JP2019015551A - 橋脚の健全性評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】卓越振動数を的確に取得し、その卓越振動数の変化に基づいて、橋脚の健全性について評価することができる橋脚の健全性評価方法を実現する。【解決手段】橋脚健全性評価装置２０は、橋脚１に設置された橋脚監視装置１０の加速度センサ１１によって測定された常時微動の加速度データに基づいて、パワースペクトル（Ｌ２）、累積スペクトル（Ｌ３）、累積スペクトルの回帰曲線（Ｌ４）を求め、累積スペクトル（Ｌ３）と回帰曲線（Ｌ４）との交点間の範囲にある卓越振動数を取得し、卓越振動数を時間軸に沿ってプロットして、その卓越振動数の継時的変化を視認可能に表示する。こうして卓越振動数の継時的変化を視認可能に表示すれば、卓越振動数が低下する傾向がある場合にはそれを把握することができるので、卓越振動数の継時的変化に基づいて橋脚の健全性が低下したか否か評価することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、増水に起因する洗掘などによって橋脚の健全性が低下していないか評価する橋脚の健全性評価方法に関する。

河川が増水して橋脚周辺の地盤が洗掘されてしまうと、橋脚が傾斜・倒壊する橋梁災害が発生する虞がある。
こうした河川増水時の橋梁災害を未然に防ぐため、各種センサを利用して橋脚の異常を検出する様々な技術が開示されている。

例えば、橋脚天端に設置した加速度センサで観測した微動波形のフーリエスペクトルに関し、予め衝撃振動試験等で求めておいた橋脚の固有振動数の前後に探索範囲を設定し、その範囲における橋脚の固有振動数のピークの変化を監視することでフーリエスペクトルの低下を検知して、橋脚の異常を検出する技術が知られている（例えば、特許文献１，非特許文献１参照。）。
また、橋脚天端に設置した加速度センサで観測した微動波形のフーリエスペクトルに関し、例えば、振動数ｆ_０から振動数ｆ_１までの範囲のパワースペクトル面積と、振動数ｆ_０から振動数ｆ_１より大きい振動数ｆ_２までの範囲のパワースペクトル面積との比をスペクトルスコアと定義し、橋脚の固有振動数と良好な比例関係があるスペクトルスコアを継時的に算出することで、長期的な橋脚の状態監視を行うという技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０１０−２１０３３５号公報 特開２０１５−２３０２０６号公報

佐溝昌彦，他４名、「河川増水時における鉄道橋脚の固有振動数の特定方法の提案」、土木学会論文集Ｆ、vol.66 No.4,524-535,2010.10

しかしながら、上記特許文献１，非特許文献１の技術の場合、微動波形のフーリエスペクトルに含まれる橋脚の固有振動数のピークが卓越しない場合や、微動波形のフーリエスペクトルに含まれる橋脚以外の固有振動数（例えば、桁や電化柱の固有振動数）のピークが支障する場合には、探索範囲を設定できないことや橋脚の固有振動数のピークの変化を監視できないことがあるという問題がある。
また、特許文献２の技術の場合、橋脚の固有振動数を直接的に評価することができないため、スペクトルスコアと橋脚の固有振動数との相関を衝撃振動試験等により確認する手間を要するといった問題がある。また、微動波形には橋脚以外の桁や電化柱等の振動が含まれることがあるため、スペクトルスコアの低下が橋脚の固有振動数の低下によるものか不明確であるという問題があった。

本発明の目的は、卓越振動数を的確に取得し、その卓越振動数の変化に基づいて、橋脚の健全性について評価することができる橋脚の健全性評価方法を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明は、橋脚の健全性評価方法であって、
橋脚に設置した加速度センサによって、前記橋脚の振動を含む微動波形を継続して取得する第１工程と、
前記微動波形に基づき、所定時間ごとのパワースペクトルを算出する第２工程と、
前記パワースペクトルの累積分布を算出して累積スペクトルを作成する第３工程と、
前記累積スペクトルの回帰曲線を算出し、その回帰曲線と前記累積スペクトルとの交点を取得する第４工程と、
前記交点の振動数に応じて前記パワースペクトルを複数の範囲に分割し、各分割範囲における卓越振動数を取得する第５工程と、
前記卓越振動数を時系列的にプロットし、その卓越振動数の継時的変化を視認可能に表示する第６工程と、
を備えるようにした。

