層数は、前記繊維シートの定着長及びずらし量が大となると小さくする。

【0021】

本発明の他の実施態様によると、前記鋼部材の施工対象部分に接着される複数層の繊維シートは、前記繊維シートの繊維方向において、前記施工対象部分の第１の領域に接着して第１の繊維強化樹脂層を形成する第１の複数層の繊維シートと、前記施工対象部分の第２の領域に接着して第２の繊維強化樹脂層を形成する第２の複数層の繊維シートと、にて形成され、前記第１及び第２の繊維強化樹脂層の重なり合った領域では前記第１の繊維強化樹脂層と前記第２の繊維強化樹脂層とを重ねて接着する。

【0022】

本発明の他の実施態様によると、前記鋼部材の施工対象部分に形成された段差部においては、前記段差部を除く施工対象部分に複数層の繊維シートを接着して第１の繊維強化樹脂層を形成し、前記段差部を含む施工対象部分に複数層の繊維シートを接着して第２の繊維強化樹脂層を形成し、前記第１及び第２の繊維強化樹脂層の重なり合った領域で前記第２の繊維強化樹脂層を前記第１の繊維強化樹脂層の上に重ねて接着する。

【0023】

本発明の他の実施態様によると、前記繊維シートは、
（１）少なくとも、シート軸方向へと一方向に引き揃えた強化繊維を含む強化繊維を互いに線材固定材にて固定した繊維シートであるか、
（２）強化繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、線材を互いに線材固定材にて固定した繊維シートであるか、又は、
（３）強化繊維を一方向に引き揃えた強化繊維シートに樹脂を含浸して、前記樹脂が硬化された樹脂含浸硬化繊維シートか、又は、一方向に引き揃えた強化繊維束に樹脂を含浸して、前記樹脂が硬化された樹脂含浸硬化繊維シートを、少なくとも１層含む繊維シートである。

【0024】

本発明の他の実施態様によると、前記繊維シートの強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維などの無機繊維；ボロン繊維、チタン繊維、スチール繊維などの金属繊維；アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維；が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用する。

【0025】

本発明の他の実施態様によると、前記接着剤は、常温硬化型若しくは熱硬化型のエポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、アクリル樹脂、ＭＭＡ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、又は、光硬化型樹脂である。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、高伸度弾性パテ材であるポリウレア樹脂パテ材を介して繊維シートを接着することにより、高応力時や座屈変形時においても繊維シートの剥離を確実に防止することができ、しかも、繊維シートから鋼部材への荷重伝達効率が低減することがない。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】図１（ａ）、（ｂ）は鋼部材の具体例を示すもので、図１（ａ）は鋼桁（鋼Ｉ桁）の斜視図であり、図１（ｂ）はトラス部材（箱桁）の斜視図である。

【図2】図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明に従った補修補強態様の具体例を説明する図である。

【図3】図３（ａ）、（ｂ）は、本発明に従った鋼部材の補強構造の一例を説明する図であり、図３（ａ）は鋼部材の正面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図4】図４は、本発明の鋼構造物の補修補強方法に使用し得る繊維シートの一実施例を示す図である。

【図5】図５は、本発明の鋼構造物の補修補強方法に使用し得る繊維シートの他の実施例を示す図である。

【図6】図６は、本発明の鋼構造物の補修補強方法に使用し得る繊維シートの他の実施例を示す斜視図である。

【図7】図７（ａ）、（ｂ）は、本発明の鋼構造物の補修補強方法に使用し得る繊維シートを構成する繊維強化プラスチック線材の断面図である。

【図8】図８（ａ）、（ｂ）は、本発明の鋼構造物の補修補強方法に使用し得る繊維シートの他の実施例を示す斜視図である。

【図9】図９は、本発明の鋼構造物の補修補強方法の一実施例を説明する工程図である。

【図10】図１０は、ＣＦＲＰ接着鋼板の応力−ひずみ曲線図である。

【図11】図１１は、ＣＦＲＰ接着鋼板の応力−ひずみ関係を検討するための検討モデルの図である。

【図12】図１２は、ＣＦＲＰ接着鋼板の応力−ひずみ関係を説明する図である。

【図13】図１３は、応力低減係数ＣｎとＣＦＲＰ積層数ｎの関係を説明する図である。

【図14】図１４は、本発明の鋼構造物の補修補強方法におけるＣＦＲＰの定着長とずらし量を説明する図である。

【図15】図１５は、ストランド型炭素繊維シートを用いた場合の定着長とずらし量を説明する図である。

【図16】図１６は、炭素繊維シートを重ね継手にて接続する態様の一実施例を説明する断面図である。

【図17】図１７は、添接板近傍におけるＣＦＲＰの接続態様の一実施例を説明する断面図である。

【図18】図１８（ａ）、（ｂ）は局部的な凹凸を避けたＣＦＲＰの貼付例を示す図であり、図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、それぞれ、平面図及び断面図である。

【図19】図１９（ａ）及び図１９（ｂ）は、それぞれ、炭素繊維シート接着幅と部材角部との関係を示す箱桁及び鋼Ｉ桁の断面図である。

【図20】図２０は、本発明に従った補修補強方法にて、積層するＣＦＲＰの積層数を調整する方法を説明する箱桁の断面図である。

【図21】図２１は、従来の鋼構造物の補修補強方法を説明する補強構造体の断面図である。

【図22】図２２（ａ）及び図２２（ｂ）は、それぞれ、従来の鋼構造物の補修補強方法を説明する鋼橋の鋼桁端部の正面図及び断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、本発明に係る鋼構造物の補修補強方法を図面に則して更に詳しく説明する。

【0029】

実施例１
本発明によれば、鋼構造物にて軸方向力及び曲げによる垂直応力を受ける鋼部材の補修補強を行うことができる。例えば、軸方向力及び曲げによる垂直応力を受ける鋼部材としては、図１（ａ）、（ｂ）に示すような、鋼橋に使用される鋼桁（鋼Ｉ桁）やトラス部材（箱桁）などとされる。図１（ａ）に示すように、鋼桁１０は、上フランジ１２と下フランジ１３を備えた腹板１１、及び上フランジ１２と下フランジ１３の間に設置された垂直補剛材１４で形成される。また、トラス部材１０は、図１（ｂ）に示すように、４枚の鋼板１５（１５ａ〜１５ｄ）を接合することにより形成される。

【0030】

例えば、鋼桁１０は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、下フランジ１３の上面或いは下面に対して補修補強をなすことができ、トラス部材１０は、図２（ｃ）に示すように、上下左右の鋼板１５（１５ａ〜１５ｄ）に対して補修補強をなすことができる。

