橋（門）型クレーンの主桁のたわみ測定および変形補正方法

［要旨］本稿では、企業の生産工程において頻繁に発生する、橋形（門形）クレーンの主桁の不具合による変形などの状況を検出し、是正するための措置について取り上げる。本稿では、その実施方法のいくつかと、それらが持つ特徴を紹介するとともに、適用範囲についても説明する。

キーワード：主桁の変形、検査、矯正、方法

主桁の変形の検出と矯正は、企業の生産現場において一般的に直面する問題である。本稿では、橋形（門形）クレーンについて、変形を検出するためのいくつかの実施方法と、変形を矯正するためのいくつかの実施方法を紹介するとともに、これらの方法の特徴および適用範囲についても説明する。

一、 橋（ゲート）型クレーンメインビームのたわみの検査

ガントリー（門型）クレーンの安全技術検査において、主桁のアーチ度測定は極めて重要な項目である。-82（汎用橋形クレーンの技術条件）では、主桁のスパン中央部における上アーチ度Fは、Lに（0.9－1.4）を乗じ、さらに1000で割った値であると明確に規定されている。また、最大アーチ高は、スパン中央部のLを10で割った値の範囲内に収める必要があります。現在、一般的に用いられているのは検出方法, これには、伝統的なワイヤー引き法、現在用いられているフック吊り下げ法、そして磁石吊り下げ法が含まれます。以下では、これらの方法をそれぞれ紹介していきます。

1、 ワイヤー引き法

「ワイヤー引き法」というこの方法では、3名の検査員が必要であり、この3名はクレーンの主桁の上に登らなければなりません。φ0.5mmの細いワイヤーを使用し、 ワイヤーの片端を主桁の一端に固定し、上部カバープレート上の等高ブロックを介して、もう一方の端を主桁のもう一方の端に取り付けられた15kgのばね秤に接続する。続いて測定点を選定し、鋼線から主桁上面までの垂直距離を測定した後、アーチ度値を算出する。この方法には比較的大きな制限があり、また検査員が高所作業を行う際の危険性も伴う。この方法は、一部の箱形二梁式橋形クレーンの主梁のアーチ度の検査にのみ使用されるものであり、単梁式（ゲート）クレーンや、スカートプレートを備えた箱形二梁式橋形クレーンの主梁のアーチ度については検査することができない。

2、フック式サスペンション法

フック吊り定規法とは、300mmの鋼製定規をフックに逆さまに吊り下げ、I形鋼のレール上を走行するトロリー（電動ホイスト）を動かし、地面に設置された水準器を用いて、 主桁の各点の高さを順次測定し、続いてそのアーチ度を算出する。この測定方法は誤差が大きく、場合によっては逆の結果が得られることもある。測定精度に影響を与える要因としては、以下のものが挙げられる：

トロリーの走行輪に半径のばらつきがあり、軌道の踏面に形状誤差があり、さらにトロリーの脚が3本しかない場合など、これらはすべて標高値に直接反映され、その結果、測定された標高値が実際の値とは異なってしまうため、最終的に算出されるアーチ高の値も不正確になってしまう。

3、 磁石によるサスペンション法

φ0.5mmの細い鋼線を1本用意し、その一端を磁石に固定し、もう一端を0.5kgの重りに固定する。次に、その鋼線に位置を調整できる300mmの鋼製定規を取り付け、 さらに専用の絶縁棒を用いて、磁石を主桁の下部カバープレートまたはI形鋼レールの下面に吸着させる。これにより、磁石吊り尺法が成立する。その後、主桁の両端と桁中央の3か所を測定点として選び、地面に設置した水準器を用いて、磁石に吊り下げられた定規上の数値を読み取り、主桁の桁中央部のアーチ度を算出する。計算式は以下の通りである：

スパン中央のアーチ高は主桁にあり、スパン中央の標高から「1/2」を引いた値に等しい。この「1/2」とは、高い側のスパン端の標高と、低い側のスパン端の標高を足した値である。

鋼製定規を表面を上にしてその細い鋼線に固定し、測定結果が正の値を示した場合は上反り、負の値の場合は下反りである。この方法を用いることで、さまざまな形式のクレーンの主桁のたわみを測定することができ、簡便で正確な結果が得られるだけでなく、時間と労力を節約することもできます。

