技報第 30 号

2021

橋梁上に設置した柱状付属構造物の耐荷力評価に関する実験的検討(一財)阪神高速先進技術研究所調査研究部 慈道充
阪神高速道路(株)技術部技術推進室
田中 将登
阪神高速技術(株)技術部
宇野津 哲哉………………………………………………………………………………
要

旨

既往の地震において，橋梁上の照明柱やテレビ支柱などの柱状付属構造物の倒壊や脱落が確認されており，災害時の機能確保の観点から，当該構造物の耐震性を評価することが重要と考えられる．そこで本検討では，柱状付属構造物に地震荷重が作用した際の，各部材の破壊順序・破壊形態，および破壊順序・破壊形態を網羅した非線形特性と耐荷力特性を把握することを目的に，柱状付属構造物基部付近の実物大模型供試体による静的正負交番載荷試験を実施した．また，FEA による再現解析を実施し，詳細な応力状態や変形能を確認した．
キーワード:照明柱，テレビ支柱，静的正負交番試験，FEA，耐荷力評価試験に対する再現解析を FEA により行い，各部はじめに材の応力やひずみ分布をより詳細に把握した．
現在，阪神高速道路において照明柱は約 9,000本，テレビ支柱は約 400 本設置されている．兵庫

１．載荷試験概要

県南部地震の際，基部の損傷に起因した落下が生じるなど，既往の地震において，橋梁上の照明柱

1-1 試験実施方法

やテレビ支柱（以下，「柱状付属構造物」と称す

阪神高速道路では，現行のテレビ支柱と照明柱る）の倒壊や脱落が確認 1)

されているため，災害は，それぞれ高さ12mと10m程度を標準としてい時の道路機能確保の観点から，当該構造物の耐震る．しかし，実験施設が制約されるため，本実験性を評価することが重要である．

では高さ2.3m程度の供試体を製作し，ベースプ

本検討では，柱状付属構造物に地震荷重が作用レートから高さ2.0mの位置を載荷点として，正した際の各部材の破壊順序・破壊形態，および破負交番載荷試験を行った．それぞれの試験体略図

壊順序・破壊形態を網羅した非線形特性を把握すを図-1に示す．繰り返し載荷回数は3回を基本とる目的として，柱状付属構造物の基部から 2m 程した．試験は図-2に示すように，鉛直ジャッキを度の範囲を取出した実物大模型供試体を製作し，用いて，テレビ支柱もしくは照明柱の試験体より静的に正負交番載荷試験を実施した．また，載荷上位の自重に相当する鉛直荷重（テレビ支柱：- 110 -載荷位置

載荷位置
開口部ひずみ 1,2
支柱
鋼管ひずみ 1
鋼管ひずみ 2

リブ PL
開口部
ベース PL
鋼管ひずみ 3,4,5
拡幅ベース PL 孔径 8-φ39
現行ベース PL 孔径 8-φ21.5

アンカーボルト（D25）670

図-4 拡幅 PL 溶接図(単位:mm)：ひずみ計測方向

図-1 試験体図(単位:mm)(左：テレビ支柱，右：照明柱)
図-5 照明柱開口部詳細図

図-2 正負交番載荷試験装置の概要図(単位:mm)

増設アンカーボルト（D38）
現行アンカーボルト（D25）

図-6 荷重-変位関係（現行テレビ支柱）
23.1kN，照明柱：0.92kN）を，常時作用させながら，水平ジャッキで水平力を与えた．水平ジャッキの制御方法は変位制御とし，試験体上部の取付治具に水平ジャッキを固定し載荷した．
また，テレビ支柱については，事前に実施したFEAの結果からアンカーボルトが先行して降伏に至ることが想定されたため，現在設置されている：ひずみ計測方向

既設テレビ支柱に加え，アンカーボルトをD25か

図-3 試験体図らD29に変更したアンカーボルト補強モデルと，(テレビ支柱(ﾍﾞｰｽﾌﾟﾚｰﾄ拡幅))(単位:mm)

ベースプートを拡幅しアンカーボルト（D38-8本- 111 -埋込長L=660mm）を増設したベースプレート補1-3 照明柱の構造

強モデルについても実験を行った（図-3，図-4）．

支柱部は直径φ190.7mm，板厚t=6mmの鋼管で，D25のアンカーボルト4本でコンクリート基礎に固定した2)．標準図どおりベースプレートから高1-2 テレビ支柱の構造

支柱部は直径φ406.4mm，板厚t=19mmの鋼管， さ670mm位置が開口部中心となるように製作しベースプレートはt=25mmの板材で構成しており， た（図-5）．照明柱は幅250mmの薄い壁高欄天端
ベースプレートがD25のアンカーボルト8本でコ2)ンクリート基礎に固定した ．鋼部材の実強度を2に設置されており，大きな横力作用時には，コンクリートが損傷することが想定される．そこで，

表-1に示す．弾性係数はJIS規格値2,050kN/mm でアンカーボルトの引抜きによる壁高欄天端の破壊，ある．コンクリート基礎部はRC橋脚天端を模擬

ベースプレートの変形による壁高欄側面のひび割2して設計基準強度27N/mm のコンクリートブロッれや支圧による剥離等の形態を把握するために実クとした．

際の壁高欄の構造細目を模擬した試験体を製作した．
1-4 計測項目と計測位置
支柱，ベースプレート，リブ，アンカーボルト

破断位置において，図-1および図-3に示す位置および矢印に示す方向のひずみを計測した．アンカーボルトについては，引張による伸び量を計測することを目的に，全てのアンカーボルト頂部のコンクリート基礎に対する鉛直変位を設置した．照明柱については，壁高欄のはらみだし量を定量的に確認することを目的に，高精度ラインセンサーによる3軸引張による破断と想定される次元的計測により，アンカー部のコンクリート剥離の状況を把握した．

写真-1 終局時のテレビ支柱（左：全景，右上：基部(引張側)，右下：基部(圧縮側)）

表-1 鋼部材の材料実強度部材
支柱(テレビ支柱：現行モデル)
支柱(テレビ支柱:アンカー補強，拡幅)
支柱（照明柱）ベースプレート(テレビ支柱:現行モデル)
ベースプレート(テレビ支柱:アンカー補強,拡幅)
ベースプレート（照明柱）
リブプレート（テレビ支柱:現行モデル）
リブプレート(テレビ支柱:アンカー補強,拡幅）
リブプレート（照明柱）
アンカーボルト（D25）
アンカーボルト（D29）２．載荷試験結果とその評価

JIS 規格値(N/mm2)

実強度(N/mm2)235(降伏強度)334

荷重と載荷点における水平変位の関係の実験結235(降伏強度)

334

果を図-6に示す．なお，水平変位には,アンカー235(降伏強度)

382

ボルトの抜けだしに伴う回転による水平変位も含235(降伏強度）313

まれている．以降これを水平変位と称す．赤色に235(降伏強度）

290

着色した包絡線に着目すると，水平変位4mmで235(降伏強度）-

アンカーボルト①のねじ切り部が降伏ひずみに達235(降伏強度）

294

したため，降伏変位1δyを4mmとした．

235(降伏強度）

294

235(降伏強度）
345(降伏強度）

373

345(降伏強度）

394

2-1 テレビ支柱（現行モデル）の結果と評価

2δy載荷時にはベースプレートが変形し，アンカーボルト①頂部はベースプレートに引張り上げられ，一時的にアンカーボルトが1mm伸びた．
その後，両端のアンカーボルト②，③頂部にも荷- 112 -ベースプレートがアンカーボルト①，②の間で降

2-2 テレビ支柱（アンカー補強モデル）の結果と評価

伏ひずみに達し，9δy載荷途中の水平変位35mm
時点でアンカーボルト①が11mm程度伸びたとこ荷重と載荷点における水平変位の関係の実験結ろで破断し，最大荷重191kNから荷重が急激に低果を図-7に示す．赤色に着色した包絡線に着目す下した．急激な荷重低下後の載荷においても，荷ると，水平変位8mmで最外縁アンカーボルト①重は微増する傾向であることから，脆性的な破壊頂部が降伏したため，降伏変位1δyを8mmとした．には至らない構造であると想定される．10δy以降

