新幹線RCラーメン高架橋の耐震性能評価および復旧方法に関する研究

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Title

新幹線RCラーメン高架橋の耐震性能評価および復旧方法に

_{関する研究( 本文(Fulltext) )}

Author(s)

稲熊, 弘

Report No.(Doctoral

Degree)

博士(工学) 甲第272号

Issue Date

2006-03-25

Type

博士論文

Version

publisher

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12099/2969

※この資料の著作権は、各資料の著者・学協会・出版社等に帰属します。

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新幹線RCラーメン高架橋の耐震性能評価

および復旧方法に関する研究

Seismic.resistanCeeValuationandther印alrmethodfor

ShinkansenRCviaducts

学位論文:博士(工学)甲ユフ乙

2006年1月

稲熊

弘

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既存の鉄道土木構造物の耐震補強の要否を決定するためには,耐震性能を正しく評価することが重要である･また,耐震補強を施したとしても,想定された地震力よりも大きい場合や震源地からの距離などの要因により,構造物が損傷を受ける場合も想定される･新幹線は日本における重要な社会基盤である.特に,東海道新幹線は,関東と関西を結ぶ大動脈基幹であり,地震などの災害に対して,乗客の人命の安全確保のほか,地震から災害を防ぐ必要がある.また,仮に災害を受けたとしても,早期に列車運行を復帰することが望まれる.東海道新幹線の土木構造物を地震から守るためには,当該構造物の耐震性能を的確に評価して,耐震補強の要否を判定し,耐寮補強を施工する必要がある･また,地震発生後の新幹線のダウンタイムを短縮するためには,地震による構造物の損傷箇所や損傷度の予測,損傷度に応じた補修･補強･取替の判定基準およびその対策方法を確立しておく必要がある. 研究の目的は,東海道新幹線の土木構造物のうち,RCラーメン高架橋を対象に,耐震性能を精度よく評価できる方法を提案するとともに,想定外の大規模地震が発生した場合におけるRCラーメン高架橋の損傷する部位および損傷度の評価,残存耐力の推定, ならびに,損傷レベル4(耐力低下嶺域における降伏荷重点以降の損傷)まで損傷した無補強RC柱および耐震補強RC柱について,補修による可能性を検討することである. 本論は8章立ての構成であり,各章における目的,検討方法および結論を以下に示す. 第1章では,研究の背景,研究の目的と方法,既往の研究および論文の構成を示した. 第2章では,鉄道構造物に被害を及ぼした主な地震について,鉄道構造物の被害の特徴と,その被害を教訓とした耐震設計上の起点事項を示した.また,兵庫県南部地震における新幹線高架橋の応急復旧方法を示した.さらに,東海道新幹線の土木構造物の種別と,これまで実施されてきた様々な地震対策を示した. 第3章では,東海道新幹線高架橋の耐震性能を精度よく評価できる手法を提案することを目的として,静的正負交番載荷試験を実施した東海道新幹線の実高架橋を対象に, 鉄道構造物等設計標準･同解説(耐震設計)に基づき,耐震性能を評価するプッシュオーバー解析を実施し,実験結果と解析結果を照合することにより,評価手法の精度検証を実施した･その結果,柱部材のY点(降伏荷重点)からM点(最大荷重点)および N点(耐力低下嶺域の降伏荷重点)付近の荷重の大きさに違いがあるものの,本評価手法は高架橋の耐震性能の評価に,適用可能であることが明らかとなった.また,高架橋の損傷部位は,実験結果と解析結果は同一であり,本評価手法は,損傷部位も精度良く推定できることが明らかとなった. 第4章では,無補強RC柱および鋼板巻き補強RC柱を対象に,高架橋柱上端部の地震時損傷状況の把握,柱上下端部における保有性能の相違,柱上端部における鋼板巻き補強の効果,ならびに鋼板巻き補強による接合部材への影響を把握することを目的として,新幹線高架橋のRC柱を模擬した試験体を用いた静的正負交番載荷試験を実施した. その結果,東海道新幹線の高架橋に特化しているが,損傷する部位を把握し,RC柱の

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ーⅠ-Y点,M点,N点およびN点以降における損傷状態を示した.また,柱上下端部の耐震性能には大差がないこと,鋼板巻き補強は,柱上端部においても脆性破壊を防止し, じん性率を10以上に改善できること,ならびに鋼板巻き補強により,接合部に損傷が集中するが,縦梁や横梁には大きな損傷を及ぼさないことも明らかとなった･第5章では,東海道新幹線の高架橋を対象に,無補修で列車の運行を再開できる損傷度,および余震による高架橋の倒壊を防止するための仮受け措置が必要な損傷度の指標を確立するための基礎研究を行うことを目的として,新幹線高架橋のRC柱を模擬した同一の2体の単柱試験体を用いて,それぞれ交番載荷の繰返し回数が3回と1回で異なる静的正負交番載荷試験を実施した.また,実高架橋の交番載荷試験データを分析し, 単柱試験体との比較検証を試みた.その結果,仮受け措置が必要な損傷度は,M点以降の損傷度,あるいは柱部材のかぶりコンクリートが剥離,剥落した場合を実務上の判断指標と提案した.無補修で列車の運行を再開できる損傷度は,繰返し載荷回数が1回の範囲では,常時の列車走行荷重に対する軸力保持という観点においては,N点程度であることがわかった. 第6章では,損傷レベル4まで損傷した無補強RC柱を対象に,補修による可能性と修復方法を検討することを目的として,新幹線高架橋の無補強RC柱を模擬した試験体を用いて,静的正負交番載荷試験により一度試験体に損傷を与え,補修後,再度同一載荷の静的正負交番載荷試験を実施し,修復による復元効果を検討した･その結果,軸力が保持できなくなったRC柱でも,エポキシ樹脂によるひび割れ注入,損傷した帯鉄筋の交換･整正,エポキシ樹脂モルタルを用いた断面修復による補修を施すことにより,初期剛性を除いて,保有性能は損傷前の性能と同等以上に復元できることが明らかとなった. 第7章では,損傷レベル4まで損傷した鋼板巻き補強RC柱を対象に,補修による可能性と修復方法を検討することを目的として,新幹線高架橋の鋼板巻き補強RC柱を模擬した試験体を用いて,第6章と同様の実験方法により検討した･その結果,N点までであれば,柱基部のひび割れ注入および断面修復,接合部内の帯鉄筋の整正,接合部の鋼板接着を施すことにより,保有性能は損傷前の性能と同等以上に復元できることが明らかとなった. 第8章は,本研究の結論と今後の課題を記述した･

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目

次

第1章序論………‥1 1.1研究の背景………･1 1.2 研究の目的と方法………･2 1.2.1高架橋の耐震性能評価………･3 1.2.2被災高架橋の損傷評価………･3 1.2.3被災高架橋の残存耐力の推定………･5 1.2.4損傷レベル4まで被災した無補強RC柱の補修方法の検討…………･7 1･2･5損傷レベル4まで被災した鋼板巻き補強RC柱の補修方法の検討……･8 1.3 既往の研究………･9 1.3.1高架橋の耐震性能評価………∴………9 1.3.2被災高架橋の損傷評価………･9 1.3.3被災高架橋の残存耐力の推定………10 1.3.4損傷レベル4まで被災した無補強RC柱の補修方法の検討…………11 1･3.5損傷レベル4まで被災した鋼板巻き補強RC柱の補修方法の検討……12 1.4 論文の構成………12 参考文献………15 第2章鉄道構造物の過去の地震による被害と応急復旧………‥20 2･1鉄道構造物に被害を及ぼした大規模地震………･20 2･1･1関東地震………20 2･1･2十勝沖地震………･22 2･1.3宮城県沖地震………‥23 2･1･4兵庫県南部地震………24 2･2 兵庫県南部地震における被災高架橋の応急復旧方法………26 2･2･1山陽新幹線………･26 2･2･2東海道新幹線………‥27 2･3 東海道新幹線の土木構造物………･28 2･4 _{東海道新幹線の地震対策………30} 2･4･1盛土の耐震強化対策………‥30 2･4･2橋梁の耐震補強………･30 2･4･3まとめ………35 参考文献………36 第3章高架橋の耐震性能評価………38 3･1研究の背景と目的………38 3･2 検討方法………‥38

