JP2018031187A - Examination method of structure performance of railway bridge - Google Patents

Examination method of structure performance of railway bridge Download PDF

Info

Publication number
JP2018031187A
JP2018031187A JP2016164139A JP2016164139A JP2018031187A JP 2018031187 A JP2018031187 A JP 2018031187A JP 2016164139 A JP2016164139 A JP 2016164139A JP 2016164139 A JP2016164139 A JP 2016164139A JP 2018031187 A JP2018031187 A JP 2018031187A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
bridge
train
structural performance
railway
parameter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2016164139A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6543863B2 (en
Inventor
弘大 松岡
Kota Matsuoka
弘大 松岡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Railway Technical Research Institute
Original Assignee
Railway Technical Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Railway Technical Research Institute filed Critical Railway Technical Research Institute
Priority to JP2016164139A priority Critical patent/JP6543863B2/en
Publication of JP2018031187A publication Critical patent/JP2018031187A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6543863B2 publication Critical patent/JP6543863B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Bridges Or Land Bridges (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an examination method of structure performance of a railway bridge capable of properly investigating and evaluating structure performance of a bridge using a piece of measurement data of acceleration response of the bridge when a train travels thereon.SOLUTION: The examination method of structure performance of a railway bridge includes the steps of: assuming a train as a moving load train and a bridge as a simple beam, formulating a theoretical analysis model of dynamic response of the railway bridge when the train runs thereon; measuring acceleration of the bridge when the train runs thereon; and estimating an unknown parameter of a theoretical analytic model from the acceleration data using an inverse analysis method.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、鉄道橋の構造性能を調査する方法に関する。   The present invention relates to a method for investigating the structural performance of a railway bridge.

膨大な既設鉄道橋を効率的且つ効果的に維持管理する手法が求められており、例えば、センサなどを設置して橋梁の構造性能をできるだけ簡便に定量的、且つ継続的に測定する手法の開発が非常に重要な課題とされている。   There is a demand for a method for efficiently and effectively maintaining and managing a huge number of existing railway bridges. For example, the development of a method for quantitatively and continuously measuring the structural performance of a bridge as easily as possible by installing sensors, etc. Is considered a very important issue.

一方、センサの低価格化と測定の簡易化の進展に伴い、列車走行時の橋梁の加速度を測定して構造性能を推定する手法が、定量データを得る手法として広く採用されている。   On the other hand, along with the progress of cost reduction and simplification of measurement, a method of estimating structural performance by measuring the acceleration of a bridge during train travel is widely adopted as a method for obtaining quantitative data.

例えば、測定加速度から橋梁の固有振動数やモード減衰比などのモード特性を推定する。この橋梁の固有振動数やモード減衰比などのモード特性は間接的に構造性能を表すものであるため、センサによって橋梁の加速度を継続的に測定することで、固有振動数やモード減衰比などのモード特性ひいては橋梁の構造性能のデータを蓄積し、その相対比較を行い、経年変化を捉えることで、橋梁(構造物)の異常、経年劣化の状態を把握することが試みられている。   For example, the mode characteristics such as the natural frequency of the bridge and the mode damping ratio are estimated from the measured acceleration. Mode characteristics such as the natural frequency and mode damping ratio of this bridge indirectly represent structural performance. Therefore, by continuously measuring the acceleration of the bridge with a sensor, the natural frequency, mode damping ratio, etc. Attempts have been made to ascertain abnormalities of bridges (structures) and aging deterioration by accumulating mode characteristics and structural data of bridges, comparing them relative to each other, and capturing changes over time.

また、列車走行時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。衝撃係数は、鉄道橋のひび割れ等の劣化現象に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、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)。   In addition, the impact coefficient is used as an important index for evaluating the dynamic response during train travel. The impact coefficient is an important indicator in maintenance management because it is closely related to deterioration phenomena such as cracks in railway bridges. When evaluating the impact coefficient of a railway bridge, a ring displacement meter, video measurement, U Doppler (non-contact vibration measurement system for structures with a built-in laser Doppler velocimeter), etc. are used. The vertical displacement is measured on the bridge side (ground side) (deflection measurement), and the impact coefficient is obtained using this measurement result (see, for example, Patent Document 1).

特開2012−233758号公報JP 2012-233758 A

ここで、我が国の鉄道技術分野では、鉄道橋ひいては鉄道の安全性及び使用性を好適に確保・維持するために、鉄道橋の設計などに関する膨大な知見が既に蓄積されている。このような膨大な知見に基づく鉄道橋の設計で用いられる構造性能の多くは変位を基準とし、低速走行時の静的な変位に加え、高速走行時の応答増幅を表す衝撃係数が代表的な構造性能指標とされている。   Here, in the field of railway technology in Japan, a great deal of knowledge about the design of railway bridges and the like has already been accumulated in order to suitably secure and maintain the safety and usability of railway bridges and thus railways. Most of the structural performance used in the design of railway bridges based on such a vast amount of knowledge is based on displacement, and in addition to static displacement at low speeds, an impact coefficient that represents response amplification at high speeds is typical. It is regarded as a structural performance index.

しかしながら、列車走行時の橋梁の変位の測定は、測定精度を確保するために固定点が常に正確且つ厳密に設定、設置されていることが絶対的な必要条件であり、また、測定時の環境的制約が厳しいことに加え、加速度測定と比較して測定負荷が大きい。このため、膨大な既設鉄道橋の構造性能を調査するための手法、ひいては膨大な既設鉄道橋を維持管理するための手法として用いることは現実的に難しい。   However, the measurement of the displacement of the bridge during train travel is an absolute requirement that the fixed points are always set accurately and strictly in order to ensure the measurement accuracy, and the measurement environment In addition to severe restrictions, the measurement load is larger than acceleration measurement. For this reason, it is practically difficult to use as a method for investigating the structural performance of a huge number of existing railway bridges, and as a method for maintaining and managing a huge number of existing railway bridges.

一方、列車走行時の加速度応答に基づく変位応答の推定法が多数提案されているが、推計精度や計算負荷の点で課題が残るとともに、衝撃係数など外挿計算が必要な指標は得られないため、現状では実務での適用が限られている。このため、列車走行時の加速度応答に基づいて橋梁の変位応答、振動特性を精度よく推定できる手法の開発が強く望まれていた。   On the other hand, many methods for estimating the displacement response based on the acceleration response during train travel have been proposed, but problems remain in terms of estimation accuracy and calculation load, and indicators that require extrapolation such as impact coefficient cannot be obtained. Therefore, at present, the practical application is limited. For this reason, the development of a method that can accurately estimate the displacement response and vibration characteristics of the bridge based on the acceleration response during train travel has been strongly desired.

上記事情に鑑み、本発明は、列車走行時の橋梁の加速度応答の観測データを用いて、橋梁の構造性能を好適に調査、評価することを可能にする鉄道橋の構造性能調査方法を提供することを目的とする。   In view of the above circumstances, the present invention provides a method for investigating the structural performance of a railway bridge, which makes it possible to suitably investigate and evaluate the structural performance of the bridge using observation data of the acceleration response of the bridge during train travel. For the purpose.

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。   In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.

本発明の鉄道橋の構造性能調査方法は、列車を移動荷重列とし、橋梁を単純梁として列車走行時の鉄道橋の動的応答の理論解析モデルを下記の式(1)のように定式化し、列車走行時の橋梁の加速度を測定するとともに、該加速度データから前記理論解析モデルの未知のパラメータを逆解析法によって推計するようにしたことを特徴とする。   The method for investigating the structural performance of a railway bridge according to the present invention formulates a theoretical analysis model of the dynamic response of a railway bridge when the train is run using a train as a moving load train and a bridge as a formula (1) below. The present invention is characterized in that the acceleration of the bridge when the train travels is measured and the unknown parameter of the theoretical analysis model is estimated from the acceleration data by an inverse analysis method.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

ここで、
xは距離(位置)、tは先頭車両の第一車軸が橋梁に進入する時点を0とした時間、ν(t)はt<0で0、0≦tで1のステップ関数、τk,iはk両目車両の第i車軸通過時点である。
here,
x is a distance (position), t is a time when the time when the first axle of the leading vehicle enters the bridge is 0, ν (t) is a step function of 0 when t <0, 1 when 0 ≦ t, τ k, i is the time when the k-th vehicle passes the i-th axle.

u(上に・・)(x,t)は加速度応答であり、下記の式(2)、式(3)〜式(10)で表される。   u (above...) (x, t) is an acceleration response and is expressed by the following equations (2) and (3) to (10).

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

ここで、
u(上に・)(x,t)は速度応答、u(x,t)は変位応答である。
m(上に−)は単位長さ当りの橋梁質量(単位長質量)、cは減衰係数、EIは曲げ剛性である。Lは橋梁の径間長、nはモード次数、Tは橋梁通過時間、ωはn次固有角振動数、ξ はn次モード減衰比、ω(上に−)は1車軸の橋梁進入から退出までを半周期とした車軸通過各振動数のn次成分、Φ(x)はn次振動モード形、uは径間中央に軸重が作用した際の静的たわみ量である。
here,
u (above) (x, t) is a velocity response, and u (x, t) is a displacement response.
m (upward-) is the bridge mass per unit length (unit length mass), c is the damping coefficient, and EI is the bending stiffness. L b is span length of the bridge, n represents mode order, T is a bridge transit time, omega n is n th order natural angular frequency, xi] n the n-th order mode damping ratio, omega n (above -) is the primary axle The nth order component of each frequency passing through the axle with a half cycle from entry to exit of the bridge, Φ n (x) is the nth order vibration mode shape, and u 0 is the amount of static deflection when axial load acts on the center of the span It is.

また、本発明の鉄道橋の構造性能調査方法においては、前記式(1)の理論解析モデルに誤差項を導入して下記の式(11)の確率モデルを定義し、未知のパラメータθを与件としたときに前記式(11)から前記加速度データu(上に・・)が生成される下記の式(12)の同時生起確率(尤度関数)L(u|θ)と、下記の式(13)の未知のパラメータの事前確率密度関数π(θ)とをベイズの定理で得られる下記の式(14)に代入して前記加速度データを与件としたときの未知パラメータの同時事後確率密度関数π(θ|u)を定め、推計したパラメータ及び該パラメータの不確実性を反映させて鉄道橋の構造性能を評価することが望ましい。 In the method for investigating the structural performance of a railway bridge according to the present invention, an error term is introduced into the theoretical analysis model of the above formula (1) to define a probability model of the following formula (11), and an unknown parameter θ is given. The co-occurrence probability (likelihood function) L (u 0 | θ) of the following equation (12) in which the acceleration data u 0 (above) is generated from the equation (11) when Substituting the prior probability density function π (θ) of the unknown parameter of the following equation (13) into the following equation (14) obtained by Bayes' theorem, the unknown parameter when the acceleration data is given It is desirable to define the simultaneous posterior probability density function π (θ | u 0 ) and evaluate the structural performance of the railway bridge by reflecting the estimated parameter and the uncertainty of the parameter.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

ここで、
ωは平均μω、分散σω の正規分布、GJ(合字)ξは形状係数αξ、尺度係数γξのガンマ分布を示す。Θはパラメータ空間である。
here,
N ω is a normal distribution with mean μ ω and variance σ ω 2 , GJ (ligature) ξ is a gamma distribution with shape factor α ξ and scale factor γ ξ . Θ is a parameter space.

さらに、本発明の鉄道橋の構造性能調査方法においては、前記同時事後確率密度関数を数値計算により近似する確率密度関数を得るMCMC法を用い、未知のパラメータである複数の要素のそれぞれについて順番に条件付きの事後確率密度関数からのサンプリングを繰り返し、前記同時事後確率密度関数を求めることがより望ましい。   Further, in the method for investigating the structural performance of a railway bridge according to the present invention, the MCMC method is used to obtain a probability density function that approximates the simultaneous posterior probability density function by numerical calculation, and each of a plurality of elements that are unknown parameters is sequentially used. It is more desirable to obtain the simultaneous posterior probability density function by repeating sampling from the conditional posterior probability density function.

また、本発明の鉄道橋の構造性能調査方法においては、サンプリングされたパラメータの標本がマルコフ連鎖の定常状態に達するとともに、該定常状態に達したサンプリング数以降のパラメータの標本から期待値と信頼区間を算出し、パラメータ推計値とパラメータ推計値の信頼性を評価することがさらに望ましい。   In the method for investigating the structural performance of a railway bridge according to the present invention, the sample of the sampled parameter reaches the steady state of the Markov chain, and the expected value and the confidence interval from the sample of the parameter after the number of samplings reaching the steady state. More preferably, the parameter estimation value and the reliability of the parameter estimation value are evaluated.

さらに、本発明の鉄道橋の構造性能調査方法においては、未知のパラメータθが、ω(固有周期)、m(上に−)(単位長さ当りの橋梁質量)、ξ(モード減衰比)、σ(確率誤差項分散)であり、前記条件付きの事後確率密度関数のπ(ω|u,m(上に−),ξ,σ)はランダムウォールMH法、π(m(上に−)|u,ω,ξ,σ)は最大振幅の比、π(ξ|u,ω,m(上に−),σ)は独立MH法、π(σ|u,ω,m(上に−),ξ)は加速度データと理論解析モデルの標準偏差をそれぞれ用いて、前記条件付きの事後確率密度関数からのサンプリングを行うことが望ましい。 Furthermore, in the method for investigating the structural performance of a railway bridge according to the present invention, the unknown parameter θ is ω (natural period), m (upward-) (bridge mass per unit length), ξ (mode damping ratio), σ (probability error term variance), and π (ω | u 0 , m (upward −), ξ, σ) of the conditional posterior probability density function is the random wall MH method and π (m (upward − ) | U 0 , ω, ξ, σ) is the maximum amplitude ratio, π (ξ | u 0 , ω, m (upper −), σ) is the independent MH method, and π (σ | u 0 , ω, m). (Above-) and ξ) are preferably sampled from the conditional posterior probability density function using acceleration data and the standard deviation of the theoretical analysis model, respectively.

また、本発明の鉄道橋の構造性能調査方法においては、サンプリングされたパラメータの標本を用いたMCMC法の理論解析により、前記同時事後確率密度関数に従う変位応答と衝撃係数の標本を得ることが望ましい。   In the method for investigating the structural performance of a railway bridge according to the present invention, it is desirable to obtain a sample of displacement response and impact coefficient according to the simultaneous posterior probability density function by theoretical analysis of the MCMC method using a sample of sampled parameters. .

さらに、本発明の鉄道橋の構造性能調査方法においては、下記の式(15)で表される任意の列車速度vをパラメータとした列車走行時の応答予測解析をm回目のサンプリング過程に組み込み、任意の各速度での最大値を求めるとともに、MCMC法の計算フローに応答予測過程を組み込むことで、未知のパラメータの推計計算と同時に、同時事後確率密度関数に従う最大変位の標本を得ることがより望ましい。 Furthermore, in the structural performance survey method railway bridge of the present invention, include responses predictive analysis at a train traveling that any train speed v s represented by the following formula (15) as a parameter to the m-th sampling process In addition to obtaining the maximum value at any speed and incorporating the response prediction process in the MCMC calculation flow, it is possible to obtain a sample of the maximum displacement according to the simultaneous posterior probability density function at the same time as estimating the unknown parameter. More desirable.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

本発明の鉄道橋の構造性能調査方法においては、橋梁の状態の推定、走行安全性や快適性評価に必要な列車走行時の変位応答を橋梁の1点の加速度応答から精度よく取得することが可能になる。   In the method for investigating the structural performance of a railway bridge according to the present invention, it is possible to accurately obtain a displacement response during train travel necessary for estimation of the state of the bridge, travel safety and comfort evaluation from the acceleration response of one point of the bridge. It becomes possible.

また、列車走行時の橋梁の実測加速度に基づく推計パラメータのうち、固有振動数は橋梁剛性と関連しているため、固有振動数を精度よく推定できることにより、構造性能を精度よく推定することができる。   Of the estimated parameters based on the measured acceleration of the bridge during train travel, the natural frequency is related to the bridge stiffness, so the natural frequency can be estimated accurately, so that the structural performance can be estimated accurately. .

さらに、列車走行時の橋梁の実測加速度から他の列車速度での応答予測を行うことができる。   Furthermore, response prediction at other train speeds can be performed based on the actual acceleration of the bridge during train travel.

また、推計パラメータの不確実性が定量化できるため、例えば95%信頼区間下限値の採用など、推計精度に応じて変化するリスクを担保した評価が可能になる。   In addition, since the uncertainty of the estimation parameter can be quantified, for example, an evaluation that guarantees a risk that changes according to the estimation accuracy, such as adoption of a lower limit value of 95% confidence interval, can be performed.

さらに、推計精度に応じて変化する推計パラメータの不確実性に基づき、より精密な測定をする価値を推計精度の面から評価することも可能になる。   Furthermore, based on the uncertainty of the estimation parameter that changes according to the estimation accuracy, it is possible to evaluate the value of more precise measurement from the viewpoint of estimation accuracy.

