Home大学院先进理工系科学研究科 助教 有尾一郎
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本研究成果のポイント
2018年7月の西日本豪雨による叁篠川水系の桥梁の崩壊事象の调査分析から、河川の重要な施设设计の基となる洪水时流量や推定流体力を石积み式桥脚の平衡安定问题から、以下のことを明らかにしました。
1) 橋を崩壊に至らしめた推定流体力と推定流量を算定し、鈑桁橋梁(プレートガーダー橋)の崩壊メカニズムを明らかにしました。
2) 洪水事象によって橋梁が崩壊するほどの、計画設計時の想定を大きく越える洪水が実際に生じたことから、例え増水し橋桁まで水位が達しても、橋桁の流体力を含めて崩壊しにくい橋梁設計ならびに、既存の中小橋梁に対する耐流水構造と耐流失対策が必要です。また、重力式橋脚であってもフーチングの改修等によってその流体力に抵抗できる設計や補強対策が望まれます。
3) 調査対象とした被災橋の調査分析によって、被災した橋桁に作用したと推定された最大洪水流体力は、橋桁の重量に対して、kh=0.397相当であったことが判明し、このことは通常の耐震設計の2倍の値になったことは、このような山間部の橋ではもはや標準的な耐震性能よりも橋の耐洪水対策が必要なことを示唆します。
4) 近年の雨量強度50mm/h から80mm/h 以上の降水が断続的に続く危険な集中豪雨が現れるようになり、既存の中小橋梁の橋桁部に越水する危険性がある場合には、超過洪水に対する橋脚と橋桁の安定性?安全性を高めておく設計が必要です。
5) 洪水による各地の中小河川に架かる橋梁の流失を防ぐために、橋梁設計において、流水荷重を想定するとともに、耐流水性と抗力係数を低減し、流出しにくい橋桁断面と流水に対して転倒しにくい橋脚によって、橋梁が崩壊に至らしめない技術や崩壊したとしても復旧が容易な対策が望まれます。
概要
広島大学大学院先进理工系科学研究科の有尾一郎助教らによる研究グループは、流失したJR三篠川鉄道橋の現地被災調査と洪水時の水文?水理?構造解析に基づいて、崩壊の原因となる状況を評価しました。これらの解析は、将来の中小橋梁構造物の設計要素や対策に役立ちます。
第1叁篠川桥梁の崩壊问题に焦点を当てて、桥の构造安定性の崩壊トリガーをその崩壊メカニズムを明らかにするために、洪水时に生じた破壊力を分析しました。
桥脚と桥桁の构造安定计算により、崩壊の原因となった洪水时の桥桁への洪水流体力が明らかになりました。
特に、流水の流体力が桥桁部分に作用する场合、构造安定性の観点から、桥梁の崩壊につながる洪水流体力を推定しました。解析によって明らかになった破壊プロセスと条件に基づいて、効果的な方法で洪水に対する中小河川の桥梁构造の耐力を高めるのに役立つ设计要素を特定しました。
本研究成果は、2022年6月22日に、Journal of Bridge Engineering (ASCE)に掲載されました。
図１：叁篠川第一桥梁の被灾
図２：叁篠川第一桥梁の被灾
図３：贵贰惭解析による洪水时限界状态の石积桥脚の応力分析
図４：[参考] 同水系の同じ鈑桁橋梁タイプの安駄橋の崩壊事象
背景
2018年7月の西日本豪雨では、社会インフラやライフラインに甚大で広范囲にわたる被害をもたらしました。桥梁群の损伤状况と损伤した桥梁の原因を具体的かつ定量的に分析できる特定の事例は、构造的および复雑なエンジニアリングの问题を克服するために価値があります。このような事象は、崩壊の原因や灾害事象の振舞いを正しく理解し、设计や対策に还元させ、构造モデル解析の精度も比较検証できるので、とても有用であり、将来の桥梁の设计法や施工法の改善に役立ちます。また、洪水时に桥を流出させるなどの対策を讲じることもできます。
本调査では、流失した闯搁叁篠川鉄道桥の现地调査を実施し、被灾桥の现地调査に基づく洪水时の水文?水理?构造解析に基づいて、崩壊の原因となる状况を评価しました。これらの解析は、将来の中小桥梁构造物の设计要素や対策に役立ちます。
近年、集中豪雨などの自然灾害による洪水被害が増加しており、世界中で多くの报告が発表されています。河川の氾滥による桥梁の被害も各地で报告されています。2021年7月にドイツの西ヨーロッパで、同年8月に中国で记録的な降雨が観测されました。特にドイツの一部の地域では、河川が堤防を越え、鉄砲水が桥梁インフラに重大な被害をもたらしました。予期しにくい降雨により河川の流量と流速が増加し、水位が上昇し桥が崩壊してしまうことが生じています。
日本国内でも水害が多発しています。例えば、2018年7月に西日本豪雨が発生し、2019年9月に台风19号が房総半岛地域を袭い、2020年7月に球磨川の洪水により道路や桥梁などのライフラインが切断され、交通ネットワークの被害リスクが高まっています。
