XIII 超長大道路構造物の建設コスト縮減技術に関する研究
研究期間：平成14年度～17年度
プロジェクトリーダー：構造物研究グループ長 佐藤弘史
研究担当グループ：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
豊かで質の高い暮らしを実現するためには、複数の都市あるいは地域が連携し、それぞれの資源あるいは機能を共有することが重要である。海峡を挟んだ複数の地域において、このような地域の交流と連携を図るため、超長大道路構造物の建設コストを縮減する技術の開発が求められている。
2. 研究の範囲と達成目標
本研究では、建設コスト縮減の可能性のある新たな構造あるいは施工法に着目し、吊橋については、新形式主塔および基礎の耐震設計法の開発、耐風安定性に優れた上部構造形式の開発、薄層化舗装およびオープングレーチング床版技術の開発を行い、トンネルについては、トンネルボーリングマシンを用いたトンネル設計法の開発を行うことを研究の範囲とし、以下の達成目標を設定した。
(1) 超長大橋の新しい形式の主塔、基礎の耐震設計法の開発
(2) 耐風安定性に優れた超長大橋上部構造形式の開発
(3) 薄層化舗装、オープングレーチング床版技術の開発
(4) 超長大トンネル用トンネルボーリングマシンを用いたトンネル設計法の開発
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) 超長大橋下部構造の設計・施工の合理化に関する試験調査（平成10～17年度）
(2) 大規模地震を想定した長大橋梁の耐震設計法の合理化に関する試験調査（平成10～17年度）
(3) 経済性・耐風性に優れた超長大橋の上部構造に関する調査（平成11～17年度）
(4) 薄層化橋面舗装の施工性能向上に関する研究（平成14～15年度）
(5) 経済性に優れた長大トンネルの掘削方法に関する試験調査（平成11～15年度）
このうち、平成16年度は(1)～(3)の3課題を実施している。
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」に示した達成目標のうち、(3)および(4)については既に達成しているが、残る(1)および(2)に関して、平成16年度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) 超長大橋の新しい形式の主塔、基礎の耐震設計法の開発
本目標に関し、「大規模地震を想定した長大橋梁の耐震設計法の合理化に関する試験調査」では、より耐震性に優れた新しい主塔構造形式を探ることを目的として、平成15年度に複合構造主塔(3本CFT（Concrete-Filled Steel Tube、コンクリート充填鋼管）主塔、4本CFT主塔、2重鋼殻コンクリート充填主塔)の試設計を行い、施工性、経済性についてRC製及び鋼製主塔との比較を行った。平成16年度は、新形式主塔構造であるCFT主塔の耐力、変形特性を明らかにし、地震時限界状態の評価法を提案することを目的として研究を行った。その結果、CFT主塔の耐力、変形特性に関して、RC主塔とほぼ同等の耐力・変形性能を有する構造が実現可能であること、じん性に期待した設計を行う場合には斜材及びシアリンクに損傷を誘導する方が有利となること、斜材断面およびシアリンク設置位置を適切に選定することにより耐力、変形性能をコントロールできること等が明らかとなった。また、地震時限界状態評価法として、プッシュオーバー解析による耐力・変形特性および主塔各部の損傷特性に基づき耐震設計上許容できる損傷度を定め、動的解析による応答値に基づき照査するという方法を提案した。今後は、これらの成果を基に新形式主塔構造の耐震設計法を提案するため研究を進めていく予定である。
「超長大橋下部構造の設計・施工の合理化に関する試験調査」では、新形式基礎としてパイルドファウンデーションやサクション効果を考慮した基礎を取り上げ、その特性を調査した。このうちパイルドファウンデーションについては、これまで行ってきた静的載荷実験結果に対してFEM解析を行い比較した。その結果、沈下量の小さな範囲では荷重と沈下量の関係が実験と解析とでよく一致していること、また解析結果によれば、杭により地盤ひずみの絶対値が小さくなり、ひずみが鉛直方向および水平方向に分散すること等が明らかとなった。また、パイルドファウンデーションを対象とした遠心力載荷模型振動実験によれば、基礎の根入れを深くすると地震時残留沈下量を抑制する効果が大きくなること、パイルドファウンデーションに使用する杭は基礎直下のみに配置することで沈下量を抑制する効果があること、地盤に杭がある場合の相対密度70%程度の基礎模型の残留変位量は、杭がない場合の相対密度85%程度の基礎模型の残留変位量とほぼ一致すること等が確認できた。このことより、パイルドファウンデーションの耐震設計法を考える際には、その摩擦杭効果を地盤の相対密度の増加に置き換えた上で、直接基礎として耐震設計することの可能性が確認された。一方、基礎のサクション効果に関しては、遠心力場においてゴム地盤と砂地盤におけるサクション効果の実験を行い、止水構造がある場合には水深の増大に応じて非常に大きなサクションが期待できること、20波の繰り返し載荷中の抵抗モーメントはほとんど低下せず、地震時にもサクションの効果を期待できること、砂地盤においても，根入れがある場合にはサクションの効果が発揮されること等がわかった。今後は、新形式基礎の耐震設計法の提案するため研究を進めていく予定である。
(2) 耐風安定性に優れた超長大橋上部構造形式の開発
