JP2017020172A

JP2017020172A - 橋梁動的応答評価方法

Info

Publication number: JP2017020172A
Application number: JP2015136078A
Authority: JP
Inventors: 弘大松岡; Kota Matsuoka; 渡辺　勉; Tsutomu Watanabe; 勉渡辺; 正道曽我部; Masamichi Sogabe; 徹生山東; Tetsuo Santo; 良則進藤; Yoshinori Shindo
Original assignee: Railway Technical Research Institute; Japan Railway Construction Transport and Technology Agency
Current assignee: Railway Technical Research Institute; Japan Railway Construction Transport and Technology Agency
Priority date: 2015-07-07
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2035-07-07
Also published as: JP6467304B2

Abstract

【課題】橋梁上を走行する列車の車両加速度応答に着目し、車両の上下加速度応答に基づく指標を用いることにより、たわみ測定作業を行うことなく橋梁の衝撃係数を求め、動的応答の評価／橋梁の健全性の評価を行うことを可能にする橋梁動的応答評価方法を提供する。【解決手段】列車の先頭車両と最後尾車両にそれぞれ上下加速度を計測する加速度計を設け、走行時の先頭車両と最後尾車両の上下加速度を計測する。そして、橋梁通過時の加速度計の計測データを抽出し、最後尾車両の加速度計で計測した上下加速度の波形の特徴量を、先頭車両で計測した上下加速度の特徴量で除して加速度増幅率を算出する。また、予め求めた橋梁の衝撃係数と加速度増幅係数の関係に加速度増幅係数を当てはめて橋梁の衝撃係数を算出する。【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道橋の動的応答評価方法に関し、特に橋梁を通過する際の走行列車の車両上下加速度応答を用いて橋梁の衝撃係数（動的応答成分）を求める方法に関する。

高速鉄道用橋梁、高架橋などの鉄道橋では、図７に示すように、走行列車の規則的な車軸配置に起因した周期的な加振によって共振が発生し、大きな動的応答が生じる場合がある。

そして、このような列車走行時に生じる大きな動的応答は、従来、衝撃係数として設計に反映されてきた。
この一方で、列車走行速度が飛躍的に高まり、また、鉄道橋の大半にＰＲＣ構造（プレストレストコンクリート構造）が採用されて低剛性桁が普及していることなどから、１９９２年以前の設計標準で設計された構造物については、設計に用いる式の適用外になる事例が多くなり、現地測定でも従来を上回る列車走行時の橋梁の共振の発生が確認されている。なお、桁の低剛性化によって２００ｋｍ／ｈ台の走行速度であっても共振により大きな応答が励起されるケースが確認されている。

また、高速鉄道橋は列車走行時のたわみ制限が設けられているため、列車走行時の共振によって動的応答成分が大きく励起される場合には、その動的応答を評価するための重要な指標として衝撃係数が用いられている。さらに、衝撃係数は、鉄道橋のひび割れ等の劣化現象にも関連が深いことから維持管理における重要な指標でもある。

そして、従来、鉄道橋の衝撃係数を評価する際には、リング式変位計やビデオ計測、Ｕドップラー（レーザドップラー速度計を内蔵した構造物用非接触振動測定システム）などを用い、列車通過時の橋梁鉛直変位を橋梁側（地上側）で測定（たわみ測定）し、この測定結果を用いて衝撃係数を求めるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−２３３７５８号公報

しかしながら、上記従来の橋梁動的応答評価方法では、各橋梁に対し、たわみ測定を橋梁側（地上側）で１箇所ずつ行う必要がある。その際、鉄道橋は構造形式が同一であったとしても、施工や共用環境に起因して構造性能（劣化の程度など）が大きく異なる場合もあるため、可能な限り長大な路線を構成する全ての鉄道橋に対して実施することが望ましいが、長大な路線の全ての鉄道橋に対して実施することは莫大な労力を要し、人的にも時間的にも困難である。

なお、代表的な鉄道橋に対して実施するようにしたとしても、国道や鉄道、河川等の上に架設されている場合や、常に風が強い箇所では、たわみ測定自体が行えない場合もある。

上記事情に鑑み、本発明は、橋梁上を走行する列車の車両加速度応答に着目し、車両の上下加速度応答に基づく指標を用いることにより、たわみ測定作業を行うことなく橋梁の衝撃係数を求め、動的応答の評価／橋梁の健全性の評価を行うことを可能にする橋梁動的応答評価方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の橋梁動的応答評価方法は、列車の先頭車両と最後尾車両にそれぞれ上下加速度を計測する加速度計を設け、走行時の前記先頭車両と前記最後尾車両の上下加速度を計測する車両加速度計測工程と、橋梁通過時の前記加速度計の計測データを抽出する橋梁通過時加速度データ抽出工程と、前記最後尾車両の加速度計で計測した上下加速度の波形の特徴量を、前記先頭車両で計測した上下加速度の特徴量で除して加速度増幅率を算出する加速度増幅率算出工程と、予め求めた橋梁の衝撃係数と加速度増幅係数の関係に前記加速度増幅係数を当てはめて橋梁の衝撃係数を算出する衝撃係数算出工程とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の橋梁動的応答評価方法においては、前記上下加速度の特徴量が橋梁通過時の加速度波形の最大値、最小値、ＲＭＳの少なくとも一つであることが望ましい。

