阪神高速道路第 54 回技術研究発表会論文集(2022)

阪神高速道路全路線モデルを用いた兵庫県南部
地震再現シミュレーションの精度向上
佐藤知明 1・服部匡洋 1・曽我恭匡 21(一財) 阪神高速先進技術研究所調査研究部
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応答シミュレーションに関する研究を進めてきた．2020 年度に報告した兵庫県南部地震に対する再現シミュレーション
では，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．
本検討では，兵庫県南部地震で大きな被害が生じた神戸線を含む 2 km 四方を対象に，地震動生成においてこれまでの統計的グリーン関数法に加え，精緻な地盤条件を考慮できる三次元差分法を適用し，いわゆる「震災の帯」と呼ばれる激震範囲の再現を試みた．さらに，3 号神戸線の橋脚をより精緻にモデル化し，地震応答シミュレーションの精度を更に向上させ，精度検証を行った．

キーワード：広域道路ネットワーク，地震応答シミュレーション，兵庫県南部地震，三次元差分法，再現解析

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
阪神高速道路では，1995年1月17日に発生した兵応答シミュレーションの結果に基づき，地震後にか庫県南部地震により甚大な被害を受けて以降，橋梁け違い部で生じる段差量を推定することで，土嚢やの下部構造の耐震補強や上部構造の落橋防止対策等， 敷鉄板などの資機材配置の最適化に繋がると考えら構造物の被害を最小に留めるよう対策を行うとともれる．に，災害時にも関西圏のライフラインとして機能す
以上のような背景から，著者らは，阪神高速道路ることを目指した防災・減災対策にも積極的に取り全線を対象とした広域道路ネットワークの地震応答組んできた．その取り組みの 1 つとして，今後発生シミュレーションの実務への実装に向けた取り組みが予想される南海トラフ地震や都市直下型地震のよを開始した．
うな様々な震源域を想定した広域道路ネットワークはじめに，構造物のモデル化であるが，橋脚を形の地震応答シミュレーションに関する研究 1),2) を進式・形状・寸法によりグループ化する手法により，めている．
2017 年度の湾岸線約 55 km 区間を手始めに，2018 年
この研究は，一般的な橋梁の設計に用いられる数
度には神戸線，北神戸線，大阪港線，東大阪線を作
径間程度の橋梁単位の地震応答解析ではなく，阪神成し，2019 年度に阪神高速道路全路線のモデル構
高速道路全路線を対象とした広域の地震応答シミュ築が完了した．
レーションを行うことで，地震による構造物の損傷
一方，地震動については，上町断層，南海トラフ程度を路線単位や出入口・ジャンクション間の区間地震，有馬‐高槻断層帯を震源域とした入力地震動単位で評価するものである．
を生成してきたが，これまでは統計的グリーン関数
このような広域道路ネットワークの地震応答シミ法(SGF)，もしくは統計的グリーン関数法(SGF)と剛ュレーションを実施することで，様々な震源域を想性マトリクス法とを組み合わせたハイブリッド法を定した地震動に対し，予め路線単位または橋梁単位用いており，深層地盤を水平成層構造であると仮定の損傷状況を把握でき，耐震補強の優先度の高い部している．
材や橋梁，路線を抽出することが可能となる．
そこで本検討では，3 号神戸線の構造物モデルを地震応答シミュレーションの活用方法としては，精緻化し，さらに，深層地盤応答解析に三次元差分例えば，地震直後に実施する緊急点検において，想法を適用することで，兵庫県南部地震を対象とした定される被災度判定分布を踏まえ，重点的に着目す再現シミュレーションの高精度化を目指した．

１．はじめに

２．地震応答シミュレーションの方法
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-1 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，広域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るが，その方法ごとに精度のレベルが異なっており，継続的な研究により，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る．

