JP2003315204A - 振動測定を利用した構造物地震損傷度判定方法 - Google Patents

振動測定を利用した構造物地震損傷度判定方法

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JP2003315204A JP2002125558A JP2002125558A JP2003315204A JP 2003315204 A JP2003315204 A JP 2003315204A JP 2002125558 A JP2002125558 A JP 2002125558A JP 2002125558 A JP2002125558 A JP 2002125558A JP 2003315204 A JP2003315204 A JP 2003315204A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 地盤−基礎の影響を含むラーメン高架橋の損
傷箇所と損傷程度の評価を的確に行うことができる微動
測定を利用した構造物地震損傷度判定方法を提供する。 【解決手段】 地盤及び基礎の影響を含んだ柱の上部、
中間部、下部のそれぞれのモード振幅AG Top ,AG
Mid 及びAG Bot から、データベースによる損傷度判定
で用いるATop /AMid を次の式で近似し、 ATop /AMid =(AG Top −AG Bot )/(AG Mid
−AG Bot ) また、上部構造物のみの固有振動数F,地盤・基礎の影
響を含んだ全体系の固有振動数FG 、損傷後の全体系の
固有振動数FG d を用いて損傷後の上部構造物のみの固
有振動数Fd とFの比を次の式、 Fd /F=FG ・FG d /√〔F2 ・FG 2
(FG d 2 ・(F2 −FG 2)〕 で求めてラーメン高架橋の損傷度を判定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、振動、特に微動測
定を利用した構造物地震損傷度判定方法に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】かかる構造物地震損傷度判定方法に関す
る参考文献としては、以下に開示されるものがあった。
【0003】〔1〕上半文昭、目黒公郎:非線形構造解
析によるRC構造物の即時地震損傷度判定法に関する一
考察、応用力学論文集、Vol.3,pp.621−6
28,2000.8 〔2〕上半文昭、目黒公郎:鋼板補強された実大高架橋
の損傷度判定に関する基礎的検討、土木学会第56回年
次学術講演会概要集(CD−ROM),I−B097,
2001.10 〔3〕Meguro K.and Tagel−Din
H.:A NewEfficient Techni
que for Fracture Analysis
of Structures,Bulletin o
f Earthquake Resistant St
ructure ResearchCenter,II
S,Univ.of Tokyo,No.30,pp.
103−116,1997.3 〔4〕鉄道総合技術研究所:兵庫県南部地震鉄道被害調
査報告書、鉄道総研報告、特別第4号、1996.4 〔5〕鈴木武夫:振動による橋脚の健全性の判定法、土
木学会第6回年次学術講演会概要、p.18,1950 〔6〕西村昭彦:ラーメン高架橋の健全度評価法の研
究、鉄道総研報告、Vol.4,No.9,1990.
9 〔7〕中村豊:総合地震防災システムの研究、土木学会
論文集、No.531/I−34,pp.1−33,1
996.1 〔8〕鉄道総合技術研究所:鉄道構造物等設計標準・同
解説、耐震設計、丸善、1999 本願発明者らは、振動測定で構造物の地震時損傷度を精
度良く検査できる方法を開発することを目的として、鉄
道RCラーメン高架橋の損傷挙動の非線形構造解析に取
り組んできた(参考文献〔1〕,〔2〕)。また、新し
い非線形構造解析手法である応用要素法(Applie
d Element Method,AEM)(参考文
献〔3〕)で、構造物の損傷による固有振動数変化を崩
壊レベルに至るまで解析できることを確かめ、構造物の
損傷を固有振動数の低下から検出する検査法の判定基準
作成に役立てられることを示した。ここでは、次の段階
として、より詳細で簡易な検査法の開発に取り組んでい
る。
【0004】兵庫県南部地震以降、せん断破壊先行型
(参考文献〔4〕)の高架橋柱は鋼板巻き立てにより補