また、維持管理基準値に対する余裕度を算出することで、維持管理の優先順位の決定、弱点構造物の抽出に活用することも可能になり得る。   Also, by calculating the margin with respect to the maintenance management reference value, it can be used to determine the priority of maintenance management and extract weak point structures.

よって、本発明の鉄道橋の構造性能調査方法によれば、列車走行時の橋梁の加速度応答の観測データを用いて、橋梁の構造性能を好適に調査、評価することが可能になる。   Therefore, according to the structural performance investigation method of the railway bridge of the present invention, it is possible to suitably investigate and evaluate the structural performance of the bridge using the observation data of the acceleration response of the bridge during train travel.

列車走行時の単純梁モデルを示す図である。It is a figure which shows the simple beam model at the time of train travel. 車両モデル(相互作用解析)を示す図である。It is a figure which shows a vehicle model (interaction analysis). 構造物モデル(相互作用解析・荷重列解析)を示す図である。It is a figure which shows a structure model (interaction analysis and load train analysis). 荷重列解析手法、動的相互作用解析手法、簡易解析手法(本発明の一実施形態に係る鉄道橋の構造物性能調査方法)の各解析手法で算出した変位応答を示す図である。It is a figure which shows the displacement response computed with each analysis method of a load train analysis method, a dynamic interaction analysis method, and a simple analysis method (the structure performance investigation method of the railway bridge which concerns on one Embodiment of this invention). 荷重列解析手法、動的相互作用解析手法、簡易解析手法(本発明に係る鉄道橋の構造物性能調査方法)の各解析手法で算出した衝撃係数を示す図である。It is a figure which shows the impact coefficient computed by each analysis method of a load train analysis method, a dynamic interaction analysis method, and a simple analysis method (the structure performance investigation method of a railway bridge according to the present invention). 本発明の一実施形態に係る鉄道橋の構造物性能調査方法(詳細逆解析手法)を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the structure performance investigation method (detailed reverse analysis method) of the railway bridge which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る鉄道橋の構造物性能調査方法(MCMC法による逆解析及び応答予測)を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the structure performance investigation method (inverse analysis and response prediction by MCMC method) of the railway bridge which concerns on one Embodiment of this invention. 簡易逆解析手法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows a simple reverse analysis method. 簡易逆解析手法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows a simple reverse analysis method. 加速度時系列データの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of acceleration time series data. 本発明の一実施形態に係る鉄道橋の構造物性能調査方法(詳細逆解析手法)の収束例を示す図である。It is a figure which shows the convergence example of the structure performance investigation method (detailed reverse analysis method) of the railway bridge which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る鉄道橋の構造物性能調査方法(詳細逆解析手法)と既存手法の推計精度を比較した図である。It is the figure which compared the estimation accuracy of the structure performance investigation method (detailed reverse analysis method) of the railway bridge which concerns on one Embodiment of this invention, and the existing method. 加速度応答に基づく逆解析結果(推計値(事後分布の期待値)とその信頼区間)を示す図である。It is a figure which shows the reverse analysis result (estimated value (expected value of posterior distribution) and its confidence interval) based on an acceleration response. 変位応答の推計結果を示す図である。It is a figure which shows the estimation result of a displacement response. 最大変位の推計結果を示す図である。It is a figure which shows the estimation result of a maximum displacement. C橋の最大変位の正解値と推計値を比較した図である。It is the figure which compared the correct value and estimated value of the maximum displacement of C bridge. 相互作用解析に導入した軌道変位を示す図である。It is a figure which shows the track | orbit displacement introduced in the interaction analysis. 径間長10mでの詳細逆解析にノイズ、車両との相互作用及び軌道変位が及ぼす影響を示す図である。It is a figure which shows the influence which noise, interaction with a vehicle, and track | orbit displacement exert on the detailed reverse analysis in span length 10m. 径間長45mでの詳細逆解析にノイズ、車両との相互作用及び軌道変位が及ぼす影響を示す図である。It is a figure which shows the influence which noise, interaction with a vehicle, and track | orbit displacement exert on the detailed reverse analysis in span length 45m. 径間長10mでの固有振動数推計値の信頼区間と衝撃係数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the confidence interval of the natural frequency estimated value in span length 10m, and an impact coefficient. 径間長45mでの固有振動数推計値の信頼区間と衝撃係数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the confidence interval of the natural frequency estimated value in span length 45m, and an impact coefficient. 径間長10mでの詳細逆解析による最大変位の推計精度を示す図である。It is a figure which shows the estimation precision of the maximum displacement by the detailed reverse analysis in span length 10m. 径間長45mでの詳細逆解析による最大変位の推計精度を示す図である。It is a figure which shows the estimation precision of the largest displacement by the detailed reverse analysis in span length 45m. 本発明の一実施形態に係る鉄道橋の構造物性能調査方法の適用対象橋梁の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the bridge for which the structure performance investigation method of the railway bridge which concerns on one Embodiment of this invention is applied. 測定加速度の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a measurement acceleration. 詳細逆解析前後の加速度を比較した図である。It is the figure which compared the acceleration before and behind a detailed reverse analysis. 径間長25mでの逆解析によるパラメータ推計結果を示す図である。It is a figure which shows the parameter estimation result by the reverse analysis in span length 25m. 径間長35mでの逆解析によるパラメータ推計結果を示す図である。It is a figure which shows the parameter estimation result by the reverse analysis in span length 35m. 径間長25mでの測定加速度に基づく変位推計結果を示す図である。It is a figure which shows the displacement estimation result based on the measurement acceleration in span length 25m. 径間長35mでの測定加速度に基づく変位推計結果を示す図である。It is a figure which shows the displacement estimation result based on the measurement acceleration in span length 35m. 逆解析結果に基づく最大変位と列車速度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the maximum displacement and train speed based on a reverse analysis result.

以下、図1から図31を参照し、本発明の一実施形態に係る鉄道橋の構造性能調査方法について説明する。   Hereinafter, a method for investigating the structural performance of a railway bridge according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

ここで、本実施形態は、列車走行時の橋梁の測定加速度に基づき、逆解析法によって橋梁の変位応答、衝撃係数を推計し、鉄道橋の構造性能を調査、評価するための方法に関するものである。   Here, the present embodiment relates to a method for investigating and evaluating the structural performance of a railway bridge by estimating the displacement response and impact coefficient of the bridge by an inverse analysis method based on the measured acceleration of the bridge during train travel. is there.

本実施形態では、まず、定式化した理論解析モデルが一定精度で列車走行時の動的応答を再現できることを示し、次に、定式化した理論解析モデルに基づき、不確実性を踏まえた推計が可能な詳細逆解析法手法(本発明に係る鉄道橋の構造性能調査方法)、及び計算負荷の少ない簡易逆解析法について説明する。   In the present embodiment, first, it is shown that the formulated theoretical analysis model can reproduce the dynamic response at the time of train travel with a constant accuracy.Next, based on the formulated theoretical analysis model, estimation based on uncertainty is performed. A possible detailed inverse analysis method (a method for investigating the structural performance of a railway bridge according to the present invention) and a simple inverse analysis method with a small calculation load will be described.

さらに、双子実験により本発明に係る鉄道橋の構造性能調査方法によって得られたパラメータ、変位応答、衝撃係数の推計精度の検証を行うとともに種々の影響因子に対する精度評価を行い、実橋梁で測定加速度応答に適用して本発明の有効性を確認した結果について説明する。   In addition, we verified the accuracy of estimation of parameters, displacement response, and impact coefficient obtained by the method for investigating the structural performance of railway bridges according to the present invention through twin experiments, evaluated the accuracy of various influencing factors, and measured acceleration on actual bridges. The result of confirming the effectiveness of the present invention applied to the response will be described.

本実施形態の鉄道橋の構造性能調査方法においては、単純桁における列車走行時の動的応答理論解析手法を以下のように定式化する。   In the method for investigating the structural performance of a railway bridge according to the present embodiment, a dynamic response theory analysis method during train traveling in a simple girder is formulated as follows.

(理論に基づく列車走行時の橋梁の応答)
図1は、列車走行時の単純梁モデルを示している。
ここでは、走行列車を移動荷重列とし、橋梁を線路方向に断面変化のない単純梁としてそれぞれモデル化する。
(The response of the bridge during train travel based on theory)
FIG. 1 shows a simple beam model during train travel.
Here, the traveling train is a moving load train, and the bridge is modeled as a simple beam with no cross-sectional change in the track direction.

なお、図1は、車軸間隔a、台車間隔b、車両長さLの車両n台で編成される列車1が一定速度vで径間長Lの橋梁2を図中左から右へ走行する状態を示している。また、時間tは先頭車両の第一車軸が橋梁2に進入する時点を0とする。 Incidentally, FIG. 1, the axle spacing a, bogie distance b, the vehicle length L v train 1 which is organized in the vehicle n v platform is from right to left in FIG bridges 2 of span length L b with a constant velocity v It shows the state of running. Time t is set to 0 when the first axle of the leading vehicle enters the bridge 2.

そして、表面が十分に滑らかなベルヌーイ・オイラー梁とすると、橋梁上の任意地点及び時点における運動方程式は式(16)で表すことができる。   If the surface of the Bernoulli Euler beam is sufficiently smooth, the equation of motion at an arbitrary point on the bridge and at a point in time can be expressed by Equation (16).

Figure 2018031187
Figure 2018031187

ここで、m(上に−)は単位長さ当たりの橋梁質量(単位長質量)、cは減衰係数、EIは曲げ剛性である。また、Jは式(17)で表現される移動荷重列であり、δはDiracのデルタ関数を表す。また、τk,iは式(18)で示すk両目車両の第i車軸通過時点、Pk,iは同車軸の軸重である。 Here, m (upward-) is the bridge mass per unit length (unit length mass), c is the damping coefficient, and EI is the bending stiffness. J is a moving load sequence expressed by the equation (17), and δ represents a Dirac delta function. Also, τ k, i is the time when the k-th vehicle passes through the i-th axle shown in Equation (18), and P k, i is the axle load of the same axle.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

式(16)の各移動荷重に対し、橋梁を線形系と仮定できるならば式(19)のように分解できるため、式(20)のように列車走行時の応答を各移動荷重に対する応答の重ね合わせで表現できる。   If the bridge can be assumed to be a linear system for each moving load in equation (16), it can be decomposed as in equation (19). Therefore, the response during train travel as shown in equation (20) It can be expressed by overlapping.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

また、図1の境界条件におけるk両目車両の第i車軸通過時の橋梁応答に関する微分方程式の式(21)の解は、式(22)となる。ここで、nはモード次数、Tは橋梁通過時間、ωはn次固有角振動数、ξはn次モード減衰比、ω(上に−)は1車軸の橋梁進入から退出までを半周期とした車軸通過各振動数のn次成分、Φ(x)はn次振動モード形、uは径間中央に軸重が作用した際の静的たわみ量であり、式(23)〜式(27)によりそれぞれ算出される。 Further, the solution of the differential equation (21) relating to the bridge response when the k-th vehicle passes through the i-th axle under the boundary condition of FIG. Where n is the mode order, T is the bridge transit time, ω n is the n-order natural angular frequency, ξ n is the n-order mode damping ratio, and ω n (upward-) is the one-axle bridge entry to exit. The n-th order component of each frequency passing through the axle in a half cycle, Φ n (x) is the n-th order vibration mode shape, u 0 is the static deflection amount when the axial load acts on the center of the span, ) To Expression (27).

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

なお、固有振動数fはf=ω/2πである。また、式中のα、β及びψはそれぞれ、式(28)、式(29)、式(30)である。さらに、式(22)の導出には減衰が1より十分小さいと仮定し、ω√(1−ξ )≒ωの近似を用いた。 The natural frequency f n is f n = ω n / 2π. In addition, α n , β, and ψ in the formula are respectively the formula (28), the formula (29), and the formula (30). Furthermore, assuming that the attenuation in the derivation of formula (22) is sufficiently smaller than 1, using an approximation of ω n √ (1-ξ n 2) ≒ ω n.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

次に、k両目車両の第i車軸通過時の速度応答uk,j(上に・)と加速度応答uk,j(上に・・)は式(22)よりそれぞれ、式(31)、式(32)のように表せる。 Next, the speed response u k, j (above) and the acceleration response u k, j (up) of the k-th vehicle passing through the i-th axle are represented by the formula (31), It can be expressed as equation (32).

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

次に、理論解析モデルについて説明する。
はじめに、最大モード振幅は、周知のように、静的たわみ(式(27))と、モード形Φ、モード次数n、βに依存する。過去研究に基づいて、橋梁固有周期をω=2π・105L −1で近似すると、式(24)及び式(29)から、式(33)が導出される。なお、vkm/h=v/3.6[km/h]である。
Next, the theoretical analysis model will be described.
First, as is well known, the maximum mode amplitude depends on the static deflection (formula (27)), the mode shape Φ, and the mode orders n and β. Based on past research, when the natural period of the bridge is approximated by ω 1 = 2π · 105L b −1 , Expression (33) is derived from Expression (24) and Expression (29). Note that vkm / h = v / 3.6 [km / h].

Figure 2018031187
Figure 2018031187

次に、現在の鉄道の営業最高速度を想定しても、β<<1であるため、簡易的に式(34)のように考えることができる。 Next, even assuming the current maximum operating speed of the railway, since β 2 << 1, it can be simply considered as in Expression (34).

Figure 2018031187
Figure 2018031187

この式(34)からモード次数nの増加に伴い、各モードの最大振幅は次数の4乗に反比例して急速に減少することになる。さらに、ほとんどの単純桁で径間中央で変位最大となることを踏まえると、径間中央の2次モード振幅はΦ(L/2)=0であり、1次モードの次に大きな振幅を有するのは3次モードとなる。これに対し、式(34)から3次モードの最大モード振幅は1次モードに対して1/34≒0.011となり、約1%程度となる。これにより、本実施形態では1次モードの振幅のみを考えることとする。また、このとき、式(22)は、式(35)となる。なお、モード次数に対する添え字は省略した。 From the equation (34), as the mode order n increases, the maximum amplitude of each mode rapidly decreases in inverse proportion to the fourth power of the order. Furthermore, considering that the displacement is maximum at the center of the span in most simple girders, the secondary mode amplitude at the center of the span is Φ S (L b / 2) = 0, which is the next largest amplitude after the primary mode. It is the third-order mode that has. On the other hand, the maximum mode amplitude of the third-order mode is 1 / 34≈0.011 with respect to the first-order mode, which is about 1% from the equation (34). Thus, in this embodiment, only the amplitude of the primary mode is considered. At this time, Expression (22) becomes Expression (35). Note that subscripts for the mode order are omitted.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

また、単一移動荷重作用時の運動方程式の解である式(22)を重ね合わせることにより、列車走行時の動的応答理論解析モデルを式(36)のように定式化できる。なお、ν(t)はt<0で0、0≦tで1のステップ関数である。   Further, by superimposing the equation (22) which is the solution of the equation of motion when a single moving load is applied, the dynamic response theory analysis model during train travel can be formulated as the equation (36). Note that ν (t) is a step function of 0 when t <0 and 1 when 0 ≦ t.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

このとき、速度応答u(上に・)(x,t)と加速度応答u(上に・・)(x,t)は、式(37)、式(38)である。   At this time, the speed response u (upward) (x, t) and the acceleration response u (upper...) (X, t) are the expressions (37) and (38).

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

そして、これら式(36)から式(38)は三角関数の重ね合わせのみであるため、高次モード省略による誤差は存在するものの、数値積分を介した誤差混入がない上、有限要素法と比較して計算負荷が極めて小さい。これにより、一般的な表計算ソフトウェアでも応答計算が可能になる。   Since these equations (36) to (38) are only the superposition of trigonometric functions, there is an error due to omission of higher-order modes, but there is no error mixing through numerical integration and a comparison with the finite element method. The calculation load is extremely small. As a result, response calculation is possible even with general spreadsheet software.

次に、理論解析モデルの妥当性について説明する。
複数の仮定の上で導出した理論解析モデル(理論解析手法/簡易逆解析法手法)の妥当性を検証するため、表1に示す10m、35m、45mの単純桁を10両編成の高速鉄道車両が走行した場合を例に、荷重列解析手法(荷重列解析)と、動的相互作用解析手法(相互作用解析)の2種類の数値解析手法と比較を行った。
Next, the validity of the theoretical analysis model will be described.
In order to verify the validity of the theoretical analysis model (theoretical analysis method / simplified inverse analysis method) derived based on multiple assumptions, the 10 m, 35 m, and 45 m simple girders shown in Table 1 have a 10-car train. As an example, a comparison was made between two types of numerical analysis methods, a load train analysis method (load train analysis) and a dynamic interaction analysis method (interaction analysis).

