JP2018009354A - Viaduct state monitoring apparatus and viaduct state monitoring method - Google Patents

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Takumi Ishihara
匠 石原
阿部 慶太
Keita Abe
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a viaduct state monitoring apparatus and state monitoring method, capable of evaluating whether or not abnormality has occurred at a pile head of a pillar positioned in the vicinity of an underground beam, a foundation, without using visual confirmation.SOLUTION: A viaduct state monitoring apparatus for a viaduct A including an underground beam 3 and pile foundation 2, foundations, a pillar 4 fixed on the underground beam 3, and an upper floor beam 5 fixed on the crown of the pillar 4 comprises: a vibration measurement instrument 11, installed on a pillar base part 10 of the pillar 4 positioned in the vicinity of the underground beam 3 and pile foundation 2, for measuring a vibration obtained by striking or vibrating the pillar base part 10; calculation recording means 13 for calculating and recording a natural frequency in a pile head secondary mode on the basis of a detection value from the vibration measurement instrument 11; and evaluation means 14 for monitoring whether or not reduction in the natural frequency in the pile head secondary mode has occurred on the basis of output from the calculation recording means 13 to perform structure soundness determination by evaluating a damage state of the pile foundation 2 of the viaduct on the basis of a monitoring result.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、鉄道ラーメン高架橋等のコンクリート構造物に適用されて、地震後に生じた杭頭部を含む杭基礎の損傷の有無を効率的に確認することができる健全度評価手法に関する。   The present invention relates to a soundness evaluation method that can be applied to a concrete structure such as a railway ramen viaduct to efficiently check the presence or absence of damage to a pile foundation including a pile head generated after an earthquake.

現在供用中の鉄道ラーメン高架橋においては、地震により損傷を受けた場合の健全度診断結果が、列車運行および早期再開の重要な指標となる。
そこで、鉄道ラーメン高架橋の安定性に関する健全度を非破壊で定量的に評価できる手法(健全度評価手法)として、橋脚天端の橋軸直角方向を30kg程度の重錘で打撃して得られた1次固有振動モードの固有振動数の大きさから、損傷レベルを評価する衝撃振動試験が確立されている。
In the railway ramen viaduct currently in service, the result of soundness diagnosis when damaged by an earthquake is an important indicator of train operation and early restart.
Therefore, as a technique (health evaluation technique) capable of non-destructively and quantitatively evaluating the degree of stability related to the stability of the railway ramen viaduct, it was obtained by striking the bridge axis perpendicular direction of the pier top with a weight of about 30 kg. An impact vibration test for evaluating the damage level from the magnitude of the natural frequency of the primary natural vibration mode has been established.

具体的には、非特許文献1に示される「RCラーメン高架橋の健全度評価法の研究」では、橋脚天端を重錘により打撃したときの応答から該橋脚の固有振動数および振動モードを求め、それら値により基礎の健全度を判定する。
また、非特許文献2に示される「RCラーメン高架橋の地震時損傷レベルの評価に関する研究」では、地震によりRCラーメン高架橋が損傷した場合に、損傷レベルに応じた復旧対策の決定およびその対策を行うために、構造物の損傷時に固有振動数が低下する現象に着目して、該構造物の損傷レベルを評価する。
これにより非特許文献2では、掛矢の打撃による衝撃振動試験を行うことで求めた全体系の1次固有振動数の数値解析結果に基づき、地震時に損害が生じた柱端部の塑性率を算出し、その算出結果に基づき全体の損傷レベルの評価を可能としている。
Specifically, in “Research on soundness evaluation method of RC ramen viaduct” shown in Non-Patent Document 1, the natural frequency and vibration mode of the pier are obtained from the response when the top of the pier is hit with a weight. The basis soundness is determined by these values.
In addition, in “Research on damage level evaluation of RC ramen viaduct during earthquake” shown in Non-Patent Document 2, when RC ramen viaduct is damaged by an earthquake, recovery measures are determined according to the damage level and countermeasures are taken. Therefore, paying attention to the phenomenon that the natural frequency decreases when the structure is damaged, the damage level of the structure is evaluated.
As a result, Non-Patent Document 2 calculates the plasticity rate of the column end where damage occurred during an earthquake based on the numerical analysis result of the primary natural frequency of the entire system obtained by performing the impact vibration test by hitting the hanging arrow. The overall damage level can be evaluated based on the calculation result.

一方、橋脚の経時的な健全性評価ができる状態監視システムとして、特許文献1に示される技術が提供されている。
特許文献1に示される状態監視システムは、センサの振動情報から得られた振動数ごとの振動の大きさを示す波形から、橋脚の健全性の指標値として、第1の振動数を上限とする振動数の範囲の波形面積と、第1の振動数より大きい第2の振動数を上限とする振動数の範囲の波形面積による比であるパワースペクトル面積比を算出する。
そして、この特許文献1では、例えば、該パワースペクトル面積比と、衝撃振動試験による固有振動数との相関関係を監視することにより橋脚の長期的かつ経時的な健全性評価が可能となる。
On the other hand, as a state monitoring system capable of evaluating the soundness of a pier over time, a technique disclosed in Patent Document 1 is provided.
The state monitoring system disclosed in Patent Document 1 uses the first frequency as the upper limit as an index value of the soundness of the pier from the waveform indicating the magnitude of vibration for each frequency obtained from the vibration information of the sensor. A power spectrum area ratio, which is a ratio of the waveform area in the frequency range and the waveform area in the frequency range up to a second frequency greater than the first frequency, is calculated.
In Patent Document 1, for example, by monitoring the correlation between the power spectrum area ratio and the natural frequency by the impact vibration test, it is possible to evaluate the soundness of the bridge pier over time and over time.

特開2015−230206号公報JP-A-2015-230206

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,pp14−21,1990年9月Akihiko Nishimura: Research on the method for evaluating the soundness of ramen viaducts Railway Research Institute Report Vol.4, No.9, pp14-21, September 1990 関雅樹,西村昭彦,佐野弘幸,中野聡:RCラーメン高架橋の地震時損傷レベルの評価に関する研究 土木学会論文集 NO.731/I−63,pp51−64,2003年4月Masaki Seki, Akihiko Nishimura, Hiroyuki Sano, Atsushi Nakano: A study on evaluation of damage level of RC ramen viaduct during earthquake No.731 / I-63, pp51-64, April 2003

上述した非特許文献に示される1次振動モードの固有振動数、または特許文献に示されるパワースペクトル面積比は、地震時に損傷が生じているラーメン高架橋全体における健全度診断指標として用いることができる。
しかしながら、杭基礎を有しているラーメン高架橋柱において、地中に埋まっている杭頭部が、地震により大きな損傷を受けている場合があり、このような状況下での高架橋の健全度評価については未知数な部分が多く、検討の余地が残されていた。
すなわち、上記文献の研究では、杭基礎損傷の状況までは考慮がされておらず、地震で杭基礎部材に損傷が発生した状態においても、同様な振動特性が発現するかについては定かではない。
The natural frequency of the primary vibration mode shown in the above-mentioned non-patent literature or the power spectrum area ratio shown in the patent literature can be used as a health diagnostic index in the entire ramen viaduct that is damaged during an earthquake.
However, in ramen viaduct columns with pile foundations, the pile heads buried in the ground may have been damaged greatly by earthquakes, and the assessment of the soundness of the viaduct under such circumstances There were many unknowns, and there was room for further study.
That is, in the research of the above-mentioned literature, the situation of pile foundation damage is not taken into consideration, and it is not certain whether similar vibration characteristics are exhibited even in a state where damage is caused to the pile foundation member due to an earthquake.

結果として、現状の確認方法としては、杭基礎部分を掘り起して目視するしかなく、現実的には実施することが困難である。さらに、既設の鉄道ラーメン高架橋に関して、建設から長い年月が経過しているものが多く、老朽化が進んでいる構造物が多数存在している可能性が高いため、目視に代わる健全度評価法の確立が求められている。
特に、杭頭部を含む杭基礎部については、損傷の恐れがあるとしても目視による確認は困難なため、目視に代わる健全度評価法が求められている。
As a result, the current confirmation method is to dig up the pile foundation part and visually check it, and it is difficult to implement in practice. In addition, many of the existing railway ramen viaducts that have been used for many years have been built, and there is a high possibility that many structures are aging. Establishment is required.
In particular, the pile foundation including the pile head is difficult to visually confirm even if there is a risk of damage, so a soundness evaluation method that replaces visual inspection is required.

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、目視確認によらず、杭頭部を含む杭基礎部に異常が生じているか否かを評価することができる、高架橋の状態監視装置及び状態監視方法を提供する。   This invention was made in view of the above-mentioned circumstances, and is capable of evaluating whether or not an abnormality has occurred in the pile foundation including the pile head, without visual confirmation, and monitoring the state of the viaduct. An apparatus and a state monitoring method are provided.

