IX 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 萩原良二
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. 研究期間中に行う研究の範囲と得られる成果（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. 個別課題の実施期間
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17年度はこれらの3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、本研究で得られた成果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
舗装の疲労抵抗性を評価する方法として、交通量区分に応じた疲労破壊輪数、アスファルト混合物層の疲労ひび割れに関する破壊規準式を提案し、舗装の疲労破壊輪数をFWD（重錘落下式たわみ量測定装置）による路面たわみ量から推定する方法を提案した。これらの研究成果は、舗装の構造に関する技術基準（平成13年7月) 、舗装設計便覧（平成18年2月）、舗装性能評価法（平成18年1月）に反映されて広く活用されている。また、舗装の供用性を評価する方法として、供用後の路面のひび割れ率やわだち掘れ量を予測する方法を提案した。さらに、疲労抵抗性と路面の性能の持続性に優れた舗装構造として、ＴA（等値換算厚）を増大した舗装とコンポジット舗装を提案し、試験舗装によりその妥当性を検証した。長期的な性能の持続性を検証するため、今後も調査を継続し、研究成果については舗装設計施工指針等への反映について検討していく予定である。
(1)-2 トンネル覆工の長寿命化技術の提案
温度・乾燥収縮に起因してトンネル覆工に発生するひび割れの抑制方策に関して、室内要素実験および実トンネルで試験施工を行い、鋼繊維補強コンクリート(SFRC)を覆工に用いた場合には、ひび割れ発生を遅延させる効果、ひび割れ発生後のひび割れの進展や開口を抑制する効果などが期待できることを明らかにした。また、SFRCが覆工の耐荷力に及ぼす効果に関して、実大規模の覆工載荷実験を行い、SFRCは覆工に軸力が卓越して作用する場合は、覆工全体の耐荷力を向上させる効果は顕著でないものの、コンクリート片の剥落を防止する効果が期待できること、曲げが卓越して作用する場合は、覆工全体の耐荷力を向上させる効果が顕著であることを明らかにした。さらに、力学的理論に基づいた覆工設計法に関して、ひび割れ進展を考慮した有限要素法により覆工の非線形挙動の再現や構造耐力の評価が可能となることを検証するとともに、トンネル掘削時に発生した変位から覆工設計に用いる荷重値を算出する方法の検討を行い、ひび割れ進展を考慮した有限要素法を用いた覆工設計法を提案した。今後は、温度･乾燥収縮に起因するひび割れに対してSFRCの抑制効果が期待できる条件の整理を行うとともに、覆工設計に用いる荷重モデルのさらなる検討を進め、さらにSFRCをトンネル覆工に適用した施工事例の蓄積などを通じて、提案した覆工設計法の妥当性を検証する予定である。
(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
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しては、耐震信頼性評価法として最小安全裕度に基づく方法と、各限界状態の生起確率の条件付き確率に基づいて評価する方法を提案した。また、橋脚基部に損傷を誘導するために必要となる耐力階層化係数の算定法を提案した。さらに、変位に基づく設計法（変位ベース設計法）を橋脚に適用する場合を考え、等価線形化法による最大応答変位の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。橋梁全体系を考慮した耐震信頼性評価法に基づく設計法や変位ベース設計法を効果的に適用していくことにより、橋梁のより合理的な耐震設計が可能になり、安全性の向上やコスト縮減に寄与するものと考えられる。今後、本研究成果の道路橋示方書への反映（平成20年）について検討していく予定である。
