阪神高速道路第 52 回技術研究発表会論文集

阪神高速道路全路線モデルを用いた
兵庫県南部地震の再現シミュレーション
服部匡洋1・大石秀雄1・伊佐政晃2
1(一財)阪神高速道路技術センター調査研究部
2 技術部技術推進室

要約
阪神高速道路では，今後発生が予想される巨大地震に備えるため，広域道路ネットワークの地震被害シミュレーションに関する研究を進めてきた．1995年兵庫県南部地震の再現シミュレーションを行い，震災当時に観測された地表面加速度や橋脚の被災度を一定の精度で再現できることを明らかにした．また，様々な震源域を想定した地震被害シミュレーションを実施することで，損傷の生じやすい橋脚や地震直後の路面の段差が生じやすい箇所を抽出できることを示した．本稿は，地震被害シミュレーションの更なる精度検証のため，兵庫県南部地震の震源モデルや震災当時の構造条件との違いに着目した兵庫県南部地震の再現シミュレーションを行うとともに，全路線モデルの今後の活用方法について言及したものである．

キーワード: 広域道路ネットワーク，兵庫県南部地震，被災再現解析

１．はじめに阪神高速道路では， 1995 年 1 月 17日に発生した兵庫県南部地震により甚大な被害を受けて以降，橋梁の下部構造の耐震補強や上部構造の落橋防止対策等，構造物の被害を最小に留めるよう対策を行うともに，災害時にも関西圏のライフラインとして機能することを目指した防災・減災対策にも積極的に取り組んでいる．その取り組みの1つとして，今後発生が予想される南海トラフ地震や都市直下型地震のような様々な震源域を想定した広域道路ネットワークの地震応答シミュレーションに関する研究 1),2) を進めている．これは，一般的な橋梁の設計に用いられる数径間程度の橋梁単位の地震応答解析ではなく，阪神高速道路全路線を対象とした広域の地震応答シミュレーションを行うことで，地震による構造物の損傷程度を路線単位や出入口・ジャンクション間の区間単位で評価するものである．広域道路ネットワークの地震応答シミュ
レーションを実施することで，様々な震源域を想定した地震動に対し，予め路線単位または橋梁単位の損傷状況を把握でき，耐震補強の優先度の高い部材や橋梁，路線を抽出することができるとともに，地震直後に実施する緊急点検においても，地震応答シミュレーションにより得られた被災度判定分布を踏まえ，重点的に着目すべき路線，橋梁を明らかにできるなど，耐震対策や緊急点検計画の合理化に役立てられる．また，地震応答シミュレーションの結果に基づき，地震後にかけ違い部で生じる段差量を推定することで，土嚢や敷鉄板などの資機材配置の最適化に繋がると考えられる．
このような背景から，著者らは，広域道路ネッ
トワークの地震被害シミュレーションの実務への実装に向けた取り組みをH30年度から開始した．検討の第一段階として， 2017 年度は阪神高速道路湾岸線の約55 kmの区間を対象に上町断層を震源域とする地震応答シミュレーションを行い，地震発生後の橋脚の耐荷力評価，支承部の段差量に基づいた走行性評価の可能性を示した1)．また，2018年度
は湾岸線に加え，神戸線，北神戸線，大阪港線，東大阪線の構造物モデルの作成を行い， 1995 年兵
庫県南部地震の地震動の作成及び下部構造の耐震補強前の断面諸元を再現したモデルの構築を行い，再現シミュレーションを実施することで，現段階の解析手法及び解析モデルであっても下部構造や支承部の損傷状況を一定程度の精度で再現できることを確認した2)．
2019 年度は更なる精度検証のため，再現地震動，構造解析モデルのそれぞれの精度について見直し，改めて兵庫県南部地震の再現シミュレーションを実施した．また，解析モデルの一例を図-1に示す．
2019 年度も 2018 年度に引き続き解析モデルの拡大を進め，阪神高速道路全路線のモデル構築が完了

