木材工学論文報告集19, 72-79, 2021. 2

経年による木製アーチ道路橋（かじか橋）の構造性能と健全度調査
及川 大輔 1・故 菅沼 源二郎 2・本田 秀行 3・後藤 文彦 41 秋田大学大学院

理工学研究科（〒010-8502 秋田県秋田市手形学園町 1-1）
E-mail: m8020802@s.akita-u.ac.jp
2 令和 2 年 9 月 6 日逝去

3金沢工業大学名誉教授（〒921-8501 石川県野々市市扇が丘 7-1）
E-mail honda@neptune.kanazawa-it.ac.jp
秋田大学教授 大学院理工学研究科（〒010-8502 秋田県秋田市手形学園町 1-1）

フェロー

4 正会員

E-mail gotou@gipc.akita-u.ac.jp
近代木橋は 1987 年に第 1 号橋が架設されてから 2000 年頃まで全国に架設され，現在まで供用されている橋の経年は
多くの場合，20 年から 30 年である．そのため既存の橋の維持管理・保全への対策は重要な課題である．しかし，30 年以上経過した橋の劣化進行度や構造性能の低減率などのデータが少なく，維持管理指標の構築が進んでいない．本研究で対象とした かじか橋は大断面集成材を用いた上路式アーチ橋の第 1 号橋であり，架設から 32 年以上経過している．本研究では，かじか橋に対して測定された固有振動数等の測定データと有限要素法のモード解析で得られるデータとを比較することにより，測定時のヤング係数を推測する手法を示した．その結果，かじか橋では，経年による一定程度の剛性の低下が確認されたことから，今後，定期的に健全度評価を行うべきであろう．

Key Words: timber bridge, large cross-section glulam timber, 3D modal analysis, MSC/NASTRAN

1. まえがき年と 4 度の調査を行っており，データの蓄積が行われている 1)．そこで積年のデータと比較し経年による構造性

日本には様々な形式の木橋が存在するが，コンクリー能の低減や劣化進行度の傾向を把握するとともに，基礎ト橋などと比較すると，その架設実績は未だに少ない．

資料の蓄積の観点から部材ごとの劣化進行度，減衰定数

また，大断面集成材を用いた日本の木橋（以後「近代木橋」）の歴史はさらに浅く，最初の道路橋は 1987 年に架設された坊川林道 2 号橋であり，近代木橋の歴史は 30 年も含めた振動特性に関するデータ蓄積を行う．

ほどである．現在まで供用されている橋の経年は多くの場合，20 年から 30 年であるため，既存の橋の維持管理・2. 対象橋梁保全への対策は重要な課題である．しかし，30 年以上経本研究で対象とする かじか橋は「石川県民の森」の敷地内にある 2 ヒンジ上路式アーチ道路橋であり，大断面過した橋の劣化進行度や構造性能の低減率などのデータが少なく，維持管理指標の構築が進んでいない．木橋の集成材を用いた上路式アーチ橋としては日本で初めて架設された．本橋は 14tf 工事車両が通行可能な道路橋であ維持管理や保全を行うために残存年数の算定法なども考案されているが，データ数が少ないため検討を続けていり主構部材であるアーチ部にはヒバ集成材が用いられている．本橋の維持管理として架設から 9 年経過した 1996くことが望ましい．本研究で対象とする かじか橋は坊川
林道２号橋と同じく 1987 年に架設され，32 年が経過し年には，床版の腐朽が見られたため，幅員方向の床版にており，上路式アーチ道路橋としては最初の橋である．
本橋は維持管理指標の検討を行うための基礎データの蓄