【0031】

なお、本発明による補修補強の対象物（被補強物）を上記のような鋼構造物及び鋼部材に限定するものではなく、本発明は、軸方向力及び曲げによる垂直応力を受ける鋼部材に対し有効に適用し得る。

【0032】

図３に、本発明に従って鋼桁１０の下フランジ１３に生じた欠損部４０を補修補強した補修補強構造体５０の一例を示す。この例に示すように、腐食により減肉した鋼桁１０の下フランジ１３は、下地処理した後高伸度弾性パテ材３０Ａを塗布し、その後、このパテ層（弾性層）３０に対して、連続した強化繊維を含むシート状の強化繊維含有材料、即ち、繊維シート１（例えば、後述の図４に示す繊維シート１Ａ）を１層以上樹脂で接着して形成された複数層の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）層２０（２０−１、２０−２、・・・・２０−ｎ）にて補修補強され、必要に応じて、最外層に保護層６０が設置された構成とされる。

【0033】

本発明の鋼構造物の補修補強方法の特徴は、
鋼構造物における軸方向力及び／又は曲げによる垂直応力を受ける鋼部材１０に、強化繊維ｆを含む繊維シート１を樹脂で接着して鋼部材１０を補修補強する鋼構造物の補修補強方法であって、
（ａ）鋼部材１０における施工対象部分に対して下地処理する工程と、
（ｂ）下地処理された鋼部材１０の表面に高伸度弾性パテ材であるポリウレア樹脂パテ材３０Ａによりパテ層（弾性層）３０を形成する工程と、
（ｃ）パテ層３０の上に、複数（ｎ）層の繊維シート１を樹脂で接着して積層し、複数層の繊維強化樹脂層２０（２０−１、２０−２、・・・・・２０−ｎ）を形成する工程と、
を有する鋼構造物の補修補強方法において、
繊維シート１の積層数（ｎ）は、下記式（２）を満足するように決定される。

【0034】

【数2】

【0035】

つまり、本発明によれば、鋼部材１０にポリウレア樹脂パテ材３０Ａ（パテ層３０）を介して繊維シート１を接着する鋼構造物の補修補強方法において、積層される繊維シート１の必要断面積を決定することができる。このとき、積層される繊維シート１の必要断面積を決定するに際して、応力低減係数Ｃｎを導入することにより、ポリウレア樹脂パテ材３０Ａ（パテ層３０）を挿入したことによる補強効果の損失を補うように考慮される。

【0036】

また、本発明では、複数層の繊維シート１は、鋼部材表面側の１層目から最外層のｎ層目へと繊維方向長さＬｓが短くなるようにし、繊維シート１の繊維方向の端部を所定量Ｌｍづつ階段状にずらして接着する。また、最外層のｎ層目の繊維シート１の繊維方向長さは、鋼部材の施工対象部分における欠損部４０の欠損範囲（Ｌｓｌ）より定着長Ｌｆだけ長くされる。詳しくは、実施例に即して後述する。

【0037】

次に、本発明にて使用する各材料について説明する。

【0038】

（繊維シート）
本発明においては種々の形態の繊維シート１を使用することができる。繊維シート１の実施例を具体的に具体例１〜３として説明するが、本発明で使用する繊維シート１の形態は、これら具体例に示すものに限定されるものではない。

【0039】

具体例１
図４に、本発明にて使用することのできる繊維シート１の一実施例を示す。本実施例にて、繊維シート１は、連続した強化繊維ｆを一方向に引き揃えてシート状に構成される樹脂未含浸の繊維シート１Ａとされる。

【0040】

即ち、繊維シート１Ａは、一方向に引き揃えた連続した強化繊維ｆから成る強化繊維シートをメッシュ状の支持体シートなどとされる線材固定材３にて保持した構成とすることができる。例えば、強化繊維ｆとして炭素繊維を使用した場合には、例えば平均径７μｍの単繊維（炭素繊維モノフィラメント）ｆを６０００〜２４０００本収束した樹脂未含浸の単繊維束を複数本、一方向に平行に引き揃えて使用される。炭素繊維シート１Ａの繊維目付は、通常、３０〜１０００ｇ／ｍ²とされる。

【0041】

線材固定材３としてのメッシュ状の支持体シートを構成する縦糸４及び横糸５の表面に低融点タイプの熱可塑性樹脂を予め含浸させておき、メッシュ状支持体シート３をシート状に配列した炭素繊維の片面或いは両面に積層して加熱加圧し、メッシュ状支持体シート３の縦糸４及び横糸５の部分を炭素繊維シートに溶着する。

【0042】

メッシュ状支持体シート３は、２軸構成のほかに、ガラス繊維を３軸に配向して形成したり、或いは、ガラス繊維を一方向に配列された炭素繊維に対して直交する横糸５のみを配置した、所謂、１軸に配向して形成して前記シート状に引き揃えた炭素繊維に接着することもできる。

【0043】

又、上記線材固定材３の糸条としては、例えばガラス繊維を芯部に有し、低融点の熱融着性ポリエステルをその周囲に配したような二重構造の複合繊維も又好ましく用いられる。

【0044】

上記説明では、繊維シート１における強化繊維ｆはシート軸方向へと一方向に引き揃えられるものとして説明したが、強化繊維が二方向に配向された繊維シートであっても良く、また、二方向織物などであっても良い。ただ、繊維シート１は、少なくともシート軸方向に引き揃えられた強化繊維を含むものとされる。

【0045】

具体例２
また、繊維シート１は、図５に示すように、複数の強化繊維ｆを一方向に引き揃えた強化繊維シート、例えば、図４に示すような繊維シート１Ａに樹脂Ｒｅを含浸し、前記樹脂が硬化された繊維シート（所謂、ＦＲＰ板）１Ｂとすることもできる。

【0046】

上記具体例１、２で説明した繊維シート１Ａ、１Ｂにおいて、強化繊維ｆとしては、炭素繊維に限定されるものではなく、炭素繊維の他にガラス繊維、バサルト繊維などの無機繊維；ボロン繊維、チタン繊維、スチール繊維などの金属繊維；更には、アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維；が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用することができる。

【0047】

また、具体例２における繊維シート１Ｂの場合の樹脂Ｒｅとしては、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を使用することができ、熱硬化性樹脂としては、常温硬化型若しくは熱硬化型のエポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ビニルエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、又はフェノール樹脂などが好適に使用され、又、熱可塑性樹脂としては、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用可能である。又、樹脂含浸量は、３０〜７０重量％、好ましくは、４０〜６０重量％とされる。