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3.2.1検討方法 ……… 38 3.2.2評価対象高架橋……… 39 3.2.3交番載荷試験………‥40 3.2.4評価方法 ………‥………･43 3.3 検討結果と考察………‥50 3.3.1実験結果 ……… 50 3.3.2解析結果……… 51 3.3.3解析値と実験値との荷重一変位関係の違いに関する検討…………･55 3.4 まとめ _{………･56} 参考文献………‥∴57 第4章被災高架橋の損傷評価………･58 4.1研究の背景と目的……… 58 4.2 _検討方法 ………‥ 58 4.3 交番載荷試験 _{………･59} 4.3.1試験体の概要 ………‥ 59 4.3.2載荷方法 ……… 63 4.4 実験結果と考察………‥ 66 4.4.1荷重一変位関係と損傷状況 ………‥ 66 4.4.2初期剛性の比較……… 77 4.4.3 じん性率の比較 ……… 77 4.4.4等価粘性減衰定数の比較…‥･‥‥‥･‥‥･‥…‥‥‥‥･‥‥‥‥78 4.4.5柱上端部と柱下端部の損傷状況の比較………･79 4.4.6無補強柱と鋼板巻き補強柱との損傷状態の比較………‥80 4.5 まとめ _{………･81} 参考文献……… 82 第5章被災高架橋の残存耐力の推定………84 5.1研究の背景と目的……… 84 5.2 検討方法 ………‥ 85 5.3 仮受け措置が必要な損傷度に関する検討………･86 5.3.1RC単柱試験体の交番載荷試験………86 5.3.2実高架橋の交番載荷試験………･99 5.4 無補修で列車の運行を再開できる損傷度に関する検討………101 5.5 まとめ _………102 参考文献………‥103 第6章損傷レベル4まで被災した無補強RC柱の補修方法の検討…………‥104 6.1研究の背景と目的………‥104 6.2 検討方法………･104

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6.3 交番載荷試験………105 6.3.1試験体の概要………･105 6.3.2載荷方法………‥108 6.3.3補修方法………‥110 6.4 実験結果と考察………･113 6.4.1損傷度の違いによる復元効果………‥113 6.4.2補修材料の違いによる復元効果………122 6.4.3 繰返し載荷回数が3回と1回との違いおよびひび割れ注入範囲の違いによる復元効果………･134 6.4.4 試験体の形状の違いおよび断面修復材の補修厚さの違いによる復元効果………141 6.5 まとめ _………148 参考文献………‥150 第7章損傷レベル4まで被災した鋼板巻き補強RC柱の補修方法の検討……‥151 7.1研究の背景と目的………‥151 7.2 _{検討方法‥‥…‥‥‥‥‥‥‥‥…‥…‥…‥…‥……‥…‥‥151} 7.3 交番載荷試験………151 7.3.1試験体の概要………･151 7.3.2載荷方法………‥154 7.3.3補修方法………‥155 7.4 実験結果と考察………･157 7.4.1試験体の損傷状況の評価………157 7.4.2固有振動数の復元率の比較………･161 7.4.3初期剛性の復元率………162 7.4.4最大荷重時の荷重復元率………162 7.4.5じん性率の復元率………163 7.4.6エネルギー吸収能力の復元力 _{………‥164} 7.4.7軸力抵抗の復元力………165 7･5 まとめ………166 参考文献………‥166 第8章結論………168 8･1本章の概要………‥168 8･2 本論から得られた知見…‥‥‥…･…‥‥‥‥‥‥…‥‥‥‥‥‥…168 8･2.1高架橋の耐震性能評価………‥168 8･2･2被災高架橋の損傷評価………･一…･168 8･2･3被災高架橋の残存耐力の推定………‥169 8･2･4損傷レベル4まで被災した無補強RC柱の補修方法の検討………‥169 8■2･5損傷レベル4まで被災した鋼板巻き補強RC柱の補修方法の検討…‥171 - ₁₁₁

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-8.3 今後の課題 _{………‥171}

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第1章

序論

1.1研究の背景日本は,世界でも有数の地震多発国であり,はぼ毎年,マグニチュード5.5クラス以上の地震が,国内あるいは日本近海に発生している.そのうち,土木構造物や建築物に被害を引き起こす可能性のある地震は,活断層による地震では10年に1度,海溝型地震では20年に1度程度の高い確率1)で発生している. 東海道新幹線は,東京オリンピックの主要輸送機関として,また,日本経済の高度成長発展への原動力として,1964年10月1日に開業された.東海道新幹線の土木構造物は,1923年に発生した関東地震などの過去の大地震による構造物の被災状況を鑑み, 大地震が発生しても致命的な損傷が生じないように,震度法による耐震設計法2)で設計された. その後,東海道新幹線の管内である静岡県を中心とする東海地区において,大陸プレートの移動で蓄積された地殻ひずみにより引き起こされる巨大地震である東海地震3) の発生が予測されている.この東海地震は,東海道新幹線の土木構造物の耐震設計で考慮された地震動よりも,大きい地震動であるため,日本国有鉄道において,サイスミック･マイクロゾーニング4)による検討手法により,土木構造物の耐震補強の必要性について検討された.その結果,東海道新幹線では,想定震源地から被害が想定される新横浜駅∼豊橋駅間の土木構造物を対象に,1980年以降,RCラーメン高架橋の目違い防止対策,橋脚躯体の耐力補強,盛土の円弧すべり防止対策,トンネル覆エコンクリートの変形防止対策など,種々の耐震補強5)が実施されてきた. 一方,1995年1月17日に発生した兵庫県南部地震では,山陽新幹線をはじめ,東海道新幹線,東海道本線,阪急神戸線,阪神本線などの鉄道で大きな被害を受けた6).被害を受けた鉄道コンクリート構造物の主な種類としては,RCラーメン高架橋(以下, 高架橋)やRC橋脚であり,特に,甚大な被害を受けたのは高架橋で,山陽新幹線では倒壊したものもあった.高架橋の倒壊原因は,当該高架橋の設計地震力よりも遥かに大きな地震力が作用したことと,柱の破壊形態がせん断破壊先行型であったことである. この倒壊原因と被災状況を鑑み,鉄道の高架橋柱については,列車の長期不通防止を目的として,せん断破壊先行型の柱を対象に緊急耐震補強7)が実施されている.高架橋柱の耐震補強の効果については,平成16年10月23日に発生した新潟県中越地震において,上越新幹線の緊急耐震補強対策対象外の高架橋の一部の柱部材に損傷8)を受けたが, 鋼板巻き補強された柱には目立った損傷は無く,実構造物において,耐震補強の効果が実証された.また,兵庫県南部地震における阪神高速道路のピルツ橋脚や山陽新幹線の武庫川橋梁の被害を受け,東海道新幹線では,RC橋脚についても,途中定着部の曲げ破壊防止およびせん断破壊防止を目的に,東海地震対策5)とは別に,東京駅∼新大阪駅 -

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1-間の全線を対象に,耐震補強9)!10)が実施されている. 以上のように,東海道新幹線の土木構造物においては,長期不通防止を目的とした地震対策が数多くなされている.しかしながら,東海地震,南海地震,東南海地震などの大規模地震の到来が予測されるなか,耐震補強された高架橋柱でも,地震動が想定されたものよりも大きい場合や,震源地からの距離や地盤種別などの立地条件によっては, ある程度の損傷を受ける可能性も考えられる.また,経年による材料劣化や建設時の施工の不具合などが有る場合には,想定外の損傷の発生も考えられる.鉄道は,救援の人や物資などの輸送基幹であり,震災後の社会復興には重要な役割を担う.そのため,鉄道のダウンタイム(列車運行休止期間)の短縮には,事前対策としての構造物に致命的な損傷を生じさせないための耐震補強のはか,事後対策として,損傷を受けた構造物の応急復旧方法を確立しておく必要がある. 高架橋の応急復旧方法を確立するためには,当該構造物の耐震性能の推定,損傷が発生する部位の予測,損傷度の評価,残存耐力の推定,さらに,損傷度に応じた補修方法あるいは取替方法を整備しておく必要がある. 本研究は,東海道新幹線の高架橋を対象に,高架橋の耐震性能を精度よく評価できる手法を検討するものである.また,耐震補強を施した高架橋および耐震補強を施していない高架橋のそれぞれについて,設計保有耐力以上の大規模地震により被災を受けた場合の損傷する部位の予測,損傷度の評価方法および残存耐力の推定方法の検討を行い, さらに,大損傷を受けた高架橋を早期に復旧できる補修方法を検討するものである. 1.2 研究の目的と方法既存の鉄道土木構造物の耐震補強の要否を決定するためには,保有する耐震性能を正しく評価することが重要である.また,耐震補強を施したとしても,想定された地震力よりも大きい場合や震振地からの距離などの要因により,構造物が損傷を受ける場合も想定される.新幹線は日本における重要な社会基盤である.特に,東海道新幹線は,関東と関西を結ぶ大動脈基幹であり,地震などの災害に対して,乗客の人命の安全確保のほか,地震から災害を防ぐ必要がある.また,仮に災害を受けたとしても,早期に列車運行を復帰することが望まれる.東海道新幹線の土木構造物を地震から守るためには, 当該構造物の耐震性能を的確に評価して,耐震補強の要否を判定し,耐震補強を施工する必要がある.また,地震発生後の新幹線のダウンタイムを短縮するためには,地震による構造物の損傷箇所や損傷度の予測,損傷度に応じた補修･補強･取替の判定基準およびその対策方法を確立しておく必要がある. 本研究では,東海道新幹線の土木構造物のうち,高架橋を対象に,耐震性能を精度よく評価できる方法を提案するとともに,想定外の大規模地震が発生した場合における高架橋の損傷する部位および損傷度の評価,残存耐力の推定,ならびに,損傷レベル411) (耐力低下領域における降伏荷重点以降の損傷)まで損傷した無補強RC柱および耐震補強RC柱について,補修による可能性を検討することを目的とする.