橋軸方向の床版を重ね，床版の二層化を行っている．また 2009 年には，床版，高欄，地覆の交換，アーチリブの積を行わなければならない橋梁の一つである．

部分補修を行っている．表-1 に本橋の設計概要，図-1 にかじか橋の設置状況，図-2 に橋梁一般図，図-3 にかじか

本研究は木材の劣化や腐朽などが進行している恐れがある かじか橋に対して，動的調査と健全度調査から構造橋の平面図を示す．

性能の低下や劣化進行度の確認を行うことを目的とする．
また本橋は現在までに 2004 年，2012 年，2015 年，201772

木材工学論文報告集19, 72-79, 2021. 2表-1 かじか橋の設計概要

表-2 測定概要

橋種

上路式 2 ヒンジアーチ橋

施工年度

1987 年度

使用材料

木橋骨組部材

ヒバ集成材

高欄・踏板部材

アカマツ

サンプリング時間30s

サンプリング周波数

100Hz

データ数

N=1024

用途

道路橋

サンプリング時間間隔0.01ms

橋長22.80m

周波数分解能0.0977Hz

支間長22.16m

最大周波数50Hz

幅員2.8m3. 調査概要
本研究では，構造性能と健全度評価を行うため，動的調査と目視による健全度調査を実施した．以下に動的調査，健全度調査の概要を示す．
(1) 動的調査
橋にサーボ型速度計を設置して振動波形を測定する．
サーボ型速度計は上流側，下流側各 3 点設置する．動的調査の手法として今回は砂袋落下衝撃試験，人力加振試
験を行った．図-4 にサーボ型速度計設置位置を，表-2 に

図-1 かじか橋の設置状況

測定概要を示す．
a) 砂袋落下衝撃試験
橋の幅員中央，アーチ支間長 ℓ の 1/4, 1/2, 3/4 に約 10kgf の砂袋を高さ約 20cm の位置から落下させ，橋梁に鉛直方向の加振を行った．本試験は鉛直方向の固有振動数と振動モードの同定に有効である．測定時間は 30 秒で，各測点 3 回ずつ測定を行った．図-5 に砂袋落下衝撃試験の加振位置と試験の様子，図-6 に測定波形を示す．
b) 人力鉛直加振試験
橋の高欄部，アーチ支間長 ℓ の上流側 1/4, 下流側 3/4

図-2 かじか橋の一般図を人力で鉛直方向に加振した．本試験は鉛直ねじれ固有振動数と振動モードの同定に有効である．測定は 10 回加振した後，30 秒間 測定を行った．図-7 に人力鉛直加振試験の加振位置と試験の様子，図-8 に測定波形を示す．
c) 人力水平加振試験
橋の高欄部，アーチ支間長 ℓ の下流側 1/2 を人力で水平方向に加振した．本試験は水平方向の固有振動数と振動モードの同定に有効である．測定は 10 回加振した後，30 秒間 測定を行った．図-9 に人力水平加振試験の加振図-3 かじか橋の平面図

位置と試験の様子，図-10 に測定波形を示す．
(2) 健全度調査
橋の各部材に対して目視試験を実施した．今回は足場が設置できなかったため，近接での目視ができる限りは

図-4 サーボ型速度計設置位置

近接目視を実施し，近接目視ができない場所については望遠カメラを用いて遠方目視を実施した．

73

木材工学論文報告集19, 72-79, 2021. 20.15

Measured Point A1(cm/s)

0.05
-0.05

sec-0.15

56789101112131415

図-6 砂袋落下衝撃試験測定波形
図-5 砂袋落下衝撃試験の加振位置と試験の様子

1Measured PointA1(cm/s)

0.50-0.5sec-105

図-7 人力鉛直加振試験の加振位置と試験の様子

1015202530

図-8 人力鉛直加振試験測定波形

2Measured PointA1(cm/s)

10-1sec-205

図-9 人力水平加振試験の加振位置と試験の様子

1015202530

図-10 人力水平加振試験測定波形

表-3 経年による固有振動数の変化

固有振動数（Hz）
振動次数

振動モード

2004年

2012年

2015年

2017年

2019年

実験値 解析値 実験値 解析値 実験値 解析値 実験値 解析値 実験値 解析値1

水平対称一次

5.17

4.57

3.13

3.32

2.92

3.32

2.81

3.092.733.052

鉛直逆対称一次 11.62

11.659.479.489.469.48

8.79

8.88.698.693

鉛直対称一次

15.82

13.61

15.82

11.08

15.51

11.08

15.43

10.28

15.38

10.16

4

鉛直対称二次

19.14

20.04

18.95

16.31

18.04

16.31

17.68

15.14

17.18

12.69

4. 動的特性

元骨組解析を行い，測定値に近い固有振動数を与えるヤング係数を推定した．3 次元骨組解析は橋の骨組モデル

動的調査より測定された波形にバンドパスフィルターを作成し，材料諸量など物性値を考慮して解析を行うもなどのフィルター処理を行い，高速フーリエ変換法を用のである．物性値には断面諸量やヤング係数などがある