(a) 天保山ジャンクション付近(b) 中之島付近(c) 港大橋付近(d) 東神戸大橋付近
図-1

阪神高速全路線モデルの一例した．本稿では，兵庫県南部地震の再現シミュレーション結果と全路線モデルを実務において活用するための今後の展望について示す．

STEP3：構造物応答解析

２．地震被害シミュレーションの方法
STEP2：表層地盤応答解析

広域道路ネットワークの地震応答シミュレーシ
ョンは，図-2に示す通り， STEP 1 ：震源域から工学的基盤までの深層地盤応答解析， STEP 2 ：工学的基盤から地表面までの表層地盤応答解析， STEP
3 ：構造物の基礎から上部構造までの構造物応答解
析の 3 段階で実施する．それぞれの地震応答解析において，順次，解析結果を受け渡すことにより，道路ネットワーク上の各構造物の応答や損傷を評価する．各 STEP における解析手法や解析モデルの構築方法については複数の方法が考えられ，その方法毎に精度のレベルが異なる．今後順次解析手法や解析モデルの精度レベルを向上させていく．

STEP1：深層地盤応答解析

図-2

表-1

解析手法

構造物応答解析

各基礎位置へそれぞれの波形を入力する地動解析

表層地盤応答解析

逐次非線形解析（YUSAYUSA等）
・大ひずみでも適用可能（ただし，全応力解析では液状化は考慮できない）
・周波数特性の考慮が複雑

深層地盤応答解析

統計的グリーン関数法
・短周期成分の計算が容易
・長周期成分が考慮できない

３．解析モデルの構築(1) 深層地盤応答解析モデル
現段階の解析手法及び解析モデルを表-1及び表2に示す． 1995 年兵庫県南部地震の再現にあたり，図-3，図-4に示す深層地盤応答解析は野津の再現
解析 3) で用いた山田の特性化震源モデル ( 神戸側部分)4)を用いた．なお，公開資料に示されていないパラメータについては，地震調査研究推進本部地震調査委員会(2016)が規定した「震源断層を特性した地震被害シミュレーションの方法

表-2
上部構造支承橋脚基礎ばね

解析モデル

線形梁モデル
鋼製支承：固定・可動のの支持条件
分散ゴム，免震支承：グルーピングした等価剛性
ファイバーモデル（グルーピング）
S-Rモデル

基礎-地盤系 直近のボーリング位置と同じ値をそのまま使う

地震の強震度予測手法 ( 「レシピ」 ) 修正版」 5)に準拠して決定した．表-3にパラメータの詳細を示す．
計算には統計的グリーン関数法を用いた．また，

解析領域は各SMGA破壊点を中心に400km×400kmを100mメッシュで設定した．
(2) 表層地盤応答解析モデル
STEP2の表層地盤応答解析には，地震応答解析プ
ログラムYUSAYUSA6)を使用した．ここでは一次元の全応力解析を実施しており，表層地盤の液状化は考慮していない．表層地盤のモデル化にあたっては，関西圏地盤情報データベースのボーリングデータ 7)に基づき地盤定数を設定した．ボーリングデータについては，必ずしも橋脚位置ごとに存在していない．既存のボーリングデータが存在しない橋脚位置の表層地盤のモデル化や基礎ばねの設定方法については，桐生ら8)の比較検討の結果をもとに，「最近法」を適用した．また，表層地盤の非線形特性は，関西圏地盤情報データベースの三軸試験結果に基づき，沖積層 (As， Ac) と洪積層 (Ds，Dc)の4種類の双曲線モデルを設定した2)．
(3) 構造物応答解析モデル

STEP3の構造物応答解析には，地震応答解析プロ
グラム SeanFEM9)を使用した．構造物応答解析では下部構造の橋脚材種，寸法に応じて表-4に示す 13の断面グループに分類し，各グループの代表断面をファイバー要素に割り当てモデル化している．
兵庫県南部地震の再現を実施するにあたっては，兵庫県南部地震当時の実構造物に近い断面とするため， 13 の断面グループから鋼製橋脚は充填コンクリートを，RC 橋脚は補強巻立て部分を削除してモデル化した．また，神戸線における支承部のモデル化については，図-5及び図-6に示すように兵庫県南部地震当時の支承条件について当時の竣工図を調査し，これを構造物解析モデルに反映した．
さらに，倒壊したピルツ式橋脚の区間については，図面を基に被災当時の精緻なファイバー断面を作成し，構造物解析モデルに組み込んだ．

