内部FRP棒を併用したコンクリート充填FRP巻き管状アーチの曲げ挙動

過酷な地下環境に強いトンネル支保工

現代の都市や交通網はますますトンネルや地下空間に依存していますが、それらを支えるコンクリートや鋼材は時間とともに静かに劣化することがあります。暗く湿った、化学的に攻撃的なこともある地下環境は鋼材を腐食させ、コンクリートを損なうため、維持費や安全性の懸念が高まります。本研究は、さびやすい鋼材をガラス繊維強化複合材（GFRP）と特別に強化したコンクリートで置き換える新しいトンネル支保アーチを検討し、従来材料が苦手とする環境でも長期間の耐力を提供することを目指します。

新しいタイプの保護アーチ

研究者らは、製造段階で自動化により予め曲げ加工されたガラス繊維強化ポリマー（GFRP）管から作るアーチ形状の支保材に注目しました。これらの管は高強度のグラウト（細目のコンクリート）で充填され、さらにアーチに沿って配置された細い内部GFRP棒で強化されます。GFRPは錆びないため、トンネルや暗渠、防護構造など湿潤で酸性や塩分の影響を受けやすい地下環境にとって特に有望です。研究チームは、こうした曲げ管を一貫した品質で生産できる産業用フィラメントワインディング工程を開発し、複合材アーチの大規模利用に向けた重要な障壁に対処しました。

アーチの実地試験

これらの複合アーチの性能を評価するため、著者らは寸法と形状を固定した18本のアーチ試験体を作製し、内部の配置を変えて試験しました。中には中空のGFRP管のもの、グラウトのみで充填されたもの、グラウトに加えて内部に4本のGFRP棒が入ったものが含まれます。また管厚さも3、5、7ミリで変化を付けました。各アーチは両端を固定し、頂部で下向きに押し下げる万能試験機で荷重を与える条件とし、中央スパンで明確かつ厳しい曲げ状態が生じるようにしました。荷重中にアーチのたわみ、ひび割れ、曲線周辺のひずみを記録し、損傷の進行に伴う内部力の変化を追跡しました。

厚さと内部棒が示す挙動の違い

実験から、単純にGFRP管の厚さを増すだけで、破壊前にアーチが負担できる荷重が大幅に増加することが示されました。中空およびコンクリート充填の両方で、最薄管から最厚管へ移ると最終耐力がおおむね倍増し、厚い管は初期の弾性領域でも剛性を高めました。管をコンクリートで充填することも強度とエネルギー吸収能力に大きく寄与しました。しかし最大の飛躍は内部GFRP棒の追加によって得られました。中空管と比べて、コンクリートと内部棒を併せ持つアーチは約2.5倍からほぼ4倍の荷重を支え、容量を失う前に許容される変形量も2倍以上になりました。計算によれば、断面積のごく一部を占める棒が総耐荷力のおよそ半分を担い、コンクリートは安定した寄与をし、管体は引張に抵抗するとともに圧縮側でコンクリートを拘束する役割を果たすと推定されます。

試験データから設計予測へ

試験に加え、著者らはアーチの頂部に集中荷重が作用する場合の支持能力を見積もる簡易計算モデルを構築しました。アーチを両端固定で、曲げが最も厳しい4箇所に“塑性”ヒンジが形成されると扱い、曲線の管状断面を等価な矩形に換算して、拘束コンクリートおよび引張下のGFRPに関する既存の式を用いてこれらヒンジの曲げ強さを導出し、そこから全体の最終荷重を算定しました。内部棒を含むアーチについてこれらの予測を試験結果と比較すると、差は約10％程度であり、この特定のアーチ形状と荷重条件に対してモデルが本質的な挙動を捉えていることを示唆します。

地下構造物の将来に向けて

平たく言えば、本研究は内部に繊維棒を持つコンクリート充填GFRPアーチが、従来のコンクリートアーチよりも高強度で粘り強く、かつ鋼材が被りがちな腐食に強いことを実証しています。工業的に生産された複合管、拘束されたコンクリートコア、高強度の内部棒の組み合わせにより、大きな荷重に耐えながら急激な崩壊を伴わずに変形できる支保構造が得られます。現時点で設計規則は試験したアーチに類似した形状に対してのみ検証されていますが、本結果はメンテナンスを低減しつつ地下インフラをより安全で長寿命にする、耐久性と軽量性を備えた新しいライナーや保護アーチ群への道を示しています。

引用: Li, B., Yang, Z., Qi, Y. et al. Bending behavior of concrete-filled FRP wound tubular arches with internal FRP bars. Sci Rep 16, 7876 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38886-w

キーワード: トンネル支保工, 繊維強化ポリマー, コンクリートアーチ, 耐食性, 地下構造物