土木技術資料 55-4(2013)

特集：自然災害被害の予測・把握技術の高度化に向けて

津波により橋の構造部材に生じる力の特性
星隈順一 ＊ 張広鋒 ＊＊ 中尾尚史 ＊ ＊＊ 炭村

透 ＊ ＊＊＊

1．はじめに 1
2011年3月 11日に発生した東北地方太平洋沖地
震で は、津波に よる橋梁の被 害が多数発 生した 1) 。
被害の中には、支承部が破壊して上部構造が流出し、さらにその橋の架橋条件によっては応急的な断面形状措置による迂回路の仮設も難しく、緊急輸送路としての機能が速やかに回復できなかった事例も(a)裏返し状態となった上部構造の流出例あった。今後発生が予想されている、東海、東南
断面形状

海、南海地震においても、大規模な津波が襲来する可能性が指摘されており、このような津波によって橋梁が受ける影響とその対策について、研究が急がれている。
東北地方太平洋沖地震後の現地調査により、津波による上部構造の流出形態には幾つかのパター(b)裏返し状態となっていない上部構造の流出例

ンがあることがわかっている。その中でも、図-

図-1

上部構造の流出状況例

1(a) 、 (b)に 示 す よ う に 、 支 承 部 が 破 壊 し て 上 下部構造が分離し、最終的に裏返し状態となって流出したケース、あるいは、支承部が破壊して上下部構造が分離しても裏返し状態にはならずにそのまま流出したケースは、特徴的な流出形態として損傷したコンクリートブロック挙げられる。また、図-2に示す裏返し状態となって流出したケースの損傷状況を見ると、落橋防止対策として設けられたコンクリートブロックが、海 側 か ら 1個 目 と 2個 目 は 軽 微 な 損 傷 で あ る の に

海側

図-2

流出した上部構造を支持していた橋脚

陸側

裏返し状態となった上部構造の流出挙動イメージ図

対 し 、 3～ 5個 目 は 大 き く 損 傷 し て い る こ と が 分

そこで、著者らは、これまでに実橋梁構造の特かる。これらの損傷痕跡より、上部構造は津波に徴を模した縮小模型に対する水路実験を行い、上よって海側が持ち上げられるように挙動しながら部構造の流出メカニズムや津波によって生じる作陸側の方へ流出したと推測される。

用力と上部構造の構造特性の関係等に関する一連

津波と橋梁の間に生じる相互作用は、津波の特の 研 究を 進 めて いる 例 え ば 2 ～ 4) 。 本 報 文 は、 そ の一性や橋周辺の地形条件の他、上部構造の構造特性部として、津波による支承部への作用力に及ぼすにも影響される。例えば、床版の張出し部の長さ、上部構造の構造形式の影響に関する実験的な検討

主桁の有無およびその本数、主桁の高さ、上部構結果を報告するものである。

造の幅員等によって、津波によって橋に生じる作用力の大きさおよび作用方向が変化し、その結果

2. 橋梁模型に対する水路実験概要
津波が橋の近くまでに到達した時の津波自体のとして、上部構造に生じる挙動も変わってくると考えられる。

特性は、架橋位置周辺の地形条件等によって変わ────────────────────────

るため一概には言えないが、橋の被災状況のいく

Characteristics of tsunami-induced force to bearing-supported
bridges

つかの事例を参考に、本研究では段波状の津波が－ 26 －土木技術資料 55-4(2013)