表-4
断面

橋脚断面グルーピング

材質

グループ

形状

橋脚幅

グループ①3m

グループ②鋼材

グループ③
グループ④矩形

4m
5m

円形-グループ⑤2m

グループ⑥3m
矩形

グループ⑦グループ⑧グループ⑨5m

コンクリート6m
3m
円形

グループ⑪4m

グループ⑫5m
橋台

グループ⑬

兵庫県南部地震震源モデル

ファイバー
断面

4m

グループ⑩

図-3モデル化

線形はり

被災当時

現況構造図-4

想定する破壊開始点及びアスペリティ表-3

震源モデルの詳細パラメータ
震源モデルの詳細パラメータ (野津(2007))

断層名

ｱｽﾍﾟﾘﾃｨ1

ｱｽﾍﾟﾘﾃｨ2

図-5
ｱｽﾍﾟﾘﾃｨ4

34.635673

34.688183

1200

135.059231

135.188025

1000

平均走向角 θ(°)

N53E

N53E

N233E

平均傾斜角δ(°)

909085

平均すべり角λ(°)

000

断層長 L(km)4.8812.8

断層幅 W(km)個数34.616700
135.029400

南西端位置

支承条件の比較(神戸線)

1400

800
600
400
200

4.8

6.48

断層面積 S(km )

2351

1020

可動固定

断層上端深さ Z0(km)

3.0

3.0

3.0

被災当時

1264

1101

0

地震モーメント(N・m)

3.40E+17

1.30E+18

2.30E+18

現況構造758

781866

マグニチュードMw

5.6

6.0

6.2

平均すべり量(m)

0.4

0.7

0.7

2

図-6

弾性

支承種類ごとの基数の比較(神戸線)４．兵庫県南部地震の再現シミュレーション(1) 表層地盤応答解析
1995 年兵庫県南部地震において東神戸大橋で観測された波形と再現解析により得られた波形の加速度応答スペクトルの比較を図-7に示す．再現解析により加速度応答スペクトルの形状を概ね再現できていることを示した．
(2) 構造物応答解析(a) 神戸線の被災度判定分布
神戸線における各橋脚の被害調査結果と再現解析結果の被災度判定の比較を図-8に示す．ここで示す被害調査結果は 1995 年兵庫県南部地震直後に外観損傷から判定区分された結果である10),11)．また，再現解析結果は被災度判定方針に基づき外観損傷に対応する閾値を設定し，構造物応答解析で得られた最大応答ひずみ，最大せん断力により判定区分した結果を示している 2)．被災度判定は 5 つの被災度判定(As: 倒壊，A: 大被害，B: 中被害，C: 小被害，D: 被害なし)に分類している．As 判定された橋脚基数は，被害調査では 72 基であったのに対し，被災再現解析では 58 基であり，再現解析結果が被被害調査結果

ピルツ区間害調査結果に比べわずかに少なく評価される．このとき，ピルツ区間の橋脚ではせん断耐力を超過する最大せん断力が生じ，せん断破壊によりAs 判定に区分されており，破壊形態が実際の被害状況に対応する結果となった．
(b) 鋼製橋脚の損傷の再現性
鋼製橋脚である神P-584 周辺の被害調査結果と被図-7

観測記録との比較(東神戸大橋)

再現解析結果

図-8

ピルツ区間

被災度判定分布の比較(神戸線)

神 P-584

図-9

神 P-584 周辺の被災度判定の比較

神 P-688

図-10

神 P-688 周辺の被災度判定の比較

周期範囲～0.2
0.2～0.5
0.5～

図-11

支承部に生じる段差量分布

災再現結果の被災度判定の比較を図-9に示す．上部構造のモデル化は現在の構造物情報を基に作成しているため，再現解析モデルでは神 P-584 の上部構造は三径間連続桁となっている．しかしながら，被災当時の図面では神P-584 の上部構造は3 つの単純桁であったため，被災度判定に差異が生じていると考えられる．被災当時と同じ上部構造条件の神P-588から神P-591では橋脚の被災度判定は被害調査結果と同じであった．
(c) RC橋脚の損傷の再現性
RC 橋脚である神P-688周辺の被害調査結果と被災再現解析の被災度判定の比較を図-10に示す．神 P688 については，被災当時の構造と現況の構造で同一の支承条件となっており，この径間で最も被害の大きかった神 P-688 では，被害調査結果の As判定を再現している．また，神 P-687 ，神 P-689 ，神 P690についても，D判定とC判定の違いはあるものの，神 P-688 に比べ損傷が小さい傾向を捉えられることを確認した．

