崩壊シナリオデザイン設計法の実現に向けた耐力階層化鉄筋を用いたＲＣ橋脚の載荷実験

国立研究開発法人土木研究所 つくば中央研究所
研究員 横澤 直人
令和６年度第２回地震工学委員会研究会

令和６年８月22日（木）研究の背景・目的1

設計地震動を上回る規模の地震への対応の必要性

 道路橋示方書では，過去の地震被害や研究成果に基づいて，設計地震動を設定している
 万一，設計地震動を上回る規模の地震が発生した場合，橋脚の倒壊など，致命的な被害が生じる恐れがある
L1地震動

L2地震動

損傷は微小（応急復旧不要）

橋脚は一部損傷（水平抵抗力保持）

設計地震動を上回る地震動

橋脚が倒壊（致命的な被害）道示の設計地震動
実際に作用する可能性がある地震動

研究の背景・目的2

崩壊シナリオデザイン設計法の提案 大住ら(2021）*
 橋が崩壊に至るまでのシナリオを想定し，損傷制御によって，致命的な被害に至りにくいシナリオを選定
落橋に至る
シナリオ
現行の設計法で設計

設計地震動作用設計地震動を上回る地震動作用

地震力

地震力

構造全体は維持
（橋脚の部分的な損傷）

落橋に至らないシナリオ

設計地震動作用損傷制御型支承

橋座拡幅

損傷を制御する設計法で設計

橋脚の損傷が進展し，橋全体が崩壊する恐れ
設計地震動を上回る地震動作用
地震力

地震力

現行の設計法と同等の性能（橋脚の部分的な損傷）

支承部に損傷を誘導して橋全体の崩壊回避*大住道生，中尾尚史，石崎覚史，庄司学：破壊尤度の制御による道路橋の崩壊シナリオデザイン設計法の提案，土木学会論文集A1（構造・地震工学），
Vol.77，No.4（地震工学論文集第40巻），pp.I_360-I_372，2021.

研究の背景・目的
シナリオ転換を実現する耐力階層化鉄筋大住ら(2021)

耐力階層化鉄筋によって耐力上昇

3

研究の背景・目的
シナリオ転換を実現する耐力階層化鉄筋大住ら(2021)
これまでのところ，耐力階層化鉄筋の効果は解析上においてのみ確認（大住ら2021）

本研究の目的実設計での適用に向けて，載荷実験及び再現解析を通じて，耐力階層化鉄筋を用いたRC橋脚の応答や設計時の留意点を検証する

4

供試体の概要

5

載荷実験で使用した供試体の配筋図，概要
 実橋の1/6縮小模型を作成し，耐力階層化鉄筋を導入
 材料諸元や配筋は，既往の実験*や事前解析から決定○耐力階層化鉄筋・曲げを受ける面に各５本配置
・過密配筋とならない
ように高強度鉄筋（SD490）を使用

載荷方向

材料

諸元・配置

コンクリート

設計基準強度 27N/mm2
粗骨材寸法 最大13mm

軸方向鉄筋

D10(SD295)@43.3mm

帯鉄筋D6(SD295)@75mm

耐力階層化鉄筋 D13(SD490)@86.7mm*星隈順一，運上茂樹，長屋和宏：載荷繰り返し回数の影響を考慮した鉄筋コンクリート橋脚の変形性能評価法，土木技術資料，Vol.39，No.2，pp.32-37，1997.

耐力階層化鉄筋の外観
耐力階層化鉄筋

柱基部
軸方向鉄筋鋼管

6○フーチング下面から塑性ヒンジ領域（柱下端から328mm）まで鋼管で被覆○鋼管表面にグリース材を塗布し，周囲のコンクリートとの付着回避
遊間長dxの算出式（橋脚の曲げ変形）′ ′𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝜙𝜙𝑙𝑙𝑙𝑙
𝑦𝑦𝑙𝑙𝑙𝑙 𝐿𝐿𝑃𝑃