【0048】

上記説明では、繊維シート（ＦＲＰ板）１Ｂは強化繊維ｆを一方向に引き揃えて作製した強化繊維シート、例えば図４に示す繊維シート１Ａに樹脂を含浸し硬化したものとして説明したが、例えばプルトルージョン法などにより一方向に引き揃えた強化繊維束に樹脂を含浸させシート状とし次いで硬化した繊維シート（ＦＲＰ板）とすることもできる。

【0049】

また、樹脂含浸硬化繊維シート（ＦＲＰ板）としては、上述したような強化繊維（又は強化繊維束）が一方向に引き揃えられた少なくとも１層のＦＲＰ板の表面にクロスやマット層を配置した積層板とすることができる。

【0050】

具体例３
更には、図６及び図７に示すように、繊維シート１としては、マトリクス樹脂Ｒが含浸され硬化された細径の連続した繊維強化プラスチック線材２を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、各線材２を互いに線材固定材３にて固定した繊維シート（ストランド型繊維シート）１Ｃを使用することもできる。

【0051】

繊維強化プラスチック線材２は、直径（ｄ）が０．５〜３ｍｍの略円形断面形状（図７（ａ））であるか、又は、幅（ｗ）が１〜１０ｍｍ、厚み（ｔ）が０．１〜２ｍｍとされる略矩形断面形状（図７（ｂ））とし得る。勿論、必要に応じて、その他の種々の断面形状とすることができる。

【0052】

上述のように、一方向に引き揃えスダレ状とされた繊維シート１Ｃにおいて、各線材２は、互いに空隙（ｇ）＝０．０５〜３．０ｍｍだけ近接離間して、線材固定材３にて固定される。このようにして形成された繊維シート１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）の長さ（Ｌ）及び幅（Ｗ）は、補強される構造物の寸法、形状に応じて適宜決定されるが、取扱い上の問題から、一般に、全幅（Ｗ）は、１００〜１０００ｍｍとされる。又、長さ（Ｌ）は、１〜５ｍ程度の短冊状のもの、或いは、１００ｍ以上のものを製造し得るが、使用時においては、適宜切断して使用される。また、繊維シート１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）の長さ（Ｌ）を１〜５ｍ程度として、幅Ｗをこれより長く１〜１０ｍ程度として製造することも可能である。

【0053】

繊維シート１Ｃの場合においても、強化繊維ｆとしては、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維などの無機繊維；ボロン繊維、チタン繊維、スチール繊維などの金属繊維；更には、アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維；が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用することができる。また、繊維強化プラスチック線材２に含浸されるマトリクス樹脂Ｒは、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を使用することができ、熱硬化性樹脂としては、常温硬化型若しくは熱硬化型のエポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ビニルエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、又はフェノール樹脂などが好適に使用され、又、熱可塑性樹脂としては、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用可能である。又、樹脂含浸量は、３０〜７０重量％、好ましくは、４０〜６０重量％とされる。

【0054】

又、各線材２を線材固定材３にて固定する方法としては、図６に示すように、例えば、線材固定材３として横糸を使用し、一方向にスダレ状に配列された複数本の線材２から成るシート形態とされる線材、即ち、連続した線材シートを、線材に対して直交して一定の間隔（Ｐ）にて打ち込み、編み付ける方法を採用し得る。横糸３の打ち込み間隔（Ｐ）は、特に制限されないが、作製された繊維シート１の取り扱い性を考慮して、通常１０〜１００ｍｍ間隔の範囲で選定される。

【0055】

このとき、横糸３は、例えば直径２〜５０μｍのガラス繊維或いは有機繊維を複数本束ねた糸条とされる。又、有機繊維としては、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用される。

【0056】

各線材２をスダレ状に固定する他の方法としては、図８（ａ）に示すように、線材固定材３としてメッシュ状支持体シートを使用することができる。

【0057】

つまり、シート形態を成すスダレ状に引き揃えた複数本の線材２、即ち、線材シートの片側面、又は、両面を、例えば直径２〜５０μｍのガラス繊維或いは有機繊維にて作製した、上記具体例１で説明したと同様の構成とされるメッシュ状の支持体シート３により支持した構成とすることもできる。

【0058】

更に、各線材２をスダレ状に固定する他の方法としては、図８（ｂ）に示すように、線材固定材３として、例えば、粘着テープ又は接着テープなどとされる可撓性帯材を使用することができる。可撓性帯材３は、シート形態を成すスダレ状に引き揃えた各繊維強化プラスチック線材２の長手方向に対して垂直方向に、複数本の繊維強化プラスチック線材２の片側面、又は、両面を貼り付けて固定する。

【0059】

つまり、可撓性帯材３として、幅（ｗ１）２〜３０ｍｍ程度の、塩化ビニルテープ、紙テープ、布テープ、不織布テープなどの粘着テープ又は接着テープが使用される。これらテープ３を、通常、１０〜１００ｍｍ間隔（Ｐ）で各繊維強化プラスチック線材２の長手方向に対して垂直方向に貼り付ける。

【0060】

更に、可撓性帯材３としては、ナイロン、ＥＶＡ樹脂などの熱可塑性樹脂を帯状に、線材２の長手方向に対して垂直方向に片側面、又は、両面に熱融着させることによっても達成される。

【0061】

（補強方法）
次に、図３、図９、図１４を参照して、鋼構造物の補修補強方法について説明する。本発明によれば、前述のようにして製造された繊維シート１を用いて、鋼構造物の補修補強を行うことができる。

【0062】

つまり、本発明の鋼構造物の補修補強方法によれば、例えば、繊維シート１として、上記具体例１で説明した強化繊維ｆを一方向に引き揃えて作製された繊維シート１Ａを使用することができ、この繊維シート１Ａが鋼構造物の鋼部材１０の表面に高伸度弾性パテ材にて形成されたパテ層（即ち、弾性層）３０を介して接着剤にて接着して一体化される。この時、繊維シート１Ａの鋼部材への接着と同時に、この接着剤による繊維シート１Ａに対する接着剤（マトリクス樹脂）含浸をも行うことができる。

【0063】

これにより、弾性層３０と、樹脂含浸された繊維シート１Ａが接着された繊維シート層（繊維強化樹脂層）２０を有する補強構造体５０（図３（ａ）、（ｂ）参照）が形成される。

【0064】

鋼構造物の補強に際して、曲げモーメント及び軸力を主として受ける鋼部材（構造物）に対しては、曲げモーメントにより生じる引張応力或いは圧縮応力の主応力方向に強化繊維の配向方向を概ね一致させて接着することで、繊維シート１が効果的に応力を負担し、効率的に構造物の耐荷力を向上させることが可能である。