いてフーリエ変換し，パワースペクトルから卓越振動数が，木材の単位体積重量，断面諸量は経年によって変化の特定を行った．またクロススペクトル解析を用いて，しないものと仮定し，今回はヤング係数のみを変化させた．本橋の過去 4 回の測定による実験値と MSC /波形同士の位相から振動モードの同定を行った．
ヤング係数を変えながら MSC / NASTRAN による 3 次NASTRAN による解析値 1)を表-3 に示す．

74

木材工学論文報告集19, 72-79, 2021. 25. 構造剛性低減率で比べると鉛直方向は 25％であるのに対して，水平方向の低減率は 47%と 2 倍近く低減していることがわ

本研究では，MSC / NASTRAN による 3 次元骨組解析

かる．振動モード毎の固有振動数の低減率が一定でないに用いる物性値，特に経年による低減が考えられるヤン

ことから低減率の差によって腐朽箇所が特定できるのでグ係数を変化させ固有振動数の解析値を実験値に近づけはないかと考えた．本橋の場合は水平方向低減率が大きる逆解析を行った．この逆解析から推定されるヤング係いため，アーチ端部の腐朽が考えられる．今回は健全度数を構造剛性と定義する．逆解析では本橋の代表的な振調査も実施しているので，目視試験の結果も踏まえて，動モードである鉛直逆対称一次振動モードを基準として低減に影響している腐朽部がどこであるのかを考察する．

実験値に近づける．そのため他の振動モードでは多少解

また鉛直対称一次振動，鉛直対称二次振動の低減率が析値と実験値に誤差が生じている．なお，今回は全木部鉛直逆対称一次振動などに比べて比較的少ないが，これ材のヤング係数を一律に変化させて逆解析を行っている． は本橋が上路式アーチ橋で鉛直方向に振動しにくい構造であるためと考えられる．表-4 に各部材の推定ヤング係
現実には部位ごとに腐朽の影響が異なるため，健全度調数，図-12 に経年による構造剛性と推定ヤング係数の低査から得られた劣化の程度に応じて，部材ごとにヤング係数の変化に重みをつけるといった手法も考えられるが， 減，図-13 に経年による固有振動数の低減を示す．
重みの設定に主観が入る影響を避けるため，今回は基礎的な研究として，まずはすべての木部材（ヒバ集成材とアカマツ）のヤング係数を同じ低減率で一律に変化させるものとする．
表-3 から経年によって固有振動数が低減していることがわかる．固有振動数の低減は，部材毎の劣化が橋全体の構造性能の低減を表しているものと考えられる．また調査を開始した 2004 年のデータでは実験値と解析値がほぼ一致している．このことは，適切にヤング係数を推測した 3 次元骨組モデルが本橋の状態をよく再現した

水平対称一次

鉛直逆対称一次鉛直対称一次鉛直対称二次ものと考えられる．振動モード図を図-11 に示す．
構造剛性の低減率は，架設時（1987 年）を 0%，木部材のヤング係数が 0 まで低減した状態を 100%として，経年ごとの低減を表したものである．
構造剛性の低減率は架設から 32 年経過している 2019年の調査では 57%低減していることがわかる．経年による構造剛性の低減について 1 回目の調査である 2004 年は 23%低減，2012 年は 49%低減と架設から 25 年までは構造剛性の低減が著しく進んでいることがわかる．しかし 2015 年以降の低減は 7 年で 8%とあまり進んでいない．2015 年の調査では 2012 年から構造剛性が変化して図-11 各振動モード図おらず低減が認められない．今回までの調査によって経年による構造剛性の低減は認められているが，低減の傾表-4 各部材の推定ヤング係数

