早稲田大学大学院理工学研究科博士論文概要論文題目交番載荷パターンが鉄筋コンクリート橋脚の破壊過程に与える影響に関する実験的研究 Effect of Seismic Loading Patterns on Failure Process of Reinforced Concrete Bridge Piers 申氏名請者津野和宏 Kazuhiro Tsuno 2005 年 4月現在、土木構造物の設計基準は仕様規定型から性能規定型への移行が図られており、橋脚の耐震設計の分野においても同様である。橋脚が大きな地震動を受けた際の、変位量やエネルギー吸収量に関する許容値の推定手法、または地震動によって橋脚に蓄積される損傷度等の推定手法の確立は、橋脚の耐震性能の分析に関して非常に有効であり、性能規定型設計法の整備に当たっての重要な研究課題である。橋脚の損傷度に関し、簡便な解析的推定手法が確立されれば、性能規定型設計手法の策定においてのみならず、実際に橋脚が大きな地震動を受けた後における残存エネルギー吸収性能の推定や、補強の必要性の検討等においても非常に有益である。この損傷度推定手法の研究において問題となるのは、交番載荷を用いた鉄筋コンクリート橋脚の耐震性能実験において実験供試体が示す塑性的挙動が、その載荷パターンに大きく影響されることである。しかし、載荷パターンが鉄筋コンクリート橋脚の耐震性能に与える影響に関する研究はまだ十分になされておらず、載荷パターンの違いが橋脚に蓄積される損傷度に与える影響も、まだ十分に解明されていない。本研究の主な目的は、上記のような背景をもとに、現行の耐震設計基準に基づき設計された鉄筋コンクリート橋脚の耐震性能が載荷パターンの違いによって受ける影響を分析し、橋脚が地震によって受ける損傷度および終局に至る時点を簡便に推定する手法を提案することである。本論文は、第１章「概要」から第８章「結論」まで、合計８章から構成されており、その概要は以下の通りである。第１章「概要」では、論文全体の概要を要約して述べ、第２章「研究の背景」では、既往の研究の紹介を交えて本研究の意義を述べ、また本研究の動機となる主な疑問点および研究目的を整理した。第３章「載荷実験の方法」では、実験手法、装置の概要、交番載荷パターン、計測計画、実験の制御方法等について述べた。載荷パターンは全部で４種とし、１方向水平交番載荷が漸増型と漸減型の２種、２方向水平交番載荷が十字型とクローバー型（共に上から見た載荷ループの形）の２種を用いた。水平載荷は互いに直交する方向にセットされた油圧ジャッキ２本で行い、鉛直方向載荷はベースブロック下にセットされた鉛直ジャッキにて導入した。鉛直荷重は、コンピューター制御により常に一定に保たれた。計測は、柱の水平変位、水平および鉛直荷重、主に柱基部における主筋及び横拘束筋のひずみ、柱の曲率等を対象に行った。第４章「実験供試体の設計と製作について」では、実験供試体の設計や製作の過程、供試体の材料特性、および供試体の水平耐荷力を２種類の手法を用いて算出した結果を述べた。実験供試体は、道路橋示方書の耐震設計編を用いて設計した、 550mm×550mm の曲げ破壊型正方形断面鉄筋コンクリート単柱橋脚をスケールダウンしたものであり、５体製作した。第５章「載荷実験の結果」では、５体の供試体の実験による破壊過程について 1 述べ、実験によって得られたヒステリシスループを掲載した。第６章「損傷の評価」では、実験結果に基づき、供試体の塑性ヒンジ長、モーメント・曲率解析、エネルギー吸収量およびダメージインデックスについて解析を行った。また、この解析結果を用い、供試体が終局状態に至る時点を推定する手法を提案した。塑性ヒンジ長は、実験において計測された水平変位及び曲率から算出し、ニュージーランド及び日本でそれぞれ一般的に使用されている経験式による値との比較を行った。実験値の算出にあたり、主筋のベースブロックからの伸び出し量による影響の度合いを想定する必要がある。そこで、ニュージーランドにおいて用いられている塑性ヒンジ長算出式中の伸び出しによる影響の項、及び日本で提案されている主筋の伸び出し量算定式について、それぞれ検討を行った。