(57)【要約】【課題】  地震動増幅効果を考慮し、鉄道構造物上の地震動を評価する、鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法を提供する。【解決手段】  鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法において、観測した微動を利用して、鉄道構造物の振動特性に影響を及ぼすパラメータを抽出し、このパラメータから求められる前記鉄道構造物の地震応答特性、地盤の震動特性、基盤の地震動を掛け合わせることにより、前記鉄道構造物上の地震動を評価する。【選択図】  図１５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
観測した微動を利用して、鉄道構造物の振動特性に影響を及ぼすパラメータを抽出し、該パラメータから求められる前記鉄道構造物の地震応答と地表で観測された地震動を掛け合わせることにより、前記鉄道構造物上の地震動を評価することを特徴とする鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法。
【請求項２】
請求項１記載の鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法において、路線に沿った地盤上と前記鉄道構造物上で同時に観測した微動に基づく観測伝達関数と１質点系モデルによる理論伝達関数の残差が最小になるように固有周波数と減衰定数を同定して、前記鉄道構造物の振動特性を求め、次に、算出した地表面の地震動を１質点系モデルに入力し、前記路線に沿って前記鉄道構造物上の地震動を推定することを特徴とする鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法。
【請求項３】
請求項２記載の鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法において、前記鉄道構造物が高架橋であることを特徴とする鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法。
【請求項４】
請求項３記載の鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法において、基盤上の地震動を用い、前記地盤と前記高架橋の増幅度を掛け合わせて、前記構造物上の地震動を正確に推定することを特徴とする鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の地表地震記録を利用した鉄道における地震時の運転規制では鉄道構造物の地震応答を考慮していなかった。
【０００３】
地震後に鉄道構造物の被害を推定するためには、地表面の地震動を正確に把握する必要がある。一方、２０１１年３月１１日に発生した東北地方太平洋沖地震 (Ｍｗ９．０) の本震や余震では、高架橋の揺れにより新幹線の電化柱の折損や傾斜が広範囲に渡り多数発生したことが報告されている（下記非特許文献１参照）。よって、地震後における列車運転の停止や再開の判断には、地表面の地震動だけでなく鉄道構造物上の地震動を把握することも重要となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】水野光靖，野澤伸一郎，「ＪＲ東日本の鉄道施設における地震被害と復旧状況」，土木学会誌，Ｖｏｌ. ９６，Ｎｏ. ７，２０１１
【非特許文献２】岩田直泰，津野靖士，山本俊六，野田俊太，伊藤賀章，宮腰寛之，「表面波探査およびアレー微動探査による宮崎県中部沿岸部のＳ波速度構造推定」，物理探査学会  第１２７回学術講演会論文集，講演番号２０，ｐｐ. ７０−７３，２０１２
【非特許文献３】岩田直泰，津野靖士，山本俊六，野田俊太，伊藤賀章，宮腰寛之，「Ｈ/ Ｖスペクトル比を用いた線状連続のＳ波速度構造ならびに地震動の推定」，物理探査学会  第１２８回学術講演会論文集，講演番号６１，ｐｐ. ２２７−２３０，２０１３
【非特許文献４】大崎順彦，「建築振動理論」，彰国社，ｐｐ. ４４−５１，１９９６