向がつかめているものではない．現在提案されている構
造剛性の低減係数の算出式や残存年数の算出式 2)は現時

ヤング係数(GPa)
部材

1987年

2004年

2012年

2015年

2017年

2019年

完成直後

17年経過

25年経過

28年経過

30年経過

32年経過

点までの低減の傾向から算定したものであり，算出式を構造剛性の低減率

0%

23%

49%

49%

56%

57%

確立していくためにも構造剛性の低減の傾向を把握して

床版

10.29

7.93

5.25

5.25

4.53

4.41

9.60

7.40

4.90

4.90

4.22

4.13

縦桁いくことが必要である．本橋の傾向が近代木橋全てに当横桁アーチてはまるものであるかは現時点では分からない．とはいえ本橋の調査結果を基に，今後のデータ蓄積から木橋一般の傾向についてもある程度は推測できるだろう．
また経年による振動モード毎の固有振動数の低減から水平対称一次振動モードが鉛直逆対称一次振動モードの低減に比べると著しく低減していることが見て取れる．

75

木材工学論文報告集19, 72-79, 2021. 2

9.00

9.60

10%

減衰定数は動的調査で得た振動データ波形を基に求め

ヒバ部材の推定ヤン
グ係数(GPa)

20%

23%

8.00

構造剛性の低減率

7.40

30%

7.00

6.00

40%

49%
50%49%されるものと仮定して行った．経年に伴う減衰定数の変化の傾向がつかめれば，木橋の経年変化を確認する１つのパラメーターとして維持管理に用いることができる．
本橋は過去 4 回の振動データにおいても減衰定数の算出
今回の結果も踏まえたグラフを図-14 に示す．

57%

4.2260%た．減衰定数の算出は経年による構造剛性の低減に影響を行っているため，これまでの結果を表-5 に示す．また

5.0056%4.90 4.90

ヤング係数(GPa)

構造剛性の低減率(%)

6. 減衰定数0%0%

表-5 の減衰定数は含水率などの関係から天候が関係4.134.00していることも考えられるため，天候も同時に示す．図-14 に示したグラフから経年による変化傾向が読み取れる．全体的に減少傾向になっているが 2019 年は増加し1987年 2004年 2012年 2015年 2017年 2019年

経過年数
図-12 経年による構造剛性と推定ヤング係数の低減ている．減衰定数が低下すれば橋の振動がおさまりにく20くなるため剛性が弱まっていることが関係していると考1811％低減

えられる．しかし現時点では減衰定数の変化傾向がつか

固有振動数（Hz）

1614めないため今後もデータの蓄積が必要である．

3％低 減

1210825％低減

水平対称1次6鉛直逆対称1次

4鉛直対称1次2

鉛直対称2次01987

2004

7. 動的調査による構造性能47％低減

20122015
経過年数（年）20172019 年度の調査で本橋の動的調査は5 度目の調査であ2019った．本橋は架設から 32 年ほど経過していて，劣化が進

図-13 経年による固有振動数の低減率んでいることが考えられるので，橋全体の構造性能を把握するため，動的調査の測定値から 5 章で述べた逆解析

表-5 減衰定数を用いて構造剛性（ヤング係数）を算出した．構造剛性は現時点で 57％低減しており，また近代木橋の耐用年数の推定式 3)から算出した本橋の耐用年数は 29 年であり，振動モード

2004年

2012年

2015年

2017年

2019年

（雨天） （雨天） （雨天） （晴天） （曇天）

水平対称一次

0.011

0.005

0.004

0.008

0.025

本橋の構造性能は著しく低下していると評価される．

鉛直逆対称一次0.024

0.009

0.007

0.004

0.012

鉛直対称一次0.018

0.011

0.005

0.009

0.003

鉛直対称二次0.0110.010.004

0.0020.002

また石川県山中温泉郷内に架設されている こおろぎ橋は近代木橋ではないが，架設から 25 年経過した 2017年の調査では構造剛性が 62％低減したのが確認され，調査から 4 年後の 2019 年に架け替えが行われた．
動的調査から構造性能を評価すると低減率57%の本橋

0.03の構造性能が低下していることは明らかであるが，低減率 62%で架け替えを行った こおろぎ橋の事例と比べる

水平対称一次0.025

鉛直逆対称一次

減衰定数0.02

鉛直対称一次なら，必ずしも緊急な掛け替えを要すとまでは言えない．

鉛直対称二次0.015
0.01また構造剛性の低減傾向を把握していくためにも本橋は重要な橋であるため，今後 10 年をめどに定期的な動0.005

的調査および健全度調査を行い，構造剛性の低減率や設計時点での要求性能に対する耐力の余裕等を総合的に判02004年

2012年

2015年

2017年

2019年

断して，架け替え時期を検討していくことが妥当である

経過年数（年）と考えられる．

図-14 経年による減衰定数の低減

76木材工学論文報告集19, 72-79, 2021. 2

8. 健全度調査(1) 健全度調査の判断区分
健全度調査は日本林道協会，木橋技術協会が作成した木橋定期点検要領（案）4)に則り目視検査を行った．今回は足場などの設置が不可能であったため，アーチリブ，横桁は望遠カメラを用いて遠方目視を実施した．