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の状態監視装置は、基礎となる杭および地中梁と、該基礎に固定された柱と、該柱の天端部に固定された上床梁とを有するラーメン高架橋において、地中梁および杭基礎近傍に位置する柱の基部に設置されて該柱基部を打撃又は起振させることにより得た振動を計測する振動計測器と、該振動計測器から出力される検出値に基づき杭頭2次モードの固有振動数を演算しかつ記録する演算記録手段と、該演算記録手段からの出力に基づき前記杭頭2次モードの固有振動数に低下が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する評価手段と、を具備することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
The state monitoring device of the present invention is a ramen viaduct having a pile and underground beam as a foundation, a column fixed to the foundation, and an upper floor beam fixed to the top end of the column. A vibration measuring instrument that is installed at the base of a column located in the vicinity of the pile foundation and measures vibration obtained by striking or oscillating the column base, and a pile head 2 based on the detection value output from the vibration measuring instrument The operation recording means for calculating and recording the natural frequency of the next mode, and monitoring whether or not the natural frequency of the pile head secondary mode has decreased based on the output from the operation recording means, and the monitoring result And evaluation means for determining damage to the viaduct pile foundation.

そして、以上のように構成された高架橋の状態監視装置では、地中梁および杭基礎近傍の柱の基部を打撃又は起振させることにより得た振動が、該柱基部に設置された振動計測器により検出される。
これにより、演算記録手段では、振動計測器で得た検出値に基づき杭頭2次モードの固有振動数を演算しかつ記録した後、評価手段では、該演算記録手段からの出力に基づき杭頭2次モードの固有振動数に低下が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する。
その結果、上記状態監視装置では、目視確認によらず、振動計測器から出力される検出値に基づき、高架橋の基礎となる杭基礎部に異常が生じているか否かを評価することができる。
And in the viaduct state monitoring device configured as described above, vibration obtained by striking or oscillating the base of the pillar near the underground beam and the pile foundation is a vibration measuring instrument installed at the base of the pillar. Is detected.
Thereby, the calculation recording means calculates and records the natural frequency of the pile head secondary mode based on the detected value obtained by the vibration measuring instrument, and then the evaluation means calculates the pile head based on the output from the calculation recording means. It is monitored whether or not the natural frequency of the secondary mode has been lowered, and damage to the pile foundation of the viaduct is determined based on the monitoring result.
As a result, the state monitoring device can evaluate whether or not an abnormality has occurred in the pile foundation portion serving as the foundation of the viaduct based on the detection value output from the vibration measuring instrument, without visual confirmation.

また、本発明では、前記振動計測器にて前記柱基部付近を掛矢等で打撃した打撃振動が計測されることを特徴とする。   In the present invention, the vibration measurement device measures the striking vibration hitting the vicinity of the column base with a hanging arrow or the like.

また、本発明では、前記振動計測器にて前記柱基部付近に設置された起振器からのスイープ加振による構造物の強制振動が計測されることを特徴とする。   Moreover, in the present invention, the forced vibration of the structure due to sweep excitation from a vibrator installed near the column base is measured by the vibration measuring instrument.

そして、以上のように構成された高架橋の状態監視装置では、地中梁および杭基礎近傍の柱の基部を掛矢で打撃又は起振器で起振させることにより得た振動が、該柱基部に設置された振動計測器により検出される。これにより、振動計測器から出力される検出値に基づき、基礎となる地中梁および杭基礎の近傍に位置する柱基部に異常が生じているか否かを評価することができる。   And in the viaduct state monitoring device configured as described above, the vibration obtained by striking the base of the column near the underground beam and the pile foundation with a hanging arrow or using the vibrator is generated on the base of the column. Detected by installed vibration measuring instrument. Thereby, based on the detected value output from a vibration measuring device, it can be evaluated whether abnormality has arisen in the column base located in the vicinity of the underground beam and pile foundation used as a foundation.

また、本発明の状態監視装置は、基礎となる杭および地中梁と、該基礎に固定された柱と、該柱の天端部に固定された上床梁とを有するラーメン高架橋において、地中梁および杭頭近傍に位置する柱の基部に設置されて該柱基部の常時微動による振動を計測する常時微動計測器と、該常時微動計測器から出力される検出値に基づき杭頭2次モードにおけるパワースペクトル面積比、卓越振動数等の評価要素を演算しかつ記録する演算記録手段と、該演算記録手段からの出力に基づき前記杭頭2次モードにおける評価要素に変化が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する評価手段と、を具備することを特徴とする。   In addition, the state monitoring device of the present invention includes a pile and underground beam as a foundation, a column fixed to the foundation, and an upper floor beam fixed to the top end of the column. A microtremor measuring instrument installed at the base of a column located near the beam and the head of the pile to measure vibrations caused by microtremors at the base of the pillar, and a secondary mode of the pile head based on the detection value output from the microtremor measuring instrument A calculation recording means for calculating and recording evaluation elements such as power spectrum area ratio, dominant frequency, etc., and whether or not a change has occurred in the evaluation element in the pile head secondary mode based on the output from the calculation recording means And an evaluation means for monitoring and determining damage to the viaduct pile foundation based on the monitoring result.

そして、以上のように構成された高架橋の状態監視装置では、地中梁および杭基礎近傍に位置する柱基部に設置されて該柱基部の常時微動による振動が、該柱基部に設置された常時微動計測器により検出される。
その後、演算記録手段では、常時微動計測器で得た検出値に基づき杭頭2次モードにおけるパワースペクトル面積比、卓越振動数等の評価要素を演算しかつ記録した後、評価手段では、該演算記録手段からの出力に基づき杭頭2次モードにおける評価要素に変化が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する。
その結果、上記状態監視装置では、目視確認によらず、常時微動計測器から出力される検出値に基づき、杭基礎部に異常が生じているか否かを評価することができる。
And, in the viaduct state monitoring device configured as described above, the vibration is caused by the fine movement of the column base that is installed in the column base located near the underground beam and the pile foundation, and is always installed in the column base. It is detected by a fine movement measuring instrument.
Thereafter, the calculation recording means calculates and records evaluation elements such as the power spectrum area ratio and the dominant frequency in the pile head secondary mode based on the detection value obtained by the microtremor measurement device, and then the evaluation means calculates the calculation. Based on the output from the recording means, it is monitored whether or not a change has occurred in the evaluation element in the pile head secondary mode, and damage to the pile foundation of the viaduct is determined based on the monitoring result.
As a result, in the state monitoring device, it is possible to evaluate whether or not an abnormality has occurred in the pile foundation portion based on the detection value output from the microtremor measurement device at all times, without visual confirmation.

また、本発明では、前記常時微動計測器は風等による橋脚の微動を検出することを特徴とする。   In the present invention, the continuous fine movement measuring device detects fine movement of the pier due to wind or the like.

そして、以上のように構成された高架橋の状態監視装置では、風等による橋脚の微動が、地中梁および杭基礎の近傍に位置する柱の基部に設置された振動計測器により検出される。これにより、振動計測器から出力される検出値に基づき、杭基礎部に異常が生じているか否かを評価することができる。   And in the viaduct state monitoring apparatus comprised as mentioned above, the fine movement of the bridge pier by a wind etc. is detected with the vibration measuring device installed in the base of the pillar located in the vicinity of an underground beam and a pile foundation. Thereby, based on the detection value output from a vibration measuring device, it can be evaluated whether abnormality has arisen in the pile foundation part.

また、本発明の状態監視方法は、基礎となる地中梁および杭基礎と、該基礎に固定された柱と、該柱の天端部に固定された上床梁とを有する高架橋において、地中梁および杭基礎近傍に位置する柱の基部に設置されて該柱基部を打撃又は起振させることにより得た振動を計測する計測段階と、該計測段階で検出された検出値に基づき杭頭2次モードの固有振動数を演算しかつ記録する演算段階と、該演算段階での演算結果に基づき前記杭頭2次モードの固有振動数に低下が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する評価段階、を具備することを特徴とする。   Further, the state monitoring method of the present invention includes a ground bridge and a pile foundation as a foundation, a column fixed to the foundation, and an upper floor beam fixed to the top end of the column. A measurement stage for measuring vibrations obtained by striking or oscillating the column base installed at the base of the column located near the beam and pile foundation, and a pile head 2 based on the detection value detected in the measurement stage A calculation stage for calculating and recording the natural frequency of the next mode, and whether or not the natural frequency of the pile head secondary mode has been reduced is monitored based on the calculation result in the calculation stage. And an evaluation stage for determining damage to the viaduct pile foundation.

そして、以上のように構成された高架橋の状態監視方法では、計測段階にて地中梁および杭基礎近傍の柱の基部を打撃又は起振させることにより得た振動が検出される。
その後、演算記録段階では、計測段階で得た検出値に基づき杭頭2次モードの固有振動数を演算しかつ記録した後、評価段階では、該演算記録段階からの出力に基づき杭頭2次モードの固有振動数に低下が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき高架橋の杭基礎の損傷を判定する。
その結果、上記状態監視方法では、目視確認によらず、計測段階で得た検出値に基づき、杭基礎部に異常が生じているか否かを評価することができる。
And in the viaduct state monitoring method comprised as mentioned above, the vibration obtained by striking or oscillating the base of a pillar in the vicinity of an underground beam and a pile foundation in a measurement step is detected.
After that, in the calculation recording stage, the natural frequency of the pile head secondary mode is calculated and recorded based on the detection value obtained in the measurement stage, and then in the evaluation stage, the pile head secondary is calculated based on the output from the calculation recording stage. It is monitored whether or not the natural frequency of the mode has decreased, and damage to the pile foundation of the viaduct is determined based on the monitoring result.
As a result, in the state monitoring method, it is possible to evaluate whether or not an abnormality has occurred in the pile foundation based on the detection value obtained at the measurement stage, without visual confirmation.