上部構造

橋梁模型
分力計
橋脚

(a)水路の状況写真（左：全体系，右：橋梁模型の設置状況）
ゲート
波高計

波高計 , 流速計

橋梁模型
模型長: 985

貯水槽

30,0001,500

1,000(mm)(b)水路のセットアップ概要（左：側面図 ，右：断面図）
水路実験のセットアップ概要

12.5

106.720250
110

20

橋脚

橋脚

橋脚(b)模型2(c)模型3(d)模型4(e)模型 5500
106.720106.7

20505050 or 100

3050 2020

橋脚

橋脚(a)模型15020 2570507012.52501603025022530

12.55012.512510025 203012525 20 35 20 2570

図-3分力計70津波高▽分力計

水路底面

静水深

橋脚

橋脚(f)模型6100100 (mm)(g)設置状況の一例
図-4

橋梁模型の断面詳細と設置状況

橋梁に作用する場合に着目し、上部構造の構造形る 津 波 の 高 さ は 、 模 型 1と 2は 150mm（ 実 規 模 で式が支承部反力に及ぼす影響を検討することとし3.0m ）、 そ れ 以 外 は 全 て 200mm （ 実 規 模 でた。図-3に、本実験に用いた水路の状況写真およ4.0m） と な る 。 計 測 項 目 は 、 橋 梁 模 型 の 1.0m手び実験のセットアップ概要を示す。実験では、貯前 の 波 高 と 流 速 、 2.0m手 前 の 波 高 、 支 承 部 の 水

水槽のゲートを急速に転倒させることによって段平反力および鉛直反力の時刻歴とした。なお、以波状の津波を発生させる方法を用いた。

下の検討では、津波が衝突する側は下流側、その図 -4(a)～ (f)に 、 本 実 験 に 用 い た 橋 梁 模 型 の 橋
軸直角方向の断面形状を示す。これらの模型は、実設計において考えられる規模の橋梁を1/20に縮小 し た 模 型 で あ る 。 模 型 1と 2は 幅 員 が 異 な る 床反対側は上流側と呼ぶ。

3．実験結果3.1 支承部の水平反力

版 橋 、 模 型 3～ 6は 幅 員 や 主 桁 本 数 、 床 版 の 張 出

図-5の上段に支承部水平反力の時刻歴を示す。

し長が異なる桁橋を想定している。このうち、模ここで、図-5に示す値は、時間を含め全て相似則型3と 4は張出し長が同じ で幅員が異なる、模型4にしたがって実規模に換算したものである。なお、と 5は 幅 員 が 同 じ で 張 出 し 長 が 異 な る 2主 桁 橋 で

図 に は 示 し て い な い が 、 波 の 先 端 の 速 さ は 2～あ る 。 ま た 、 模 型 6は 幅 員 が 大 き い 4主 桁 橋 で 、2.4m/s（実規模で9～11m/s）である。
津波が橋梁模型に衝突した際の支承部に生じる張出し長や桁高は模型5と同様である。
図 -4(g)に 橋 梁 模 型 の 設 置 状 況 の 一 例 を 示 す 。

水平反力はややばらつきがあるものの、各支承の実 験 では 、静 水深 を 100mm（ 実 規模 で 2.0m） と

水 平 反 力 合 計 値 の ピ ー ク は 、 模 型 1と 2は 400 ～し、橋面高さまでの津波が発生する場合を想定し600kN、模型3～6は1000～1900kNとなっている。て津波高を設定した。そのため、各模型に作用す

前 者 は 後 者 の 1/3程 度 で あ る が 、 こ れ は 、 後 者 の－ 27 －土木技術資料 55-4(2013)

津波

800

FV1
FH22000

FH1
FH2
合計

4001600
1200
800

FV2
FH22000

合計

400

FH1
FH216001200

合計

800
400

0
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

015 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

3000
FV12000
FV2
1000
0-1000-2000-3000
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

3000
FV12000
FV21000
0-1000-2000-3000
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

3000
FV12000
FV210000-1000-2000-3000
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

時間 (sec)

津波

1200800

2000

FH1FH2合計

400

1600
1200800

FV2FH2FV1FH12000

FH1FH2水平反力 (kN)

1600(c)模型3津波

FV1FH1FV2FH2水平反力 (kN)2000

時間 (sec)(b)模型2津波

FV1FH1鉛直反力 (kN)

