安−１８

性能照査型の手法を用いた旭橋の耐震安全性評価

Seismic safety evaluation for Asahibashi-Bridge by seismic performanceverification

表真也

寒地土木研究所

岡田慎哉

北海道開発局

堀暁兒

寒地土木研究所○

１．はじめに
昨今、世界的に大きな地震が相次ぎ各地で大規模な被害が発生している。日本に
お い て も 平 成 7 年 に 阪 神 大 震 災 、平 成 1 6
年に新潟中越地震によって被害が発生し、日本全体で地震による構造物倒壊の危険性に対しての認識が高まっている。
現在、国土交通省が橋梁に対する耐震補強事業を積極的に推進している。それに伴い建設時期の古い橋梁に関しても耐震補強を検討する必要が生じた。しかし

写真－１

古い橋梁は現在とは異なる施工技術が用

旭橋の現況写真

いられていることが多く、現状の設計手法ではその耐震性能が容易に検討できないことが多い。さらに歴史ある構造物は地域住民の愛着が深く、モニュメントやシンボルのように扱われ地域に深く根付いていることが多く、古い橋梁には安易に手を入れられない現状がある。
本 検 討 は 、国 道 40 号 の 旭 川 市 に お い て
石狩川に架かる旭橋の耐震補強の検討を行ったものである。検討対象となった旭橋は歴史ある橋梁であり、かつ地域のシンボルとして扱われている。現状に極力手を加えずに橋梁を保存しつつ耐震に関する安全性を確保するため、性能照査型の設計手法を用いて検討を行った。
ShinyaOmo t e ,S h i n ya

Oka d a ,図－１Gyouji

旭川市のカントリーサイン

Ho ri

２．旭橋の橋梁概要

有感震度階発生履歴（旭川）

本検討の対象橋梁である旭橋は、国道

740 号 の 旭 川 市 内 を 流 れ る 石 狩 川 に 架 か6である。

3図/5/5607080900010191919192020/1/1/45019/1/4/1/34019/13019/12019ントラスである。下部構造は橋台，橋脚と も に 鉄 筋 コ ン ク リ ー ト (R C)構 造 で あ る 。

/30/1がブレーストリブ・キャンチレバータイ

/1

1/1

美しい橋梁である。上部構造は中央径間/22

旭橋は北海道３大名橋に数えられるドアーチ，側径間がポニー形式のワーレ

2003年9月26日/2

現 在 橋 齢 74 歳 で あ る 。

4/1

旭 橋 は 、 昭 和 7 年 (1 93 2 年 )に 架 設 さ れ 、

1968年5月16日/1

写 真 － １ に は 、旭 橋 の 現 況 の 写 真 を 示 す 。

5/11)

震度階級る 橋 長 225 .43m の 道 路 橋

地震発生月日図－２旭川市の地震記録履歴

図－３

北海道の活断層分布

その外壁には花崗岩が使用されていることが特徴である。
図－１には旭川市のカントリーサインを示す。旭川市のカントリーサインは大雪山を背景とする旭橋をモチーフにデザインされており、これからも旭橋は現在に至り地域のシンボルの役割を担う歴史的鋼橋であることが分かる。

３．地域地震特性評価
本検討の初めに、旭橋の架橋されている旭川市周辺の地震特性について検討を行った。
図－２には、旭川市周辺の地震記録履歴を示す。旭川市周辺では、日本気象庁に よ っ て お よ そ 12 0 年 前 よ り 地 震 観 測 が行 わ れ て い る 。地 震 観 測 が 始 ま っ て 以 来 、
旭 川 市 で は こ れ ま で に 約 1 30 回 の 地 震 を観測している。しかしながら、規模の大きな地震はほとんど観測されておらず観測記録上、最も大きい地震記録においても日本気象庁震度階で震度４、推定される 最 大 加 速 度 が 25～ 80 ga l 程 度 の 規 模 の地震である。また、強震波形か記録されている地震動記録における最大加速度は、
お よ そ 60 g al で あ っ た 。