′𝜙𝜙𝑙𝑙𝑙𝑙：耐力階層化鉄筋が機能し始める変位における曲率′
𝑦𝑦𝑙𝑙𝑙𝑙 ：耐力階層化鉄筋が機能し始める変位における曲率時点の耐力階層化鉄筋から中立軸までの距離
𝐿𝐿𝑃𝑃 ：塑性ヒンジ長

耐力階層化鉄筋

フーチング下面遊間(9mm)

鋼製ボックス

支圧板

鋼製ボックスの断面

曲率にはばらつきがあり，道示では安全余裕も含めて一定とみなしている
本研究では，遊間長を事前解析から決定

事前解析の概要

7

製作する供試体を対象とした事前解析を実施
 載荷実験に先立って、配筋や遊間長等の設定を目的に実施○橋脚の骨組みモデルを構築し，プッシュオーバー解析を実施○材料強度は公称値を使用供試体のP-δ（解析結果）
160
140

水平変位75.0mmまでに耐力上昇が完了(遊間9mmと設定)

荷重(kN)

120
10080

凡例

604056.2mm

20

今回実験解析結果（公称値）
限界状態２とみなす変位の特性値
限界状態３とみなす変位の特性値

75.0mm00255075変位(mm)100125150

遊間の調整方法

8柱天端の型枠上に設置した鋼板のナットを利用 コンクリート打設前に実施

遊間が0mmとなるように耐力階層化鉄筋を引上げ

遊間
鋼製ボックスナットを緩めていき，所定の遊間長が得られるように調整

載荷条件とセットアップ状況

9

正負交番繰返し載荷試験
 基準変位を整数倍した水平変位を各3回作用
軸力載荷装置
大変位加振機
供試体
P面

100

M面

(mm)

正側

𝛿𝛿𝑦𝑦50変位

負側○基準変位𝛿𝛿𝑦𝑦 ：11mm○載荷最大変位：11 𝛿𝛿𝑦𝑦 (121mm)○軸力：360kN(1N/mm2)（上部構造の死荷重に相当）

02𝛿𝛿𝑦𝑦3𝛿𝛿𝑦𝑦・・・-50-100

予備載荷

本載荷載荷イメージ計測項目

10ひずみ（鉄筋）荷重○軸力○水平荷重（加振機）

変位
○水平変位
○軸力載荷方向変位○柱基部曲率（80mm間隔）○支圧板 など○一定の間隔で各鉄筋のひずみ計測
鉄筋

柱基部からの高さ(mm)

軸方向鉄筋-300, -150, 10, 160, 310,610, 910, 1210

帯鉄筋耐力階層化鉄筋10, 310, 610, 910-700, 10, 310, 610, 910

軸方向鉄筋
帯鉄筋
耐力階層化鉄筋

耐力階層化鉄筋
計測位置
供試体変位計測位置

各鉄筋の計測位置（柱断面）荷重変位関係と損傷状況
2005𝛿𝛿𝑦𝑦150

水平荷重(kN)

1006𝛿𝛿𝑦𝑦 1サイクル目
8𝛿𝛿𝑦𝑦500-50
耐力階層化鉄筋あり-100

耐力階層化鉄筋なし*-150-200-150

事前解析-100-5005010015020011○5𝛿𝛿𝑦𝑦 から耐力階層化鉄筋が作動開始○6𝛿𝛿𝑦𝑦 の1サイクル目で最大耐力(175.9kN)○8𝛿𝛿𝑦𝑦 から耐力が大幅に低下(65%程度)○耐力階層化鉄筋がない場合と比較して，✔最大耐力は約20%増加（事前解析では22%増加）✔11𝛿𝛿𝑦𝑦 載荷時の耐力は約70%増加

水平変位(mm)5𝛿𝛿𝑦𝑦 載荷後6𝛿𝛿𝑦𝑦 載荷後7𝛿𝛿𝑦𝑦 載荷後✔限界状態２直前✔柱基部に多数のひび割れ✔最大耐力発揮✔ひび割れの進展は微小✔限界状態３に至る✔かぶりコンクリート剝落*星隈順一，運上茂樹，長屋和宏：載荷繰り返し回数の影響を考慮した鉄筋コンクリート橋脚の変形性能評価法，土木技術資料，Vol.39，No.2，pp.32-37，1997.