パワースペクトルの累積分布を算出して作成した累積スペクトルは、スペクトルの谷に相当する比較的平坦な領域と、顕著なスペクトルのピークに相当する比較的傾斜が急峻な領域とが交互に現れる階段状のカーブを描くようになる。
その累積スペクトルに、累積スペクトルの回帰曲線を重ねてそれらの交点を求めると、累積スペクトルのカーブが回帰曲線によって分断されて、回帰曲線よりも上側となる部分と下側となる部分とに分かれる（図４（ｂ）参照）。
この回帰曲線よりも上側となる累積スペクトル部分に、顕著なスペクトルのピークが含まれていると推認できるので、交点の振動数に応じてパワースペクトルを複数の範囲に分割すれば、分割範囲毎に卓越振動数を絞り込み易くなり、橋桁の固有振動数に相当する卓越振動数を的確に取得することができる。
そして、卓越振動数を時系列的にプロットし（時間軸に沿ってプロットし）、その卓越振動数の継時的変化を視認可能に表示すれば、卓越振動数が低下する傾向がある場合にはそれを把握することができるので、卓越振動数の継時的変化に基づいて橋脚の健全性が低下したか否か評価することができる。
例えば、洗掘が発生して橋脚の支持力が低下すると、橋脚の固有振動数が低下することから、卓越振動数が低下する傾向がある場合には、橋脚の周辺に洗掘が生じたと推定でき、橋脚の健全性が低下したと判断することができる。

また、望ましくは、
前記卓越振動数が、所定の閾値以下になった場合に、前記橋脚の健全性が低下したと判断し、その結果を出力する第７工程を含むようにする。
こうすることで、橋脚の健全性が低下したことを自動判別することが可能になる。

また、望ましくは、
前記第４工程では、前記回帰曲線よりも前記累積スペクトルの傾斜が緩やかな箇所で前記交点を取得し、その交点間における前記累積スペクトルの傾斜が急峻な箇所に対応させて、前記第５工程で前記卓越振動数を取得するようにする。
こうすることで、より的確に卓越振動数を取得することが可能になる。

また、望ましくは、
前記第５工程で取得した前記卓越振動数が１つの場合には、その卓越振動数に基づいて前記橋脚の健全性に関する評価を行い、
前記第５工程で取得した前記卓越振動数が複数の場合には、予め求めておいた前記橋脚の固有振動数に対応する卓越振動数を特定し、その卓越振動数に基づき前記橋脚の健全性に関する評価を行うようにする。
こうすることで、橋脚の健全性に関する評価を適正に行うことができる。

本発明によれば、的確に取得した卓越振動数に基づき、橋脚の健全性について評価することができる橋脚の健全性評価方法が得られる。

橋脚監視装置（加速度センサ）が設置された橋梁の橋脚を示す説明図である。 橋脚監視システムを示す概略構成図である。 橋脚の微動波形の一例を示す説明図である。 橋脚の微動波形に基づくスペクトルデータの一例を示す説明図であり、パワースペクトル（ａ）と、累積スペクトル（ｂ）である。 橋桁、橋脚、電化柱の固有振動数を時系列的にプロットしたグラフの一例を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る橋脚の健全性評価方法の実施形態について詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

本実施形態の橋脚の健全性評価方法は、例えば、河川の増水に起因する洗掘が橋脚の周辺に生じたか否かを推定し、橋脚の健全性に関する評価を行うための技術である。
橋梁の橋脚の健全性を評価するため、例えば図１に示すように、橋脚１の上部に加速度センサ１１（図２参照）を備えた橋脚監視装置１０を設置している。
図１に示すように、橋脚１は橋桁２を支持しており、橋桁２には列車の軌道３が設けられている。また、橋脚１には架線４ａを張架する電化柱４が立設されている。
なお、橋梁に複数の橋脚１が設けられている場合、各橋脚１にそれぞれ橋脚監視装置１０を設置する。本実施形態では、そのうち１つの橋脚１に設置した橋脚監視装置１０を例に説明する。

また、橋脚監視装置１０は、図２に示すように、通信ネットワークＮを介して橋脚健全性評価装置２０と通信可能に接続されている。
通信ネットワークＮは、例えば、インターネットや電気通信事業者等の電話回線網や携帯電話通信網等であり、橋脚監視装置１０と橋脚健全性評価装置２０は、無線通信あるいは有線通信によってそれぞれ通信ネットワークＮに通信可能に接続されている。
なお、橋脚監視装置１０と橋脚健全性評価装置２０とが通信ネットワークＮを介して通信可能に接続されて、橋脚監視システム１００が構築されている。