強された。そのため既存の高架橋柱の大半が曲げ破壊先
行型(参考文献〔4〕)となっており、地震時の損傷は
柱端部に集中するものと予想される。この柱端部の損傷
度を柱の上下端別々に且つ精度良く検査できるようにな
れば、最小限の応急復旧工事(部分的な補強・補修)の
計画設定や、復旧工事後の施工不良箇所の検出等が可能
になる。そこで、非線形構造解析で作成した判定基準と
振動測定を利用したラーメン高架橋の柱上下端の損傷度
判定方法を開発する。
【0005】主な対象となる新幹線ラーメン高架橋は、
図1に示すように、標準化されており、上部構造の種類
が少ないので、上部構造のみの損傷度判定基準は高架橋
のタイプ毎に作成可能である。図1(a)は新幹線ラー
メン高架橋の縦断図、図1(b)はその横断図である。
【0006】図1において、101は地盤、102はラ
ーメン高架橋柱、103は桁部である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、種々の
地盤および基礎までを考慮すると、構造の種類は格段に
増加する。そこで、地盤および基礎の影響をうまく取り
除く方法を考え、上部構造のみの判定基準を用いて、地
盤および基礎を伴った高架橋の損傷度を判定できる方法
を開発する。
【0008】損傷度の検出には、鉄道分野で古くから研
究されてきた(参考文献〔5〕)振動測定による構造物
検査法(参考文献〔6〕,〔7〕)を利用する。特に、
検査をより簡単にするために、構造物の加振を必要とし
ない微動(常時の微小な地盤震動)測定を利用する。鉄
道ではこれまでの経験から現場技術者が構造物の固有振
動数や振動モード形状についての知識を有しており、振
動測定を利用した構造物検査法をよく理解しているが、
微動の利用技術の開発は歴史が浅く、その有効性(特に
振幅情報の利用)を疑問視する技術者が多い。そこで、
振動、特に微動測定による構造物検査の模型実験を行
い、本発明の有効性を確かめる。
【0009】本発明は、上記状況に鑑みて、地盤−基礎
の影響を含むラーメン高架橋の損傷箇所と損傷程度の評
価を的確に行うことができる振動測定を利用した構造物
地震損傷度判定方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔1〕振動測定を利用した構造物地震損傷度判定方法に
おいて、ラーメン高架橋の各損傷度に対応する柱端の塑
性ヒンジ部の特性を調べ、ラーメン高架橋モデルの柱端
に先に求めた種々のヒンジ特性を与えて振動特性の変化
を調べ、その結果を、構造物の損傷度と関連する損傷前
後の1次固有振動数の比(Fd /F)と、柱上下端の損
傷度の比と関連する柱上端と中間のモード振幅の比(A
Top /A Mid )に基づいてデータベース化し、損傷前の
ラーメン高架橋の1次固有振動数F及び振動測定で得た
損傷後の1次固有振動数Fd とモード振幅を用いて、前
記データベースに基づいてラーメン高架橋の損傷度を判
定することを特徴とする。
【0011】〔2〕上記〔1〕記載の振動測定を利用し
た構造物地震損傷度判定方法において、地盤及び基礎の
影響を考慮するために、柱の上部、中間部、下部の3点
で振動を測定することを特徴とする。
【0012】〔3〕上記〔2〕記載の振動測定を利用し
た構造物地震損傷度判定方法において、前記地盤及び基
礎の影響を含んだ柱の上部、中間部、下部のそれぞれの
モード振幅AG Top ,AG Mid 及びAG Bot から、前記
データベースによる損傷度判定で用いるATop /AMid
を次の式(A)で近似し、 ATop /AMid =(AG Top −AG Bot )/(AG Mid −AG Bot ) …(A) また、上部構造物のみの固有振動数F,地盤・基礎の影
響を含んだ全体系の1次固有振動数FG 、損傷後の全体
系の1次固有振動数FG d を用いて損傷後の上部構造物
のみの1次固有振動数Fd とFの比を次の式(B)、 Fd /F=FG ・FG d /√〔F2 ・FG 2 −(FG d 2 ・(F2 −FG 2 )〕 …(B) で求めて用いることを特徴とする。
【0013】〔4〕上記〔3〕記載の振動測定を利用し
た構造物地震損傷度判定方法において、更に、基礎が損
傷する場合の損傷度を評価するために、健全時の地盤−
基礎バネの剛性をKG 、基礎損傷後の地盤−基礎バネの
剛性をKG d とすると、基礎損傷後のラーメン高架橋全