履歴吸収エネルギー12

履歴吸収エネルギーの推移と鋼管の影響 7𝛿𝛿𝑦𝑦 の1サイクル目まで吸収エネルギー量が増加
 軸方向鉄筋の座屈や破断による吸収エネルギー量の低下
 耐力階層化鉄筋を被覆する鋼管の橋脚への影響は小さい
25000
今回実験1サイクル目
今回実験2サイクル目
今回実験3サイクル目
対照実験1サイクル目
対照実験2サイクル目
対照実験3サイクル目

履歴吸収エネルギー(kN・mm)

20000

7𝛿𝛿𝑦𝑦

5𝛿𝛿𝑦𝑦

8𝛿𝛿𝑦𝑦

10𝛿𝛿𝑦𝑦

15000

耐力階層化
鉄筋作動

10000

座屈

エネルギー吸収量の差はほとんど見られない

5000

耐力階層化鉄筋あり
耐力階層化鉄筋なし

破断
座屈

破断

破断

00

123456

載荷変位(δy)789101112

曲率分布（橋脚高さ方向）

13

橋脚高さ方向の曲率分布
 鋼管被覆範囲の曲率が小さくなっている

荷重変位関係の結果には顕著な影響は見られないことから，鋼管は橋脚の性能を阻害していないものと考えられる

600

M面
M面フーチング上面からの高さ(mm)1δｙ5002δｙP面
P面

3δｙ4δｙ400

5δｙ6δｙ300

曲率は大きくなる傾向

鋼
管
被200

覆
範

100

囲
0-0.25-0.2-0.15

-0.1

-0.05

00.05

曲率φ(1/m)

0.10.15

耐力階層化鉄筋を用いた場合

0.20.25

耐力階層化鉄筋を用いていない場合

軸方向鉄筋のひずみ分布14軸方向鉄筋のひずみ分布 2𝛿𝛿𝑦𝑦 から鋼管被覆範囲のひずみが増加
フーチング内部の鉄筋の付着は確保
1400

M面

P面

1000
800
600

鋼管被覆範囲フーチング上面からの高さ(mm)

1200

400
200
0-200-400-30000-20000-100000

ひずみ(μ)

10000

20000

30000

耐力階層化鉄筋のひずみ分布15耐力階層化鉄筋のひずみ分布
 耐力階層化鉄筋が作動し始める5𝛿𝛿𝑦𝑦 から鉄筋と支圧板のひずみ増加
支圧板は載荷実験中，降伏に至らなかった

1000
1000

M面
M面

P面
P面

5𝛿𝛿𝑦𝑦

100

800
800

柱基部からの高さ(mm)
柱基部からの高さ(mm)150

50200200

塑性ヒンジ領域
塑性ヒンジ領域400
400

ひずみ(μ)

600
600

0-50

P面
P面A側
P面B側

-100

M面

00-3000
-2000
-1000
-3000
-2000
-1000

-150
00

1000
1000

5𝛿𝛿5𝛿𝛿
𝑦𝑦 ・ ・6𝛿𝛿
𝑦𝑦 ひずみ(μ)
𝑦𝑦 6𝛿𝛿𝑦𝑦 ひずみ(μ)

2000
2000

3000
3000

5𝛿𝛿5𝛿𝛿
𝑦𝑦 ・ ・6𝛿𝛿𝑦𝑦𝑦𝑦 6𝛿𝛿𝑦𝑦

耐力階層化鉄筋のひずみ分布

4000
4000

012345678910

載荷変位(δy)

支圧板のひずみの推移

1112軸方向鉄筋・耐力階層化鉄筋のひずみ 161000

耐力階層化鉄筋

5000-5001500

5000

1000

耐力階層化鉄筋

5000-500

10000 15000 20000 25000 30000

05000

1500
軸方向鉄筋

1000

耐力階層化鉄筋

5000-500

10000 15000 20000 25000 30000

05000

10000 15000 20000 25000 30000

ひずみ(μ)