2. 橋（ゲート）型クレーンの主桁の変形について修正方法

橋（門）型クレーンでは、自重および荷重の影響により、主桁に弾性たわみが生じ、これが荷重台車の走行に抵抗をもたらす。この状況に対処するため、主桁のたわみ変形を補正するべく、設計上、主桁には一定のアーチ度を持たせる必要がある。したがって、規定された上アーチ値を、大きすぎず小さすぎず、適切な範囲内に保つことが、クレーンの主桁の設計および製造プロセスにおける重要な課題となっている。

ただ、橋形（ゲート）クレーンの主桁は、製造過程において程度の差こそあれ永久変形が生じ、使用段階においても同様に程度の差こそあれ永久変形が生じます。主桁の製造段階においても、主桁の切断時のアーチ反り値の余裕が適切でなかった場合や、気温の影響、溶接工程における誤差など、様々な要因が影響し、主桁の溶接完了後に生じるアーチ度、反り、水平方向のたわみ、およびウェブの垂直度（これらは主桁のねじれ変形状態を指します）などが、必ずしもすべての要求事項を満たすとは限りません。そのため、この時点で矯正作業を行う必要があります。また、ある橋形クレーンの2つの主桁において、同一の断面高さで異なる状態が認められる場合にも、同様に矯正処理を行う必要があります；さらに、クレーンの実際の使用過程において、主桁の剛性が不十分であることに加え、長期にわたる全負荷運転状態、あるいはクレーンの作業環境が極めて過酷であるといった多くの要因が複合的に作用して悪影響をもたらし、主桁に恒久的な変形が生じることもあります。アーチや反り量が一定レベルまで低下した場合は、適切な修理・矯正作業を行う必要があります。中国国家標準-85、すなわち「起重機械安全規程」の第1！4！10条に規定されている通り、「一般的な橋形クレーンについては、 トロリーがスパン中央に位置し、かつ定格荷重が加わっている状態で、主桁のスパン中央部のたわみ量が水平線より下方に、スパン長さの700分の1に達した場合、修復が不可能なときは、規定に従って廃棄処分を行うべきである。」したがって、橋（門）型クレーンの製造および使用の過程において、主桁の矯正は不可欠であり、極めて重要な作業の一つである。どのような方法で矯正を行うかは、クレーン主桁の変形矯正効果に直接影響を与えるだけでなく、矯正費用にも影響し、主桁の外観品質やクレーンの安全な使用などにも関わる。したがって、合理的かつ正しい矯正方法は極めて重要であり、決して軽視してはならない。

現状において、主桁の変形が生じた場合の矯正方法としては、「火炎矯正法」、「プレストレス法」、「繰り返し溶接法」、「切断法」、および「局部切込み・パッド挿入法」などが存在します。 具体的にどの方法を採用するかは、実際の状況に基づいて判断する必要があり、一律に決まるものではありません。各種方法の特徴、適用範囲、留意点などの知識を熟知して初めて、正確かつ適切な矯正案を選択し、ひいては比較的理想的な矯正効果を得ることができるのです。

1、火炎修正法

炎による矯正法については、その原理は、金属構造物を局所的に加熱し、その一部の部位に「塑性圧縮」を生じさせ、冷却後に残留する局所的な収縮応力を利用して、変形を矯正する効果があるというものである。

主梁のアーチ状の反りを矯正するための加熱領域を図1に示す。

アーチ状の変形が不十分な場合は、加熱プレート下方の三角領域および下側のカバープレートの長方形領域を対象とし、反り上がりが不十分な場合は、加熱カンチレバーのウェブ上方の三角領域および上側のカバープレートの長方形領域を対象とする。加熱点のサイズ、個数、および位置については、変形の具体的な状況に応じて決定する必要がある。ただし、以下の点に必ず留意すること：

加熱温度が低すぎれば、明らかに不適切である。一方、800℃を超えると、やはり最良の選択とは言えない。700～800℃の範囲こそが、最も適している。この温度まで加熱すると、低炭素鋼という金属の降伏限界が徐々にゼロに近づき、いわゆる「熱間炭素鋼」の状態となるため、最終的に最も理想的な矯正効果が得られる。

