X 構造物の耐久性向上と性能評価方法に関する研究
研究期間：平成14年度～17年度
プロジェクトリーダー：基礎道路技術研究グループ長 猪熊明
研究担当グループ：技術推進本部（施工技術）、耐震研究グループ（振動、耐震）、基礎道路技術研究グループ（舗装、トンネル）、構造物研究グループ（橋梁構造、基礎）
1. 研究の必要性
近年の少子高齢化や社会資本ストックの老朽化・増大に伴い維持更新費が増加している。その結果新規の社会資本に対する投資余力が減少するため、より効率的な社会資本の整備が求められている。このため、構造物の耐久性向上による長寿命化を図るほか、性能規定化により新技術や新材料の開発や適用を容易にし創意工夫による技術革新を促進させる必要がある。
2. 研究の範囲と達成目標
本研究では、構造物の耐久性向上技術については、舗装の長寿命化やトンネル覆工の耐久性向上技術の提案をする。また、構造物の設計・施工の性能規定化については、橋梁の耐震性・耐風性・耐荷性（走行荷重）に着目した解析による性能評価法や耐震性能の実験的検証法、地中構造物の安全性評価法、および性能規定に対応した品質管理方法の提案などを行う。達成目標として以下の項目を設定した。
(1) 長寿命化のための設計技術の提案
(1)－1 舗装の長寿命化技術の提案
(1)－2 トンネル覆工の長寿命化技術の提案
(2) 性能評価方法の提案
(2)－1 解析および実験による橋梁の性能検証法の提案
(2)－2 地盤強度のばらつきを考慮した地中構造物の安全性評価法の開発
(2)－3 大型車の走行による橋梁の応答特性の解明および重量制限緩和技術の提案
(3) 性能規定に対応した品質管理方法の提案
(3)－1 路床の品質管理方法の提案
3. 個別課題の構成
本重点プロジェクト研究では、上記の目標を達成するため、以下に示す研究課題を設定した。
(1) 舗装の長寿命化に関する研究（平成10～17年度）
(2) トンネル履工の設計合理化に関する試験調査（平成12～16年度）
(3) 信頼性を考慮した橋梁全体系の地震時限界状態設計法に関する試験調査（平成13～15年度）
(4) 液状化地盤の変形に基づく橋梁基礎の耐震設計法に関する試験調査（平成12～16年度）
(5) 上下部構造の連世を考慮した耐震性能の実験的検証に関する研究（平成11～15年度）
(6) 橋の動的解析に用いるための基礎のモデル化に関する試験調査（平成13～16年度）
(7) 橋梁の耐風安定性評価手法の開発に関する調査（平成14～17年度）
(8) 土木造構造物の耐震性能評価方法に関する国際共同研究（平成12～16年度）
(9) 走行車両による橋梁振動の抑制手法に関する試験調査（平成14～17年度）
(10) 舗装の耐久性を考慮した路床の性能規定に関する調査（平成13～16年度）
平成15年度はこれらの10課題の研究を実施している。
4. 研究の成果
本重点プロジェクト研究の個別課題の成果は、以下の個別論文に示すとおりである。なお、「2 研究の範囲と達成目標」に示した達成目標に関して、平成15年度に実施した研究と今後の課題について要約すると以下のとおりである。
(1) 長寿命化のための設計技術の提案
(1)-1 舗装の長寿命化技術の提案
道路構造令で規定された小型道路の設計条件の検討および疲労破壊輪数の評価法の検討を行い、小型道路における舗装の設計に係わる設計荷重、交通量、性能指標等の考え方を整理した。また、促進載荷装置によらず非破壊試験装置（FWD）で測定したたわみ量から疲労破壊輪数を推定できる可能性を見いだした。今後は供用性の評価手法を検討し、疲労抵抗性と路面の性能の持続性に優れた舗装構造の提案を行う。
(1)-2 トンネル覆工の長寿命化技術の提案