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1.2.1高架橋の耐震性能評価鉄筋コンクリート構造物は,自然災害による損傷や老朽化による変状などによる不具合の事象を踏まえ,設計手法や設計に用いる作用の大きさなどが変更され,鉄筋コンクリート構造物の設計基準は更新されてきた.また,鉄道高架橋においても,設計基準の変遷により,構造形式やディテールの細部が更新され,時代の経過とともに新しいタイプの高架橋が建設されている.鉄道の設計基準の変更の大きな起点としては,平成4年に許容応力度設計法12)から限界状態設計法13)に変わった.また,平成11年には地震の影響に関する照査において,RC部材の非線形領域を考慮した耐震設計手法‖)に更新した.この手法では,RC部材の骨格曲線をテトラリニア型モデルにより,一部の部材が耐力の下降域に入った場合の構造物の挙動を考慮している.また,本手法は,既存RC 構造物の耐震性能を評価するうえでも活用されている.しかしながら,この手法における部材角の算定式は,新しい設計標準1りに基づいた構造ディテールのRC単柱試験体を用いた静的正負交番載荷試験(以下,交番載荷試験)の結果により,提案されたものであり,構造ディテールが異なる構造物に対しての評価精度は確認されていない.また, 高架橋などの不静定構造に対しての精度についても未解明である, 東海道新幹線の高架橋は,柱の高さの1/2の間の重量に対する水平力がラーメンの水平部材の軸線に作用するものとして,死荷重の20%を作用力として設計2)された.また, この作用力に対するRC部材の照査方法は,弾性範囲内における降伏点の照査であり, この時代の設計2)では,非線形領域の挙動を考慮されていない.構造ディテールについても,RC柱の帯鉄筋の定着方法は1350の折り曲げフック定着であり,柱の軸方向鉄筋の定着方法も現行の基準と異なっているため,現行のテトラリニア型モデルによる解析手法により,不静定構造である東海道新幹線の高架橋の耐震性能を精度良く評価できるかどうかは未解明である. 研究の目的は,昭和30年代に設計された東海道新幹線高架橋の耐震性能を精度よく評価できる手法を提案することである. 研究の方法は,交番載荷試験を実施した東海道新幹線の実高架橋を対象に,現行の鉄道耐震標準11)の解析モデルに基づいたプッシュオーバー解析を実施し,耐震性能を推定した.これらの実験値と解析値を比較検証することにより,評価手法の精度を検討した. 本検討は第3章で示す. 1.2.2 被災高架橋の損傷評価兵庫県南部地震では,東海道新幹線の高架橋の一部で被災した.被災した高架橋の損傷部位は,柱部材が主であり,その損傷度としては,一番大きな損傷でも被りコンクリートの剥落が生じた程度で,柱の軸方向鉄筋は健全であり,損傷レベル3‖)程度のものであった･東海道新幹線の高架橋では,開業以来,損傷レベル4のような大きな損傷を受けていない･そのため,高架橋が終局状態に至る損傷レベル4における損傷状態は未 -3

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-解明である.特に,東海道新幹線高架橋の柱の帯鉄筋の定着方法はフック定着であるため,曲げ破壊型の柱であっても,大変形嶺域の損傷状態を把握しておく必要がある.また,兵庫県南部地震以降の緊急耐震補強では,せん断破壊先行型の柱を対象に,鋼板巻き補強14)が実施されており,これにより,柱と梁の剛比が変わることが考えられるが,柱の大変形簡域における梁への影響も未解明である.さらに,これまでのRC柱の交番載荷試験で用いられている写真1.1一般的な試験体試験体は,写暮1.1に示すようなフーチング部が損傷しない試験体が採用されてきた. これらの研究の試験体の形状は,RC柱本体に対する補強性能の確認を目的としているため,基礎部は剛体平面基礎であることが通例である.しかしながら,実際の鉄道高架橋の柱上部では,ハンチを有し,縦梁および横梁等の部材と剛結されている.また, これまでの耐震補強の考え方では,部材接合部はフーチング基礎部と同様に,剛域として取り扱われているが,この剛域の構造細目は,柱の耐震補強を考慮したものではない.さらに,高架橋の柱は,コンクリート打設時のブリージングの影響により,柱上端部は柱下端部に比べてコンクリートの品質が低下しやすいため,地寮時の柱部材の損傷は柱上端部に生じることが考えられる.特に,東海道新幹線の高架橋においては,建設時の施工が急速施工であったことや,杭基礎構造でも地中梁がないため,柱上端部の剛度が柱下端部よりも大きいことを考慮すると,地震時の柱部材の損傷は柱上端部に集中すると推測される.また,高架橋の検討断面については,不静定次数が少なく,柱の軸線で非対象な橋軸直角方向で照査する必要がある.これは,東海道新幹線の高架橋の橋軸方向は,図1.1に示すように,高架橋ブロック間の接続形式は張り出しスラブの突合せであるため,地震時には揺れにくい構造である.一方,橋軸直角方向は楕軸方向のように拘束されるものがないため,揺れやすい.兵庫県南部地震においても,橋軸直角方向における損傷が顕著であった7).したがって,高架橋柱の保有性能や耐震補強工法の効果を確認するためには,柱単体の性能を確認するだけでな /(､＼り出しスラ ≡戸トキ 2 ‖ u n □ 図1.1東海道新幹線高架橋の接続個(横軸方向)

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く,梁および部材接合部を含めた試験体で実施する必要がある. 研究の目的は,曲げ破壊先行型の高架橋柱およびせん断破壊先行型柱に鋼板巻き補強を施した高架橋柱について,大変形嶺域における上層梁および桂と梁との接合部を有する高架橋柱上端部の地震時損傷状況を把握すること,柱上端部における鋼板巻き補強の効果を把握すること,ならびに鋼板巻き補強による接合部材への影響を確認することである. 写真1.2 亘式臆件の模擬部分研究の方法は,写真1.2に示す,実際の高架橋の柱上端部を模擬した,スラブ,縦梁,横梁と柱との接合部を有する無補強試験体(写真1.3)および鋼板巻き補強試験体を用いて,横梁により非対称断面となる高架橋の橋軸直角方向を対象に, 交番載荷試験を実施した.本検討は第4章で示す. 1.2.3 被災高架橋の残存闇力の推定鉄道においては,地震の規模にもよるが,地震が生じた場合には列車を停止し,構造物の損傷の有無について調査が行われる.特段,損傷がなけ写暮1.3 本研究での試験体れば,そのまま列車の運転は再開されるが,地震により構造物がある程度の損傷を受けていたとき,列車運行再開の可否,補修の要否, 余寮による倒壊防止のための応急処置の要否の判断が要せられる.しかしながら,これらを判断するための指標となるものはなく,過去の地寅におけるケースにおいては, 学識経験者あるいは技術者の指導により決定されているのが実情である.気象庁震度階級関連解説表(抜粋)を表1.1,束海地震の強震波形計算により想定される震度分布図を図1.2に示す.特に,到来が予測されている東海地震では,耐震性が高い鉄筋コンクリート造の建物でも,壁,梁,柱などに大きな亀裂が生じるものがある｢震度階級5強15)｣は,広域な範囲で発生するとの予測咽である. 東海地震のような大規模かつ広域な地震により,高架橋が損傷を受けた場合には,列車の運行再開の可否の判断や,余震による構造物の倒壊防止を施すための仮受け措置の要否を判断するために,構造物の損傷評価ならびに残存耐力を把握する必要がある. 研究の目的は,新幹線の高架橋について,無補修で列車の運行を再開できる損傷度と, 余震による高架橋の倒壊を防止するための仮受け措置が必要な損傷度の指標を確立す

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るための基礎研究を行うことである. 研究の方法は,余震による高架橋の倒壊を防止するための仮受け措置が必要な捜傷度は,新幹線高架橋のRC柱を模擬した単柱試験体を用いた交番載荷試験を実施し,RC 柱の損傷過程において,哉荷の繰返し回数の違いによる剛性低下度から推定することを試みた.また,実高架橋の交番載荷試験データを活用し,実構造物についても検証を行った.無補修で列車の運行を再開できる損傷度については,交番載荷試験における載荷ステップごとに,損傷したRC柱の残留変位の状態で,列車走行時に生じる高架橋柱の軸圧縮力を載荷して,その軸力保持状態から推定することを試みた.本検討は第5章で示す. 表1.1気象庁震度階級間連解説表15) 鉄筋コンクリート造建物耐震性の低い建物では,壁などに亀裂が生じるものがある. 耐震性の低い建物では.壁,梁(はり).柱などに大きな亀裂が生じるものがある.耐震性の高い建物でも,壁などに亀裂が生じるものがある. 耐震性の低い建物では,壁や柱が破壊するものがある.耐震性の高い建物でも壁, 染(はり),柱などに大きな亀裂が生じるものがある. 耐震性の低い建物では,倒壊するものがある.耐震性の高い建物でも,壁､柱が破壊するものがかなりある. 耐震性の高い建物でも,傾いたり.大きく破壊するものがある. 同1.2ま海地震の強震波形計■により想定される震度分布図16)

