技報第 29 号

2018

（投稿中）

広域道路ネットワークの地震被害シミュレーションによる地震発生後の走行性評価に関する検討(一財)阪神高速道路技術センター調査研究部調査研究第一課(一財)阪神高速道路技術センター調査研究部調査研究第一課
阪神高速道路(株)技術部技術推進室

服部
大石
篠原

匡洋
秀雄
聖二

………………………………………………………………………………
要

旨

本検討では，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現に向けた検討として，阪神高速道路湾岸線の約 55km の区間を対象に，上町断層を震源域とする内陸直下型地震発生時と南海トラフを震源域とする海溝型地震発生時における地震応答解析を実施した．その結果，様々な震源域を想定した地震応答シミュレーショ
ンを実施することにより，損傷確率の高い区間を予測できる可能性を示した．また，支承の最大水平反力から伸縮継手部における段差量を算出し，この段差量から地震発生後の路線単位の走行性を評価できる可能性を示した．
キーワード: 高速道路ネットワーク，地震応答解析，危険度評価，走行性評価

単位やランプ間の区間単位で評価するものである．

はじめにシミュレーション上では，海溝型地震や内陸直下型地震の震源域の違い，震源域の断層 のすべり
量による地震規模の違い等，あらゆる条件を考慮

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， した解析を行うことができる．このため，多数の橋梁の下部構造の耐震補強や上部構造の落橋防止シミュレーションを実施し，それらの結果から損対策等，構造物の被害を最小に留めるよう対策を傷の生じやすい路線及び区間を明らかにすること行っている．また，災害時にも関西圏のライフラ

で，優先的に耐震補強工事を実施すべき路線・区インとして機能することを目指した防災・減災対間が明らかになると考えられる．また，地震直後策にも積極的に取り組んでいる．その取り組みのに高速道路の路面上に生じうる段差量を評価する

1 つとして，今後発生が予想される内陸直下型地ことができれば，出入口・ジャンクション区間単震や南海トラフ地震のような様々な震源域を想定

位での緊急車両の通行可否を予測することができ，した広域道路ネットワークの地震応答シミュレー

災害時の緊急輸送計画の立案にも役立つと考えら

ションに関する研究を進めている．これは，一般

れる．

的な橋梁の設計に用いられる数径間程度の橋梁単このような大規模な地震応答シミュレーション

位の地震応答解析ではなく，阪神高速道路全路線を行うためには，大規模な計算資源が必要となるを対象とした広域の地震応答シミュレーションをが，近年，国立研究開発法人理化学研究所のスー行うことで，地震による構造物の損傷程度を路線

パーコンピュータ「京」をはじめとする大規模計1

表-1 深層地盤応答解析の方法
フェーズ

STEP3：構造物応答解析

モデル化方法備考

F4

差分法・有限要素法
・長周期成分・不整形地盤が考慮できる・解析モデルが膨大
・理論上は短周期成分も考慮できるが，現実的でない

目標

F3

ハイブリッド法（統計的グリーン関数＋波数積分法）
・短周期成分の計算が容易な統計的グリーン関数法と，長周期成分が考慮できる波数積分法を合成させる

現状

F2

波数積分法 （SeanSGM）
・長周期成分も考慮できる
・水平成層地盤を対象
・理論上は短周期成分も考慮できるが，現実的でない

F1

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

STEP2：表層地盤応答解析

STEP1：深層地盤応答解析

表-2 表層地盤応答解析の方法
フェーズ

図-1 地震応答シミュレーションの方法

目標

F2

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
・１次元モデル

現状

F1

等価線形解析 （SHAKE等）
・周波数特性の考慮が容易
・大ひずみ時には適用できない

ある．阪神高速道路では，2014 年より「京」を用いた基礎研究として，仮想の延長 20km の連続

備考

F3算機が国内の研究機関や大学に整備され，大規模な解析を容易に行うことができる環境が整いつつモデル化方法
有限要素法 （DACSAR, FLIP等）
・不整形な地盤構造も考慮できる・解析モデルが膨大
・3次元モデル高架橋を対象とした解析 1)や 1995 年兵庫県南部