鋼繊維補強コンクリート（SFRC）が温度・乾燥収縮に起因する覆工のひび割れに及ぼす効果を検証するため、要素実験、実トンネルでの試験施工を行い、SFRCは条件によってはひび割れ発生後の進展を抑制する効果などが期待できる場合があることが確認された。また、ひび割れ進展を考慮した数値解析手法の覆工設計法への適用性を覆工載荷実験結果を用いて検証するとともに、実トンネルを対象としたケーススタディを行い、SFRCは一般的に想定される荷重形態では部材断面耐力を向上させる効果が認められるものの、構造全体の耐力を向上させる効果はある限定された条件の場合にのみ現れることなどが明らかになった。今後は、覆工に作用する荷重の評価法などについて検討を進め、地山条件に応じた覆工設計法を提案する。
(2) 性能評価方法の提案
(2)-1 解析および実験による橋梁の性能検証法の提案
橋梁全体系の地震時限界状態設計法に関しては、橋梁システムに適用できる耐震信頼性評価法を提案するとともに、この方法を鉄筋コンクリート橋脚に適用 して耐震信頼性評価および部分係数の感度分析を行った。現行設計において曲げ破壊先行型となる鉄筋コンクリート橋脚に対し、材料強度のばらつきを考えた場合の現行照査式に対する耐震信頼性指標および損傷確率を算出するとともに、残留変位やせん断耐力等の橋脚に関する複数の限界状態のうち曲げ耐力に関する部分係数を大きくすることが耐震信頼性向上に有効であることが明らかとなった。今後は、荷重係数、抵抗係数の設定法および具体的な安全係数値について検討する。
液状化時の地盤変形が橋梁基礎に及ぼす影響に関しては、地盤構成、入力波形、基礎構造等の条件を種々変更した実験および解析を行い、液状化層を含めた地盤バネの評価法を提案するとともに、地震時の地盤変形が橋梁基礎の応答に及ぼす影響について系統的に解明した。今後は、その成果を踏まえ、試設計等を行った上で、液状化・流動化による地盤変形に対する橋梁基礎の耐震性能照査法としてとりまとめる。
構造物全体系の耐震性能を評価・分析するための実験技術に関しては、数値計算と実験を組み合わせたハイブリット振動実験を実施し、表層に不飽和層を有する液状化地盤における橋梁全体系（地盤－基礎－上部構造系）の地震時挙動について調査を行った。橋脚の塑性化、橋脚の補強、地盤の液状化等の諸条件を種々変更した上で、上部構造の応答を考慮した基礎構造の地震時挙動について系統的に解明した。また、構造物全体系を対象としたハイブリッド振動実験を行うために必要とされる加振機の遅れ補償手法、加振機取付治具の慣性力補償手法、中央差分法による数値解析モデルの解法等の技術開発の成果をとりまとめ、構造物全体系の耐震性能を実験的に検証する方法を提案した。
土木構造物の耐震性能評価方法に関しては、模型供試体の設計・製作や加振方法、相似則の適用法など性能評価実験に影響を及ぼす事項を抽出し、これらを規定した橋脚の振動台実験手法に関するガイドライン（案）としてまとめた。また基礎については、基礎の設計における地盤パラメターの特性値の評価方法について，地盤調査の信頼性が設計結果に反映されるような体系を提案した。今後は国際間で異なっている耐震性能の評価手法のキャブリレーション方法について検討し、基礎については基準化に向けた研究成果の体系化を行う。
橋梁の耐風安定性に関しては、鋼少数主桁橋を対象とした風洞試験と振動試験の結果を踏まえ、ゴム支承を用いた桁橋の構造減衰の推定式、鋼少数主桁橋の耐風性能の推定手法を提案した。また、ゴム支承を用いた桁橋の固有振動数について、解析値と実測値の差が確認され、解析モデルの検討が必要なことがわかった。さらに、過去の風洞試験データを基に耐風性能を推定する手法を検討するために、風洞実験データベースを作成した。今後は、ゴム支承の微小変形時のバネ定数の評価を行うとともに、データベースを基にした耐風性能推定手法について検討を行う。
(2)-2 地盤強度のばらつきを考慮した地中構造物の安全性評価法の開発