Figure 2018031187
Figure 2018031187

ここで、荷重列解析手法(荷重列解析)は、車両を非振動系の荷重列とし、構造物を有限要素モデルとしてモデル化する。計算には線路構造物の汎用構造解析プログラムDIARIST(Dynamic and Impact Analysis for Railway Structure)を用いた。DIARISTでは、モード座標系での運動方程式をNewmarkの平均加速度法により時間増分△t単位で解く。△tは0.0005秒、モード次数は50次とした。   Here, the load train analysis method (load train analysis) models the vehicle as a non-vibration load train and the structure as a finite element model. For the calculation, a general structure analysis program DIALIST (Dynamic and Impact Analysis for Railway Structure) of the track structure was used. In DIALIST, the equation of motion in the mode coordinate system is solved in units of time increment Δt by Newmark's average acceleration method. Δt was 0.0005 seconds and the mode order was 50th.

動的相互作用解析手法(相互作用解析)では、走行車両をマルティボディモデル、構造物を有限要素モデルとしてそれぞれモデル化する。計算は新幹線車両と鉄道構造物との動的相互作用解析プログラムDIASTARS IIIを用いた。   In the dynamic interaction analysis method (interaction analysis), a traveling vehicle is modeled as a multibody model and a structure as a finite element model. The calculation used the dynamic interaction analysis program DIASTARS III between the Shinkansen and the railway structure.

また、車両(列車)の解析モデルは図2に示す通りである。
車両は、車体、台車枠、輪軸の各構成要素を剛体とし、これらをばね、ダンパで結合した三次元モデルとした。1車両当たり31自由度のモデルを10両連結してモデル化した。なお、解析モデルの妥当性は、実車両と車両試験台を用いた検証実験により確認されている。
An analysis model of the vehicle (train) is as shown in FIG.
The vehicle is a three-dimensional model in which the components of the vehicle body, the bogie frame, and the wheel shaft are rigid bodies, which are connected by springs and dampers. 10 models of 31 degrees of freedom per vehicle were connected and modeled. The validity of the analysis model has been confirmed by a verification experiment using an actual vehicle and a vehicle test bench.

また、車両諸元は近年の高速鉄道車両を参考に設定した。車輪/レール間の相互作用力は、両者の鉛直方向相対変位及び水平方向相対変位を用いて算定した。具体的には、両者の接触面の法線方向はHertzの接触ばねを、接線方向はクリープ力をそれぞれ考慮した。   The vehicle specifications were set with reference to recent high-speed rail vehicles. The interaction force between the wheels / rails was calculated using the vertical relative displacement and the horizontal relative displacement of both. Specifically, the normal direction of both contact surfaces considered a Hertz contact spring, and the tangential direction considered creep force.

数値計算は、荷重列解析と同じくNewmarkの平均加速度法により解くこととしたが、運動方程式が非線形のため、各時間ステップごとに不釣合力が十分小さくなるまで△t内で反復計算を行うこととした。△tは0.0005秒、モード次数は50次までとした。   The numerical calculation is solved by Newmark's average acceleration method as in the load train analysis. However, since the equation of motion is nonlinear, iterative calculation is performed within Δt until the unbalance force becomes sufficiently small at each time step. did. Δt was 0.0005 seconds, and the mode order was up to 50th order.

次に、構造物モデルについて説明する。
図3は、荷重列解析と相互作用解析に用いた単純桁の有限要素モデルを示している。橋梁とレールを梁要素、軌道パッドをばね要素とし径間長10m、35m、45mの3橋をそれぞれモデル化した。
Next, the structure model will be described.
FIG. 3 shows a simple-digit finite element model used for load train analysis and interaction analysis. Three bridges with span lengths of 10m, 35m, and 45m were modeled using bridges and rails as beam elements and track pads as spring elements.

軌道パッドと橋梁は剛な梁要素で結合した。断面諸元は実測結果を参考に表1に示すように定めた。モード減衰比はすべて2%とした。理論解析は、表1の構造物モデルと同じ固有振動数、単位長質量、モード減衰比を入力した。   The track pad and the bridge are connected with rigid beam elements. The cross-sectional specifications were determined as shown in Table 1 with reference to the actual measurement results. The mode damping ratio was all 2%. In the theoretical analysis, the same natural frequency, unit length mass, and mode damping ratio as those of the structure model in Table 1 were input.

図4は、理論解析(簡易逆解析法)、荷重列解析及び相互作用解析でそれぞれ算出した径間中央の鉛直たわみ応答を示している。なお、列車は10両編成の高速鉄道車両が図中の速度で走行した場合とした。そして、この図から、走行速度や径間長に依らず、いずれの解析結果も極めて良好に一致しており、本発明に係る理論解析により列車走行時の変位応答を精度よく再現できることが確認された。   FIG. 4 shows the vertical deflection response at the center of the span calculated by theoretical analysis (simple inverse analysis method), load train analysis, and interaction analysis. In addition, the train was a case where a 10-car train high-speed rail car traveled at the speed shown in the figure. And from this figure, it is confirmed that all the analysis results are in good agreement regardless of the running speed and span length, and that the displacement response during train running can be accurately reproduced by the theoretical analysis according to the present invention. It was.

次に、鉄道橋の速度効果による動的応答成分は式(39)の衝撃係数iにより設計でも考慮されている。なお、Sは動的なたわみの最大値、Sは静的なたわみの最大値である。 Then, dynamic response component due to speed effects of railway bridges are considered in the design by the impact factor i a of formula (39). S d is the maximum value of dynamic deflection, and S s is the maximum value of static deflection.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

そして、図5は、荷重列解析手法(荷重列解析)と動的相互作用解析手法(相互作用解析)の各解析手法で算出した衝撃係数を示している。
車両諸元は前述と同様、列車速度は100km/hから420km/h、100km/hでの最大たわみを静的たわみとした。
FIG. 5 shows the impact coefficients calculated by the analysis methods of the load train analysis method (load train analysis) and the dynamic interaction analysis method (interaction analysis).
The vehicle specifications were the same as described above, and the maximum deflection at a train speed of 100 km / h to 420 km / h and 100 km / h was defined as static deflection.

この図から、共振ピークで理論解析(簡易逆解析法)と相互作用解析で衝撃係数が若干異なるが、それ以外の速度帯では良好に一致することが確認された。なお、理論解析と荷重列解析の衝撃係数はよく一致するため、共振ピークの相違は車両の振動系(質量や減衰)によるものと推測される。   From this figure, it was confirmed that the impact coefficient was slightly different between the theoretical analysis (simple inverse analysis method) and the interaction analysis at the resonance peak, but well matched in the other velocity bands. Since the impact coefficients of the theoretical analysis and the load train analysis are in good agreement, it is assumed that the difference in resonance peak is due to the vibration system (mass and damping) of the vehicle.

以上の結果から、理論解析手法は、適用対象が単純桁に限られるものの、有限要素法と比べて格段に少ないモデル自由度で、時系列応答や衝撃係数を少なくとも荷重列解析と同精度に評価できることが明らかとなった。   Based on the above results, although the theoretical analysis method is limited to simple digits, the time series response and impact coefficient are evaluated with at least the same accuracy as the load train analysis with much less model freedom than the finite element method. It became clear that we could do it.

このような結果を踏まえ、本実施形態では、理論解析モデルに必要となるパラメータを実測加速度から推計するための詳細逆解析法(本発明の鉄道橋の構造性能調査方法)と簡易逆解析法とを以下に示す。   Based on these results, in this embodiment, a detailed inverse analysis method (structural performance investigation method for railway bridges of the present invention) and a simple inverse analysis method for estimating parameters required for a theoretical analysis model from measured accelerations, Is shown below.

(詳細逆解析法:本発明の鉄道橋の構造性能調査方法)
まず、図6を参照し、詳細逆解析法について説明する。
本実施形態における詳細逆解析法は、MCMC(Markov chain Monte Carlo)法による未知パラメータと変位応答の詳細逆解析法であり、前述の定式化した理論解析法を基本モデルとすることで、自由度過多に起因するパラメータ推定過程の劣決定問題化を回避し、推計の安定性と精度向上を実現できるものである。
(Detailed inverse analysis method: Method for investigating structural performance of railway bridges of the present invention)
First, the detailed inverse analysis method will be described with reference to FIG.
The detailed inverse analysis method in this embodiment is a detailed inverse analysis method of unknown parameters and displacement response by the MCMC (Markov chain Monte Carlo) method. It is possible to avoid the problem of inferior decision of the parameter estimation process due to the excess and to improve the stability and accuracy of the estimation.

具体的に、本実施形態における詳細逆解析法では、まず、パラメータ及びその不確実性を高精度に評価するためにベイズ推計を用いる。   Specifically, in the detailed inverse analysis method in the present embodiment, first, Bayesian estimation is used in order to evaluate a parameter and its uncertainty with high accuracy.

一般的なベイズ推計法は、パラメータ事前分布と観測データで定義される尤度関数に基づき、未知パラメータの事後分布を推計する。   A general Bayesian estimation method estimates a posterior distribution of unknown parameters based on a likelihood function defined by parameter prior distribution and observation data.

尤度関数はL(u(上に・・)|θ)と表わす。なお、θは未知パラメータベクトル、u(上に・・)は列車走行時加速度応答の観測データをそれぞれ表している。また、確率変数θは事前確率密度π(θ)に従うと仮定する。 The likelihood function is represented as L (u 0 (above ..) | θ). Here, θ represents an unknown parameter vector, and u 0 (above) represents observation data of acceleration response during train travel. Further, it is assumed that the random variable θ follows the prior probability density π (θ).

そして、観測データu(上に・・)が与件のとき、未知パラメータベクトルθの同時事後確率密度関数π(θ|u(上に・・))は、ベイズの定理より、式(40)となる。ただし、Θはパラメータ空間である。式(40)の分母は定数であり、同時事後確率密度関数π(θ|u(上に・・))は式(41)となる。 Then, when the observation data u 0 (above...) Is given, the simultaneous posterior probability density function π (θ | u 0 (above...)) Of the unknown parameter vector θ is expressed by the equation ( 40). Where Θ is a parameter space. The denominator of Equation (40) is a constant, and the simultaneous posterior probability density function π (θ | u 0 (above...)) Becomes Equation (41).

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

このように、同時事後確率密度関数π(θ|u(上に・・))は観測データを既知としたパラメータ分布、すなわち実測値から推計されたモデルパラメータに他ならない。 Thus, the simultaneous posterior probability density function π (θ | u 0 (above...)) Is nothing but a parameter distribution in which the observation data is known, that is, a model parameter estimated from the actual measurement value.

次に、尤度関数と事前分布の定式化について説明する。
ここでは、理論解析モデルにεで表される誤差項を導入し、式(42)、式(43)で表される確率モデルを定義する。なお、N(0,σ)は平均0、分散σの正規分布である。
Next, formulation of likelihood function and prior distribution will be described.
Here, an error term represented by ε t is introduced into the theoretical analysis model, and a probability model represented by Equation (42) and Equation (43) is defined. N (0, σ 2 ) is a normal distribution with an average of 0 and a variance σ 2 .

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

固有振動数(固有周期)ω、単位長質量m(上に−)、モード減衰比ξ、確率誤差項分散σを未知パラメータθ=(ω,m(上に−),ξ,σ)とし、これらを与件とすると、モデル式(42)から観測データu(上に・・)が生成される同時生起確率(尤度関数)L(u(上に・・)|θ) は、式(44)となる。ここで、未知パラメータθ=(ω,m(上に−),ξ,σ)の事前確率密度関数π(θ)をそれぞれ式(45)のように設定する。 The natural frequency (natural period) ω, unit length mass m (upward-), mode damping ratio ξ, probability error term variance σ are unknown parameters θ = (ω, m (upward-), ξ, σ), Given these, the co-occurrence probability (likelihood function) L (u 0 (above...) | Θ) that the observation data u 0 (above...) Is generated from the model equation (42) is Equation (44) is obtained. Here, the prior probability density function π (θ) of the unknown parameter θ = (ω, m (above), ξ, σ) is set as shown in the equation (45).

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

なお、Nωは平均μω、分散σωの正規分布、GJ(合字)ξは形状係数αξ、尺度係数γξのガンマ分布をそれぞれ示す。また、式(27)から未知パラメータθ=(ω,m(上に−),ξ,σ)のうち、単位長質量m(上に−)は静的なたわみ量と反比例関係となる。 N ω is a normal distribution with mean μ ω and variance σ ω , and GJ (ligature) ξ is a gamma distribution with shape factor α ξ and scale factor γ ξ . From the equation (27), among the unknown parameters θ = (ω, m (upward--), ξ, σ), the unit length mass m (upward--) is inversely proportional to the static deflection amount.

すなわち、固有振動数f、モード減衰比ξが得られれば、例えば観測データとの最大振幅の比から単位長質量m(上に−)を逆算できる。また、確率誤差項の分散σも同様に他パラメータが決まれば、観測データと再現データから一意に算出できる。これにより、単位長質量m(上に−)と誤差項の分散σはベイズ推計を実施しないこととした。 That is, if the natural frequency f and the mode damping ratio ξ are obtained, the unit length mass m (upward) can be calculated backward from the maximum amplitude ratio with the observation data, for example. Similarly, the variance σ 2 of the probability error term can be uniquely calculated from the observation data and the reproduction data if other parameters are determined. Accordingly, the unit length mass m (upward-) and the variance σ 2 of the error term are not subjected to Bayesian estimation.

そして、式(44)の尤度と式(45)の事前確率密度関数を式(40)に代入することにより同時事後確率密度関数π(θ|u(上に・・))が定義されるが、これを解析的に解くことは非常に難しい。 Then, the simultaneous posterior probability density function π (θ | u 0 (above...)) Is defined by substituting the likelihood of Expression (44) and the prior probability density function of Expression (45) into Expression (40). However, it is very difficult to solve this analytically.

このため、本実施形態の鉄道橋の構造性能調査方法では、MCMC法による数値的解法を用いることとした。   For this reason, in the structural performance investigation method of the railway bridge of this embodiment, the numerical solution method by MCMC method was used.

(MCMC法に基づくパラメータ推計)
a)同時事後確率密度関数の推計
図7は、本実施形態のMCMC法による同時事後確率密度関数の推計を含めた計算フローを示している。
(Parameter estimation based on MCMC method)
a) Estimation of Simultaneous A posteriori Probability Density Function FIG. 7 shows a calculation flow including estimation of a simultaneous posterior probability density function by the MCMC method of the present embodiment.

同時事後確率密度関数π(θ|u(上に・・))を数値計算により近似する確率密度関数を得る方法がMCMC法であり、本実施形態では、MCMC法の一つであるギブス法を採用する。 The MCMC method is a method for obtaining a probability density function that approximates the simultaneous posterior probability density function π (θ | u 0 (above...)) By numerical calculation. In this embodiment, the Gibbs method is one of MCMC methods. Is adopted.

そして、ギブス法を用い、未知パラメータθ=(ω,m(上に−),ξ,σ)の各要素について順番に条件付き事後確率密度関数からのサンプリングを繰り返すことにより同時事後確率密度関数を算出する。   Then, using the Gibbs method, the simultaneous posterior probability density function is obtained by repeating sampling from the conditional posterior probability density function in order for each element of the unknown parameter θ = (ω, m (upward), ξ, σ). calculate.

ギブス法における任意のm回目とm−1回目にサンプリングされたパラメータの標本θ(m)とθ(m−1)は、式(46)を推移核としたマルコフ連鎖を有する。   Samples θ (m) and θ (m−1) of parameters sampled at an arbitrary mth and m−1th times in the Gibbs method have a Markov chain with Expression (46) as a transition nucleus.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

十分な回数のサンプリングにより、標本θ(m)はマルコフ連鎖の定常状態に達するとともに、定常状態に達したサンプリング数m以降の標本θ(m=m+1,m+2,・・・,m)は同時事後確率密度関数π(θ|u(上に・・))からの標本と等しくなる。 By sampling a sufficient number, specimen theta (m) together with reaching steady state Markov chain, the number of sampling has reached a steady state m s subsequent samples θ (m = m s + 1 , m s +2, ···, m e ) is equal to the sample from the simultaneous posterior probability density function π (θ | u 0 (above...)).

したがって、標本θ(m=m+1,m+2,・・・,m)から期待値や信頼区間を算出することにより、それぞれパラメータ推計値やその信頼性を評価することが可能になる。 Therefore, by calculating the expected value and the confidence interval from the sample θ (m = m s +1, m s +2,..., M e ), it is possible to evaluate the parameter estimation value and its reliability, respectively. .

b)条件付き事後確率密度関数からのサンプリング
条件付き事後確率密度関数π(α|u,m(上に−),ξ,σ)はランダムウォークMH法、π(m(上に−)|u,ω,ξ,σ)は最大振幅の比により、π(ξ|u,ω,m(上に−),σ)は独立MH法、π(σ|u,ω,m(上に−),ξ)は観測データと理論解析モデルの標準偏差をそれぞれ利用する。
b) Sampling from the conditional posterior probability density function The conditional posterior probability density function π (α | u 0 , m (upward −), ξ, σ) is the random walk MH method, π (m (upward −) | u 0 , ω, ξ, σ) is a ratio of the maximum amplitude, π (ξ | u 0 , ω, m (upward-), σ) is an independent MH method, π (σ | u 0 , ω, m ( Above-) and ξ) use the observed data and the standard deviation of the theoretical analysis model, respectively.

