JP2003065942A - コンクリート損傷度診断装置及び診断方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 遠隔地から微小なクラックを検出できる、コ
ンクリート構造物の損傷度を検出する診断装置及び診断
方法を提供する。 【解決手段】 コンクリート損傷度診断装置は、コンク
リート構造物に貼着された光ファイバー、光ファイバー
に入射された光信号の散乱反射光のずれ周波数から歪み
を検出するＢＯＴＤＲ、コンクリート構造物のひび割れ
幅及び間隔と損傷度とを対応づける損傷度判定装置から
なり、歪みから算出された単位長さ当りの表面歪み率と
損傷度判定装置による単位長さ当りのひび割れ幅を照合
し、コンクリート構造物損傷度を診断するものとした。
これにより、遠隔地から損傷度判定基準の損傷度ランク
に対応した損傷度を検出でき、小さいクラック発生時の
軽度の損傷度でも検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、道路橋の床版等の
コンクリート構造物に重量車両の走行等で負荷される荷
重の方向と直交する方向に発生する歪み量を検出して、
コンクリート構造物の損傷度を診断するためのコンクリ
ート損傷度診断装置、および診断方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】道路橋の床版、又は重量構造物を支持す
る脚柱、又はトンネルの内周面等、コンクリート構造物
の外部から負荷される荷重の方向と直交する方向にコン
クリート構造物に発生するクラック等を早期に検出し、
クラックが拡大し剥離落下、又は崩壊するのを未然に防
止するためのコンクリート構造物の損傷度診断が従来か
ら行われている。

【０００３】このような損傷度診断は、コンクリート構
造物に発生しているクラックを調査することにより行わ
れており、このための調査は、従来、橋梁等の下面から
の目視によるクラック発生状態のスケッチ、又は光学式
・電子式カメラ等による撮影された画像等による画像解
析等によるクラックの大きさ、クラック間隔等を測定す
ることにより行われている。

【０００４】しかしながら、図８に示すように、足場又
は高所作業車のゴンドラ等を含む地上１１からの点検員
４の目視、又は撮影された画像解析によるクラック３の
調査では、クラック３の開口がある程度大きくないと検
出することができず、さらには開口の大きさが検出でき
る程度の大きさの場合でも、点検員４が主桁２に支持さ
れたコンクリート製道路橋等の床版１の下方まで出向
き、床版１に発生しているクラック３を目視してスケッ
チし、又はカメラ等により撮影しなければならず、クラ
ック調査地点まで出向く必要があり、特に、山間僻地又
は水面上に架設されている道路橋の場合等のように、ア
クセスに困難が伴い調査の機会が限定され、点検員４に
よる調査が行われた時のみのデータが記録されるだけ
で、常時のクラック検出は困難となり、クラック発生又
はクラック３の進展状況の把握が困難となる不具合があ
る。