橋の動的解析に用いるための深い基礎のモデル化に関して、前年度までに実施した杭の繰返し載荷実験結果および繰返し載荷を受ける地盤の変形特性に基づき、基礎地盤間相互作用バネの履歴則を提案した。また、群杭基礎の場合には各杭位置に応じた群杭効果を考慮し、単杭の基礎地盤間相互作用バネを補正する手法を提案した。今後は振動台実験により得られた実験結果に対して数値解析を行い、提案モデルの検証を行う。
(2)-3 大型車の走行による橋梁の応答特性の解明および重量制限緩和技術の提案
橋梁振動解析のための解析モデルについて検討を行うとともに、シミュレーション解析を実施して実測値との比較検討を行った。また、振動の軽減対策の一つである延長床版工法について、FEM解析により床版部の挙動、構造安全性の検討を行うとともに、設計法や構造詳細の検討を行った。その結果、車両－橋梁系の解析モデルにより大型車走行時の主桁の振動性状を概ね評価できることを確認した。また、延長床版工法の構造安全性を確認するとともに、構造の提案を行った。今後は、解析モデルの精度向上の検討、実橋での延長床版の試験施工による振動軽減効果の検証を行う。
(3) 性能規定に対応した品質管理方法の提案
(3)-1 路床の品質管理方法の提案
舗装の路床、路体に要求される性能とこれらを確認する品質管理手法に関して、実験および解析を行い、小型FWDや平板載荷試験により求められる支持力は現行の施工管理で用いられている現場CBR試験などと良い相関関係が得られること、小型FWD，FWD等の重錘落下型の試験法は、路床・路体の弾性係数を現場で直接評価しうる手法であり、また試験が簡便であることから、施工管理手法としての適用可能性が高いことなどを確認した。今後、路床上に基層、表層を構築した場合の試験や各種の簡易な試験方法の評価も行い、道路全体の性能と路床の性能との関係を検証する。
また，これまでのCBR－TA法で設計された舗装断面等について理論解析を行うことで、路床上面に生じる応力やひずみ等の状態を把握し、路床の性能規定の初期段階のあり方について整理した。その結果、CBR－TA法には、設計交通量に応じた路床上面での許容圧縮ひずみがあり、これを路床性能として規定することで、過去の供用実績に基づいた性能規定ができる可能性があること、路床施工時のたわみ量が路床の性能指標となり得ることがわかった。今後は理論解析結果を検証するために、軽交通路線の供用データの収集やフィールド実験等による検討を行う。
個別課題の成果
研究予算：運営費交付金（道路整備勘定）
研究期間：平10～平17
担当チーム：基礎道路技術研究グループ（舗装）
研究担当者：伊藤正秀、坂本康文、寺田剛、谷口聡
【要旨】
本研究は、疲労抵抗性と路面の性能の持続性に優れた舗装構造の提案を目標に、 舗装の疲労抵抗性の評価方法、舗装の供用性の評価方法の提案について研究を実施している。15年度は、道路構造令で規定された小型道路の設計条件の検討及び疲労破壊輪数の評価法の検討を行った。
その結果、小型道路における舗装の設計にかかわる設計荷重，交通量，性能指標等の考え方が整理できた。また、促進載荷装置によらず非破壊試験装置（FWD）で測定したたわみ量から疲労破壊輪数を推定できる可能性を見いだした。
キーワード：小型道路、性能発注、疲労破壊輪数、性能評価法、FWD
研究予算：運営費交付金（道路整備勘定）
研究期間：平12～平16
担当チーム：基礎道路技術研究グループ（トンネル）
研究担当者：真下英人、砂金伸治、遠藤拓雄
【要旨】