そして、本実施形態では、固有振動数ωはランダムウォークMH法に基づき、m回目の標本の候補ω’を式(47)によりサンプリングする。なお、ω(m−1)はm−1回目の標本、N(0|ν)は平均0、分散νの正規分布である。   In this embodiment, the natural frequency ω is based on the random walk MH method, and the m-th sample candidate ω ′ is sampled by the equation (47). Note that ω (m−1) is the m−1th sample, and N (0 | ν) is a normal distribution with an average of 0 and a variance ν.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

式(47)によりサンプリングした標本の候補ω’は式(48)の確立で標本として受容される。実際の数値計算では、区間[0,1]で定義された一様分布から、乱数uαを発生させ、式(49)に従って決定する。 The sample candidate ω ′ sampled by the equation (47) is accepted as a sample by the establishment of the equation (48). In actual numerical calculation, random numbers u α are generated from the uniform distribution defined in the interval [0, 1], and are determined according to the equation (49).

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

GJ(合字)は独立MH法に基づき、m回目の標本の候補ξ’を式(50)により事前分布からサンプリングする。   GJ (ligature) is based on the independent MH method, and the m-th sample candidate ξ ′ is sampled from the prior distribution by equation (50).

Figure 2018031187
Figure 2018031187

サンプリングした標本の候補ξ’は式(51)の確率で標本として受容される。実際の数値計算では式(49)と同様にして受容・棄却を決定する。   Sampled sample candidates ξ 'are accepted as samples with the probability of equation (51). In actual numerical calculation, acceptance / rejection is determined in the same manner as in equation (49).

Figure 2018031187
Figure 2018031187

単位長質量m(m)(上に−)はサンプリングされたm回目の標本ω(m)、ξ(m)、及びm−1回目の標本m(m−1)(上に−)に基づく理論解析の最大値と観測データの最大値の比に基づいて、式(52)として算出できる。
なお,式(52)は最大振幅が常に観測値と常に一致するとした制約をMCMC法に組み込むことを意味する。これにより、時系列が常に0になるようなパラメータ値への収束を抑制することができる。
The unit long mass m (m) (above-) is based on the mth sample ω (m) , ξ (m) , and the m-1th sample m (m-1) (above-). Based on the ratio between the maximum value of theoretical analysis and the maximum value of observation data, it can be calculated as equation (52).
Equation (52) means that a constraint that the maximum amplitude always matches the observed value is incorporated into the MCMC method. Thereby, it is possible to suppress convergence to a parameter value such that the time series is always zero.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

誤差項の分散σは、式(53)により算出できる。 The variance σ 2 of the error term can be calculated by the equation (53).

Figure 2018031187
Figure 2018031187

(MCMC法の応答予測解析)
次に、MCMC法の応答予測解析について説明する。
(Response prediction analysis of MCMC method)
Next, response prediction analysis of the MCMC method will be described.

パラメータの標本θ(m=m+1,m+2,・・・,m)を用いた理論解析により、同時事後確率密度関数π(θ|u(上に・・))に従う変位応答や衝撃係数の標本を得ることができる。 Displacement response according to simultaneous posterior probability density function π (θ | u 0 (above)) by theoretical analysis using parameter sample θ (m = m s + 1, m s +2,..., M e ) And a sample of impact coefficient can be obtained.

そして、本実施形態では、式(54)で表される任意の列車速度vをパラメータとした列車走時の応答予測解析をm回目のサンプリング過程に組み込み、各速度での最大値(式(55))を記録する。 In the present embodiment, include responses predictive analysis of the train travel times that any train speed v s of the formula (54) as a parameter to the m-th sampling process, the maximum value at each speed (formula ( 55)) is recorded.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

Figure 2018031187
Figure 2018031187

列車速度vは、例えば、10km/hから5km/h刻みで400km/hまでとする。 Train speed v s is, for example, and from 10km / h to 400km / h in the 5km / h increments.

本実施形態においては、このようにMCMC法の計算フローに応答予測過程を組み込むことにより、未知パラメータθ(m=m+1,m+2,・・・,m)の推計計算と同時に、同時事後確率密度関数π(θ|u(上に・・))に従う最大変位の標本umax(v,m=m+1,m+2,・・・,m)を得ることができる。 In the present embodiment, by incorporating the response prediction process into the MCMC calculation flow in this way, simultaneously with the estimation calculation of the unknown parameter θ (m = m s +1, m s +2,..., M e ) It is possible to obtain a sample u max (v s , m = m s +1, m s +2,..., M e ) of the maximum displacement according to the simultaneous posterior probability density function π (θ | u 0 (above)). it can.

なお、詳細逆解析法及び応答予測はMATRAB上に実装した。一つの加速度波形(200Hz,20秒、32kByte)に対する計算時間は、CPU3.5GHz、RAM4.00GBのPCで逆解析(3000回サンプリング)と応答予測を含めて約330秒(5分半)程度である。既往の文献に示された動的FEMとデータ同化に基づく推計手法では同条件の加速度波形に対して約83080秒(1日)であり、これに対し1/250程度の計算時間となっている。   The detailed inverse analysis method and response prediction were implemented on MATRAB. The calculation time for one acceleration waveform (200 Hz, 20 seconds, 32 kBytes) is about 330 seconds (5 and a half minutes) including back analysis (3000 samplings) and response prediction on a PC with CPU 3.5 GHz and RAM 4.00 GB. is there. In the estimation method based on dynamic FEM and data assimilation shown in the past literature, the acceleration waveform under the same condition is about 83,080 seconds (one day), which is about 1/250 of the calculation time. .

(簡易逆解析法)
ここで、上記の詳細逆解析法(本発明に係る鉄道橋の構造性能調査方法)は理論解析モデルの未知パラメータとその不確実性を精緻に評価することを目的としているが、MCMC法は繰返計算が必要であり、ある程度の時間と計算負荷は避けられない。これに対し、厳しい時間的制約を有する現地測定・調査やスマートセンサ等への組み込みプログラム、これまで蓄積してきた大量測定データの一括処理など、精度を一定程度確保しつつ、より少ない計算負荷で逆解析できることが望ましい場合も多い。
(Simple inverse analysis method)
Here, the detailed inverse analysis method (the method for investigating the structural performance of a railway bridge according to the present invention) is intended to precisely evaluate the unknown parameters of the theoretical analysis model and its uncertainty, but the MCMC method is repeated. Return calculation is necessary, and a certain amount of time and calculation load are inevitable. In contrast, on-site measurement / surveys with strict time constraints, programs embedded in smart sensors, etc., batch processing of large amounts of accumulated measurement data, etc., while maintaining a certain degree of accuracy, reverse with less computational load It is often desirable to be able to analyze.

このため、本実施形態では、以下に、このような要望を満足する簡易逆解析法手法について説明する。   Therefore, in the present embodiment, a simple inverse analysis method that satisfies such a demand will be described below.

図8及び図9は、本実施形態の簡易逆解析法手法のフローを示している。   8 and 9 show the flow of the simple inverse analysis method of the present embodiment.

実測データから推計すべき橋梁の未知パラメータは、固有振動数f(=2πω)、モード減衰比ξ、単位長質量m(上に−)である。このうち、固有振動数fとモード減衰比ξの推計は列車通過後の残存波形を自由振動波形と見なすことで、すでに提案されてきた振動特性同定法により同定可能である。また、単位長質量m(上に−)は、前述の通り、他のパラメータが決まることで一意に算定可能である。   The unknown parameters of the bridge to be estimated from the measured data are the natural frequency f (= 2πω), the mode damping ratio ξ, and the unit length mass m (above −). Among these, the estimation of the natural frequency f and the mode damping ratio ξ can be identified by the already proposed vibration characteristic identification method by regarding the remaining waveform after passing the train as a free vibration waveform. Further, the unit length mass m (above-) can be uniquely calculated by determining other parameters as described above.

これにより、既存の振動特性同定手法を援用することによって理論解析に必要なパラメータを観測データに基づき得ることができ、得られたパラメータに基づく理論解析により、変位応答及び衝撃係数を算出できる。   Thereby, the parameters necessary for the theoretical analysis can be obtained based on the observation data by using the existing vibration characteristic identification method, and the displacement response and the impact coefficient can be calculated by the theoretical analysis based on the obtained parameters.

(振動特性の同定法)
ここで、列車通過時の残存波形(以下、列車通過後波形)に基づく固有振動数とモード減衰比の同定法として次の3手法の適用性を検討した結果について説明する。
1)FFT法およびハーフパワー(HP)法
2)自己相関(AR)モデル
3)Eigensystem Realization Algorithm(ERA)法
(Vibration characteristics identification method)
Here, the result of examining the applicability of the following three methods as the identification method of the natural frequency and the mode damping ratio based on the residual waveform at the time of passing the train (hereinafter, the waveform after passing the train) will be described.
1) FFT method and half power (HP) method 2) Autocorrelation (AR) model 3) Eigensystem Realization Algorithm (ERA) method

1)FFT法およびハーフパワー(HP)法は、FFTスペクトルのピーク振動数に基づき固有振動数を、HP法に基づきモード減衰比を同定する方法である。
2)ARモデルは、推計したAR係数に基づき固有振動数とモード減衰比を同定する方法である。
3)ERA法は、線形時不変系における最小実現アルゴリズム基づく固有振動数とモード減衰比の同定法である。
いずれの同定方法もすでに多くの橋梁での適用実績が存在し、本実施形態では、精度検証結果に基づいて列車通過後波形から固有振動数とモード減衰比を精度良く評価できる同定方法を選定し、簡易逆解析法手法に用いる。
1) The FFT method and the half power (HP) method are methods for identifying the natural frequency based on the peak frequency of the FFT spectrum and identifying the mode damping ratio based on the HP method.
2) The AR model is a method for identifying the natural frequency and the mode damping ratio based on the estimated AR coefficient.
3) The ERA method is a method for identifying a natural frequency and a mode damping ratio based on a minimum realization algorithm in a linear time-invariant system.
Both identification methods have already been applied to many bridges.In this embodiment, an identification method that can accurately evaluate the natural frequency and mode damping ratio from the post-train waveform is selected based on the accuracy verification results. Used for simple inverse analysis method.

(単位長質量の同定法)
前述の通り、単位長質量m(上に−)は1次モードのモード振幅を制御し、他パラメータを与件とすれば一意に決定できる。
(Unit long mass identification method)
As described above, the unit length mass m (upward-) can be uniquely determined by controlling the mode amplitude of the primary mode and taking other parameters as given.

本実施形態の簡易逆解析法では、上記の同定方法に基づき同定された固有振動数f、モード減衰比ξ、及び初期単位長質量m(上に−)=1とした理論解析(式(32))を実施し、実測値の最大振幅との比を算出し、式(56)で単位長質量m(上に−)を同定する。 In the simple inverse analysis method of the present embodiment, a theoretical analysis (formula (equation (1)) in which the natural frequency f, the mode damping ratio ξ, and the initial unit length mass m 0 (above −) = 1 are identified based on the above identification method. 32)) is performed, the ratio of the measured value to the maximum amplitude is calculated, and the unit length mass m (upward) is identified by the equation (56).

そして、得られたパラメータを理論解析に代入することで、列車走行時の変位応答及び衝撃係数を推計することが可能になる。
なお、衝撃係数の推計まで含めた簡易逆解析法時間は、上述の詳細逆解析法と同条件で約1.6秒であり、詳細逆解析法の1/200程度である。
Then, by substituting the obtained parameters into the theoretical analysis, it becomes possible to estimate the displacement response and the impact coefficient when the train travels.
The simple inverse analysis method time including the estimation of the impact coefficient is about 1.6 seconds under the same conditions as the above detailed inverse analysis method, which is about 1/200 of the detailed inverse analysis method.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

(双子実験による精度検証)
次に、双子実験を行って、詳細逆解析法手法(本発明に係る鉄道橋の構造性能調査方法)と簡易逆解析法手法に対する精度の検証結果について説明する。
(Accuracy verification by twin experiment)
Next, a twin experiment is performed, and the detailed inverse analysis method (the method for investigating the structural performance of a railway bridge according to the present invention) and the accuracy verification results for the simple inverse analysis method will be described.

はじめに、モデル自由度の過多や未知パラメータ間の相関性により、劣決定問題となる場合、逆解析結果は必ずしも正解値へ収束しない。   First, in the case of an underdetermined problem due to excessive model degrees of freedom or correlation between unknown parameters, the inverse analysis result does not necessarily converge to the correct value.

双子実験はこのような逆解析におけるパラメータ推計の妥当性を検証する基本的な方法であり、まず、事前に数値計算により時系列データを作成し、ノイズを加えて模擬観測データとする。次に時系列データ作成時とは異なるパラメータ(事前分布)を初期値に設定し、模擬観測データに基づく逆推計を行う。4推計結果が正解値に収束するか否かによりパラメータ推計の妥当性を検証する。   The twin experiment is a basic method for verifying the validity of parameter estimation in such an inverse analysis. First, time series data is created by numerical calculation in advance, and noise is added to obtain simulated observation data. Next, parameters (prior distribution) different from the time series data creation are set to initial values, and reverse estimation based on simulated observation data is performed. The validity of the parameter estimation is verified by whether or not the four estimation results converge to the correct value.

本実施形態では、図4に示した径間長10m、35m、45mのA、B、Cの橋梁を列車が速度100km/h、200km/h、300km/hで走行した際の加速度応答に基づく双子実験を実施した。   In this embodiment, it is based on the acceleration response when the train travels at the speeds of 100 km / h, 200 km / h, and 300 km / h on the bridges A, B, and C having span lengths of 10 m, 35 m, and 45 m shown in FIG. A twin experiment was conducted.

表2は、時系列データ作成時に設定したパラメータを示している。
また、図10は、理論解析モデルにより作成した時系列データとノイズを加えた模擬観測データの例とし、径間長10mのケースAの橋(A橋)を列車が速度100km/hで通過した場合を示している。
なお、既存の測定結果を参考に、加速度波形には最大変位の5%を標準偏差とする正規分布から発生させたノイズを付加した。
Table 2 shows the parameters set when creating the time series data.
FIG. 10 is an example of time-series data created by a theoretical analysis model and simulated observation data added with noise. The train passed through the bridge of Case A with a span length of 10 m (A bridge) at a speed of 100 km / h. Shows the case.
In addition, with reference to the existing measurement results, noise generated from a normal distribution with a standard deviation of 5% of the maximum displacement was added to the acceleration waveform.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

(パラメータの推計結果)
図11にMCMC法により得られた事後分布を示す。
このMCMC法では3000回サンプリングし、最初の1000回分を定常分布への収束過程として除去し、残りの2000回のサンプリング結果を事後分布からの標本とした。
そして、図11から、いずれのパラメータも速度に依らず、事後分布が正解値付近に更新されることが確認された。
(Parameter estimation results)
FIG. 11 shows the posterior distribution obtained by the MCMC method.
In this MCMC method, sampling was performed 3000 times, and the first 1000 samples were removed as a convergence process to a steady distribution, and the remaining 2000 sampling results were used as samples from the posterior distribution.
From FIG. 11, it was confirmed that the posterior distribution was updated near the correct value regardless of the speed of any parameter.

図12に固有振動数、モード減衰比及び単位長質量の推計結果を示す。
詳細逆解析法に基づく固有振動数、モード減衰比及び単位長質量は、いずれも正解値に収束することが確認された。また、図12にともに示した既存同定手法と比較し、詳細逆解析法が非常に精度良くパラメータを推計できることが確認された。
FIG. 12 shows the estimation results of natural frequency, mode damping ratio, and unit length mass.
It was confirmed that the natural frequency, mode damping ratio, and unit length mass based on the detailed inverse analysis method all converge to the correct value. In addition, it was confirmed that the detailed inverse analysis method can estimate the parameters very accurately as compared with the existing identification method shown in FIG.

これにより、本実施形態の詳細逆解析法(本発明に係る鉄道橋の構造性能調査方法)においては、劣決定問題を回避できるとともに、事前情報が正解値と多少異なっていても精度良くパラメータを推計できることが確認された。   As a result, in the detailed inverse analysis method of the present embodiment (the method for investigating the structural performance of a railway bridge according to the present invention), an underdetermined problem can be avoided and the parameters can be accurately set even if the prior information is slightly different from the correct value. It was confirmed that estimation was possible.