表-3 構造物モデルへの地震動の入力方法

地震で被害を受けた東神戸大橋の損傷過程の再現

フェーズ

解析方法

解析 2)を実施し橋梁構造物の地震応答シミュレー

F3

各基礎位置へ位相差を考慮した3方向(NS・EW・鉛直)波形を入力

F2

地域，路線，地盤種別ごとにグルーピングした波形を各基礎に入力

ションの実現に向けて取り組んできた．本稿では，

F1

代表同一波形を一様に入力

備考
現状=目標

広域道路ネットワークの地震被害シミュレーショ

や解析モデルの構築方法の精度レベル一覧を示す

ンの実務への実装に向けた検討の一例として，阪とともに，現段階におけるレベル及び今後目標と神高速道路湾岸線の約 55 km の区間を対象に，上するレベルを示す．

町断層及び南海トラフを震源域とする地震応答シ
ミュレーションを行い，地震発生後の走行性評価

1-1 深層地盤応答解析の可能性について検討した事例について報告する．

震源断層から工学的基盤までの深層地盤応答解
析の方法を表-1 に示す．現段階では，フェーズ 3

１．地震応答シミュレーションの方法の短周期成分の計算が容易な統計的グリーン関数
法と長周期成分が考慮できる剛性行列法(離散化

広域道路ネットワークの地震応答シミュレーシ

波数積分法)を合成させたハイブリッド法 3),4),5)

ョンは，図-1 に示すように STEP 1：震源域からにより計算を行っている．ただし，これらの計算工学的基盤までの深層地盤応答解析，STEP 2：工法は水平成層地盤を対象としているため，3 次元学的基盤から地表面までの表層地盤応答解析，的な変化に富む地盤構造を考慮することはできな

STEP 3：構造 物の基礎から上部構造までの構造

い．今後は，地盤構造の 3 次元的な変化を考慮で

物応答解析の 3 段階で実施する．それぞれの地震

きるフェーズ 4 の解析手法の研究開発を進める．

応答解析において，順次，解析結果を受け渡すこ
1-2 表層地盤応答解析とにより，道路ネットワーク上の各構造物の応答

前述の深層地盤応答解析で得られた工学的基盤や損傷を評価する．
各 STEP における解析手法や解析モデルの構築の地震波から，各橋脚位置の地表面の地震波を求方法については複数の方法が考えられ，その方法

めるための表層地震応答解析の方法を表-2 に示

毎に精度のレベルが異なる．ここでは，解析手法

す．現状では，フェーズ 2 の地震応答解析プログ2

ラム YUSAYUSA6) を用いて 1 次元逐次非線形解析を行っている．今後は，3 次元モデルでの解析がS1

可能なフェーズ 3 の解析手法の研究開発を進める．

S4

S2

1-3 構造物応答解析

S5

表-3 に示すように前述の表層地盤応答解析で得られた地表面の水平 2 方向（NS・EW）
・鉛直 1
方向の計 3 方向の地震波を，各橋脚位置にそれぞ

阪神高速全路線（約 260km）

れ位相差を考慮して入力する方法により，構造物

本検討の対象範囲（約 55km）

S3

抽出領域（60km×60km）

応答解析を行う．減衰については，水平 2 方向と想定断層位置

鉛直方向のモード寄与率のベクトル和を重み係数

破壊開始点として，最小二乗法で決定するレイリー減衰モデル 7),8)を適用する．

図-2 上町断層の位置

T4 T3T2

２．解析モデルの構築方法

T1
S1 S2

2-1 大規模解析モデル構築の方針
一般に，耐震解析で構築する橋梁単位のはり要素を用いた全体系解析モデルは，竣工図面や設計
計算書，ボーリングデータ等の情報を元にして，解析モデルに必要な上下部構造の節点座標と剛性，

N2 N1 N4H1 N3H2図-3 南海トラフ地震の震源域の分布

支承条件，基礎−地盤系ばね，死荷重，質量といった入力データを作成する．しかし，阪神高速道

図った．なお，COSMOS は，GIS を活用して阪神高路全路線の地震応答を一体として評価するために

速道路に関連するビッグデータを集約・統合し，解析モデルを一般的な方法で構築していくことは， 災害対応活動の支援，道路構造物の効率的な維持
多大な時間と費用が必要になり現実的ではない．