山岳トンネルの覆工コンクリートの設計は実績や経験に基づき行われているが，覆工の安全性・耐久性を向上させるためには，覆工に要求される機能を明らかにし，力学的理論に基づいた合理的な設計法を確立することが必要である．本研究は覆工の力学的特性を明らかにするとともに，鋼繊維補強コンクリート（SFRC）等が覆工の耐力や温度･乾燥収縮に起因するひび割れ抑制に与える効果を検証し，地山条件に応じたトンネル覆工の設計法を提案することを目標とするものである．平成15年度は，要素実験，実トンネルでの試験施工を行いSFRCが温度・乾燥収縮に起因する覆工のひび割れに及ぼす効果を検証した．また，ひび割れ進展を考慮した数値解析手法の覆工設計法への適用性を覆工載荷実験結果を用いて検証するとともに，実トンネルを対象としたケーススタディによりSFRCが覆工設計を行う際に用いられる部材断面耐力および構造全体としての耐力向上に及ぼす効果を明らかにした．
キーワード: 覆工，載荷実験，鋼繊維補強コンクリート(SFRC)，FEM解析
10.3 信頼性を考慮した橋梁全体系の地震時限界状態設計法に関する試験調査
研究予算：運営費交付金（道路整備勘定）
研究期間：平13～平15
担当チーム：耐震研究グループ（耐震）
研究担当者：運上茂樹、西田秀明
【要旨】
本研究では、信頼性理論に基づいた橋梁全体系の耐震性能評価法の確立を目指し、その基本となるキャパシティデザイン法に基づく抵抗構造および耐力階層化係数の提案、および変位ベース設計法に基づく性能評価解析法の提案を行うことを目的としている。
現行道路橋示方書において耐震性能２を満足する鉄筋コンクリート（RC）橋脚およびRC橋脚－支承・上部構造系を対象に複数の限界状態を同時に考慮した耐震信頼性評価を行い、部分係数の感度分析および橋脚に損傷誘導するために必要な耐力階層化の提案を行うとともに、橋脚を変位ベース設計法に基づいて設計する際に等価線形化法を適用することを想定し、等価線形化法による最大応答変位推定精度を向上させるための等価剛性と等価減衰定数の設定法を提案した。
キーワード：限界状態設計法、信頼性理論、変位ベース設計法、等価線形化法
10.4 液状化地盤の変形に基づく橋梁基礎の耐震設計法に関する試験調査
研究予算：運営費交付金（道路整備勘定）
研究期間：平12～平16
担当チーム：耐震研究グループ（振動）
研究担当者：田村敬一、岡村未対、三上卓、谷本俊輔
【要旨】
近年の調査研究によれば、地盤の変形が基礎構造物の損傷に支配的な影響を及ぼした事例が報告されており、大きな地盤変形を伴う液状化・流動化が生じる場合に道路橋基礎の安全性を確保するためには、地盤の変形に対する基礎の性能照査法を提案する必要がある。本研究は、液状化および流動化時の地盤の変形が橋梁基礎に及ぼす影響を明らかにし、地盤の変形を考慮した橋梁基礎の性能照査法を提案することを目的として実施するものである。
15年度は、表層に不飽和層を有する液状化地盤を対象とした模型実験および数値解析を実施し、表層不飽和層が橋脚基礎に及ぼす影響を定量的に検討するとともに、流動化時の橋脚基礎の地震時挙動について数値解析により検討し、以下の成果を得た。
(1) 表層の不飽和層の地盤反力係数の推定方法を提案した。
(2) 表層に不飽和層を有する地盤条件における地盤と杭の相互作用および杭-フーチング系の応答特性を明らかにした。
(3) 群杭基礎に作用する流動圧について検討し、流動化の影響を直接受ける前列杭に作用する流動圧は、受働土圧および道路橋示方書に規定されている流動力を上回る場合があり、その他の杭に作用する流動圧は小さなものであることを明らかにした。
キーワード：液状化、流動化、杭基礎、地盤バネ、地盤変位
10.5 上下部構造の連成を考慮した耐震性能の実験的検証法に関する研究
研究予算：運営費交付金（一般勘定）
研究期間：平11～平15
担当チーム：耐震研究グループ（振動）
研究担当者：田村敬一、岡村未対、谷本俊輔
【要旨】
新技術の導入を促進し、建設コストの縮減を図るために、設計基準類の性能規定化が求められている。性能規定化を進めるためには性能の検証技術が不可欠であるが、従来、構造物全体系としての耐震性能を検証する技術は確立されておらず、そのような技術の開発が必要とされている。そこで本研究は、ハイブリッド振動実験により上部構造の応答特性を考慮した基礎構造の地震時挙動を明らかにし、構造物全体系の耐震性能を評価・検証するための実験技術を提案することを目的として実施するものである。