これらの過去の観測記録を基に、現在想定される最大規模の地震動を考えると、最 大 加 速 度 が お よ そ 60 ga l 程 度 の 規 模 の地震が想定された。この想定地震動の規模は、過去に旭橋が経験した最大級の地震とほぼ同程度である。
また、活断層型の直下型地震の可能性についても同様に検討を行った。図－３には、現在発見されている北海道の活断層の分布図を示す。図より、旭川市周辺

には活断層は発見されておらず、旭橋周辺において大きな活断層型の直下型地震が発生する確率は極めて小さいことが明らかとなった。これらのことより、旭橋が非常に大きな地震に遭遇する可能性は非常に低く、過去の記録より最大加速 度 60 gal 程 度 の レ ベ ル の 地 震 が 、想 定される最大級の地震と推察される。

４ ．強 制 加 振 実 験 と 固 有 値 解 析 に よ る 現状評価
次に、旭橋の現状を評価することを目的として、旭橋のトラッククレーンおよ

写真―２実験状況

びトラック急制動による強制加振実験を行った。この加振実験により得られた結果を、固有周期解析の結果と比較検討することで、現状を評価した。評価の方法
は、旭橋の現状の固有振動数および固有振動特性を、実験的に明らかにし、次に設計図面を元とした詳細な固有周期解析によって、設計当初の固有振動数および振動特性を理論的に求める。この両者の結果を比較・検討することで、現状の構造が有する性能が設計時からどの程度劣化しているかを推定するという方法である。強制加振実験はトラッククレーンを

写真－３－１

実験状況

橋梁上の任意の位置に設置し、重錘を上下に動かし、その鉛直反力を橋梁に作用させることで、橋梁を振動させるクレーン加振（写真－２）と、トラックを橋梁上 で 走 行 さ せ 、急 制 動 さ せ る（ 写 真 － ３ ）
ことで橋梁に水平作用力を加え、橋梁を振動させるトラック急制動加振の２つの方法で行った。計測は橋梁上に加速度計を多数設置し得られた加速度波形を数値処理することで橋梁の振動特性を推定している。
図－４には固有振動解析に用いた数値解析モデルを示す。解析は３次元有限要素

写真－３－２

実験状況

法により実施した。モデルは設計当時の

表－１

実験結果と解析結果の比較実験結果(実験/解析比)図面に忠実にモデル化した。数値解析では、固有周期を理論的に求め、その周期振動モード

急制動加振

対象曲げ１次2.63(0.97)

2.58(0.95)

2.72

対象曲げ２次2.95(0.95)

2.95(0.95)

3.11

対象曲げ３次4.80(0.99)

4.83(1.00)

4.84

逆対象曲げ１次-

2.09(0.96)

2.17

逆対象曲げ２次--

3.31

P2Pと振動モードを実験結果と比較している。
表－１、図－５には、強制加振実験結果および固有周期解析結果を示している。
図より、数値解析結果による理論解と実験結果は概ね同様のモードで振動しており、振動特性は設計時から大きな変化は見られないと推察される。よって、旭橋には現状において固有振動モードに影響

解析
結果クレーン加振を与えるような局所的な損傷は発生していないと考えられる。
また、表－１より、数値解析結果と実験結果の固有周期を比較すると、数値解A(a析結果が実験結果より若干短い周期を示

対象曲げ１次振動モードしていることがわかる。これは、現状の橋梁が設計当初よりも若干の劣化が発生していることにより、剛性が低下していることを示唆していると思われる。しか逆対象曲げ１次振動モード

し な が ら 、 そ の 差 は 最 大 で も 5 %程 度 であり、著しい劣化が発生しているとは考え難い。
解析結果

これより、旭橋は現状において若干の●性能劣化が発生していると考えられるものの、大きな劣化や局所的な損傷が発生

図―５しているとは考え難く、健全な状態を保図－４

数値解析モデル

実験結果実験結果と解析結果の比較

A2

っていると想定される。

５．数値解析モデル
図－６には，橋軸直角方向載荷時の有限要素モデルを示している。橋軸方向載荷時は補剛材を無視し，構造の対称性を考 慮 し た 1/ 2 モ デ ル と し た 。 適 用 し た 有限要素タイプは，コンクリートおよび花崗岩は 8 節点固体要素，鉄筋は埋込鉄筋要素，鋼矢板および補剛材は 4 節点シェル要素である。また，花崗岩の目地部には高さ方向に接触面要素を定義することで，花崗岩ブロック間の開口を表現して図－６いる。境界条件は基礎底面を完全固定境有限要素モデル例(橋 軸 直 角 方 向 載 荷 時 )