管理，道路交通管理の高度化など，幅広い分野にまた，本研究における全路線を対象とした解析モ

おける情報共有を行うためのシステムである．
また，広域道路ネットワークとして路線単位やデルは大規模であり，また既存の橋梁に対して現在までに行われてきた耐震補強や補修工事に加え， ランプ間の区間単位での損傷度を評価するために今後の維持管理に対する工事，路線延伸等の将来

は，解析モデルの精度やシミュレーションの信頼の構造的変化に対する解析モデル変更にも対応で性が求められる．これら課題を解決するため，本きる必要がある．そこで本研究では解析データ管研究では阪神高速道路全路線を幾つかの区間に分

理用データベースの「解析台帳」を作成し，今後け，それぞれの区間で段階的に解析モデルの精度の解析対象路線の拡大や解析モデル高精度化によ向上を目指すものとした．本検討では，阪神高速

るモデル入れ替え，進捗によって段階的になる解

道路湾岸線（約 55km）を選定し，先行してモデ析モデルの煩雑なバージョン管理を一元的に管理

ル構築を行った．今後は湾岸線のモデル精度を高できるよう構成した．解析台帳は，阪神高速地理

めるとともに，湾岸線以外の路線についても順次

空間情報システム(COSMOS)

9)の既存のデジタル

モデル構築を行う．

データベースを活用して構造物の剛性や重量，支承条件等の情報を取得し，データ入力の効率化を

2-2 深層地盤モデル

3

上部構造
線形はりモデル

支承
線形ばねモデル(a) 拡大

(a)

天保山大橋

下部構造
ファイバーモデル(b)

基礎
S-Rばねモデル

港大橋

3方向入力
NS方向
EW方向
鉛直方向

(b) 拡大図-5 構造解析モデル例（港大橋付近）

図-4 構造物モデルの構築方法

本検討では，路線全体への影響が大きいと考えては，距離による重み付けにより地層境界を補間られる上町断層帯による内陸活断層型地震と南海する「逆距離荷重法」，対象地点から最も近いボ

トラフによる海溝型地震を対象地震とした．図-2

ーリング情報の地層境界をそのまま用いて補間すに対象とする上町断層の位置を，図-3 に対象とる「最近法」がある．既往の比較検討 13)の結果

する南海トラフ地震の震源域の分布を示す．対象をもとに，本検討では一定の精度が確保できる

地震の震源域と震源断層パラメータは，上町断層「最近法」を適用した．

帯は大阪府自然災害総合防災対策検討 10)を，南また，表層地盤の非線形特性は，関西圏地盤情報

海トラフ地震は内閣府 南海トラフの巨大地震モ

データベースの三軸試験結果に基づき，沖積層

11)

デル検討会の公表データ（陸側ケース） を基に（As，Ac）と洪積層（Ds，Dc）の 4 種類の双曲線設定した．なお，公開資料に示されていないパラモデルを設定した．

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

2-4 構造物モデル

地震の強震度予測手法（「レシピ」）修正版」に準本検討では，阪神高速道路全線約 260 km（約拠して決定した．また，地震基盤から工学的基盤

9000 基の橋脚）のうち，湾岸線約 55 km（約までの深部情報は，2017 版の J-SHIS 情報を用い1800 基の橋脚）の範囲のモデル化を行った．図-て，深部地盤モデルを構築している． 解析領域

4 に示すように，本検討では，上部構造を線形梁は各 SMGA 破壊点を中心に，南海トラフは 500km

モデルとした．下部構造は材料非線形性を考慮で×500km，上町断層帯は 400km×400km を 100m メ

きるファイバーモデルとした．下部構造の断面にッシュで設定した．

ついては，断面形状（矩形，円形），材質（鋼製，コンクリート製），断面幅の使用頻度から 12 グル

2-3 表層地盤モデループに分類し，代表橋脚断面を各グループに設定

表層地盤のモデル化にあたっては，関西圏地盤した．支承は線形ばねモデルとした．また，基礎

情報データベースのボーリングデータ 12)に基づは S-R ばねとし，そのばね値は土木建築施設図とき地盤定数を設定した．また，基礎ばねの算出に

各下部構造近辺のボーリングデータから算定した．

おいても，表層地盤のモデル化同様，関西圏地盤

なお，表層地盤応答解析に用いる各基礎位置の表

情報データベースのボーリングデータから各橋脚

層地盤条件にも同一のボーリングデータを共有しのばね定数を算出する．ボーリングデータについているため，解析全体の統一性についても保たれては，必ずしも橋脚位置ごとに存在していない．

