阪神高速道路第 50 回技術研究発表会論文集

阪神高速道路ネットワークの地震被災危険度評価シミュレーション
服部匡洋1・大石秀雄1・篠原聖二2
1(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
2 技術部技術推進室

要約
阪神高速道路のような広域道路ネットワークの防災・減災対策を検討するには，広域の地震応答解析を行い，路線単位やランプ間の区間単位の損傷程度を評価する方法が有効と考えられる．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研究として，阪神高速道路湾岸線約55 kmの区間の解析モデルを構築し，上町断層および南海トラフを震源とする地震が発生した際の地震応答解析を実施した．このように，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，約1800基の橋脚の応答加速度や応答変位を算出し，支承の最大水平反力から伸縮継手部における段差量も算出した．この段差量から，地震発生後の路線単位の走行性を評価することが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

１．はじめに1995年の兵庫県南部地震において，阪神高速道路は建設当時の耐震設計基準を満たしていたにも関わらず，設計上の想定を超える地震動により，甚大な被害を受けた．2011年の東北地方太平洋沖地震や2016年の熊本地震においても，巨大津波や震度7クラスの地震の連続発生など，設計上の想定を超える事象が発生し，数多くの構造物が甚大な被害を受けた．我が国の耐震設計基準においては，大規模な地震が発生して甚大な被害を受ける度に，設計地震動が繰返し引き上げられてきた．阪神高速グループビジョン20301)に掲げられている「最高の安全と安心を提供する阪神高速」の実現に向けて，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に備えるためには，これまでのような既往の発生地震と地震被害に基づく一義的な設計地震動の設定では限界があると考えられる．したがって，様々な破壊パターンの地震動シミュレーションにより被害程度を想定しておくことが重要である．
また，阪神高速道路のような広域道路ネットワークの防災・減災対策を検討するにあたっては，設計実務で用いられている橋梁単位の地震応答解
析ではなく，広域の地震応答シミュレーションを行い，路線単位やランプ間の区間単位の損傷程度を評価することが有効と考えられる．また，過去の被害事例より，橋梁の被害は，橋梁振動単位の境界部や単柱式やラーメン形式などの橋脚形式の変化点等で生じる場合がある．連続する橋梁の弱点部を明確にするためには，橋梁単位ではなく路線単位のモデルを用いた評価が求められる．このような大規模な地震応答シミュレーションを行うためには，大規模な計算資源が必要となるが，近年，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」（以下，「京」と称す）をはじめとする大規模計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ある．著者らは，2014年より，「京」を用いた基礎研究として，仮想の延長20kmの連続高架橋を対象とした解析2)や，1995年兵庫県南部地震で被害を受けた東神戸大橋の損傷過程の再現解析3)を実施してきた．
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55 kmの区間を対象に，上町断層を震源域とする都市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，損傷確率の高い区間の予測，地震発生後の路線単位の走行性評価の可能性について検討した．

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に示すように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，STEP3：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．ここでは，解析手法や解析モデルの構築方法の精度レベル一覧を示すとともに，現段階におけるレベル及び今後目標とするレベルを示す．
(1) 深層地盤応答解析
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(離散化波数積分法)を合成させたハイブリッド法 4),5),6)により計算を行っている．ただし，これらの計算法は水平成層地盤を対象としているため，3次元的な変化に富む地盤構造を考慮することはできない．今後は，地盤構造の3次元的な変化を考慮できるフェーズ4の解析手法の研究開発を進める．
(2) 表層地盤応答解析
前述の深層地盤応答解析で得られた工学的基盤の地震波から，各橋脚位置の地表面の地震波を求めるための表層地震応答解析の方法を表-2に示す．
現状では，フェーズ2の地震応答解析プログラム
YUSAYUSA7) を用いて1次元逐次非線形解析を行っている．今後は，3次元モデルの解析を行うことができるフェーズ3の解析手法の研究開発を進める．

STEP3：構造物応答解析

STEP2：表層地盤応答解析

STEP1：深層地盤応答解析

図-1

表-1
フェーズ

深層地盤応答解析の方法

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

表-2フェーズ

表層地盤応答解析の方法

モデル化方法備考

F3

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

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

表-3フェーズ(3) 構造物応答解析
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れ位相差を考慮して入力する方法により，構造物応答解析を行う．減衰については，水平2方向と鉛直方向のモード寄与率のベクトル和を重み係数として，最小二乗法で決定するレイリー減衰モデル8), 9)を適用する．

地震応答シミュレーションの方法

構造物モデルへの地震動の入力方法

解析方法

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

F1

代表同一波形を一様に入力

備考
現状=目標

３．解析モデルの構築方法

and Opera-tions, 以下, COSMOSと称す)10)や関西圏地盤情報データベース11)など既存のデータベースを活用していく計画とした．なお，COSMOSは，GISを活用して阪神高速道路に関連するビッグデータを集約・統合し，災害対応活動の支援，道路構造物の効率的な維持管理，道路交通管理の高度化など，幅広い分野における情報共有を行うためのシステ
ムである．