【非特許文献５】西村昭彦，棚村史郎，「既設橋梁橋脚の健全度判定法に関する研究」，鉄道総研報告，Ｖｏｌ. ３，Ｎｏ. ８，１９８９
【非特許文献６】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」，丸善出版，ｐｐ３５６−３６１，２０１２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の地表地震記録を利用した鉄道における地震時の運転規制では鉄道構造物の地震応答を考慮していなかった。
【０００６】
そこで、本発明では、上記状況に鑑みて、地盤の震動特性と構造物の振動特性を考慮し、鉄道構造物上の地震動を評価する、鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法において、観測した微動を利用して、鉄道構造物の振動特性に影響を及ぼすパラメータを抽出し、このパラメータから求められる前記鉄道構造物の地震応答と地表で観測された地震動を掛け合わせることにより、前記鉄道構造物上の地震動を評価することを特徴とする。
【０００８】
〔２〕上記〔１〕記載の鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法において、路線に沿った地盤上と前記鉄道構造物上で同時に観測した微動に基づく観測伝達関数と１質点系モデルによる理論伝達関数の残差が最小になるように固有周波数と減衰定数を同定して、前記鉄道構造物の振動特性を求め、次に、算出した地表面の地震動を１質点系モデルに入力し、前記路線に沿って前記鉄道構造物上の地震動を推定することを特徴とする。
【０００９】
〔３〕上記〔２〕記載の鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法において、前記鉄道構造物が高架橋であることを特徴とする。
【００１０】
〔４〕上記〔３〕記載の鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法において、基盤上の地震動を用い、前記地盤と前記高架橋の増幅度を掛け合わせて、前記構造物上の地震動を正確に推定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、鉄道構造物上の振動特性を考慮するため、鉄道構造物を走行している列車に対して、適切な地震時運転規制を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】高架橋上の地震動を推定するモデル路線を示す図である。
【図２】地盤上と高架橋上のフーリエスペクトル比の例を示す図である。
【図３】モデル路線のキロ程に対する観測伝達関数のコンター図である。
【図４】周波数に対する増幅度を示す図である。
【図５】同定により算出した固有周波数をモデル路線のキロ程に対して示す図である。
【図６】橋脚高さと同定により求めた固有周波数の関係を示す図である。
【図７】同定により算出した減衰定数をモデル路線のキロ程に対して示す図である。
【図８】ＳｉｔｅＢのラーメン高架橋上における観測と推定の波形比較の例を示す図である。
【図９】ＳｉｔｅＢの高架橋上で記録された地震動 (Ｎ＝１０２) について、観測と推定の最大速度 (ｃｍ/ ｓ) の比較を示す図である。
【図１０】モデル路線のキロ程に対し線状に地震動を推定した結果を示す図である。
【図１１】地表地震動と構造物応答の最大速度（ＳｉｔｅＡ）を示す図である。
【図１２】地表地震動と構造物応答の最大速度（ＳｉｔｅＢ）を示す図である。
【図１３】地中地震動と地表地震動の最大速度（ＳｉｔｅＡ）を示す図である。
【図１４】地中地震動と地表地震動の最大速度（ＳｉｔｅＢ）を示す図である。
【図１５】地盤と構造物の最大速度増幅度の比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法は、観測した微動を利用して、鉄道構造物の振動特性に影響を及ぼすパラメータを抽出し、このパラメータから求められる前記鉄道構造物の地震応答特性、地盤の震動特性、基盤の地震動を掛け合わせることにより、前記鉄道構造物上の地震動を評価する。