また、本発明の状態監視方法は、基礎となる地中梁および杭基礎と、該基礎に固定された柱と、該柱の天端部に固定された上床梁とを有する高架橋において、地中梁および杭基礎近傍に位置する柱の基部に設置されて該柱基部の常時微動による振動を計測する計測段階と、該計測段階で検出された検出値に基づき杭頭2次モードにおけるパワースペクトル面積比、卓越振動数等の評価要素を演算しかつ記録する演算記録段階と、該演算記録段階での演算結果に基づき前記杭頭2次モードにおける評価要素に変化が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき高架橋の杭基礎の損傷を判定する評価段階と、を具備することを特徴とする。   Further, the state monitoring method of the present invention includes a ground bridge and a pile foundation as a foundation, a column fixed to the foundation, and an upper floor beam fixed to the top end of the column. A measurement stage that is installed at the base of a column located in the vicinity of the beam and pile foundation and measures vibration due to microtremors of the column base, and a power spectrum area in the secondary mode of the pile head based on the detection value detected at the measurement stage A calculation recording stage for calculating and recording evaluation elements such as ratio and dominant frequency, and monitoring whether or not a change has occurred in the evaluation elements in the pile head secondary mode based on the calculation result in the calculation recording stage; And an evaluation stage for judging damage to the pile foundation of the viaduct based on the monitoring result.

そして、以上のように構成された高架橋の状態監視方法では、計測段階にて柱基部の常時微動による振動が検出される。
その後、演算記録段階では、計測段階で得た検出値に基づき杭頭2次モードにおけるパワースペクトル面積比、卓越振動数等の評価要素を演算しかつ記録した後、評価段階では、該演算記録段階からの出力に基づき前記杭頭2次モードにおける評価要素に変化が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき高架橋の杭基礎の損傷を判定する。
その結果、上記状態監視方法では、目視確認によらず、計測段階で得た検出値に基づき、杭基礎部に異常が生じているか否かを評価することができる。
And in the viaduct state monitoring method comprised as mentioned above, the vibration by the continuous fine movement of a column base part is detected in a measurement step.
Thereafter, in the calculation recording stage, after calculating and recording evaluation elements such as the power spectrum area ratio and the dominant frequency in the pile head secondary mode based on the detection values obtained in the measurement stage, the calculation recording stage Whether or not the evaluation element in the pile head secondary mode has changed is monitored based on the output from the pile, and damage to the pile foundation of the viaduct is determined based on the monitoring result.
As a result, in the state monitoring method, it is possible to evaluate whether or not an abnormality has occurred in the pile foundation based on the detection value obtained at the measurement stage, without visual confirmation.

本発明によれば、目視確認によらず、振動計測器から出力される検出値に基づき、杭頭部を含む杭基礎部に異常が生じているか否かを評価することができる。   According to the present invention, it is possible to evaluate whether or not an abnormality has occurred in the pile foundation including the pile head, based on the detection value output from the vibration measuring instrument, regardless of visual confirmation.

本発明に係る実施形態の概略構成を示す図であって、(A)は柱基部をハンマーで打撃した場合の図、(B)は柱基部を起振器で振動させた場合の図である。It is a figure which shows schematic structure of embodiment which concerns on this invention, Comprising: (A) is a figure at the time of hit | damaging a pillar base part with a hammer, (B) is a figure at the time of vibrating a pillar base part with a vibrator. . 杭の振動モードを示す説明図であって、(A)は柱天端を打撃した場合の全体1次モードを示す図、(B)は柱基部付近を打撃した場合の杭頭2次モードを示す図である。It is explanatory drawing which shows the vibration mode of a pile, Comprising: (A) is a figure which shows the whole primary mode at the time of hit | damaging a pillar top end, (B) is the pile head secondary mode at the time of hit | damaging the column base vicinity. FIG. 全体1次及び杭頭2次の振動モードの振動数と、柱の剛性低下率との相関関係を示すグラフである。It is a graph which shows the correlation with the frequency of the vibration mode of the whole primary and pile head secondary, and the rigidity reduction rate of a column. 柱基部をハンマー又は起振器で打撃した際に加速度計の計測結果から得られたフーリエスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the Fourier spectrum obtained from the measurement result of the accelerometer when the pillar base was hit with a hammer or a vibrator. 柱基部を通常打撃又は弱打撃した際の振動数と振幅との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the frequency and amplitude at the time of hitting a pillar base part normally or weakly. 杭頭部のはつり状況を示す図である。It is a figure which shows the hanging condition of a pile head. はつり前後の振動スペクトルの変動を示すグラフであって、(A)は衝撃振動試験を行った場合、(B)は起振器試験を行った場合を示している。8 is a graph showing fluctuations in the vibration spectrum before and after the suspension, where (A) shows a case where an impact vibration test is performed, and (B) shows a case where an exciter test is performed. 実験例2で使用した状態監視装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the state monitoring apparatus used in Experimental example 2. フーリエ振幅スペクトルに対するパワースペクトルを、横軸を振動数、縦軸を振幅の2乗値として示したグラフである。It is the graph which showed the power spectrum with respect to a Fourier amplitude spectrum as a vibration frequency and the vertical axis | shaft as a square value of an amplitude. 一定の時間間隔で測定した全体1次モードにおけるパワースペクトル面積比の変動を示すグラフである。It is a graph which shows the fluctuation | variation of the power spectrum area ratio in the whole primary mode measured at the fixed time interval. 一定の時間間隔で測定した全体1次モードにおける卓越振動数の変動を示すグラフである。It is a graph which shows the fluctuation | variation of the dominant frequency in the whole primary mode measured at the fixed time interval. 杭頭2次モードにおける測定回数とパワースペクトル面積比との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the frequency | count of a measurement in a pile head secondary mode, and a power spectrum area ratio. 杭頭2次モードにおける測定回数と卓越振動数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the frequency | count of a measurement in a pile head secondary mode, and a dominant frequency.

本発明の実施形態について図1〜図13を参照して説明する。
図1(A)及び(B)は本実施形態に適用されるコンクリート構造物1である。
このコンクリート構造物1は、杭基礎2を有する地中梁3と、該地中梁3に固定された柱4と、該柱4の天端部に固定された上床梁5とを主な構成要素とする、ラーメン高架橋Aである。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
1A and 1B show a concrete structure 1 applied to this embodiment.
The concrete structure 1 mainly includes an underground beam 3 having a pile foundation 2, a column 4 fixed to the underground beam 3, and an upper floor beam 5 fixed to the top end of the column 4. The element is the ramen viaduct A.

地中梁3は、柱4から荷重を受ける部分であり、場所打ちコンクリートによって施工された棒状の構造物である。
また、この地中梁3は、杭基礎2に連結かつ支持されており柱4からの荷重を杭基礎2に伝達する。杭基礎2は、コンクリート構造物1全体を支持するための基礎部分であり、地中梁3との連結箇所に位置する杭頭部を経由して地中梁3からの荷重を地面Gに伝達する。
杭基礎2は、例えば、掘削機械によって掘削された所定の深さの穴の中に、鉄筋かごを挿入しコンクリートを打ち込んで構築された場所打ちコンクリート杭である。
The underground beam 3 is a portion that receives a load from the column 4 and is a rod-like structure constructed by cast-in-place concrete.
The underground beam 3 is connected to and supported by the pile foundation 2 and transmits the load from the pillar 4 to the pile foundation 2. The pile foundation 2 is a foundation part for supporting the entire concrete structure 1, and transmits the load from the underground beam 3 to the ground G via the pile head located at the connection point with the underground beam 3. To do.
The pile foundation 2 is, for example, a cast-in-place concrete pile constructed by inserting a reinforcing bar into a hole having a predetermined depth excavated by an excavating machine and driving in concrete.

柱4は上床梁5を支持する部分であり、所定の間隔をあけて施工され鉛直方向に配置される鉄筋コンクリート柱などの橋脚である。
上床梁5は、軌道Rを支持して路盤(基盤)として機能する部分であり、場所打ちコンクリートによって施工され水平方向に配置されるスラブ構造のPC桁である。この上床梁5の上面には軌道Rが敷設される。
なお、杭基礎2を有する地中梁3は地面G下に埋設されており、該地中梁3に固定された柱4の大部分は地面Gから露出している。
The column 4 is a portion that supports the upper floor beam 5 and is a bridge pier such as a reinforced concrete column that is constructed at a predetermined interval and arranged in the vertical direction.
The upper floor beam 5 is a part that supports the track R and functions as a roadbed (base), and is a slab PC girder constructed by cast-in-place concrete and arranged in the horizontal direction. A track R is laid on the upper surface of the upper floor beam 5.
The underground beam 3 having the pile foundation 2 is embedded under the ground G, and most of the columns 4 fixed to the underground beam 3 are exposed from the ground G.