また、図12には簡易逆解析法に用いる同定手法選定のため、既存手法で同定した固有振動数、モード減衰比及び式(56)により算出した単位長質量を示している。   FIG. 12 shows the natural frequency, the mode damping ratio, and the unit length mass calculated by the equation (56) identified by the existing method for selecting the identification method used in the simple inverse analysis method.

なお、FFTでは時系列後に0ベクトルを加え周波数分解能0.2Hzを確保した。また、AR係数の推定にはバーグ法を用い、AIC最小のモデル次数を採用した。ERA法は自由度を10とし、可観測性のMAC値0.99以上、且つモード減衰比[0.001−0.05]を満たすモードを、鉄道橋のモードとして同定した。   In FFT, 0 vector was added after time series to ensure a frequency resolution of 0.2 Hz. Also, the Burg method was used for the estimation of the AR coefficient, and the model order with the smallest AIC was adopted. The ERA method has a degree of freedom of 10, a mode satisfying the observability MAC value of 0.99 or more and the mode attenuation ratio [0.001-0.05] is identified as a railway bridge mode.

そして、図12から、ERA法に基づく固有振動数、ARモデルに基づくモード減衰比及び単位長質量においては、列車速度によって比較的大きな誤差が生じることが確認された。簡易逆解析法手法に用いる同定手法は、精度に大きな違いがなければ、簡易且つ基本的な方法の方が実務的には都合が良い。   From FIG. 12, it was confirmed that a relatively large error occurs depending on the train speed in the natural frequency based on the ERA method, the mode damping ratio based on the AR model, and the unit length mass. As long as there is no great difference in accuracy, the simple and basic method is more practical in terms of the identification method used for the simple inverse analysis method.

一方、FFT法及びHP法に基づく結果は、固有振動数に対して最大2%、モード減衰比に対して最大約45%、単位長質量に対して最大25%の誤差を有するが、検討手法の中では最も要件を満たす手法であった。   On the other hand, the results based on the FFT method and the HP method have an error of 2% at maximum for the natural frequency, about 45% for the mode damping ratio, and 25% for the unit length mass. It was the method that met the most requirements.

これにより、本実施形態において、簡易逆解析法では固有振動数の同定にFFT法を、モード減衰比の同定にHP法を採用することとした。   Thus, in the present embodiment, the simple inverse analysis method adopts the FFT method for identifying the natural frequency and the HP method for identifying the mode damping ratio.

(パラメータ推計値の信頼性)
次に、パラメータ推計値の信頼性について検討を行った。
(Reliability of parameter estimates)
Next, the reliability of parameter estimation values was examined.

図13は、詳細逆解析法によるパラメータ推計値と90%信頼区間を示している。なお、図13では各パラメータの縦軸が異なっている。また、縦軸は正解値を1として示している。さらに、図13には推計値の90%信頼区間も示している。   FIG. 13 shows parameter estimation values and 90% confidence intervals by the detailed inverse analysis method. In FIG. 13, the vertical axis of each parameter is different. The vertical axis indicates the correct answer value as 1. Further, FIG. 13 also shows a 90% confidence interval of the estimated value.

図13に示すように、信頼区間は固有振動数が最も小さく、モード減衰比が最も大きいことが確認された。ただし、90%信頼区間の大きさは最も大きいモード減衰比でも+5%から−5%程度であった。なお、共振発生に伴う固有振動の増加により径間長45mのケースC橋(C橋)における列車速度200km/hで信頼性が高くなった。   As shown in FIG. 13, it was confirmed that the confidence interval has the smallest natural frequency and the largest mode damping ratio. However, the size of the 90% confidence interval was about + 5% to −5% even at the largest mode attenuation ratio. In addition, the increase in the natural vibration accompanying the generation of resonance increased the reliability at a train speed of 200 km / h in the case C bridge (C bridge) having a span length of 45 m.

このことから、動的応答の大きさが推計精度に影響することが推察された。   From this, it was inferred that the magnitude of the dynamic response affects the estimation accuracy.

(変位応答の推定結果)
次に、図14は、簡易及び詳細逆解析法に基づいて推計した変位応答を示している。
また、図14は、簡易逆解析法はFFT法及びHP法により実施し、最も誤差の大きい径間長45mのC橋(100km/h、300km/h)の結果を例として示している。
(Displacement response estimation result)
Next, FIG. 14 shows the displacement response estimated based on the simple and detailed inverse analysis method.
FIG. 14 shows an example of a result of a C bridge (100 km / h, 300 km / h) having a span length of 45 m with the largest error when the simple inverse analysis method is performed by the FFT method and the HP method.

図14に示す通り、詳細逆解析法により加速度から推計した変位応答は、正解値と精度良く一致することが確認された。また、簡易逆解析法で推計した変位は、詳細逆解析法における90%信頼区間の境界線に近い値となっており、詳細逆解析法と比較すると変位推計精度が若干低下することが確認された。ただし、推計誤差は大きくとも最大変位の10%程度であった。   As shown in FIG. 14, it was confirmed that the displacement response estimated from the acceleration by the detailed inverse analysis method coincided with the correct value with high accuracy. In addition, the displacement estimated by the simple inverse analysis method is close to the boundary line of the 90% confidence interval in the detailed inverse analysis method, and it was confirmed that the displacement estimation accuracy is slightly reduced compared to the detailed inverse analysis method. It was. However, the estimation error was about 10% of the maximum displacement at most.

(最大変位の推定結果)
次に、図15は、詳細逆解析法、簡易逆解析法に基づいて計算した推計速度以外の最大変位の推計値を示している。
(Estimated maximum displacement)
Next, FIG. 15 shows the estimated value of the maximum displacement other than the estimated speed calculated based on the detailed inverse analysis method and the simple inverse analysis method.

ここで、実用的には衝撃係数が用いられるが、衝撃係数は静的変位と動的応答倍率のそれぞれに対して誤差が混入するため、より詳しく精度を把握する目的で、以降の分析では衝撃係数の代わりに最大変位を用いる。   Here, the impact coefficient is practically used, but the impact coefficient contains an error with respect to each of the static displacement and the dynamic response magnification. Use maximum displacement instead of coefficient.

図15に示す通り、実線の詳細逆解析法の結果は推計速度以外の列車速度でも精度よく最大変位を評価できる。また、詳細逆解析法ではC橋(45m)における列車速度100km/hの加速度に基づく場合に、最大で約3%の誤差であった。   As shown in FIG. 15, the result of the solid line detailed inverse analysis method can accurately evaluate the maximum displacement even at a train speed other than the estimated speed. Further, in the detailed inverse analysis method, when it was based on the acceleration of the train speed of 100 km / h on the C bridge (45 m), the error was about 3% at the maximum.

一方で、点線で示す簡易逆解析法では、径間長が長い橋梁ほど推計誤差が大きい傾向が確認された。径間長が長い場合、固有振動数が低くなるため、相対的に周波数刻みによる誤差が大きくなることに起因していると考えらえる。
また、C橋における列車速度100km/hの加速度に基づく場合、正解値に対する誤差は平均で10%、共振時に最大で18%であった。
On the other hand, in the simplified inverse analysis method indicated by the dotted line, it was confirmed that the estimation error tends to be larger in the bridge with a longer span length. When the span length is long, the natural frequency is low, so it can be considered that the error due to the frequency increment becomes relatively large.
Moreover, when based on the acceleration of the train speed of 100 km / h in the C bridge, the error with respect to the correct value was 10% on average and 18% at the maximum at resonance.

これにより、簡易逆解析法では固有振動数とモード減衰比の同定精度が変位推計に大きく影響を及ぼすため、特に固有振動数が低い橋梁を対象とする場合、常時微動や複数回計測が可能ならばそれらの結果を合わせて平均化し、推計精度の向上を図ることが望ましいと言える。   As a result, the identification accuracy of the natural frequency and mode damping ratio greatly affects the displacement estimation in the simple inverse analysis method. Therefore, especially when a bridge with a low natural frequency is targeted, microtremor and multiple measurements are possible. For example, it can be said that it is desirable to average the results together to improve the estimation accuracy.

次に、図16は、C橋の詳細及び簡易逆解析法に基づく最大値推計結果を示している。
簡易逆解析法では上記の誤差を有するものの、共振による応答増幅の特徴は整合的に評価できていることが確認された。
Next, FIG. 16 shows the details of the C bridge and the maximum value estimation result based on the simple inverse analysis method.
Although the simple inverse analysis method has the above error, it was confirmed that the characteristics of response amplification by resonance could be evaluated consistently.

(数値解析による影響因子分析)
次に、数値解析による影響因子の分析結果について説明する。
(Influencing factor analysis by numerical analysis)
Next, an analysis result of influential factors by numerical analysis will be described.

本実施形態の逆解析法に対する列車速度等の影響をより詳細に分析する。表3に解析ケース一覧を示す。   The influence of train speed and the like on the inverse analysis method of this embodiment will be analyzed in more detail. Table 3 shows a list of analysis cases.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

影響因子として列車速度、ノイズ、車両との相互作用、軌道変位を取り上げ、各パラメータが逆解析精度に及ぼす影響を分析することとした。   Taking the train speed, noise, vehicle interaction, and track displacement as influential factors, we decided to analyze the influence of each parameter on the accuracy of back analysis.

推計精度の最も高い径間長10mと最も低い径間長45mの橋梁を対象とし、最大振幅の1%のノイズを付加した列車速度100〜400km/h(10km/h刻み)の理論解析結果に基づき詳細逆解析法を実施した。   The results of theoretical analysis of train speeds of 100 to 400 km / h (in increments of 10 km / h) for bridges with the highest span accuracy of 10 m and the shortest span length of 45 m, with 1% noise of maximum amplitude added. Based on the detailed inverse analysis method.

ケースIは列車速度の影響及び他ケースと比較するための基本ケースである。   Case I is a basic case for comparing the effects of train speed and other cases.

ケースIIは最大加速度の5%の標準偏差を有するノイズを付加したものを観測データとして与えたケースであり、ケースIとの比較によりノイズが推計精度に及ぼす影響を明らかにする。   Case II is a case in which noise having a standard deviation of 5% of maximum acceleration is added as observation data, and the effect of noise on estimation accuracy is clarified by comparison with Case I.

ケースIIIは車両と橋梁の動的相互作用が逆解析精度に及ぼす影響を検討するため、径間長10m及び45mの橋梁についてDIASTARSによる相互作用解析に基づく詳細逆解析法を実施したケースである。   Case III is a case where a detailed inverse analysis method based on an interaction analysis by DIASTARS is performed on bridges having span lengths of 10 m and 45 m in order to examine the influence of the dynamic interaction between the vehicle and the bridge on the accuracy of the inverse analysis.

ケースIVは動的応答への主要な影響因子のひとつである軌道変位の影響を検証するため、軌道変位を加えた相互作用解析に基づく逆解析を実施したケースである。   Case IV is a case in which an inverse analysis based on the interaction analysis with the orbital displacement added is performed to verify the influence of the orbital displacement, which is one of the main influencing factors on the dynamic response.

図17に導入した軌道変位を示す。軌道変位は「曽我部正道,松本信之,藤野陽三,涌井一,金森真,宮本雅章:共振領域におけるコンクリート鉄道橋の動的設計法に関する研究. 土木学会論文集,Vol.724,pp.83-102,2003.」と同様のものを用いた。構造物・車両モデルは図3に示した通りである。また、MCMC法の繰返回数は3000回、最初の1000回を収束過程として除去し、残りの2000回を事後分布からの標本とした。さらに、事前分布を一様分布(事前情報なし)とすることで、事前情報による影響は排除した。   FIG. 17 shows the orbital displacement introduced. Orbital displacement is described by “Masayuki Sogabe, Nobuyuki Matsumoto, Yozo Fujino, Hajime Sakurai, Makoto Kanamori, Masaaki Miyamoto: A study on the dynamic design method of concrete railway bridges in the resonance region. , 2003. "was used. The structure / vehicle model is as shown in FIG. The MCMC method was repeated 3000 times, the first 1000 times were removed as a convergence process, and the remaining 2000 times were used as samples from the posterior distribution. Furthermore, the influence of prior information was eliminated by making the prior distribution uniform (no prior information).

(パラメータ推計に及ぼす影響)
図18、図19は、径間長10m、45mの橋梁における列車速度100〜400km/hでの各パラメータの詳細逆解析法結果を示している。
図20、図21は、推計した90%信頼区間の例として固有振動数の90%信頼区間を示している。
(Influence on parameter estimation)
18 and 19 show the results of detailed inverse analysis of each parameter at a train speed of 100 to 400 km / h in a bridge with a span length of 10 m and 45 m.
20 and 21 show a 90% confidence interval of the natural frequency as an example of the estimated 90% confidence interval.

なお、いずれも正解値を1として無次元化した値で示している。また、動的応答成分との関連性分析のため衝撃係数を合わせて示している。さらに、簡易逆解析法では手法自体のばらつきが大きく、各ケースによる明確な変化は見られなかったため、詳細逆解析法の結果のみを示している。簡易逆解析法では、いずれの径間長、ケースも正解値に対する最大誤差は固有振動数で±7%程度、モード減衰比で−80%〜+100%程度、単位長質量で±30%程度であった。   In all cases, the correct answer value is set to 1 and the value is made dimensionless. In addition, the impact coefficient is also shown for analysis of the relationship with the dynamic response component. Furthermore, since the simple inverse analysis method has a large variation in the method itself and no clear change was observed in each case, only the result of the detailed inverse analysis method is shown. In the simple inverse analysis method, the maximum error with respect to the correct value for any span length and case is about ± 7% in terms of natural frequency, about −80% to + 100% in mode damping ratio, and about ± 30% in unit length mass. there were.

(基本ケース)
図18、図19から、荷重列解析結果を観測値としたときの推計結果はいずれの径間長、パラメータ、列車速度でも正解値と精度良く一致し、本実施形態の手法は劣決定問題を回避できることが確認された。
(Basic case)
From FIG. 18 and FIG. 19, the estimation result when the load train analysis result is an observed value agrees accurately with the correct value for any span length, parameter, and train speed, and the method of the present embodiment solves the problem of underdetermination. It was confirmed that it can be avoided.

図20、図21から、固有振動数の90%信頼区間は、特に径間長10mの橋梁において衝撃係数のピーク付近で特に小さい(精度が高い)傾向を示すことが確認された。これは共振により固有振動成分が増大するためであると考えられる。逆に、橋梁の固有振動数成分が励起されづらい衝撃係数極小の速度付近で90%信頼区間が大きい値を示す傾向にあることが確認された。   20 and 21, it was confirmed that the 90% confidence interval of the natural frequency tends to be particularly small (high accuracy) in the vicinity of the peak of the impact coefficient particularly in a bridge with a span length of 10 m. This is presumably because the natural vibration component increases due to resonance. Conversely, it was confirmed that the 90% confidence interval tends to show a large value in the vicinity of the velocity of the impact coefficient minimum at which the natural frequency component of the bridge is difficult to be excited.

なお、推計値の信頼性は、動的応答成分の大きさを表す衝撃係数に依存して変動するものの、荷重列解析で推計された固有振動数の90%信頼区間が径間長10mの橋梁で最大0.1%程度、径間長45mの橋梁で最大0.05%程度であり、いずれも推計値の信頼性として十分に高い値と言える。   The reliability of the estimated value varies depending on the impact coefficient indicating the magnitude of the dynamic response component, but the 90% confidence interval of the natural frequency estimated by the load train analysis has a span length of 10 m. The maximum is about 0.1%, and the maximum is about 0.05% for a bridge with a span length of 45m, which can be said to be sufficiently high in reliability of the estimated values.

(ノイズの影響 )
次に、ノイズの影響について説明する。
(Influence of noise)
Next, the influence of noise will be described.

図18、図19に示すように、5%のノイズを加えた時系列の推計結果では、モード減衰比で最大5%程度、単位長質量で最大で1%程度の誤差が認められるが、概ね精度良く推定できている。このことから、ノイズが推計精度に及ぼす影響は限定的であって、特に固有振動数の推計にはほとんど影響を及ぼさないことが確認された。   As shown in FIG. 18 and FIG. 19, in the time-series estimation results with 5% noise added, an error of about 5% at maximum in the mode attenuation ratio and about 1% at maximum in the unit length mass is recognized. Estimated with high accuracy. From this, it was confirmed that the influence of noise on the estimation accuracy is limited, and in particular has little influence on the estimation of the natural frequency.

また、図20、図21に示すように、固有振動数の90%信頼区間は、荷重列解析の結果と同様の傾向を示すことが確認された。ただし、その値はノイズの付加により増大しており、径間長10mの橋梁で最大0.4%程度、径間長45mの橋梁で最大0.1%程度となっている。これらの結果から、観測データに含まれるノイズは推計値の信頼性を低下される傾向にあることが確認された。   Further, as shown in FIGS. 20 and 21, it was confirmed that the 90% confidence interval of the natural frequency shows the same tendency as the result of the load train analysis. However, the value increases due to the addition of noise, and the maximum is about 0.4% for a bridge with a span length of 10 m, and the maximum is about 0.1% for a bridge with a span length of 45 m. From these results, it was confirmed that the noise included in the observation data tends to reduce the reliability of the estimated values.