(2) 損傷写真，損傷図

a.縦桁の損傷写真

目視検査の結果，アーチ部材，縦桁及び枕梁，高欄部に損傷が確認された．各部材毎の損傷写真，損傷図を図-15, 16, 17, 18 に示す．

b.枕梁の損傷写真

a.損傷写真c.損傷図
図-17 縦桁，枕梁の損傷写真と損傷図
b.損傷図
図-15 アーチ端部の損傷写真と損傷図

a.損傷写真a.損傷写真

b.損傷図
b.損傷図

図-16 アーチリブの損傷写真と損傷図図-18 高欄部の損傷写真と損傷図77

木材工学論文報告集19, 72-79, 2021. 2

9. 健全度評価きなかった．
(4) 橋全体の健全度評価

健全度調査から木橋定期点検要領（案）を用いて健全度評価を行った．また部材毎に健全度評価を行い，部材健全度評価は部材毎の診断結果の中で最も評価の低い毎の健全度評価で最も評価の低いものを橋全体の評価とした．表-6 に部材単位での健全度評価の結果を示す．

ものとした．その結果，主構部材であるアーチ部，縦桁の判定区分 Ⅲ を橋全体の評価にすることとした．判定

表-7 に橋全体の健全度評価の結果を示す．

内容としては橋の機能に支障が生じる可能性があり，早期に処置をするべき状態とした．経年に伴い雨水などが(1) アーチリブ，アーチ端部の健全度評価

部材内部に浸透し腐朽したことが一番の原因である．し図-15 に示した写真から見て取れるように，アーチ端かし雨水の浸透は構造によって雨水が滞留したことや，部ではドライバーが刺さるほどまで木材内部の腐朽が進行していた．また図-16 に示した写真からアーチリブは木材加工により木口から浸透したことが要因になってい支柱との接合部の腐朽が進行しており遠方目視であったることができたであろう．

るため，構造の改善を行えば十分に腐朽の進行を遅らせが，表面がえぐれ内部が見えていた．そのため主構部材であるアーチ部の健全度評価は判定区分 Ⅲ，対策区分

表-6 部材毎の健全度評価

C2 の安全性の観点から速やかな補修が必要と判断されるものとした．また腐朽の原因は接合部に水が溜まってアー
チ部

ヒバ集成材

縦桁

ヒバ集成材

枕梁

ヒバ集成材

高欄部

アカマツ

横桁

ヒバ集成材

Ⅰ
A-

床版

アカマツ

ⅠA-

上部構造

(2) 縦桁，枕梁の健全度調査
図-17 に示した写真から見て取れるように，縦桁では枕梁との接合部が腐朽していた．また同様に枕梁でも接合部が腐朽していた．腐朽部にドライバーを指したとこ

その他

ろ木材内部がえぐれるほど腐朽が進行していた．そのた
め縦桁の健全度評価は判定区分 Ⅲ，対策区分 C2 の安全性の観点から速やかな補修が必要とされるものとした．枕梁の健全度評価は判定区分 Ⅱ，対策区分 M の損傷
種類

使用材料いることが挙げられる．特にアーチ端部に関しては支承部材との接合部の構造に問題があるものと考えられる．

判定
区分
Ⅲ
C2部材 / 部位

ⅢC2ⅡM
Ⅰ
B

腐朽
腐朽
腐朽
われ
腐朽点検方法
遠方
目視
近接目視
近接目視
近接目視
遠方
目視
近接
目視

表-7 橋全体の健全度評価結果

日常の維持管理工事で早急な処置が必要とされるものと

判定区分
早期措置
Ⅲ段階

判定内容
橋の機能に支障が生じる可能性があり，早期に措置を講ずべき状態
所見等
経年による劣化，雨水の滞留によりアーチリブ，アーチ端部，縦桁の腐朽進行が著しく，早急な措置が必要である．