体系の1次固有振動数FG d は、 FG d =(1/2π)√〔K・KG d /{(K+KG d )・M}〕 …(C) 次いで、下記の式(D)、式(E)及び上記(C)から F=(1/2π)√(K/M) …(D) FG =(1/2π)√〔K・KG /{(K+KG )・M}〕 …(E) であり、これより地盤−基礎バネの剛性変化率を下記の
式(F) KG d /KG =(FG d 2 ・(F2 −FG 2 )/〔FG 2 ・{F2 −(FG d 2 }〕 …(F) より求めて用いることを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。
【0015】以下では、まず、提案する損傷度検査方法
の一連の流れを数値解析による検証を交えて説明する。
次に、フレーム構造模型の微動測定実験を行い、微動測
定による構造物の振動特性の同定精度とその手法の妥当
性について説明する。
【0016】(1)損傷度判定基準の作成 (a)柱端部の塑性ヒンジ特性の解析 地震直後に効率良く損傷度検査を行うために、非線形構
造解析で事前に損傷度の判定基準を作成する。
【0017】まず、対象とする鉄道RCラーメン高架橋
の柱端部に生じる塑性ヒンジ部の損傷度毎の剛性を求め
る。鉄道ではRC部材の損傷レベル(以下、損傷度)を
図2(a)のように定義している(参考文献〔8〕)。
【0018】図2は部材の損傷度の定義を示す図であ
り、図2(a)は部材の荷重−変位関係と損傷度、図2
(b)は荷重−変位関係を求める実験の模式図である。
【0019】図2(b)において、201はラーメン高
架橋柱の基礎部、202はラーメン高架橋柱、203は
そのラーメン高架橋柱202の塑性ヒンジ部であり、対
象とする柱断面の非線形構造解析(正負交番載荷解析ま
たはプッシュオーバー解析)を行って、各損傷度に対応
する塑性ヒンジ部203の剛性を求める。
【0020】(b)パラメータスタディによる損傷度判
定基準の作成 次に、柱上下端に先に調べた各損傷度に対応する塑性ヒ
ンジ部203が生じた際の振動特性の変化に関するパラ
メータスタディを行い、その結果をデータベース化して
損傷度の判定基準を作成する。なお、損傷度判定基準は
上部構造物のみ(高架橋が剛な基礎に固定された状態)
を対象として作成する。
【0021】図3は損傷した高架橋の変形を示す図、図
4は地盤および基礎上の高架橋の変形を示す図である。
【0022】図3において、210は剛な基礎、211
は剛な基礎210上に固定されたフーチング、212は
ラーメン高架橋柱、213,214は柱端部(塑性ヒン
ジ部)、215は桁部である。なお、216は高架橋柱
の上端に配置されたセンサ、217は高架橋柱の中央部
に配置されたセンサである。
【0023】また、図4において、220は地盤・基
礎、221はその地盤・基礎220に配置されたフーチ
ング、223はラーメン高架橋柱、224,225は柱
端部(塑性ヒンジ部)、226は桁部である。なお、2
27は高架橋柱の上端に配置されたセンサ、228は高
架橋柱の中央部に配置されたセンサ、229は高架橋柱
の下端に配置されたセンサである。
【0024】これらの図に示すように、ラーメン高架橋
柱212,223の数値モデルの柱端部(塑性ヒンジ
部)213,214,224,225に各損傷度に対応
する剛性を代入して振動特性の変化を調べる。損傷度判
定の指標として高架橋の健全時の1次固有振動数Fに対
する損傷後の高架橋の1次固有振動数Fd の比である
「固有振動数変化率(Fd /F)」と、図3に示す柱上
端のモード振幅ATop と柱中央部のモード振幅AMid
比である「上部/中央部振幅比(ATop /AMid )」を
用いることにする。固有振動数変化率は高架橋全体系の
損傷度と関係する指標である。上部/中央部振幅比は柱
上下端の損傷程度の比と関係がある指標として用いるも
のであり、1次振動モード形状を考慮すれば、上下端の
損傷度が等しい時に「=2」、下端に比べて上端の損傷
が大きい場合には「>2」、逆の場合は「<2」の値を
示すことが分かる(後述の図15参照)。少ない振動測
定点で1次振動モード形状を捉え、且つ柱上下端のどち
らの被害が大きいのかを直感的にイメージできるよう工
夫した指標である。
【0025】(2)損傷度評価のための振動測定 地盤および基礎の影響も含んだ実構造物の損傷度評価を
行うための振動測定方法を説明する。振動測定は、健全
時の固有振動数FG (添字G は地盤および基礎の影響を
含んでいることを意味する)を得るための事前測定と、
地震や復旧工事等の事後測定の2度行う。事前測定は高
架橋の1次固有振動数のみが分かれば良いので高架橋上