被灾地の住民が通常の生活を再开するためには、交通网の迅速な復旧が重要ですが、被害を受けた构造物や紧急时の復旧には、地域性に左右され、十分な机材?人手不足や予算の削减などの多くの课题に悩まされます。
桥梁インフラの灾害后の復旧は、灾害の规模や被灾地の状况など、いくつかの要因の影响を受けます。地方农村部では、一般に、被灾现场の工事査定等を受けて申请手続きを経て、復旧计画や工事に着手し、完成まで数年かかることもあります。
大雨の后に孤立した村をつなぐ桥が损伤したり流出したりすると、车両が他の目的地を通过して到达したり、助けを提供したりすることができなくなります。また、给水管が破损した场合、灾害后の期间に深刻な不便が生じる可能性があります。
したがって、被灾地ではこのような被害を受けた桥梁の迅速な復旧が强く望まれます。
2020年7月球磨川水系のいくつかの大きな桥が洪水で流出し、危机管理、防灾、および桥を越えた桥での流出を防ぐための设计や対策の必要性が再确认されています。
本调査では、2018年7月の大雨时に桥梁に生じた実际の被害を调査し、洪水时の危険水位の流体力学により既存の鉄道桥のプレートガーダーに生じた破壊力を検讨し、既存の桥设计の脆弱性が浮き彫りになってきました。
実际の桥梁构造を分析し、2018年7月の豪雨による桥梁の损伤を调査することにより、流出した鉄道桥のプレートガーダー桥の崩壊に至らしめた、危険な洪水の水位での流体力を推定し、桥の脆弱性を判断しました。
桥梁设计における流水负荷の冗长性の必要性を分析し、当初の想定流体负荷を実际の构造物の构造解析による等価水平支持力を比较しました。
したがって、再建には、既存の桥桁の流水抵抗性能を研究するための重要な构造工学の视点において、桥の损伤调査に基づいて将来の中小规模の河川桥の设计改善を要约します。具体的な対策についても説明します。
したがって、洪水时の流体力、流速、流量などの水理特性の推定値は、重力式桥脚の崩壊イベントを使用して导き出されます。
典型的なプレートガーダー桥の崩壊につながります。
さらに、计画された高水量を超える中小桥梁を流出させないための対策を公表论文で提案しています。
桥は交通のライフラインにおいて重要な构造物であり、一度崩壊して流された桥を復元することは困难です。
したがって、実际の构造サイズ、损伤の程度、性能の低下、実际のシナリオと设计条件の违い、および流出调査できるため、损伤イベントと损伤の原因を具体的かつ定量的に分析できる事例は、工学的に価値があります。
このような场合を利用することは、桥梁崩壊の原因を分析し、洪水に强い桥梁を设计する方法を决定する上で重要な设计ファクターです。
桥梁工学の知识と设计条件を活用し、设计ファクターを用いて既存の桥梁の耐流水评価を客観的に検讨することにより、洪水时の桥梁の流出崩壊を回避するための対策を讲じる必要があります。
この研究では、洗い流しによって引き起こされた桥の崩壊を分析します。この结果により、浮力を考虑した桥桁重量に対する流体力の比に基づいて、等価耐震性を比较?検証することができます。
研究の成果の内容
●桥梁における水平荷重は、一般に地震や风が想定されています。しかし、桥に及ぼす地震(や风)の影响は、桥の形式?构造?基础地盘の性质のみならず、そのときの地震の动力学特性により极めて复雑であり、これを正确に算定することは不可能です。桥梁の设计においては、构造物重量の水平分力の割合で示される、设计震度办丑が用いられます。构造物の耐震设计において、地震时标準水平震度办h0=0.2とされています。
●一方、2018年の西日本豪雨の洪水被害调査において、被灾した桥桁に作用したと推定された最大洪水流体力は、桥桁の重量に対して、办h=0.397相当であったことが判明しました。このことは、通常の耐震设计の2倍の値を示し、もはや支承の抵抗が弾性限界を超えているものと考えられます。また、桥桁は水位が到达しないような(计画高水位)高さで计画されています。しかし、洪水时はその高さを超えて、桥桁部に复雑に作用する流体力が长时间続くことになり、水平反力が抵抗できなくなるとき、桥が流出することになります。
●この桥梁崩壊事象が地震时の作用力と异なる点として、地震のような振幅运动ではなく、桥桁が洪水で浸水しその流体力が桥轴直角方向の流下方向に作用しますから、その力を受け流すか、あるいは、强固に抵抗し続けなければ崩壊することを意味します。既存の桥の设计は、そのような洪水に伴う付加的な水平力に対しては想定しておらず设计していませんから流出崩壊の危険があります。今回対象とした桥梁の崩壊调査から构造体の平衡安定分析によって、洪水时流体力を等価な地震时水平震度办丑に换算することで、これまで他の灾害で崩壊していた事象も(被害レベル相当)指标的に地震时の水平换算力の相対的な比率として、设计対比评価ができたことが研究の大きな成果です。このことは、耐震性能の向上だけでなく、今后の超过洪水に対する桥の耐洪水设计の性能向上においても必要なことであり、必要な设计ファクターを考虑すべき分析结果です。