(車両との相互作用の影響)
次に、車両との相互作用の影響について説明する。
(Influence of vehicle interaction)
Next, the influence of the interaction with the vehicle will be described.

図18、図19に示すように、DIASTARS(車両との相互作用解析)による解析結果を観測データとした与えた場合の推計結果では、いずれの推計パラメータでも正解値である1からのずれが確認された。   As shown in FIGS. 18 and 19, in the estimation result when the analysis result by DIASTARS (analysis of interaction with the vehicle) is given as the observation data, the deviation from 1 which is the correct value is confirmed in any estimation parameter. It was done.

また、固有振動数に関しては、径間長10mの橋梁で正解値から最大5%程度、45mの橋梁で最大3%程度、低く推計される傾向が確認された。これは通過する列車質量により見かけ上固有振動数が低下することに起因すると考えられる。すなわち、車両振動系の影響による変動する軸重を時不変な移動荷重でモデル化したことによる誤差であると推測される。   In addition, it was confirmed that the natural frequency tends to be estimated as low as about 5% at maximum from the correct value for bridges with a span length of 10m and about 3% at maximum for bridges with 45m. This is thought to be due to the apparent decrease in natural frequency due to the passing train mass. That is, it is presumed that the error is caused by modeling the fluctuating axle load due to the influence of the vehicle vibration system with a time-invariant moving load.

また、モード減衰比に関しても正解値から最大で50%、最小で60%程度ばらつく傾向が認められた。この誤差も車両の減衰機構が橋梁1次モードと車両振動モードの連成を通じて橋梁に及ぼす付加減衰である考えられる。一方で、減衰が正解値よりも低い場合も見られる。いずれも衝撃係数が極大となる共振速度から高速及び低速側に若干ずれた速度で発生しており、うなり現象の影響であると考えられる。   Further, the mode damping ratio tended to vary from the correct value to a maximum of 50% and a minimum of about 60%. This error is also considered to be an additional attenuation that the vehicle damping mechanism exerts on the bridge through the coupling of the bridge primary mode and the vehicle vibration mode. On the other hand, there are cases where the attenuation is lower than the correct value. Both occur at a speed slightly deviating from the resonance speed at which the impact coefficient is maximized to the high speed and low speed sides, and this is considered to be the effect of the beat phenomenon.

理論モデルでは相互作用解析における列車走行時の見かけ上の固有振動数の低下を評価できないため、共振速度前後で生じる列車通過時のうなり現象にも相違が生じる。この相違を埋めるために見かけ上モード減衰比が小さくなったと推測される。   Since the theoretical model cannot evaluate the decrease in the apparent natural frequency when the train is running in the interaction analysis, there is a difference in the beat phenomenon when the train passes around the resonance speed. In order to fill this difference, it is presumed that the mode attenuation ratio apparently decreased.

単位長質量はいずれの橋梁でも正解値よりも高く固有振動数の推計値と逆の傾向を示した。これは固有振動数と単位長質量から決まる列車走行時の静的変位(加速度)を時系列波形に合わせるために、固有振動数が列車質量により見かけ上低くなった分、付随的に単位長質量が増加したものと考えられる。   The unit length mass of each bridge was higher than the correct value and showed a tendency opposite to the estimated natural frequency. In order to match the static displacement (acceleration) during train travel determined by the natural frequency and unit length mass to the time-series waveform, the unit frequency mass is incidentally reduced as the natural frequency is apparently lowered by the train mass. Is thought to have increased.

図20、図21に示すように、固有振動数の90%信頼区間は、荷重列解析の結果に比べ特に径間長10mの橋梁で一桁以上大きくなっている(なお、図19のみ縦軸のスケールが異なる)。いずれの橋梁でも衝撃係数が極小となる反共振速度で信頼区間が大きくなっていることが確認された。   As shown in FIGS. 20 and 21, the 90% confidence interval of the natural frequency is larger by one digit or more than the result of the load train analysis, particularly in the bridge having a span length of 10 m (in FIG. 19, only the vertical axis Are different scales). It was confirmed that the confidence interval was large at the anti-resonance speed at which the impact coefficient was minimized in any bridge.

(軌道変位の影響)
次に、軌道変位の影響について説明する。
(Influence of orbital displacement)
Next, the influence of the orbital displacement will be described.

図18、図19に示すように、軌道変位を考慮したDIASTARS(車両との相互作用解析)を観測データとして与えた場合の推計値は、いずれの橋梁でも相互作用解析とほぼ同じであった。このことから、軌道変位が推計精度に及ぼす影響は車両との相互作用の影響と比較して小さいことが確認された。   As shown in FIG. 18 and FIG. 19, the estimated values when DIASTARS (analysis of interaction with the vehicle) considering the trajectory displacement was given as observation data were almost the same as the interaction analysis in any bridge. From this, it was confirmed that the influence of the orbital displacement on the estimation accuracy is small compared with the influence of the interaction with the vehicle.

図20、図21に示すように、固有振動数の90%信頼区間は、特に衝撃係数が極小となる速度帯で軌道変位を考慮した場合の信頼区間が大きくなる傾向が認められた。   As shown in FIGS. 20 and 21, it was recognized that the 90% confidence interval of the natural frequency tends to be larger when the orbital displacement is taken into consideration particularly in the speed zone where the impact coefficient is minimized.

以上のように、本実施形態の逆解析手法の推計精度に各種因子が及ぼす影響としては車両との相互作用が最も大きく、その値は固有振動数に対して±5%程度、モード減衰比に対して最大−60%〜+50%、単位長質量に対して+10%程度であることが確認された。   As described above, the influence of various factors on the estimation accuracy of the inverse analysis method of this embodiment has the largest interaction with the vehicle, and the value is about ± 5% of the natural frequency, and the mode damping ratio. On the other hand, it was confirmed that the maximum was −60% to + 50% and about + 10% with respect to the unit length mass.

特に固有振動数は径間長が短い場合の方が影響が大きい傾向にあることが確認された。また、ノイズ及び軌道変位は推計値の信頼区間に影響を及ぼすが車両との相互作用に比べるとその影響は小さいことが明らかとなった。   In particular, it has been confirmed that the natural frequency tends to have a greater effect when the span length is shorter. In addition, noise and trajectory displacement have an influence on the confidence interval of the estimated value, but it has been clarified that the influence is small compared to the interaction with the vehicle.

(最大変位の推計に及ぼす影響)
次に、最大変位の推計に及ぼす影響について説明する。
(Effect on estimation of maximum displacement)
Next, the influence on the estimation of the maximum displacement will be described.

図22及び図23は、各ケースに対する最大変位の推計結果を示している。
パラメータ推計では車両との相互作用の影響が見られたが、図22及び図23に示すように最大変位は精度良く推計されており、車両との相互作用が最大変位推計に及ぼす影響は小さいことが確認された。
22 and 23 show the estimation results of the maximum displacement for each case.
In the parameter estimation, the influence of the interaction with the vehicle was observed, but as shown in FIGS. 22 and 23, the maximum displacement was accurately estimated, and the influence of the interaction with the vehicle on the maximum displacement estimation was small. Was confirmed.

このことから、固有振動数やモード減衰比に見られた正解値との相違は、走行車両に起因する付加質量及び付加減衰の影響を簡易モデルで等価的に評価した結果であると考えられる。   From this, it can be considered that the difference from the correct values found in the natural frequency and the mode damping ratio is a result of equivalently evaluating the effects of additional mass and additional damping caused by the traveling vehicle with a simple model.

以上により、本実施形態の逆解析手法により最大変位を精度良く推計でき、ノイズや車両との相互作用、軌道変位が最大変位の推計値に及ぼす影響は小さいことが明らかとなった。   From the above, it has been clarified that the maximum displacement can be accurately estimated by the inverse analysis method of the present embodiment, and the influence of noise, interaction with the vehicle, and orbital displacement on the estimated value of the maximum displacement is small.

(実測応答による本実施形態の逆解析手法/鉄道橋の構造性能調査方法の精度検証)
次に、実測応答を用いて本実施形態の手法の精度を検証した結果について説明する。
(Inverse analysis method of this embodiment based on actual measurement response / accuracy verification of structural performance investigation method of railway bridge)
Next, the result of verifying the accuracy of the method of the present embodiment using the actual measurement response will be described.

はじめに、表4及び図24に適用対象の諸元および外観を示す。
対象橋梁は径間長25mの開床式RCT桁橋及び径間長35mの開床式PC箱桁橋である。また、過去に当該橋梁の径間中央で測定された列車走行時の加速度応答を観測データとして使用した。また、同様の箇所で測定された変位を検証に用いた。加速度及び変位はそれぞれ圧電型加速度計及びリング式変位計により測定したものである。いずれの橋梁もセンサ設置側の桁を通過した特急列車(車両長21.3m、6両編成)2本を対象とし、通過時の加速度に対してそれぞれ本実施形態の手法を適用した。
First, the specifications and appearance of the application target are shown in Table 4 and FIG.
The target bridges are an open floor type RCT girder bridge with a span length of 25 m and an open floor type PC box girder bridge with a span length of 35 m. In addition, the acceleration response during train travel, measured in the past at the center of the span of the bridge, was used as observation data. Moreover, the displacement measured in the same location was used for verification. The acceleration and displacement are measured by a piezoelectric accelerometer and a ring displacement meter, respectively. Both bridges were intended for two express trains (vehicle length 21.3 m, 6-car train) that passed through the girder on the sensor installation side, and the method of this embodiment was applied to the acceleration at the time of passage.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

測定加速度を逆解析に用いるために、事前処理を行った。
まず、理論解析モデルでは1次モードのみしか考慮していないため、高周波成分をローパスフィルタ処理により除去した。本実施形態では20Hzのローパスフィルタ処理を行った。次に、列車速度を同定した。また、列車の各軸重は定員乗車とした。最後に詳細逆解析法における理論解析データと観測データの相互相関を用いることで時刻同期処理を行った。
In order to use the measured acceleration for the inverse analysis, pre-processing was performed.
First, since only the first-order mode is considered in the theoretical analysis model, high-frequency components are removed by low-pass filter processing. In this embodiment, 20 Hz low-pass filter processing is performed. Next, the train speed was identified. In addition, each axle load of the train was a capacity ride. Finally, time synchronization processing was performed by using cross-correlation between theoretical analysis data and observation data in the detailed inverse analysis method.

図25には測定加速度波形の例として径間長35mの橋梁を列車が136.5km/hで通過した際のものを示している。フィルタ処理後のフィルタ波形では、その振幅が列車通過に伴い増加することが確認された。   FIG. 25 shows an example of a measured acceleration waveform when a train passes through a bridge having a span length of 35 m at 136.5 km / h. In the filter waveform after the filter processing, it was confirmed that the amplitude increases as the train passes.

(パラメータの推計結果)
次に、パラメータの推計結果について説明する。
(Parameter estimation results)
Next, parameter estimation results will be described.

図26はMCMC法での推計前後の理論解析による加速度を示している。また、図27、図28は簡易及び詳細逆解析法によるパラメータ推計結果を示している。
なお、図27、図28には2ケースの簡易逆解析法結果の平均値を合わせて示している。また、詳細逆解析法はMCMC法の繰返回数を3000回、最初の1000回を除去し、残り2000回を事後分布からの標本とした。初期値は表4に示す設計値、モード減衰比は2%とした。
FIG. 26 shows the acceleration by the theoretical analysis before and after the estimation by the MCMC method. 27 and 28 show the parameter estimation results by the simple and detailed inverse analysis method.
27 and 28 also show the average values of the results of the simple inverse analysis in two cases. In the detailed inverse analysis method, the MCMC method was repeated 3000 times, the first 1000 times were removed, and the remaining 2000 times were used as samples from the posterior distribution. The initial value was the design value shown in Table 4, and the mode damping ratio was 2%.

図26から、いずれの橋梁でも詳細逆解析法により実測値に合わせてパラメータが修正され、測定加速度の再現度が大幅に向上していることが確認された。   From FIG. 26, it was confirmed that the parameters were corrected according to the actual measurement values by the detailed inverse analysis method in any bridge, and the reproducibility of the measured acceleration was greatly improved.

また、図27、図28から、詳細逆解析法に基づく固有振動数及び単位長質量に比べ、簡易逆解析法による固有振動数と単位長質量はばらつきが大きい傾向にあることが確認された。さらに、簡易逆解析法で推計したモード減衰比は詳細逆解析法と比較して30〜50%低い値になることが確認された。これは、簡易逆解析法では列車との相互作用が介在しない列車通過後の波形を対象としているが、詳細逆解析法では列車通過時の波形を対象としており、車両との相互作用により生じた付加減衰を等価的に橋梁モード減衰比として評価したためと考えられる。   27 and 28, it was confirmed that the natural frequency and the unit length mass by the simple inverse analysis method tend to have larger variations than the natural frequency and the unit length mass based on the detailed inverse analysis method. Further, it was confirmed that the mode damping ratio estimated by the simple inverse analysis method was 30 to 50% lower than that of the detailed inverse analysis method. This is because the simplified inverse analysis method targets the waveform after passing through the train without interaction with the train, but the detailed inverse analysis method targets the waveform at the time of passing the train and is caused by the interaction with the vehicle. This is thought to be because the additional damping was equivalently evaluated as the bridge mode damping ratio.

また、図27、図28にはエラーバーにより推計値の90%信頼区間を示している。いずれもその範囲は小さく、測定加速度を用いた場合でも劣決定問題を回避できていることが確認された。   27 and 28 show 90% confidence intervals of the estimated values by error bars. In both cases, the range was small, and it was confirmed that the problem of underdetermination could be avoided even when measured acceleration was used.

(変位応答の推計結果)
次に、変位応答の推計結果について説明する。
(Displacement response estimation result)
Next, the estimation result of the displacement response will be described.

図29、図30に詳細逆解析法及び簡易逆解析法により推計した変位応答を示す。これらの図には測定された変位(実測値)を併せて示している。また、拡大図は最大変位付近の応答を示している。なお、測定変位の値は、ねじり成分を考慮していない理論解析モデルに合わせ、補正係数により補正したものである。補正係数は測定側と非測定側の桁を列車がほぼ同一速度で通過した際の最大変位から算出し、径間長25mで0.59、径間長35mで0.68であった。   29 and 30 show displacement responses estimated by the detailed inverse analysis method and the simple inverse analysis method. These figures also show the measured displacement (actual value). The enlarged view shows the response near the maximum displacement. The value of the measured displacement is corrected by a correction coefficient in accordance with a theoretical analysis model that does not consider the torsional component. The correction factor was calculated from the maximum displacement when the train passed through the measurement side and the non-measurement side at almost the same speed, and was 0.59 for the span length of 25 m and 0.68 for the span length of 35 m.

図29、図30に示す通り、詳細逆解析法により推計した変位は測定した変位と比較して、径間長35mの橋梁で上側振幅を若干大きく評価する傾向にあるが、列車通過時の平均的なたわみ量及び最小値はいずれの場合でも測定変位と良好に一致していることが確認された。また、簡易逆解析法に基づく変位は、径間長25mで列車速度138.8km/hのケースに測定変位と良く一致しているが、他の場合では明らかな誤差があることが確認された。一方で、各橋梁で簡易逆解析法により推計したパラメータの平均値を用いた場合、正解値である測定変位により近づき、精度が向上することが確認された。   As shown in FIG. 29 and FIG. 30, the displacement estimated by the detailed inverse analysis method tends to evaluate the upper amplitude slightly larger in the bridge with a span length of 35 m than the measured displacement. It was confirmed that the actual deflection amount and the minimum value were in good agreement with the measured displacement in any case. The displacement based on the simplified inverse analysis method is in good agreement with the measured displacement in the case of a span length of 25 m and a train speed of 138.8 km / h, but in other cases it was confirmed that there was an obvious error. . On the other hand, when using the average value of the parameters estimated by the simple inverse analysis method for each bridge, it was confirmed that the accuracy was improved by approaching the measured displacement which is the correct value.

(最大変位の推計結果)
次に、最大変位の推計結果について説明する。
(Estimated maximum displacement)
Next, the estimation result of the maximum displacement will be described.