の1点の振動測定を行い、そのフーリエスペクトルの卓
越振動数を固有振動数FG とする。この固有振動数FG
は地盤および基礎の影響を含むので高架橋の上部構造の
みの固有振動数Fより低い値を示す。なお、新幹線高架
橋の上部構造のみの固有振動数Fは数値解析でほぼ正確
な値を計算できることを確認している。事後測定では、
図4に示すように、高架橋柱の上端、中央および下端に
それぞれセンサ227,228,229を配置して振動
を測定する。
【0026】それぞれのセンサ227,228,229
で記録された微動のフーリエスペクトルのピーク値をモ
ード振幅AG Top ,AG Mid およびAG Bot とする。上
端のセンサ227で記録された微動のフーリエスペクト
ルの卓越振動数を高架橋の損傷後の1次固有振動数FG
d (添字d は損傷後の値であることを示す)とする。
【0027】(3)損傷度評価指標の算出法 測定結果から地盤および基礎の影響を取り除き、高架橋
の上部構造のみを対象として作成した損傷度判定基準に
対応する損傷度評価指標を算出する。
【0028】地盤−基礎バネの回転成分の影響を無視す
れば、地盤及び基礎の影響を含んだ柱上部、中央部、下
部のそれぞれのモード振幅AG Top ,AG Mid 及びAG
Botから、損傷度判定基準に照合する指標である上部/
中央部振幅比ATop /AMidが次のように近似される。
【0029】 ATop /AMid =(AG Top −AG Bot )/(AG Mid −AG Bot ) …(1) 地盤および基礎を伴う高架橋を、水平地盤バネKG を伴
った剛性がK(損傷後はKd とする)で質量がMの1自
由度系(図5)にモデル化すれば、上部構造のみの固有
振動数F、地盤−基礎の影響を含んだ全体系の固有振動
数FG 、損傷後の全体系の固有振動数FG d は次のよう
に求められる。
【0030】 F=(1/2π)√(K/M) …(2) FG =(1/2π)√〔K・KG /{(K+KG )・M}〕 …(3) FG d =(1/2π)√〔Kd ・KG /{(Kd +KG )・M}〕 …(4) 損傷後の高架橋の振動系から地盤−基礎バネの影響を取
り除けるとすれば、その固有振動数Fd は次式で求めら
れる。
【0031】 Fd =(1/2π)√(Kd /M) …(5) 式(2)〜(5)を整理すれば、損傷度判定基準に照合
する指標である固有振動数変化率Fd /Fが式(5)の
ように求められる。Fは計算で、FG とFG dは振動測
定結果から得られる。
【0032】 Fd /F=FG ・FG d /√〔F2 ・FG 2 −(FG d 2 ・(F2 −FG 2 )〕 …(6) 次に、基礎が損傷する場合の損傷評価について説明す
る。(4)基礎が損傷する場合の損傷評価上記において
は基礎の損傷は考慮しなかった。上部構造がスレンダー
な鉄道RCラーメン高架橋では振動による基礎の被害は
ほとんど発生しないが、軟弱地盤上の高架橋では地震時
の液状化や側方流動等が原因となって基礎に損傷が集中
する場合がある。上部構造が健全で基礎に被害が集中す
る場合には、全体系の固有振動数の低下から地盤−基礎
バネの剛性低下を検出できる。健全時の地盤−基礎バネ
の剛性をKG 、基礎損傷後の地盤−基礎バネの剛性をK
G d とすれば、基礎損傷後の高架橋全体系の1次固有振
動数は、 FG d =(1/2π)√〔K・KG d /{(K+KG d )・M}〕 …(7) 式(2),(3)および(7)から地盤−基礎バネの剛
性変化率KG d /KG が次のように求められる。
【0033】 KG d /KG =(FG d 2 ・(F2 −FG 2 )/〔FG 2 ・{F2 −(FG d 2 }〕 …(8) この剛性変化率KG d /KG と基礎の損傷度を関連付け
れば基礎の損傷度を判定できる。 (5)数値解析による検証 (a)概要 線路に直交する断面が図6のような形状を持つ、地盤
(N値20程度を想定)および杭基礎を伴った鉄道RC
ラーメン高架橋の数値モデルの解析例を用いて、本発明
による損傷度判定の流れを説明する。
【0034】図6において、240は地盤・基礎、24
1は上部構造としてのラーメン高架橋柱、242,24
3は塑性ヒンジ部、244は桁部である。
【0035】数値モデルの材料のヤング率は、コンクリ
ートが28.0GPa、鉄筋が200GPaである。梁
部は剛体でその質量は160tである。地盤および基礎
の詳細は省略するが、解析によれば上部構造のみの卓越
振動数Fが4.0Hzであったのに対して、FG が3.