【実施例】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
（１）まず、モデル路線に沿った高密度な微動測定について説明する。
【００１６】
図１は高架橋上の地震動を推定するモデル路線を示す図、図２は地盤上と高架橋上のフーリエスペクトル比（以下、観測伝達関数）の例を示す図であり、ａは橋軸方向のフーリエスペクトル比、ｂは橋軸直角方向のフーリエスペクトル比を示している。図３はモデル路線のキロ程に対する観測伝達関数のコンター図である。
【００１７】
高架橋上の地震動を推定するモデル路線には、図１に示すように、宮崎リニア実験を選定した。この路線は全長約７ｋｍである。始点と終点の両端はラーメン高架橋であり、その間は桁式高架橋となっている。この路線の中間地点 (ＳｉｔｅＡ) と終端地点 (ＳｉｔｅＢ) の地盤上と高架橋上に地震計を設置し、約２年間地震観測を行った。なお、上記非特許文献２では上記２点の地震計位置のＳ波速度構造を表面波探査およびアレイ微動探査により推定している。
【００１８】
このモデル路線の地盤上と高架橋上において、約０．１ｋｍ間隔で微動測定を行った。このうち、地盤上で得られた微動のＨ/ Ｖスペクトル比を路線に沿ったＳ波速度構造の推定に用い（上記非特許文献３参照) 、地盤上と高架橋上のフーリエスペクトル比（以下、観測伝達関数）を高架橋の振動特性の同定に用いている。観測伝達関数の例を図２に示す。また、モデル路線のキロ程に対する観測伝達関数のコンター図（橋軸直角方向) を図３に示す。図中の灰色区間はデータ欠測やデータ不良の区間ｃ，ｄを表し、○印はピーク周波数を表している。
【００１９】
（２）次に、モデル路線における高架橋の振動特性の同定について説明する。
【００２０】
図４は周波数に対する増幅度を示す図であり、ｅは観測値、ｆは理論値を示している。図５は同定により算出した固有周波数をモデル路線のキロ程に対して示す図であり、■は橋軸方向、●は橋軸直角方向を示している。図６は橋脚高さと同定により求めた固有周波数の関係を示す図であり、■は桁式高架橋の橋軸方向、●は桁式高架橋の橋軸直角方向を、▲はラーメン高架橋の橋軸方向、▼はラーメン高架橋の橋軸直角方向を示している。図７は同定により算出した減衰定数をモデル路線のキロ程に対して示す図である。
【００２１】
観測伝達関数に対し、高架橋を１質点系にモデル化して理論応答特性（以下、理論伝達関数）（上記非特許文献４参照) に合うように逆解析を行い、固有周波数と減衰定数の同定を行った。線状に連続する鉄道構造物は振動特性が線路方向と線路直角方向で異なるため、本発明における振動特性の同定は各方向に対して行った．
同定はグリッドサーチ法を用い、対象範囲は観測伝達関数の１次固有周波数の０．５〜１．５倍とした．この範囲は観測伝達関数が１以上の帯域に概ね対応している（図４参照) 。また、解の効率的な算出のために探索範囲を設けており、固有周波数は観測伝達関数のピーク周波数の−１〜＋１％( 探索間隔０．０１Ｈｚ) 、減衰定数は０〜２０％( 同０．１％) を設定した。なお、ピーク周波数を安定して求める目的から対象範囲や探索範囲を定める観測伝達関数には平滑化処理を行っている。一方、逆解析を行うための観測伝達関数にはピークの鋭さを保ち減衰定数を良好に推定する目的から平滑化処理を行っていない．
橋軸直角方向に対する同定結果の例を図４に示す。図中の太実線の部分が同定の対象帯域である。この図より、１質点系モデルを用いた高架橋の振動特性の同定が概ね良好に行われていることが確認できる。図５によると橋軸方向、橋軸直角方向とも固有周波数は地点により大きく異なっている。橋脚の固有周波数を橋脚高さと桁重量から算出する式が提案されている（上記非特許文献５参照）が、図６によると、高架橋の固有周波数は桁式高架橋ならびにラーメン高架橋とも橋脚の高さと強い相関があり、同定された固有周波数は既往の知見に矛盾しない結果が得られた。図７では橋軸直角方向はばらつきが小さく、概ね１％前後に分布している。一方、橋軸方向は地点により大きく異なるが、その多くは１％から５％の範囲にある。ここで得られた値は設計標準（上記非特許文献６参照) に示されている減衰定数の３％から５％よりやや小さな値であるが概ね等しく、良好な値が同定されている。