橋脚監視装置１０は、例えば図２に示すように、加速度センサ１１と、通信部１２と、制御部１３を備えている。

加速度センサ１１は、橋脚１の常時微動の加速度を測定するセンサであり、例えば、微小振動を検出可能な一軸加速度計を用いることができる。
この加速度センサ１１によって、橋脚１の常時微動を継続して測定する。

通信部１２は、例えば、アンテナや通信回路を有し、制御部１３による制御の下で橋脚健全性評価装置２０との間の通信を行う通信手段である。
この通信部１２によって、加速度センサ１１が測定した橋脚１の常時微動の加速度データを橋脚健全性評価装置２０に送信する。

制御部１３は、橋脚監視装置１０の動作を中央制御する。具体的には、制御部１３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを有しており、ＲＡＭの作業領域に展開されたＲＯＭに記憶されたプログラムデータとＣＰＵとの協働により各部を統括制御する。
例えば、橋脚監視装置１０の制御部１３は、加速度センサ１１が測定した橋脚１の常時微動の加速度データに、その加速度データを測定したタイミングの時刻情報を関連付けて、橋脚健全性評価装置２０に送信する処理を行う。
なお、制御部１３は、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）などの時刻情報を取り込む機能を有しており、図示しない内部時計の時刻情報を自動修正するようになっている。

橋脚健全性評価装置２０は、例えば図２に示すように、表示部２１と、通信部２２と、制御部２３を備えている。
この橋脚健全性評価装置２０は、例えば、駅員や作業員（保守管理員）が常駐している、駅舎の運行管理室などに設置されている。

表示部２１は、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、有機ＥＬ（Electro Luminescence）素子を用いたＦＰＤ（Flat Panel Display）などである。
この表示部２１には、橋脚監視装置１０の加速度センサ１１が測定した橋脚１の常時微動の加速度データや、その加速度データに基づく各種スペクトルなどが表示される。

通信部２２は、例えば、アンテナや通信回路を有し、制御部２３による制御の下で橋脚監視装置１０との間の通信を行う通信手段である。
この通信部２２によって、橋脚監視装置１０から送信された加速度データを受信する。

制御部２３は、橋脚健全性評価装置２０の動作を中央制御する。具体的には、制御部２３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを有しており、ＲＡＭの作業領域に展開されたＲＯＭに記憶されたプログラムデータとＣＰＵとの協働により各部を統括制御する。
例えば、橋脚健全性評価装置２０の制御部２３は、橋脚監視装置１０から送信され、通信部２２で受信した加速度データに所定の処理を施し、橋脚１の健全性に関する評価を行うためのデータを作成する。

次に、橋脚健全性評価装置２０による、橋脚１の健全性評価方法について説明する。

まず、橋脚健全性評価装置２０の制御部２３は、橋脚監視装置１０の加速度センサ１１によって測定された常時微動の加速度データに基づき、橋脚１の振動を含む微動波形を継続して取得する。
ここで制御部２３が取得した微動波形は、例えば、図３に示すような、時刻歴波形Ｌ１である。

次いで、橋脚健全性評価装置２０の制御部２３は、取得した微動波形（Ｌ１）に基づき、所定時間ごとのパワースペクトルを算出する。
例えば、制御部２３は、継続して取得した微動波形に基づき、２０秒毎のパワースペクトルを算出する。
ここで制御部２３が算出したパワースペクトルは、例えば、図４（ａ）に示すような、スペクトルデータＬ２である。

次いで、橋脚健全性評価装置２０の制御部２３は、パワースペクトルの累積分布を算出して累積スペクトルを作成する。
ここで制御部２３が作成した累積スペクトルは、例えば、図４（ｂ）に示すような、スペクトルデータＬ３である。

次いで、橋脚健全性評価装置２０の制御部２３は、累積スペクトルの回帰曲線を算出し、その回帰曲線と累積スペクトルとの交点を取得する。
特に、回帰曲線と累積スペクトルとの交点は、回帰曲線よりも累積スペクトルの傾斜が緩やかな箇所で取得するものとする。
ここで制御部２３が算出した回帰曲線は、例えば、図４（ｂ）に示すような、二次曲線Ｌ４であり、回帰曲線（Ｌ４）と累積スペクトル（Ｌ３）とが交差する４つの交点（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４）が求められている。