本発明の橋梁動的応答評価方法においては、走行する列車の車両の応答から簡易に且つ網羅的に橋梁の衝撃係数を求めて評価することができる。すなわち、各橋梁のたわみ測定を行うことなく、路線を構成する膨大な数の橋梁の衝撃係数を容易に把握することができる。

また、走行する列車の車両の応答から簡易に且つ網羅的に橋梁の衝撃係数を求めることができるため、国道や鉄道、河川等の上に架設されている橋梁や、常に風が強い箇所の橋梁など、たわみ測定の実施が困難な橋梁であっても衝撃係数を取得することが可能になる。

さらに、列車の走行が日常的に実施されている場合には、衝撃係数の経時変化を追跡することも可能である。

よって、本発明の橋梁動的応答評価方法によれば、実際の構造性能に基づく弱点箇所の抽出、詳細測定箇所の選定が格段に容易になり、調査や管理を大幅に効率化することが可能になる。

橋梁たわみと先頭車両加速度／最後尾車両加速度の関係を示す図である。本発明の一実施形態に係る橋梁動的応答評価方法を示す図であり、走行車両の加速度を用いた橋梁の衝撃係数推定方法を示すフロー図である。径間長２５ｍの橋梁における加速度振幅率と衝撃係数の関係の一例を示す図である。加速度振幅率に基づく推定式（２）の推定精度を示す図である。径間長４５ｍの橋梁における加速度振幅率と衝撃係数の関係の一例を示す図である。加速度振幅率に基づく推定式（３）の推定精度を示す図である。列車走行時の鉄道橋の共振波形の一例を示す図である。

以下、図１から図６を参照し、本発明の一実施形態に係る橋梁動的応答評価方法について説明する。

はじめに、鉄道橋においては、図１に示すように、橋梁のたわみが大きいほど、車両に大きな加速度が励起される。また、列車の先頭車両通過時には橋梁に動的応答がほとんど発生しない（静的応答のみ）。

本実施形態の橋梁動的応答評価方法では、上記の鉄道橋の特徴に着目し、図１及びに示すように、列車１の先頭車両１ａと最後尾車両１ｂの第１台車１ｃ又は第２台車１ｄ上に加速度計２を設け、これら先頭車両１ａと最後尾車両１ｂの列車走行時の上下方向の加速度を計測する（車両加速度計測工程）。また、列車の走行速度を随時計測する。

なお、加速度計２は、必ずしも各車両１ａ、１ｂの第１台車１ｃ上又は第２台車１ｄ上に設けることに限定しなくてもよい。すなわち、できる限り測定箇所や車両振動に起因する誤差を減らすように任意の位置を選定して加速度計２を設置すればよい。

そして、図２に示すように、本実施形態の橋梁動的応答評価方法では、列車１の走行速度、径間長、始点キロ程、終点キロ程及び設計衝撃係数を収納した橋梁データに基づき、対象橋梁を列車１が通過しているときの加速度計２の計測データを抽出する（橋梁通過時加速度データ抽出工程）。

また、対象橋梁通過中の先頭及び最後尾の車両１ａ、１ｂの上下加速度から特徴量を算出する（先頭／最後尾車両の加速度特徴量算出工程）。
ここで、各車両１ａ、１ｂの上下加速度の特徴量としては、例えば橋梁通過時の加速度波形の最大値、最小値、ＲＭＳ（平均振幅）などが挙げられる。

次に、下記の式（１）に示すように、最後尾車両１ｂで計測した上下加速度波形の特徴量を、先頭車両１ａで計測した上下加速度の特徴量で除した値（加速度増幅率Ｃａ）を算出する（加速度増幅率算出工程）。

次に、予め求めた橋梁の衝撃係数と加速度増幅係数の関係式に、式（１）で算出した加速度増幅係数Ｃａを当てはめて橋梁の衝撃係数／衝撃係数推定値ｉａ（＝（静的＋動的たわみ）／（静的たわみ）−１）を算出する（衝撃係数算出工程）。

ここで、図３、図４、下記の式（２）は、径間長４０ｍ未満の橋梁、車両１ａ、１ｂの上下加速度の特徴量としてＲＭＳを用いた場合の橋梁の衝撃係数と加速度増幅係数の関係、関係式を示している。