液状化地盤の変形に基づく橋梁基礎の耐震設計法に関しては、液状化地盤中の橋梁杭基礎を対象とした動的遠心模型実験ならびにその数値解析を行い、液状化層および非液状化層における水平方向地盤反力の特性、地盤条件と上部工-基礎-地盤系の動的応答特性の関係などを明らかにした。また、耐震性能照査に用いる地盤と基礎の相互作用バネ特性を実験により直接計測する方法を提案し、その結果を基に地盤と基礎の相互作用バネをモデル化した。これらの動的遠心模型実験で得られた知見と提案した相互作用バネを用いた数値解析を通じて、地盤と基礎の相互作用モデルの妥当性を検証し、応答変位法に基づく液状化・流動化時の橋梁基礎の耐震性能照査法を提案した。地盤変形を考慮した液状化・流動化時の橋梁基礎の耐震性能照査法を適用していくことにより、より合理的な耐震設計等が可能になり、安全性の向上やコスト縮減に寄与するものと考えられる。今後、本研究成果を道路橋示方書へ反映（平成20年）させていく予定である。
橋の動的解析に用いるための基礎のモデル化に関しては、杭の載荷実験結果等をもとに地盤反力度pと基礎・地盤間相対変位yの関係の履歴則を提案し、杭基礎模型振動台実験を行って検証し、基礎をはりで、地盤抵抗をWinkler型の基礎・地盤間相互作用バネでモデル化したBNWF（Beam-on-nonlinear-Winkler-foundation）モデルによる橋梁基礎の非線形動的解析手法を開発した。開発したモデルは，新設橋の設計の合理化はもとより，既設橋の耐震補強時における耐震性能の評価などにも適用することが可能であり、道路橋示方書や杭基礎設計便覧へ導入（平成20年）していく予定である。
上下部構造の連成を考慮した耐震性能の実験的検証に関しては、数値計算と実験を組み合わせたハイブリッド振動実験を実施し、道路橋橋脚の塑性化の有無、橋脚の補強の有無、地盤の液状化の有無等の諸条件が変化した場合について、上下部構造の連成を考慮した構造物全体系の地震時挙動を明らかにした。また、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方法、加振機取付冶具の慣性力補償方法、中央差分法による数値解析法、加振機制御の安定条件等を提案し、構造物全体系の耐震性能を部分模型を用いたハイブリッド実験により実験的に検証する手法を確立した。このハイブリッド実験の実施手順やノウハウは土木研究所資料にとりまとめており、本研究成果は構造物全体系の耐震性能の実験的検証法として、道路橋示方書への導入（平成20年）を検討していく予定である。
土木構造物の耐震性能評価方法に関しては、橋脚を対象とした正負交番載荷実験および振動台実験に基づく耐震性能評価手法について、米国道路連邦庁と連携して検討を行い、正負交番載荷実験における寸法効果に関する配慮事項、載荷履歴の設定方法、曲率の計測方法、振動台実験に用いる相似則等に関する提案を行って、「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）」（和文、英文）を作成した（平成17年3月）。
橋梁の耐風安定性評価手法に関しては、合理化鋼少数主桁橋を対象として、二次元模型風洞試験と実橋振動試験を行い、既存の研究結果との比較分析を踏まえ、風による振動発現時の風速・振幅推定式、構造減衰推定式および推定式に基づく耐風性照査法を提案するとともに、実務設計への適用性を明らかにした。本研究成果は、合理化鋼少数主桁橋の耐風性能推定手法として土木研究所資料としてとりまとめるとともに、道路橋耐風設計便覧に反映(平成18年)させる予定である。また、橋梁（桁構造）の耐風性能をより詳細に推定するための支援ツールとして、過去に土研で実施した風洞試験結果をもとに、推定対象橋梁に対して類似の構造パラメータを有する橋梁の試験結果を抽出する機能を付加した風洞試験データベースを作成した。これらの研究成果の普及を図ることにより、橋梁の耐風設計における安全性の向上やコスト縮減に寄与するものと考えられる。
(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
杭基礎の耐震性能評価について、信頼性を考慮した部分係数の設定方法の検討を行い、杭基礎の耐震性能に最も影響を与える杭の鉛直支持力を対象に、地盤調査方法や載荷試験データ数量を考慮して一定の信頼度を有する設計支持力推定式を作成する手法を提案した。部分係数を用いた設計法に移行することにより、設計の信頼性・自由度が向上し、新技術の開発・活用が促進されることが期待される。このため、今後、本研究成果を活用して部分係数設計法の開発を進め、道路橋示方書への導入（平成20年）を検討していく予定である。
(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
