JP2016194442A - Method of evaluating specific frequency variations of railway bridges - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of evaluating specific frequency variations of railway bridges by which accurate evaluation can be done, in evaluating cracks in the underside of a concrete-built railway bridge by using a TV-VAR model, by preventing infiltration of errors invited by vibration amplitude variations.SOLUTION: By a method of evaluating specific frequency variations of railway bridges, the vibration waveform of the main girder of a concrete-built railway bridge is measured; the measured vibration waveform is subjected to FFT processing, peak frequency extraction processing and band-pass filter processing to generate a mode waveform; the envelope of the generated mode waveform is calculated; a standard mode waveform is so generated as to keep the amplitude constant all the time on the basis of the calculated envelope; and on the basis of the generated standard mode waveform, the specific frequency variation of the railway bridge is evaluated by using a TV-VAR model.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、鉄道橋固有振動数の変化量評価方法に係り、特に、コンクリート鉄道橋の主桁下面に発生したひび割れの検知に資することのできる鉄道橋固有振動数の変化量評価方法に関する。   The present invention relates to a method for evaluating the amount of change in the natural frequency of a railway bridge, and more particularly, to a method for evaluating the amount of change in the natural frequency of a railway bridge that can contribute to detection of cracks generated on the lower surface of a main girder of a concrete railway bridge.

従来から、鉄筋コンクリート鉄道橋、プレストレストコンクリート鉄道橋、あるいはパーシャルプレストレストコンクリート鉄道橋等のコンクリート鉄道橋は、長年に亘る荷重の繰り返しや著大な荷重の載荷、あるいは劣化等に起因して主桁下面にひび割れが発生することがある。そして、ひび割れが検知されたときは、必要に応じて補修・補強工事行われて、コンクリート鉄道橋の維持管理が行われる。   Conventionally, concrete railway bridges, such as reinforced concrete railway bridges, prestressed concrete railway bridges, and partial prestressed concrete railway bridges, have been placed on the underside of the main girder due to repeated loads over many years, loading of significant loads, or deterioration. Cracks may occur. When cracks are detected, repair and reinforcement work is performed as necessary, and maintenance of the concrete railway bridge is performed.

コンクリート鉄道橋の主桁下面のひび割れの有無は、検査員が主桁下面に接近して目視観察する近接目視点検により行われたり、あるいは、特許文献1に示されるように、ひび割れの発生する範囲をCCDカメラ等の撮像手段を用いて撮像するとともに、画像処理したりして行われている。   The presence or absence of cracks on the lower surface of the main girder of the concrete railway bridge is determined by proximity visual inspection in which an inspector approaches the lower surface of the main girder and visually observes, or as shown in Patent Document 1, the range in which cracks occur The image is picked up using image pickup means such as a CCD camera and image processing is performed.

目視や撮像手段を用いたコンクリート鉄道橋の主桁下面のひび割れ検知は、常時開口しているひび割れを検知することはできるが、荷重載荷等に伴う大振幅発生時にしかひび割れが開口しない場合は、ひび割れの有無を確認することができず、また、熟練した検査員や複雑な検査機器を必要とする欠点がある。このため、遠隔で測定可能なたわみ応答などからひび割れの有無や断面剛性の低下を判断できるようにして、コンクリート鉄道橋の維持管理を効率よく行えるようにすることが望まれている。   Crack detection on the underside of the main girder of a concrete railway bridge using visual or imaging means can detect cracks that are always open, but if cracks open only when large amplitudes occur due to load loading, etc. The presence or absence of cracks cannot be confirmed, and there is a drawback that requires a skilled inspector and complicated inspection equipment. For this reason, it is desired to be able to determine the presence or absence of cracks and a decrease in cross-sectional rigidity from a deflection response that can be measured remotely, so that the maintenance and management of the concrete railway bridge can be performed efficiently.

ところで、コンクリート鉄道橋の固有振動数は、断面剛性と所定の関係を有していることが既知であるので、ひび割れによって有効断面が変化することによる固有振動数の変化を捉えてひび割れを検知することが試みられている。すなわち、コンクリート鉄道橋の主桁下面にひび割れを有するコンクリート鉄道橋の固有振動数は、コンクリート鉄道橋が上側への振動と下側への振動とで変化するので、固有振動数の変化を捉えてひび割れを検知することが試みられている。
なお、コンクリート鉄道橋の固有振動数が断面剛性と所定の関係を有していることについては、後述の「発明を実施するための形態」の説明中で詳述する。
By the way, since it is known that the natural frequency of a concrete railway bridge has a predetermined relationship with the cross-sectional rigidity, a change in the natural frequency due to a change in the effective cross-section due to a crack is detected to detect a crack. It has been tried. In other words, the natural frequency of a concrete railway bridge with cracks on the underside of the main girder of the concrete railway bridge varies depending on whether the concrete railway bridge is an upward vibration or a downward vibration. Attempts have been made to detect cracks.
Note that the fact that the natural frequency of the concrete railway bridge has a predetermined relationship with the cross-sectional rigidity will be described in detail in the following “Description of Embodiments”.