3Hzに低下した。
【0036】(b)柱端部の塑性ヒンジ特性の解析 図7に柱の数値モデルと正負交番載荷シミュレーション
結果および数値モデルの1次固有振動数変化率を示す。
図7(a)はその柱の正面図、図7(b)はその柱の断
面図、図7(c)はその固有振動数変化率、図7(d)
はその荷重−変位関係を示す図である。
【0037】数値モデルの材料諸元および載荷軸力は高
架橋モデルと等しい。図7の正負交番載荷結果の包絡線
形状と固有振動数変化率を参考にして損傷度1〜4(D
1〜D4)に対応する柱端部の塑性ヒンジ特性を決定す
る。
【0038】ここでは、柱の数値モデルの固有振動数変
化率がおよそ0.95(D1),0.8(D2),0.
6(D3)そして0.4(D4)となるヒンジ特性をD
1〜D4に対応させた。
【0039】(c)パラメータスタディによる損傷度判
定基準の作成 高架橋上部構造を図8に示す柱上部の回転を拘束した1
本のRC柱にモデル化する。固定された下端固定部25
1上の高架橋柱252の柱上下端253,254に損傷
度1〜損傷度4に対応するヒンジ剛性を代入して解析
し、損傷度判定に用いる指標の変化をまとめたのが表1
である。
【0040】
【表1】
【0041】(d)数値モデルの損傷度評価指標の算出
と損傷度判定 一例として、図6の数値モデルの柱上端にD3相当、下
端にD1相当の塑性ヒンジを与え、本発明の手法で損傷
レベルを正しく判定できるかどうかを調べる。
【0042】解析結果によれば、塑性ヒンジを与えた際
の固有振動数FG d は2.2Hzで、モード振幅は柱上
端のAG Top を1とすればAG Mid が0.37、AG
Bot が0.12であった。
【0043】式(1)によれば上部/中央部振幅比A
Top /AMid は3.5となる。また、式(6)によれば
固有振動数変化率Fd /Fは0.60となる。表1を図
化した図9(a)と図9(b)に2つの指標(上部/中
央部振幅比と固有振動数変化率)を照合し、柱上下端の
損傷度を推定する。
【0044】まず、上部/中央部振幅比ATop /AMid
のグラフから柱の損傷度が上端D3−下端D1か、上端
D4−下端D3の組合せに絞られる。固有振動数変化率
d/Fのグラフの条件も満たすのは上端D3−下端D
1の組合せのみとなり、数値モデルの柱上下端の損傷度
を正しく判定できた。
【0045】次に、フレーム構造模型の微動測定実験に
ついて説明する。
【0046】(1)概要 ここでは、鉄道ラーメン高架橋の損傷度評価に微動測定
を利用するための基礎的な検討として、小型のフレーム
構造模型の微動測定実験を実施する。
【0047】まず、微動測定による振動モード形状の同
定精度を調べた後、提案する損傷度評価手法に対応する
各種の実験を行って本発明の手法の妥当性を調べる。
【0048】(2)実験装置および計測方法 まず、一連の実験で使用するフレーム構造模型と微動の
計測方法について説明する。図10にフレーム構造模型
と微動センサ配置を示す。図10において、図10
(a)はその模型の正面模式図、図10(b)はその模
型の上面模式図、図10(c)はその模型の側面模式図
である。
【0049】この図において、300はフレーム構造模
型、301は基礎部、302はその基礎部に配置される
下部固定用ウェイト、303はその基礎部301に配置
される基礎部微動測定センサ、304は計測用棚、30
5はその計測用棚304に配置される柱中間部微動測定
センサ、306は桁部、307はその桁部306に配置
される桁部微動測定センサ、308はその桁部306に
配置される上部ウェイトである。
【0050】このように、フレーム構造模型300は鋼
製であり、上部ウェイト308、桁部306およびセン
サ307の合計質量約25kgをL型鋼の柱4本で支え
た構造である。模型は実験場の床上に設置し、基礎部3
01に約30kgの下部固定用ウェイト302を配置し
て基礎部301が動かないよう固定する。柱端部と桁部
306および基礎部301は、ボルトと固定金具で結合
されており、ボルトの締め方や金具の種類を変更するこ
とにより、結合部の剛性を変化させることができる。微
動測定センサ303,305,307は、実際に構造物
検査に用いるものと同等の微動計(速度計、固有周期
2.0sec、水平1成分)を用いた。この微動計を基
礎部、柱中間部、桁部の3箇所に設置し、水平1方向の
振動を同時測定する。柱中間部微動測定センサ305
は、図10に示す計測用棚304上に設置した。計測用
棚304は、柱の中間部にヒンジ結合されている。計測
用棚304と柱中間部微動測定センサ305の合計質量
は約2.0kgである。実験に先立って微動センサの特