次いで、橋脚健全性評価装置２０の制御部２３は、交点（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４）の振動数に応じてパワースペクトル（Ｌ２）を複数の範囲に分割し、各分割範囲における卓越振動数を取得する。
特に、交点（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４）間における累積スペクトル（Ｌ３）の傾斜が急峻な箇所に対応させて、卓越振動数を取得するものとする。
ここで制御部２３は、例えば、図４（ａ）に示すように、パワースペクトル（Ｌ２）を３つの範囲に分割しており、交点Ｔ１と交点Ｔ２の間の範囲でピークＰ１に対応する卓越振動数と、交点Ｔ２と交点Ｔ３の間の範囲でピークＰ２に対応する卓越振動数と、交点Ｔ３と交点Ｔ４の間の範囲でピークＰ３に対応する卓越振動数とを取得している。

累積スペクトル（Ｌ３）が比較的平坦な領域はスペクトルの谷に相当するので、回帰曲線よりも累積スペクトルの傾斜が緩やかな箇所で取得した交点間にはスペクトルのピークがあると推認できる。
そして、その交点間において累積スペクトル（Ｌ３）の傾斜が急峻な箇所には、顕著なピークがあると推認できるので、その傾斜が急峻な箇所に対応させれば、的確に卓越振動数を取得することができる。
こうした手法（回帰曲線よりも累積スペクトルの傾斜が緩やかな箇所で取得した交点を指標にする手法）によって、卓越振動数を好適に取得することを可能にした。

なお、卓越振動数を取得する工程にて、１つの卓越振動数が取得された場合、その卓越振動数に基づいて橋脚１の健全性に関する評価を行うことになる。このパワースペクトル（Ｌ２）は、橋脚１の常時微動の加速度によるものであるから、卓越振動数が１つの場合には、その卓越振動数は橋脚１の固有振動数であると推認できる。

また、卓越振動数を取得する工程にて、複数の卓越振動数が取得された場合、予め求めておいた橋脚１の固有振動数に対応する卓越振動数を特定し、その卓越振動数に基づいて橋脚１の健全性に関する評価を行うことになる。
例えば、橋脚１には、橋桁２や電化柱４が接触しているので、加速度センサ１１が測定した常時微動には、橋脚１の振動の他に橋桁２や電化柱４の振動が含まれていることがある。このような場合、予め橋脚１、橋桁２、電化柱４に対し衝撃振動試験等を行い、それらの固有振動数を求めておき、橋脚１、橋桁２、電化柱４の固有振動数に対応する卓越振動数を特定した後、橋脚１の固有振動数であると特定した卓越振動数に基づいて橋脚１の健全性に関する評価を行うようにする。
本実施形態では、例えば、ピークＰ１に対応する卓越振動数が橋桁２の固有振動数、ピークＰ２に対応する卓越振動数が橋脚１の固有振動数、ピークＰ３に対応する卓越振動数が電化柱４の固有振動数であると特定したものとする。

次いで、橋脚健全性評価装置２０の制御部２３は、パワースペクトル（Ｌ２）のピーク（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）に対応する卓越振動数を時系列的にプロットし（時間軸に沿ってプロットし）、その卓越振動数の継時的変化を視認可能に表示する。
ここで制御部２３は、ピークＰ１に対応する橋桁２の固有振動数と、ピークＰ２に対応する橋脚１の固有振動数と、ピークＰ３に対応する電化柱４の固有振動数とを時間軸に沿ってプロットしてなる、例えば、図５に示すようなグラフを表示部２１に表示して、橋桁２、橋脚１、電化柱４の固有振動数の継時的変化を視認可能にしている。なお、本実施形態では、図３に示したような微動波形に基づき、２０秒毎のパワースペクトルを算出しているので、各固有振動数（卓越振動数）は２０秒毎にプロットされている。

次いで、橋脚健全性評価装置２０の制御部２３は、ピークＰ２に対応する橋脚１の固有振動数が、所定の閾値Ｌ５以下になった場合に、橋脚１の健全性が低下したと判断する処理を実行する。例えば、洗掘が発生して橋脚１の支持力が低下すると、橋脚１の固有振動数が低下することから、橋脚１の固有振動数が所定の閾値Ｌ５よりも低下した場合、橋脚１の周辺に洗掘が生じたと推定できる。
具体的に、橋脚健全性評価装置２０の制御部２３が、橋脚１の健全性が低下したと判断した場合、制御部２３は表示部２１に「橋脚の健全性が低下した可能性がある」旨を示す表示を行い、橋脚１に洗掘が生じていないか確認する作業員を現地に派遣することを促す警報を発する。