次に、図1〜図11を参照して、上記ラーメン高架橋Aの杭基礎2の状態を評価するための状態監視装置100について説明する。   Next, with reference to FIGS. 1-11, the state monitoring apparatus 100 for evaluating the state of the pile foundation 2 of the said ramen viaduct A is demonstrated.

柱基部10は、図1に示すように地中梁3に固定された柱4の接合部及びその近傍に位置する部分(地中梁接続部から500mm程度の区間)であって、一部が地面Gから露出している。
地中梁3および杭基礎2近傍に位置する柱基部10には、該柱基部10を打撃又は起振させることにより得た振動を計測する振動計測器11が設けられている。
As shown in FIG. 1, the column base portion 10 is a joint portion of the column 4 fixed to the underground beam 3 and a portion located in the vicinity thereof (a section about 500 mm from the underground beam connection portion), and a part thereof It is exposed from the ground G.
The column base 10 located in the vicinity of the underground beam 3 and the pile foundation 2 is provided with a vibration measuring instrument 11 that measures vibrations obtained by hitting or vibrating the column base 10.

この振動計測器11としては例えば、圧電型加速度計が使用される。また、振動計測器11で検出された加速度データは情報処理装置Cに供給されてそのデータが処理される。
振動計測器11では、図1(A)に示されるように柱基部10付近を掛矢等で打撃した打撃振動が計測される他、図1(B)に示されるように、柱基部10付近に設置された起振器12からのスイープ加振によるコンクリート構造物1の強制振動が計測される。
For example, a piezoelectric accelerometer is used as the vibration measuring instrument 11. Further, the acceleration data detected by the vibration measuring instrument 11 is supplied to the information processing apparatus C and the data is processed.
In the vibration measuring instrument 11, in addition to measuring the striking vibration hitting the vicinity of the column base 10 with a hanging arrow or the like as shown in FIG. 1 (A), as shown in FIG. Forced vibration of the concrete structure 1 due to sweep excitation from the installed vibrator 12 is measured.

鉄道ラーメン高架橋の安定性に関する健全度を非破壊で定量的に評価できる手法として、図2(A)で示されるように、橋脚の柱天端(符号4Aで示す)の橋軸直角方向を30kg程度の重錘で打撃して得られた1次の固有振動モードの固有振動数の大きさから評価する衝撃振動試験が確立されており、これまでに多くの実績がある。
前述した非特許文献1,2を参照して分かるように、鉄道ラーメン高架橋の地震時における衝撃振動試験を用いた部材損傷レベルの評価方法の研究がなされ、柱の損傷レベルと1次の固有振動数に相関があることが示されている。このことから、ラーメン高架橋において1次の振動モードの固有振動数は、地震時における健全度診断指標として鉄道事業者に用いられている。
しかし、1次の固有振動数を測定するだけでは、地中梁および杭基礎近傍に損傷が生じているか否かまで判定できないために、本例では、図2(B)で示されるように、柱天端を中心に振動する1次モードとともに、杭頭部を中心に振動する杭頭2次モードに着目した健全度診断を行うものである。
As a technique that can quantitatively evaluate the stability of the stability of the railway ramen viaduct in a non-destructive manner, as shown in FIG. 2 (A), the direction perpendicular to the bridge axis at the top of the pier column (indicated by reference numeral 4A) is 30 kg. An impact vibration test has been established to evaluate from the natural frequency of the first natural vibration mode obtained by striking with a heavy weight, and has been proven to date.
As can be seen with reference to Non-Patent Documents 1 and 2 mentioned above, research on the damage level evaluation method using the impact vibration test at the time of the railway ramen viaduct earthquake was conducted, and the damage level of the column and the primary natural vibration were studied. Numbers are shown to be correlated. From this, the natural frequency of the primary vibration mode in the ramen viaduct is used by railway operators as a soundness diagnostic index in the event of an earthquake.
However, since it is not possible to determine whether or not damage has occurred in the vicinity of the underground beam and pile foundation only by measuring the primary natural frequency, in this example, as shown in FIG. The soundness diagnosis pays attention to the pile head secondary mode which vibrates around the pile head as well as the primary mode which vibrates around the column top end.

事前解析では、高架橋模型の解析モデルを作成し、杭頭部損傷時を想定して杭頭部の剛性を低下させた固有値解析を行い、振動モード毎における固有振動数の感度を分析した。
全体1次の振動モードに関しては、杭の剛性低下に対する感度は小さく、杭頭部の剛性低下率が10%まで至らないと固有振動数の低下は顕著にならない。一方、杭頭2次の振動モードに関しては、杭頭部の剛性低下に対する固有振動数の低下の比率が大きい。これは、図2(B)に示す杭頭2次の振動モードからも見受けられるように、杭頭が大きく変形する振動モードであるため、杭頭部の剛性低下に対し固有振動数の低下が感度良く現れたためであると考えられる。このため、柱天端を中心に振動する1次モード(健全時の固有振動数:4.3Hz)とともに、杭頭部を中心に振動する2次モード(健全時の固有振動数 :18.1Hz)に着目した健全度診断を行うものである(具体的な健全時の固有振動数については後述する)。なお、今回の解析モデルに関して、柱の剛性のみ低下させる解析を別途実施した場合では、全体1次の振動モードの固有振動数と、柱の剛性低下率に相関があることを確認している。
In the pre-analysis, an analysis model of the viaduct model was created, eigenvalue analysis was performed with the stiffness of the pile head lowered assuming that the pile head was damaged, and the sensitivity of the natural frequency in each vibration mode was analyzed.
With respect to the overall primary vibration mode, the sensitivity to the decrease in the stiffness of the pile is small, and the decrease in the natural frequency is not significant unless the stiffness decrease rate of the pile head reaches 10%. On the other hand, regarding the secondary vibration mode of the pile head, the ratio of the decrease in the natural frequency to the decrease in the rigidity of the pile head is large. This is a vibration mode in which the pile head is greatly deformed, as can be seen from the pile head secondary vibration mode shown in FIG. 2 (B). This is thought to be because it appeared with good sensitivity. For this reason, in addition to the primary mode that vibrates around the top of the pillar (natural frequency when healthy: 4.3 Hz), the secondary mode that vibrates around the pile head (natural frequency when healthy: 18.1 Hz) ) Is performed (a specific natural frequency is described later). In addition, regarding the analysis model of this time, when the analysis for reducing only the rigidity of the column is performed separately, it has been confirmed that there is a correlation between the natural frequency of the overall primary vibration mode and the rigidity reduction rate of the column.

図1に示される情報処理装置Cには、振動計測器11から出力される検出データに基づき杭頭2次モードの固有振動数を演算しかつ記録する演算記録手段13と、該演算記録手段13からの出力に基づき杭頭2次モードの固有振動数に低下が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき高架橋の杭基礎2の損傷を判定する評価手段14と、が具備されている。   The information processing apparatus C shown in FIG. 1 includes a calculation recording means 13 for calculating and recording the natural frequency of the pile head secondary mode based on the detection data output from the vibration measuring instrument 11, and the calculation recording means 13 And an evaluation means 14 for monitoring whether or not the natural frequency of the pile head secondary mode has been lowered based on the output from the bridge and determining damage to the viaduct pile foundation 2 based on the monitoring result. .

なお、以下に示す杭基礎2の損傷程度を判定するために、実験例1では「強制振動(ハンマーによる打撃、起振器)による杭基礎2の健全度評価」の例が示され、また、実験例2では「常時微動を用いた杭基礎2の健全度評価」の例が示されている。
また、実験例1,2では、ラーメン高架橋の1径間を模擬した鉄筋コンクリート構造を作成し、基礎形式は羽根つき鋼管杭4本とした試験用構造物が使用されている。
また、杭頭部(地中梁接続部から500mm程度の区間)は損傷を集中させると共に損傷状況をより詳細に検証するために細径の鉄筋コンクリート構造とし、目視による観察を行うために地表面高さを地中梁天端から約1.6m程度下げた位置とした。柱高さは3.0m、柱太さは300×300mm、杭長は5.0m、杭径は杭天端から500mm下がりの鉄筋コンクリート部材(杭頭部区間)は250mm、それ以深の鋼管部材(杭頭部以外の区間)は416mmとした。
In addition, in order to determine the damage degree of the pile foundation 2 shown below, an example of “evaluation of the soundness of the pile foundation 2 by forced vibration (striking with a hammer, vibrator)” is shown in Experimental Example 1. In Experimental Example 2, an example of “evaluation of soundness of pile foundation 2 using microtremors” is shown.
In Experimental Examples 1 and 2, a reinforced concrete structure simulating one span of the ramen viaduct was created, and a test structure with four bladed steel pipe piles as the foundation type was used.
In addition, the pile head (about 500 mm from the underground beam connection) concentrates the damage and has a small-diameter reinforced concrete structure to verify the damage in more detail. The height is about 1.6m lower than the top of the underground beam. Column height is 3.0m, column thickness is 300x300mm, pile length is 5.0m, pile diameter is 500mm from the top of pile, reinforced concrete member (pile head section) is 250mm, deeper steel pipe member (pile head) The section other than the portion was 416 mm.