性試験と計測用棚304の設置によるフレーム構造模型
の1次モード振動特性変化の確認試験を実施し、3つの
微動センサが等しい特性を持っていることおよび柱中央
部に計測用棚304を設置してもフレーム構造模型の1
次モード振動特性に変化が無いことを確認した。
【0051】(3)微動測定による振動モードの同定 微動の振幅情報の精度検証を目的として、微動測定結果
からフレーム構造模型の振動モードの推定を試みる。
【0052】図11は柱の上下端の結合の態様を示す図
であり、振動モードの推定対象として、柱の上下端とも
にほぼ剛結状態〔図11(a)〕とした「上下端剛結モ
デル」と、柱下端は剛結のままで柱上端を図11(b)
のヒンジ状態とした「上端ヒンジ−下端剛結モデル」を
作製した。フレーム構造模型の1次振動モード形状を調
べるために、計測用棚304の設置高さを200mm〜
1,000mmまで100mm刻みで変化させて微動計
測を行った。各センサで82sec間(時間刻み0.0
1sec)微動を同時記録した。記録波形の中でノイズ
の影響が少ない20.48secの部分を選び出してフ
ーリエ変換し、バンド幅0.4HzのParzenウィ
ンドウで平滑化して各微動記録のフーリエスペクトルを
求めた。桁部306、計測用棚304および基礎部30
1のフーリエスペクトルのピーク値をそれぞれATop
Mid およびABot (微動によるわずかな並進成分)と
し、モデルの並進運動を除いて桁部306の振幅が1と
なるよう正規化した場合の計測用棚304設置高さの振
幅Ah を式(9)で求める。
【0053】 Ah =(AMid −ABot )/(ATop −ABot ) …(9) 計測および波形処理の一例として、「上下端剛結モデ
ル」で計測用棚304を柱中央部(高さ600mm)に
設置した際の微動波形、フーリエスペクトルを図12に
示す。図12(a)は図10(a)に示した模型の正面
模式図、図12(b)はそのセンサによる微動波形、図
12(c)はそのフーリエスペクトルを示す図である。
【0054】ここで、柱中央部の正規化振幅は、(2.
1−0.1)/(4.1−0.1)=0.5となる。同
様の手法で柱各部の正規化振幅を求め、フレーム構造模
型の振動モード形状を推定した。その結果を理論解と比
較して図13に示す。
【0055】この図13から、微動測定でフレーム構造
模型の1次振動モード形状を十分な精度で把握可能であ
ることが分かる。
【0056】(4)柱上下端の損傷による振動特性の変
化(上部構造) 前記した損傷度判定の考え方に関する実験を行う。ここ
ではフレーム構造模型の固有振動数とモード形状(柱上
端部/柱中央部のモード振幅比)が、柱上下端の剛性変
化によって解析結果どおりに変化し、且つその変化を微
動測定で正しく把握できることを確かめる。
【0057】フレーム構造模型の柱上下端の結合部を図
14に示す剛性の異なる3種の結合状態(a)〜(c)
に変化させ、その際の1次固有振動数Fd と上部/中央
部振幅比ATop /AMid を調べる。図14(d)は実験
模型、図14(e)は数値モデルを示している。
【0058】まず、実験との比較を目的として実施した
柱上下端結合部の剛性変化による固有振動数とモード振
幅比の変化に関する応用要素法シミュレーションの結果
を示す。各部の剛性と質量を実際のフレーム構造模型と
等しくした数値モデル〔図14(e)〕を作製し、柱端
部の剛性を3通りに変化させて指標の変化を調べた。な
お、結合状態(a)〜(c)の結合部の剛性値は解析的
に求めることが難しかったので実験的に求めた値を使用
した。解析結果を表2に示す。
【0059】
【表2】
【0060】また、図15に数値モデルの1次振動モー
ド形状の変化を示す。柱上端部/柱中央部のモード振幅
比が、柱上下端の損傷度が等しい時には「=2.0」
で、柱上端部の損傷が大きいときには「>2.0」、基
礎部の損傷の方が大きいときには「<2.0」となる指
標であることが分かる。
【0061】次に、実験から得られた指標の変化を表3
に示す。
【0062】
【表3】
【0063】計測用棚304は柱中央(高さ600m
m)に設置されており、微動の計測・処理方法は上記
(3)と同様で、柱上端部/柱中央部のモード振幅比は
式(9)の逆数となる。解析と実験の結果はよく一致し
ており、柱上下端のヒンジ特性の変化によるフレーム構
造の振動特性の変化を微動測定で把握可能であることが
分かる。
【0064】(5)地盤および基礎バネの影響の除去 前記した地盤および基礎バネの影響の除去方法に関する
実験を行う。
【0065】図16に示す地盤−基礎バネ用のゴム支承
311を付加したフレーム構造模型の測定結果から本発