また、固有振動数の変動を評価する方法としては、非特許文献1に示されるように、多変量自己回帰モデル(Vector Auto Regressive Model: VAR Model)のAR係数行列に時間的変化(Time Varying: TV)を許容したTV−VARモデルが知られている。このため、このTV−VARモデルをコンクリート鉄道橋の主桁下面のひび割れ検知に利用することが考えられている。   In addition, as a method for evaluating the fluctuation of the natural frequency, as shown in Non-Patent Document 1, a time change (Time Variing: Time Variant :) is applied to an AR coefficient matrix of a multivariate autoregressive model (VAR Model). TV-VAR models that allow TV) are known. For this reason, it is considered that this TV-VAR model is used for detecting cracks on the lower surface of the main girder of a concrete railway bridge.

特開2004−294318号公報JP 2004-294318 A

松岡弘大,貝戸清之:TV−VARモデルの階層ベイズ推計による列車走行時の橋梁振動数の同定,土木学会論文集A1,Vol.68,No.3,pp.738−753,2012.12Hirooka Matsuoka, Kiyoyuki Kaido: Identification of bridge frequency during train running by hierarchical Bayesian estimation of TV-VAR model, Proceedings of Japan Society of Civil Engineers, A1, Vol. 68, no. 3, pp. 738-753, 2012.12.

しかしながら、上述のコンクリート鉄道橋の主桁下面にひび割れを有するコンクリート鉄道橋の固有振動数の変化の検出のために、ウエーブレット変換や連続フーリエ変換などを用いた場合は、固有振動数の変動間隔が短すぎてしまい正確に評価することができないという課題があった。
また、上述のTV−VARモデルをコンクリート鉄道橋の主桁下面のひび割れ検知に利用しようとする場合は、検出した波形を直接用いたときに振幅の変化に起因した誤差が混入して正確に評価することができないという課題があった。
However, when wavelet transform or continuous Fourier transform is used to detect changes in the natural frequency of a concrete railway bridge with cracks on the lower surface of the main girder of the above-mentioned concrete railway bridge, the natural frequency fluctuation interval is used. However, there was a problem that it was too short to be evaluated accurately.
When the above TV-VAR model is used to detect cracks on the bottom face of the main girder of a concrete railway bridge, errors caused by changes in amplitude are mixed in when the detected waveform is used directly for accurate evaluation. There was a problem that could not be done.

そこで、本発明は、上述する課題を解決するためになされたもので、コンクリート鉄道橋の固有振動数を測定してそのコンクリート鉄道橋の主桁下面のひび割れ検知をTV−VARモデルを利用して評価する際、振幅の変化に起因した誤差の混入を防止して正確に評価することができようにした鉄道橋固有振動数の変化量評価方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems. The natural frequency of a concrete railway bridge is measured to detect cracks on the lower surface of the main girder of the concrete railway bridge using a TV-VAR model. It is an object of the present invention to provide a method for evaluating the amount of change in the natural frequency of a railway bridge that can be accurately evaluated while preventing errors due to amplitude changes.

上記目的を達成するため、本発明に係る鉄道橋固有振動数の変化量評価方法は、コンクリート鉄道橋の主桁下面に発生したひび割れをそのコンクリート鉄道橋の固有振動数の変化から検知する際に用いられる鉄道橋固有振動数の変化量評価方法であって、前記コンクリート鉄道橋の主桁の振動波形を測定し、その測定された振動波形をFFT処理、ピーク振動数抽出処理及びバンドパスフィルタ処理を行ってモード波形を生成し、その生成されたモード波形の包絡線を算出するとともに、その算出された包絡線に基づいて振幅が常に一定のとなるように標準モード波形を生成し、前記生成された標準モード波形に基づいて、多変量自己回帰モデルの自己回帰係数行列に時間的変化を許容したモデルを用いて前記鉄道橋固有振動数の変化量を評価することを特徴としている。   In order to achieve the above object, the method for evaluating the amount of change in the natural frequency of a railway bridge according to the present invention is to detect cracks generated on the bottom surface of the main girder of a concrete railway bridge from the change in the natural frequency of the concrete railway bridge. A method for evaluating a change amount of a natural frequency of a railway bridge used, wherein a vibration waveform of a main girder of the concrete railway bridge is measured, and the measured vibration waveform is subjected to FFT processing, peak frequency extraction processing, and bandpass filter processing. To generate a mode waveform, calculate an envelope of the generated mode waveform, generate a standard mode waveform so that the amplitude is always constant based on the calculated envelope, and generate the mode waveform Based on the measured standard mode waveform, the change in the natural frequency of the railway bridge was evaluated using a model that allowed temporal changes in the autoregressive coefficient matrix of the multivariate autoregressive model. It is characterized in that.