15年度は、14年度までの成果を踏まえ、液状化層の上に非液状化層が存在する液状化地盤におけるハイブリッド振動実験を実施し、以下の成果を得た。
(1) 上部構造の応答を考慮した基礎構造の地震時挙動を系統的に解明した。
(2) 橋梁構造物を対象としたハイブリッド振動実験を行うために必要とされる加振機の遅れ補償手法、加振機取付治具の慣性力補償手法、中央差分法による数値解析モデルの解法等の技術開発を行うとともに、加振機制御の安定条件を明らかにし、構造物全体系の耐震性能を実験的に検証する方法を提案した。
キーワード：耐震性能、ハイブリッド振動実験、液状化、杭基礎、上部構造物
10.6 橋の動的解析に用いるための基礎のモデルに関する試験調査
研究予算：運営費交付金（道路整備勘定）
研究期間：平13～平16
担当チーム：構造物研究グループ（基礎）
研究担当者：福井次郎，白戸真大，野々村佳哲
【要旨】
最近，重要構造物などでは，上部構造や橋脚柱の設計に大地震時の動的な挙動を直接評価できる非線形動的解析手法を用いることが一般化しつつある．一方，基礎の非線形動的解析モデルは，設計実務で用いるような実用的なものは未だ十分に整備されていない．そこで本研究では，柱状体基礎模型や杭基礎模型による振動台実験の結果をもとに，基礎の動的解析のためのモデルを提案することを目的に行っている．
キーワード：基礎，動的解析，振動台実験，群杭効果
研究予算：運営費交付金（道路整備勘定）
研究期間：平14～平17
担当チーム：構造物研究グループ（橋梁構造）
研究担当者：村越潤、麓興一郎、稲垣由紀子
【要旨】
橋梁の耐風安定性の検討に当たっては、風洞実験による確認を含め、これまで多くの時間や費用を要している。一方、近年、コスト縮減を目的とした新たな構造形式の橋梁（少数主桁橋等）が建設されているが、これらの橋梁の耐風安定性を適切に推定する手法が求められている。
本調査は、中長規模の橋梁の耐風設計において簡便かつ効率的に橋梁の耐風安定性の評価が可能な耐風性能推定手法の開発を目的とするものである。平成15年度は、少数主桁橋を対象として、耐風性能の推定手法を提案するとともに、耐風安定性に大きな影響を及ぼす固有振動数の解析手法について検討した。また、過去の風洞試験（バネ支持試験）データを基にデータベースを作成した。
キーワード：少数主桁、耐風安定性、対風応答解析、風洞試験
10.8 土木構造物の耐震性能評価手法に関する国際共同研究（1）
研究予算：運営費交付金（一般勘定）
研究期間：平12～平16
担当チーム：耐震研究グループ（耐震）
研究担当者：運上茂樹、西田秀明、塩島亮彦
【要旨】
近年、国際標準化機構（ISO）において制定される国際規格（ISO規格）の整備が進められている。しかし、橋梁構造物等の土木構造物に対する耐震性能の評価法に関するISO規格についてはまだ整備されていないことから、国際化の流れの中で、ISO規格への提案も視野に入れた土木構造物に対する耐震性能の評価方法を提案していくことが必要とされている。このような背景から、本研究では実験に基づいた橋梁の耐震性能評価手法の提案を目的とするものである。平成15年度は、橋脚を対象にした振動台実験に基づく耐震性能評価手法について検討し、これを含めて橋の耐震性能の評価に用いる実験手法に関するガイドライン(案)としてまとめた。さらに、米国連邦道路庁と連携し、耐震性能の評価方法の比較、耐震性能の評価のための共通的な実験手法の検討を行った。
キーワード：耐震性能評価、橋脚、振動台実験
10.9 土木構造物の耐震性能評価手法に関する国際共同研究（2）
研究予算：運営費交付金（道路整備勘定）