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1.2.4姐傷レベル4まで被災した無補強RC牲の補修方法の検討地震で被災した土木構造物に対する補修方法あるいは修復方法の検討や,修復後の性能に関する本格的な研究としては,1978年の宮城県沖地震で,建設中に被害を受けた東北新幹線の高架橋の修復方法に関する研究Ⅰ孔柑)が最初であり,その成果は耐震補強ハンドブック】9)に反映されている.一方,土木構造物に未曾有の被害をもたらした兵庫県南部地震では,地震直後に構造物の復旧仕様20卜㌶)が出され,その後,被災構造物の修復に関する研究が多数実施されてきた.また,上記ハンドブックの内容が更新刀)され被災構造物の修復に関する事例が多数示された24). 性能照査型設計への移行に伴い,安全性,使用性のほかに,地震などで損傷を受けたあとの修復性能も基本性能として加わるようになった.建築構造物の場合は,修復に要する費用が重視されているのに対して,公共性の高い土木構造の場合には,修復に関する時間が重要となる.特に,鉄道では,新幹線や首都圏の在来線はその代表である. 上述のとおり,修復に関する研究は多数実施されているが,修復の効果を確認する統一的な手法は確立されていないのが現状である. 兵庫県南部地震では,東海道新幹線高架橋の一部の柱部材が損傷レベル3個1.3参照) までの被災を受けた.被災高架橋の復旧では,鋼板巻き工法による復旧方法が施工され東海道新幹線はわずか3日間で運転が再開された.この修復工法の効果は,実高架橋の柱部材を用いて,兵庫県南部地震における被災状況を交番載荷試験により模擬し,同一の復旧方法により修復した後,再度,交番載荷試験を実施して,その復元性能を確認甲 ∂｡回1.3粗傷レベルとRC部材の骨格曲線との関係ー 7 Displacement

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する方法とした.この方法によれば,損傷レベル3までの損傷であれば,修復性能は既性能と同等以上に復元できると考えられる.一方,損傷レベル4まで被災した鉄道高架橋の修復方法としては,兵庫県南部地震において山陽新幹線で,柱部材の取替や塑性化した鉄筋の取替が行われたが,この方法では復旧に時間を要するため,短期間で修復できる方法が望まれている. また,兵庫県南部地震では,復旧時に多くの教訓が得られた.例えば,復旧工事では, 補強鋼板および断面修復用無収縮モルタルなどの資材の調達が困難であったことである.被災した高架橋の早期復旧には,東海地震においては広域エリアで大規模地震の発生が予測されるため,調達が容易な材料による修復方法の確立が望まれている. 研究の目的は,東海道新幹線の高架橋の柱について,損傷レベル4である履歴ループの最大荷重がポストピーク領域の降伏荷重の50%を下回るまで損傷した柱部材について,簡易な補修による修復方法の可能性を確認するとともに,損傷した柱部材の補修方法を検討することである. 研究の方法は,新幹線高架橋の無補強RC柱を模擬した試験体を用いて,交番載荷試験により一度試験体に損傷を与え,補修後,再度同一載荷の交番載荷試験を実施し,試験体の各性能の復元効果を検討した.試験パラメータとしては,以下の4項目とした. 本検討は第6章で示す. ①補修材料の違いによる復元効果 ②繰返し載荷回数が3回と1回との違いおよびひび割れ注入範囲の違いによる復元効果 ③試験体形状の違いおよび断面修復材の補修厚さの違いによる復元効果 ④損傷度の違いによる復元効果 1.2.5 損傷レベル4まで被災した鋼根巻き補強RC柱の補修方法の検討兵庫県南部地震以降,鉄道高架橋の柱を対象に,主に鋼板巻き補強14)による耐震補強が実施されているが,補強された柱が損傷を受けた場合の補修方法に関する研究はなされていない.東海地震などの大規模地震の到来が予測されるなか,耐震補強された高架橋柱でも,震源地からの距離や地盤種別などの立地条件によっては,ある程度の損傷を受ける可能性も考えられるため,補強された柱の修復方法を整備しておく必要がある. 研究の目的は,東海道新幹線高架橋の鋼板巻き補強柱について,1.2.4と同様に,損傷レベル4である履歴ループの最大荷重がポストピーク領域の降伏荷重の50%を下回るまで損傷した柱部材について,簡易な補修による修復方法の可能性を確認するとともに, 損傷した柱部材の補修方法を検討することである. 研究の方法は,新幹線高架橋の鋼板巻き補強RC柱を模擬した試験体を用いて,交番載荷試験により一度試験体に損傷を与え,補修後,再度同一載荷の交番載荷試験を実施し,試験体の各性能の復元効果を検討した.本検討は第7章で示す.

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1.3 既往の研究 1.3.1高架橋の耐震性能評価 RC部材の非線形領域の挙動に関する研究は,これまで多数行われている.たとえば, RC部材の剛性低下型の静的復元力モデルとして,バイリニア型の骨格曲線とともに用いられるCloughモデルやトリリニアモデル型の骨格曲線とともに用いられる武田モデル等が提案26)されており,睦好ら27)∼29)より,動的復元力モデルも提案されている.ポストピーク嶺域の挙動に関する解析的研究も多数報告30)にされており,豊田ら31)∼33)や石橋ら34)∼36)により,変形性能の算定手法が提案されている.また,鉄道高架橋の鋼板巻き補強RC部材を対象とした変形性能の算定手法も提案37)されている.最近では,渡辺ら38)により,損傷状況を考慮したRC部材の変形性能算定手法が提案されている.これらのRC部材の非線形領域の挙動の推定式は,1質点系のRC試験体を用いた一方向載荷試験や交番載荷試験の結果から提案されたものである. 今日では,様々な解析手法が提案されており,各種学会でRC構造物のポストピーク挙動の評価例39)や,RC構造物の非線形解析による性能照査例40)などがまとめられており,評価手法の課題も挙げられている. 東海道新幹線のRC構造物の耐震性能評価としては,岡田らにより,RC橋脚4りおよび高架橋42)を対象に実施されている.これらの評価におけるRC部材のモデルは1質点系で,弾塑性応答を計算する履歴復元力特性はトリリニアモデル型,剛性低下率は0.3 として評価されている.一方,兵庫県南部地震を契機に,新設のRC構造物の設計は, RC部材の非線形性を考慮した設計法Il)に移行した.この手法によるRC部材のモデルは1質点系であるが,弾塑性応答を計算する履歴復元力特性はテトラリニアモデルであり,剛性低下率は0.4として評価する手法である.既存のRC構造物の耐震性能評価においても,この手法により耐震性能評価が行われているが,特に,高架橋のような不静定構造物については,解析により推定した耐震性能と実高架橋の保有耐震性能との整合性は明らかになっていない. 鉄道高架橋のRC柱の耐震補強の要否を判定する手法としては,静的線形解析により, 曲げ耐力に達する水平震度とせん断耐力に達する水平震度との比較による方法43),曲げせん断耐力比から判定する方法44),ファイバーモデルにより曲げ変形解析した荷重一変位曲線上に,せん断耐力劣化曲線を併記することにより破壊形態を判定する手法45)などが報告されている. 1.3.2 被災高架橋の損傷評価地震により建築物や土木構造物などの建造物が,どの部材がどの程度の損傷を受けたのかを的確に評価することは,余震などに対して,使用･供用の可否や補修･補強の要否を判定する上で重要である. 9 一

