JP2008051675A - 高架橋柱の最大応答部材角測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で、かつ無電源方式の機械式センサーを用いて、直接的に高架橋柱の最大応答部材角を測定することができる高架橋柱の最大応答部材角測定装置を提供する。
【解決手段】高架橋柱の最大応答部材角測定装置において、高架橋柱１の上層梁２に第１の治具４により取り付けられるＸ方向及び該Ｘ方向に直交するＹ方向に配置される２個の無電源方式の機械式ピークセンサー３Ａ，３Ｂと、前記上層梁２に揺動部８が設けられ、前記２個の無電源方式の機械式ピークセンサー３Ａ，３Ｂの一端に係合するとともにさらに下方に伸び、その下端部が高架橋柱１の塑性ヒンジ区間を外した位置に第２の治具７により係合するアーム６とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高架橋柱の最大応答部材角測定装置に関するものである。

従来、鉄道ＲＣラーメン高架橋の損傷は、通常被災後の随時検査において目視により確認するが、近年その柱の多くは鋼板巻き補強が施されている。そのため目視による損傷の把握が困難なＲＣ柱の本数が増加しているのが現状である。

一方、柱端部に生じる最大応答部材角と損傷レベルの関係は概ね把握されている（下記非特許文献１参照）ため、最大応答部材角を効率的に測定することが出来れば、地震時の柱の損傷レベル評価を早期に評価することが可能となり、被災後の復旧作業の効率化や、「ダウンタイム」の減少が期待できる。
財団法人鉄道総合技術研究所編：鉄道標準〔耐震設計〕 橋梁および高架橋耐震照査の手引き，研友社，２００６ 下見成明，松井義昌、新川秀一、中泉義政：「最大ひずみ記憶センサーを用いた橋梁の診断技術」，「耐震補強・補修技術，耐震診断技術に関するシンポジウム」講演論文集，Ｖｏｌ．３，ｐｐ．１４３−１５０，１９９９ 財団法人鉄道総合技術研究所編：鉄道構造物等設計標準・同解説（耐震設計），丸善，１９９９

本発明は、上記の状況に鑑みて、安価で、かつ無電源方式の機械式センサーを用いて、直接的に高架橋柱の最大応答部材角を測定することができる高架橋柱の最大応答部材角測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕高架橋柱の最大応答部材角測定装置において、高架橋柱の上層梁に第１の治具により取り付けられるＸ方向及び該Ｘ方向に直交するＹ方向に配置される２個の無電源方式の機械式ピークセンサーと、前記上層梁に揺動部が設けられ、前記２個の無電源方式の機械式ピークセンサーの一端に係合するとともにさらに下方に伸び、その下端部が前記高架橋柱の塑性ヒンジ区間を外した位置に第２の治具により係合するアームとを具備することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の高架橋柱の最大応答部材角測定装置において、前記高架橋柱の柱端部に印加される全方位の振動による任意方向の変位量をＸ方向とこのＸ方向に直交するＹ方向成分に分解し、１つの装置で２方向の最大応答部材角を測定することを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の高架橋柱の最大応答部材角測定装置において、前記揺動部が２層のボールベアリングから構成されることを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の高架橋柱の最大応答部材角測定装置において、前記治具の剛性を高めることを特徴とする。

〔５〕上記〔２〕記載の高架橋柱の最大応答部材角測定装置において、前記上層梁に鉄道線路が敷設される場合に、前記Ｘ方向が鉄道線路方向、前記Ｙ方向が鉄道線路直角方向である。

〔６〕上記〔２〕記載の高架橋柱の最大応答部材角測定装置において、前記上層梁に道路が設けられる場合に、前記Ｘ方向が道路方向、前記Ｙ方向が道路直角方向である。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。