界 と し ，橋 軸 方 向 載 荷 時 の 対 称 切 断 面 は ，その面の法線方向変位成分を拘束している。入力荷重は自重および上部構造重量

図－６に相当する所定の軸圧縮力を与えた事前

有限要素モデル例(橋 軸 直 角 方 向 載 荷 時 )

解析後に，変位制御方式によって載荷点位置の水平変位を単調増加させる強制変位を入力している。

６．材料構成則
図－７には，本数値解析で用いた各材料の応力－ひずみ特性を示している。コンクリート要素に用いた材料構成則は，( a)ｺ ﾝｸﾘ ｰﾄ要 素(b)鋼 材 お よ び 鉄 筋 要 素

図－７
数値解析に用いた各材料の応力－ひずみ特性

圧 縮 領 域 に 関 し て は 圧 縮 ひ ず み 3, 500 μまでは土木学会コンクリート標準示方書【 構 造 性 能 照 査 編 】に 基 づ い て 定 式 化 し ，3 ,500 μ 以 降 は 初 期 弾 性 係 数 0 .05 倍 で材料種

圧縮強度f’c(MPa)

引張強度f t(MPa)

降伏強度fy (MPa)

弾性係数E(GPa)ﾎﾟｱｿﾝ比コンクリート25.0

2.50

－

25.5

0.2

鋼材・鉄筋－－

300.0

210.0

0.3

花崗岩－－－

50.0

0.20 .2 f’ c ま で 線 形 的 に 軟 化 す る モ デ ル を設定した。引張領域に関しては線形引張軟化モデルを適用し，終局限界ひずみεtuには引張鉄筋の降伏ひずみεy と等しい値を設定した。一方，鋼材および鉄筋要素には，降伏後のひずみ硬化域を無視したバイリニア型モデルを適用し，簡略化して鉄筋の破断や座屈は考慮しないものとした。なお，花崗岩ブロックに対し

表－２

構成材料の力学的特性値一覧

0.8ては弾性体としてモデル化している。表0.7－２には，本数値解析で用いた構成材料

７. 1

水平震度－水平変位関係

図－８には，各載荷方向の水平震度－水平変位関係を示している。ここで，水平震度は水平荷重を当該橋脚が分担する

水平震度

７．解析結果および考察

軸方向鉄筋降伏0.6の力学的特性値を一覧にして示している。

： 橋軸方向載荷目地部の開口0.50.4弾性限界

0.30.2

設計水平震度： kh=0.14

0.1
0.0
0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

図－８

水平震度－水平変位関係

平 変 位 2.0m m で 花 崗 岩 の 目 地 部 が 開 口 し ，
水 平 変 位 4. 0m m の 段 階 で 軸 方 向 鉄 筋 が 降伏状態に達することが分かる。軸方向鉄載荷方向筋が降伏状態に達する時点の水平震度は，
橋 軸 方 向 載 荷 時 で は kh =0. 32， 橋 軸 直 角
方 向 載 荷 時 で は kh =0.5 2 で あ り ， こ れ は3 00g al あ る い は 500g al 相 当 の 地 震 力 が作用しても鉄筋が降伏する程度の損傷に止まることを示唆している。また，図中には現行道示のレベルⅠ地震動を想定した 設 計 水 平 震 度（ kh=0. 14）を 示 し て い る

図―９－１【引張側】

が，いずれも弾性範囲内にあり安全性が確保されている。

図―９－１【引張側】
載荷方向

７. 2

垂直応力分布および変形モード

図 － ９ － 1、図 － ９ － ３ に は ，軸 方 向 鉄 筋が降伏した時点における高さ方向垂直応力分布および変形モードを引張側に着目して示している。図より，いずれの載荷方向に関しても柱基部の花崗岩目地部が開口することが確認されるが，それよりも上方においては目地部の開口や局所的な応力集中は見受けられない。なお，図－９－２に示す圧縮側に着目した応力分
布は，鉄筋降伏時の圧縮側の花崗岩および コ ン ク リ ー ト は 10MP a 程 度 の 圧 縮 応 力状態となっており，未だ圧壊には至っていないことを確認している。ここで，花9.0