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建築物においては,被災した建物の安全性を評価するための被災度区分判定基準46) (①応急危険度判定,②被災度区分判定,③復旧の要否)が示されており,これにより被災した建物の損傷度を評価可能とされている.また,被災した建物の残存耐震性能の評価に関する研究47),48)もなされている. 一方,土木構造物については,統一的な損傷評価法はなく,鉄道,道路,港鳳タンクなどにおいて個別に異なっているようであり,また,建築のように定量的な損傷評価の基準は定められていないのが現状である.既往の研究38),49)∼52)では,RC模型試験体を用いた交番載荷試験により,試験体の損傷状態と荷重一変位曲線との関係をもとに,損傷状況から損傷程度を評価する方法が報告されている.これらの研究での試験体の形状は,RC柱本体に対する損傷度の確認を目的としているため,試験体の基礎部は損傷しない剛体平面基礎である.しかしながら,実際の構造物はフーチングを有し,不静定構造である高架橋を対象とした場合,実際の高架橋の柱上部では,ハンチを有し,縦梁および横梁などの部材と剛結されている.また,兵庫県南部地震以降,鉄道高架橋では, せん断破壊先行型の柱部材に耐震補強が実施されているが,これまでの耐震補強の考え方では,部材接合部はフーチング基礎部と同様に,剛域として取り扱われているが,この剛域の構造細目は,柱の耐震補強を考慮したものではない.したがって,高架橋柱の損傷評価や耐震補強後の高架橋柱の損傷評価を確認するためには,柱単体の性能を確認するだけでなく,梁および部材接合部を考慮した試験体で検討する必要がある. 1.3.3 被災高架橋の残存耐力の推定 RC構造物の残存耐力には,地震波の周期による構造物の繰返し応答回数と,最大応答変位が影響を及ぼすものと考えられる. 1.3.2で述べたように,RC部材のポストピーク挙動の把握や骨格曲線における部材角あるいは曲率の算定式の提案では,交番載荷試験による研究がなされている.この交番載荷試験では,従来は繰返し載荷10回35)を基本に実施されてきたが,3回行えば, 荷重低下も安定するという知見から,今日では繰返し載荷3回の交番載荷試験が主体に行われている.一方,被災したRC部材の補修効果に関する交番載荷試験では,低サイクル疲労による軸方向鉄筋の破断を懸念して,繰返し載荷1回,あるいは降伏変位の偶数倍に変位を飛ばした載荷方法が行われている報告52)が多数である.なお,実際の地震においては,鉄筋の低サイクル疲労破壊が発生する可能性は小さいとの報告53)がある. 交番載荷による繰返し回数が,RC部材の挙動に及ぼす影響としては,ポストピーク領域に現れることが報告54)されている.また,ポストピークの繰返し載荷による耐力低下については,引張鉄筋比,軸力比が影響することも報告55)されている.一方,損傷したRC構造物の剛性低下率を推定する方法として,関ら56),57)など58),59)により,衝撃振動試験により測定される固有振動数から推測できることが報告されている.以上のように, 交番載荷による繰返し回数がRC部材の及ぼす影響などの報告があるものの,土木構造物においては,RC部材の残存耐力の評価方法は確立されていないのが現状である.

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1.3.4 損傷レベル4まで被災した無補強RC柱の補修方法の検討鉄道の耐震標準11)では,表1.2に示すように,棒部材の損傷状況を曲げ破壊とせん断破壊に分け,それぞれの破壊形態について,損傷レベルとその補修工法の目安が記述されている.これによると,損傷レベル3までの損傷度については,損傷したRC部材の復旧は｢補修｣により対処可能である.一方,損傷レベル4の損傷度では,その補修工法は｢補修が必要な損傷で,場合によっては部材の取替えが必要な損傷｣とされ,その判断は,技術者の判断に委ねられている. 表1.2 損傷レベルに対する補緒方法の目安 (l)損傷形態が曲げ破懐の場合 (ll)損傷形態がせん断破壊の場合地震により損傷を受けたRC部材の修復方法に関しては,海外では古くから研究60) されており,その後も多数の研究が報告6り∼65)されている.日本においても,古くから研究66)されいるが,本格的な研究としては,宮城県沖地震で建設中に被害を受けた東北新幹線の高架橋の修復方法に関する研究17),18)が最初であり,兵庫県南部地震以降,多数の研究が報告67)∼75)されている.これらの研究における補修効果を確認するRC部材の損傷度は,履歴ループの最大荷重がポストピーク領域の降伏荷重に至るまで(損傷レベル3)損傷させたRC柱の復元性能についての報告がはとんどであり,この範囲の損傷度であれば,ひび割れ注入および断面修復による補修で,初期剛性を除き,既性能と同

(20)

-11-等に復元できるものとされている.一方,損傷レベル4の大変形領域まで損傷させた RC柱の補修方法に関する研究報告は数少ない.損傷レベル3までの補修方法に関する研究報告が多い理由としては,①RC部材の終局限界状態に対する照査の保有性能がこの範囲であること,②これ以上の損傷は部材の取替えが必要であると考えられること, ③損傷レベル4における大変形嶺域まで損傷させたRC柱の補修方法に関する交番載荷試験では,載荷装置の被損の危険性等の制約があること,④RC部材のポストピーク挙動が明確になっていないことなどが考えられる. 最近では石橋ら70),71)により,損傷レベル4における修復方法に関する研究として, 東北新幹線高架橋の柱をモデルに,履歴ループの最大荷重がポストピーク領域の降伏荷重の70%程度を下回るまで損傷させたRC柱の復元性能について報告されている.この研究においても,コンクリートのひび割れ補修と断面補修により,概ね既性能と同等まで復元できるとの結果が得られている.また,小林ら76)により,座屈した鉄筋の補修方法に関する研究も報告されている. しかしながら,東海道新幹線高架橋の柱のディテールは,既報告のRC部材のディテールとは異なる.特に異なる点としては,軸方向鉄筋(SDD)の製造方法が高炉鉄筋であること,帯鉄筋(丸鋼)の定着方法がフック定着であること,軸方向鉄筋の定着方法が異なること,設計に用いられた地震荷重は死荷重の20%を作用力として設計されており,保有耐震性能が現行のRC部材と比べて低いことなどが挙げられる.よって,地震により損傷したRC部材の修復効果の確認は,当該構造物の保有耐震性能やディテールを考慮して,当該構造物に着目した評価が必要である. 1.3.5 損傷レベル4まで被災した鋼板巻き補強RC柱の補修方法の検討兵庫県南部地震以降,鉄道の高架橋では,せん断破壊先行型の柱部材を対象に,鋼板巻き補強14)を主流とした耐震補強77)∼81)が実施されている.RC部材の鋼板巻き補強に関しては,東海道新幹線RC橋脚の東海地震対策に関する研究82)でも実施されているが, 耐震補強された柱が損傷した場合の復旧に関する研究報告はない.耐震補強されたとしても,想定外の地震力や立地条件などの要因により,ある程度の損傷を受けることも考えられる.高架橋の復旧を早期に行うためには,耐震補強された柱の復旧方法についても,整備しておく必要がある. 1.4 論文の構成本論文では,東海道新幹線の高架橋を対象に,耐震性能を精度よく評価できる方法を検討するとともに,大規模地震が発生した場合の損傷する部位の予測,損傷度の評価, 残存耐力の推定,ならびに,損傷レベル4まで損傷した高架橋柱の補修による可能性を検討した.以下に,本論文の構成を示す.また,固1.4に本論文の構成を示す.

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第2章｢鉄道構造物の過去の地震による被害と応急復旧｣では,鉄道構造物に被害を及ぼした主な大規模地震について,鉄道構造物の被害の特徴と,その被害を教訓とされた耐震設計上の起点事項をまとめた.また,兵庫県南部地震における山陽新幹線および東海道新幹線の高架橋の復旧方法をまとめた.さらに,東海道新幹線の土木構造物の種別と,これまで実施されてきた地震対策の種類をまとめた.なお,第2章の目的は,過去に実施された震災復旧方法と,これまで実施されてきた東海道新幹線の地震対策を把握することにより,本研究における着眼点および必要性を示すためである. 第3章｢高架橋の耐震性能評価｣では,交番載荷試験を実施した東海道新幹線の実高架橋を対象に,プッシュオーオーバー解析を実施して,耐震性能を評価するための解析精度を検討した. 第4章｢被災高架橋の損傷評価｣では,東海道新幹線の高架橋のRC柱を模擬した試験体を製作して,損傷レベル4における履歴ループの最大荷重が降伏荷重の50%を下回るまでの交番載荷試験を実施し,柱上下端部の損傷状況,柱上端部における鋼板巻き補強による効果,ならびに接合部材への影響を検討した. 第5章｢被災高架橋の残存耐力の推定｣では,東海道新幹線の高架橋のRC柱を模擬した単柱試験体を製作して,損傷レベル4における履歴ループの最大荷重が降伏荷重の 50%を下回るまでの交番載荷試験を実施し,繰返し回数が3回と1回の場合の剛性低下率を分析した.また,実高架橋の交番載荷試験データを活用し,実構造物についても検証を行った.これらに実験および検証により,余震による高架橋の倒壊を防止するための仮受け措置が必要な損傷度および無補修で列車の運行を再開できる損傷度の指標について検討した. 第6章｢損傷レベル4まで被災した無補強RC桂の補修方法の検討｣では,緊急耐震補強対策の対象外である高架橋RC柱の模型試験体を製作して,損傷レベル4における履歴ループの最大荷重が降伏荷重の50%を下回るまで損傷させ,補修後,再度交番載荷試験を実施し,補修による復元効果を検討した. 第7章｢損傷レベル4まで被災した鋼板巻き補強RC牲の補修方法の検討｣では,耐震補強された高架橋RC柱の模型試験体を製作して,第6章と同様に,損傷レベル4における履歴ループの最大荷重が降伏荷重の50%を下回るまで損傷させ,補修後,再度交番載荷試験を実施し,補修による復元効果を検討した. 第8章｢結論｣では,第3章∼第7章までの知見を取り纏めた.また,本研究から得られた知見をもとに,今後の課題について考察を加えた. -13