（１）無電源方式の機械式ピークセンサーにより、簡便に高架橋柱の最大応答部材角の測定を実施することができる。

（２）目視による損傷の把握が困難な鋼板巻き補強を含むＲＣ高架橋柱の最大応答部材角を測定することができる。

（３）１つの装置で、２方向の高架橋柱の最大応答部材角の測定を実施することができる。

本発明の高架橋柱の最大応答部材角測定装置は、高架橋柱の上層梁に第１の治具により取り付けられるＸ方向及び該Ｘ方向に直交するＹ方向に配置される２個の無電源方式の機械式ピークセンサーと、前記上層梁に揺動部が設けられ、前記２個の無電源方式の機械式ピークセンサーの一端に係合するとともにさらに下方に伸び、その下端部が高架橋柱の塑性ヒンジ区間を外した位置に第２の治具により係合するアームとを具備する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示す最大応答部材角測定装置の模式図、図２は図１における機械式センサーとしてのピークセンサーの模式図、図３はその最大応答部材角測定装置の外観を示す代用図面としての写真である。

この図において、１は高架橋柱、１Ａはその高架橋柱１における塑性ヒンジ区間（ＲＣ柱部材の基部付近の損傷が集中する箇所）、２はその高架橋柱１に支持される上層梁、３ＡはＸ方向に配置される第１のピークセンサー、３ＢはそのＸ方向に直交するＹ方向に配置される第２のピークセンサー〔この第２のピークセンサー３Ｂは、Ｙ方向に第１の治具（図示なし）が設けられており、Ｙ方向に第１のピークセンサー３Ａと同様の構造のピークセンサーが配置されている〕。４はピークセンサー３Ａ，３Ｂを取りつける第１の治具、５は第１の治具と上層梁の接続箇所、６はアーム、７はそのアーム６の先端部と高架橋柱１との間に設けられる第２の治具、８はアーム揺動部、９はアーム揺動部８を構成する２層のボールベアリング、１０は第２の治具７と高架橋柱１との接続箇所である。なお、第２の治具７の先端には、穴（図示なし）が形成されており、その穴にアーム６の先端部が貫通し係合している。また、アーム６とピークセンサー３Ａ，３Ｂとは、例えば、ピークセンサー３Ａ，３Ｂの先端部に固定された２個の円筒状体の間に係合するようにしている（図３参照）。

また、表１にはピークセンサーの仕様が示されており、例えば、ピークセンサーの寸法は１２７×１８×３２ｍｍ、重量は１５５ｇ、検出範囲±１０ｍｍ、分解能は２μｍである。

ピークセンサー３Ａ，３Ｂは、図２において、１１はケース部分、１２は第１の可動部分、１３は第２の可動部分、１４は正側、１５は負側、１６は第１の可動部分１２に接続される正側最大値検出機構、１７は正側最大値検出機構１６にかかるポテンショメータ、１８は第２の可動部分１３に接続される負側最大値検出機構、１９は負側最大値検出機構１８にかかるポテンショメータである。

このように、ピークセンサー３Ａ，３Ｂは正側１４と負側１５の両方の最大変位量を検知し、記憶することが可能である。ここで、ピークセンサー３Ａ，３Ｂの検出範囲が柱の部材角を直接計測できる範囲にないため、図１に示すように、幾何学的な相似の関係を利用して部材角θを測定できる第１の治具４を用いた（非特許文献２参照）。ただし、高架橋柱１の端部では、地震により全方位に振動することが予測される。そこで、図３に示すように、任意方向の変位量をＸ方向（路線方向）とＹ方向（路線直角方向）成分に分解し、１つの装置で２方向の最大応答部材角を測定する機構を提供した。

この最大応答部材角測定装置を実構造物に設置する場合、第１の治具４と上層梁２の接続箇所５は、第２の治具７と高架橋柱１の接続箇所１０は、塑性ヒンジ区間（ＲＣ柱部材の基部付近の損傷が集中する箇所）１Ａを避ける位置となるようにした。