015 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25(a)模型1合計

400

1600
1200800

FH1FH4
合計

FV3FH3FV2FH2FH2FV4FH4FH3400015 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25015 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

3000
FV1
2000
FV2
10000-1000-2000-3000
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
時間 (sec)

3000
FV1
2000
FV2
1000
0-1000-2000-3000
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

3000
FV1
FV2
2000
FV3
FV4
10000-1000-2000-3000
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
時間 (sec)

時間 (sec)(d)模型4鉛直反力 (kN)0
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

鉛直反力 (kN)

水平反力 (kN)

FH2

FH1
FH2

時間 (sec)

鉛直反力 (kN)

FV1
FH1

FV2

FH1

水平反力 (kN)

1200

FV2

水平反力 (kN)

1600

FH1

鉛直反力 (kN)

鉛直反力 (kN)

水平反力 (kN)

2000

津波

津波

FV1(e)模型 5
図-5(f)模型6

支承部反力の時刻歴挙動

桁高が高く、津波の作用を受ける面積が大きいたきの反力、上流側の支承部には下向きの反力が生めである。また、水平反力の合計値に着目すると、じており、桁に回転モーメントが生じていること

模 型 4と 5は ほ ぼ 同 様 な 時 刻 歴 挙 動 を 示 し て い るを示している。模型3と 4を比較すると、模型3はことから、本実験の範囲内では、床版張出し長の4よ り も倍 以 上大 きな 上向 き 反力 を示 して いる 。

違いによる水平反力への影響は明確に認められな

これは、両模型の床版張出し長は同じであるが、い。

模 型 3の方 が 桁間 隔が 狭く 、 回転 モー メン トの 抵

3.2 支承部の鉛直反力抗長が短いためであると考えられる。また、模型

図-5の下段に支承部鉛直反力のグラフを示す。

4と 5を比較すると、模型 5は上向きの反力と下向なお、グラフの縦軸は、＋が上向き反力である。

き の 反力 の両 方と も、 模型 4を 上回 っ てい るこ と鉛直反力の計測値には、津波による揚力、水平反が分かる。これは、床版張出し長が長いほど、張力によって生じる回転モーメント、さらに越流し出し部に作用する揚力が大きくなり、模型に生じた波の自重等による影響が含まれているため、純る回転モーメントも大きくなるためであると考え

粋な津波による揚力だけではなく、模型の構造特ら れ る 。 同 じ 床 版 張 出 し 長 を 有 す る 模 型 5と 6を性の影響も考慮された計測値ということになる。

比 較 する と、 模型 6は 桁数 が 多く かつ 幅員 も大 き

図-5より、模型1と2は上向きの反力はほとんどいため、支承部一基あたりの上向きの反力はいず

生 じ て お ら ず 、 21秒 あ た り か ら は 下 向 き の 反 力

れも模型5を下回っていることが分かる。

が生じていることが分かる。この下向きの反力は、

3.3 流況の比較主に越流した波の自重によるものと考えられる。

図-6に、津波が橋梁模型に衝突した瞬間の各模

一 方 、 模 型 3～ 6で は 、 下 流 側 の 支 承 部 に は 上 向型の流況の一例として、模型1、 4、 6の写真を示－ 28 －土木技術資料 55-4(2013)

空洞状態

空洞状態

回転流

剥離剥離(a)模型1剥離(b)模型4
図-6(c)模型6

津波が橋梁模型に衝突する際の流況写真す。図より、いずれの模型においても下流側の床承 部に 上向 きの 反力 はほと んど 生じ なか った。

版縁端部から波が剥離し、大きくせり上がってい(3) 2主 桁 模 型 の 結 果 か ら は 、 床 版 の 張 出 し 長 がる 様 子が 見ら れる 。波 の剥 離 は、 模型 1の 場合 は長 い ほど 、 また 、桁 間隔が 狭 いほ ど 、支 承部