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参考文献 1)宇佐美龍夫:新編日本被害地震総覧[増補改訂版],東京大学出版会,1996.8. 2)新幹線構造物設計基準案,日本国有鉄道,1961.6. 3)日本国有鉄道施設局土木課:地震の予知<東海地域判定会>,日本鉄道施設協会, 鉄道土木,Ⅶ1.19,pp.59-61,1977.9. 4)阿部英彦,涌井 _一,中村豊:大規模地震に対する鉄道沿線の地震動予測一束海道新幹線のサイスミック･マイクロゾーニングー,日本国有鉄道鉄道技術研究所, 鉄道技術研究報告,No.1216,1982.3. 5)仁杉巌,久保村圭助,菅原操:鉄道を巨大地震から守る一兵庫県南部地震をふりかえって-,山海堂,2000.11. 6)鉄道総合技術研究所地震対策プロジェクト:兵庫県南部地震鉄道被害調査報告書, 鉄道総研報告一特別第4号,1996.4. 7)阪神･淡路大震災鉄道復興記録編纂委員会編:よみがえる鉄路阪神･淡路大震災鉄道復興の記録,山海堂,1996.3. 8)相沢文也,森島啓行:新潟県中越地震の概要,日本鉄道施設協会誌,1如.43,No.9, pp.10-14,2005.9. 9)藤橋秀雄,稲熊弘:RC橋脚の耐震補強,日本鉄道施設協会誌,Ⅶ1.39,No.1l,PP.35-37, 2001.11. 10)東海旅客鉄道抹式会社建設工事部:鉄筋コンクリート橋脚耐震補強設計･施工指針(案),2000.12. 11)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,1999.10. 12)日本国有鉄道編:建造物設計標準解説(鉄筋コンクリート構造物および無筋コンクリート構造物),1983.2. 13)鉄道総合技術研究所編:鉄道構造物等設計標準･同解説コンクリート構造物, 1992.10. 14)鉄道総合技術研究所編:既存鉄道コンクリート高架橋柱等の耐震補強設計･施工指針鋼板巻立て補強編,1999.7. 15)httD://www.bousai.go.jD/jishin/chubou/20011218/sirvou2-2.pdf,中央防災会議東海地震に関する専門調査委員会報告(資料2-2),図-3,2001.12.11. 16)http://www.kishou.go.jp/how/shindo/kaisetsu.html,気象庁震度階級関連解説表より 17)尾坂芳夫,鈴木基行,石田博樹,加藤勝美:RCばりのせん断破壊と補修法に関する研究,土木学会論文集,No.360,Ⅴづ,pp.119-128,1985. 18)石橋忠良,加藤勝美:中層梁の地震被害と復旧について,日本国有鉄道,構造物設計資料,No.67,pp.15-20,1981.9. 19)日本コンクリート工学協会:既存鉄筋コンクリート構造物の耐震補強ハンドブック, 1984. 20)運輸省鉄道局:鉄道施設耐震構造検討委員会の提言に基づく鉄道構造物の耐震性能ー15

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-に係る当面の措置について,1995.7.27 21)建設省道路局:兵庫県南部地震により被災した道路橋の復旧に係る仕様,1995.2.27 22)日本道路協会:｢兵庫県南部地震により被災した道路橋の復旧に係る仕様｣の準用に関する参考資料(案),1995.2. 23)日本コンクリート工学協会:コンクリート構造物の震災復旧･耐震補強技術の事例, 1998. 24)土木学会:地震作用に対するコンクリート構造物の性能照査型設計一設計と照査の現状と将来展望-,CONCRETEENGINEERNGSERIES67,PP.188,2005. 25)稲熊弘,町田文昭,中嶋繁,滝本和志:実高架橋の柱部材を用いた補修効果確認実験,土木学会第57回年次学術講演会,V122,pp.234-244,2002.9. 26)町田篤彦:鉄筋コンクリート構造物の耐震設計法に関する研究と現状,土木学会論文集,No.366,V4,pp.1-11,1986.12. 27)睦好宏史,町田篤彦:動的外力を受ける鉄筋コンクリート橋脚の力学的特性に関する研究,第4回コンクリート工学年次講演会講演論文集,No.94,pp.373-376,1982. 28)睦好宏史,町田篤彦:動的荷重を受ける鉄筋コンクリート部材の力学的特性及び破壊性状,第6回コンクリート工学年次講演会論文集,No.174,pp.693-696,1984. 29)睦好宏史,町田篤彦,鶴田和久:動的正負繰返し外力を受けるRC部材の復元力特性と動的復元力モデル,第7回コンクリート工学年次講演会論文集,No.87,pp.345-348, 1985. 30)たとえば,中村光,二羽淳一郎,田辺忠顕:鉄筋コンクリート柱の終局変位に関する解析的研究,土木学会論文集,No.420,V13,pp.115-124,1990.8. 31)豊田和彦,睦好宏史,町田篤彦:RC部材の終局変位定量化に関する実験的研究, 第7回コンクリート工学年次講演会論文集,No.158,pp.629-632,1985. 32)豊田和彦,睦好宏史,町田篤彦:RC部材の終局変位定量化に関する研究,第8回コンクリート工学年次講演会論文集,No.133,pp.529-532,1986. 33)町田篤彦,睦好宏史,豊田和彦:鉄筋コンクリート部材の塑性変形定量化に関する研究,土木学会論文集,No.378,V6,pp.203-212,1987.±. 34)石橋忠良,吉野伸一,斉藤啓一:鉄筋コンクリート部材のじん性評価,第7回コンクリート工学年次講演会論文集,No.156,pp.62ト624,1985. 35)石橋忠良,吉野伸一:鉄筋コンクリート橋脚の地震時変形能力に関する研究,土木学会論文集,No.390,V8,pp.57-66,1988.2. 36)石橋忠良,津吉毅,小林薫,吉田徹,海原卓也:大変形領域の交番載荷を受けるRC脚柱の変形性能算定に関する研究,土木学会論文集,No.711,V156,PP.45-57, 2002.8. 37)西川佳祐,渡辺忠朋,佐藤勉,谷村幸裕:鋼板巻き補強柱部材の変形性能,コンクリート工学年次論文報告集,Ⅶ1.18,No.2,pp.1505-1510,1996. 38)渡辺忠朋,谷村幸裕,瀧口将志,佐藤勉:鉄筋コンクリート部材の損傷状況を考慮した変形性能算定手法,土木学会論文集,No.683,V52,pp.31-45,2001.8.

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39)日本コンクリート工学協会:コンクリート構造物のポストピーク挙動評価と設計への応用,2003.8. 40)土木学会:土木学会:非線形解析によるコンクリート構造物の性能照査一手順と検証例･照査例-,CONCRETEENGrNEERNGSERIES66,2005. 41)岡田宏,石橋忠良,吉野伸一,古谷時春,斉藤俊彦:RC橋脚の耐震評価と補強例,日本国有鉄道,構造物設計資料,No.84,pp.3-7,1985.12. 42)岡田宏:新幹線ラーメン高架橋の耐震性評価方法に関する研究,日本国有鉄道, 鉄道技術研究所,鉄道技術研究報告,No.1373,1987.3. 43)稲熊弘:高架橋の耐震解帆土木学会第51回年次学術講演会,Ⅰ-B314,pp.628-629, 1996.9. 44)たとえば,稲熊弘,元木澤知紀,長谷川澄夫,高橋安彦:耐震性評価における簡易式の適用性の調査,土木学会第53回年次学術講演会,Ⅰ-B125,pp.250-251,1998.10. 45)池谷和之,吉川弘道,宮城敏明,服部尚道:鉄筋コンクリート柱の破壊形式の判定と靭性評価,コンクリート工学年次論文報告集,Ⅵ)1.20,No.3,pp.259-264,19賂 46)日本建築防災協会編:震災建築物の被災度判定基準および復旧指針,2001. 47)たとえば,文野正裕,前田匡樹,長田正至:部材の残存耐震性能に基づいた震災 RC造建物の被災度評価法に関する研究,コンクリート工学年次論文集,1加.22,No.3, pp.1447-1452,2000. 48)康大彦,田中康彦,前田匡樹,井上範夫:サブストラクチャー擬似動的実験による震災RC造建築物の残存耐震性能の評価,コンクリート工学年次論文集,Ⅵ)1.24, No.2,pp.1093-1098,2002. 49)石橋忠良,吉野伸一:鉄筋コンクリートラーメン構造物の耐震性に関する実験,第 5回コンクリート工学年次講演会講演論文集,No.56,pp.221-224,1983. 50)田中寿志,岡本大,瀧口将志,佐藤勉:RC柱の変形性能と損傷レベルに関する実験的研究,コンクリート工学年次論文報告集,Ⅶ1.20,No.3,PP.1045-1050,1998. 51)津吉毅,小林将志,石橋忠良:正負交番載荷を受けるRC柱の損傷状況,コンクリート工学年次論文報告集,Ⅶ1.21,No.3,pp.1213-1218,1999. 52)石橋忠良,津吉毅,小林薫,小林将志:大変形正負交番載荷を受けるRC柱の損傷状況及び補修効果に関する実験的研究,土木学会論文集,No.648,V47,pp.55-69, 2000.5. 53)館石和雄,西田朱里,矢島哲司,魚本健人:鉄筋コンクリート柱における鉄筋の地震時ひずみ履歴に関する研究,コンクリート工学年次論文報告集,Ⅶ1.20,No.3, pp.277-282,1998. 54)稲熊弘,元木澤知紀:交番載荷試験における繰返し回数がRC柱の耐力低下に及ばす影響,土木学会第58回年次学術講演会,Vづ58,pp.715-716,2003.9. 55)瀧口将志･渡辺忠朋･谷村幸裕:RC部材の繰返し載荷による曲げ耐力低下に関する実験的研究,土木学会第56回年次学術講演会,V371,742-743,2002.10. 56)閑雅樹,水谷健太,中野聡,西村昭彦:兵庫県南部地震によるラーメン高架橋 -17