ている．剛性，質量，幾何形状等の数値情報につ

既存のボーリングデータが存在しない橋脚位置のいては，COSMOS のデータベースから構造物情報

表層地盤のモデル化や基礎ばねの設定方法につい台帳を CSV 形式のファイルで作成した上で，地震4

地震発生後 5 秒

地震発生後 10 秒

港大橋付近

地震発生後 15 秒

港大橋付近

港大橋付近

（a）鳥瞰図（湾岸線全線）（b）拡大図（港大橋付近）
図-6 加速度の伝播状況及び構造物の応答変位（Case̲1 上町断層地震）

最大加速度 (gal)0500 1000

最大加速度 (gal)0500 1000

り ん くう Ｊ Ｃ Ｔ
泉 佐 野南入路

泉 佐 野北出路

貝塚

岸 和 田南岸 和 田北泉大津

助 松 ・助 松Ｊ Ｃ Ｔ

高石

浜寺

石津

出島

大浜

三 宝 ＪＣ Ｔ

南港南

南港中

南港北

天 保 山Ｊ ＣＴ

北 港 ＪＣ Ｔ

45

中島

40

尼 崎 東海 岸
尼 崎 末広

35

鳴尾浜

30

甲 子 園浜

15
20
25
地表面波

西宮浜

5
10
基盤波

南 芦 屋浜

0

深江浜

住吉浜
魚崎浜
六 甲 アイ ラ ン ド 北

り ん くう Ｊ Ｃ Ｔ

泉 佐 野南入路

泉 佐 野北貝塚

岸 和 田南岸 和 田北泉大津

助 松 ・助 松Ｊ Ｃ Ｔ

高石

浜寺

石津

出島

大浜

三 宝 ＪＣ Ｔ

南港南

南港中

南港北

天 保 山Ｊ ＣＴ

北 港 ＪＣ Ｔ

中島

尼 崎 東海 岸
尼 崎 末広鳴尾浜

甲 子 園浜

西宮浜

南 芦 屋浜

深江浜

住吉浜
魚崎浜
六 甲 アイ ラ ン ド 北

出路

50
55
距離 (km)0（a）Case̲1：上町断層地震

5
10
基盤波

15
20
25
地表面波

30

35

40

45

50
55
距離 (km)（b）Case̲2：南海トラフ地震

図-7 基盤及び地表面での最大加速度分布の比較

応答解析プログラム SeanFEM14)用モデルを自動構設定した破壊開始点から南方向に地震動が伝播し築した．以上の方法により構築したモデルの例とていき，地震動の伝播に伴い橋梁の応答変位が増して，港大橋付近の構造物モデルの一例を図-5大している状況が確認できる．

に示す．
3-2 基盤及び地表面での最大応答加速度

３．地震応答シミュレーションの結果

図-7 に深層地盤応答解析により得られた工学的基盤における最大加速度とその深層地盤応答解

阪神高速道路湾岸線約 55 km を対象とした地震

析結果を入力波とした表層地盤応答解析により得応答シミュレーションの結果を示す．なお，本稿られた地表面における最大加速度の比較を示す．

に示す広域道路ネットワークシミュレーションはCase̲1 ： 上 町 断 層 を 震 源 域 と す る 解 析 と現時点で研究段階にあり，今後解析モデルの広域

Case̲2：南海トラフを震源域とする解析の最大加化・高精度化とともに，解析結果の精度検証を行

速度分布を比較すると，上町断層地震では南海トっていくものである．

ラフ地震に比べ，震源域から湾岸線の橋梁構造物までの距離が短いため，基盤で全体的に大きな加

3-1 加速度の伝播状況と橋梁の応答変位速度が発生している．特に助松 JCT 付近から貝塚

図-6 に加速度の伝播状況と橋梁の応答変位の付近では基盤波の加速度が大きく，最大で一例として，上町断層の破壊に伴う加速度の伝播

1000gal を超える大きな加速度が発生する．一方

状況と構造物の応答変位を示す．上町断層北部にで，地表面加速度に着目すると，上町断層地震と

5

1500
1000
500

最大応答加速度RMS(gal)