明の手法でゴム支承の影響を除去し、表3と同様の結果
を導けるかどうか確かめる。結合部の設定、微動センサ
の設置場所および波形の計測処理方法はこれまでと同様
である。表4に地盤−基礎バネを伴ったフレーム構造模
型の1次固有振動数FG d 、式(6)で変換したFd
よび式(1)で計算した柱上部/柱中央部のモード振幅
比ATop /AMid を示す〔上部構造のみの固有振動数F
は上記(4)の実験結果(4.2Hz)を用いた〕。
【0066】
【表4】
【0067】表4と表2のFの値は良く一致しており、
提案する固有振動数の変換手法が有効であることが分か
る。柱上部/柱中央部のモード振幅比も実用上問題無い
程度の精度を持っているものと考える。
【0068】(6)基礎の損傷評価 前記した地盤−基礎バネの剛性変化率算出法に関する実
験を行う。
【0069】図17に示す地盤−基礎バネの剛性が異な
る5種類のフレーム構造模型を用いて、これまでと同様
の計測を実施した。
【0070】この図17に示すように、モデルの地盤−
基礎バネ311は、同一のゴム層を図17(a)が0
層、図17(b)が1層、図17(c)が2層、図17
(d)が3層、そして図17(e)が4層を直列に重ね
たものであり、図17(a)が剛な基礎上の健全な高架
橋(1次固有振動数F)、図17(b)が地盤−基礎バ
ネを伴う健全な高架橋(1次固有振動数FG )であると
見なす。図17(c)〜(e)が上部構造は健全だが地
盤−基礎バネの剛性が低下した高架橋(固有振動数FG
d )であると見なして、式(8)で地盤−基礎バネの剛
性変化率を算出した。表5に各モデルの微動測定による
1次固有振動数と式(8)による剛性変化率を示す。
【0071】
【表5】
【0072】図17(c)〜(e)の地盤−基礎バネ剛
性がおよそ1/2〜1/4に低下していることを正しく
検出しており、剛性変化率の算定法も有効であると考え
られる。
【0073】なお、上記実施例では、印加する振動に
は、微動を用いたが、微動、衝撃振動、車両走行振動、
起振器による振動、地震動などを用いるようにしてもよ
い。
【0074】また、本発明は、測定点を増やすだけで、
同様の手法およびモデルを用いて2層以上の多層構造物
にも適用できる。
【0075】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いて種々の変形が可能
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。
【0076】
【発明の効果】以上、詳細に述べたように、本発明によ
れば、次のような効果を奏することができる。 (A)高架橋の損傷度を柱上下端別々に、かつ詳細に判
定することができる。
【0077】したがって、柱上下端別々に最適な復旧対
策を実施でき、復旧に要する時間や経費の最適化が可能
である。 (B)地盤および基礎の影響を簡単に考慮することがで
きる。 (C)基礎の損傷(地盤・基礎バネの剛性低下)を検出
することができる。 (D)鋼板で補強されて内部コンクリートが目視できな
い構造物も検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】主な対象となる新幹線ラーメン高架橋の模式図
である。
【図2】鉄道における部材の損傷度の定義を示す図であ
る。
【図3】損傷した高架橋の変形を示す図である。
【図4】地盤および基礎上の高架橋の変形を示す図であ
る。
【図5】地盤および基礎を伴う高架橋の単純化したモデ
ルを示す図である。
【図6】地盤および基礎を伴うラーメン高架橋の線路に
直交する断面の数値モデルである。
【図7】柱の数値モデルと正負交番載荷シミュレーショ
ン結果および数値モデルの1次固有振動数変化率を示す
図である。
【図8】高架橋上部構造を柱上部の回転を拘束した1本
のRC柱にモデル化した図である。
【図9】2つの指標を照合し、推定される柱上下端の損
傷度の特性図である。
【図10】フレーム構造模型と微動センサ配置を示す模
式図である。
【図11】柱の上下端の結合の態様を示す図である。
【図12】上下端剛結モデルで計測用棚を柱中央部(高
さ600mm)に設置した際の微動波形、フーリエスペ
クトルを示す図である。
【図13】柱各部の正規化振幅を求め、フレーム構造模
型の振動モード形状を推定した結果を理論解と比較して
示す図である。
【図14】フレーム構造模型、柱上下端の3種の結合状
態、フレーム構造模型の数値モデルを示す図である。
【図15】数値モデルの1次振動モード形状の変化を示
す図である。
【図16】地盤−基礎バネ用のゴム支承を付加したフレ