本発明では、多変量自己回帰モデルの自己回帰係数行列に時間的変化を許容したモデル(以下、TV−VARモデルという)で用いられる波形は、測定された振動波形を振幅が常に一定のとなるように前処理された標準モード波形とされるので、振幅の変化に起因した誤差の混入を防止するとともに、評価時間を十分に得てTV−VARモデル評価ができるから、固有振動数の変化量の正確な評価を行うことができる。したがって、TV−VARモデル評価を利用してコンクリート鉄道橋の主桁下面のひび割れの有無及びそのひび割れの程度を精度よく検知することができる。   In the present invention, the waveform used in a model that allows temporal changes in the autoregressive coefficient matrix of the multivariate autoregressive model (hereinafter referred to as the TV-VAR model) is such that the amplitude of the measured vibration waveform is always constant. Thus, since the pre-processed standard mode waveform is obtained, it is possible to prevent an error due to an amplitude change and to obtain a sufficient evaluation time to perform the TV-VAR model evaluation. Accurate evaluation can be performed. Therefore, the presence or absence of cracks on the lower surface of the main girder of the concrete railway bridge and the degree of the cracks can be accurately detected using the TV-VAR model evaluation.

また、本発明に係る鉄道橋固有振動数の変化量評価方法において、コンクリート鉄道橋の主桁の振動波形の測定は、そのコンクリート鉄道橋を列車が走行したときに得られた振動波形から列車通過後の振動波形を切り出して得られることを特徴としている。   Further, in the method for evaluating the variation in the natural frequency of the railway bridge according to the present invention, the measurement of the vibration waveform of the main girder of the concrete railway bridge is carried out from the vibration waveform obtained when the train travels on the concrete railway bridge. It is characterized by being obtained by cutting out the subsequent vibration waveform.

本発明では、列車の走行を利用して主桁の振動波形の測定を行うことができる特長がある。   The present invention has an advantage that the vibration waveform of the main girder can be measured using the traveling of the train.

本発明の鉄道橋固有振動数の変化量評価方法によれば、TV−VARモデルで用いられる波形は、列車通過後の波形をFFT処理、ピーク振動数抽出処理及びバンドパスフィルタ処理を行ってモード波形を生成し、次いで、その生成されたモード波形の包絡線を算出するとともに、その算出された包絡線に基づいて振幅が常に一定のとなるように生成された標準モード波形となるように前処理されるので、振幅の変化に起因した誤差の混入を防止するとともに、評価時間を十分に得てTV−VARモデル評価ができるから、固有振動数の変化量の正確な評価を行うことができる。
したがって、TV−VARモデル評価を利用してコンクリート鉄道橋の主桁下面のひび割れの有無及びそのひび割れの程度を精度よく検知することができ、これによりコンクリート鉄道橋の維持管理をより効率よく行うことができる。また、この評価方法により得られた結果を用いることにより、より精度の高い車両(列車)走行時のコンクリート鉄道橋シミュレーションを行うことができる。
According to the railway bridge natural frequency variation evaluation method of the present invention, the waveform used in the TV-VAR model is obtained by performing FFT processing, peak frequency extraction processing, and bandpass filter processing on the waveform after passing the train. Generate a waveform, and then calculate the envelope of the generated mode waveform, and the standard mode waveform generated so that the amplitude is always constant based on the calculated envelope. Since it is processed, it is possible to prevent an error due to a change in amplitude and to obtain a sufficient evaluation time and perform a TV-VAR model evaluation. Therefore, it is possible to accurately evaluate the amount of change in the natural frequency. .
Therefore, it is possible to accurately detect the presence and degree of cracks on the bottom surface of the main girder of a concrete railway bridge using the TV-VAR model evaluation, and thereby to maintain and manage the concrete railway bridge more efficiently. Can do. In addition, by using the results obtained by this evaluation method, it is possible to perform a concrete railway bridge simulation during traveling of a vehicle (train) with higher accuracy.