ひずみ(μ)

ひずみ(μ)

1𝛿𝛿𝑦𝑦 載荷時

2𝛿𝛿𝑦𝑦 載荷時

3𝛿𝛿𝑦𝑦 載荷時

軸方向鉄筋

1000

耐力階層化鉄筋

5000-500
0

軸方向鉄筋

5000

10000 15000 20000 25000 30000

1500

軸方向鉄筋

1000

耐力階層化鉄筋

5000-50005000

10000 15000 20000 25000 30000

柱基部からの高さ(mm)

柱基部からの高さ(mm)01500

柱基部からの高さ(mm)

軸方向鉄筋

柱基部からの高さ(mm)1500

柱基部からの高さ(mm)

柱基部からの高さ(mm)載荷当初は軸方向鉄筋のみが機能し，橋脚変位が一定以上になると耐力階層化鉄筋が作動した

1500

軸方向鉄筋

1000

耐力階層化鉄筋

5000-50005000

10000 15000 20000 25000 30000

ひずみ(μ)

ひずみ(μ)

ひずみ(μ)

4𝛿𝛿𝑦𝑦 載荷時

5𝛿𝛿𝑦𝑦 載荷時

6𝛿𝛿𝑦𝑦 載荷時耐力階層化鉄筋が作動開始※P面側のひずみを示す

耐力階層化鉄筋の作動変位

17想定よりも早い段階で耐力階層化鉄筋が作動
 供試体の設計段階では，水平変位が63mmから耐力階層化鉄筋が作動するはずが，実験では5𝛿𝛿𝑦𝑦 (55mm)から作動を開始したことが確認
200
150
水平荷重(kN)

100
500-50
耐力階層化鉄筋あり-100

耐力階層化鉄筋なし-150-200-150

事前解析-100-50050
水平変位(mm)100

150200耐力階層化鉄筋の作動変位に影響を与えた要因
 フーチング内部における柱の軸方向鉄筋の伸び出し（弾性変形）に着目

軸方向鉄筋の伸び出し

18

柱のフーチング上面位置の変位量と曲率の関係
 載荷変位が増加し，曲率が大きくなるにつれて，変位量も増加していることが確認
 曲率が0の時の変位量の結果から，変位が残留しており，橋脚の残留伸びの発生が確認された
フーチング内部の軸方向鉄筋の塑性変形が発生
2.50
P面側伸出し量

フーチング上面位置の変位量(mm)

M面側伸出し量

2.00

1.50

1.00

0.50

0.00

-0.50
-0.08

-0.04

0.00

曲率(1/m)

0.04

0.08

軸方向鉄筋の伸び出し

19軸方向鉄筋の伸び出し量の推移
 耐力階層化鉄筋が作動開始した5𝛿𝛿𝑦𝑦 載荷時には，P面側，M面側平均して1.33mmの伸び出しが発生
 耐力階層化鉄筋の遊間を減少させた可能性が示唆

変位（mm）

21.8

伸び出し P面側

1.6

伸び出し M面側

1.4

伸び出し 平均

1.2
10.80.60.4
0.20121δy3

122δy3123δy3124δy載荷サイクル（回目）

3125δy3

橋脚の残留伸び20載荷荷重の増大に伴う橋脚の残留伸びの発生
 引張側の開口ひび割れの挙動によってフーチング上面位置に変形が残留したものと推測される
 橋脚の残留伸びによって，耐力階層化鉄筋が上方に移動し，遊間を減少させた可能性があると考えられる
6
伸び出し

5変位（mm）

残留伸び
4

合計

32
10
121δy3122δy3123δy3124δy載荷サイクル（回目）

3125δy3

再現解析による検証

21

耐力階層化鉄筋の遊間長の設定
 遊間長の設定にあたっては，橋脚の曲げ変形の影響に加えて，軸方向鉄筋の伸び出し及び橋脚の残留伸びの影響を考慮する必要があると考えられる′ ′𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝜙𝜙𝑙𝑙𝑙𝑙
𝑦𝑦𝑙𝑙𝑙𝑙 𝐿𝐿𝑃𝑃 + 𝐿𝐿𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 + 𝐿𝐿𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟

載荷実験の時と同様の橋脚の水平変位に対して耐力階層化鉄筋が作動するよう再現解析を実施

 載荷実験と同様の水平変位で耐力階層化鉄筋が作動開始する場合の遊間長を推定
 その時の軸方向鉄筋の伸び出し及び橋脚の残留伸びに伴う耐力階層化鉄筋の変位量を実験結果から推定

再現解析で使用したモデル

22

再現解析で使用した骨組みモデル
 供試体作成時に使用した骨組みモデルを一部改変し，プッシュオーバー解析を行った

・材料物性値は供試体作成時の材料試験の結果を適用
・軸方向鉄筋は修正MenegottoPintoモデルを使用**堺淳一，川島一彦：部分的な除荷・再載荷を含む履歴を表す修正Menegotto-Pinto モデルの提案，土木学会論文集， No.738／I-64， pp.159-169， 2003.

再現解析の結果

23

再現解析の結果，耐力階層化鉄筋の遊間長を6.05mmと設定した場合に実験結果と整合

 設計遊間長は9mmであることから，2.95mm分遊間が減少していたことになる
載荷実験では，橋脚の水平変位が45mmに達した時に耐力階層化鉄筋が作動開始

200
180160荷重(kN)

1401201008060

実験結果

40

遊間長9mm20

遊間長6.05mm(実験再現)

00

25

5075

変位(mm)

100

125150遊間長を減少させた要因

24

載荷実験の結果に基づき，耐力階層化鉄筋の作動開始時の伸び出し，残留伸びの影響を推定
 耐力階層化鉄筋位置での変位は2.86mmであり，再現解析で推定された遊間長の減少分とほぼ一致（2.95mm）

耐力階層化鉄筋の変位（mm）

4.0
3.5

伸び出し量

3.0

伸び出し量と残留伸びの和伸出しと残留伸びの和2.86mm

耐力階層化鉄筋が作動開始
した時の橋脚の水平変位

2.5
2.0
1.5
1.0

伸出し0.90mm

残留伸び1.96mm

0.50.045mm-0.5-1.0-80-60-40-20020406080

水平変位（mm）

耐力階層化鉄筋を用いた構造の検討にあたっては，軸方向鉄筋の伸び出しと橋脚の残留伸びの影響を考慮する必要性が確認された

本研究の成果25

耐力階層化鉄筋を用いたRC橋脚の応答評価
 載荷実験を通じて，従来は数値解析での評価に留まっていた新たな橋脚構造の実現可能性を確認
 設計上の想定どおり，耐力階層化鉄筋が橋脚耐力を再度上昇させる効果を有することが確認された
 橋脚の耐力に対する鋼管の影響は小さく，鋼管を用いた構造の妥当性が確認された

耐力階層化鉄筋を用いた構造の設計時の留意点
 再現解析を通じて，軸方向鉄筋の伸び出し及び橋脚の残留伸びが遊間長に影響を及ぼすことを明らかにし，設計時の留意点に関する知見を得た

今後の展望26

耐力階層化鉄筋を用いた新たな橋脚構造の実装に向けた検討
 部材耐力のばらつきを考慮した検討（小林ら(2023)*）
 軸方向鉄筋の伸び出し及び橋脚の残留のびの推定方法に関する検討

伸び出しについては推定方法ごとの結果のばらつきがあり，残留のびについては定式化された手法は提案されていない

 超過外力が作用した場合を想定した耐力階層化鉄筋の点検・復旧方法に関する検討

崩壊シナリオデザイン設計法の実現に向けた検討
 橋脚だけでなく，上部構造や基礎などを含む橋全体を対象とした耐力階層化による損傷制御に関する検討＊小林巧，河原井耕介，大住道生：材料特性や地盤特性のばらつきが道路橋の耐力階層化構造の崩壊シナリオに与える影響に関する解析的検討，
土木学会論文集，Vol.79，No.13，22-13028，2023.