図-12

各橋梁の固有周期分布

５．今後の展望
本検討により， 1995 年兵庫県地震時の被災度判定を一定の精度で再現できることを改めて確認した．この全路線モデルの実務での活用場面の一例
として，下記が考えられる．
(1) 支承部の耐震補強優先順位付け及び段差防止材の配置計画の合理化に向けた検討
南海トラフ地震が作用した場合に支承部に生じうる段差量の分布を図-11に示す．支承部の段差量
は，解析より得られた支承反力が実験結果に基づき算出した支承耐力を上回った場合に，鋼製支承は支承高さの 1/2 ，ゴム支承は全高の段差量が生じると仮定し算出した．地震動によっては設計地震動の加速度応答スペクトルを超える加速度が生じている箇所もあり，大きな段差量が生じる箇所が抽出された．これらの分布が得られることで支承周りの耐震補強を行う上での優先順位付けが可能となるとともに，段差防止材等の資機材の設置を合理的に行うことが可能となると考える．
(2) 付属構造物の耐震補強優先順位の検討
全路線モデルを用いて得られた下部構造の固有周期分布を図-12に示す．本検討により下部構造の多くが固有周期 0.5 秒以下に分布することがわかる．
このような固有周期分布を得ることは，橋面上または橋脚上に設置された照明柱などの付属構造物との共振影響を容易に確認することができ，付属構造物の耐震補強対策の優先順位付けに有用であると考える．

６．まとめ
本稿では， 2019 年度に構築が完了した全路線モデルを用いた 1995 年兵庫県南部地震の再現シミュレーションの結果を示した．また，この全路線モデルを用いた今後の実務における活用方法について示した．本検討により得られた知見を以下にまとめる．
・兵庫県南部地震により発生した地震動の再現を試みた結果，本解析により東神戸大橋において観測された地震波の加速度応答スペクトルの形状を概ね再現できることを示した．
・兵庫県南部地震当時の下部構造及び支承条件を再現した構造物モデルに対し再現地震動を入力した構造物応答解析を実施した結果，選定区間における RC 橋脚や鋼製橋脚の被災度を概ね再現できることを示した．
・ 2019 年度に作成した全路線モデルの活用方法の一例として，支承部の耐震補強優先順位付け及び段差防止材の配置計画の合理化に向けた検討，付属構造物の耐震補強優先順位の検討に活用できる可能性があることを示唆した．
・今後は，解析モデル及び解析手法の精度を向上させながら，更なる活用方法について検討を進めていく予定である．
参考文献
1)

松下麗菜，篠原聖二，馬越一也，中村真貴，本橋英樹，服部匡洋：広域道路ネットワークにおける地震応答シミュレーションの実現可能性に関する検討，第37回地震工学研究発表会，2017.
2) 服部匡洋，大石秀雄，中村真貴，馬越一也，篠原聖
二：広域道路ネットワークを対象とした地震被害シミュレーションの精度検証と被災度評価，第39回地震工学研究発表会，2019.
3) 野津厚，長尾毅，山田雅行：スペクトルインバージ
ョンに基づく全国の強震観測地点におけるサイト増幅特性とこれを利用した強震動評価事例，日本地震工学会論文集 第7 巻，第2 号(特集号)，2007．
4) 山田雅行，平井俊之，岩下友也，釜江克宏，入倉孝
次郎：兵庫県南部地震の震源モデルの再検討，日本地震学会講演予稿集，A14，1999.
5) 地震調査研究推進本部地震調査委員会：震源断層を特定した地震の強震動予測手法( 「レシピ」) ，平成
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タ ベ ー ス ， https://www.kg-net2005.jp/index/db01.html(2020年2月27日閲覧)
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造物の地震応答概略評価のための地盤モデル簡易構
築手法，土木学会論文集 A1( 構造・地震工学)Vol.70 ，No. 4(地震工学論文集第33巻)， pp.742-750，2014.
9) 株式会社耐震解析研究所:SeanFEM ver.1.22 理論マニ
ュアルと検証，2007.
10) 阪神高速道路公団：大震災を乗り越えて - 震災復旧工事誌-, 1997.
11) 日本道路協会：道路震災対策便覧 ( 震災復旧編 ) ，2004.
12) 内 閣 府 ： 南 海 ト ラ フ の 巨 大 地 震 モ デ ル 検 討 会 ，
http://www.bousai.go.jp/jishin/nankai/model/ ， 2012.
(2020 年 2 月 27 日閲覧)