コンクリート鉄道橋の固有振動数が断面剛性と所定の関係を有していることを説明するための図であって、(a)は非載荷時の状態を示す図、(b)は桁中央断面力を示す図である。It is a figure for demonstrating that the natural frequency of a concrete railway bridge has a predetermined relationship with cross-sectional rigidity, Comprising: (a) is a figure which shows the state at the time of non-loading, (b) is a center cross-section of a girder It is a figure which shows force. コンクリート鉄道橋の固有振動数が断面剛性と所定の関係を有していることを説明するための図であって、(a)は載荷時又は下側振幅時の状態を示す図、(b)は桁中央断面力を示す図である。It is a figure for demonstrating that the natural frequency of a concrete railway bridge has a predetermined relationship with cross-sectional rigidity, (a) is a figure which shows the state at the time of loading or a lower side amplitude, (b) These are figures which show a girder center section force. コンクリート鉄道橋の固有振動数が断面剛性と所定の関係を有していることを説明するための図であって、(a)は上側振幅時の状態を示す図、(b)は桁中央断面力を示す図である。It is a figure for demonstrating that the natural frequency of a concrete railway bridge has predetermined | prescribed relationship with cross-sectional rigidity, Comprising: (a) is a figure which shows the state at the time of an upper side amplitude, (b) is a cross-section in the center of a girder It is a figure which shows force. 列車の通過に伴うたわみ波形図である。It is a deflection waveform figure accompanying passage of a train. 本発明の実施の形態による鉄道橋固有振動数の変化量評価方法の評価フローである。It is an evaluation flow of the variation | change_quantity evaluation method of a railway bridge natural frequency by embodiment of this invention. (a)はピーク振動数を表す図、(b)はバンドパスフィルタの帯域を示す図である。(A) is a figure showing a peak frequency, (b) is a figure showing the zone of a band pass filter. スペクトルに基づくピーク推定とバンドパスフィルタ処理によるモード波形図である。It is a mode waveform diagram by peak estimation based on a spectrum and bandpass filter processing. (a)はモード波形及び包絡線を示す図であり、(b)は振幅を常時、一定とした標準モード波形図である。(A) is a figure which shows a mode waveform and an envelope, (b) is a standard mode waveform figure which always made the amplitude constant. TV−VARモデルによるもので、(a)は主桁が健全を想定したときの模擬波形図、(b)はそのときの推定された時系列を示す図である。It is based on the TV-VAR model, (a) is a simulated waveform diagram when the main digit is assumed to be healthy, and (b) is a diagram showing an estimated time series at that time. TV−VARモデルによるもので、(a)は、主桁にひび割れが生じていることを想定したときの模擬波形図、(b)はそのときの推定された時系列を示す図である。According to the TV-VAR model, (a) is a simulated waveform diagram when it is assumed that the main girder is cracked, and (b) is a diagram showing a time series estimated at that time. 模擬波形の作成モデルを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the preparation model of a simulated waveform.

本発明による鉄道橋固有振動数の変化量評価方法の実施の形態について説明する前に、本発明の理解を容易にするために、コンクリート鉄道橋の固有振動数が断面剛性と所定の関係を有していることについて図1乃至図4を用いて説明する。   Before describing the embodiment of the method for evaluating the variation amount of the natural frequency of the railway bridge according to the present invention, in order to facilitate understanding of the present invention, the natural frequency of the concrete railway bridge has a predetermined relationship with the cross-sectional rigidity. This will be described with reference to FIGS.

図1(a)、図2(a)、及び図3(a)には、所定長さのコンクリート鉄道橋1が示されている。このコンクリート鉄道橋1の主桁2は、両端部が橋脚3上にそれぞれ載置されているとともに、その主桁2の長さ方向(紙面の左右方向)の中央部の下面には、所定深さのひび割れCが形成されている。   FIG. 1A, FIG. 2A, and FIG. 3A show a concrete rail bridge 1 having a predetermined length. Both ends of the main girder 2 of the concrete railway bridge 1 are respectively placed on the pier 3 and a predetermined depth is formed on the lower surface of the central portion of the main girder 2 in the length direction (left and right direction on the paper surface). Sano cracks C are formed.