した．また腐朽の原因は接合方法が組み木工法であるためと考えている．組み木工法は建築に多く用いられている工法であり，接合部を凹凸に加工し金物継ぎ手を使わず接合する方法である．凹凸に加工するため，木口から水が浸透しやすく腐朽が進んでしまっていると考えられる．

10. あとがき(3) 高欄部の健全度調査
図-18 に示した写真から見て取れるように，親柱の根本研究では，架設から 32 年経過している大断面集成元にドライバーが収まるほどの穴が開いていた．また損材を用いた上路式アーチ橋（かじか橋）に対して，動的傷図に示すように高欄上部（笠木部材）にも われが生じていた．そのため高欄部の健全度評価は判定区分 Ⅰ，対策区分 B とし，変状が確認され状況に応じて補修が調査と健全度調査から，構造性能と健全度の評価を実施必要とされるという判断にした．また腐朽の原因としてチ部が著しく腐朽していたことが確認された．しかしなは架設場所の環境によるものと考えている．本橋の周辺

がら積年のデータから，減衰定数の経年による傾向を把には木が多くあり日光が遮られていた．こけが多く繁殖握することはできなかった．また構造剛性に関しても経していたことが証拠として挙げられるであろう．また年が進むにつれて低減率が低下していることから今後とわれについては経年による木材特有の劣化と考える．二もデータの収集を行い低減傾向の把握が必要である．

した．動的調査では，固有振動数の低減，構造剛性の低減ともに確認された．健全度調査では主構部であるアー

度にわたって補修を行っている床版部分の腐朽は確認で78

木材工学論文報告集19, 72-79, 2021. 2

本橋は近代木橋の中の上路式アーチ橋としては第 1 号

参考文献橋であり，経年による各データの傾向を把握するために

1)は重要な橋である．
本研究による本橋の評価としては早急に架け替えを行わなければならないほどの構造性能低下ではないと判断している．今後 10 年間をめどに定期的な調査を実施し

2)てデータ収集し，健全度評価を行うべきであろう．
3)

謝辞：本研究に際し，かじか橋の調査を快く承諾いただ
いた石川県民の森および かじか橋の管理者の方々や調4)査に協力していただいた当時の金沢工業大学本田研究室

森瀬彬，吉田将一郎：経年による木製アーチ道路橋（かじか橋）の構造性能と健全度調査,平成 29 年度金沢工業大学環境土木工学科プロジェクトデザインⅢ
レポート（卒業論文），pp1-38，2017.
篠原聖人，豊田淳，加藤真吾，本田秀行：経年による木橋の構造剛性に基づく劣化度と残存年数の算定法，木材利用研究発表会講演概要集 18，pp61-68，2018.
本田秀行・豊田淳・加藤真吾・篠原聖人：木橋と近代木橋に対する耐用年数の推定式と要因分析，木材利用研究発表会講演概要集 18, pp53-60，2018
日本林道協会，木橋技術協会：木橋定期点検要領（案），pp7-9，2018の篠原聖人氏，井上真吾氏，京田侑己氏，燕圭一郎氏に深く感謝の意を表する．
(Received October 16, 2020)(Accepted January 31, 2021)

なお，第二著者の菅沼源二郎氏は投稿直前に故人となられた．ここに謹んで弔慰を表する．

STRUCTURAL PERFORMANCE AND SOUNDNESS EVALUATION OF AGING
TIMBER ARCH HIGHWAY BRIDGE
Daisuke OIKAWA , The Late Genjiro SUGANUMA,
Hideyuki HONDA and Humihiko GOTOU
About 30 years have passed since most of timber bridges in Japan were constructed. Although maintenance of such old timber
bridges is important, methods to estimate degradation level of the bridges have not been established and the needed data for theestimation are few.
In this study, we showed a method to estimate degradation level for a typical old timber bridge “Kajika Bridge” constructed in 1987.
Concretely, we estimated Yong’s modulus of the bridge members, comparing between the measured frequencies for the bridge inseveral years and those adjusted by FEM modal analysis.
As a result, since it was found that the stiffness of the bridge decreased because of degradation during a long time to a certain extent,
we propose regular soundness estimation in near future.

79