ただし，1δyずつ載荷させると詳細な損傷イベン

は，正側への強制変位を単調増加させて載荷し，トを捉えられない恐れがあるたため，0.5δyずつ最終的に25δy（水平変位100mm）まで載荷した載荷した．

時点で，アンカーボルト③とその隣のアンカーボ載荷位置の水平変位が1.5δy（=12mm）に到達

ルト④が同時に破断し，大幅な荷重低下が生じ実した時点で，ベースプレートがアンカーボルト①，験を終了した（写真-1）．プレ解析で支柱が降伏②の間で降伏ひずみに到達した．アンカー①頂部する位置にひずみゲージを貼り付けたが（図-1）， はベースプレートに引き上げられ，アンカーボル最終荷重においても，降伏ひずみに至らなかった．

トが1mm程度伸びた．載荷位置の水平変位が2δy

耐荷力評価としては，アンカーボルト①ねじ切り（=16mm）に到達した時点で，アンカーボルト部が破断することで最大荷重が低下するが，他の①に隣接するリブプレート下部が降伏ひずみに到アンカーボルトに分担され，全体系としては粘り達した．載荷位置の水平変位が2.5δy（=20mm）

強い構造といえる．に到達した時点で，アンカーボルト②が降伏ひずみに達し，3.5δy（=28mm）に到達した時点でアンカーボルト③が降伏ひずみに到達した．載荷位置の水平変位が5.5δy（=44mm）に到達した時点
で，アンカーボルト①に隣接するリブプレート頂部と鋼管の結合部が降伏ひずみに到達した．アンカーボルト①の伸び量は8.4mmとなった．7.5δy（=60mm）の最大荷重290kN時点で荷重が低下し，8.5δy（=68mm）でアンカーボルト①が引張側で破断し，水平荷重が急激に低下した(写真-2)．アンカーボルトが破断した後は，正側に単調載荷し，図-7 荷重-変位関係

現行テレビ支柱と同様に，隣接ボルトに荷重分担（テレビ支柱アンカー補強）され，緩やかに荷重は増加したが，実験の安全性の観点から水平変位150mmで試験を中止した．
なお，支柱および全てのアンカーボルトの頂部から325mm下に貼付したひずみゲージ位置（図-1）
は，最後まで降伏ひずみに至らなかった．
最大荷重は現行テレビ支柱が191kNに対し，290kNとなり，50%程度の耐力増加が確認された．
また，現行モデルが原点指向の特性が強い履歴ル

写真-2 テレビ支柱（ｱﾝｶｰ補強）ープであるのに対し，アンカー補強モデルでは，最大荷重（8.5δy）時基部(引張側)残留変位が少し大きい履歴特性を有することが確- 113 -

認された．全体系としては粘り強い構造であるこ部付近のベースプレートが降伏ひずみに到達した．とが確認された．

載荷位置の水平変位が5δy（=25mm）に到達した時点で，新設アンカーボルト①が降伏ひずみに到2-3 テレビ支柱（ベースプレート拡幅モデル）の達した．
13δy（=65mm）で最大荷重591kNに到達し，引結果と評価
荷重と載荷点における水平変位の関係の実験結張側リブプレートのベースプレート側の隅肉溶接

果を図-8に示す．赤色に着色した包絡線に着目すが破断し，荷重低下が発生した（写真-3）．そのると，載荷位置の水平変位が5mmに到達した時後，28δy（=140mm）まで正則に単調載荷させた点で，アンカーボルトより先にリブプレート下部が，試験機のストローク限界150mmに到達したが降伏ひずみに達したため，降伏変位1δyを5mmため試験を終了した．
最大荷重は，既設テレビ支柱の191kNに対しとした．
載荷位置の水平変位が3δy（=15mm）に到達し591kNと現行テレビ支柱の3倍程度の耐力増加とた時点で，アンカーボルト①，②，③が降伏ひずなり，アンカーの破断は生じず，ベースプレートみに達した．また，増設リブ頂部付近の支柱も降の塑性化およびリブプレートの溶接部での破断が伏ひずみに達した．載荷位置の水平変位が4δy生じて，ゆるやかに荷重低下が生じた．最終的に（=20mm）に到達した時点で，リブプレート基は，大幅な耐力低下が生じる前に水平ジャッキのストローク限界に達している．履歴形状はアンカー補強モデルと比較して残留変位が大きく，ベースプレートやリブプレートの塑性化が中心となったエネルギーの吸収に富む構造である．
2-4 照明柱の結果と評価
荷重と載荷点における水平変位の関係の実験結果を図-9に示す．赤色に着色した包絡線に着目す
ると，水平変位35mmでアンカーボルト頂部が先に降伏したため，降伏変位1δyを35mmとした．降伏変位を載荷ステップ増分の基準にすることを考図-8 荷重-変位関係（テレビ支柱ベースプレート拡幅）

