１．はじめに

　プレストレストコンクリート製のまくらぎ（以下，PCまくらぎという）は，列車通過時の動的作用によってバラストとの相対運動が発生することにより，特にその底面が摩耗します．PCまくらぎが摩耗した場合，断面減少に伴う曲げ保証荷重や曲げ破壊荷重の減少だけではなく，PC鋼材やポストテンション式PCまくらぎにおける定着板や定着具の露出，プレストレス力の伝達不良などが懸念されます．本研究では，営業線に敷設されていた経年PCまくらぎを対象に摩耗量と累積通過トン数（以下，累積通トンという）及び経年の関係，摩耗パターンなどについて概観したので報告します．

２．PCまくらぎの摩耗メカニズムと対象PCまくらぎ

　表1に作用要素と相対運動に着目したコンクリートの摩耗の分類を示します．PCまくらぎの摩耗は，PCまくらぎ（コンクリート）とバラスト（岩石）との相対運動で生じますが，その要因は，列車通過時の動的作用に加えて，車輪フラットやレール凹凸などに起因する衝撃力も含まれます．したがって，PCまくらぎの摩耗は，表１に示す固体/コンクリートの相対運動の複合で生じますが，特に衝撃摩耗，フレッティング摩耗が支配的であると考えられます．

　図1に本研究で対象としたJIS-3号PCまくらぎの概要を示します．営業線に敷設されていた約200本のまくらぎを対象として調査しました．なお，PCまくらぎの形状は同じであるため，プレテンションとポストテンションの緊張方式の違いは区別せずに取り扱うこととした．

　図2にPCまくらぎの摩耗量の簡易測定断面を示します．摩耗量の測定は，図中の11断面において幅方向3か所についてノギスと定規によって測定しました（以下，簡易法という）．また，専用の冶具を用いてPCまくらぎ底面をデジカメで2cmピッチで撮影し，得られた画像を画像解析することにより摩耗量を取得する方法（以下，詳細法）も併せて実施しました．

• 表1　コンクリートの摩耗の分類^1），2）
  
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  図1　対象PCまくらぎの概要（JIS-3号）
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  図2　PCまくらぎの摩耗量簡易測定断面

３．PCまくらぎの摩耗に関する調査結果

①摩耗量の測定結果

　図3に詳細法による摩耗量測定結果の一例を示します．レール中心位置付近のまくらぎ側面側において30mm程度，中央では数mm～10mm程度の摩耗量であること等がわかります．また，図3にはPCまくらぎの中心線における詳細法と簡易法の比較を示しますが，簡易法は局所的な値が欠落する場合もありますが，概ね詳細法をトレースできていることがわかります．そこで，以降の検討では簡易法の結果を用いて分析を実施することとしました．

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  図3　PCまくらぎの摩耗量の詳細測定結果の一例

②最大摩耗量と経年および累積通トンとの関係

　図4，図5にPCまくらぎの最大摩耗量と累積通トン及び経年の関係をそれぞれ示します．最大摩耗量は簡易法で得られた摩耗量の最大値を採用しました．同図より，概ね累積通トンが10億トン程度，あるいは経年30年程度になると，最大摩耗量が20mm程度となるとともに，PC鋼棒および定着具のも生じる可能性が高くなることが確認されました．なお，図5には通勤車両のみが走行する線区の結果も併せて示しますが，経年30～50年において，通勤車両のみが走行する線区とそうでない線区を比較すると，前者の最大摩耗量は10mm程度以内となっていることがわかります．

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  図4　最大摩耗量と累積通トンの関係
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  図5　最大摩耗量と経年の関係

③摩耗パターンの分類

　図6にPCまくらぎの長手方向の摩耗パターンの分類および代表的な摩耗形状を示します．摩耗パターンとしては，均一摩耗型，片側摩耗型，レール下摩耗型，両端摩耗型，欠損型の概ね5つのパターンに分類できることがわかりました．

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  図6　PCまくらぎの摩耗パターンの分類

④摩耗進展メカニズムの概観

　累積通トンおよび経年ごとの摩耗パターンは，図7，図8に示すように，累積通トン1億トン未満では均一摩耗型の割合が90％程度，経年5年未満では均一摩耗型の割合が100％でした．その後，累積通トンおよび経年の増加とともにその他の摩耗パターンの割合が増えていくことがわかります．PCまくらぎの底面の摩耗進展メカニズムとしては，まず均一摩耗型の摩耗パターンから始まり，その後PCまくらぎの敷設環境に応じてその他のパターンに進展するものであると推測されます．

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  図7　累積通トンごとの摩耗パターンの分類
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  図8　経年ごとの摩耗パターンの分類