前者は主筋の伸び出しの影響が水平変位量に対して一定の割合であり、後者は伸び出し量が水平変位量に係わらず一定である。今回行った実験結果から、載荷初期の変位量が小さい、または載荷回数が少ない状態においては後者が正しい傾向を示し、交番載荷による柱基部の損傷が進むにつれ前者と等しい傾向が現れることが確認された。この結果に基づき、主筋の伸び出し量を実験段階に沿って想定し、この影響を実験結果から排除した上で塑性ヒンジ長を算出した。塑性ヒンジ長の実験値は、交番載荷が進捗するに従って安定し、ニュージーランド及び日本で用いられている経験式による値とほぼ一致することを確認した。しかし、実験初期の水平変位塑性率 4 未満の段階においては、塑性ヒンジ長が各経験式より小さくなることも同時に確認された。この現象を考慮し、塑性ヒンジ長を塑性率によって変化させる算定式を提案した。エネルギー吸収量については、供試体の水平耐荷力がピーク時の 8 0 ％まで低下する時点を終局状態として、ヒステリシスループ（荷重―変位曲線）によって囲まれる面積を供試体が終局状態に至る前の最後の載荷サイクル終了まで累加することによって求め、これを供試体の総エネルギー吸収量とした。総エネルギー吸収量は、漸増型の交番載荷パターンを用いた供試体については、１方向載荷、2 方向載荷に係わらずほぼ一定であった。しかし、初期に大きな水平変位を与えた漸減型の１方向交番載荷パターンを用いたケース、及び低強度のコンクリートの供試体に標準的な漸増型の 1 方向交番載荷を用いたケースについては、総エネルギー吸収量が他のケースに比べて前者が８割、後者が７割と、かなり小さな値となった。このことから、交番載荷を受ける鉄筋コンクリート橋脚柱が終局状態に至るまでの総エネルギー吸収量は、載荷パターン及びコンクリート強度の影響を受けるものと判断された。ダメージインデックス（累積損傷指標）については、主鉄筋の低サイクル疲労に着目して提案されている実験式を用いて算出した。このダメージインデックスは、柱基部断面において水平交番載荷による累積塑性ひずみ量が最も大きくなる主筋に着目して算出するものであり、この主筋に対するダメージインデックスの 2 値が 1.0 に達した時点で、この主筋にひび割れや破断等が生じ、致命的な損傷となり、橋脚柱そのものが終局状態に至るものと判断する。このダメージインデックスの算出式は、K u n n a t h ら及び M a n d e r によりそれぞれ若干係数の異なるものが提案されている。漸増型１方向交番載荷を受ける場合、及び十字型の２方向漸増交番載荷を受ける場合については、K u n n a t h モデルにより供試体が終局状態に至る時点が精度良く推定された。また漸減型については Mander モデルにより良く再現された。しかし、クローバー型の 2 方向漸増交番載荷を与えた供試体については、両モデルともに推定結果は実際の実験結果より遅いものとなった。これは、クローバー型の載荷を受けた供試体については、他の供試体と比較して横拘束筋の受ける損傷が大きかったためと判断した。このことから、交番水平載荷を受ける鉄筋コンクリート橋脚柱が終局状態に至る時点の、ダメージインデックスによる推定の精度は、載荷パターンによって影響を受けることが確認された。第７章「実験結果と損傷評価の考察」では、第６章の各検討項目の要約を述べた上でこれに対する考察を行い、第８章「結論」において、本研究において得られた結論をまとめている。水平交番載荷を受ける鉄筋コンクリート橋脚柱が終局状態に至る時期の推定は、総エネルギー吸収量及びダメージインデックスによって行うことができるが、それぞれの推定精度は、載荷パターンやコンクリート強度の影響を受けることが判明した。しかし、総エネルギー吸収量とダメージインデックスの両者が実際より早い終局を示すことはなかったことから、両者から推定される終局時の早いほうが実際の終局に一致すると見なすことができるものと判断した。