(実験例1)
〔強制振動(ハンマーによる打撃、起振器)による杭基礎2の健全度評価〕
ラーメン高架橋Aの柱下部に位置する柱基部10を、ハンマーによる打撃又は起振器で強制振動させた場合における該杭基礎2の健全度評価について、図4〜図7を参照して説明する。
(Experimental example 1)
[Evaluation of soundness of pile foundation 2 by forced vibration (striking with hammer, vibrator)]
The soundness evaluation of the pile foundation 2 when the column base 10 located at the lower part of the ramen viaduct A is forcibly vibrated with a hammer or a vibrator will be described with reference to FIGS. 4 to 7.

(1) 健全時の検討
図4に、 掛矢による柱基部打撃(衝撃振動試験、起振器試験)を実施した際に、柱基部に取付けた加速度計(振動計測器11)で計測した計測結果から得られたフーリエスペクトルを示す。結果として、柱基部における衝撃振動試験(符号cで示す)、起振器試験(符号dで示す)では19.0Hz 付近で卓越振動数が見受けられた。これは、事前解析結果での健全時の2次モードの固有振動数(18.1Hz)と同等の値であり、2次の振動モードの固有振動数であると考えられる。なお、4.5Hz、6.8Hz付近にも卓越振動数が確認されており、これは柱天端打撃の結果と事前解析結果より1次の振動モードとねじりの振動モードに対する固有振動数であると考えられる。この結果より、健全時における解析値と実験値の整合性が確認できたと考えられる。
なお、図2(A)に示す柱天端4Aに対して衝撃振動試験を実施した場合のフーリエスペクトルには、1次の卓越振動数が見受けられるものの2次の卓越振動数が明確に現れない。これは、柱天端4Aに対する衝撃振動試験では、杭頭が大きく変形する杭頭2次の振動モードのレベルが小さいからであると考えられる。これに対して、図2(B)に示す柱基部10に対して衝撃振動試験を実施した場合には、1次の卓越振動数に加えて杭頭2次の卓越振動数が見受けられる。したがって本例では、柱基部10に対する衝撃振動試験を実施して杭基礎2の損傷を考慮した健全度を評価する。
(1) Examination in sound condition Fig. 4 shows the measurement results measured by the accelerometer (vibration measuring instrument 11) attached to the column base when the column base was hit with a hanging arrow (impact vibration test, vibrator test). The Fourier spectrum obtained from is shown. As a result, a dominant vibration frequency was observed at around 19.0 Hz in the impact vibration test (indicated by symbol c) and the vibrator test (indicated by symbol d) at the column base. This is a value equivalent to the natural frequency (18.1 Hz) of the secondary mode at the time of sound in the preliminary analysis result, and is considered to be the natural frequency of the secondary vibration mode. In addition, the dominant frequency is also confirmed in the vicinity of 4.5 Hz and 6.8 Hz, and this is the natural frequency for the primary vibration mode and the torsional vibration mode based on the result of the column top end hitting and the preliminary analysis result. it is conceivable that. From this result, it is considered that the consistency between the analytical value and the experimental value in the healthy state was confirmed.
In addition, although the primary dominant frequency is seen in the Fourier spectrum when the impact vibration test is performed on the column top end 4A shown in FIG. 2A, the secondary dominant frequency does not appear clearly. . This is considered to be because in the impact vibration test for the column top end 4A, the level of the secondary vibration mode of the pile head where the pile head is greatly deformed is small. On the other hand, when the impact vibration test is performed on the column base 10 shown in FIG. 2 (B), in addition to the primary dominant frequency, the secondary dominant frequency of the pile head is observed. Therefore, in this example, the impact vibration test with respect to the column base 10 is implemented, and the soundness degree which considered the damage of the pile foundation 2 is evaluated.

(2) 相似則を考慮した検討
今回使用している試験体は、一般的な鉄道ラーメン高架橋の1/2 スケールを使用している。ここで、今回の模型実験の有効性を適切に評価するためには、実物大の場合と出来る限り同等な条件で評価するために相似則を考慮する必要がある。本研究では、先行文献(構造モニタリングシステムの開発に向けた基礎的検討,大成建設技術センター報,VOL.43,pp.10-1〜10-4)を参考にこの相似則について検討した(数式(1 ) 、数式(2) 参照)。この相似則は、先行文献(土構造物の模型振動実験における相似則,土木学会論文報告集,NO.275,pp.69〜77,1978年7月)における重力場が等しい場合の相似則と同じである。
(2) Examination in consideration of similarity law The test specimen used this time is a 1/2 scale of a general railway ramen viaduct. Here, in order to properly evaluate the effectiveness of this model experiment, it is necessary to consider the similarity law in order to evaluate under the same conditions as possible with the actual size. In this study, this similarity law was examined with reference to previous literature (basic study for development of structural monitoring system, Taisei Construction Technology Center Bulletin, VOL.43, pp.10-1 to 10-4). (Refer to (1) and Formula (2)). This similarity law is similar to the similarity law in the case of equal gravity fields in the previous literature (Similarity Law in Model Vibration Experiments of Earth Structures, Proceedings of JSCE, No.275, pp.69-77, July 1978). The same.

本研究では、今回対象となるラーメン高架橋模型でも相似則上でこれらの関係が成り立つと考え、衝撃振動試験に関しては通常通りの計測とは別に、打撃により発生する応答速度Vに対して、起振器試験に関しては起振力による慣性力Fに対して、過去に鉄道ラーメン高架橋において実施した際の応答速度と比較し、相似則を考慮した。慣性力Fは数式(3)の通り、質量と加速度で構成されており、質量を変更することは困難なため、加速度を変動させることとした。   In this study, it is considered that these relations also hold in the similar rule even in the ramen viaduct model that is the subject of this study, and for the impact vibration test, separately from the usual measurement, the response speed V generated by impact is excited. For the vessel test, the similarity law was considered in comparison with the response speed when it was carried out in the past in the railway ramen viaduct for the inertial force F caused by the vibration force. The inertial force F is composed of a mass and an acceleration as represented by the formula (3), and since it is difficult to change the mass, the acceleration is varied.

Figure 2018009354
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ここで、λは相似比、Fは慣性力、下付き字のmは模型、pは実大構造物を表す。過去に衝撃振動試験を実施した、鉄道ラーメン高架橋における衝撃振動試験実施時の高架橋の部材寸法に対して、模型の寸法が約1/2程度であることから数式(1)を参照に実高架橋で計測した応答速度(約 0.15kine) に合わせて相似則を考慮した弱打撃(約0.11kine)以下になるように衝撃振動試験を実施した。   Here, λ is a similarity ratio, F is an inertial force, subscript m is a model, and p is a full-scale structure. Compared to the size of the model of the viaduct at the time of the impact vibration test in the railway ramen viaduct, where the impact vibration test was conducted in the past, the model size is about 1/2, so the actual viaduct with reference to Equation (1) The impact vibration test was performed so that the impact was less than or equal to the weak impact (about 0.11 kine) considering the similarity law according to the measured response speed (about 0.15 kine).

また、起振器試験に関しては、比較対象となる実績がなかったため、一般的な起振器試験においては1000galで起振することが通例であることを考慮して、数式(2) より今回の模型に関しては、慣性力の相似則は1/4程度になるとの予想の下、250、500、750、1000gal と起振力を変動させて計測を実施した。   In addition, regarding the exciter test, since there was no track record for comparison, considering that it is usual to excite at 1000 gal in a general exciter test, With respect to the model, measurement was carried out by varying the excitation force as 250, 500, 750, and 1000 gal with the expectation that the similarity law of inertial force would be about 1/4.

図5に衝撃振動試験の柱基部打撃を行った際の通常打撃(符号eで示す)と弱打撃(符号fで示す)の振動特性の比較の例を示す。
結果としては、相似則を考慮して打撃力を小さくした場合でも通常通りに打撃した場合と同様な振動特性が確認できた。起振器試験においても、250gal加振に起振力を小さくした場合でも通常の1000gal加振時と同様に、同様の振動特性を確認することができた。
よって、相似則を考慮した場合でも全体1次と杭頭2次の振動モードの固有振動数は検知できることを確認した。
FIG. 5 shows an example of comparison of vibration characteristics between normal impact (indicated by reference symbol e) and weak impact (indicated by reference symbol f) when a column base impact is performed in an impact vibration test.
As a result, even when the striking force was reduced in consideration of the similarity law, the same vibration characteristics as when striking as usual were confirmed. In the vibrator test, even when the excitation force was reduced to 250 gal excitation, the same vibration characteristics could be confirmed as in normal 1000 gal excitation.
Therefore, it was confirmed that the natural frequency of the vibration mode of the whole primary and the pile head secondary can be detected even when the similarity law is taken into consideration.