同じ箇所を繰り返し加熱することはできません。繰り返し加熱すると、効果が得られないだけでなく、金属の組織にも損傷を与えることになります。

（C）加熱点は仕切り板の位置に配置すべきである。これにより、ウェブのうねりを低減することができる。

加熱箇所は危険断面を避ける必要がある。加熱矯正を行った後、加熱された箇所の応力が増大するため、危険断面にかかる負荷応力も同様に増大し、その結果、変形が生じやすくなる。

（E）, 主梁が変形した後は、主梁の補強が必要となる。これは、矯正後に主梁にかかる応力がかなり大きくなるためである。さらに、長年の使用により、金属材料は徐々に疲労し、剛性が低下します。補強を行わないと、矯正効果を維持できないだけでなく、かえって変形がさらに深刻化してしまいます。したがって、矯正後は必ず補強を行う必要があります。一般的に、補強方法は、主桁のスパン範囲内で、下側板の両側にチャンネル鋼を使用し、ウェブ部分に下側板をもう1層追加して主桁の断面を拡大するというものです。

炎の補正法の利点は

矯正による効果は比較的満足のいくものであり、特に比較的硬い素材の曲がり部分に対しても、同様の効果を発揮することができる。

••••施工方法も比較的簡単です。

そのため、火炎補正法は広く用いられている。しかし、この補正方法には以下のような欠点がある：

火炎矯正の際、「プレス成形」効果を得るためには、主桁の矯正箇所を持ち上げて、加熱部に圧縮応力をかける必要がある。そうしなければ効果が得られず、その結果、施工の難易度が高まってしまう。

炎による加熱は仕切り板の付近で行われているものの、ウェブや上板には依然としてかなりの波打ちが生じている。

•炎による矯正後は、主梁を補強しなければならない。そうしないと、さらに深刻な変形が生じる。

上記の議論を踏まえると、通常、局所的な硬い曲がりに対する矯正を除き、火炎矯正法の採用は推奨されません。しかし、I形鋼やチャンネル鋼などの大型形鋼については、矯正や逆変形を行う際に、火炎矯正法を用いるのが最も理想的です。大型プレス機を必要とせず、 広大な作業場も必要とせず、形鋼の曲がり具合に応じて数か所の加熱点を適切に選定し、立面では三角形、平面では長方形に加熱します。加熱点の大きさや数は変形の程度に基づいて決定され、これにより即座に矯正が可能となり、労力を節約しつつ迅速に作業を進めることができます。

2、プレス方法

プレストレス法を用いて主桁のたわみを補正する原理は、主桁の下にあるカバープレートの両端を固定支座で支え、プレストレスを加えて複数の鉄筋またはワイヤーロープを張ることで、主桁に曲げモーメントを作用させることにある。 この曲げモーメントの作用下で、主梁の上部は引張応力を受け、下部は圧縮応力を受けます。この曲げモーメントを利用して、主梁を元のアーチ形状に復元させ、その後、図2に示すように構造体を設置します。主桁に荷重が作用する際、使用時の応力は鉄筋のプレストレスの方向とちょうど反対になります。これにより、鉄筋のプレストレスが使用時の引張応力の一部を相殺し、ひいては主桁の耐荷重能力を向上させることができます。