えたが，各部材の損傷イベントを見逃す可能性があるため，0.5δyずつの載荷とした．
2δy（=70mm）の載荷で，リブプレート頂部が破断リブプレート降伏ひずみに，3δy（=105mm）の載荷時に，開口部の下側位置の鋼管ひずみ3，および5（図-1）で降伏ひずみを超える応答を示した．
5δy載荷以降は，開口部に対して圧縮方向への単調載荷とし，最終的に水平ジャッキのストローク限界である250mmまで載荷した．このとき，
写真-4に示すように，引張側でベースプレートが写真-3 テレビ支柱（ベースプレート拡幅）持ち上げられるように変形し，アンカーボルトは最大荷重時（13δy）基部(引張側)4本とも伸びた．試験終了時においても，アンカーボルトの破断や開口部の座屈などの，荷重が急- 114 -激に落ちるような事象は生じなかった．開口部上３．実験とFEAの比較

側の鋼管ひずみ1，2，開口部下側の鋼管ひずみ4および開口部ひずみ1，2（図-1）は，最終時にお3-1 FEAモデルいても降伏ひずみに達しなかった．

実験では，ひずみゲージや変位計を設置した箇

コンクリート壁高欄に着目すると，側面に曲げ所に関する局所的な変形や応力状態しか把握できひび割れが見られたが，はらみだしの挙動は見らない．そこで，各部材の応力やひずみ分布をよりれなかった．試験終了時の最大荷重は31.0kNであ詳細に把握することを目的にFEAを用いて確認しり，履歴特性は，コンクリート底版上で回転変形た．解析は複合非線形解析とし解析プログラムにするスリップ型であることを確認した．

DIANA3)を用いた．FEAモデルを図-10に示す．

耐荷力評価としては，アンカーボルトが降伏しベースプレート，ワッシャー，ナット，アンカた後に壁高欄上でベースプレートが回転変形するーボルト，コンクリート基礎を非線形ソリッド要ような挙動を示すことに留まり，全体系として脆素，支柱，リブは非線形シェル要素，コンクリー性的な倒壊に至ることはなかった．兵庫県南部地ト基礎内の鉄筋は，非線形埋め込み鉄筋要素とし震時に開口部で座屈する現象が見られたが，今回た．コンクリートの応力ひずみ関係は, 圧縮軟化の実験で座屈しなかったのは当時より開口部が補モデルおよび引張軟化モデルを組み合わせたもの

強された構造を採用しているためと推察される．とし4)，ひび割れモデルには分散ひびわれモデルを用いた3)．鉄筋および鋼材の応力ひずみ関係は，降伏応力度を折れ点としたバイリニアでモデル化

4030

試験終了時

31kNし，二次勾配は解析計算の安定性に配慮して初期水平荷重（kN）20剛性の1/100とした．各部位の材料特性値には実100-10-20-30強度を用いた．
1δy;アンカーボルト降伏2δy;リブプレート降伏3δy;鋼管降伏-40-280-240-200-160-120 -80 -40 0 40 80 120 160 200
載荷点の水平変位（mm）

ベースプレートとコンクリート基礎の接触要素
は，圧縮力には抵抗するが引張力には抵抗しないインターフェイス要素を用いた．なお，アンカーボルトとコンクリートの間の接触状態は，試験終了後の切断面の観察により（写真-5）コンクリー