(3) 杭頭部一部損傷時の検討
次に、杭頭部のかぶりコンクリートを一部はつり落とし、杭頭部が軽度に一部損傷した場合の固有振動数の変化について検討した。杭頭部の軽度の一部損傷を模擬する状態として、杭頭部において、図6に示されるように、円周面積の1/4程度、高さ250mm、幅200mm、厚さ20mmの範囲をブレーカーではつり落とした。
(3) Examination at the time of partial damage to the pile head Next, a change in the natural frequency was examined when a part of the cover concrete of the pile head was suspended and the pile head was slightly damaged. As a state of simulating a slight partial damage of the pile head, as shown in FIG. 6, the pile head has a range of about 1/4 of the circumferential area, height 250 mm, width 200 mm, and thickness 20 mm. Dropped off at the breaker.

その後、はつり後の状態で、はつり前と同様に衝撃振動試験、起振器試験を実施した。各試験におけるはつり前後でのフーリエスペクトル振幅波形の比較を図7に示す。
結果として、固有振動数の変動はほとんど見受けられなかった。これは、杭頭部のかぶりコンクリートが剥落した程度の断面欠損では、固有振動数に変化が生じず、構造物の安定性に関する健全度に影響がなかったためと考えられる。
なお、図7(A)において、符号g1にははつり前の振動数と振幅との関係、符号h1にははつり後の振動数と振幅との関係がそれぞれ示されている。また、図7(B)において、符号g2にははつり前の振動数と伝達関数との関係、符号h2にははつり後の振動数と振幅との関係がそれぞれ示されている。
Thereafter, in the state after the suspension, the impact vibration test and the vibrator test were performed in the same manner as before the suspension. FIG. 7 shows a comparison of Fourier spectrum amplitude waveforms before and after fishing in each test.
As a result, there was almost no fluctuation in the natural frequency. This is considered to be because the natural frequency did not change in the cross-sectional defect to the extent that the cover concrete of the pile head was peeled off, and the soundness regarding the stability of the structure was not affected.
In FIG. 7A, reference numeral g1 shows the relationship between the frequency and amplitude before suspension, and reference numeral h1 shows the relationship between the frequency and amplitude after suspension. In FIG. 7B, the symbol g2 shows the relationship between the frequency before the suspension and the transfer function, and the symbol h2 shows the relationship between the frequency and the amplitude after the suspension.

そして、以上の実験例1の結果を参照して分かるように、柱天端を中心に振動する全体1次モードと、杭頭部を中心に振動する杭頭2次モードとの間には一定の相関関係があることが確認された。
従って、地震等によりラーメン高架橋Aの杭基礎2に損傷発生の恐れがある場合には、全体1次モードと同様、柱基部打撃(衝撃振動試験、起振器試験)を実施するものである。
そして、柱基部打撃により、柱基部10に取付けた加速度計(振動計測器11)の検出値を読み取りつつ、杭頭2次モードにおける健全時の固有振動数(18.1Hz)を基準として、どの程度、当該固有振動数が低下するかを観察すれば、杭基礎2の損傷度合を知ることができる。
And, as can be seen with reference to the results of Experimental Example 1 described above, there is a constant between the overall primary mode that vibrates around the column top and the pile head secondary mode that vibrates around the pile head. It was confirmed that there is a correlation.
Therefore, when there is a risk of damage to the pile foundation 2 of the ramen viaduct A due to an earthquake or the like, the column base hitting (impact vibration test, vibrator test) is performed as in the primary mode.
And, by reading the detection value of the accelerometer (vibration measuring instrument 11) attached to the column base 10 by hitting the column base, which is based on the natural frequency (18.1 Hz) at the time of sound in the pile head secondary mode, The degree of damage of the pile foundation 2 can be known by observing whether the natural frequency decreases to a certain extent.

以上のように、振動計測器11で検出された加速度データは情報処理装置Cに供給されてそのデータが処理される。そして、情報処理装置C内の演算記録手段13において、振動計測器11から出力される検出値に基づき杭頭2次モードの固有振動数を演算しかつ記録する処理がなされ、その後、該情報処理装置C内の評価手段14において、演算記録手段13で演算した杭頭2次モードの固有振動数に低下が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づきラーメン高架橋Aの杭基礎2の損傷を判定する。
その結果、上記状態監視装置100では、目視確認によらず、振動計測器11から出力される検出値に基づき、基礎となる杭基礎2に異常が生じているか否かを正確に評価することができる。
As described above, the acceleration data detected by the vibration measuring instrument 11 is supplied to the information processing apparatus C and the data is processed. Then, in the calculation recording means 13 in the information processing apparatus C, a process of calculating and recording the natural frequency of the pile head secondary mode based on the detection value output from the vibration measuring instrument 11 is performed. The evaluation means 14 in the apparatus C monitors whether or not the natural frequency of the pile head secondary mode calculated by the calculation recording means 13 has decreased, and based on the monitoring results, damage to the pile foundation 2 of the ramen viaduct A Determine.
As a result, in the state monitoring device 100, it is possible to accurately evaluate whether or not an abnormality has occurred in the foundation pile foundation 2 based on the detection value output from the vibration measuring instrument 11 without using visual confirmation. it can.

(実験例2)
〔常時微動を用いた杭基礎2の健全度評価〕
ラーメン高架橋Aの常時微動した場合における杭基礎2の損傷状態を評価した健全度評価について、図8〜図13を参照して説明する。
(Experimental example 2)
[Evaluation of soundness of pile foundation 2 using microtremors]
The soundness evaluation that evaluates the damage state of the pile foundation 2 when the ramen viaduct A is constantly finely moved will be described with reference to FIGS.

〔1〕 概要
土木構造物の維持管理において、検査の高度化および省略化を目的とした健全度評価手法の検討が行われている。例えば、先行文献(RCラーメン高架橋の地震時損傷レベルの評価に関する研究 土木学会論文集 NO.731/I−63,pp51−64,2003年4月)において、橋軸直角方向の常時微動振動の加速度パワースペクトルにおける振動数域の面積が固有振動数と相関を有し、健全度診断指標として鋼製桁式橋梁において有効であることが示されている。このためこの実験例2では、ラーメン高架橋模型に対し、パワースペクトル面積比を用いた状態監視手法について検討した。
[1] Outline In maintenance management of civil engineering structures, soundness evaluation methods are being studied for the purpose of enhancing and omitting inspections. For example, in the previous document (Study on evaluation of damage level during earthquake of RC ramen viaduct, Japan Society of Civil Engineers No.731 / I-63, pp51-64, April 2003), acceleration of micro-vibration in the direction perpendicular to the bridge axis The area of the frequency range in the power spectrum has a correlation with the natural frequency, and is shown to be effective in steel girder bridges as a soundness diagnostic index. For this reason, in this Experimental Example 2, a state monitoring method using a power spectrum area ratio was examined for the ramen viaduct model.

実験例2では、図8に示す状態監視装置100aを使用する。状態監視装置100aにおいて、地中梁3および杭基礎2近傍に位置する柱の基部10には、該柱基部10の常時微動による振動を計測する常時微動計測器11aが設けられている。
常時微動計測器11aは、風等による橋脚の微動を検出する。情報処理装置Cには、該常時微動計測器11aから出力される検出値に基づき杭頭2次モードにおけるパワースペクトル面積比、卓越振動数等の評価要素を演算しかつ記録する演算記録手段13aと、該演算記録手段13aからの出力に基づき杭頭2次モードにおける評価要素に変化が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき高架橋の杭基礎2の損傷を判定する評価手段14aと、が具備されている。
In Experimental Example 2, the state monitoring apparatus 100a shown in FIG. 8 is used. In the state monitoring device 100a, the column base 10 located in the vicinity of the underground beam 3 and the pile foundation 2 is provided with a continuous fine movement measuring instrument 11a that measures vibrations due to the fine movement of the column base 10 at all times.
The continuous fine movement measuring instrument 11a detects fine movement of the pier due to wind or the like. The information processing apparatus C includes an operation recording means 13a for calculating and recording evaluation elements such as a power spectrum area ratio and a dominant frequency in the pile head secondary mode based on the detection value output from the microtremor measuring device 11a. The evaluation means 14a for monitoring whether or not a change has occurred in the evaluation element in the pile head secondary mode based on the output from the calculation recording means 13a, and for determining the damage to the viaduct pile foundation 2 based on the monitoring result; Is provided.