このように、橋脚健全性評価装置２０は、橋脚１に設置された橋脚監視装置１０の加速度センサ１１によって測定された常時微動の加速度データに基づいて、橋脚１の固有振動数を的確に取得することができ、その橋脚１の固有振動数の継時的変化に応じて、橋脚１の健全性に関する評価を行うことができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
上記実施形態では、橋脚１の固有振動数が所定の閾値Ｌ５以下になった場合に、橋脚健全性評価装置２０の制御部２３が、橋脚１の健全性が低下したと判断して警報を発するとしたが、制御部２３の処理は、橋脚１の固有振動数を時系列的にプロットした（時間軸に沿ってプロットした）データを表示部２１に表示するなどして、橋脚１の固有振動数の継時的変化を視認可能に表示するに留めてもよい。
橋脚１の固有振動数を時間軸に沿ってプロットしたデータ（図５参照）が表示部２１に表示されていれば、駅員や作業員などが橋脚１の固有振動数の継時的変化をチェックすることができるので、橋脚１の固有振動数の変化から何らかの異常が確認された際に、橋脚１に洗掘が生じていないか確認する作業員を現地に派遣するなど、速やかに対処することができる。

なお、以上の実施の形態においては、橋梁に複数の橋脚１が設けられている場合、各橋脚１にそれぞれ橋脚監視装置１０を設置するとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、各橋脚１にそれぞれ加速度センサ１１を設置するとともに、通信部１２と制御部１３を備えている監視装置本体を橋梁あるいは橋梁の近傍に設置し、複数の加速度センサ１１と監視装置本体をケーブルなどで接続するようにしてもよい。

また、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

１ 橋脚
２ 橋桁
３ 軌道
４ 電化柱
１０ 橋脚監視装置
１１ 加速度センサ
１２ 通信部
１３ 制御部
２０ 橋脚健全性評価装置
２１ 表示部
２２ 通信部
２３ 制御部
１００ 橋脚監視システム
Ｎ 通信ネットワーク
Ｌ１ 時刻歴波形（微動波形）
Ｌ２ スペクトルデータ（パワースペクトル）
Ｌ３ スペクトルデータ（累積スペクトル）
Ｌ４ 回帰曲線
Ｌ５ 閾値
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４ 交点

Claims (4)

1. 橋脚に設置した加速度センサによって、前記橋脚の振動を含む微動波形を継続して取得する第１工程と、
   前記微動波形に基づき、所定時間ごとのパワースペクトルを算出する第２工程と、
   前記パワースペクトルの累積分布を算出して累積スペクトルを作成する第３工程と、
   前記累積スペクトルの回帰曲線を算出し、その回帰曲線と前記累積スペクトルとの交点を取得する第４工程と、
   前記交点の振動数に応じて前記パワースペクトルを複数の範囲に分割し、各分割範囲における卓越振動数を取得する第５工程と、
   前記卓越振動数を時系列的にプロットし、その卓越振動数の継時的変化を視認可能に表示する第６工程と、
   を備えたことを特徴とする橋脚の健全性評価方法。
2. 前記卓越振動数が、所定の閾値以下になった場合に、前記橋脚の健全性が低下したと判断し、その結果を出力する第７工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の橋脚の健全性評価方法。
3. 前記第４工程では、前記回帰曲線よりも前記累積スペクトルの傾斜が緩やかな箇所で前記交点を取得し、その交点間における前記累積スペクトルの傾斜が急峻な箇所に対応させて、前記第５工程で前記卓越振動数を取得することを特徴とする請求項１又は２に記載の橋脚の健全性評価方法。
4. 前記第５工程で取得した前記卓越振動数が１つの場合には、その卓越振動数に基づいて前記橋脚の健全性に関する評価を行い、
   前記第５工程で取得した前記卓越振動数が複数の場合には、予め求めておいた前記橋脚の固有振動数に対応する卓越振動数を特定し、その卓越振動数に基づき前記橋脚の健全性に関する評価を行うことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の橋脚の健全性評価方法。

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