図-9 荷重-変位関係（既設照明柱）

トとアンカーボルト間の付着切れは確認されなかったため，節点共有とした．
外力は載荷実験と同様に，一様に鋼管上部に死荷重を作用させた状態を保ちながら，鋼管上部に水平変位を漸増載荷するプッシュオーバーとした．
3-2 テレビ支柱(現行モデル)
図-11に実験と解析の載荷点位置における荷重水平変位関係（各荷重と変位を結んだ線）を示す．
ここでいう伸び量とは鉛直変位計によるアンカーボルト伸び量を示す．以降これを伸び量と称す．
弾性挙動範囲である1δy（アンカーボルト①が降写真-4 最大荷重時の照明柱（左：全景，伏する）までの水平荷重と水平変位の関係はよく右上：基部(引張側)，右下:基部(圧縮側)）再現できている．一方で，アンカーボルト①の降- 115 -伏後，実験では解析と比較して剛性低下が見られた．ここで，図-11に示したアンカーボルト①伸び量と水平変位の関係から，2δyまでは，アンカーボルト①の伸び量を解析で再現できているが，それ以降の伸び量の急増は，再現できていない．
この要因として，解析ではポアソン効果によるアンカーボルトの細りを反映できていないことが推察される．細りが生じると，軸方向の引張力による抵抗断面積が減少し，実験で生じた本現象を解析ではその現象までを考慮することができない

図-10 モデル概略図

ため，再現性が低下したものと考えられる．次に，（左：テレビ支柱，右：照明柱）損傷イベントの比較であるが，水平変位4mmで実験結果と同様アンカーボルト①が降伏する結果となった．なお，実験後基礎コンクリートを切断し破断したアンカーボルトを目視確認したが（写真-5），アンカーボルトとコンクリートの付着切れはなく，破断したねじ切り部で曲げ引張によるアンカーボルトの伸びが卓越していたことが確認された．
伸び量：アンカーボルト伸び量

3-3 テレビ支柱（アンカー補強モデル）
図-12に実験と解析の載荷点位置における荷重水平変位関係（各荷重と変位を結んだ線）を示す．

図-11 実験と解析の荷重－変位関係の比較(テレビ支柱の現行モデル)

降伏変位1δy（=8mm）の初期剛性はFEAの方が実載荷方向験に比較して若干高い傾向を示す結果となった．
FEAでは8.7mmでアンカーボルト①が降伏した(実験では8mm)．なお，9.3mm時に水平荷重が低下するが，載荷実験ではそのような挙動は見られ付着切れ無なかった．この原因はアンカーボルト①のねじ切り部とベースプレート間に設置している接触要素の相対変形が急激に大きくなり，水平荷重の伝達が無くなった影響と推定される． 4δy（=16mm）以降の水平荷重は，FEAの方が載荷実験に比較し写真-5 実験後の基礎コンクリートの断面て小さく，水平変位20mmで解析が収束できず終了した．
損傷イベントは，FEAでは載荷実験と同様に，

3-4 テレビ支柱（ベースプレート拡幅モデル）

アンカーボルト①～②間のベースプレートが降伏

図-13に実験とFEAの載荷点位置における荷重-し，その後リブプレート，アンカーボルト①のね水平変位関係（各荷重と変位を結んだ線）を示す．

じ切り部が降伏した．

降伏変位1δy（=5mm）における初期剛性とその後の剛性は，FEAが実験に比較して若干高い傾向- 116 -

を示す結果となったが，実験でリブプレート溶接

アンカーボルトが塑性化した後に，新設アンカーが切れ，荷重が低下する13δy（=65mm）まで荷ボルトに荷重分担していくイベントは実験と同様重-変位関係の履歴がほぼ同じであった（FEAでであった．

はリブプレートは水平変位97mmで引張強度に達リブプレートは水平変位7mm時に圧縮側ベーする）．損傷イベントは，テレビ支柱と同様に，スプレート接合位置が降伏し，支柱は，水平変位既設アンカーボルト①，②，③の順番で降伏し，19mm時に圧縮側リブとの接合位置において，局その後，新設アンカーボルト①が降伏する．既設所的に降伏に至るなど実験値よりイベント発生時の水平変位が大きい結果となった．

伸び量：アンカーボルト伸び量

3-5 照明柱図-14に実験とFEAの載荷点位置における荷重水平変位関係（各荷重と変位を結んだ線）を示す．
FEAの結果を青線で，実験結果を黒線で表示している．FEAでは，18.5kN載荷時の水平変位43mmでアンカーボルトが降伏するのに対して，実験では少し早く降伏する．また剛性もFEAの方が小さ
図-12 実験と解析の荷重－変位関係の比較