【０００５】また、物理量解析によりクラック調査を行
うようにしたもの、例えば、図９に示す電気抵抗式ひず
みゲージ５を、クラック３検出のセンサとして使用する
ようにしたものでは、ベースフィルム６に貼着され、ク
ラック３の大きさを検出するリード線７のひずみ受感部
８であるゲージ長（ＧＬ）、換言すれば、クラック検出
測定範囲が０．２ｍｍ〜１００ｍｍ程度の範囲であり、
長尺のコンクリート構造物３１の点としての計測しかで
きず、コンクリート構造物３１が道路橋の床版１等の場
合、長さが数十ｍから数百ｍ、場合によっては橋梁が連
続する高架橋のように数ｋｍの長さにもなり、またコン
クリート製の床版１のどこに発生するか予測し難いた
め、床版１の全長にわたり敷き詰める必要があり現実的
ではなく、大型構造物のコンクリート構造物３１のクラ
ック検出には適さないという不具合がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、コンクリー
ト構造物の外表面に発生するクラックを検出して、コン
クリート構造物の損傷度を診断するようにしている、従
来のコンクリート損傷度診断装置又はコンクリート損傷
度診断方法の上述した問題点を解消するため、コンクリ
ート構造物が設置されている位置まで点検員が出向くこ
となく、コンクリート構造物に発生している歪みを、コ
ンクリート構造物に貼着している、光ファイバー内へ入
射させた光信号の散乱反射光のずれ周波数を測定して検
出できる歪分布測定装置（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔ
ｉｃａｌ Ｔｉｍｅ ＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍ
ｅｔｅｒ；以下ＢＯＴＤＲという）を使用して、測定し
た計測値と予めひび割れの幅及び間隔から算出された単
位長さ当たりのひび割れ幅を生じさせる歪みとの照合に
より、その発生位置、損傷度クラックを予測してコンク
リート構造物の損傷度を診断でき、損傷度に応じて的確
な予防措置を講じることができるようにした、コンクリ
ート損傷度診断装置又はコンクリート損傷度診断方法を
提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このため、本発明のコン
クリート損傷度診断装置は、次の手段とした。コンクリ
ート構造物に貼着された光ファイバーと、光ファイバー
に入射された光信号の散乱反射光のずれ周波数から光フ
ァイバーに生じている歪みを検出するＢＯＴＤＲと、コ
ンクリート構造物に生じているひび割れ幅及びひび割れ
間隔とコンクリート構造物の損傷度とを対応づける損傷
度判定装置とからなり、ＢＯＴＤＲで検出された歪みか
ら算出された単位長さ当たりの表面歪み率と損傷度判定
装置で算出された単位長さ当たりのひび割れ幅とを照合
して、コンクリート構造物の損傷度を診断できるように
した。

【０００８】また、本発明のコンクリート損傷度診断方
法は、次の手段を採用するものとした。損傷度の診断を
行うコンクリート構造物の近傍に設置されたＢＯＴＤＲ
に信号を送り、光ファイバー内に光信号を入射する工
程、光ファイバー内で反射された散乱反射光を受光し、
散乱反射光より光ファイバー軸方向に発生している歪み
分布を検出する工程、歪み分布からコンクリート構造物
の単位長さ当たりの表面歪み率を算出する工程と、コン
クリート構造物のひび割れ幅及びひび割れ間隔から単位
長さ当たりのひび割れ幅を算出しコンクリート構造物の
損傷度と対応づける工程、表面歪み率と単位長さ当たり
のひび割れ幅とを照合し、コンクリート構造物の損傷度
を決定する工程からなるものとした。

【０００９】本発明は、上述の手段又は上述の手段を採
用した方法により、予め損傷度判定基準等で分類される
クラック幅（ひび割れ幅）とその間隔から、コンクリー
ト構造物に一様に歪みが分布すると仮定して計算され
た、単位長さ当たりのひび割れ幅を生じさせる表面歪み
とＢＯＴＤＲで計測されたコンクリート構造物に発生し
ている表面歪み率とを比較することにより、計測された
コンクリート構造物の表面歪み率が損傷度判定基準で定
められている、どの程度の損傷度ランクのひび割れ幅、
間隔のクラックを発生させるものか決定することができ
る。

【００１０】即ち、コンクリート構造物の損傷診断に
は、損傷度判定基準に分類されているコンクリート構造
物に発生しているクラックの大きさと、クラックが発生
している間隔とを知ることが必要であるが、現状のＢＯ
ＴＤＲ等の光ファイバーを使用してひずみを計測するよ
うにしたものでは、クラック幅が０．１〜０．２ｍｍ／
ｍ程度の小さなものでは、一つ一つのクラック幅の測定
およびクラック位置の特定が計測精度上困難であるなど
の理由により、歪みの計測結果から一つ一つのクラック
の幅と間隔とを求めて、損傷度判定を行うことが出来な
い。