ーム構造模型を示す図である。
【図17】地盤−基礎バネの剛性が異なる5種類のフレ
ーム構造模型を示す図である。
【符号の説明】
101 地盤 102,202,212,223 ラーメン高架橋柱 103,215,226,244,306 桁部 201 ラーメン高架橋柱の基礎部 203,242,243 塑性ヒンジ部 210 剛な基礎 211,221 フーチング 211 基礎上に固定された基礎部 213,214,224,225 柱端部(塑性ヒン
ジ部) 216,227 高架橋柱の上端に配置されたセンサ 217,228 高架橋柱の中央部に配置されたセン
サ 220,240 地盤・基礎 229 高架橋柱の下端に配置されたセンサ 241 上部構造としてのラーメン高架橋 251 下端固定部 252 高架橋 253 柱上端 254 柱下端 300 フレーム構造模型 301 基礎部 302 下部固定用ウェイト 303 基礎部微動測定センサ 304 計測用棚 305 柱中間部微動測定センサ 307 桁部微動測定センサ 308 上部ウェイト 311 地盤−基礎バネ用のゴム支承

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(a)ラーメン高架橋の各損傷度に対応す
    る柱端の塑性ヒンジ部の特性を調べ、(b)ラーメン高
    架橋モデルの柱端に先に求めた種々のヒンジ特性を与え
    て振動特性の変化を調べ、(c)その結果を、構造物の
    損傷度と関連する損傷前後の1次固有振動数の比(Fd
    /F)と、柱上下端の損傷度の比と関連する柱上端と中
    間のモード振幅の比(ATop /AMid )に基づいてデー
    タベース化し、(d)損傷前のラーメン高架橋の1次固
    有振動数F及び振動測定で得た損傷後の1次固有振動数
    d とモード振幅を用いて、前記データベースに基づい
    てラーメン高架橋の損傷度を判定することを特徴とする
    振動測定を利用した構造物地震損傷度判定方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の振動測定を利用した構造
    物地震損傷度判定方法において、地盤及び基礎の影響を
    考慮するために、柱の上部、中間部、下部の3点で振動
    を測定することを特徴とする振動測定を利用した構造物
    地震損傷度判定方法。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の振動測定を利用した構造
    物地震損傷度判定方法において、前記地盤及び基礎の影
    響を含んだ柱の上部、中間部、下部のそれぞれのモード
    振幅AG Top ,AG Mid 及びAG Bot から、前記データ
    ベースによる損傷度判定で用いるATop /AMid を次の
    式(A)で近似し、 ATop /AMid =(AG Top −AG Bot )/(AG Mid −AG Bot ) …(A) また、上部構造物のみの1次固有振動数F、地盤・基礎
    の影響を含んだ全体系の1次固有振動数FG 、損傷後の
    全体系の1次固有振動数FG d を用いて損傷後の上部構
    造物のみの1次固有振動数Fd とFの比を次の式
    (B)、 Fd /F=FG ・FG d /√〔F2 ・FG 2 −(FG d 2 ・(F2 −FG 2 )〕 …(B) で求めて用いることを特徴とする振動測定を利用した構
    造物地震損傷度判定方法。
  4. 【請求項4】 請求項3記載の振動測定を利用した構造
    物地震損傷度判定方法において、更に、前記基礎が損傷
    する場合の損傷度を評価するために、健全時の地盤−基
    礎バネの剛性をKG 、基礎損傷後の地盤−基礎バネの剛
    性をKG d とすると、基礎損傷後のラーメン高架橋全体
    系の1次固有振動数FG d は、 FG d =(1/2π)√〔K・KG d /{(K+KG d )・M}〕 …(C) 次いで、下記の式(D)、式(E)及び上記式(C)か
    ら F=(1/2π)√(K/M) …(D) FG =(1/2π)√〔K・KG /{(K+KG )・M}〕 …(E) であり、これより地盤−基礎バネの剛性変化率を下記の
    式(F) KG d /KG =(FG d 2 ・(F2 −FG 2 )/〔FG 2 ・{F2 −(FG d 2 }〕 …(F) より求めて用いることを特徴とする振動測定を利用した
    構造物地震損傷度判定方法。
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