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-の振動特性に関する考察,土木学会論文集,No.550,V33,pp.145-153,1996.1. 57)閑雅樹,西村昭彦,佐野弘幸,中野聡:RCラーメン高架橋の地震時損傷レベルの評価に関する研究,土木学会論文集,No.731,Ⅰ一63,pp.51-64,2003.4. 58)下野一行,渡辺忠朋,佐藤勉:鉄筋コンクリート部材の損傷評価に関する一考察, 土木学会第52回年次学術講演会,Ⅰ-A202,pp.402-403,1997.9. 59)丹間泰郎,下村勝,佐野弘幸,西村昭彦:RCラーメン高架橋の地震時損傷度評価法に関する実験的研究,土木学会地震工学論文集,Ⅶ1.27,No.220,ppl-8,2003.12. 60)EGOR R POPOV,ⅤITELMO V BERTERO:REPAlRED R/C MEMBERS UNDER

CYCLICLOADING,EarthquakeenglneerlngandstruCturaldynamics,ul･4,PP･129-144, 1975.

61)catherineWolfgramFrench,GregoryA.Thorp,Wen-JenTsai:EpoxyRq)airTechniques

forModerateEarthquakeDamage,ACIStruCturalJournal,Titleno･87-S41,PP･416-424, July-Angust,1990.

62)Moshe A.Adin,David Z.%nkelevsky,DanlelN.Farhey:Cyclic Behavior _of Epoxy-RepairedReinfbrcedConcreteBeam-ColurrmJoints,ACIStruCturalJournal,Title

No.90-S19,PP.170-179,March-April,1993.

63)DawnE･Lelman,SharonE.Gookin,AdrianM.Nacamuli,JackP.Moehle:Rq]airof

Earthquake-DamagedBridgeColumns,ACIStruCturalJournal,Titleno･98-S24,PP･233-242, MarCh-April,2001.

64)GustavoJ.Parra-Montesinos,James K.Wight:Seismic Rq)air _of Hybrid RCS

Beam-Column Connections,ACIStruCturalJournal,Title _{no･98-S74,Pp･762-770,}

September-October,2001. 65)M.SaiidSaiid,M.ASCE,ZhiyuanCheng:EfftctivenessofCompositesinEarthquake DamageRepalrOfReinforcedConcreteFlaredColumns,ASCEJournalofcompositesfor COnStruCtion,PP.306-314,July-Angust,2004. 66)たとえば,町田篤彦,睦好宏史:補修された鉄筋コンクリート部材の力学的特性に関する研究,第5回コンクリート工学年次講演会公演論文集,No.65,pp.257-260,1983. 67)鈴木信彦,平澤征夫:RC正方形断面柱の補修効果に関する基礎的一実験,土木学会第51回年次学術講演会,V565,pp.1128-1129,1996.9. 68)西川佳祐,渡辺忠朋,佐藤勉:損傷を受けた柱の鋼板巻き補強に関する検討,土木学会第51回年次学術講演会,V526,pp.1050-1051,1996.9. 69)平野勝織,吉野次彦,笹谷輝勝:被災RC構造物に対する応急処置の補強効果について,土木学会第52回年次学術講演会,V149,pp.298-299,1997.9. 70)小林薫,中山弥須夫,石橋忠良:大変形領域の交番載荷荷重により損傷したRC 柱の補修効果に関する実験的研究,｢コンクリート系構造物の耐震技術｣に関するシンポジウム論文報告集,pp.209-214,1997.4. 71)石橋忠良,津吉毅,小林薫,小林将志:大変形正負交番載荷を受けるRC柱の損傷状況及び補修効果に関する実験的研究,土木学会論文集,No.648,V47,pp.55-69,

(27)

2000.5.

72)Kunio Fukuyama,Ⅵsuo Higashibata,1ねsuyoshiMiyauchi:Studies on _rq)air _and

Strengthening methods of damaged reinforced concrete columns,Cement&Concrete

Composites22,PP.81-88,2000. 73)宮城敏明,服部尚道,吉川弘道,渡辺耕平:RC柱の耐震補強および復旧工法に関する確認実験,土木学会第56回年次学術講演会,Ⅴづ75,pp.750-751,2001.10. 74)稲熊弘,町田文昭,中嶋繁,滝本和志:実高架橋の柱部材を用いた補修効果確認実験,土木学会第57回年次学術講演会,V122,pp.234-244,2002.9. 75)渡辺一倍,池田憲二,岸徳光,長谷川正:エポキシ樹脂注入補修を施したRC 橋脚の補修効果に関する実験的研究,コンクリート工学年次論文集,Ⅵ)1.26,No,2, pp.1723-1728,2004. 76)小林薫,岩佐高吉:塑性域の引張ひずみを受けた電炉製鉄筋の熱処理後の機械的性質に関する実験的研究,コンクリート工学年次論文集,Ⅶ1.26,No.1,pp.255-260, 2004. 77)たとえば,鉄道総合技術研究所編:炭素繊維シートによる鉄道高架橋柱の耐震補強工法設計･施工指針,1996.7. 78)鉄道総合技術研究所編:アラミド繊維シートによる鉄道高架橋柱の耐震補強工法設計･施工指針,1999.11. 79)津吉毅,石橋忠良,小林将志,田附伸一:鉄筋を柱外周に配置し柱の四隅で定着する既設RC柱の耐震補強方法に関する研究,土木学会論文集,No.662,V49, pp.205-216,2000.11. 80)小林薫,石橋忠良:RC柱の一面から施工する耐震補強工法の鋼板の補強効果に関する実験的研究,土木学会論文集,No.683,V52,pp.75-89,2001.8. 81)稲熊弘,閑雅樹:鉄道高架橋柱のポリエステル繊維巻き耐震補強に関する実験的研究,土木学会構造工学論文集,Ⅶ1.50A,pp.515-526,2004.3. 82)宮本征夫,石橋忠良,斉藤俊彦:既設橋脚の鋼板巻き耐震補強方法に関する実験, 日本国有鉄道,構造物設計資料,No.89,pp.49-53,1粥7.3. -19

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-第2章鉄道構造物の過去の地附こよる被害と応急復旧

2.1鉄道構造働に被害を及ぼした大規模地震鉄道構造物に被害をもたらした主な地震を表2.11)に示す.以下に,鉄道構造物に甚大な被害を及ぼした代表的な地震について,鉄道構造物の被害の特徴および被害による耐震設計上の起点事項を記述する. 2.1.1関東地褒 1923年9月1日11時58分に関東地方を襲った関東地震は,鉄道構造物を含め,あらゆる建造物に壊滅的な被害をもたらした.この地震の震源位置は相模湾内であり,地写+2.1東海道本線馬入川(現相模Jm 写真2.2兼備道線(現御殿場欄)下曽我駅横染の倒機線路および乗降場擁壁の陥落写真2.3 熱海繰(現東海本道組)右横鉄橋写丁2.4飽海線(現東海本道線川l♯罷の落穂道国府津方坑円の破壊