図1(a)、(b)は、コンクリート鉄道橋1に列車が差し掛かっていない非載荷時の状態を示し、この状態では、ひび割れCが閉じられているので全断面有効状態となっていることが示されている。
また、図2(a)、(b)は、コンクリート鉄道橋1に列車(図示せず)が差し掛かった載荷状態と、列車通過に伴う振動で主桁2が下側へ振動している状態を示していて、この状態では、ひび割れCが開かれているので、そのひび割れCに対応する断面が無効状態となっていることが示されている。
そして、図3(a)、(b)は、コンクリート鉄道橋1から列車が通過した後の振動している状態で主桁2が上側へ振動している状態を示していて、この状態では、ひび割れCが閉じられているので全断面有効状態となっていることが示されている。
1 (a) and 1 (b) show a non-loading state in which no train is approaching the concrete railway bridge 1. In this state, the crack C is closed, and the entire section is in an effective state. It is shown.
2 (a) and 2 (b) show a loaded state in which a train (not shown) has reached the concrete railway bridge 1 and a state in which the main girder 2 vibrates downward due to vibration accompanying the passage of the train. In this state, since the crack C is opened, it is shown that the cross section corresponding to the crack C is in an invalid state.
And FIG. 3 (a), (b) has shown the state which the main girder 2 is vibrating upwards in the state which is vibrating after the train passes from the concrete railway bridge 1, In this state, Since the crack C is closed, it is shown that the entire section is in an effective state.

図4は、上述したコンクリート鉄道橋1に加速度計を設置して測定された列車の通過に伴うたわみ波形(振動波形)の例が示されている。この振動波形は、列車がコンクリート鉄道橋1を4秒間で通過し、その列車の通過後、8秒間、振動が計測されていることが示されている。したがって、この列車の通過後、8秒間は、図2に示す下側振幅時の振動と、図3に示す上側振幅時の振動とが繰り返されていることがわかる。すなわち、この8秒間は、コンクリート鉄道橋1の主桁2の有効断面に変化が生じている。
なお、図4に示す波形は、橋梁固有振動数が2.8Hzであり、列車走行速度が250km/hによるものである。
FIG. 4 shows an example of a deflection waveform (vibration waveform) accompanying the passage of a train measured by installing an accelerometer on the concrete railway bridge 1 described above. This vibration waveform shows that the train passes through the concrete railway bridge 1 in 4 seconds, and the vibration is measured for 8 seconds after the train passes. Therefore, it can be seen that the vibration at the lower amplitude shown in FIG. 2 and the vibration at the upper amplitude shown in FIG. 3 are repeated for 8 seconds after the train passes. That is, the effective cross section of the main girder 2 of the concrete railway bridge 1 has changed during these 8 seconds.
The waveform shown in FIG. 4 is obtained when the bridge natural frequency is 2.8 Hz and the train traveling speed is 250 km / h.

ところで、コンクリート鉄道橋1の固有振動数、すなわち主桁2の固有振動数fは、下記の(1)式で表される。   By the way, the natural frequency of the concrete railway bridge 1, that is, the natural frequency f of the main girder 2 is expressed by the following equation (1).

Figure 2016194442
Figure 2016194442

ここで、(1)式において、EIは断面剛性、Eは縦弾性係数(ヤング率)、Iは断面2次モーメント、Lは径間、mは単位長さ質量である。   Here, in the equation (1), EI is the cross-sectional rigidity, E is the longitudinal elastic modulus (Young's modulus), I is the cross-sectional secondary moment, L is the span, and m is the unit length mass.

(1)式からは、主桁2の下面にひび割れCを有する場合、上側振幅時の振動と下側振幅時の振動とでIが変化するために固有振動が変化することがわかる。したがって、主桁2のたわみ応答から上側の振動に係る固有振動数と下側の振動に係る固有振動数との違いが分かれば、主桁2の下面にひび割れCが発生しているか否かを判別することができる。本発明に係る鉄道橋固有振動数の変化量評価方法は、この固有振動数との違いの知見に基づいている。   From the equation (1), it can be seen that when there is a crack C on the lower surface of the main girder 2, the natural vibration changes because I changes between the vibration at the upper amplitude and the vibration at the lower amplitude. Therefore, if the difference between the natural frequency related to the upper vibration and the natural frequency related to the lower vibration is known from the deflection response of the main girder 2, whether or not the crack C is generated on the lower surface of the main girder 2 is determined. Can be determined. The railway bridge natural frequency variation evaluation method according to the present invention is based on the knowledge of the difference from this natural frequency.