【００２２】
（３）次に、地盤上および高架橋上の地震動推定について説明する。
【００２３】
１質点系モデルと同定パラメータによる高架橋上の地震動推定の精度検証を目的として地震計位置の観測と推定の地震動比較を行った。図８にＳｉｔｅ  Ｂのラーメン高架橋上における観測と推定の波形比較の例 (２０１１年１１月１１日、日向灘の地震、Ｍ３．５，震源深さ３４ｋｍ) を示し、ｇは観測値、ｈは推定値を表している。図９にはＳｉｔｅ  Ｂの高架橋上で記録された地震動 (Ｎ＝１０２) について、観測と推定の最大速度 (ｃｍ/ ｓ) の比較を示す。図８および図９とも観測と推定はよく一致しており、本発明の１質点系モデルによる高架橋上の地震動推定手法は信頼性を有すると考えられる。
【００２４】
次に、モデル路線に沿った高架橋上での地震動を推する。ここでは２０１１年１０月５日の２３時３３分に発生した熊本県熊本地域の地震 (Ｍ４．５、Ｄｅｐ. １０ｋｍ) を対象とし、上記非特許文献３参照の手法を用い地表面における地震動をモデル路線に沿って推定した。高架橋上における地震動の推定は、上記（２）で同定した各微動測定地点における固有周波数と減衰定数を用いている。なお，本発明では簡単のため、地盤と鉄道構造物の相互作用は考慮していない。対象地震について、図１０には地盤上の推定地震動と高架橋上の推定地震動を併せて示す。なお、評価対象とした地震動指標は水平２成分合成の最大速度である。ここでは、ＳｉｔｅＡの地盤上で観測された地震動を参照して、その他の微動測定地点における地盤上と高架橋上の地震動を推定している。検証点の位置付けとなるＳｉｔｅＢの高架橋上の観測と推定を比較するとやや過大推定となっているが、概ね良好な一致となっており、モデル路線の全線に渡っても概ね良好に地震動が推定できている。
【００２５】
また、ＳｉｔｅＡとＳｉｔｅＢにおける地表地震動と構造物応答の最大速度の比較を図１１と図１２に各々示す。両サイトとも、地震による高架橋の増幅度にばらつきはあるものの、高い相関係数（図中，Ｃｏｒ）で決まっている。ＳｉｔｅＡとＳｉｔｅＢにおける地中地震動と地表地震動の最大速度の比較を図１３と図１４に各々示す。地盤の増幅度に対しても、両サイトともに、地震による増幅度にばらつきはあるものの、高い相関係数（図中，Ｃｏｒ）で決まっている。
【００２６】
次に、高架橋上の地震動に与える影響の空間変動を把握する目的から、対象路線のキロ程に対する地盤の増幅度（基盤と地表の最大速度の比）と高架橋の増幅度（地表と高架橋上の最大速度の比、図中のＶｄｃ／Ｇｒｄ）を整理する。図１５は地盤（図中のＧｒｄ／Ｂｓｍ）と構造物（図中のＶｄｃ／Ｇｒｄ）の最大速度の増幅度の比較を示す図であり、１５地震の速度データから求められた地盤の増幅度および高架橋の増幅度、両者を考慮した増幅度の平均を示す。なお、ここでの基盤の入力地震動はモデル路線の全線で同一としている。図１５に示されるように、地盤の増幅度はキロ程５ｋｍ程度を境として異なっており、５ｋｍ以下は４．５からから５倍程度、５ｋｍ以上は３．５からから４倍程度であるがそのばらつきは小さい。一方、高架橋の増幅度は、その値は地盤の増幅度よりもやや小さいものの、地点ごとに大きく異なり１．５から５倍程度に分布しており、そのばらつきは大きい。対象としたモデル路線における高架橋上の地震動を正確に評価するためには、地盤の増幅度（図１５中，▲）と高架橋の増幅度（図１５中，■）を掛け合わせた増幅度（図１５中，＋）を評価することが重要である。
【００２７】
上記したように、地震発生後の列車運転規制の判断には、地表の地震動だけではなく鉄道構造物上の地震動も考慮する必要がある。
【００２８】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法は、地震動増幅効果を考慮し、鉄道構造物上の地震動を評価する、鉄道構造物の地震応答を考慮した地震動推定方法として利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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