また、図５、図６、下記の式（３）は、径間長４０ｍ以上の橋梁、車両１ａ、１ｂの上下加速度の特徴量としてＲＭＳを用いた場合の橋梁の衝撃係数と加速度増幅係数の関係、関係式を示している。なお、式中のｖは列車の走行速度である。

これらの図に示す通り、実際の１０両編成の新幹線車両及び鉄道橋での実測結果に基づき、径間長４０ｍ未満の橋梁の衝撃係数ｉａの推定式である式（２）は、車両／橋梁の動的相互作用を考慮した数値シミュレーション結果との比較により、１以上の衝撃係数を概ね誤差４０％以下で推定可能であることが確認されている。

径間長４０ｍ以上の橋梁の衝撃係数ｉａの推定式である式（３）は、車両／橋梁の動的相互作用を考慮した数値シミュレーション結果との比較により、０．８以上の衝撃係数を概ね誤差３０％以下で推定可能であることが確認されている。

また、本実施形態の橋梁動的応答評価方法では、複数回の走行が実施され、より多くの車両加速度波形がある場合には、逐次、図２に示した処理を行い、橋梁データベースに推定衝撃係数を蓄積していく。

さらに、複数の車両加速度波形がある場合には、橋梁データベースに記録する情報として測定日を加える。また、推定した衝撃係数と列車速度および橋梁ＩＤを橋梁データベースに収納する。

そして、路線全体における各橋梁の推定衝撃係数を出力する（対象橋梁の衝撃係数出力工程）。このとき、例えば、推定衝撃係数が大きい橋梁上位数％、設計衝撃係数に対して推定衝撃係数が大きい橋梁上位数％、同一構造形式もしくは同一径間長の橋梁の中での推定衝撃係数が大きい橋梁上位数％など、指標に着目したランキング形式を用いることで、実際の構造性能に基づく弱点箇所の抽出、詳細測定箇所の選定が可能になる。

したがって、本実施形態の橋梁動的応答評価方法においては、走行する列車１の先頭車両１ａと最後尾車両１ｂの加速度応答から簡易に且つ網羅的に橋梁の衝撃係数を求めて評価することができる。すなわち、各橋梁のたわみ測定を行うことなく、路線を構成する膨大な数の橋梁の衝撃係数を容易に把握することができる。

また、走行する列車１の車両１ａ、１ｂの応答から簡易に且つ網羅的に橋梁の衝撃係数を求めることができるため、国道や鉄道、河川等の上に架設されている橋梁や、常に風が強い箇所の橋梁など、たわみ測定の実施が困難な橋梁であっても衝撃係数を取得することが可能になる。

さらに、列車１の走行が日常的に実施されている場合には、衝撃係数の経時変化を追跡することも可能である。

よって、本実施形態の橋梁動的応答評価方法によれば、実際の構造性能に基づく弱点箇所の抽出、詳細測定箇所の選定が格段に容易になり、調査や管理を大幅に効率化することが可能になる。

さらに、式（２）によって、径間長４０ｍ未満の橋梁における１以上の衝撃係数を、概ね誤差４０％程度で推定できる。また、１未満においても４０％以上過小に評価することがないため、衝撃係数が大きな橋梁を見落とすようなことがない。

また、式（３）によって、径間長４０ｍ以上の橋梁における０．８以上の衝撃係数を、概ね誤差３０％程度で推定できる。また、０．８未満においても３０％以上過小に評価することがないため、衝撃係数が大きな橋梁を見落とすようなことがない。

以上、本発明に係る本実施形態の本実施形態の橋梁動的応答評価方法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施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。

１列車
１ａ先頭車両
１ｂ最後尾車両
１ｃ第１台車
１ｄ第２台車
２加速度計

Claims

列車の先頭車両と最後尾車両にそれぞれ上下加速度を計測する加速度計を設け、走行時の前記先頭車両と前記最後尾車両の上下加速度を計測する車両加速度計測工程と、
橋梁通過時の前記加速度計の計測データを抽出する橋梁通過時加速度データ抽出工程と、
前記最後尾車両の加速度計で計測した上下加速度の波形の特徴量を、前記先頭車両で計測した上下加速度の特徴量で除して加速度増幅率を算出する加速度増幅率算出工程と、
予め求めた橋梁の衝撃係数と加速度増幅係数の関係に前記加速度増幅係数を当てはめて橋梁の衝撃係数を算出する衝撃係数算出工程とを備えていることを特徴とする橋梁動的応答評価方法。
請求項１記載の橋梁動的応答評価方法において、
前記上下加速度の特徴量が橋梁通過時の加速度波形の最大値、最小値、ＲＭＳの少なくとも一つであることを特徴とする橋梁動的応答評価方法。