次に、本実施の形態による鉄道橋固有振動数の変化量評価方法について、図5に示す評価フロー、及び図6〜図11を用いて説明する。なお、図5に示す評価フローの各工程(後述する各ステップS)の具体的な作業はコンピュータを用いて行われる。   Next, the railway bridge natural frequency variation evaluation method according to the present embodiment will be described with reference to the evaluation flow shown in FIG. 5 and FIGS. In addition, the specific operation | work of each process (each step S mentioned later) of the evaluation flow shown in FIG. 5 is performed using a computer.

先ず、本実施の形態による鉄道橋固有振動数の変化量評価方法は、たわみ波形(振動波形)の読み込みが行われる(ステップS1(以下、ステップを「ステップS」とする。)。すなわち、ひび割れ検知対象のコンクリート鉄道橋に設置された加速度計で計測された計測値の読み込みが行われる。この読み込みは、図4に示されるように、列車の通過中、及び列車の通過後の所定時間の振動波形(単に「波形」というときもある。)が取り込まれる。   First, in the method for evaluating the amount of change in the natural frequency of a railway bridge according to the present embodiment, a deflection waveform (vibration waveform) is read (step S1 (hereinafter, step is referred to as “step S”). Reading of the measurement value measured by the accelerometer installed on the concrete railway bridge to be detected is performed during the passage of the train and for a predetermined time after the passage of the train, as shown in FIG. A vibration waveform (sometimes simply referred to as “waveform”) is captured.

次に、ステップS2において、上述したステップS1で読み込まれた波形に基づいてモード波形が算出される。このモード波形の算出においては、先ず読み込まれた波形から列車通過後の波形、すなわち、列車(車両)に関係する載荷に影響されない部分の波形が切り出される(ステップS21)。   Next, in step S2, a mode waveform is calculated based on the waveform read in step S1 described above. In the calculation of the mode waveform, a waveform after passing through the train, that is, a portion of the waveform that is not affected by the load related to the train (vehicle) is cut out from the read waveform (step S21).

次いで、切り出された列車通過後の波形は、FFT(フーリエ変換)後(ステップS23)、ピーク振動数fの抽出が行われる(ステップS23、図6(a)参照)。そして、この抽出されたピーク振動数fを基にバンドパスフィルタが設定される(S24、図6(b)参照)。ここでのバンドパスフィルタの通過帯域fは、0.8f<f<1.2 fとされている。そして、その設定されたバンドパスフィルタを用いてフィルタ処理され(ステップS25)、モード波形が生成される(ステップS26、図7参照)。 Then, the waveform after the train pass cut out, FFT (Fourier transform) after (Step S23), extraction of the peak frequency f 0 is performed (see step S23, FIG. 6 (a)). Then, a bandpass filter is set based on the extracted peak frequency f 0 (see S24, FIG. 6B). Here, the passband f of the bandpass filter is 0.8 f 0 <f <1.2 f 0 . Then, filtering is performed using the set bandpass filter (step S25), and a mode waveform is generated (step S26, see FIG. 7).

次に、ステップS3において、ステップS2で生成されたモード波形に基づいて標準化モード波形が生成される。この標準化モード波形の生成においては、モード波形がヒルベルト変換(ステップS31)され、包絡線が生成される(ステップS32、図8(a)参照)。
ステップS32の後、各時点においてモード波形を生成された包絡線で除されて(ステップS33)、振幅が常に「1」となる標準モード波形が生成される(ステップS34、図8(b)参照)。
Next, in step S3, a standardized mode waveform is generated based on the mode waveform generated in step S2. In the generation of the standardized mode waveform, the mode waveform is subjected to Hilbert transform (step S31), and an envelope is generated (see step S32, FIG. 8A).
After step S32, the mode waveform at each time point is divided by the generated envelope (step S33) to generate a standard mode waveform whose amplitude is always “1” (see step S34, FIG. 8B). ).

次いで、ステップS4において、ステップS3で生成された標準モード波形に基づいて、多変量自己回帰モデルの自己回帰係数行列に時間的変化を許容したモデル(TV−VARモデル)を利用した固有振動数の変動が算出される。すなわち、この固有振動数の変動算出においては、振幅が常に一定(図示の例では「1」)の標準モード波形を用いてTV−VARモデルに基づいて固有振動数の変化が推定され(ステップS41)、その推定から固有振動数の時系列が算出される(ステップS42)。   Next, in step S4, the natural frequency using a model (TV-VAR model) that allows temporal change in the autoregressive coefficient matrix of the multivariate autoregressive model based on the standard mode waveform generated in step S3. Variation is calculated. That is, in calculating the fluctuation of the natural frequency, a change in the natural frequency is estimated based on the TV-VAR model using a standard mode waveform whose amplitude is always constant (“1” in the illustrated example) (step S41). ), A time series of natural frequencies is calculated from the estimation (step S42).