表5は、変位応答の推計誤差を最大変位で整理した値を示している。
表5に示す通り、詳細逆解析法は最大変位を正解値に対して誤差−3%から−6%の範囲で推計できること確認された。一方、簡易逆解析法は正解値に対して−9%から+23%の比較的大きな誤差を有することが確認された。ただし、簡易逆解析法でも2ケースのパラメータ推計値の平均を用いることにより、正解値に対する誤差を−8%から+5%に抑制できることが確認された。
Table 5 shows values obtained by arranging the estimation errors of the displacement response by the maximum displacement.
As shown in Table 5, it was confirmed that the detailed inverse analysis method can estimate the maximum displacement in the range of error −3% to −6% with respect to the correct value. On the other hand, it was confirmed that the simple inverse analysis method has a relatively large error of −9% to + 23% with respect to the correct answer value. However, it was confirmed that the error with respect to the correct value can be suppressed from -8% to + 5% by using the average of the parameter estimation values of the two cases even in the simple inverse analysis method.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

図31に詳細逆解析法、簡易逆解析法で計算した列車速度と最大変位の関係を示す。いずれの対象橋梁も簡易逆解析法、詳細逆解析法でほぼ同様の速度にピークが確認された。また、いずれの橋梁でも簡易逆解析法によるパラメータ推計値の平均を用いることで、測定速度以外でも詳細逆解析法の推計値に近づくことが確認された。   FIG. 31 shows the relationship between the train speed and maximum displacement calculated by the detailed inverse analysis method and the simple inverse analysis method. Peaks were confirmed at almost the same speed for both target bridges by the simple inverse analysis method and the detailed inverse analysis method. In addition, it was confirmed that the average value of the parameter estimated value by the simple inverse analysis method was used for any bridge, and that the estimated value of the detailed inverse analysis method was approached except for the measurement speed.

ここで、詳細逆解析法では不確実性を定量化しているため、90%信頼区間の上限を安全側の評価として用いることもできる。例えば径間長35mの橋梁を対象に300km/hまでの速度向上を考えた場合、最大変位は145km/h走行時に期待値で約1.3mm、安全側である90%信頼区間上限で約1.4mmと予測できる。   Here, since the uncertainties are quantified in the detailed inverse analysis method, the upper limit of the 90% confidence interval can also be used as a safety evaluation. For example, when considering a speed increase up to 300 km / h for a bridge with a span of 35 m, the maximum displacement is about 1.3 mm as expected when driving at 145 km / h, and about 1 at the upper limit of the 90% confidence interval on the safe side. .4 mm can be predicted.

(推定変位の評価)
次に、推定変位の評価について説明する。
(Evaluation of estimated displacement)
Next, evaluation of the estimated displacement will be described.

逆解析で推計した理論モデルにより、現在の状態を反映した常時の走行安全性、乗り心地から定まるたわみに対する照査を行った。既設構造物の維持管理に関し、鉄道構造物等維持管理標準・同解説(以下、維持管理標準)では、式(57)による性能照査を規定している。   Based on the theoretical model estimated by inverse analysis, we checked the deflection determined from the normal driving safety and riding comfort reflecting the current state. Regarding the maintenance and management of existing structures, the railway structure maintenance management standard and the description (hereinafter referred to as maintenance management standard) stipulate the performance check according to equation (57).

Figure 2018031187
Figure 2018031187

ここで、Kは維持管理指標Jのための係数、γは構造物係数、IRm及びILmはそれぞれ維持管理用応答値と維持管理用限界値である。 Here, K m is a coefficient for the maintenance index J, γ i is a structure coefficient, and IRm and ILm are a maintenance response value and a maintenance limit value, respectively.

走行安全性及び乗り心地の照査に関し、鉄道構造物等設計標準・同解説(変位制限)では、K=1、γ=1とある。調査時点での応答値及び限界値算出は、より実状に近い値の適用が求められ、前述のように推計した理論解析モデルがこれに該当する。 Regarding the verification of travel safety and ride comfort, K m = 1 and γ i = 1 in the railway structure design standard and the description (displacement restriction). For the response value and limit value calculation at the time of the survey, application of values closer to the actual conditions is required, and the theoretical analysis model estimated as described above corresponds to this.

したがって、本実施形態の鉄道橋の構造性能調査方法により得られた理論解析モデルと以下に示す応答値算定用の列車荷重を用いることで、維持管理標準に基づくシームレスな照査が可能になる。   Therefore, seamless verification based on the maintenance management standard becomes possible by using the theoretical analysis model obtained by the structural performance investigation method of the railway bridge of this embodiment and the train load for response value calculation shown below.

ここでは、当該路線の運用状況から最高速度140km/h、6両編成の特急車両(車両長21.3m)を想定した。走行車両の条件として、乗り心地については定員乗車の単線載荷、走行安全性については350%乗車の複線載荷とした・理論解析モデルでは車両動揺を考慮できないため、式(58)の設計衝撃係数に基づき、衝撃係数を割り増しした。   Here, a maximum speed of 140 km / h and a six-car limited express vehicle (vehicle length: 21.3 m) were assumed from the operational status of the route. As the condition of the traveling vehicle, the single-line loading of the occupant riding for the ride comfort and the double-track loading of the 350% riding for the driving safety. Since the theoretical analysis model cannot consider the vehicle fluctuation, the design impact coefficient of the equation (58) is used. Based on this, the impact coefficient was increased.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

ここで、iは車両動揺の衝撃係数であり、対象橋梁では既往の文献に従いそれぞれ0.11(25m)及び0.10(35m)とした。また、複線載荷時の衝撃係数に対する低減係数βは、0.875(25m)及び0.825(35m)とした。速度効果の衝撃係数iαは移動荷重を上述のように定めた理論解析により算出した。 Here, ic is an impact coefficient of vehicle shake, and is set to 0.11 (25 m) and 0.10 (35 m), respectively, in the target bridge according to the past literature. Further, the reduction coefficient β i with respect to the impact coefficient at the time of double-track loading was set to 0.875 (25 m) and 0.825 (35 m). The impact coefficient i α of the speed effect was calculated by a theoretical analysis in which the moving load was determined as described above.

表6は、常時の走行安全性及び乗り心地の限界値、応答値、維持管理指標をまとめて示している。応答値は詳細逆解析法における期待値、90%上限値及び簡易逆解析法における平均値を用いて計算した。   Table 6 summarizes the running safety and ride comfort limit values, response values, and maintenance management indices at all times. The response value was calculated using the expected value in the detailed inverse analysis method, the 90% upper limit value, and the average value in the simple inverse analysis method.

Figure 2018031187
Figure 2018031187

本実施形態の鉄道橋の構造性能調査方法により加速度に基づき変位を推計することで、対象とした2橋の応答値は限界値よりも十分に小さく、走行安全性及び乗り心地から定まるたわみ制限を満たすことが定量的に検証できる。また、当該橋梁では簡易逆解析法の平均値を用いることで、詳細逆解析法とほぼ同じ精度で走行安全性及び乗り心地に対する維持管理指標Jを評価可能であることが確認された。   By estimating the displacement based on the acceleration by the structural performance investigation method of the railway bridge of this embodiment, the response value of the two target bridges is sufficiently smaller than the limit value, and the deflection limit determined from the driving safety and riding comfort is limited. Satisfaction can be quantitatively verified. In addition, it was confirmed that the maintenance management index J for running safety and riding comfort can be evaluated with the same accuracy as the detailed inverse analysis method by using the average value of the simple inverse analysis method for the bridge.

上記のように、本実施形態では、列車走行時の加速度に基づき変位応答と衝撃係数を推計するため、理論解析モデルを定式化し、MCMC法に基づく詳細逆解析法及びFFT法とHP法に基づく簡易逆解析法を説明するとともに、数値解析及び実測に基づく検証を行った。そして、以下のような知見、作用効果を得ることができた。   As described above, in this embodiment, in order to estimate the displacement response and the impact coefficient based on the acceleration at the time of running the train, the theoretical analysis model is formulated, and the detailed inverse analysis method based on the MCMC method, the FFT method, and the HP method are used. A simple inverse analysis method was explained, and verification based on numerical analysis and actual measurement was performed. And the following knowledge and effects could be obtained.

(1)有限要素法に基づく移動荷重解析と同精度で変位や衝撃係数を評価可能な列車走行時の理論解析モデルを定式化し、MCMC法による詳細逆解析法と既存同定法を援用した簡易逆解析法を考え出した。 (1) Formulate a theoretical analysis model for train travel that can evaluate displacement and impact coefficient with the same accuracy as the moving load analysis based on the finite element method, and the simple inverse using the detailed inverse analysis method by the MCMC method and the existing identification method An analytical method was devised.

(2)この手法は適用が単純桁に限られるが、詳細逆解析法で既存逆解析手法の約1/250、簡易逆解析法で詳細逆解析法の約1/200の時間で計算可能である。 (2) Although this method is limited to simple digits, it can be calculated in approximately 1/250 of the existing inverse analysis method using the detailed inverse analysis method and approximately 1/200 of the detailed inverse analysis method using the simple inverse analysis method. is there.

(3)双子実験に基づく詳細逆解析法のパラメータ推計誤差は−2%から+1%と、既存の同定手法と比較し高精度で推定を行うことが可能である。また、列車通過後波形に対してFFT法及びHP法が比較的精度良く固有振動数及びモード減衰比を同定することが可能になる。 (3) The parameter estimation error of the detailed inverse analysis method based on the twin experiment is -2% to + 1%, which can be estimated with higher accuracy than the existing identification method. Further, the natural frequency and the mode damping ratio can be identified with relatively high accuracy by the FFT method and the HP method for the waveform after passing through the train.

(4)数値解析により、列車速度、ノイズ、車両との相互作用および軌道変位が逆解析に及ぼす影響を検討した結果、車両との相互作用に対するモデル化誤差が最も大きく、固有振動数に対して−5%程度、モード減衰比に対して+50%から−60%程度ばらつくが、変位推計ではいずれも大きな影響は見られず、精度良く推計できる。 (4) As a result of studying the effects of train speed, noise, vehicle interaction, and track displacement on the inverse analysis by numerical analysis, the modeling error for the interaction with the vehicle is the largest. Although it varies about + 5% to -60% with respect to the mode damping ratio, the displacement estimation does not show any significant effect and can be estimated with high accuracy.

(5)2種類の実橋梁の加速度測定結果に対して簡易及び詳細逆解析法を行った結果、簡易逆解析法は詳細逆解析法と比較して特に固有振動数および単位長質量のばらつきが大きく、最大変位は詳細逆解析法で−3%から+6%、簡易逆解析法で−9%から+23%であるが、複数回の測定結果の平均値を用いることにより、簡易逆解析法でも−8%から+5%の精度で最大変位を推計できる。 (5) As a result of performing simple and detailed inverse analysis methods on the acceleration measurement results of two types of actual bridges, the simplified inverse analysis method has particular variations in natural frequency and unit length mass compared to the detailed inverse analysis method. The maximum displacement is -3% to + 6% in the detailed inverse analysis method, and -9% to + 23% in the simple inverse analysis method. However, by using the average value of the results of multiple measurements, The maximum displacement can be estimated with an accuracy of -8% to + 5%.

したがって、本実施形態の鉄道橋の構造性能調査方法においては、橋梁の状態の推定、走行安全性や快適性評価に必要な列車走行時の変位応答を橋梁の1点の加速度応答から精度よく取得することが可能になる。   Therefore, in the method for investigating the structural performance of a railway bridge according to this embodiment, the displacement response during train travel necessary for estimation of the bridge state, travel safety and comfort evaluation is accurately obtained from the acceleration response of one point of the bridge. It becomes possible to do.

また、列車走行時の橋梁の実測加速度に基づく推計パラメータのうち、固有振動数は橋梁剛性と関連しているため、固有振動数を精度よく推定できることにより、構造性能を精度よく推定することができる。   Of the estimated parameters based on the measured acceleration of the bridge during train travel, the natural frequency is related to the bridge stiffness, so the natural frequency can be estimated accurately, so that the structural performance can be estimated accurately. .

さらに、列車走行時の橋梁の実測加速度から他の列車速度での応答予測を行うことができる。   Furthermore, response prediction at other train speeds can be performed based on the actual acceleration of the bridge during train travel.

また、推計パラメータの不確実性が定量化できるため、例えば95%信頼区間下限値の採用など、推計精度に応じて変化するリスクを担保した評価が可能になる。   In addition, since the uncertainty of the estimation parameter can be quantified, for example, an evaluation that guarantees a risk that changes according to the estimation accuracy, such as adoption of a lower limit value of 95% confidence interval, can be performed.

さらに、推計精度に応じて変化する推計パラメータの不確実性に基づき、より精密な測定をする価値を推計精度の面から評価することも可能になる。   Furthermore, based on the uncertainty of the estimation parameter that changes according to the estimation accuracy, it is possible to evaluate the value of more precise measurement from the viewpoint of estimation accuracy.

また、維持管理基準値に対する余裕度を算出することで、維持管理の優先順位の決定、弱点構造物の抽出に活用することも可能になり得る。   Also, by calculating the margin with respect to the maintenance management reference value, it can be used to determine the priority of maintenance management and extract weak point structures.

よって、本実施形態の鉄道橋の構造性能調査方法によれば、列車走行時の橋梁の加速度応答の観測データを用いて、橋梁の構造性能を好適に調査、評価することが可能になる。   Therefore, according to the structural performance investigation method of the railway bridge of the present embodiment, it is possible to suitably investigate and evaluate the structural performance of the bridge using observation data of the acceleration response of the bridge when the train is running.

以上、本発明に係る本実施形態の鉄道橋の構造性能調査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。   As mentioned above, although one Embodiment of the structural performance investigation method of the railway bridge of this embodiment which concerns on this invention was described, this invention is not limited to said one Embodiment, In the range which does not deviate from the meaning, it is appropriate. It can be changed.

1 列車(車両)
2 橋梁
1 Train (vehicle)
2 Bridge

Claims (7)

