鉄道構造物の耐震評価

桁式高架橋やラーメン高架橋などの鉄道構造物の耐震性能を適切に評価するためには、「鉄道構造物等設計標準・同解説」（以下、鉄道標準）に対する正しい理解やモデリング、結果評価に関するノウハウが必要です。

構造計画研究所では、永年培ってきた鉄道構造物の耐震解析コンサルティングの経験と実績に基づき、お客様の目的に応じた適切なモデル化や解析手法による耐震性能評価を行っています。

鉄道高架橋の耐震性能評価の概要

鉄道構造物の耐震性能評価は、鉄道標準に準拠して実施します。

一般的な鉄道高架橋の耐震性能評価の概要をご紹介します。

鉄道高架橋の耐震性能評価の流れ

解析モデル

解析モデルは、上部構造と基礎構造を一体でモデル化します。柱、梁、杭の各部材は非線形特性を有するフレーム要素でモデル化します。杭基礎の地盤抵抗は、非線形特性を有する地盤バネとしてモデル化します。

解析手法

破壊形態の判定は静的非線形解析により行います。

応答値の算定は、振動モードが比較的単純で、かつ塑性ヒンジの発生箇所が明らかな場合には非線形スペクトル法を、それ以外の場合には時刻歴応答解析法を用います。

非線形スペクトル法

静的非線形解析と所要降伏震度スペクトルを用いて応答値を算定

時刻歴応答解析法

動的非線形解析により応答値を算定

部材の耐震性能照査

非線形スペクトル法、または時刻歴応答解析法により算定した応答値に対して部材の照査を行います。

柱部材の損傷レベルの照査結果例を以下に示します。

地震時の挙動が不明確な鉄道高架橋の耐震性能評価

駅部のバチ型ラーメン高架橋や斜角のあるラーメン高架橋など、不整形の構造物が地震を受けた場合には、構造物全体にねじりが生じ、3次元的な挙動となることがあります。このような地震時の挙動が不明確な構造物は、３次元フレームモデルを用いた時刻歴非線形解析等による詳細な検討が必要です。

鉄道高架橋を3次元フレームでモデル化した例をいくつかご紹介します。

鉄道高架橋の3次元フレームモデル例

ラーメン高架橋		PC連続ラーメン橋

駅部高架橋（杭基礎）		駅部高架橋（直接基礎）

鉛プラグ入り積層ゴム支承を有する馬桁形式の連続橋		連続立体交差事業における暫定供用時の高架橋

時刻歴非線形解析での基礎と地盤のモデル化

時刻歴非線形解析において、基礎と地盤を非線形特性を有する土柱バネでモデル化した例です。

せん断土柱付きラーメン高架橋		複数のラーメン高架橋の場合

3次元フレームモデルを用いた鉄道高架橋の耐震検討例

地震時の挙動が不明確な鉄道高架橋を3次元フレームでモデル化し、耐震検討を行った事例をご紹介します。

解析プログラムは、鉄道構造物等の3次元耐震性能照査プログラム「DARS」^※を用いました。

※鉄道構造物等の3次元耐震性能照査プログラム「DARS」は、(公財)鉄道総合技術研究所と(株)構造計画研究所の共同開発によるものです。

3次元フレームモデルを用いたラーメン高架橋の固有値解析

ラーメン高架橋を3次元フレームでモデル化し、固有値解析を行った事例です。

解析モデル

固有モード図

固有値解析の可視化結果（固有モード図）です。

固有値リスト

レイリー減衰

固有値解析結果から、時刻歴非線形解析で用いるレイリー減衰を設定します。

3次元フレームモデルを用いたラーメン高架橋の時刻歴非線形解析

3次元フレームモデルを用いたラーメン高架橋の時刻歴非線形解析による耐震検討例です。対象モデルは固有値解析と同じラーメン高架橋です。

損傷図、変形図

ラーメン高架橋の柱、梁、杭の各部材の変形と損傷レベルの可視化結果を以下に示します。

時刻歴図、履歴図

スラブ天端位置での加速度、変位応答時刻歴図です。

柱の塑性ヒンジ部の曲げモーメント－回転角（M-θ）履歴図と、曲げモーメント－軸力相関（M-N）履歴図です。

M-θ履歴図		M-N履歴図

駅部高架橋の地震時評価

駅部ラーメン高架橋を対象とした耐震検討例です。

解析モデル

断面力図

柱と杭の断面力（最大曲げモーメント）図です。

鉄道構造物の耐震性能評価　使用ソフトウェア

鉄道構造物等の3次元耐震性能照査プログラム　DARS

ご紹介した3次元フレームモデルによる耐震検討例は、鉄道構造物等の3次元耐震性能照査プログラム「DARS」を用いて行ったものです。
DARSは、鉄道構造物全体を3次元骨組構造としてモデル化し、非線形スペクトル法または時刻歴動的解析法により地震時の動的応答を算出し、線路方向、線路直角方向の損傷レベルを部材毎に求めるプログラムです。3次元でのモデル化により、これまでの2次元耐震性能照査プログラムでは対応できなかった不整形なラーメン高架橋に対応します。また、スラブへの直接的な荷重配置により複雑な荷重計算、荷重分担計算の省略や、1モデル2方向に解析・照査することにより解析ケース数、作業量を大幅に軽減することができます。

DARSは、(公財)鉄道総合技術研究所と(株)構造計画研究所との共同開発によるものです。

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