最大応答部材角測定装置に生じるガタつきおよび機械的な歪みは、測定精度に大きく影響する可能性がある。そのため、正弦波加振や円加振による予備実験結果をもとに、アーム揺動部８のボールベアリング９を２層に設置したり、ピークセンサー３を取りつけた第１の治具４と第２の治具７の剛性を高める等、最大応答部材角測定装置の改善を図っている。

次に、本発明の最大応答部材角測定装置の実験概要について説明する。

最大応答部材角測定装置に、正弦波および模擬地震波（Ｌ１とＬ２地震波）により生じる柱天端の応答部材角を静的に与え、精度確認実験を行った。

本実験におけるアーム全長は、１０００ｍｍ（実構造物においては１０００〜２０００ｍｍ程度を想定している）、ピークセンサーまでのアーム長はＸ方向をＣ＝２３０ｍｍ、Ｙ方向をＤ＝２００ｍｍとした。これらは、高架橋の柱天端の応答部材角、ピークセンサーの仕様および測定精度との関係より設定している。

表２に実験に用いた波形について想定した高架橋および入力地震波を示す。

波形は、まず、線路直角方向の非線形動的解析により得られた柱天端部における各時刻歴での応答部材角を、アーム長先端に与える変位量に逆算し、さらに、線路方向をＸ方向、線路直角方向をＹ方向とした両方向に同一変位量を与えることを目的として、振幅を√２倍し、４５°方向から入力するものとした。

表２に示すように、Ｃａｓｅ０−１では、入力地震波は正弦波、測定方向はＬ方向（図３ではＸ方向：線路方向）を、Ｃａｓｅ０−２では、入力地震波は正弦波、測定方向はＣ方向（図３ではＹ方向：線路直角方向）を、Ｃａｓｅ１−１では、柱高さ１２ｍ（１層）、入力地震波はＬ１，Ｇ３地盤で測定方向はＬ方向（図３ではＸ方向：線路方向）を、Ｃａｓｅ１−２では、柱高さ１２ｍ（１層）、入力地震波はＬ１，Ｇ３地盤で測定方向はＣ方向（図３ではＹ方向：線路直角方向）を、Ｃａｓｅ２−１では、柱高さ７ｍ（１層）、入力地震波はＬ２，Ｇ３地盤で測定方向はＬ方向（図３ではＸ方向：線路方向）を、Ｃａｓｅ２−２では、柱高さ７ｍ（１層）、入力地震波はＬ２，Ｇ３地盤で測定方向はＣ方向（図３ではＹ方向：線路直角方向）について実験した。

次に、その実験結果について説明する。

図４にＣａｓｅ０−１、図５にＣａｓｅ１−１および図６にＣａｓｅ２−２の実験結果を示す。

これらの図から、正弦波および入力した模擬地震波に対し、センサーは正負側ともに経験した最大応答部材角を測定、記憶できることが分かる。

なお、予めセンサーと治具に構造上発生する検知不能な微小な変位（不感帯）量を計測し（図７）、初期値に不感帯量を加えて実験を行っている。本装置における不感帯量は、ＸＹ方向および正負側ともに、アーム先端の変位量に換算して３．０ｍｍ〔０．００３（ｒａｄ）〕であった。図５と図６に示すように、鉄道標準（非特許文献３参照）により求めた各ケースの損傷レベルの閾値を事前に設定し、最大応答部材角を測定することにより、ＲＣ柱の損傷レベルの測定が可能であることを確認した。

図８に最大応答部材角の入力値に対する測定値の誤差割合を示す。

実験ケースごとの極端な相違は見られなかった。また、応答部材角の値が小さい場合、値にばらつきが見られるものの、応答値が大きくなるにつれて、測定精度が向上する傾向が見られた。変動係数で検討した場合、全データでの変動係数（Ｃ_v1）は８．８％、高架橋柱の損傷レベル１と２の閾値程度である部材角０．０１（ｒａｄ）以上のデータで集約すると、変動係数（Ｃ_v2）が６．６％であった。