三篠川水系の被災した橋梁(橋脚?橋桁等) の現場の崩壊状況から、河川の重要な施設設計の基となる洪水時流量や推定流体力を石積み式橋脚の平衡安定問題から、以下のことが明らかになりました。
1) 一様流速の仮定で、2018年三篠川の洪水による橋梁の崩壊事象の調査分析から、橋脚と橋桁に対する構造の平衡安定条件から、崩壊に至らしめた推定流体力と推定流量を算定し、その推定限界値と水理特性値を明らかにしました。
2) 洪水事象によって橋梁が崩壊し、計画設計時の想定を大きく越える洪水が実際に生じたことから、例え増水し橋桁まで水位が達しても、橋桁の流体力を含めて崩壊しにくい橋梁設計ならびに、既存の中小橋梁に対する耐流水構造と耐流失対策が急がれます。また、重力式橋脚であってもフーチングの改修等によってその流体力に抵抗できる設計や補強対策が望まれます。
3) 本橋の被災検証から、計画高水流量の1.37 倍以上を算出するとともに、増水時橋桁が浸からないように、橋脚高さ(桁下空間) の確保が必要です。越流しても桁高に受ける抵抗力を小さくできる橋梁構造が望まれます。
4) 調査対象とした被災橋の調査分析によって、被災した橋桁に作用したと推定された最大洪水流体力は、橋桁の重量に対して、kh=0.397相当であったことが判明し、このことは通常の耐震设计の2倍の値になったことは、もはや标準的な耐震性能よりも桥の耐洪水性能が必要なことを示唆します。
5) 近年の雨量強度50mm/h から80mm/h 以上の降水が断続的に続く危険な集中豪雨が現れるようになり、既存の中小橋梁の橋桁部に越水する危険性がある場合には、流水に対する橋脚と橋桁の安定性?安全性を確認しておく必要があります。
6) 洪水による各地の中小河川に架かる橋梁の流失を防ぐために、橋梁設計において、流水荷重を想定するとともに、耐流水性と抗力係数を低減し、流出しにくい橋桁断面と流水に対して転倒しにくい橋脚によって、橋梁が崩壊に至らしめない技術や崩壊したとしても復旧が容易な対策が望まれます。
今后の展开
気候変动による洪水外力や水害が深刻化する中で、今回被灾调査対象とした典型的なプレートガーダー桥の流出崩壊分析から、最大洪水流体力の外力を想定した耐洪水の新しい桥梁设计ガイドラインを作成する必要があります。灾害后の復旧计画を强化するなど、既存の桥に対する十分な対策も考える必要性があります。
従来は河川侧で想定する计画高水位（と计画流量）という目标として桥が设计されており、桥が地域の河道状态や実被害を考虑したものになっておらず、また超过洪水后の水工构造物の被害レベルの指标がありませんでした。流体力等の物理指标を、既存の耐震设计概念に等価に换算させることで、地域の対洪水设计を考虑した効率的な桥の设计概念(真に质の高いインフラ设计)が必要です。交通の容量や接続条件に応じた、洪水?津波に対して十分に强靱な形状?构造を考えていかなければなりません。
これまで水害等で被灾した桥梁を现地调査してきた膨大な画像データを基に、灾害后の桥の被害损伤レベルを数値指标化するために独自の损伤度/健全度を最近の机械学习础滨技术の认知机能を応用し、被灾桥の主要な骨格构造の损伤レベルから最适な復旧技术に役立たせる最适な復旧システムを构筑し、防灾上迅速な対応に役立たせる研究开発を検讨しています。
【参考资料】
1) (参考)土木学会構造工学委員会 災害時の緊急架設を目的とした緊急仮設橋に関する調査研究活動
2) 広島大学図書館 学術研究報告「2018年西日本豪雨による三篠川水系の橋梁流出事象の現地被害調査報告」
3) インフラの被害調査記録
论文情报
論文タイトル : Investigation of Bridge Collapse Phenomena due to Heavy Rain Floods: Structural, Hydraulic, and Hydrological Analysis
著者 : Ichiro Ario*, Tatsuya Yamashita, Ryota Tsubaki, Shin-ichi Kawamura, Tatsuhiko Uchida, Gakuho Watanabe, and Akimasa Fujiwara
* Corresponding author（責任著者）
掲載論文 : Journal of Bridge Engineering (ASCE)
DOI : 10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0001905
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