水平変位(mm)上部構造重量で除して評価している。図より，いずれの載荷方向においても，水： 橋軸直角方向載荷

図―９－２【圧縮側】

10.0

載荷方向

崗岩の圧縮強度は，別途実施した材料試
験 よ り 約 25 0MP a の 強 度 が 得 ら れ て い る 。
また，左右の柱を連結する補剛材に着目した応力分布（図－９－４）は，相当応力 で 評 価 し た 場 合 に 10 0MP a 程 度 の 応 力レベルであり，弾性範囲内であることを確認している。以上より，本橋脚の終局状態における破壊形態は，柱基部の花崗岩目地部が局所的に開口し，その近傍の内部コンクリートのひび割れ，鉄筋降伏に至る曲げ破壊型であるものと推察される

図―９－３（橋軸直角方向載荷時）

８．まとめ
本検討では、旭川市に現存する建設後7 4 年 経 過 し た 旭 橋 に 関 し て 、極 力 現 状 に手を加えずに効率よく耐震補強を行うた

載荷方向め、① 地震の地域特性の評価② 強制加振実験と固有値解析による現状評価③ ３次元有限要素解析による耐震性能評価を実施し、性能確認を行ったものである 。結 果 を ま と め る と 以 下 の よ う で あ る 。
１）地震の地域特性を評価した結果、旭橋は大地震に見舞われる可能性は低い
２）強制加振実験および固有値解析により、現状の旭橋はそれほど劣化していないことが明らかとなった。
３）３次元有限要素法による解析の結果、本橋梁は想定される地震動に対して、レベルⅠ地震動を想定した設計水平震 度 に 対 し て は ，弾 性 挙 動 で あ り ，耐震安全性が確保されている。
４ ）終 局 状 態 に お け る 破 壊 形 態 は ，柱 基 部の 花 崗 岩 目 地 部 が 局 所 的 に 開 口 し ，その 後 ，開 口 部 近 傍 の 内 部 コ ン ク リ ー ト

図―９－４

補鋼材
（橋軸直角方向載荷時）

の ひ び 割 れ ，鉄 筋 降 伏 に 至 る 曲 げ 破 壊

参考文献型 で あ る 。こ れ ら よ り 構 造 的 に 十 分 な
耐震性能を有していると判断された。

1) 北 海 道 開 発 局 旭 川 開 発 建 設 部 ： 旭 橋６０周年記念誌

北海道遺産認定記

念 改 訂 版 、 2 004 .10 .
以上の結果により、旭橋は耐震補強は実施せず、経年劣化の発生している部分

2) 社 団 法 人 日 本 道 路 協 会 ： 道 路 橋 示 方
書 ・ 同 解 説 、 20 02. 3.の 補 修 を 行 う の み に 留 め る こ と が 出 来 た 。 3 ) 石 川 博 之 、西 弘 明 、岡 田 慎 哉 、佐 藤 京 、岸 徳 光 、張 広 鋒：弾 塑 性 有 限 要 素 解 析による旭橋下部構造の耐荷力特性評
謝辞
本検討を行うにあたり、北海道開発局旭川開発建設部の方々には多大なご協力をいただいた。ここに感謝の意を表す。

価 、 土 木 学 会 平 成 18 年 度 全 国 大 会
C D-R OM、 200 6.94 ) S hin -ya OKA DA, Hi royu ki ISH IKAW Aa nd Tak ashi SA TOH： SA FET YE VAL UAT ION OF AS AHI BA SHI B RID GE B YU SIN G A MOD IFI ED DESI GN MET HOD TOV ERI FY ITS SEI SMI C PE RFO RMA NCE，
2 2nd UJ NR B rid ge Engi nee rin gW ork sho p， 2 006 .10 .