ここで、図9(a)には、主桁下面にひび割れが発生していないとしたときを想定した標準モード波形をTV−VARモデルに基づいて推定された模擬波形が示され、図9(b)には、その作成波形の論理スペクトルが示されている。この健全な主桁を想定した場合の固有振動数は、図9(b)に示されるように、振幅に依らず一定(図示の例では、2.8Hz)であることがわかる。   Here, FIG. 9A shows a simulated waveform obtained by estimating a standard mode waveform based on the TV-VAR model assuming that no cracks are generated on the lower surface of the main girder. b) shows the logical spectrum of the created waveform. As can be seen from FIG. 9B, the natural frequency when this healthy main girder is assumed is constant (2.8 Hz in the illustrated example) regardless of the amplitude.

図10(a)には、主桁下面にひび割れが発生しているいときを想定した標準モード波形をTV−VARモデルに基づいて推定された模擬波形が示され、図10(b)には、その作成波形の論理スペクトルが示されている。このひび割れを有する主桁を想定した場合の固有振動数は、図10(b)に示されるように、振幅が下側に大きいほど固有振動数が低下(振幅上端は一定)していることがわかる。このことは、図11に示されるTV−VARモデルの模擬波形の作成モデルにも示されている。   FIG. 10A shows a simulated waveform obtained by estimating a standard mode waveform based on the TV-VAR model assuming that a crack is generated on the lower surface of the main girder. FIG. The logical spectrum of the created waveform is shown. As shown in FIG. 10B, the natural frequency when assuming the main girder having the crack is that the natural frequency decreases (the upper end of the amplitude is constant) as the amplitude increases downward. Recognize. This is also shown in the simulated waveform creation model of the TV-VAR model shown in FIG.

次いで、ステップS5において、元の時系列において下側に振動している場合の下側振動時の固有振動数fが抽出されるとともに、上側に振動している場合の上側振動時の固有振動数fが抽出され、そして、下側振動時の固有振動数fを上側振動時の固有振動数fで除して固有振動数の変化率rが求められる(r=f/f)。 Then, in step S5, with the natural frequency f d at the lower vibration when vibrating the lower side it is extracted in time series of the original natural frequency at the upper vibration when vibrating the upper The number f u is extracted, and the natural frequency f d at the time of the lower side vibration is divided by the natural frequency f u at the time of the upper side vibration to obtain the rate of change r f of the natural frequency (r f = f d / Fu ).

ところで、主桁の固有振動数の変動因子は、上述した(1)式に示されるように、断面2次モーメントIのみであるので、固有振動数の変化からひび割れの有無及びそのひび割れの程度を検知することができる。このため、ステップS6において、上述したステップS5で求められた固有振動数の変化率rを二乗することで、ひび割れに起因した主桁の断面2次モーメントの見かけ上の低下率が算出される。そして、この低下率から主桁下面のひび割れの有無及びそのひび割れの程度が検知される。 By the way, the fluctuation factor of the natural frequency of the main girder is only the secondary moment I of the cross section as shown in the above-described equation (1). Can be detected. Therefore, in step S6, by squaring the variation rate r f of the natural frequency determined in step S5 described above, rate of decrease in the apparent second moment of the main girder due is calculated for cracking . And the presence or absence of the crack of the main girder lower surface and the extent of the crack are detected from this decreasing rate.

このように本実施の形態に係る鉄道橋固有振動数の変化量評価方法では、図5に示すように、TV−VARモデルで用いられる波形は、列車通過後の波形をFFT処理、ピーク振動数抽出処理及びバンドパスフィルタ処理を行ってモード波形を生成し、次いで、その生成されたモード波形の包絡線を算出するとともに、その算出された包絡線に基づいて振幅が常に一定のとなるように生成された標準モード波形となるように前処理されるので、振幅の変化に起因した誤差の混入を防止するとともに、評価時間を十分に得てTV−VARモデル評価を行うができるから、固有振動数の変化量の正確な評価を行うことができる。   Thus, in the railway bridge natural frequency variation evaluation method according to the present embodiment, as shown in FIG. 5, the waveform used in the TV-VAR model is obtained by performing FFT processing on the waveform after passing through the train, and the peak frequency. A mode waveform is generated by performing extraction processing and bandpass filter processing, and then an envelope of the generated mode waveform is calculated, and the amplitude is always constant based on the calculated envelope Since the pre-processing is performed so that the generated standard mode waveform is obtained, it is possible to prevent an error due to a change in amplitude and to obtain a sufficient evaluation time to perform the TV-VAR model evaluation. Accurate evaluation of the amount of change in the number can be performed.