図2

プレストレス法は、主桁のたわみを補正する有効な手法である。以下の利点がある：

補正を行った結果、アーチの高さの値は正確になり、比較的安定するようになった。また、使用中に生じる変化に応じて、随時調整を行うことも可能である。

•矯正後、主梁の強度と剛性が向上する；

•補正工事の施工方法は簡便で、実施しやすく、工期が短く、費用も安い。

しかし、次のような欠点もある：

•橋（ゲート）型クレーンの箱形主桁のたわみの補正にのみ適用されます；

この方法は、主桁の水平曲げに関する状況、主桁の局所的な変形、およびガントリークレーンのカンチレバーたわみの補正などには適用できません。

•矯正後の見た目が良くない。

プレストレス工法は、クレーンが以下の条件を備えている場合に最も適している：

•長年にわたりクレーンを運用してきた；

•主梁の剛性が不足しており、耐荷重能力が低い；

•クレーンが長期間にわたって定格荷重で稼働している；

•劣悪な労働環境など。

3.繰り返し溶接法

繰り返し溶接法の原理は、主要な溶接部に大電流を流し、繰り返し溶接を行うことで、その際に生じる溶接変形を利用して既存の変形を補正し、それによって変形の補正を図るというものである。例えば、主桁のアーチ度を増大させる必要がある場合、主桁下部のカバープレートとウェブの2か所の隅肉溶接部に繰り返し溶接を行う。溶接部が冷却収縮する際に生じる応力により、上向きのアーチ度が増大する。水平方向の横曲がりを減少させる必要がある場合は、凸面ウェブと上下のカバープレートの2か所の隅肉溶接部に繰り返し溶接を行うことで、水平方向の横曲りを減少させることができる。溶接電流および繰り返し溶接の長さは、補正の程度に応じて決定する必要があり、過度な補正を避け、その後、逆方向に補正することのないようにしなければならない。

長年の実践により、この矯正方法が最も優れており、正確かつ効果的で、変形過程が滑らかであり、外観上の欠陥も生じないことが実証されています。この方法は、アーチ反りの補正、水平方向のたわみの補正、さらには橋形クレーンの2本の主桁の同一断面における高低差が大きい場合の補正などにも適用可能であり、実用的、経済的、簡便、品質良好、迅速といった多くの利点を備えている。しかし、箱桁の特定の箇所に硬い曲がりがある場合や、主桁が長期使用により剛性を失い、大きな変形が生じている状況においては、この方法は適用できません。

4.切断方法

初期の主桁製作時と同様に、溶接収縮応力を利用して上拱を形成するという原理に基づき、溶接変形を利用して主桁の拱度を改善することができる。しかし、必要な溶接変形を発生させるためには、通常、大きな溶接電流が必要となるが、これにより上部カバープレートが溶け抜けたり、収縮孔などの溶接欠陥が生じたりする恐れがある。さらに、溶接熱変形を利用する場合、変形量や変形方向を制御することが難しく、主桁の他の技術パラメータが許容範囲外となる原因になりやすい。

特定の状況下では、主桁自体の重量がアーチ状のたわみに及ぼす作用を利用して、主桁の上部プレートに切断加工を施すことが可能である。切断完了後、切断箇所において主桁の断面積の曲げ弾性係数が低下し、その結果、主桁の曲げ耐力が弱まることになる。主桁の自重が作用すると、機械的変形が生じ、スパン中央部の上拱量は減少し、片持ち端部の上拱量は増加する。この方法を採用すれば、修正工程全体および変形量の制御を比較的容易に行うことができる。ただし、切断部位周辺の主ウェブおよび副ウェブについては、主桁がウェブに垂直な方向に軸回転変形を生じるため、ウェブの波打ち誤差が許容範囲を超えてしまう可能性があることに留意し、十分な対策を講じる必要がある。

実践により、この手法は実現可能性が高く、操作も簡便で管理しやすいことが実証されている。主桁が恒久変形を経た後も、通常はその本来の技術データを良好に維持することができ、経時変化による内部応力の解放や熱変形の後でも、技術パラメータに大きな変動が生じることはない。したがって、切断法は、主桁のアーチ反り量が許容範囲を大幅に超えている場合において、極めて優れた新規主桁の修正方法である。この方法は、カンチレバーの高さ過大（スパン内は基準を満たしている）、スパン内での過高（カンチレバーが基準内）や、その他の上拱・上翘に関する不具合の調整にも適用可能です。主桁を空中で支える際に、異なる支持位置を選択し、異なる切断部位を決定するだけで、期待される目標を達成することができます。注意すべき点は、補正量が比較的大きい場合、ウェブの変形を防ぐために、施工上の対策を講じることが不可欠であるということだ。

上記で挙げた4つの方法以外に、局所加熱法などその他の方法については、ここでは詳しく説明しない。要するに、各種の矯正方法の選定にあたっては、矯正対象となる設備の具体的な状況を踏まえ、全面的かつ綿密な分析を行った上で、どの方案を採用するか、あるいは複数の方案を組み合わせて適用するかを決定し、最短の期間と最小の費用で、最良の成果を得る必要があります。