【0065】

また、直交する２方向に曲げモーメントが作用する場合、繊維シート１の強化繊維ｆの配向方向が曲げモーメントにより生じる主応力に概ね一致するように２層以上の繊維シート１を直交させて積層接着することで効率的に耐荷力の向上が図れる。

【0066】

なお、以下に説明する本発明の鋼構造物の補修補強方法においては上述のように、図４に示す構成の繊維シートであって、繊維シートの強化繊維としては炭素繊維を使用することが極めて好適であり、従って、本実施例では、繊維シート１としては一方向炭素繊維シートを使用した場合について説明する。つまり、以下の実施例の説明では、繊維シート１は炭素繊維シートとして説明し、また、樹脂含浸された繊維シート、即ち、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）は、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）として説明する。しかし、本発明の補修補強方法は、使用する強化繊維を炭素繊維に限定するものではなく、上述した他の強化繊維を使用し得るものである。

【0067】

本実施例にて好適に使用される炭素繊維シートの特性は、下記表１に示す通りである。

【0068】

【表1】

【0069】

本発明の補修補強方法は、断面欠損部の鋼材応力度の改善と共に、座屈を防止した耐荷力の増加を図ることを目的としている。本発明者らの研究実験によれば、これらの補修補強効果を得るためには炭素繊維シートの弾性係数が高い方が積層数を少なくすることが可能で、工費縮減や工期短縮の面で有利となることが分かっている。そこで、本実施例では、高弾性型炭素繊維シートを使用することを標準とした。弾性係数の規格値は、現在流通している高弾性型炭素繊維シートのうち最大である６．４×１０⁵Ｎ／ｍｍ²以上とした。

【0070】

本実施例では、１９００Ｎ／ｍｍ²以上の炭素繊維シートを用いることを標準としたが、これは、終局時に座屈が懸念される部材では、鋼材の変形が十分追随して座屈に対する耐荷力を向上させる必要があること、また、引張強度が低く破断歪の小さい炭素繊維シートを用いると施工時の折り曲げや局部的応力集中の影響などにより炭素繊維が破損する恐れがあるためである。

【0071】

本実施例では、繊維目付量３００ｇ／ｍ²の一方向炭素繊維シートを所要の方向に接着することを標準としている。

【0072】

１．下地処理（Ｓ１）
既設鋼部材１０の表面は、ブラストとやディスクサンダーなどの適切な下地処理方法により、塗料や錆などを除去し、その後、有機溶剤を用いて表面を清掃し、油分や汚れのない状態にする。

【0073】

２．プライマー塗布（Ｓ２）
下地処理後の鋼材表面の錆防止と炭素繊維シート１との接着性を向上させるために、プライマーを塗布する。一般にプライマーとしては、常温硬化型のエポキシ樹脂を使用することができる。

【0074】

３．不陸修正（Ｓ３）
鋼材表面の平坦性が炭素繊維シート１の接着性を左右するので、段差や孔食部などプライマー塗布後の凹凸のある範囲は、樹脂パテ（不陸修正材）４０Ａを用いて平坦に仕上げる。

【0075】

コーナー部（入隅部）を樹脂パテを用いて成形する場合は、円弧状に平滑に仕上げる。なお、炭素繊維シート１の定着部には、不陸修正材４０Ａは塗布しない。

【0076】

本工程Ｓ３の施工は、上記工程Ｓ２にて塗布したプライマーが指触乾燥したことを確認した後に行う。

【0077】

４．高伸度弾性パテ材用プライマー塗布（Ｓ４）
高伸度弾性パテ材３０Ａとして使用するポリウレア樹脂パテ材との接着性を向上させるために、鋼材表面及び不陸修正材表面にポリウレア樹脂パテ材用プライマーを塗布する。施工は、上記工程Ｓ３にて塗布した不陸修正材４０Ａが初期硬化したことを確認した後に行う。

【0078】

ポリウレア樹脂パテ材用プライマーとしては、エポキシ変性ウレタン樹脂プライマーを好適に使用し得るが、プライマーとしては、エポキシ変性ウレタン樹脂系に限ることなくＭＭＡ系樹脂など、鋼材或いは不陸修正材と、ポリウレア樹脂パテ材との接着性を十分確保できるものが適宜選定される。

【0079】

５．高伸度弾性パテ材塗布（Ｓ５）
上記工程Ｓ４にてポリウレア樹脂パテ材用プライマーを塗布した後、炭素繊維シート１の貼付け範囲にポリウレア樹脂パテ材３０Ａを塗布する。施工はポリウレア樹脂パテ材用プライマーが指触乾燥したことを確認した後に行う。また、所要の補修、補強効果を発揮するために、設計厚さ通りに極力均一に塗布する。

【0080】

一般に、ポリウレア樹脂パテ材３０Ａの塗布厚さ（Ｔ）は、鋼部材１０の被接着面の表面の凹凸、炭素繊維シート１の厚さに応じて適宜設定されるが、一般にＴ＝０．２〜１０ｍｍとされ、本実施例では、０．８ｍｍ程度とした。

【0081】

本発明にて使用する高伸度弾性パテ材３０Ａとしてのポリウレア樹脂パテ材は、主材に芳香族アミンを用い、硬化材にイソシアネートプレポリマーを使用する２液性（２液混合型）のポリウレア樹脂とされる。

【0082】

本発明にて好適に使用されるポリウレア樹脂パテ材の特性は、下記表２に示す通りである。

【0083】

【表2】

【0084】

高伸度弾性パテ材３０Ａ（即ち、弾性層３０）は、高応力下や座屈による面外変形時にも、積層された炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）２０が鋼板１０から剥離することなく所要の補修補強を発揮するために、鋼板１０とＣＦＲＰ２０を接合するものである。

【0085】

高伸度弾性パテ材３０の引張弾性係数が大きいと、鋼板１０が局部座屈を生じて面外変形しようとするときにＣＦＲＰ２０が変形に十分追従することができない。一方、引張弾性係数が小さいと、ＣＦＲＰ２０を鋼板１０の変形に追従させることができるがＣＦＲＰ２０の接着効果が十分に得られない。また、高伸度弾性パテ材３０Ａの引張最大荷重伸びが小さいと、局部座屈により鋼板１０が大きく変形した際に高伸度弾性パテ材３０が破断してＣＦＲＰ２０が剥離するようになり、一方、引張最大荷重時伸びが大きいと、その引張弾性係数との共存が困難である。