【００１１】本発明では、コンクリート構造物は通常、
部位ごとに一定の間隔で鉄筋が配置されているため、ク
ラックは一定の間隔で一定の向きに発生し、微小なクラ
ックであっても一定の間隔で発生すると、構造物表面で
の平均歪みとして計測できることに着目して、道路維持
管理機関等において、床版等の損傷度の判定に使用され
ている損傷度判定基準で分類されるクラックの幅と間隔
から算出される単位長さ当たりのひび割れ幅を算出し、
この単位長さ当たりのひび割れ幅が生じる表面歪み量を
予め実験等により求めておき、ＢＯＴＤＲにより、コン
クリート構造物表面に発生している歪みを計測し、この
計測値から表面歪み率を算出して、単位長さ当たりのひ
び割れ幅から生じる表面歪みとの比較によって、計測値
から算出された表面歪み率が損傷度判定基準で分類され
る、どの程度のクラック幅を発生させる歪みかを判定す
ることにより、コンクリート構造物の損傷度を判断する
ことができるようにしたものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明のコンクリート損傷
度診断装置の実施の一形態を図面にもとづき説明する。
図１は、本発明のコンクリート損傷度診断装置の実施の
第１形態を示す全体図である。

【００１３】図において、１は損傷度を診断するコンク
リート構造物としての道路橋の床版、１０は床版１の表
面に発生する歪みを検出する光ファイバー、４０はＢＯ
ＴＤＲおよび演算機能を有する通信用パソコンからなる
計測器、５０は計測器４０と維持管理機関の事務所等６
０等との間で、信号の交信を行う電話回線等の信号伝送
電線である。光ファイバーは、図２に示すように、橋脚
１６の上の図８に示す主桁２と同様な構造にされた、主
桁２上に連結された床版１の下面、より好ましくは、床
版１にクラック３の発生が予測される大型車の輪だち部
分に相当する幅方向位置を、床版１にクラック発生が予
測される方向（以下クラック発生予測位置方向という）
の下面に配設されている。

【００１４】この光ファイバー１０の配設は、図３
（ａ）、（ｂ）に示すように床版１の橋軸方向の長さと
同等の長さにされ、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂又は
フェノール樹脂等、従来からの電気抵抗式ひずみゲージ
に使用されているシートと同様な素材からなるフィルム
３２に、光ファイバー１０を接着剤３３で固着して、光
ファイバー１０の全長が接着剤３３で固着されたフィル
ム３２を工場内で作成し、このフィルム３２を、光ファ
イバー１０を配設するコンクリート床版１の接着剤３４
でフィルム３２の一方から順次貼着して行き、光ファイ
バーを床版１の下面と一体化して配設するようにしてい
る。

【００１５】さらには、工場内でのフィルム３２への光
ファイバー１０の固着時には、光ファイバー１０の外気
からの汚染を防止するため、又は光ファイバー１０の機
能低下を防止するため、図３（ｃ）に示すように、光フ
ァイバー１０の外側に外装フィルム３５を設けるように
することもできる。又、光ファイバーは、接着剤等によ
り直接コンクリート床版に貼付ける、あるいはコンクリ
ート打設時に床版の中に埋め込んでもよい。

【００１６】なお、図２において、１２は２〜３ｍの間
隔をおいて３〜１０の列程度、道路橋のクラック発生予
測位置方向（橋軸方向）に配置される主桁２と直交して
配置される横桁、１３は床版１の側端部に立設された高
欄、１４は床版１の上面を被覆して設けられた舗装面、
１５は道路橋の橋軸方向に間隔を設けて配置される横桁
１２の中間部を補強する対傾構である。

【００１７】また、計測器４０を構成するＢＯＴＤＲ４
１では、事務所等６０から信号伝送電線５０を介して送
信される信号により、図４（ａ）に示すように、レーザ
パルス光４２を連結されている光ファイバー１０の端か
ら入射すると、レーザパルス光４２の通過する各点でブ
リルアン散乱光が発生し、入射位置から散乱位置までの
距離に応じた時間後に後方散乱光４３として計測器４０
へ戻る。即ち、レーザパルス光４２を光ファイバー１０
に入射してから、後方散乱光４３を検出するまでの時間
から散乱位置（距離）が特定され、また、この光ファイ
バー１０内で起こるブリルアン散乱光は、図４（ｂ）に
示すように、散乱が起きた位置で光ファイバー１０の長
さ方向に発生しているひずみに比例して、そのパワース
ペクトルＰが周波数シフトする性質を持っている。

【００１８】従って、この後方散乱光４３の周波数シフ
ト量Δｆを計測することにより、図４（ｃ）に示すよう
に、この周波数シフト量Δｆから光ファイバーに発生し
ている歪みが計測でき、また、光ファイバー１０内に入
射された光信号の後方散乱光４３の受光された時間毎の
周波数シフト量Δｆを測定することにより、１本の光フ
ァイバー１０でライン状に発生している歪み量εとその
分布が、データサンプルである図５（ａ）に示すように
求めることができ、床版１に生じている表面歪みを計測
できる。

【００１９】また、計測器４０を構成する通信用パソコ
ンは、維持管理機関の事務所等６０との間の通信機能が
備えられ、ＢＯＴＤＲを作動させるための信号又は計測
器４０から送信される信号の送受信ができると共に、損
傷度判定装置を内蔵しており、ＢＯＴＤＲで計測した光
ファイバー１０の歪みデータから損傷度判定装置で床版
１の損傷度を判定して事務所等６０に送信するようにし
ている。この損傷度判定装置には、例えば、表１に示す
道路管理機関で定められている床版１の下面の目視によ
り得られたひび割れの幅、間隔（以下ひび割れ状態とい
う）から損傷度を判定するようにしている、道路橋床版
の損傷度判定基準の損傷度、ランク別に分類されている
ひび割れ状態のしきい値から、表２に示すように算出さ
れた単位長さ当たりのひび割れ幅の合計を算出し、この
単位長さ当たりのひび割れ幅の合計を表面歪みに換算し
た表面歪みの計算値が収納されている。

【００２０】この表面歪みの計算値は、曲げひび割れ、
剪断ひび割れ、引張りひび割れによって、次のような床
版のモデル４４の荷重試験を行なって求めるようにして
いる。即ち、曲げひび割れの場合、図６（ａ）に示すよ
うに、床版１のモデル４４を作成し、このモデル４４の
上面から荷重を加えると、曲げ変形が生じモデル４４下
面にはクラックが発生する。このときの下面でのクラッ
クの間隔をＬ、幅をｂとすると表面歪みεは、ε＝ｂ／
Ｌで表わされ、この表面歪みεはモデル４４の下面に固
着設置された光ファイバー１０の伸びとして計測され、
この歪み計測値を、モデル４４のクラックの幅ｂと間隔
Ｌと比較することで精度の高い損傷度判定を行うことが
出来る。

【００２１】また、床版１によっては、図６（ｂ）に示
すように、クラックによってせん断ひび割れが生じる場
合があるが、この場合の表面歪みの算出は、床版のモデ
ル４４の上面から荷重を加えると、せん断変形を生じ、
下面にクラックが発生する。このとき、モデル４４下面
の表面ではクラックの間隔をＬ、クラックの段差をδと
すると表面歪みεは、ε＝δ／Ｌで表され、この表面歪
みεは、床版下面に設置した光ファイバー１０の伸び歪
みとして計算される。この場合の光ファイバー１０は、
実際には全体図下面のように、斜めに変形するので計測
される歪みは、異なってくるが、実験により、このよう
な場合の光ファイバー１０の感度を求めておくようにす
ることにより、歪み計測値を段差δと間隔Ｌと比較する
ことで精度の高い損傷度判定を行うことができる。

【００２２】さらに、引張荷重によりクラックが発生す
る場合は、図６（ｃ）に示すように、床版のモデル４４
の両側から引張荷重を加えると、引張変形を生じ、クラ
ックが発生する。下面の表面ではクラックの間隔をＬ、
クラックの幅をｂとすると表面歪みεは、ε＝ｂ／Ｌで
表され、この表面歪みは、モデル４４の下面に設置され
た光ファイバー１０の伸びひずみとして計測され、この
歪み計測値をモデル４４のクラックの幅ｂと間隔Ｌと比
較することで、精度の高い損傷度判定を行うことができ
る。

【００２３】このようにして損傷度判定基準の損傷度ク
ラックと対応させた表面歪みと、光ファイバーで計測さ
れたブリルアン散乱光４３の周波数シフト量Δｆから算
出された計測歪みとを、図５（ｂ）に示すように表示し
ておけば、これから光ファイバー１０で計測されている
歪み、換言すれば、床版１の表面に発生している歪みε
が、損傷度判定基準の損傷度ランク０〜ＩＶの何れに相
当するものか判別でき、この判別結果を維持管理機関の
事務所等６０に信号伝送電線５０で送信することによ
り、事務所等６０に駐在している職員は、床版１の損傷
度が常時把握でき損傷度ランク０〜ＩＶに対応した、詳
細点検、補修、補強又は緊急補強等の損傷予防措置を講
じることができる。

【００２４】本実施の形態のコンクリート損傷度診断装
置は、上述のように構成されているので、図７に示すフ
ロー図に沿って遠隔地からの操作により、コンクリート
損傷度診断を実施することができる。即ち、維持管理機
関の事務所等６０から遠隔地に設けられているコンクリ
ート構造物の損傷度が現地に出向くことなく把握でき、
また小さいクラックが生じる程度の軽度のコンクリート
損傷度でも、直ちに検出でき損傷度に対応したタイムリ
ーな補修、補強ができる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のコンクリ
ート損傷度診断装置は、コンクリート構造物に貼着され
た光ファイバー、光ファイバーに入射された光信号の散
乱反射光のずれ周波数から歪みを検出するＢＯＴＤＲ、
コンクリート構造物のひび割れ幅及び間隔と損傷度とを
対応づける損傷度判定装置からなり、検出した歪みから
算出された単位長さ当たりの表面歪み率と損傷度判定装
置による単位長さ当たりのひび割れ幅を照合しコンクリ
ート構造物損傷度を診断するものとした。

【００２６】また、本発明のコンクリート損傷度診断方
法は、損傷度診断をするコンクリート構造物近傍のＢＯ
ＴＤＲに信号を送り、光ファイバーに光信号を入射する
工程、光ファイバー内からの散乱反射光を受光し、光フ
ァイバーの歪み分布を検出する工程、歪み分布からコン
クリート構造物の単位長さ当たりの表面歪み率を算出す
る工程、コンクリート構造物のひび割れ幅、間隔から単
位長さ当たりのひび割れ幅を算出しコンクリート構造物
の損傷度と対応づける工程、表面歪み率、単位長さ当た
りのひび割れ幅を照合し、損傷度を決定する工程とから
なることものとした。

【００２７】これにより、遠隔地からのコンクリート構
造物の損傷度判定基準の損傷度ランクに対応した損傷度
を検出でき、小さいクラックが発生した程度の軽度の損
傷度でも検出できる。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のコンクリート損傷度診断装置の実施の
第１形態を示す全体図、

【図２】コンクリート構造物へのセンサとしての光ファ
イバーの配置図、

【図３】光ファイバーのコンクリート構造物への配置の
一例の詳細を示す図で、図３（ａ）はフィルムに貼着さ
れた光ファイバーを示す平面図、図３（ｂ）は図３
（ａ）の矢視Ａ−Ａにおける断面図の１例を示す図、図
３（ｃ）は図３（ａ）の矢視Ａ−Ａにおける断面図の他
の例を示す図、