この判断をもとに、水平交番載荷を受ける鉄筋コンクリート橋脚が終局状態に至る時点の推定を、実験を伴わずに一般的なヒステリシスループモデルを用いて行う手法を提案した。この提案された手法をもとに、解析的に実験の再現を行い、終局時の推定結果が、実際に得られた実験結果と高い精度で一致することが確認された。以上の結論は、今後導入が考えられている地震時の橋脚基部での損傷を考慮した性能規定型設計法の整備に寄与するものである。 3 ２００１年５月２００３年５月首都高速道路公団同上東京第一保全部設計課、副参事（班長）神奈川建設局第一建設局第一設計課、副参事（課長補佐）現在に至る。賞罰なし以 5 上研究業績種類別題名、発表・発行掲載誌名、発表・発行年月、連名者（申請者含む） 1.論文 ○ （論文） Experimental Study of Reinforced Concrete Bridge Piers Subjected to Bi-directional Quasi-static Loading, Structural Engineering/Earthquake engineering, Vo l . 2 1 , No.1, Japan S o c i e t y o f C i v i l e n g i n e e r i n g , A p r i l 2 0 0 4 , K a z u h i r o Ts u n o , R o b e r t Park ○ （論文） Prediction Method for Seismic Damage of Reinforced Concrete Bridge Columns, Structural Engineering/Earthquake e n g i n e e r i n g , Vo l . 2 1 , N o . 2 , J a p a n S o c i e t y o f C i v i l e n g i n e e r i n g , J u l y 2 0 0 4 , K a z u h i r o Ts u n o , R o b e r t P a r k 2.その他（論文）既採択路線の整備効果と課題、首都高速道路公団技報 24 号、 1992 年、飯島啓秀、鶴田和久、津野和宏（論文）浮島インターチェンジ部地盤改良工法の検討、首都高速道路公団技報 25 号、 1993 年、津野和宏、津田誠 (論文 ) 浮島地区における地盤改良試験盛土の計画、首都高速道路公団技報 25 号、 1993 年、津野和宏、津田誠（論文）浮島インターチェンジの景観検討、首都高速道路公団技報 25 号、 1993 年、長田光正、津野和宏（著書）道路橋示方書・ Ⅲ コンクリート橋編、日本道路協会、1996 年 12 月、共著（論文）個別要素法を用いた併設シールドトンネル周辺地盤の緩み評価、首都高速道路公団技報 29 号、 1997 年、津野和宏（論文）横拘束筋の定着方法の相違による RC 橋脚の耐震性能の確認実験、首都高速道路公団技報 29 号、 1997 年、津野和宏（論文）高炉セメントを用いたコンクリートのクリープ性状等に関する研究（その２）、首都高速道路公団技報 2 9 号、 1 9 9 7 年、津野和宏（講演）横拘束筋の定着方法の相違による R C 橋脚の耐震性能確認実験、「コンクリート系構造物の耐震技術」にかんするシンポジウム論文報告集、 1997 年 4 月、小坂寛巳、小笠原政文、佐々木一哉、津野和宏、渡辺英夫、田中樹由、坂田英一（講演） MMST 工法における作用土圧に関する特性、第 22 回日本道路会議論文集、 1997 年、小笠原政文、津野和宏（講演）鋼・コンクリート混合構造橋脚の接合部に関する研究（その４）、土木学会第 52 回年次学術講演会、 1997 年 9 月、佐々木一哉、津野和宏、小林洋一、阿部幸夫、井澤衡 6 研究業績種類別題名、発表・発行掲載誌名、発表・発行年月、連名者（申請者含む）（講演）超近接トンネルの断面力特性に関する遠心力実験（その３）粘性土地盤中の水平に隣接する円形セグメント、土木学会第 5 2 回年次学術講演会、 1997 年 