【0086】

そこで、本発明においては、高伸度弾性パテ材３０Ａとして、上記表２に示される特性を有したポリウレア樹脂パテ材が好適に使用される。

【0087】

また、高伸度弾性パテ材３０Ａは、ガラス転移点温度以下では、ゴム状の柔軟性を失い脆化して所要の剥離防止性能を発揮することができない。そのため冬季の低温環境下でも所要の柔軟性を維持できるようにガラス転移点温度の上限を設定した。鋼材接着強度に関しては、他の樹脂材料（接着剤）の規定と同様である。

【0088】

６．炭素繊維シート接着（Ｓ６）
ポリウレア樹脂パテ材３０Ａが初期硬化したことが確認されると、このポリウレア樹脂パテ材３０Ａにて形成された弾性層３０の上に炭素繊維シート１が接着される。炭素繊維シート接着施工手順の一例を示せば次の通りである。

【0089】

尚、本発明において、鋼部材１０である鋼桁フランジの垂直応力やトラス弦材の軸力は、一般に主応力方向が部材軸方向と一致するため、繊維方向が部材軸方向とすることを基本とする。
（１）施工面にローラー刷毛にて、含浸接着樹脂を均一に塗布する。
（２）含浸接着樹脂の塗布面に炭素繊維シート１を押し付け、繊維の方向に気泡を除去しながら貼り付ける。
（３）気泡ローラーやゴムヘラを使用し、空気たまりを除去すると共に、含浸接着樹脂を十分に炭素繊維シート１に含浸させる。
（４）貼り付けられた炭素繊維シート１の上に、再度含浸接着樹脂をローラー刷毛にて均一に塗布し、有害な浮き及び膨れがないよう、含浸接着樹脂の含浸を十分に行う。

【0090】

なお、含浸接着樹脂、即ち、接着剤は、ポリウレア樹脂パテ材３０Ａ（弾性層３０）の上に塗布するものとして説明したが、勿論、炭素繊維シート１に塗布することもでき、また、ポリウレア樹脂パテ材３０Ａ（弾性層３０）の表面及び炭素繊維シート１の接着面の両面上に塗布しても良い。
（５）炭素繊維シート１を２層以上積層する場合には、上記（１）〜（４）の作業を繰り返す。
（６）炭素繊維シート１の長手方向の端部ずらし量Ｌｍは、下記の要領で行う。

【0091】

つまり、上記（５）に記載するように、必要補強量が多い場合には構造物表面に複数層の炭素繊維シート１を接着することが可能であるが、ただ、複数層の炭素繊維シート１を積層して接着すると、端部に応力集中が生じ、剥離破壊抵抗が低下することがある。

【0092】

そこで、剥離破壊を防止するために、図３及び図１４に示すように、各層の炭素繊維シート１の繊維方向のシート長さＬｓを変化させるのが好ましい。例えば、複数層積層する炭素繊維シート１の繊維方向の長さＬｓは、鋼部材１０の表面（１層目の炭素繊維シート）から離間する外層（最外層の炭素繊維シート）に行くに従って順に短くして、炭素繊維シート１の端部１ａを階段状に積層する。端部１ａのずらし量（Ｌｍ）は、５ｍｍ〜１００ｍｍ程度とするのが適当である。

【0093】

つまり、複数層積層する炭素繊維シート１の長さ（Ｌｓ）を外層から順に５〜１００ｍｍ程度短くして端部１ａを階段状に積層することにより、シート端部１ａでの応力集中を低減し、剥離抵抗を向上させることが可能である。

【0094】

炭素繊維シート１の長さＬｓ、定着量（Ｌｆ）、ずらし量（Ｌｍ）については、後で詳しく説明する。

【0095】

次に、炭素繊維シートに含浸され、且つ、炭素繊維シートを含浸接着する樹脂（接着剤）
について説明する。

【0096】

炭素繊維シート１は、繊維の間に樹脂が良好に含浸した状態で、繊維と樹脂の複合材料（ＣＦＲＰ）として強度、弾性率を発現するものである。含浸接着樹脂は、鋼材１０との接着強度、炭素繊維シート１の引張強度及び継手強度を確保できるものでなければならない。

【0097】

本実施例にて使用する含浸接着樹脂としては、２液性（２液混合型）の常温硬化型のエポキシ樹脂とされる。本実施例にて使用するエポキシ樹脂の物性は、下記表３に示す通りである。

【0098】

【表3】

【0099】

なお、本発明にて使用し得る接着剤としては、上記常温硬化型エポキシ樹脂の他に、熱硬化性のエポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、アクリル樹脂、ＭＭＡ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、又は、光硬化型樹脂等が好適とされる。

【0100】

７．保護層の接着（Ｓ７)
必要に応じて、繊維シート１の保護層６０として２方向アラミド繊維シートの貼付けを行うことができる（図３参照）。

【0101】

繊維シート１として、例えば、本実施例のように炭素繊維シートを使用した場合には、炭素繊維シートは、屋外暴露試験や促進暴露試験により耐久性に優れていることが確認されている。しかしながら、含浸接着樹脂は紫外線やオゾンの作用により劣化し、白化や黄変など変色し美観を損なうことがある。また、炭素繊維シートは黒色であり、日光の直射を受けると表面温度が上昇するため、樹脂の耐熱温度を超えないように、保護工を施工するのが好ましい。

【0102】

炭素繊維シート１の保護層６０に使用するアラミド繊維シートは、角部での折れ曲がりがあるため２方向材を使用する。アラミド繊維は耐衝撃性に優れており、柔軟性があることから部材角部への巻き付けが可能である。特に、トラス弦材やアーチリブなどの箱型閉断面の鋼部材に巻きたてるのが有効である。更に、将来の塗替えケレン地における炭素繊維シート保護層の機能を果たすこともできる。

【0103】

８．養生（Ｓ８）
含浸接着樹脂が初期硬化するまでは、雨水や砂、ホコリなどの付着を防止すると共に、気象の急変などによる悪影響を受けないように、必要に応じてビニールシートなどで養生する。