床 版 下 面 の 縁 端 、 模 型 4、 6の 場 合 は 主 桁 の 下 フの 上向 きの 反力 が大 きくな る傾 向が みら れた。

ランジに発生している。隣接する桁間にある空間(4) 4主 桁 模 型 の 結 果 で は 、 同 じ 桁 高 や 張 出 し 長部 の 流況 につ いて は、 模型 4は 、波 が ほと んど 流を 有 す る 2主 桁 の 模 型 よ り 、 支 承 部 の 上 向 き

れ込んでおらず、ほぼ空洞状態であることが確認の 反 力が 小 さく なっ ている 。 これ よ り、 桁数

さ れ た。 模型 6は 、最 も下 流 側の 隣接 桁間 の空 間が 多 くか つ 幅員 も大 きい上 部 構造 形 式の 場合には波がほとんど流れ込んでいない状態であるが、は 、 津波 に よっ て個 々の支 承 部に 生 じる 上向

下 流 側 か ら 2個 目 と 3個 目 に は 回 転 流 が 生 じ て いきの反力を抑えることができる。

ることが分かった。これらの流況の違いも、前述の上部構造形式ごとの支承部反力の発現傾向に影参考文献

響を与えている要因の一つであると考えられる。

1） 平成 23年（ 2011年）東北地方太平洋沖地震 土木
施 設 災 害 調 査 速 報 、 国 総 研 資 料 第 646号 、 土 研 資料第4202号、2011
http://www.nilim.go.jp/lab/bcg/siryou/tnn/tnn0646.
htm2） 中 尾 尚 史 、 張 広 鋒 、 炭 村透、 星 隈 順 一 ： 上 部 構 造の 断 面 特 性 が 津 波 に よ って橋 に 生 じ る 作 用 に 及 ぼ
す 影響 、第 32回地 震工 学研究 発表 会講 演論 文集、No.5-246、20123） 炭 村 透 、 張 広 鋒 、 中 尾 尚 史 、 星 隈 順 一 ： 津 波 によ っ て 橋 に 生 じ る 作 用 に対す る 鋼 製 支 承 の 抵 抗 特性 に関 する 実験 的検 討、 第32回 地震 工学 研究 発表会講演論文集、No.5-261、20124） Hoshikuma,J.,
Zhang,G.,
Nakao,H.
andSumimura,T.:Experimental
researchesonbehavior of bearing supports in highway bridges
undertsunami-induced force, Proc.28th USJapan
Bridge Engineering Workshop, 2012

4．まとめ
実橋における上部構造の形状に即した橋梁模型に対する水路実験を用い、段波状の津波による支承部への作用力に及ぼす上部構造形式の影響に関する実験的検討を行った。本研究により得られた知見を整理すると以下のようになる。
(1) 床 版 の張 出 し部 を有 する場 合 は、 津 波 の 作用に よ り張 出 し部 に上 向きの 揚 力が 生 じ、 下流側 の主 桁が 持ち 上が ろうと する 挙動 が生 じる 。
こ の 運動 に よっ て、 当該桁 を 支持 す る 支 承部には上向きの反力が生じる。
(2) 本 実 験で 対 象と した 、床版 張 出し 部 がな く高
さ の 低い 長 方形 断面 の上部 構 造形 式 で は 、支星隈順一 *

独立行政法人土木研究所構造物メンテナンス研究セン
ター橋梁構造研究グループ
上席研究員、博(工)Dr. Jun-ichi HOSHIKUMA広鋒**

中尾尚史 ***

合肥工業大学教授（前 独立行政法人土木研究所構造物メンテナ ンス研究セン
ター橋梁構造研究グループ
研究員）、博(工)Dr. Guangfeng ZHANG

独立行政法人土木研究所構造物メンテナンス研究セン
ター橋梁構造研究グループ
専門研究員、博(工)Dr. Hisashi NAKAO

張－ 29 －

炭村透****

独立行政法人土木研究所構造物メンテナンス研究セン
ター橋梁構造研究グループ
交流研究員
Toru SUMIMURA