9 月、小笠原政文、津野和宏、藤井義文、畑中善徳、野村成樹常時偏心モーメントが作用する RC 橋脚の動的挙動解析について、土（講演）木学会第 52 回年次学術講演会、 1997 年 9 月、津野和宏、土屋智史、田中樹由、森高秀樹（講演）（講演）大型模型実験による主鉄筋の抜け出し量の検討、土木学会第 5 2 回年次学術講演会、 1997 年 9 月、津野和宏、田中樹由、森高秀樹超近接シールドの作用土圧に関する遠心実験（その３）粘性土地盤中の鉛直に隣接する円形セグメント、第 3 2 回地盤工学研究発表会、1 9 9 7 年 7 月、小笠原政文、津野和宏、藤井義文、畑中善徳（講演）個別要素法を用いた併設シールドトンネル周辺地盤の緩み評価、第 32 回地盤工学研究発表会、 1997 年 7 月、小笠原政文、津野和宏、藤井義文、平井卓（講演）ねじりモーメントが作用する RC 橋脚の耐震性能確認実験、第 1 回地震時保有水平耐力法に基づく橋梁の耐震設計に関するシンポジウム講演論文集、 1998 年 1 月、小坂寛巳、小笠原政文、津野和宏、市川衡、福田暁（講演） An Experimental Study Concerning Tie-bars of Reinforced C o n c r e t e P i e r s , R E A A A C o n f e r e n c e , We l l i n g t o n N Z , M a r c h 1 9 9 8 , M a s a f u m i O g a s a w a r a , K a z u h i r o Ts u n o （講演）併設矩形シールドセグメントの作用土圧に関する遠心載荷実験、第 33 回地盤工学研究発表会、 1998 年 7 月、小笠原政文、津野和宏、船本浩二、藤井義文、野村成樹、平井卓（講演）個別要素法を用いた併設矩形シールドの作用土圧に関する検討、第 33 回地盤工学研究発表会、 1998 年 7 月、小笠原政文、津野和宏、船本浩二、藤井義文、平井卓、野村成樹（論文）ねじりモーメントを受ける RC 橋脚の地震時挙動に関する実験、首都高速道路公団技報 30 号、 1998 年、市川衡、津野和宏（講演）（講演）遠心載荷実験による矩形シールドトンネルの作用土圧に関する検討、土木学会第 5 3 回年次学術講演会、1 9 9 8 年 1 0 月、小笠原政文、津野和宏、船本浩二、藤井義文、福本忠浩、野村成樹個別要素法を用いた縦長矩形シールドトンネルの作用土圧に関する検討、土木学会第 53 回年次学術講演会、1998 年 10 月、小笠原政文、津野和宏、船本浩二、藤井義文、平井卓、野村成樹 7 研究業績種類別題名、発表・発行掲載誌名、発表・発行年月、連名者（申請者含む）（著書）土木製図基準、土木学会、 1998 年 12 月、共著（論文）常時偏心軸力が作用する鉄筋コンクリート柱の多軸曲げ挙動と非線形解析、土木学会論文集 N o . 6 3 4 / V- 4 5 , 1 3 1 - 1 4 3 , 1 9 9 9 年 11 月、土屋智史、小笠原政文、津野和宏、市川衡、前川宏一（論文） Multi-directional Flexure Behavior and Nonlinear Analysis of RC Columns Subjected to Eccentric Axial Forces, Concrete Library of J S C E N o . 3 7 , J u n e 2 0 0 1 , S a t o s h i Ts u c h i y a , M a s a f u m i O g a s a w a r a , K a z u h i r o Ts u n o , H i t o s h i I c h i k a w a , K o i c h i M a e k a w a （講演）鋼板で補強されたコンクリート高欄の現況調査、日本非破壊検査協会シンポジウム「コンクリート構造物の非破壊検査への期待」、 2 0 0 3 年、薮内裕、津野和宏、柳内睦人 8