土木研究所構内の試験橋において大型車走行試験を行い、自動車サスペンションの差異の影響を含め橋梁の振動応答特性を把握するとともに、車両－橋梁連成系の解析モデルを作成し、同解析モデルにより主桁の振動性状を概略推定できることを確認した。また、ジョイント部の振動軽減対策である延長床版工法を対象として、施工性や維持管理に配慮した床版構造を提案（特許出願）するとともに、現場試験施工前後の振動計測を行って対策効果を明らかにした。この延長床版工法については、直轄国道で現場試験施工が行われて振動軽減効果を確認しており、橋梁ジョイント部の振動軽減対策メニューが充実し、橋梁の耐久性向上に寄与するものと考えられる。さらに、環境影響評価実施の際に適用されている道路交通振動予測式について、同予測式作成以降に計測された沿道振動データを用いて予測式の適用性の検証を行った。この研究成果については、道路環境影響評価の技術手法に反映（平成18年）させていく予定である。
(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
従来の経験的設計法であるＴA法で設計された舗装断面を対象とした理論解析、実大規模実験を行い、設計交通量に応じた路床上面の許容圧縮ひずみにより、過去の供用実績に基づいた舗装の耐久性を担保する性能規定方法を提案した。この研究成果は、舗装設計便覧（平成18年2月）に反映され、舗装の設計・施工に自由度のある性能規定発注の普及に寄与するものと考えられる。今後、本研究成果を活用して舗装の信頼性に基づく理論設計法の開発を進め、新技術や実績のない技術を導入することが可能な設計法への移行を図っていく予定である。また、路床の施工・品質管理のための現場試験法について、室内模擬路床実験によって、測定精度、測定に要する時間等に関する比較・検討を行い、地盤弾性率を直接的に求めることができ、かつ、反力が不要であるために多点計測が可能である小型FWDや急速平板載荷による試験方法を提案した。本研究成果を活用することにより、路床の剛性や均質性を面的に評価できる比較的簡便な試験法の適用が可能となり、施工・品質管理の合理化やコスト縮減に寄与するものと考えられる。今後、本研究成果を道路土工指針に反映（平成19年）させていく予定である。
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：久保和幸，藪雅行，坂本康文，寺田剛，谷口聡
【要旨】
本研究では，舗装の長寿命化に向けて，舗装の疲労抵抗性の評価方法の提案，舗装の供用性の評価方法の提案供用性データに基づくライフサイクルコスト評価方法の提案および疲労抵抗性と路面の性能の持続性に優れた舗装の提案を目的とした，各種試験舗装に係る調査結果の分析を行った。その結果，舗装の疲労抵抗性の評価には非破壊試験装置（FWD）による路面たわみ量に基づく評価法が有効であること，舗装の供用性の評価には使用材料の性状や路面たわみ量等に基づく評価法が有効であること，また疲労抵抗性と路面性能の持続性に優れた舗装としてはＴAを増大させた舗装やコンポジット舗装が有効であることがわかった。また，供用による路面の劣化に伴う車両走行費用はライフサイクルコストに大きく影響しないことがわかった。
キーワード：長寿命化舗装，疲労抵抗性，供用性，性能，持続性
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】
本調査は、中長規模の橋に対して風洞試験を行わずに、風による振動性状を推定し耐風性を照査するための手法の開発を行うものである。鋼少数主げた橋を対象として、二次元模型風洞試験と実橋振動試験を行い、既存の研究結果との比較分析を踏まえ、風による振動発現時の風速・振幅推定式、構造減衰推定式および推定式に基づく耐風性照査法を提案するとともに、実務設計への適用性を明らかにした。また、橋（けた構造）の耐風性能をより詳細に推定するための支援ツールとして、過去に土研で実施した風洞試験結果を基に、推定対象橋に対して類似の構造パラメータを有する橋の試験結果を抽出する機能を付加した風洞試験データベースを作成した。
キーワード：鋼少数主げた橋、耐風性、風洞試験、振動実験、データベース
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、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。本調査では、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。
本研究では、土研構内試験橋において大型車走行試験を行い、自動車サスペンションの差異の影響を含め橋梁の振動応答特性を把握するとともに、車両－橋梁連成系の解析モデルを作成し、同解析モデルにより主桁の振動性状を概略推定できることを確認した。また、ジョイント部の振動軽減対策である延長床版工法を対象として、施工性、維持管理に配慮した床版構造を提案するとともに、現場試験施工前後の振動計測を行い、対策効果を明らかにした。
キーワード：道路交通振動、振動軽減対策、延長床版