0

1500
1000
500

最大応答加速度RMS(gal)0

りんくう ＪＣＴ

泉佐野南

入路

泉佐野北

貝塚

岸和田南

岸和田北

助松・助 松ＪＣ Ｔ

泉大津

高石

浜寺

石津

出島

大浜

三宝ＪＣ Ｔ

南港南

出路

最大加速度

0

55

南港中

50

天保山Ｊ ＣＴ

45

南港北

40

北港ＪＣ Ｔ35

中島30

尼崎東海 岸
尼崎末広

25

鳴尾浜

20

甲子園浜

15

西宮浜

10

南芦屋浜

5

深江浜

最大加速度

0

住吉浜
魚崎浜
六甲アイ ランド 北

りんくう ＪＣＴ

泉佐野南

入路

泉佐野北

貝塚

岸和田南

岸和田北

助松・助 松ＪＣ Ｔ

高石

泉大津

浜寺

石津

出島

大浜

三宝ＪＣ Ｔ

南港南

南港中

天保山Ｊ ＣＴ

南港北

北港ＪＣ Ｔ中島

尼崎東海 岸
尼崎末広

鳴尾浜

甲子園浜

西宮浜

南芦屋浜

深江浜

住吉浜
魚崎浜
六甲アイ ランド 北

出路

5

10

橋脚天端

15

20

相対変位

相対変位

支承水平力/水平耐力

支承水平力/水平耐力

段差量

段差量

（a）Case̲1：上町断層地震

25

30

35

40

基礎

45

50

55
距離 (km)（b）Case̲2：南海トラフ地震

図-8 支承の最大水平力及び伸縮継手部の段差量の比較

南海トラフ地震で最大加速度分布に違いは見られ

最大相対変位は，最大応答加速度と同様に，全体るものの，最大加速度は 400gal 程度と大きな差

的には南側が大きな傾向にある．また，天保山は生じなかった．

JCT 付近で 1.4m 程度，泉佐野南で 1.2m 程度の大3-3 橋脚天端及び基礎位置での最大応答加速度

きな相対変位が生じている．

橋脚天端と基礎の最大応答加速度，橋脚天端とこのように，上町断層地震と南海トラフ地震を基礎の最大相対変位の分布図（水平 2 成分の自乗想定した地震応答シミュレーションにより得られ

和平方根）を図-8 に示す．上町断層地震では，た基礎及び橋脚天端の加速度応答分布や相対変位

最大応答加速度は南側でより大きな加速度となる

分布の傾向に違いが確認されたことから，様々な傾向が見られる．大浜や泉大津付近で橋脚天端の震源域を想定した地震応答シミュレーションによ

加速度が 1000gal 程度となっていることがわかる． る被害確率に基づく危険度評価ができる可能性を一方，最大相対変位は，相対変位 0.5m を超える示した．

ような箇所が路線全体に分布しており，大浜付近
で 0.8m 程度の相対変位が生じている．

3-4 伸縮継手部の段差量

南海トラフ地震も上町断層地震と同様に，最大

図-8 には支承の最大水平反力を水平耐力で除応答加速度は南側でより大きな加速度が生じておした応答耐力比と伸縮継手部における段差量の分

り，大浜や泉大津付近で橋脚天端の加速度が布を併せて示している．ここで，2011 年東北地

900gal 程度となっていることがわかる．一方，

方太平洋沖地震において発生した仙台東部道路で

6

高さは段差量を示す
(cm)
200
0

走行性
ランク
a（40cm〜）b（20〜40cm)
c（〜20cm）（a）Case̲1：上町断層地震（b）Case̲2：南海トラフ地震
図-9 走行性判定結果の比較

は，支承が水平方向に完全に破断しても，支承高を算出した．これにより，橋脚単体のみならず，さ（台座高さを含む）分の段差が生じるのではな

区間単位での損傷程度を推定できる可能性を示し

く，一定の高さは確保されていた

15)