広域道路ネットワークの解析モデルは大規模になるため，効率よく構築していく必要がある．そこで本検討では，阪神高速地理空間情報システム(New Communication Systems for Road Maintenance(1) 深層地盤モデル
大阪平野を南北に貫く上町断層と南海トラフを震源域とした深層地盤応答解析を行う．上町断層
は，大阪府が公開している文献12)に基づき，断層諸

T4

S1

T2T1

T3

S4
●

S1

S2

S2

中島PA

S5
N2 N1
：阪神高速道路全路線（約260km）

H1

S3

N4

N3

H2

：本検討の対象範囲（約30km）：解析領域（60km× 60km ）：想定断層位置図-3

南海トラフ地震の震源域の分布●

貝塚IC
ボーリング情報

全域3600本：破壊開始点
最近法の適用橋脚位置の地盤情報

図-2

上町断層の位置

基礎構造

工学的基盤波元を設定した．本解析で想定した上町断層の位置を図-2に示す．南海トラフ地震は，内閣府が公開している文献13)の陸側ケースに基づき震源諸元を設定した。また，本解析で想定した南海トラフ地震の震源域を図-3に示す．

表層地盤モデル(3) 構造物モデル
本 検 討 で は ， 阪 神 高 速 道 路 全 線 約 260 km（ 約9000基の橋脚）のうち，湾岸線約55 km（約1800基の橋脚）の範囲のモデル化を行った．上部構造，下部構造，支承，基礎の解析モデルの構築方法を表-4に示す．図-5に示すように，本検討では，上部構造を線形梁モデルとした．下部構造は材料非線形性を考慮できるファイバーモデルとした．下基礎ばねの算出

地表面波の算出

図-4(2) 表層地盤モデル
表層地盤のモデル化と基礎ばねの算出方法のフローチャートを図-4に示す．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に基づき地盤定数を設定した．また，基礎ばねの算出においても，表層地盤のモデル化同様，関西圏地盤情報データベースのボーリングデータから各橋脚のばね定数を算出する．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，距離による重み付けにより地層境界を補間する「逆距離荷重法」，対象地点から最も近いボーリング情報の地層境界をそのまま用いて補間する「最近法」がある．文献14)の比較検討の結果をもとに，本検討では一定の精度が確保できる「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．

全線8942基

上部構造

下部構造

支承

基礎

直接基礎

その他基礎

表層地盤モデルと基礎ばねの算出方法
表-4

対象

杭基礎フェーズ

構造物モデルの構築方法

解析方法

備考

F4

シェル・ソリッドモデル

目標

F3

ファイバーモデル

F2

ファイバーモデル（グルーピング）

F1

線形梁モデル

現状

F4

シェル・ソリッドモデル

目標

F3ファイバーモデル

F2ファイバーモデル（グルーピング）

F1線形梁モデル

F3鋼製支承：固定・可動の支持条件
分散支承：等価剛性
免震支承：非線形

F2鋼製支承：固定・可動の支持条件
分散支承・免震支承：等価剛性

F1

鋼製支承：固定・可動の支持条件
分散支承・免震支承：グルーピングした等価剛性

現状

F3

基礎構造＋分散ばねモデル

目標

F2S-Rモデル（線形ばね）

現状

F1

固定

現状

目標

部構造の断面については，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グループに分類し，代表橋脚断面を各グループに設定した．支承は線形ばねモデルとした．また，基礎はS-Rばねとし，そのばね値は土木建築施設図と各下部構造近辺のボーリングデータから算定した．なお，表層地盤応答解析に用いる各基礎位置の表層地盤条件にも同一のボーリングデータを共有しているため，解析全体の統一性についても保たれている．剛性，質量，幾何形
状等の数値情報については，COSMOSのデータベースから構造物情報台帳をCSV形式のファイルで作成した上で，地震応答解析プログラムSeanFEM15)用

上部構造線形はりモデル

支承線形ばねモデル

下部構造ファイバーモデル

基礎
S-Rばねモデル

3方向入力
NS方向
EW方向
鉛直方向

図-6
図-5

構造物モデルの一例（港大橋付近）

構造物モデルの構築方法

地震発生後 5 秒

地震発生後 10 秒

地震発生後 15 秒（a）鳥瞰図（湾岸線全線図）（b）岸和田大橋付近

図-7（c）浜寺ランプ付近
加速度の伝播状況及び構造物の応答変位（Case_1 上町断層地震）モデルを自動構築した．以上の方法により構築したモデルの例として，港大橋付近の構造物モデルの一例を図-6に示す．

４．地震応答シミュレーションの結果
湾岸線約55 kmを対象とした地震応答シミュレー
ションについて，上町断層を震源域とする解析(Case_1)と南海トラフを震源域とする解析(Case_2)の結果を比較する．

（1）加速度の伝播状況と橋梁の応答変位
上町断層の破壊に伴う加速度の伝播状況と構造物の応答変位を図-7に示す．上町断層北部に設定
した破壊開始点から南方向に地震動が伝播していき，地震動の伝播に伴い橋梁の応答変位が増大している状況が確認できる．南海トラフ地震については，震源域から構造物までの距離が大きいため，広い範囲で一定の加速度が発生している様子を確認した．
（2）橋脚天端及び基礎位置での最大応答加速度