４．まとめ

１．はじめに

　兵庫県南部地震以降，RCラーメン高架橋の耐震補強が順次実施されています．最近では，駅部など高架下での施工上の制約条件がある場合が散見され，これらに対する耐震補強工法の開発が求められています．そこで，部分的な補強により耐震補強が可能となる工法の開発を行いました．具体的には，図1に示すように，橋軸直角方向の柱間に中層梁を挿入し，構造物全体系の剛性および耐荷力を向上させる工法（以下，中層梁挿入工法）です．また，挿入する中層梁をプレキャスト化することで施工性を向上させ，中層梁の取り替えが可能な接合構造とすることで復旧性の向上を図ることが可能となります．本稿では，提案した工法の特徴や補強効果を数値解析および実験により明らかにしましたので，その結果について報告します．

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  図1　中層梁挿入工法

２．数値解析による補強効果の検討

　図2に示す三次元の骨組みモデルによる時刻歴動的解析を実施しました．解析では，図2の中層梁の挿入位置と中層梁諸元をパラメータとして与えました．図3に，中層梁の挿入位置をパラメータとしたケース1，ケース2および中層梁を挿入しないケースでのC1柱天端の橋軸直角方向の時刻歴応答変位結果を示します．解析結果より，中層梁を追加することで変位を抑制する結果が得られました．また，ケース1とケース2の比較より，部分的な補強となるケース1であっても，変位抑制効果が得られることが確認できました．

　図4に，C1柱の損傷レベル1)に着目した結果を示します．横軸は中層梁の曲げ耐力，縦軸は柱の損傷レベル3限界点に対する照査値（応答値／限界値）です．照査値が1.0を超えると部材の取り替えが必要となる損傷が発生することになります．解析結果より，中層梁の曲げ耐力の上昇に伴い照査値が減少していることが確認できます．このことから，本工法が中層梁の曲げ耐力によって柱の損傷を制御することが可能な工法であることがいえます．また，ケースの比較より，中層梁の追加箇所を増やすことで中層梁による柱の損傷抑制効果が増加することがいえます．

　なお，本工法は，ブレース工法などの部材を追加する工法などと同様に，基礎の負担が大きくなると考えられます．そのため，本工法を用いる場合，基礎への影響を含めた検討を実施する必要があります．また，挿入する中層梁の位置を非対称とした場合に，ねじれが発生する可能性があるため，ねじりを考慮した照査を実施するか，ねじりが発生しないように対称配置とするなどの検討が必要となります2)．

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  図2　解析モデル
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  図3　時刻歴応答変位結果
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  図4　柱の損傷レベルに与える影響

３．中層梁の接合構造検討

　取り替え可能な接合構造として，図5，6に示す鋼板とPC鋼棒を用いた構造を提案し，静的正負交番載荷試験を実施しました．提案した接合構造は，鋼板を介してPC鋼棒へのプレストレスによって柱と中層梁を一体化しています．鋼材の寸法およびPC鋼棒の径は，鋼板と柱間の浮き上がりやずれが発生しないこと，中層梁の曲げ破壊時においても全ての鋼材が降伏以内となるように設定しました．

　図7に，正負交番載荷試験による水平荷重－水平変位関係を示します．実験結果より，水平変位11.0mm（=1δ_y）で中層梁が降伏する結果となりました．その後，4δ_yで最大荷重となり，中層梁の軸方向鉄筋の座屈に伴い荷重が低下し，最終的に7δ_yまで載荷を行いました．載荷終了時まで，接合部の鋼板とPC鋼材および柱の鉄筋は降伏せず，主に中層梁のみが損傷する結果となり，鋼板の浮き上がりも発生しませんでした．

　また，図7に中層梁の水平荷重－水平変位関係の計算結果を併記しました．実験結果と比較すると，最大荷重で実験値が計算値を上回ることを確認しました．また，損傷レベル3の限界変位（降伏荷重を下回らない最大水平変位）については，計算値では55mm，実験値は柱の変形分を考慮して57.2mmとなり，変形量についても実験値が上回り，実験値と計算値が良い整合を示す結果となりました．すなわち，本検討で提案した接合構造により，接合部を剛結とした構造とみなすことができると考えられます．

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  図5　中層梁の接合構造
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  図6　接合構造詳細図
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  図7　水平荷重－水平変位関係

４．おわりに

　高架下での制約条件がある場合であっても耐震補強が可能となる工法として，取り替え可能な中層梁を部分的に補強する工法を検討しました．検討の結果，中層梁を挿入することで構造物全体系の耐震性能が向上することを数値検討により確認しました．また，中層梁の取り付けにおいて，中層梁が損傷した場合に取り替えが可能な接合構造として，PC鋼棒と鋼板を用いた接合構造を提案しました．

参考文献

1) 鉄道総合技術研究所編：鉄道構造物等設計標準・同解説（耐震設計），丸善，2012

2) 古屋卓稔，中田裕喜，田所敏弥，岡本大：中層梁を増設したRCラーメン高架橋の耐震性能に関する解析的検討，コンクリート工学年次論文集，Vol.36，No.2，pp871-876，2014.7