【0104】

９．仕上げ塗装（Ｓ９)
上記工程Ｓ７の保護工に使用するアラミド繊維シートは、有機系繊維のために紫外線劣化が生じることから、表面保護塗装を行うのが好ましい。

【0105】

本発明の補修補強方法に従って、上記工程Ｓ１〜Ｓ９を実施することにより、図３及び図４に示すように、鋼部材１０に対する補強構造体５０が得られる。

【0106】

つまり、炭素繊維シート１を使用した上記本実施例によれば、鋼構造物における軸方向力及び／又は曲げによる垂直応力を受ける鋼部材１０に、炭素繊維シート１を樹脂で接着して鋼部材１０を補修補強する鋼構造物の補修補強方法であって、特に、
（ａ）鋼部材１０における施工対象部分に対して下地処理する工程と、
（ｂ）下地処理された鋼部材１０の表面にポリウレア樹脂パテ材３０Ａによりパテ層３０を形成する工程と、
（ｃ）パテ層３０の上に、複数（ｎ）層の炭素繊維シート１を樹脂で接着して積層し、複数層の炭素繊維強化樹脂層（ＣＦＲＰ）２０（２０−１、２０−２、・・・・２０−ｎ）を形成する工程と、
を有する鋼構造物の補修補強方法が実施される。

【0107】

鋼部材の補修補強必要断面積Ａｓｌは、腐食による鋼部材の欠損断面積以上で、且つ、次の条件で算定した鋼部材応力度の合計が許容応力度以内となるように決定する。
（１）ＣＦＲＰ接着前に既に作用している死荷重は、既設鋼断面で負担する。
（２）活荷重及びＣＦＲＰ接着後に作用する死荷重は、鋼とＣＦＲＰの合成断面で負担する。

【0108】

ただし、腐食による断面欠損量が局部的で軽微な場合や、対象が二次部材の場合には鋼部材の欠損断面積を補修補強必要断面積Ａｓｌとし、応力度照査は省略してもよい。

【0109】

なお、腐食に伴う断面の急変を避け性能回復を図るため、欠損断面に相当するＣＦＲＰを貼付けるとともに、ＣＦＲＰ接着前後の荷重状態を考慮して鋼部材の応力度照査することを基本としているが、炭素繊維シートの強度は鋼材と比較して非常に大きく、応力上問題にならないことから、照査を省略してもよい。なお、対傾構、横構などの二次部材や、一次部材においても腐食による断面欠損が局部的で軽微な場合は、補修設計の簡便さを考慮し、応力度照査を省略してもよい。断面欠損量が軽微な場合とは欠損断面積に相当するＣＦＲＰ積層数が５層程度以下のときと考えることができる。

【0110】

上記実施例の鋼構造物の補修補強方法では、鋼部材の補修補強必要断面積Ａｓｌを算定し、必要となるＣＦＲＰ積層数ｎを決定する。なお、樹脂の弾性係数は、炭素繊維の弾性係数の１／１００以下程度であり、樹脂の体積比が７０〜８０％であることから、ＣＦＲＰ全体の引張剛性に及ぼす樹脂の影響は５％程度である。そのため、ＣＦＲＰの計算には炭素繊維シートのみの断面積とすることができる。

【0111】

ＣＦＲＰを接着した鋼材は、ＣＦＲＰの積層数に応じた応力改善効果を得られることは確認されている。また、上述したように、本発明によれば、弾性係数が６５Ｎ／ｍｍ²程度（鋼材の約１／３０００程度）の高伸度弾性パテ材（ポリウレア樹脂パテ材）３０Ａ（弾性層３０）を接着層に挿入しており、これにより高応力時や座屈変形時においても炭素繊維シート１の剥離が確実に防止できる。一方、炭素繊維シート１から鋼部材１０への荷重伝達効率が低減する。このため、鋼部材の応力度改善を図る場合、炭素繊維シート接着後の断面を鋼部材１０と炭素繊維シート１との完全合成断面として評価すると、補修補強量がやや不足することとなる。

【0112】

そこで、本発明では、荷重伝達係数の低下の影響は、応力低減係数Ｃｎを炭素繊維シートの鋼換算断面積Ａｃｆ，ｓに乗じることにより評価する。鋼部材の補修補強必要断面積Ａｓｌを算定し、必要となるＣＦＲＰ積層数ｎを決定する。

【0113】

つまり、炭素繊維シートの積層数ｎは、下記式（３）を満足するように決定する。

【0114】

【数3】

【0115】

上述したように、炭素繊維シートの積層数ｎが多くなると、炭素繊維シート１への荷重伝達効果が低減されるため、積層数ｎに応じた応力低減係数Ｃｎを乗じることとした。応力低減係数Ｃｎは、実験の結果及び数値解析結果に基づき設定している。この点については、後で更に詳しく説明する。

【0116】

また、炭素繊維シートの設計厚さｔｃｆは次式（４）で求められる。

【0117】

【数4】

【0118】

本実施例で使用する高弾性型炭素繊維を用いた炭素繊維シート（Ｅｃｆ＝６４０ｋＮ／ｍｍ²、繊維目付量ｗ＝３００ｇ／ｍ²、ρ＝２．１×１０⁶ｇ／ｍ³）の場合、炭素繊維１層あたりの設計厚さはｔｃｆ＝０．１４３ｍｍ、鋼換算厚さｔｃｆ，ｓ＝０．４５７ｍｍとなる。従って、炭素繊維シート幅Ｂｃｆが決まれば炭素繊維シートの鋼換算断面積Ａｃｆ，ｓが求められる。

【0119】

このようにして、鋼部材の補修補強必要断面積Ａｓｌを算定し、必要となるＣＦＲＰ積層数を決定する。

【0120】

ここで、炭素繊維シートの設計厚さｔｃｆは、上述のように、炭素繊維のみの断面積を用いる。つまり、樹脂の弾性係数は、本実施例のように、強化繊維が炭素繊維である場合には、炭素繊維の弾性係数Ｅｃｆの１／１００以下程度であり、樹脂の体積比が７０〜８０％であることから、ＣＦＲＰ全体の引張剛性に及ぼす樹脂の影響は５％程度である。そのため、ＣＦＲＰの計算には炭素繊維シート１の断面積とする。樹脂の断面積は設計には見込んでいない。

【0121】

ＣＦＲＰを接着した鋼材は、ＣＦＲＰの積層数に応じた応力改善効果を得られることが確認されているが、本発明の方法では、弾性係数が６５Ｎ／ｍｍ²程度（鋼材の約１／３０００）の高伸度弾性パテ材（ポリウレア樹脂パテ材）を接着層に塗布することとしており、これにより高応力時や座屈変形時においてもＣＦＲＰの剥離が確実に防止できる一方で、ＣＦＲＰから鋼部材への荷重伝達効率が低減する（図１０参照）。このため、鋼部材の応力度改善を図る場合、ＣＦＲＰ接着後の断面を鋼とＣＦＲＰとの完全合成断面として評価すると、補修補強量がやや不足することとなる。