３．解析モデルの構築

図-1地震応答シミュレーションの方法

構造物

表-1 解析手法
各基礎位置へそれぞれの波形を⼊⼒

応答解析

する地動解析

表層地盤(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に示す．
1995年兵庫県南部地震の再現にあたり，深層地盤応答解析には図-2，図-3に示す山田らの特性化震源モデル(神戸側部分)3) を用いた．震源モデルに与えたパラメータを表-2に示すが，ここでサブイベント 4については釜江ら4) の文献に従い別途算定した．計算にはこれまで統計的グリーン関数法(SGF)を用いていたが，長周期成分の精度向上のため三次元差分法(3DFDM)を併用したハイブリッド法を用いた．
一方，深部地下構造モデルには，大阪堆積盆地全体を表現するグリッドモデルを採用した．この構造モデルは，断層や基盤岩が堆積層に衝上するなどの地下構造の急激な変化をできるだけ正確に表現しようとするモデルであり，地層の堆積深度や年代に応じて弾性波速度や密度を変化させているため，データ量は膨大となり，取り扱いが難しいという特徴がある．
なお，今回の検討では，地表面上の2 km四方を検討対象としているが，後述する「震災の帯」を再現するためには大阪盆地の三次元的な地下構造の縁から反射する波の影響を考慮する必要があることから，東西：85 km ，南北：75 kmの範囲を深層地盤応答解析での計算領域としている．
(2) 表層地盤応答解析モデル
今回のSTEP 2 表層地盤応答解析では液状化は考慮しておらず，工学的基盤面から地表面への地震動の引き上げについては等価線形手法である地震応答解析プログラム FDEL5) 6) を使用した．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．
しかしながら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．そこで，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，桐生等価線形解析（FDEL)

応答解析
深層地盤

三次元差分法と統計的グリーン関数

応答解析法とのハイブリッド解析

図-2

図-3

想定する震源モデル

強震動生成域（SMGA）配置

表-2 解析手法
サブイベント1234単位

地震モーメント

1.00

0.110.23

0.36 ×1019 Nm

応⼒降下量8.623.4

15.68.6MPa図-6

図-4構造物モデル化範囲（3 号神戸線）

表-3

構造物モデルの変更点

過年度検討

下部構造剛性⽀承解析モデル（3 号神戸線）

今回（神⼾線2km区間）

全区間

ピルツ区間

全区間ピルツ区間

グループ化

各橋脚剛性

各橋脚剛性

各橋脚剛性

１⽀承線集約（現況構造条件）

剛結合各⽀承モデル化（被災当時条件）

図-7

Google Earth へのマッピング（3 号神戸線）

剛結合(3) 構造物応答解析モデル
STEP 3 の構造物応答解析には，地震応答解析プ
上部構造
ログラム SeanFEM 9) を使用した．
現況構造換算現況構造換算現況構造換算PC桁換算
剛性
構造物応答解析の対象は図-4に示す2 km四方の範
上部構造
現況構造換算PC桁換算現況構造換算
現況構造換算囲であり，本検討では3号神戸線について検討して（回転慣性質量考慮）（回転慣性質量考慮）
質量いる．解析精度を向上させるため，過年度までのモ桁区分
現況構造
現況構造
被災当時
被災当時デル化に対し，表-3に示す6項目について取り扱いを高度化した．
はじめに，RC 柱については，これまで矩形・円形それぞれにおいて橋脚幅を1 mごとにグループ化してモデル化していたものを，今回の検討では，対象範囲内の神戸線の橋脚 56 基すべてについて，兵庫県南部地震被災当時のそれぞれの断面形状を復元するものとし，ファイバー要素を用いて精緻にモデル化した．ピルツ橋脚区間の一例として，神P-126の橋脚イメージを図-5 に示す．
次に支承については，これまで 1 支承線を集約していたものを今回はそれぞれの支承でモデル化した．
その他の主たる変更点として，上部構造のゲルバー部はこれまでヒンジを無視して連続化していたが，今回新たにヒンジを導入した．さらに，上部構造質量には回転慣性質量を考慮する，などの変更を加えている．
構築した上部構造モデルを図-6 に，さらに構造図-5 ファイバーモデル（ピルツ橋脚）モデルを Google Earth にマッピングしたものを図-7に示す．本研究のような広域道路ネットワ－ク解析
8)において構築する解析データは，大量かつ詳細なもら 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（G/G0-γ 曲線， のとなることから，その確認作業においては，地図情報との連携・活用も重要となっている．
h-γ曲線，G：せん断剛性，h：減衰定数，γ：せん
なお，上部構造モデルは節点数：4,114 点，要素断ひずみ）は，関西圏地盤情報データベースの三軸数：4,874 要素，ファイバーセル数：246,896 であり，試験結果に基づき，沖積層(As，Ac)と洪積層(Ds，通常の PC で解析可能である．
Dc)の4種類の双曲線モデルを設定した2) ．
ゲルバーー

無視（桁連続化）

ー

ゲルバー

ヒンジ考慮

galgal：震災の帯：震災の帯

被災再現解析

(a) NS 成分(b) EW 成分
図-8

地動最大加速度（PGA）分布(2) 構造物応答解析結果
図-9 に対象橋脚の固有周期を整理した．上図が橋軸方向，下図が橋軸直角方向に対する固有周期である．橋脚ごとの固有周期は橋脚天端の固有モード変位が最大となる次数を採用している．
同図より，ピルツ区間の固有周期は，他の橋脚に比べ長周期となっていることがわかる．その要因としては，ピルツ区間は RC 桁であり，他の区間（鋼桁）より上部構造重量が大きいことが考えられる．
さらに，各橋脚の固有周期を神 P126 (14 - 0140126- 9P) のサイト波（入力波）の絶対加速度応答スペクトル上にプロットした（図-10）．ピルツ区間での橋軸直角方向に近い角度となる NS 成分では周期0.5 秒以上で 1000 gal を超える応答スペクトルが出ており，その周期帯にピルツ橋脚の固有周期が重なっていることがわかる．
なお，非線形動的解析による再現解析については
現在実施中であり，被災度判定結果等について順次報告する予定である．