本目標に関し、「経済性・耐風性に優れた超長大橋の上部構造に関する調査」では、桁として二箱桁と一箱桁のハイブリッド構造を有し、ケーブルとして吊橋と斜張橋の両者のケーブルシステムを併用した、新形式の超長大橋（以下、「斜張吊橋」と呼ぶ）に着目し調査を行っている。平成15年度は、従来の吊橋に比べケーブル数量やアンカレッジ数量を減少できる経済的な斜張吊橋の諸元を提案するとともに、耐風安定性を調査するために必要な全橋模型を設計・製作した。平成16年度は、強風による静的なねじれ変形を小さくするようにケーブルシステムの改良を行い、次にこの斜張吊橋の全橋模型を用いて風洞試験により耐風安定性を調査した。その結果、本構造形式は、補剛桁にスプリッター板を取り付けることにより実橋換算風速80m/s程度までの風速領域で発散振動が発生せず、また、静的なねじれ変形もそれほど大きくないため、所要の耐風安定性を有していることが明らかとなった。今後は、異なる自然風条件下での本構造形式の耐風性について調査を行い、経済性・耐風性に優れた上部構造形式を提案する予定である。
個別課題の成果
13.1 超長大橋下部構造の設計・施工の合理化に関する試験調査(1)
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：構造物研究グループ（基礎）
研究担当者：福井次郎、石田雅博
【要旨】
現在検討が進められている新交通軸における超長大橋建設に関する技術検討の中で、経済的な大水深基礎の建設技術が課題の一つに挙げられている。本研究は、パイルドファウンデーションおよび基礎底面のサクション効果を考慮した新しい基礎形式の提案を目標に実施している。
16年度は、大型遠心載荷試験装置を用いて、基礎模型の底面に実物大相当の水圧を作用させた状態で荷重を与えサクション効果を検証する遠心載荷実験を行った。繰り返し荷重が作用した場合でも、サクションの効果が発揮されることがわかった。また、砂質地盤についてもサクションの効果が見られ、根入れのある方が効果が大きいことがわかった。さらに、パイルドファウンデーションのFEM解析を実施し、沈下量の小さな範囲では実験結果に対して比較的よく一致する荷重～沈下関係を得た。
キーワード：サクション、大型遠心載荷試験、パイルドファウンデーション
13.2 超長大橋下部構造の設計・施工の合理化に関する試験調査(2)
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：耐震研究グループ（振動）
研究担当者：杉田秀樹、近藤益央、谷本俊輔
【要旨】
現在検討が進められている新交通軸における超長大橋建設に関する技術検討の中で、工費を削減することが求められており、その１つとして基礎寸法を小さくするという技術開発の方向性がある。このため、本研究はパイルドファウンデーションやサクションの効果を考慮した新しい基礎形式の提案を目標として実施するものである。
平成16年度は、新形式基礎の一つであるパイルドファウンデーションの地震残留変位量を調べるために遠心力載荷模型振動実験を実施した。その結果、パイルドファウンデーションとすることにより地盤のせん断変形を抑制することから、地盤密度の高い直接基礎として設計できる可能性を明らかにした。
キーワード：橋梁基礎、パイルドファウンデーション、遠心力載荷模型振動実験、残留変位、動的応答
13.3 大規模地震を想定した長大橋梁の耐震設計法の合理化に関する試験調査
研究予算：運営費交付金（道路整備勘定）
研究期間：平10～平17
担当チーム：耐震研究グループ（耐震）
研究担当者：運上茂樹、遠藤和男
【要旨】
巨大地震の断層直近に計画される中央支間長2000ｍを超える超長大吊橋に対する合理的・経済的な耐震設計法を検討することを目的とし、これまでRC製及び鋼製主塔の地震時限界状態を明らかにするとともに、昨年度はより耐震性に優れた新形式高耐震性能構造となる主塔構造形式を探ることを目的として複合構造主塔(3本CFT主塔、4本CFT主塔、2重鋼殻コンクリート充填主塔)に着目した検討を実施した。H16年度は、新形式高耐震性能構造の耐力、変形特性を明らかにし、地震時限界状態の評価法を提案すること目的として、新形式高耐震性能構造である3本CFT主塔のプッシュオーバー解析を行い、耐力・変形性能について明らかにするとともに、耐力・変形性能向上策及び地震時限界状態の評価法に関する検討を実施した。
キーワード：超長大吊橋、複合構造主塔、耐震性能照査、限界状態
13.4 経済性・耐風性に優れた超長大橋の上部構造に関する調査
研究予算：運営費交付金（道路整備勘定）
研究期間：平11～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】
新交通軸の一部を形成する超長大橋を経済的に建設するためには、従来の長大橋を超える新たな技術開発が必要である。とりわけ、超長大橋においては、耐風安定性の確保が重要な課題の一つとなっている。本調査は、耐風性・経済性に優れた超長大橋上部構造を提案することを目的とする。
平成16年度は、前年度に引き続き二箱桁と一箱桁を併せたハイブリッド桁構造と、吊橋と斜張橋を併用したケーブルシステムを有する新形式の超長大橋の耐風安定性の検討を実施した。具体的には前年度の風洞試験において桁の有風時の変形が大きかったことから、全体系の剛性をより高めるためにケーブルシステムをモノデュオ形式に変更し、それに伴い全橋模型の改良設計と模型の変更を行い、一様流中における風洞試験を実施した。
キーワード：超長大橋、耐風安定性、斜張吊橋、ケーブルシステム