【0122】

そこで、本発明では、このことを考慮して荷重伝達効率の低下の影響は、応力低減係数Ｃｎを炭素繊維シート１の鋼換算断面積Ａｃｆ，ｓに乗じることにより評価することとした。

【0123】

なお、荷重伝達効率は、定着長ＬｆやＣＦＲＰ積層数ｎに応じて変化するため、応力低減係数ＣｎはＣＦＲＰ接着鋼板の一軸引張り試験及び数値解析結果に基づき設定することができる。

【0124】

次に、本発明の特徴をなす「応力低減係数Ｃｎ」の特性について説明する。
（応力低減係数について）
応力低減係数Ｃｎの設定に当たり、図１１に示すＣＦＲＰ接着鋼板に対し、ＣＦＲＰ積層数ｎ、定着長Ｌｆ及び各層のずらし量Ｌｍをパラメータとした一軸引張り試験及び数値解析を行った。数値解析手法は、「宮下剛、長井正嗣：一軸引張を受ける多層のＣＦＲＰが積層された鋼板の応力解析、土木学会論文集Ａ、Ｖｏｌ．６６（２０１０）、Ｎｏ．２、ｐｐ．３７８−３９２」に示す手法を用いた。

【0125】

着目点の応力−ひずみ関係について、代表的な例を図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。この結果より、定着長Ｌｆや各層のずらし量Ｌｍが不足すると、大幅に荷重伝達効率が低下することが分かる。また、鋼板応力が１５０〜２００Ｎ／ｍｍ²付近から数値計算結果と比較して剛性が低下し始めることが分かる。これはパテ層３０（パテ材３０Ａ）が軟化した影響と考えられるが、実橋に生じる死荷重による応力度は最大でも１５０Ｎ／ｍｍ²程度（ＳＭ５７０材の許容応力度２５５Ｎ／ｍｍ²に対して活荷重比率６割を想定）であることを考慮し、本例では、数値計算値の剛性で荷重伝達効果を評価した。

【0126】

次に、積層数ｎをパラメータとして応力低減係数Ｃｎを整理した結果を図１３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。この結果より、鋼板１０からＣＦＲＰへの荷重伝達効率について、以下の事項が確認できる。
（１）定着長Ｌｆの影響は極めて大きく、定着長（Ｌｆ）１００ｍｍから２００ｍｍとすることで荷重伝達効率が大きく向上する。
（２）ずらし量Ｌｍの影響も比較的大きく、特に積層数ｎが大きい場合には、ずらし量（Ｌｍ）２５ｍｍ確保することでＣＦＲＰへの荷重伝達効率が良好となる。
（３）積層数ｎの影響は、積層数が小さい段階では比較的敏感に反応するが、５〜１５層程度のいずれかで極小値を与え、その後積層数ｎが増加しても応力低減係数Ｃｎの値は殆ど変化しない。

【0127】

つまり、上記より、
１．繊維シート１の定着長Ｌｆ及びずらし量Ｌｍは、繊維シート１の引張剛性が大きくなると大きくする。
２．応力低減係数Ｃｎの値は、繊維シート１の積層数ｎが大きくなると小さくし、繊維シート１の積層数ｎが所定数（５〜１５のいずれか）に達すると一定値（０．２５〜０．８）とする。
３．応力低減係数Ｃｎの値が一定値となる繊維シート１の積層数ｎは、繊維シート１の定着長Ｌｆ及びずらし量Ｌｍが大となると小さくする。
こととする。

【0128】

以上より、ＣＦＲＰ接着による荷重伝達効率と実務設計での簡便さを考慮し、本実施例では、図１４に示すように、定着長（Ｌｆ）２００ｍｍ、ずらし量（Ｌｍ）２５ｍｍを標準的な構造細目として設定すると共に、応力低減係数Ｃｎは表４に示す値とした。

【0129】

【表4】

【0130】

なお、鋼部材（母材）１０の板厚、含浸接着樹脂材の使用量及び不陸修正材４０Ａの厚さの違いは、荷重伝達効率にほとんど影響しないことを数値解析により確認した。但し、高伸度弾性パテ材（ポリウレア樹脂パテ材）３０Ａ（弾性層３０）の厚さについては１０％の施工誤差を考慮して応力低減係数Ｃｎの値を設定した。

【0131】

表４に示す応力低減係数Ｃｎは、図９を参照して説明した本発明の施工手順に従った補修補強方法で得られる接着断面の構成で図１４に示す構造細目、即ち、定着長Ｌｆが２００ｍｍ、ずらし量Ｌｍが２５ｍｍを満足することを前提としており、更に高弾性型の炭素繊維シート（弾性係数の設計値：６．４×１０⁵Ｎ／ｍｍ２、繊維目付量：３００ｇ／ｍ２）を使用した場合に適用が限定される。このため、弾性係数や繊維目付量の異なる炭素繊維シートを使用する場合には、応力低減係数Ｃｎの値について、他の値が設定される。

【0132】

例えば、他の実施例として、炭素繊維シート１として、図６〜図８を参照して説明した、所謂、ストランド型炭素繊維シート１Ｃを使用した場合の構造細目及び応力低減係数Ｃｎについて、数値解析を用いた検討により算定した結果を図１５及び表５に示す

【0133】

【表5】

【0134】

次に、炭素繊維シート１の長さＬｓ及び定着長Ｌｆについて説明する。

【0135】

炭素繊維シート１の繊維方向の長さＬｃｆは、下記式（５）を満足するように決定する。

【0136】

【数5】

【0137】

つまり、複数層の炭素繊維シート１は、鋼部材表面側の１層目から最外層のｎ層目へと繊維方向長さが短くなるようにし、炭素繊維シート１の繊維方向の端部を所定量づつ階段状にずらして接着する。また、最外層のｎ層目の炭素繊維シートの繊維方向長さＬｓは、鋼部材の施工対象部分における欠損範囲Ｌｓｌより定着長Ｌｆだけ長くされる。

【0138】

更に具体的に説明すれば、本実施例では、上述のＣＦＲＰへの荷重伝達効率Ｃｎの検討結果より理解されるように、複数層の炭素繊維シート１を積層接着する際には、定着長Ｌｆは２００ｍｍ以上確保する。定着部には極力凹凸のある面を避け、やむを得ない場合は不陸修正材４０Ａにて平滑に仕上げた上でＣＦＲＰ接着長を延長し、平滑な鋼桁面で２００ｍｍ以上の定着長Ｌｆを確保する。定着部の不陸修正については、後述する。