．そこで本

た．

検討では，支承の最大水平反力が耐力を超えてい・本検討では，上町断層を震源域とする場合と南る場合に支承が破壊すると判定し，伸縮継手部に海トラフを震源域とする場合で応答変位や段差量発生する段差量については，対象支承の支承高さの分布の違いが確認されたことから，様々な震源の 1/2 の段差が発生するものと仮定して算出した． 域を想定した地震応答シミュレーションを実施す
図-8 より，南海トラフ地震では上町断層地震にることにより，被害程度を評価できる可能性を示

比べ多数の支承が破壊し，段差量が 20cm を超えした．

る箇所も多くなっていることがわかる．

・地震応答シミュレーションにより得られた支承

また，図-9 に走行性判定結果を示す．本検討の最大水平反力から，一定の仮定の下，伸縮継手

では，3 ランク(a:通行不可，b:通行注意，c:被部における段差量を算出した．この段差量から，害なし)に分類し，支承高さに基づき走行性判定

地震発生後の路線単位の走行性を評価することがを試みた結果，閾値の設定等に課題は残るもののできる可能性を示した．

地震発生後の走行性評価ができる可能性を示した．

今後，解析モデルの構築範囲を阪神高速全路線の橋梁やトンネル構造物に展開していくとともに，４．まとめ

地盤モデルの 3 次元化など，解析手法や解析モデ
ルの精度レベルを向上させていく．また，複数の本研究では，上町断層を震源とする内陸直下型

震源モデルを用いたシミュレーションにより，区地震および南海トラフを震源とする海溝型地震が間単位での被害確率から危険度評価を行うととも発生した際の広域道路ネットワークの地震応答シに，被災度判定評価を実施するための閾値の適切

ミュレーションについて検討した．本検討で得らな設定を行う．現段階で橋脚の非線形性を考慮しれた知見を以下に示す．

た解析を実施していることから，各橋脚断面の応・阪神高速湾岸線約 55km の大規模な解析モデル

答ひずみ値や残留変位等の抽出が可能であるため，を自動構築し，震源域から構造物モデルまでの地

これらの応答を用いた橋脚の「耐荷力」，「復旧性」

震応答シミュレーションを実施する仕組みを構築

を定量的に評価することが可能となると考えてい

した．

る．

・広域地震応答シミュレーションにより，約

謝辞：本研究は，阪神高速道路(株)と(株)地震工

1800 基の橋脚それぞれの応答加速度や応答変位学研究開発センターとの「巨大地震発生時におけ7

る阪神高速湾岸線の全体系応答シミュレーションに関する共同研究」の成果の一部であり，国立研
究開発法人理化学研究所のスーパーコンピュータ「京」を利用して得られたものである（課題番号：hp170089）．ここに記して関係各位に謝意を
表する．
参考文献
1)

2)

3)

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14) 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，2007.11.
15) 曽田信雄，山田金喜，木水隆夫，広瀬剛，鈴木基行：東北地方太平洋沖地震により破断した積層ゴム
支承の性能試験，構造工学論文集，(公社)土木学会，
Vol.59A，pp.516-526，2013.

A STUDY ON POST-EARTHQUAKE DRIVING POSSIBILITY EVALUATION BASED ON
EARTHQUAKE DAMAGE SIMULATIONS IN EXPRESSWAY NETWORK
Masahiro HATTORI, Hideo OISHI and Masatsugu SHINOHARA
To build an earthquake damage simulation system in expressway network, seismic response analyses
were conducted for Hanshin Expressway Wangan Route subjected to Uemachi earthquake and NankaiTrough Earthquake in this study. As a result, these analyses showed the possibility to be able to extract
the high damage spans. In addition, these analyses showed the possibility to be able to predict the driving
possibility after earthquake from the amount of step calculated by maximum bearing reaction force.

服部 匡洋

阪神高速道路技術センター
調査研究部 調査研究第一課
Masahiro Hattori

大石 秀雄

阪神高速道路技術センター
調査研究部 調査研究第一課
Hideo Oishi

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篠原 聖二

阪神高速道路株式会社
技術部 技術推進室
Masatsugu Shinohara