【図４】ＢＯＴＤＲの作動原理を示す図で、図４（ａ）
はＢＯＴＤＲと光ファイバーとの信号のやりとりを示す
図、図４（ｂ）は後方散乱光の歪みによる周波数シフト
量を示す図、図４（ｃ）は周波数シフト量と歪みの関係
を示す図、

【図５】光ファイバーの後方散乱光から計測された歪み
分布を示す図で、図５（ａ）は光ファイバーの軸方向の
歪みを示す図、図５（ｂ）は図５（ａ）に損傷度判定基
準の損傷度ランクを示した図、

【図６】計算による表面歪みを求めるためのモデルテス
トを示す図で、図６（ａ）は曲げひび割れによる表面歪
みを計測するモデルテストを示す図、図６（ｂ）はクラ
ックによる剪断ひび割れで生じる表面歪みを計測するモ
デルテストを示す図、図６（ｃ）は引張りひび割れによ
る表面歪みを計測するモデルテストを示す図、

【図７】コンクリート構造物損傷度判定のフロー図、

【図８】従来の目視によるクラック検出を示す図、

【図９】従来の歪みゲージを示す図である。

【符号の説明】

１ 床版（コンクリート構造物） ２ 主桁 ３ クラック ４ 点検員 ５ 電気抵抗式ひずみゲージ ６ ベースフィルム ７ リード線 ８ ひずみ受感度 １０ 光ファイバー １１ 地上 １２ 横桁 １３ 高欄 １４ 舗装面 １５ 対傾構 １６ 橋脚 ３１ コンクリート構造物 ３２ フィルム ３３ 接着剤 ３４ 接着剤 ３５ 外装フィルム ４０ 計測器 ４１ ＢＯＴＤＲ ４２ レーザパルス光 ４３ 後方散乱光 ４４ 床版のモデル ５０ 信号伝送電線 ６０ 維持管理機関の事務所等

フロントページの続き (72)発明者 野田 弘康 神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号 三 菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者 福井 唯夫 神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号 三 菱重工業株式会社神戸造船所内 Ｆターム(参考） 2F065 AA65 CC14 FF41 GG04 GG08 LL02 PP01 2G024 AD34 BA21 CA04 CA21 FA06 2G050 AA02 BA12 DA01 EB07 EC01 2G086 CC03 DD05

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンクリート構造物に貼着された光ファ
   イバーと、前記光ファイバーに入射された光信号とその
   散乱反射光のずれ周波数から前記光ファイバーに生じて
   いる歪みを検出する歪分布測定装置と、コンクリート構
   造物に生じているひび割れ幅及びひび割れ間隔とコンク
   リート構造物の損傷度とを対応づける損傷度判定装置と
   からなり、前記歪分布測定装置で検出された歪みから算
   出された単位長さ当たりの表面歪み率と前記損傷度判定
   装置で算出された単位長さ当たりのひび割れ幅を照合し
   てコンクリート構造物の損傷度を診断できるようにした
   ことを特徴とするコンクリート損傷度診断装置。
2. 【請求項２】 損傷度の診断を行うコンクリート構造物
   の近傍に設置された前記歪分布測定装置に信号を送り、
   前記光ファイバー内に光信号を入射する工程と，前記光
   ファイバー内で反射された散乱反射光を受光し、前記光
   ファイバー軸方向の歪み分布を検出する工程と、前記歪
   み分布から前記コンクリート構造物の単位長さ当たりの
   表面歪み率を算出する工程と、コンクリート構造物のひ
   び割れ幅及びひび割れ間隔から単位長さ当たりのひび割
   れ幅を算出し、コンクリート構造物の損傷度と対応づけ
   る工程と、前記表面歪み率と単位長さ当たりのひび割れ
   幅とを照合し、コンクリート構造物の損傷度を決定する
   工程とからなることを特徴とする、請求項１記載のコン
   クリート損傷度診断装置を使用したコンクリート損傷度
   診断方法。