【0139】

接着端は、部材軸方向に繊維シートを１層ごとに２５ｍｍズラして接着する（図１４参照）。

【0140】

接着端部は、応力が集中するため、ＣＦＲＰが剥離する起点となる。そのため、応力集中を緩和することを目的に、主応力方向に炭素繊維シートをずらして接着する。ずらし量Ｌｍは、炭素繊維シートの長さを層ごとに変えることで確保する。また、断面欠損による凹凸や欠損範囲の端部は、応力集中を避けるため極力滑らかに削り取った上で不陸修正する。

【0141】

図１６を参照して炭素繊維シート１を繊維軸方向に継手部７０にて接続する場合について説明する。

【0142】

図１６を参照すると、本実施例では、鋼部材の施工対象部分に接着される複数層の繊維シートは、繊維シートの繊維方向において、施工対象部分の第１の領域に接着して第１の繊維強化樹脂層２０Ａを形成する第１の複数層の繊維シートと、施工対象部分の第２の領域に接着して第２の繊維強化樹脂層２０Ｂを形成する第２の複数層の繊維シートと、にて形成され、第１及び第２の繊維強化樹脂層２０Ａ、２０Ｂの重なり合った領域では第１の繊維強化樹脂層２０Ａと第２の繊維強化樹脂層２０Ｂとを重ねて接着され、継手部７０が形成される。

【0143】

本実施例にて、継手部７０における繊維方向の重ね継手長Ｌｔは、１００ｍｍを最小値とする。なお、複数層の炭素繊維シート１を接続する場合は接着端を１層ごとに２５ｍｍズラして接着する。

【0144】

高弾性型炭素繊維シートの継手試験では、重ね継手長Ｌｔが１００ｍｍあれば継手部７０で破壊せず鋼部材（母材）１０が破壊することが確認されている。従って、継手長さＬｔの最小値を１００ｍｍとした。なお、繊維直角方向には、応力伝達しないので重ね継手を設ける必要はない。

【0145】

また、図１７に示すように、鋼桁の下フランジ１２に添接板１７が接合して設けられており、そのために、添接板１７の近傍などで炭素繊維シート１を主応力方向に連続して貼付けることが困難な場合がある。

【0146】

この場合には、図示するように、鋼部材の施工対象部分に形成された段差部においては、段差部を除く施工対象部分に複数層の繊維シートを接着して第１の繊維強化樹脂層２０Ａを形成し、段差部を含む施工対象部分に複数層の繊維シートを接着して第２の繊維強化樹脂層２０Ｂを形成し、第１及び第２の繊維強化樹脂層２０Ａ、２０Ｂの重なり合った領域で第２の繊維強化樹脂層２０Ｂを第１の繊維強化樹脂層２０Ａの上に重ねて接着して継ぎ手部を形成する。

【0147】

更に説明すると、フランジ部１３と添接板１７には各々別の繊維シート１Ａ、１Ｂを接着することができる。この場合、段差部での炭素繊維シート１Ａ、１Ｂの剥離を防止するために段差高さｔ_p+bの１０倍以上の勾配で不陸修正材４０Ａによりなだらかに成型し、平坦部で炭素繊維シート１Ａ、１Ｂをラップさせて接続する。ラップ長さＬｐは、鋼部材１２との応力伝達長を考慮して１００ｍｍ以上とし、複数層の炭素繊維シートを接続する場合は、剥離を防止するため接着端を１層ごとにずらし量（Ｌｍ）２５ｍｍだけズラして接着する。

【0148】

また、ボルト部Ｂｔなどの不陸がある部位にＣＦＲＰを定着する場合には、図１８（ａ）、（ｂ）に示すように、不陸修正材４０Ａを用いて凹凸を平滑に修正した上でＣＦＲＰ接着長を延長し、平滑な鋼材面で必要定着長を確保すればよい。凹凸の範囲が限定的な場合には、繊維の一部を緩やかに曲げることにより凹凸部を避けてＦＲＰを接着する方法についても検討するのが良い。この場合、擦り付け長さＬｂは１：１０程度が好ましい。

【0149】

また、図１９に示すように、更に、炭素繊維シートを積層して、鋼部材１０を補修補強する際の注意点を上げれば次の通りである。

【0150】

炭素繊維シートの繊維直角方向の幅は、部材の幅方向縁端からＬｂ＝５ｍｍ以上控えた寸法とし、部材の角部（出隅、入隅）には、炭素繊維シートを接着しない。積層数を少なくするためには、繊維シートの幅をできるだけ大きくとることが好ましい。

【0151】

また、コーナー部（入隅部や出隅部）では、気泡や膨れ等の施工不良が生じやすいため、炭素繊維シートの接着は行わない。また、下地処理やプライマー塗布、含浸接着時の作業性を考慮して部材縁端からやや控えて接着するのが良い。

【0152】

必要枚数が多くなり、損傷が生じている鋼板面への施工が困難な場合は、図２０に示すように、同一断面内で接着位置を分散させてもよい。つまり、鋼板１５ｃに貼付すべきＣＦＲＰ２０が９層であったとすると、鋼板１５ｃにＣＦＲＰ２０を３層とし、他の鋼板１５ａ、１５ｂ、１５ｃにそれぞれ３層づつ分散して貼付することができる。

【0153】

このように、局部的な孔食により部材の一部が貫通するような極端な腐食形態に対しても、このような分散貼付を行うことにより、応力改善効果を得られることが、各種実験により確認されている。このため、本発明においても、部材としての平均応力が改善できるように貼付位置を調整することができる。図２０には、鋼部材１０としてのトラス橋の弦材を例に、炭素繊維シート２０の積層数の調整方法の例を示す。

【0154】

本実施例では、本発明の鋼構造物の補修補強方法においては、繊維シート１の強化繊維としては炭素繊維を使用する場合について説明したが、本発明の補修補強方法に使用する強化繊維を炭素繊維に限定するものではなく、上述した他の強化繊維を使用し得るものである。この場合にも、上記説明にて理解されるように、強化繊維の種類、定着長、ずらし量、ＦＲＰ積層数に応じて、応力低減係数Ｃｎは、ＦＲＰ接着鋼板の一軸引張り試験及び数値解析結果に基づき設定することができる。

【符号の説明】

【0155】

１ 繊維シート
１０ 鋼部材
１１ 腹板
１２、１３ フランジ
１４ 補剛材
２０ 繊維強化樹脂層
３０ パテ層
３０Ａ ポリウレア樹脂パテ材（高伸度弾性パテ材）
４０Ａ 不陸修正材
４０ 欠損部
５０ 補強構造体
７０ 重ね継手

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】