研究期間：平12～平16
担当チーム：構造物研究グループ（基礎）
研究担当者：福井次郎、白戸真大、 野々村佳哲
【要旨】
国際化の流れの中で、ISO規格への提案も視野に入れた土木構造物に対する耐震性能の評価方法を開発していくことが必要となっている。そこで、本研究では、国際的標準となり得る基礎の設計基準の要件、基礎の耐震性能に深く関わる地盤定数および支持力の評価方法について研究を行っている。さらに、後者については、多様な地盤調査技術を活用するために、地盤調査から地盤パラメターを評価する考え方にある原則を設けておく必要がある。そこで、平成15年度は、地盤調査から設計計算に用いる地盤パラメターの値を決定するまでの手順を検討した。
キーワード：基礎、地盤定数、特性値、設計値、性能評価
10.10 走行車両による橋梁振動の抑制手法に関する試験調査
研究予算：運営費交付金（道路整備勘定）
研究期間：平14～平17
担当チーム：構造物研究グループ（橋梁構造）
研究担当者：村越潤、新井恵一、長屋優子
【要旨】
橋梁の耐久性向上及び沿道の生活環境のより一層の向上を図る上で、道路交通振動による橋梁及び周辺への影響を軽減できる対策技術が求められている。本調査は、大型車走行時の橋梁の振動応答特性を明らかにし、橋梁振動の予測手法を開発するとともに振動軽減に効果的な対策技術の開発を行うものである。平成15年度は、試験橋を対象として車両－橋梁の連成系の振動解析モデルの検討を行い実測値との比較分析を行った。また、ジョイント部に起因する振動の軽減対策の一つである延長床版工法について、FEM解析により延長床版部の挙動、構造安全性等を確認するとともに、その結果を踏まえ、かつ施工性や維持管理に配慮した床版構造の提案を行った。
キーワード：道路交通振動、シミュレーション解析、振動軽減対策、延長床版工法
10.11 舗装の耐久性を考慮した路床の性能規定に関する調査（1）
研究予算：運営費交付金（道路整備勘定）
研究期間：平13～平16
担当チーム：基礎道路技術研究グループ（舗装）
研究担当者：伊藤正秀、坂本康文、城戸浩
【要旨】
路床を性能で規定するには、その上に載る舗装構造の影響を把握する必要がある。舗装の設計法と路床の性能規定には深い関係があり、設計的な要素からのアプローチが不可欠と考えられることから、これまでのCBR－TA法で設計された舗装断面等について理論解析を行うことで、路床上面に生じる応力やひずみ等の状態を把握することとした。その結果、CBR－TA法にも路床上面圧縮ひずみに交通量に応じた許容値が存在することが認められたことから、許容ひずみを規準化することで過去の施工実績を有効に活用できることがわかり、路床の性能規定の方向性についても見出せた。
キーワード：CBR－TA法，路床，性能規定，圧縮応力，圧縮ひずみ
10.12 舗装の耐久性を考慮した路床の性能規定に関する調査（2）
研究予算：運営費交付金（道路整備勘定）
研究期間：平13～平16
担当チーム：技術推進本部（施工技術）
研究担当者：大下武志，波田光敬，中島伸一郎
【要旨】
路床の品質を評価する各種現場試験法の測定精度や適用範囲等を検討することを目的として，室内模擬路床実験を実施した（H14）．この実験結果に基づき，各測定値の相関性や評価深度に関して詳細な検討を行うとともに，実験の条件に対する多層弾性解析を実施し，実験結果と解析結果との比較を行った．その結果，小型FWDや急速平板載荷試験などの現場試験は，路床の弾性挙動を評価する手法として有効であることが確認された．一方，地盤の弾性を仮定した場合，路床内部の欠陥（低弾性係数層）が路床表面の変形挙動に及ぼす影響は，欠陥部の深度とともに急激に小さくなるため，小型FWDや急速平板載荷試験で路床深部の欠陥部を探知することは困難である可能性が高いことがわかった．
キーワード：路床，品質評価，現場試験法，多層弾性解析