列車を移動荷重列とし、橋梁を単純梁として列車走行時の鉄道橋の動的応答の理論解析モデルを下記の式(1)のように定式化し、
列車走行時の橋梁の加速度を測定するとともに、該加速度データから前記理論解析モデルの未知のパラメータを逆解析法によって推計するようにしたことを特徴とする鉄道橋の構造性能調査方法。
Figure 2018031187
ここで、
xは距離(位置)、tは先頭車両の第一車軸が橋梁に進入する時点を0とした時間、ν(t)はt<0で0、0≦tで1のステップ関数、τk,iはk両目車両の第i車軸通過時点である。
u(上に・・)(x,t)は加速度応答であり、下記の式(2)、式(3)〜式(10)で表される。
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
ここで、
u(上に・)(x,t)は速度応答、u(x,t)は変位応答である。
m(上に−)は単位長さ当りの橋梁質量(単位長質量)、cは減衰係数、EIは曲げ剛性である。Lは橋梁の径間長、nはモード次数、Tは橋梁通過時間、ωはn次固有角振動数、ξ はn次モード減衰比、ω(上に−)は1車軸の橋梁進入から退出までを半周期とした車軸通過各振動数のn次成分、Φ(x)はn次振動モード形、uは径間中央に軸重が作用した際の静的たわみ量である。
The theoretical analysis model of the dynamic response of the railway bridge when the train is running with the train as the moving load train and the bridge as a simple beam is formulated as the following equation (1),
A method for investigating the structural performance of a railway bridge, characterized in that the acceleration of the bridge during train travel is measured and the unknown parameters of the theoretical analysis model are estimated from the acceleration data by an inverse analysis method.
Figure 2018031187
here,
x is a distance (position), t is a time when the time when the first axle of the leading vehicle enters the bridge is 0, ν (t) is a step function of 0 when t <0, 1 when 0 ≦ t, τ k, i is the time when the k-th vehicle passes the i-th axle.
u (above...) (x, t) is an acceleration response and is expressed by the following equations (2) and (3) to (10).
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
here,
u (above) (x, t) is a velocity response, and u (x, t) is a displacement response.
m (upward-) is the bridge mass per unit length (unit length mass), c is the damping coefficient, and EI is the bending stiffness. L b is span length of the bridge, n represents mode order, T is a bridge transit time, omega n is n th order natural angular frequency, xi] n the n-th order mode damping ratio, omega n (above -) is the primary axle The nth order component of each frequency passing through the axle with a half cycle from entry to exit of the bridge, Φ n (x) is the nth order vibration mode shape, and u 0 is the amount of static deflection when axial load acts on the center of the span It is.
請求項1記載の鉄道橋の構造性能調査方法において、
前記式(1)の理論解析モデルに誤差項を導入して下記の式(11)の確率モデルを定義し、
未知のパラメータθを与件としたときに前記式(11)から前記加速度データu(上に・・)が生成される下記の式(12)の同時生起確率(尤度関数)L(u|θ)と、下記の式(13)の未知のパラメータの事前確率密度関数π(θ)とをベイズの定理で得られる下記の式(14)に代入して前記加速度データを与件としたときの未知パラメータの同時事後確率密度関数π(θ|u)を定め、推計したパラメータ及び該パラメータの不確実性を反映させて鉄道橋の構造性能を評価することを特徴とする鉄道橋の構造性能調査方法。
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
ここで、
ωは平均μω、分散σω の正規分布、GJ(合字)ξは形状係数αξ、尺度係数γξのガンマ分布を示す。Θはパラメータ空間である。
In the method for investigating the structural performance of a railway bridge according to claim 1,
An error term is introduced into the theoretical analysis model of the formula (1) to define a probability model of the following formula (11),
The co-occurrence probability (likelihood function) L (u) of the following equation (12) in which the acceleration data u 0 (above) is generated from the equation (11) when the unknown parameter θ is given. 0 | θ) and the prior probability density function π (θ) of the unknown parameter of the following equation (13) are substituted into the following equation (14) obtained by Bayes' theorem, and the acceleration data is given as A railway bridge characterized in that a simultaneous posterior probability density function π (θ | u 0 ) of an unknown parameter is determined, and the structural performance of the railway bridge is evaluated by reflecting the estimated parameter and the uncertainty of the parameter. Structural performance investigation method.
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
Figure 2018031187
here,
N ω is a normal distribution with mean μ ω and variance σ ω 2 , GJ (ligature) ξ is a gamma distribution with shape factor α ξ and scale factor γ ξ . Θ is a parameter space.
請求項2記載の鉄道橋の構造性能調査方法において、
前記同時事後確率密度関数を数値計算により近似する確率密度関数を得るMCMC法を用い、未知のパラメータである複数の要素のそれぞれについて順番に条件付きの事後確率密度関数からのサンプリングを繰り返し、前記同時事後確率密度関数を求めることを特徴とする鉄道橋の構造性能調査方法。
In the method for investigating the structural performance of a railway bridge according to claim 2,
The MCMC method for obtaining a probability density function that approximates the simultaneous posterior probability density function by numerical calculation is used, and sampling from the conditional posterior probability density function is sequentially repeated for each of a plurality of elements that are unknown parameters. A method for investigating the structural performance of railway bridges, characterized by obtaining a posteriori probability density function.
請求項3記載の鉄道橋の構造性能調査方法において、
サンプリングされたパラメータの標本がマルコフ連鎖の定常状態に達するとともに、該定常状態に達したサンプリング数以降のパラメータの標本から期待値と信頼区間を算出し、パラメータ推計値とパラメータ推計値の信頼性を評価するようにしたことを特徴とする鉄道橋の構造性能調査方法。
In the structural performance investigation method of the railway bridge according to claim 3,
When the sample of the sampled parameter reaches the steady state of the Markov chain, the expected value and the confidence interval are calculated from the sample of the parameter after the number of samplings reaching the steady state, and the reliability of the parameter estimated value and the parameter estimated value is increased. A method for investigating the structural performance of railway bridges, characterized by being evaluated.
請求項3または請求項4に記載の鉄道橋の構造性能調査方法において、
未知のパラメータθが、ω(固有周期)、m(上に−)(単位長さ当りの橋梁質量)、ξ(モード減衰比)、σ(確率誤差項分散)であり、
前記条件付きの事後確率密度関数のπ(ω|u,m(上に−),ξ,σ)はランダムウォールMH法、π(m(上に−)|u,ω,ξ,σ)は最大振幅の比、π(ξ|u,ω,m(上に−),σ)は独立MH法、π(σ|u,ω,m(上に−),ξ)は加速度データと理論解析モデルの標準偏差をそれぞれ用いて、前記条件付きの事後確率密度関数からのサンプリングを行うことを特徴とする鉄道橋の構造性能調査方法。
In the structural performance investigation method for a railway bridge according to claim 3 or claim 4,
The unknown parameters θ are ω (natural period), m (upward-) (bridge mass per unit length), ξ (mode damping ratio), σ (probability error term variance),
In the conditional posterior probability density function, π (ω | u 0 , m (upward −), ξ, σ) is the random wall MH method, π (m (upward −) | u 0 , ω, ξ, σ ) Is the maximum amplitude ratio, π (ξ | u 0 , ω, m (upward −), σ) is the independent MH method, π (σ | u 0 , ω, m (upward −), ξ) is the acceleration A method for investigating the structural performance of a railway bridge, wherein sampling is performed from the conditional posterior probability density function using data and a standard deviation of a theoretical analysis model, respectively.
請求項3から請求項5のいずれか一項に記載の鉄道橋の構造性能調査方法において、
サンプリングされたパラメータの標本を用いたMCMC法の理論解析により、前記同時事後確率密度関数に従う変位応答と衝撃係数の標本を得るようにしたことを特徴とする鉄道橋の構造性能調査方法。
In the structural performance investigation method for a railway bridge according to any one of claims 3 to 5,
A method for investigating the structural performance of a railway bridge, characterized in that a sample of displacement response and impact coefficient according to the simultaneous posterior probability density function is obtained by theoretical analysis of the MCMC method using a sample of sampled parameters.
請求項6記載の鉄道橋の構造性能調査方法において、
下記の式(15)で表される任意の列車速度vをパラメータとした列車走行時の応答予測解析をm回目のサンプリング過程に組み込み、任意の各速度での最大値を求めるとともに、MCMC法の計算フローに応答予測過程を組み込むことで、未知のパラメータの推計計算と同時に、同時事後確率密度関数に従う最大変位の標本を得るようにしたことを特徴とする鉄道橋の構造性能調査方法。
Figure 2018031187
In the structural performance investigation method of the railway bridge according to claim 6,
It includes responses predictive analysis at a train traveling that any train speed v s parameters represented by the formula (15) below the m-th sampling process, with obtaining the maximum value at each arbitrary speed, MCMC methods A method for investigating the structural performance of railway bridges, which incorporates a response prediction process into the calculation flow to obtain a sample of the maximum displacement according to the simultaneous posterior probability density function simultaneously with the estimation calculation of unknown parameters.
Figure 2018031187
JP2016164139A 2016-08-24 2016-08-24 Structural performance survey method of railway bridge Expired - Fee Related JP6543863B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016164139A JP6543863B2 (en) 2016-08-24 2016-08-24 Structural performance survey method of railway bridge

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016164139A JP6543863B2 (en) 2016-08-24 2016-08-24 Structural performance survey method of railway bridge

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018031187A true JP2018031187A (en) 2018-03-01
JP6543863B2 JP6543863B2 (en) 2019-07-17

Family

ID=61303224

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016164139A Expired - Fee Related JP6543863B2 (en) 2016-08-24 2016-08-24 Structural performance survey method of railway bridge

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6543863B2 (en)

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109472055A (en) * 2018-10-15 2019-03-15 上海理工大学 Dynamic characteristic coefficients of seals recognition methods based on maximum likelihood method
CN110147595A (en) * 2019-05-09 2019-08-20 中铁大桥科学研究院有限公司 A kind of appraisal procedure of multiple-piece beam bridge horizontal coordination working performance
CN111626000A (en) * 2020-06-29 2020-09-04 杭州鲁尔物联科技有限公司 Bridge state evaluation method, device, equipment and storage medium
CN111797569A (en) * 2020-06-29 2020-10-20 杭州鲁尔物联科技有限公司 Bridge state evaluation method, device, equipment and storage medium
CN112697373A (en) * 2021-01-22 2021-04-23 扬州大学 Method for estimating displacement of railway bridge with damaged component
CN112966329A (en) * 2021-03-24 2021-06-15 长安大学 Vehicle-bridge coupling analysis system based on physics-data driving and construction method thereof
CN114444177A (en) * 2021-12-31 2022-05-06 西南交通大学 Railway bridge upper-laying line shape optimization method based on Fourier series fitting
CN114444983A (en) * 2022-04-08 2022-05-06 深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司 Urban bridge group state evaluation method based on axle coupling and digital twinning
CN114707202A (en) * 2022-01-28 2022-07-05 中国建筑第五工程局有限公司 Method and system for optimally designing arch bridge with suspender under mobile load
US11408761B2 (en) 2020-03-18 2022-08-09 Seiko Epson Corporation Measurement method, measurement device, measurement system, and measurement program
CN114997027A (en) * 2022-07-13 2022-09-02 成都理工大学 Method for intelligently solving random signals of axle system
CN115186529A (en) * 2022-06-10 2022-10-14 中国地质大学(武汉) Chinese ancient stone arch bridge safety assessment method based on Bayesian analysis
CN115495958A (en) * 2022-09-30 2022-12-20 上海交通大学 Joint identification method for bearing force and shafting parameters of ship propeller
US11713993B2 (en) 2020-03-18 2023-08-01 Seiko Epson Corporation Bridge displacement measurement method
US11714021B2 (en) 2020-03-18 2023-08-01 Seiko Epson Corporation Measurement method, measurement device, measurement system, and measurement program
US11761812B2 (en) 2020-03-18 2023-09-19 Seiko Epson Corporation Measurement method, measurement device, measurement system, and measurement program
US11761811B2 (en) 2020-03-18 2023-09-19 Seiko Epson Corporation Measurement method, measurement device, measurement system, and measurement program
CN111460705B (en) * 2020-03-19 2023-11-24 中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所 High-speed railway steel rail profile optimization design method
US11881102B2 (en) 2020-03-18 2024-01-23 Seiko Epson Corporation Measurement method, measurement device, measurement system, and measurement program

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023006361A (en) 2021-06-30 2023-01-18 セイコーエプソン株式会社 Derivation method, derivation device, derivation system, and program
JP2023006015A (en) 2021-06-30 2023-01-18 セイコーエプソン株式会社 Time acquisition method, time acquisition device, time acquisition system, and time acquisition program

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011257212A (en) * 2010-06-08 2011-12-22 Institute Of National Colleges Of Technology Japan Neutralization depth prediction device of concrete structure and program for instructing computer to calculate neutralization depth
US20150088428A1 (en) * 2013-09-23 2015-03-26 San Diego State University Research Foundation Computationally efficient nonlinear structural analysis
JP2015145577A (en) * 2014-02-03 2015-08-13 公益財団法人鉄道総合技術研究所 Conversion method of static deflection in railroad bridge, and calculation method of impact coefficient
JP2015183362A (en) * 2014-03-20 2015-10-22 国立大学法人愛媛大学 Vibration measurement device and vibration measurement method
JP2016122391A (en) * 2014-12-25 2016-07-07 学校法人産業能率大学 Maintenance management indicator calculation device and maintenance management indicator calculation method
JP2016125229A (en) * 2014-12-26 2016-07-11 国立大学法人山口大学 Method, program and system for estimating damage state of structure

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011257212A (en) * 2010-06-08 2011-12-22 Institute Of National Colleges Of Technology Japan Neutralization depth prediction device of concrete structure and program for instructing computer to calculate neutralization depth
US20150088428A1 (en) * 2013-09-23 2015-03-26 San Diego State University Research Foundation Computationally efficient nonlinear structural analysis
JP2015145577A (en) * 2014-02-03 2015-08-13 公益財団法人鉄道総合技術研究所 Conversion method of static deflection in railroad bridge, and calculation method of impact coefficient
JP2015183362A (en) * 2014-03-20 2015-10-22 国立大学法人愛媛大学 Vibration measurement device and vibration measurement method
JP2016122391A (en) * 2014-12-25 2016-07-07 学校法人産業能率大学 Maintenance management indicator calculation device and maintenance management indicator calculation method
JP2016125229A (en) * 2014-12-26 2016-07-11 国立大学法人山口大学 Method, program and system for estimating damage state of structure

Cited By (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109472055A (en) * 2018-10-15 2019-03-15 上海理工大学 Dynamic characteristic coefficients of seals recognition methods based on maximum likelihood method
CN109472055B (en) * 2018-10-15 2023-06-20 上海理工大学 Seal dynamic characteristic coefficient identification method based on maximum likelihood method
CN110147595A (en) * 2019-05-09 2019-08-20 中铁大桥科学研究院有限公司 A kind of appraisal procedure of multiple-piece beam bridge horizontal coordination working performance
US11408761B2 (en) 2020-03-18 2022-08-09 Seiko Epson Corporation Measurement method, measurement device, measurement system, and measurement program
US11713993B2 (en) 2020-03-18 2023-08-01 Seiko Epson Corporation Bridge displacement measurement method
US11714021B2 (en) 2020-03-18 2023-08-01 Seiko Epson Corporation Measurement method, measurement device, measurement system, and measurement program
US11881102B2 (en) 2020-03-18 2024-01-23 Seiko Epson Corporation Measurement method, measurement device, measurement system, and measurement program
US11761812B2 (en) 2020-03-18 2023-09-19 Seiko Epson Corporation Measurement method, measurement device, measurement system, and measurement program
US11761811B2 (en) 2020-03-18 2023-09-19 Seiko Epson Corporation Measurement method, measurement device, measurement system, and measurement program
CN111460705B (en) * 2020-03-19 2023-11-24 中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所 High-speed railway steel rail profile optimization design method
CN111626000B (en) * 2020-06-29 2023-09-29 杭州鲁尔物联科技有限公司 Bridge state evaluation method, device, equipment and storage medium
CN111797569A (en) * 2020-06-29 2020-10-20 杭州鲁尔物联科技有限公司 Bridge state evaluation method, device, equipment and storage medium
CN111626000A (en) * 2020-06-29 2020-09-04 杭州鲁尔物联科技有限公司 Bridge state evaluation method, device, equipment and storage medium
CN112697373A (en) * 2021-01-22 2021-04-23 扬州大学 Method for estimating displacement of railway bridge with damaged component
CN112966329B (en) * 2021-03-24 2023-06-30 长安大学 Vehicle-bridge coupling analysis system based on physical-data driving and construction method thereof
CN112966329A (en) * 2021-03-24 2021-06-15 长安大学 Vehicle-bridge coupling analysis system based on physics-data driving and construction method thereof
CN114444177A (en) * 2021-12-31 2022-05-06 西南交通大学 Railway bridge upper-laying line shape optimization method based on Fourier series fitting
CN114707202A (en) * 2022-01-28 2022-07-05 中国建筑第五工程局有限公司 Method and system for optimally designing arch bridge with suspender under mobile load
CN114444983A (en) * 2022-04-08 2022-05-06 深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司 Urban bridge group state evaluation method based on axle coupling and digital twinning
CN115186529A (en) * 2022-06-10 2022-10-14 中国地质大学(武汉) Chinese ancient stone arch bridge safety assessment method based on Bayesian analysis
CN114997027B (en) * 2022-07-13 2022-10-11 成都理工大学 Method for intelligently solving random signals of axle system
CN114997027A (en) * 2022-07-13 2022-09-02 成都理工大学 Method for intelligently solving random signals of axle system
CN115495958A (en) * 2022-09-30 2022-12-20 上海交通大学 Joint identification method for bearing force and shafting parameters of ship propeller

Also Published As

Publication number Publication date
JP6543863B2 (en) 2019-07-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2018031187A (en) Examination method of structure performance of railway bridge
JP2018031676A (en) Method for inspecting structural performance of railroad bridge
Zhao et al. Road profile estimation, and its numerical and experimental validation, by smartphone measurement of the dynamic responses of an ordinary vehicle
Quirke et al. Railway bridge damage detection using vehicle-based inertial measurements and apparent profile
Matsuoka et al. Bayesian time–frequency analysis of the vehicle–bridge dynamic interaction effect on simple-supported resonant railway bridges
Wang et al. Identification of moving vehicle parameters using bridge responses and estimated bridge pavement roughness
JP2018031189A (en) Scheduling method of operation management of railway bridge
JP2017020796A (en) Bridge dynamic response analysis method
Xiao et al. Simultaneous identification of the frequencies and track irregularities of high-speed railway bridges from vehicle vibration data
Patel et al. Infrastructure health monitoring using signal processing based on an industry 4.0 System
Yin et al. Bridge damage identification under the moving vehicle loads based on the method of physics-guided deep neural networks
Muñoz et al. Estimation of lateral track irregularity using a Kalman filter. Experimental validation
Xiao et al. Track irregularity monitoring on high-speed railway viaducts: A novel algorithm with unknown input condensation
Malekjafarian et al. A machine-learning-based approach for railway track monitoring using acceleration measured on an in-service train
Morichika et al. Estimation of displacement response in steel plate girder bridge using a single MEMS accelerometer
Firus A contribution to moving force identification in bridge dynamics
Xiao et al. Identification of frequencies and track irregularities of railway bridges using vehicle responses: a recursive Bayesian Kalman filter algorithm
Wang et al. Response spectrum model of vehicle dynamic load for the prediction of bridge vibration level due to single vehicle-passage
Aloisio et al. Probabilistic Comparative Analysis of Vehicle–Bridge Interaction Models for Predicting Bridge Response under Moving Vehicles
CN115358130B (en) Method for realizing vibration noise simulation load of vehicle section
JP2021098968A (en) Bridge condition evaluation method and condition evaluation system thereof
Xu et al. Condition monitoring of wheel wear for high-speed trains: A data-driven approach
Zhu et al. An inverse dynamics method for railway vehicle systems
Hooser et al. Validation of dynamic simulation techniques at the Holloman high speed test track
Ding et al. A reliability analysis method of dynamic irregularity for track–viaduct system with low stiffness

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180808

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20181102

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20190415

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190521

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190530

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6543863

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees