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⑩神戸の顔-東神戸大橋を巨大地震から守る-

現場力=技術力(技術者とは何だ?)

株式会社日本インシーク
技術本部 技師長
角 和夫 氏

(1)はじめに

 日本を代表するダブルデッキ長大斜張橋、阪神高速道路5号湾岸線の東神戸大橋について今回は紹介する。平成19年7月、阪神高速道路本社より神戸管理部調査設計課長に異動し、この橋の耐震補強を担当することになった。東神戸大橋との最初の出会いは、平成3年、当時関空本社設計係長の時代である。阪神公団出向係長の紹介で建設中の現場を案内して頂いた。私が阪神高速で最も尊敬している故北沢正彦氏が事務所長をされていた頃である。北沢氏にはその後、多々羅大橋橋梁計画検討委員会(略称「多々羅委員会」)でも大変お世話になった。 

 耐震補強といえば、それまで長大橋から中小橋まで設計や施工の経験をしてきた。橋梁の耐震補強(又は耐震性能向上策)と言えば、一般的には「耐震・制振・免震工法」が挙げられる。しかし、東神戸大橋が非常に優美な橋であり、耐震補強による大規模な現状構造の改変は設計者「北沢氏への冒涜」ともなる。そういう意味では色々なプレッシャーがかかった耐震補強設計であり、耐震補強工事であった。


(写真・図は全て筆者提供)

(2)東神戸大橋とは

 東神戸大橋は、図-1に示す通り、中央支間長485m、側径間長200m(中間支点有り)、橋長885mの長大斜張橋である。主桁は、ダブルデッキのワーレントラス形式、塔は円形の水平梁を持つH型形式、ケーブルは2面吊12段のハープ形式である。主塔は、正面から見るとH型をしており阪神高速のHを表している。

 特徴的なのは、塔の水平梁から上は独立2本柱となっており設計者泣かせである(コンサル側設計者である元綜合技術コンサルタントの野口二郎氏は飲み仲間であり、今のところ北沢さんとの仕事上での苦情は聞いたことがないが)。主桁をダブルデッキワーレントラス(東行き3車線と西行き3車線を上下に配置)にした理由は、耐風設計上の配慮(無理をしなかった)と用地取得の面からのようである。ケーブルはレインバイブレーション対策として平行突起付となっており、白色塗装(焼き付け)が施されている。また、ハープ式とすることで橋軸面内剛性を高めるとともに素線本数が同一(定着構造も)になるようにされている。特に重要視される橋軸方向の耐震固定方法は、オールフリー構造となっている。オールフリー構造とすることで橋軸方向の長周期化を図り、地震時の水平力を大幅に低減している。また、設計では想定外の地震時挙動を考慮して桁端部にベーダンパーを設置し、変位を抑えるための減衰を付加している。


(3)兵庫県南部地震における被災
 1995年の兵庫県南部地震では、落橋等の致命的な被害は受けなかったものの、多くの支承、橋脚が損傷した。中でも大きな損傷は端橋脚に発生しており、橋脚上に設置された全ての支承(ウインド沓1基、ペンデル2沓、ベーンダンパー2基)が損傷した。原因は、端橋脚に設計値を遥かに超える橋軸直角方向の外力が作用したことによるもので、①ウインド沓セットボルト(全6本)の破損、②ペンデル沓の損傷(回転ピンの脱落)、ベーンダンパーの損傷、③伸縮装置部路面の浮き上がり(約52cmの段差)、④端部の鋼製ラーメン橋脚の座屈(柱基部の局部座屈、水平梁の腹板せん断座屈)が生じた。損傷状況を写真-2に示す。


(4)耐震性能の照査
  耐震性能の照査結果等については、公表している技術論文とダブるので最小限の記述に留める。照査用地震動は、タイプⅠ(南海・東南海シナリオ地震)、タイプⅡ(大阪湾、有馬高槻の各断層を震源とするシナリオ地震及び兵庫県南部地震の東神戸観測波)とした。今回は、オールフリーという特殊な構造系を有する斜張橋の耐震補強であることから「橋軸方向」について結果を述べる。結論から言えば、現状の支承の設計移動可能量をはるかに超える変位が発生しており、変位を許容値内に抑える何らかのデバイスが必要となった。
 ①主桁と塔、橋脚の相対変位量は全ての箇所で許容変位の2倍程度の応答が発生。
 ②最下段ケーブルが許容値である降伏耐力に達している。
 ③塔及び中間橋脚の柱部ひずみが降伏ひずみを超えている。
 ④端橋脚上の既存のベーンダンパー付近の応答変位、応答速度が設計スペックを超えている。

(5)減衰機能を有する変位制御装置の開発
 現状の構造を大幅に改変することなく、変位量を既存の支承の設計値以下に抑えるためには、「免震・制振デバイス」の導入が不可欠と考えられた。免震・制振デバイスは、表-1に示すように従来から実績のある、特殊充填材ダンパー、制振ブレース、制震パネルの3手法に加え、新たに高減衰ゴムダンパーを比較検討した。表を見てもらえば一目瞭然、高減衰ゴムダンパーの開発に走ることになる。


(6)裏話(その1)  特殊充填材ダンパー
 特殊充填材ダンパーについては、国内・国外の耐震設計(補強)用デバイスとして非常に重宝されていた。
 2003年当時、淡路島の伊毘高架橋の耐震補強用デバイスとして私も採用した。如何せん、国産ダンパーの製造実績では抵抗力200t程度、ストロークは最大250㎜程度であった。ところが、丁度その頃、友人(Dr.山平氏)が九大のO教授等と一緒に福北公社の荒津大橋の耐震補強を計画していた。荒津大橋に(要求性能;減衰力330t及び230t、ストローク±160mm)米国産のダンパーを採用しようというのである。
 同時期には2008年完成の当時世界最長支間長を有する斜張橋、蘇通長江公路大橋(中国)において国産を遥かに凌ぐデバイス、「テーラーダンパー」が採用されていた。また、2009年完成の当時世界第二位の中央支間長を有する吊橋、「西候門大橋(中国)」にも同様の超巨大ダンパーが採用されていた。注目したのは減衰力1,000t級、ストロークで1,000㎜級が実現され、国産では不可能な性能試験(振動速度と荷重)が実機で可能な事ことであった。単品生産方式であり、米国からの輸入品でコストもかかるが、一番重要な性能確認が確実にできるメリットがあった。最後まで採用に向け一人で検討していたことが懐かしい。写真-3、4を参照。