〔2〕全体1次モードに対する検討
全体1次モードに関しては、常時微動より得られるパワースペクトル面積比を長期的に計測し状態監視に対する適用性を確認した。計測は午前2時から4時まで30分間隔で計5回、各16秒間計測を行い、そのデータを保存した。
そして、計測した常時微動からパワースペクトルを算出した。パワースペクトルは、簡単に説明すると、振動数ごとの振動の大きさを振幅の2乗で示したものであり、振動数単位での波のエネルギーが表現できる。
パワースペクトルの例を図9(A)及び(B)に示す。これら図9(A)及び(B)は、異なる場所で検出した2種類のフーリエ振幅スペクトルに対するパワースペクトルを、横軸を振動数、縦軸を振幅の2乗値として示したグラフである。これらの図に示すように、パワースペクトルでは、フーリエ振幅スペクトルに比べ値の高低が明確に現れる。情報処理装置Cは、橋脚の柱4の健全性を示す指標値として、パワースペクトル面積比を算出する。
[2] Study on the overall primary mode For the overall primary mode, the power spectrum area ratio obtained from the fine movement was measured over a long period of time to confirm its applicability to state monitoring. The measurement was performed five times at intervals of 30 minutes from 2 am to 4 am for 16 seconds each, and the data was stored.
And the power spectrum was computed from the measured microtremor. In brief, the power spectrum indicates the magnitude of vibration for each frequency in terms of the square of the amplitude, and can express wave energy in frequency units.
Examples of power spectra are shown in FIGS. 9 (A) and 9 (B). FIGS. 9A and 9B are graphs showing power spectra for two types of Fourier amplitude spectra detected at different locations, with the horizontal axis representing the frequency and the vertical axis representing the square of the amplitude. As shown in these figures, in the power spectrum, the level of the value clearly appears compared to the Fourier amplitude spectrum. The information processing apparatus C calculates the power spectrum area ratio as an index value indicating the soundness of the pillar 4 of the pier.

パワースペクトル面積比は、図9に示すように、振動数f0(第3の振動数)を下限とし、振動数f1(第1の振動数)を上限とする範囲(イ)のパワースペクトルの波形の面積と、振動数f0を下限とし、振動数f1より大きい振動数f2(第2の振動数)を上限とする範囲(ロ)のパワースペクトルの波形の面積による比で算出される。各振動数は、f0<f1<f2を条件として任意に定めることができる。
本例では、範囲(ロ)のパワースペクトルの波形の面積を範囲(イ)のパワースペクトルの波形の面積で割って比の値を求める。即ち、パワースペクトル面積比の算出式は以下の数式4のように表される。なお、下記のパワースペクトル面積とは、上記したパワースペクトルの波形の面積(波形の積分値)を指す。
[パワースペクトル面積比]=(f0〜f2までのパワースペクトル面積)/(f0〜f1までのパワースペクトル面積) …(4)
As shown in FIG. 9, the power spectrum area ratio has a power spectrum waveform in a range (A) where the frequency f0 (third frequency) is the lower limit and the frequency f1 (first frequency) is the upper limit. And the ratio by the area of the waveform of the power spectrum in the range (b) where the frequency f0 is the lower limit and the frequency f2 (second frequency) greater than the frequency f1 is the upper limit. Each frequency can be arbitrarily determined on condition that f0 <f1 <f2.
In this example, the area of the power spectrum waveform in the range (b) is divided by the area of the power spectrum waveform in the range (b) to obtain the ratio value. That is, the calculation formula of the power spectrum area ratio is expressed as the following formula 4. The power spectrum area described below refers to the area of the waveform of the power spectrum described above (the integrated value of the waveform).
[Power Spectrum Area Ratio] = (Power Spectrum Area from f0 to f2) / (Power Spectrum Area from f0 to f1) (4)

情報処理装置Cは、例えば、1日5回以上の測定で得られたそれぞれの常時微動から、上記のようにしてパワースペクトル面積比を算出し、その平均値を測定日におけるパワースペクトル面積比として記録媒体等に記憶する。
そして、以上の手順を繰り返し、経時的にパワースペクトル面積比を算出することで長期的な橋脚の状態監視が簡易にできる。さらに、このパワースペクトル面積比を用いて橋脚の柱4の健全性を判定することができる。
The information processing apparatus C, for example, calculates the power spectrum area ratio as described above from each microtremor obtained by measurement five times or more per day, and uses the average value as the power spectrum area ratio on the measurement day. Store in a recording medium or the like.
Then, by repeating the above procedure and calculating the power spectrum area ratio over time, long-term monitoring of the pier state can be simplified. Furthermore, the soundness of the pier column 4 can be determined using this power spectrum area ratio.

なお、本実験例では、パワースペクトル面積比の算出にあたって振動数域(f0〜f2)の設定は、f0:2Hz、f1:5Hz、f2:40Hzとした。算出したパワースペクトル面積比は日単位で平均化し、経時変化として整理し、その結果を「全体一次モードに対するパワースペクトル面積比」として図10に示した。また、併せて卓越振動数を常時微動から読み取り、パワースペクトル面積比と同様に、「全体一次モードに対する卓越振動数」として図11に示した。
そして、これら図を参照して分かるように、パワースペクトル面積比、卓越振動数共にほぼ一定値の状態で計測された。卓越振動数に関しては、今回対象であるラーメン高架橋が全体1次モードに対して非常に揺れやすい構造であることから、固有振動数と同等の振動数が卓越し長期的にも一定値で計測できた。
In this experimental example, the frequency range (f0 to f2) is set to f0: 2 Hz, f1: 5 Hz, and f2: 40 Hz in calculating the power spectrum area ratio. The calculated power spectrum area ratio was averaged on a daily basis, arranged as a change with time, and the result is shown in FIG. 10 as “power spectrum area ratio relative to the overall primary mode”. In addition, the dominant frequency is always read from the fine movement and is shown in FIG. 11 as “the dominant frequency with respect to the overall primary mode” similarly to the power spectrum area ratio.
As can be seen with reference to these figures, the power spectrum area ratio and the dominant frequency were both measured at substantially constant values. With regard to the dominant frequency, the ramen viaduct, which is the subject of this study, has a structure that is very easy to sway with respect to the overall primary mode, so the frequency equivalent to the natural frequency can be measured with a constant value over the long term. It was.

〔3〕 杭頭2次モードに対する検討
杭頭2次モードの常時微動による健全度診断手法を検討するために、約30回連続して常時微動計測を行った。計測した常時微動を用いて、パワースペクトル面積比と卓越振動数の変化を調べ、その結果を図12及び図13に示した。
ただし、パワースペクトル面積比算出にあたって振動数域(f0〜f2)の設定は、杭頭2次モードが卓越する振動数域の変動に着目するため f0:10Hz、f1:20Hz、f2:40Hzとした。
計測結果としては、パワースペクトル面積比より卓越振動数の方が、ばらつきが大きくなり、変動係数で表すとパワースペクトル面積比は 0.074、卓越振動数は 0.150であった。よって、杭頭2次モードに関しては、卓越振動数より、パワースペクトル面積比の方が健全度診断指標として、有効性があると考えられる。
[3] Examination for the pile head secondary mode In order to examine the soundness diagnostic method by the fine tremor of the pile head secondary mode, the fine tremor measurement was performed continuously about 30 times. Using the measured microtremors, changes in the power spectrum area ratio and the dominant frequency were examined, and the results are shown in FIGS.
However, in calculating the power spectrum area ratio, the frequency range (f0 to f2) is set to f0: 10 Hz, f1: 20 Hz, and f2: 40 Hz in order to focus on fluctuations in the frequency range where the pile head secondary mode is dominant. .
As a measurement result, the dominant frequency had a larger variation than the power spectrum area ratio, and the power spectrum area ratio was 0.074 and the dominant frequency was 0.150 in terms of the coefficient of variation. Therefore, regarding the pile head secondary mode, it is considered that the power spectrum area ratio is more effective as a soundness diagnostic index than the dominant frequency.

そして、以上の実験例2の結果を参照して分かるように、地震等によりラーメン高架橋Aの杭基礎2に損傷発生の恐れがある場合には、常時微動を用いた杭基礎2の健全度評価を実施することができる。
常時微動を用いた杭基礎2の健全度評価に際しては、柱基部10に取付けた加速度計(常時微動計測器11a)の検出値を読み取りながら、パワースペクトル面積比及び卓越振動数を算出し、その算出値が、杭頭2次モードにおける健全時の値に対してどの程度変動したかを経時的に観察すれば、杭基礎2の損傷による健全度への影響を知ることができる。
このとき、パワースペクトル面積比を用いた杭基礎2の損傷評価の方が、卓越振動数を用いた杭基礎2の損傷評価よりばらつきが小さいために、パワースペクトル面積比を用いた損傷評価を主に実施すると良い。
And, as can be seen with reference to the results of Experimental Example 2 above, when there is a risk of damage to the pile foundation 2 of the ramen viaduct A due to an earthquake or the like, the soundness evaluation of the pile foundation 2 using microtremors at all times Can be implemented.
When evaluating the soundness of the pile foundation 2 using microtremors, the power spectrum area ratio and the dominant frequency were calculated while reading the detection values of the accelerometer (almost microtremor measuring instrument 11a) attached to the column base 10. By observing over time how much the calculated value fluctuates with respect to the sound value in the pile head secondary mode, it is possible to know the influence of the damage on the pile foundation 2 on the soundness.
At this time, the damage evaluation of the pile foundation 2 using the power spectrum area ratio is smaller in variation than the damage evaluation of the pile foundation 2 using the dominant frequency. Therefore, the damage evaluation using the power spectrum area ratio is mainly performed. It is good to carry out.