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表2.1鉄道構造物に被害をもたらした主な地震発生年月日地震名称マグニチュード M 主な鉄道土木構造物の被害 1923年9月1日 1925年5月23日 1935年7月11日 1939年5月1日 1941年4月6日 1943年9月10日 1944年12月7日 1946年12月21日 1948年6月28日 1961年2月27日 1961年8月19日 1962年4月30日 1963年3月27日 1964年6月16日 1965年4月20日 1968年2月21日 1968年5月16日 1978年1月14日 1978年2月20日 1983年5月26日 1995年1月17日 2001年3月24日 2003年5月26日 2004年10月23日関東地震但馬北部地震静岡地震男鹿地震石見益田地震鳥取地震東南海地震南海道地震福井地震日向灘地震北美濃地震宮城県北部地震越前岬沖地震新潟地震大井川河口地震えびの地震十勝沖地震伊豆大島近海地震宮城県沖地震日本海中部地震兵庫県南部地震芸予地震三陸南地震新潟中越地震 7.9 7.0 6.6 6.6 6.2 7.2 8.0 8.0 7.1 7.0 7.0 6.5 6.9 7.5 6.1 6.1 7.8 7.0 6.7 7.7 7.3 6.7 7.1 6.8 橋梁倒壊,桁落橋,盛土崩壊･沈下, 切取崩壊,トンネル崩壊盛土路盤沈下盛土路盤沈下盛土路盤沈下盛土路盤沈下橋梁被害,盛土路盤沈下橋梁被害,盛土路盤沈下橋梁被害,盛土路盤沈下橋梁倒壊,桁落橋,盛土崩壊･沈下, トンネル損傷盛土路盤沈下盛土路盤沈下盛土路盤沈下盛土路盤沈下橋台･橋脚の移動･傾斜,橋台裏の盛土陥没盛土路盤沈下橋梁被害,盛土路盤沈下盛土崩壊･沈下,高架橋ブロック間の目違いトンネル損傷支承部破損,高架橋中層梁･橋台･橋脚躯体の損傷路盤陥没,築填崩壊,橋梁･トンネル変状高架橋倒壊,橋脚損傷,桁落橋,盛土･切取崩壊高架橋中層梁の損傷高架橋柱の損傷走行中の上越新幹線脱線,高架橋柱の損傷,トンネル損傷 -

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21-震の規模はマグニチュード7.9であった.この地震による主な鉄道構造物の被害状況を写真2.1∼2.42)に示す.鉄道構造物の被害は,盛土崩壊･沈下,切取(切土)崩凰橋梁倒壊,桁落橋,トンネル崩壊などで,被害を受けた線路延長は676kmに及んだ.鉄道構造物が広範囲,かつ,甚大な被害を受けたのは,当時は耐震設計がなされていなかったためであった.これを教訓として,1931年の土木学会｢鉄筋コンクリート標準示方書｣に,震度法による耐震設計が取り入れられ鉄道構造物の設計においても,1955 年から耐震設計3)が導入された. なお,関東地震により被災した鉄道構造物の復旧1)においては,最も被害が甚大であった東海道本線が仮復旧して全通したのは,1923年10月28日であり,施設が完全に復旧されたのは1926年に入ってからである. 2.1.2 十勝沖地廣 1968年5月16日9時49分に東北,北海道地方を襲った十勝沖地震では,鉄道構造物においては,軟弱地盤上の盛土に大きな被害をもたらした,この地震の震源位置は北海道襟裳岬の南方約120kmの海底20k皿の地点であり,地震の規模はマグニチュード 7.8であった.この地震による主な鉄道構造物の被害状況を写斉2.5∼2.7に示す. 写耳2.5 盛土上の線路間のテンションクラック4) 写真2.6東北本線軟弱地盤上の盛土崩壊l) 写暮2.7 橋台纂の沈下1)

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十勝沖地震における鉄道構造物の被害の特徴は,軟弱地盤上の盛土が大きな被害を受けたことであった.被害を受けた盛土の延長は,東北本線の八戸∼野辺地間における約 14.蝕皿であり,破壊形態は法面流出,盛土崩壊,盛土縦割れ盛土沈下であった5),6) 盛土や切取などの土構造物は,地震や雨などの災害で被害を受けても,橋梁やトンネルに比べて,復旧時間が短くすむこと,また,被害も比較的小さくすむという過去の経験から,耐震設計はされていなかった.しかしながら,この地震による盛土の被災状況を教訓として,東海道新幹線では,1979年から新横浜∼豊橋間の軟弱地盤上の盛土を対象に,耐震補強7),8)が実施された. 2.1.3 宮城県沖地震宮城県沖地震は,1978年2月20日と同年6月12日に発生した2つの大規模地震であった.1回目の地震の震源地と地震の規模は,仙台北東110km,深さ60kmであり, マグニチュードは6.7であった.2回目の地震の震源地と地震の規模は,仙台東方120血l, 深さ30kmであり,マグニチュードは7.4であった.この地震により,鉄道構造物に被害を及ばした種類としては,橋脚躯体の軸方向鉄筋の途中定着部におけるひび割れ高架橋の柱および中層梁のせん断ひび割れ,PC主桁の固定支承部のひび割れ,橋梁の支写真2.8 高架橋柱のせん断ひび割れ写六2.g 高架橋の中層梁のせん断ひび割れ写真2.10PC圭桁の固定支承部の娘傷写真2.11RC桁のサイドフロックの破損一 23

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-承部の破損などであり,特に,橋梁の支承部の破損が多く,破損が176箇所,桁が移動したものが348連であった9)･10).この地震による主な鉄道構造物の被害状況を写真2.8 ∼2.111りに示す. この地震は,関東地震に続き,鉄道RC構造物の設計に大きな起点を与えた地震であり,修正震度法による耐震設計法】2)を導入するきっかけとなった.また,この修正震度法による耐震設計や,RC部材の破壊形態を曲げ破壊先行型にするための破壊安全度の照査方法,RC部材の塑性率の設定,橋脚躯体の軸方向鉄筋の途中定着部の安全性の照査方法などが取り入れられた設計標準】3)が作成された. 2.1.4 兵庫県南部地震平成7年1月17日5時46分頃,淡路島北部を震央とするマグニチュード7.2の内陸直下型地震が近畿地方を襲った.この地震は,戦後最悪の極めて深刻な被害をもたらした･鉄道では,山陽新幹線をはじめ,東海道新幹線,東海道本線,阪急神戸線,阪神本線などの鉄道で大きな被害を受けた14)∼16).被害を受けた鉄道コンクリート構造物の主な種類としては,高架橋,RCラーメン橋台,RC橋脚,橋梁の沓であり,特に,甚大写真2.12RCラーメン高架橋の倒蟻写真2.13RCラーメン橋台の倒壊写+2.14RC橋脚の途中定柵部の損傷写井2.15 PC桁の落横

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写真2.16 高架橋柱のせん断ひび割れ写+2.17 高架橋柱上端部の娘傷な被害を受けたのは高架橋とRCラーメン橋台で,山陽新幹線では倒壊したものもあった.この地震による主な山陽新幹線の土木構造物の被害状況を写+2.12∼2.1517)に, 東海道新幹線高架橋の被害状況を写真2.16,2.17に示す. 高架橋やRCラーメン橋台の倒壊原因は,当該構造物の設計地震力よりも遥かに大きな地震力が作用したことと,柱の破壊形態がせん断破壊先行型であったことである.この倒壊原因を受け,緊急耐震補強柑)として,高架橋,RCラーメン橋台のせん断破壊先行型のRC柱を有する構造物を対象に,RC柱の耐震補強19)などが実施されている. また,この地震は新設鉄道土木構造物の耐虔設計法20)∼22)に大きな変化をもたらした. 耐震設計に用いる地震荷重の設定方法が,修正震度法から時刻歴波形,あるいは非線形応答スペクトル法に更新された封).さらに,照査する地震動も,従来の海洋型地震に加え,内陸直下型地震の2種類の大規模地震を考慮することとなった. この地震による山陽新幹線の落橋は8箇所で,高架橋柱の被災本数は708本であり, 柱の軸方向鉄筋が柱断面外に湾曲,突出し,柱部コンクリートが圧壊したものが124本, 被りコンクリートが剥落し,柱の軸方向鉄筋が露出した状態のものが337本,ひび割れが生じたものが247本であった.東海道新幹線の高架橋柱の被災本数は99本で,柱の軸方向鉄筋が露出し,コンクリートの一部が破損したものが36本,被りコンクリートが剥落したものが29本,ひび割れが生じたものが34本であった柑).高架橋の損傷箇所は,倒壊したものでは一部の梁に損傷したが,ほとんど柱部に集中していた. なお,東海道新幹線が開通したのは,地震発生から4日後の1月21日であり,山陽新幹線が開通したのは,地震発生から約80日後の4月8日であった.東海道新幹線の高架橋は,震源地からの距離が離れていたこともあり,高架橋柱部のコンクt｣-トの圧壊程度であったため,復旧は短期間で行われたが,山陽新幹線の高架橋では,震源地からの距離が近く作用地震力も大きかったため,高架橋が倒壊し,復旧に時間を要した. 高架橋の倒壊防止は,列車の安全を確保するのみならず,復旧期間を短縮するためには不可欠である.しかしながら,山陽新幹線が約80日間で開通されたのは,被災程度や -25 一