0510
橋脚天端

15202530354045

基礎

50

500
0

最大応答加速度RMS(gal)

1000

1000
500
0

最大応答加速度RMS(gal)

りんくうＪＣＴ

入路

泉佐野南

泉佐野北

出路

貝塚

岸和田南

岸和田北

泉大津

助松・助 松ＪＣ 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

りんくうＪＣＴ

入路泉佐野南

泉佐野北

貝塚

岸和田南

岸和田北

泉大津

助松・助 松ＪＣ 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

055
距離 (km)

51015

橋脚天端

（a）最大応答加速度

図-8253035

40455055
距離 (km)（a）最大応答加速度（b）伸縮継手部の段差量
橋脚の最大応答加速度及び伸縮継手部段差（Case_1 上町断層）

図-9（b）伸縮継手部の段差量
橋脚の最大応答加速度及び伸縮継手部段差（Case_2 南海トラフ）
表-5

高さは段差量を示す
(cm)
2000

被災度判
定区分

耐荷力

走行性ランク
走行性a（40cm以上）

ランク

c（20cm未満）

被災度評価判定表

定義As

落橋

落橋した場合A

大被害

耐荷力の低下に著しい影響のある損傷を生じており、落橋など致命的な被害の可能性がある場合

B

中被害

耐荷力の低下に影響のある損傷であるが、余震・活荷重などによる被害の進行がなければ、当面の利用が可能な場合

C

小被害

短期間には耐荷力低下に影響のない場合

D

被害なし

耐荷力に関して特に異常が認められない場合a

通行不可 走行できない場合b

通行注意 異常は認められるが、走行できる場合

c

被害なし

α

残留変形が大きく、下部構造の撤去・再構築も含めた本復旧の検残留変形討が望ましい。例えば橋脚の残留傾斜としては1/100（rad）程度が大目安となる。

β

残留変形 補修・補強による本復旧が可能な残留変位に収まっている小b（20～40cm)

図-10

20
基礎

復旧性

走行性に関して特に異常が認められない場合

走行性判定結果（上町断層）

基礎及び橋脚天端における最大応答加速度・変位分布を図-8，9に示す．最大応答加速度について，Case_1とCase_2を比較すると，南海トラフ地震動と上町断層地震で基礎や橋脚天端の加速度応答分布が異なっており，様々な震源域を想定した地震応答シミュレーションによる被害確率に基づく危険度評価ができる可能性を示した．
現段階で橋脚の非線形性を考慮した解析を実施しており，各橋脚断面の応答ひずみ値等を抽出することで橋脚の損傷程度を定量的に評価することが可能となる．
（3）伸縮継手部の段差量
支承の最大水平反力を水平耐力で除した応答耐力比と伸縮継手部における段差量の分布を図-8，9に示す．
ここで，2011年東北地方太平洋沖地震において発生した仙台東部道路では，支承が水平方向に完全に破断しても，支承高さ（台座高さを含む）分の段差が生じるのではなく，一定の高さは確保されていた．そこで本検討では，支承の最大水平反力が耐力を超えている場合に支承が破壊すると判定し，伸縮継手部に発生する段差量については，対象支承の支承高さの1/2の段差が発生するものと仮定して算出した．
図-8，9より，南海トラフ地震では上町断層地震に比べ多数の支承が破壊し，段差量が20cmを超える箇所も多くなっていることがわかる．また，図10に走行性判定結果を示す．本検討では，3ランク(a:通行不可，b:通行注意，c:被害なし)に分類し，支承高さに基づき走行性判定を試みた結果，閾値の設定等に課題は残るものの地震発生後の走行性評価ができる可能性を示した．

５．まとめ
本研究では，上町断層を震源とする都市直下型地震および南海トラフを震源とする海溝型地震が発生した際の広域道路ネットワークの地震応答シミュレーションについて検討した．本検討で得られた知見を以下に示す．
(1) 阪神高速湾岸線約55kmの大規模な解析モデルを自動構築し，震源域から構造物モデルまでの地震応答シミュレーションを実施する仕組みを構築した．
(2) 広 域 地 震 応 答 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り ， 約1800基の橋脚それぞれの応答加速度や応答変位を算出した．これにより，橋脚単体のみならず，区間単位での損傷程度を推定できる可能性を示した．
(3) 地震応答シミュレーションにより得られた支承の最大水平反力から，一定の仮定の下，伸縮継手部における段差量を算出した．この段差量から，地震発生後の路線単位の走行性を評価することができる可能性を示した．
(4) 本検討では，上町断層を震源域とする場合と南海トラフを震源域とする場合で応答変位や段差量の結果から，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，被害程度を評価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，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，複数の震源モデルを用いたシミュレーションにより，区間単位での被害確率から危険度評価を行うとともに，表-5に示すような被災度判定表17)を参考に被災度判定評価を実施するための閾値の適切な設定を行う．
謝辞：本研究は，阪神高速道路(株)と(株)地震工学研究開発センターとの「巨大地震発生時におけ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
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2)

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