以上より、本発明の最大応答部材角測定装置は精度よく最大応答部材角を測定し、高架橋柱の損傷レベルの推定が可能である。

上記のように構成したので、鋼板巻き補強を含むＲＣ高架橋柱の最大応答部材角を測定することが可能である。模擬地震波等を与えた精度確認実験の結果、最大応答部材角を概ね誤差１０％、損傷レベルの１と２の閾値程度である最大応答部材角０．０１（ｒａｄ）以上では、概ね誤差７％で検知出来ることを確認した。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の最大応答部材角測定装置は、高架橋柱の損傷レベルの推定に利用可能である。

本発明の実施例を示す最大応答部材角測定装置の模式図である。 図１における機械式センサーとしてのピークセンサーの模式図である。 本発明の実施例を示す最大応答部材角測定装置の外観を示す代用図面としての写真である。 正弦波：Ｃａｓｅ０−１の実験例を示す図である。 Ｌ１地震波：Ｃａｓｅ１−１の実験例を示す図である。 Ｌ２地震波：Ｃａｓｅ２−２の実験例を示す図である。 最大応答部材角測定装置の不感帯領域を示す図である。 最大応答部材角の測定誤差の割合を示す図である。

符号の説明

１ 高架橋柱
１Ａ 高架橋柱における塑性ヒンジ区間（ＲＣ柱部材の基部付近の損傷が集中する箇所）
２ 上層梁
３Ａ 第１のピークセンサー（Ｘ方向に配置）
３Ｂ 第２のピークセンサー（Ｙ方向に配置）
４ 第１の治具
５ 第１の治具と上層梁の接続箇所
６ アーム
７ 第２の治具
８ アーム揺動部
９ アーム揺動部を構成する２層のボールベアリング
１０ 第２の治具と高架橋柱の接続箇所
１１ ケース部分
１２ 第１の可動部分
１３ 第２の可動部分
１４ 正側
１５ 負側
１６ 第１の可動部分に接続される正側最大値検出機構
１７ 正側最大値検出機構にかかるポテンショメータ
１８ 第２の可動部分に接続される負側最大値検出機構
１９ 負側最大値検出機構にかかるポテンショメータ

Claims (6)

1. （ａ）高架橋柱の上層梁に第１の治具により取り付けられるＸ方向及び該Ｘ方向に直交するＹ方向に配置される２個の無電源方式の機械式ピークセンサーと、
   （ｂ）前記上層梁に揺動部が設けられ、前記２個の無電源方式の機械式ピークセンサーの一端に係合するとともにさらに下方に伸び、その下端部が前記高架橋柱の塑性ヒンジ区間を外した位置に第２の治具により係合するアームとを具備することを特徴とする高架橋柱の最大応答部材角測定装置。
2. 請求項１記載の高架橋柱の最大応答部材角測定装置において、前記高架橋柱の柱端部に印加される全方位の振動による任意方向の変位量をＸ方向と該Ｘ方向に直交するＹ方向成分に分解し、１つの装置で２方向の前記高架橋柱の最大応答部材角を測定することを特徴とする高架橋柱の最大応答部材角測定装置。
3. 請求項１又は２記載の高架橋柱の最大応答部材角測定装置において、前記揺動部が２層のボールベアリングから構成されることを特徴とする高架橋柱の最大応答部材角測定装置。
4. 請求項１又は２記載の高架橋柱の最大応答部材角測定装置において、前記治具の剛性を高めることを特徴とする高架橋柱の最大応答部材角測定装置。
5. 請求項２記載の高架橋柱の最大応答部材角測定装置において、前記上層梁に鉄道線路が敷設される場合に、前記Ｘ方向が鉄道線路方向、前記Ｙ方向が鉄道線路直角方向である高架橋柱の最大応答部材角測定装置。
6. 請求項２記載の高架橋柱の最大応答部材角測定装置において、前記上層梁に道路が設けられる場合に、前記Ｘ方向が道路方向、前記Ｙ方向が道路直角方向である高架橋柱の最大応答部材角測定装置。