したがって、TV−VARモデル評価を利用してコンクリート鉄道橋の主桁下面のひび割れの有無及びそのひび割れの程度を精度よく検知することができ、これによりコンクリート鉄道橋の維持管理をより効率よく行うことができる。また、この評価方法により得られた結果を用いることにより、より精度の高い車両(列車)走行時のコンクリート鉄道橋シミュレーションを行うことができる。   Therefore, it is possible to accurately detect the presence and degree of cracks on the bottom surface of the main girder of a concrete railway bridge using the TV-VAR model evaluation, and thereby to maintain and manage the concrete railway bridge more efficiently. Can do. In addition, by using the results obtained by this evaluation method, it is possible to perform a concrete railway bridge simulation during traveling of a vehicle (train) with higher accuracy.

以上、本発明による鉄道橋固有振動数の変化量評価方法の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述の例では、モード波形の算出の元となる波形は、読み込まれた波形から列車通過後の波形を切り出すようにしたが、コンクリート鉄道橋に重錘等を用いて測定用の衝撃を加えたときに得られる振動の波形とすることもできる。
As mentioned above, although embodiment of the change evaluation method of the natural frequency of a railway bridge by this invention was described, this invention is not limited to said embodiment, It can change suitably in the range which does not deviate from the meaning. It is.
For example, in the above example, the waveform that is the basis for the calculation of the mode waveform is cut out from the read waveform after passing the train, but the impact for measurement using a weight or the like is applied to the concrete railway bridge. It can also be a vibration waveform obtained when applied.

また、本実施の形態による鉄道橋固有振動数の変化量評価方法は、被検知対象物は、コンクリート鉄道橋としたが、ひび割れによって、断面剛性(EI)が変化する構造物であれば適用することができるので、本発明で「鉄道橋」というときは、このような構造物も含まれている。   In addition, the method for evaluating the amount of change in the natural frequency of the railway bridge according to the present embodiment is applied to any object whose cross-sectional rigidity (EI) is changed by cracking, although the object to be detected is a concrete railway bridge. Therefore, in the present invention, the term “railway bridge” includes such a structure.

1 コンクリート鉄道橋
2 主桁
3 橋脚
C ひび割れ
1 concrete railway bridge 2 main girder 3 pier C crack

Claims (2)

コンクリート鉄道橋の主桁下面に発生したひび割れをそのコンクリート鉄道橋の固有振動数の変化から検知する際に用いられる鉄道橋固有振動数の変化量評価方法であって、
前記コンクリート鉄道橋の主桁の振動波形を測定し、
前記測定された振動波形をFFT処理、ピーク振動数抽出処理及びバンドパスフィルタ処理を行ってモード波形を生成し、
前記生成されたモード波形の包絡線を算出するとともに、その算出された包絡線に基づいて振幅が常に一定のとなるように標準モード波形を生成し、
前記生成された標準モード波形に基づいて、多変量自己回帰モデルの自己回帰係数行列に時間的変化を許容したモデルを用いて前記鉄道橋固有振動数の変化量を評価することを特徴とする鉄道橋固有振動数の変化量評価方法。
A method for evaluating the amount of change in the natural frequency of a railway bridge used when detecting cracks occurring on the underside of the main girder of a concrete railway bridge from the change in the natural frequency of the concrete railway bridge,
Measure the vibration waveform of the main girder of the concrete railway bridge,
The measured vibration waveform is subjected to FFT processing, peak frequency extraction processing, and bandpass filter processing to generate a mode waveform,
Calculate the envelope of the generated mode waveform, and generate a standard mode waveform so that the amplitude is always constant based on the calculated envelope,
A railway that evaluates a change amount of the natural frequency of the railway bridge using a model that allows a temporal change in an autoregressive coefficient matrix of a multivariate autoregressive model based on the generated standard mode waveform. Method for evaluating the amount of change in bridge natural frequency
前記コンクリート鉄道橋の主桁の振動波形の測定は、そのコンクリート鉄道橋を列車が走行したときに得られた振動波形から列車通過後の振動波形を切り出して得られることを特徴とする請求項1に記載の鉄道橋固有振動数の変化量評価方法。   The measurement of the vibration waveform of the main girder of the concrete railway bridge is obtained by cutting out the vibration waveform after passing through the train from the vibration waveform obtained when a train travels on the concrete railway bridge. The change evaluation method of the natural frequency of the railway bridge described in 1.
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