10.90.80.70.6
0.50.40.30.20.10

橋軸

固有周期 (s)1818.5

1919.520

ピルツ区間

10.90.80.70.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
020.5
距離 (km)
直角

1818.519

図-919.5

2020.5距離 (km)

各橋脚の固有周期

サイト波(14 0140126 9P)

絶対加速度応答スペクトル(gal) 減衰 5%(1) 深層地盤応答解析結果
深層地盤応答解析から得られた結果の一例を示す．
図-8 は，統計的グリーン関数法(SGF)結果と三次元差分法(3DFDM)結果の遷移周期帯を 1～2 秒としてハイブリッドさせた地動最大加速度(PGA)分布である．同図には，兵庫県南部地震において震度 7 を観測した「震災の帯」と呼ばれる領域を水色枠で図示しているが，本解析結果でも 700 gal～1000 gal 超の大きな加速度（赤～ピンク色）が発生することが再現された．

固有周期 (s)４．兵庫県南部地震の再現シミュレーション

1000

100

EW(橋軸)
ピルツ以外
ピルツ
タイプⅡ(cⅡz=1.00)

NS(直角)
ピルツ以外
ピルツ

100.1

1

周期T(sec)

図-10

各橋脚の固有周期と加速度応答スペクトル10５．まとめと今後の展望
本論文では，兵庫県南部地震で大きな被害が生じた神戸線を含む 2 km 四方を対象として，地震応答シミュレーションの精度向上を目指し検討を行った．
本検討により得られた知見は次のとおりである．
・深層地盤応答解析においては，これまで採用してきた統計的グリーン関数法に加え，精緻な地盤条件を考慮できる三次元差分法を適用することで，いわゆる「震災の帯」と呼ばれる激震範囲において，700 gal を超える大きな加速度が発生することを再現した．
・構造物応答解析においては，3 号神戸線の橋脚および上部構造を精緻にモデル化することで，ピルツ区間の橋脚は，絶対加速度応答スペクトルが1000 gal を超える固有周期を有するものであることを示した．
今後は，表層地盤応答解析における液状化への対応や，構造物応答解析における解析要素の拡充等を行い，将来予想される巨大地震に対する防災計画等に資するシミュレーションが行えるよう，更なる解析精度の向上を目指す予定である．
謝辞：本研究を実施するにあたり，(株)地震工学研
究開発センター馬越一也氏，中村真貴氏には，多大なご協力をいただきました．誠にありがとうございました．

参考文献
1) 篠原聖二，馬越一也，中村真貴，本橋英樹，服部匡洋，大石秀雄：スーパーコンピュータを用いた橋梁ネット
ワークモデルの地震応答シミュレーション，第 15 回日
本地震工学シンポジウム，2018．
2) 篠原聖二，服部匡洋，金治英貞：阪神高速道路ネット
ワークにおける地震被害シミュレーションの実現可能性の検討，阪神高速道路第 49 回技術研究発表会論文集，
No. 56，2017．
3) 山田雅行，平井俊之，岩下友也，釜江克宏，入倉考次郎：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.
4) 釜江克宏，入倉考次郎：1995 年兵庫県南部地震の断層モデルと震源近傍における強震動シミュレーション，
日本建築学会構造系論文集，第 500 号，pp. 29-36，1997.
5) 杉戸真太，合田尚義，増田民夫：周波数依存性を考慮した等価ひずみによる地盤の地震応答解析法に関する一 考 察 ， 土 木 学 会 論 文 集 ， No.493/II-27 ， pp.49-58 ，
1994.
6) M. Sugito: Frequency-Dependent Equivalent Strain for EquiLinearized Technique, Proc. Of IS-Tokyo ’95, The FirstInternational Conference on Earthquake GeotechnicalEngineering, Tokyo, Nov.1995, pp. 655-660.
7) 関西圏地盤情報ネットワーク：関西圏地盤情報データ
ベース，https://www.kg-net2005.jp/index/db01.html ( 2020年 2月27日閲覧)
8) 桐生郷史，野上雄太，坂井公俊，室野剛隆：広域構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.