い．これは，図-13に示すように，FEAでは，先(テレビ支柱のアンカー補強モデル)に開口部付近に応力集中が生じた影響により，アンカーボルトに荷重伝達されたのが水平変位43mm以降の載荷時であったためと推察される．
また実験では，正方向，負方向のどちらでも荷重‐水平変位関係の履歴がほぼ同様であった．これは，タップボルトで接続されたカバープレートによって，開口部が十分に補強された影響で，開口部を設けない鋼管に近い状態となった可能性がある．そこで，開口部を設けない鋼管とした場合のFEA（赤線）を実施した．
その結果，19.2kN載荷時に水平変位38mmでア

図-13 実験と解析の荷重－変位関係の比較(テレビ支柱のベースプレート拡幅モデル)

ンカーボルトが降伏する結果となり，実験でアンカーボルトが降伏する35mmまでの初期剛性は実験結果をよく再現できていると考えられる．実験とFEAの結果を踏まえると，開口部による影響はないと考えられる．

４．まとめ
テレビ支柱の実験結果より，現行モデルの正負交番載荷による破壊順序・破壊形態は，はじめに
図-14 実験と解析の荷重－変位関係の比較(照明柱)

アンカーボルト①が降伏強度に達した．アンカー
ボルト①が破断した後の単調載荷では，アンカー- 117 -③，④が逐次的に破断し，荷重が急激に低下するような事象は生じなかった．破壊順序・破壊形態

結果となった．履歴形状はスリップ型の形状であはアンカーボルトが降伏するが，7δy程度でも破り，非線形挙動は，支柱が降伏していないことか断しないことが明らかとなった．壁高欄コンクリ

ら鋼管支柱本体の塑性化よりもアンカーボルトのートにははらみだし挙動は見られず，脆性的な破塑性化が主体となっている．また，アンカーボル壊は生じなかった．

トが破断後，他のボルトに荷重が分散されること

実験とFEAとを比較した結果，弾性範囲のFEAから，全体的に粘り強い構造であることが分かっは実験の応答をよく再現ができた．ただし，アンた．

カーボルト降伏後の伸びは再現性に劣ることが確

アンカー補強モデルも現行と同様に引張側のア認できた．

ンカーボルトが破断後，隣接アンカーボルトに荷重分散されるが，最大荷重は，現行テレビ支柱が参考文献191kNに対し290kNと50%程度の増加となった．

1)

ベースプレート拡幅モデルでは，他の2ケースと2)は異なり，先にリブプレートが降伏した後にアンカーボルトが降伏する．最大荷重は，現行テレビ支柱が191kNに対し591kNと既設の3倍程度の増加となった．

3)
4)
5)

照明柱の実験結果では，先にアンカーボルトが降伏に達した．試験終了時にはアンカーボルト

阪神高速道路公団：大震災を乗り越えて－震災復旧
工事誌－，1997.
阪神高速道路（株）：付属構造物標準図集，2005，2020.
DIANA FEA社：DIANA User’s Manual Release 10.2，2017.
（公社）土木学会：2017 年制定コンクリート標準示
方書[設計編]伊佐政晃，篠原聖二，青木康素，宇野津哲哉，松本崇志，小野寺周：橋梁上に設置した柱状付属構造物の耐荷力評価に関する実験的検討，第39回地震工学
研究発表会，A-23_1480，2019.の破断や開口部の座屈などの荷重が急激に落ちる

LOAD BEARING CAPACITY OF COLUMNAR STRUCTURES INSTALLED ON BRIDGES
Mitsuru JIDO, Masato TANAKA and Tetsuya UNOTSU
The 1995 South Hyogo Prefecture E and the 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake, a lot ofcolumnar structures such as lighting columns on the bridges collapsed due to the seismic motions. Since
the Hanshin Expressway is expected to keep performing properly during emergency, it is very important
to assess the seismic performances of existing columnar structures on it and prevent their collapse oroverturning due to seismic motions.
Full-scale indoor experiments were carried out in this study using TV supports and lighting columns.
This paper describes the process of their failure caused by the action of external force during anearthquake. The results of the experiments revealed that damage occurred first at the anchor bolts at thebases of the TV supports and the lighting columns.

慈道充(一財)阪神高速先進技術研究所
調査研究部
Mitsuru JIDO

田中 将登

宇野津 哲哉

阪神高速道路株式会社
技術部 技術推進室
Masato TANAKA

阪神高速技術株式会社
技術部
Tetsuya UNOTSU- 118 -