なお、常時微動計測器11aで検出された加速度データは情報処理装置Cに供給されてそのデータが処理される。
そして、情報処理装置C内の演算記録手段13aにおいて、常時微動計測器11aから出力される検出値に基づき杭頭2次モードの固有振動数を演算しかつ記録する処理がなされ、その後、該情報処理装置C内の評価手段14aにおいて、演算記録手段13aで演算した杭頭2次モードのパワースペクトル面積比及び卓越振動数に変化が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づきラーメン高架橋Aの杭基礎2の損傷による構造物の健全度への影響を判定する。
その結果、上記状態監視装置100aでは、目視確認によらず、常時微動計測器11aから出力される検出値に基づき、杭基礎2に異常が生じているか否かを評価することができる。
The acceleration data detected by the microtremor measuring instrument 11a is supplied to the information processing apparatus C and the data is processed.
Then, in the calculation recording means 13a in the information processing apparatus C, a process of calculating and recording the natural frequency of the pile head secondary mode based on the detection value output from the microtremor measuring device 11a is performed, and thereafter the information The evaluation means 14a in the processing apparatus C monitors whether or not the power spectrum area ratio and the dominant frequency of the pile head secondary mode calculated by the calculation recording means 13a have changed, and based on the monitoring result, the ramen viaduct A The influence on the soundness of the structure due to the damage of the pile foundation 2 is determined.
As a result, in the state monitoring apparatus 100a, it is possible to evaluate whether or not an abnormality has occurred in the pile foundation 2 based on the detection value output from the microtremor measuring instrument 11a at all times, without visual confirmation.

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, the concrete structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.

本発明は、鉄道ラーメン高架橋等のコンクリート構造物に適用されて、地震後に生じた杭頭部を含む杭基礎の損傷の有無を効率的に確認することができる健全度評価手法に関する。   The present invention relates to a soundness evaluation method that can be applied to a concrete structure such as a railway ramen viaduct to efficiently check the presence or absence of damage to a pile foundation including a pile head generated after an earthquake.

1 コンクリート構造物
2 杭基礎
3 地中梁
4 柱
4A 柱天端
5 上床梁
10 柱基部
11 振動計測器
11a 常時微動計測器
12 起振器
13 演算記録手段
13a 演算記録手段
14 評価手段
14a 評価手段
100 状態監視装置
100a 状態監視装置
A ラーメン高架橋
C 情報処理装置
G 地面
R 軌道
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Concrete structure 2 Pile foundation 3 Underground beam 4 Column 4A Column top end 5 Upper floor beam 10 Column base 11 Vibration measuring instrument 11a Microtremor measuring instrument 12 Exciter 13 Calculation recording means 13a Calculation recording means 14 Evaluation means 14a Evaluation means DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Condition monitoring apparatus 100a Condition monitoring apparatus A Ramen viaduct C Information processing apparatus G Ground R Orbit

Claims (7)

基礎となる地中梁および杭基礎と、該地中梁に固定された柱と、該柱の天端部に固定された上床梁とを有する高架橋の状態監視装置であって、
前記地中梁および杭基礎近傍に位置する柱基部に設置されて該柱基部を打撃又は起振させることにより得た振動を計測する振動計測器と、
該振動計測器から出力される検出値に基づき杭頭2次モードの固有振動数を演算しかつ記録する演算記録手段と、
該演算記録手段からの出力に基づき前記杭頭2次モードの固有振動数に低下が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する評価手段と、を具備することを特徴とする高架橋の状態監視装置。
A state monitoring device for a viaduct having a foundation underground beam and a pile foundation, a column fixed to the underground beam, and an upper floor beam fixed to the top end of the column,
A vibration measuring instrument that is installed in a column base located in the vicinity of the underground beam and the pile foundation and measures vibration obtained by striking or vibrating the column base;
Calculation recording means for calculating and recording the natural frequency of the pile head secondary mode based on the detection value output from the vibration measuring instrument;
Monitoring means for determining whether or not the natural frequency of the pile head secondary mode has decreased based on the output from the calculation recording means, and evaluating means for judging damage to the viaduct pile foundation based on the monitoring results; A state monitoring device of a viaduct characterized by comprising.
前記振動計測器では、前記柱基部付近をハンマー等で打撃した打撃振動が計測されることを特徴とする請求項1に記載の高架橋の状態監視装置。   2. The viaduct state monitoring apparatus according to claim 1, wherein the vibration measuring device measures a striking vibration of striking the vicinity of the column base with a hammer or the like. 前記振動計測器では、前記柱基部付近に設置された起振器からのスイープ加振による構造物の強制振動が計測されることを特徴とする請求項1に記載の高架橋の状態監視装置。   2. The viaduct state monitoring apparatus according to claim 1, wherein the vibration measuring device measures forced vibration of a structure due to sweep excitation from a vibrator installed in the vicinity of the column base. 3. 基礎となる地中梁および杭基礎と、該地中梁に固定された柱と、該柱の天端部に固定された上床梁とを有する高架橋の状態監視装置であって、
前記地中梁および杭基礎近傍に位置する柱基部に設置されて該柱基部の常時微動による振動を計測する常時微動計測器と、
該常時微動計測器から出力される検出値に基づき杭頭2次モードにおけるパワースペクトル面積比、卓越振動数等の評価要素を演算しかつ記録する演算記録手段と、
該演算記録手段からの出力に基づき前記杭頭2次モードにおける評価要素に変化が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する評価手段と、を具備することを特徴とする高架橋の状態監視装置。
A state monitoring device for a viaduct having a foundation underground beam and a pile foundation, a column fixed to the underground beam, and an upper floor beam fixed to the top end of the column,
A microtremor measuring instrument that is installed in a column base located in the vicinity of the underground beam and the pile foundation and measures vibration due to microtremors of the column base;
Calculation recording means for calculating and recording evaluation elements such as power spectrum area ratio and dominant frequency in the pile head secondary mode based on the detection value output from the microtremor measuring device;
Evaluation means for monitoring whether or not a change has occurred in the evaluation element in the secondary mode of the pile head based on the output from the calculation recording means, and determining damage to the viaduct pile foundation based on the monitoring result; A state monitoring device for a viaduct characterized by:
前記常時微動計測器は、風等による橋脚の微動を検出することを特徴とする請求項4に記載の高架橋の状態監視装置。   5. The viaduct state monitoring apparatus according to claim 4, wherein the continuous fine movement measuring device detects fine movement of a pier due to wind or the like. 基礎となる地中梁および杭基礎と、該地中梁に固定された柱と、該柱の天端部に固定された上床梁とを有する高架橋の状態監視方法であって、
前記地中梁および杭基礎近傍に位置する柱基部に設置されて該柱基部を打撃又は起振させることにより得た振動を計測する計測段階と、
該計測段階で検出された検出値に基づき杭頭2次モードの固有振動数を演算しかつ記録する演算段階と、
該演算段階での演算結果に基づき前記杭頭2次モードの固有振動数に低下が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する評価段階、を具備することを特徴とする高架橋の状態監視方法。
A viaduct state monitoring method comprising a foundation underground beam and a pile foundation, a column fixed to the underground beam, and an upper floor beam fixed to the top end of the column,
A measurement stage for measuring vibration obtained by striking or oscillating the column base installed in the column base located near the underground beam and pile foundation;
A calculation step of calculating and recording the natural frequency of the pile head secondary mode based on the detected value detected in the measurement step;
Monitoring whether or not the natural frequency of the pile head secondary mode is reduced based on the calculation result in the calculation step, and evaluating the damage of the viaduct pile foundation based on the monitoring result; A method for monitoring the state of a viaduct characterized by comprising:
基礎となる地中梁および杭基礎と、該地中梁に固定された柱と、該柱の天端部に固定された上床梁とを有する高架橋の状態監視方法であって、
前記地中梁および杭基礎近傍に位置する柱基部に設置されて該柱基部の常時微動による振動を計測する計測段階と、
該計測段階で検出された検出値に基づき杭頭2次モードにおけるパワースペクトル面積比、卓越振動数等の評価要素を演算しかつ記録する演算記録段階と、
該演算記録段階での演算結果に基づき前記杭頭2次モードにおける評価要素に変化が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する評価段階と、を具備することを特徴とする高架橋の状態監視方法。
A viaduct state monitoring method comprising a foundation underground beam and a pile foundation, a column fixed to the underground beam, and an upper floor beam fixed to the top end of the column,
A measurement stage that is installed in the column base located in the vicinity of the underground beam and the pile foundation, and measures vibration due to microtremors of the column base, and
A calculation recording stage for calculating and recording evaluation elements such as a power spectrum area ratio and a dominant frequency in the pile head secondary mode based on the detection value detected in the measurement stage;
Monitoring whether or not a change has occurred in the evaluation element in the secondary mode of the pile head based on the calculation result in the calculation recording stage, and evaluating the damage of the viaduct pile foundation based on the monitoring result; A method for monitoring the state of a viaduct, comprising:
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