JP2020125942A - 構造物健全度判定装置および構造物健全度判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構造物の固有振動数に対する振幅が卓越しない場合でもこの構造物の健全度を的確に評価することの可能な構造物健全度評価装置及び評価方法を提供する。【解決手段】一対のセンサ１１ａ、１１ｂにより検出された構造物１の振動のフーリエスペクトルをそれぞれ算出するフーリエスペクトル算出部３０と、フーリエスペクトル算出部３０により算出された構造物１の振動のフーリエスペクトルからクロススペクトルを算出するクロススペクトル算出部３１と、フーリエスペクトル算出部３０により算出された構造物１の振動のフーリエスペクトルからパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出部３２と、クロススペクトルとパワースペクトルからコヒーレンスを算出するコヒーレンス算出部３３とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、地盤に設置された鉄道構造物、道路構造物などを含む構造物（以下、単に「構造物」と称する）の健全度を判定する判定装置及び判定方法に関するものである。

橋脚などの構造物の固有振動数を実際に測定し、あるいは種々の手法により特定することで、この構造物の健全度を評価する手法は既知である。例えば、河川に架設された橋梁の橋脚を支持する地盤に洗掘が生じると、この橋脚の固有振動数が低振動数方向にシフトすることが知られているので、橋脚の固有振動数をモニタリングすることで橋脚の健全度を評価することができる。

従来、構造物の固有振動数を特定する手法として、構造物に実際に衝撃を与えてその振動を測定する衝撃振動試験が実施されている。かかる振動衝撃試験による固有振動数特定手法は、固有振動数の特定精度は高いものの、危険性を伴う作業であり、また常時モニタリングには適していない。

一方で、衝撃試験による固有振動数特定手法によらず、構造物の固有振動数の常時モニタリングを目指した手法として、構造物天端（上端）に設けたセンサで計測した構造物の振動（微動）から得られるフーリエスペクトルを基に、固有振動数を特定し、あるいは橋脚（構造物）の健全度を評価しようとする手法がいくつか提案されている。

一例として、構造物の固有振動数を含む振動数の探索範囲を設定し、フーリエスペクトルの振幅が最大となる振動数を固有振動数とみなす手法（特許文献１参照）や、センサを構造物の天端の両端に設置して、センサにより検出された構造物の振動に基づいて地盤の振動を推定し、これら構造物及び地盤の振動の伝達関数（位相差）に基づいて固有振動数を特定する手法（特許文献２）が挙げられる。

特許第４６９８４６６号公報 特開２０１７−１６６９２２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された手法では、探索範囲を設定するために直近の固有振動数が既知である必要があり、完全に微動のみから固有振動数を得ることは難しかった。

また、特許文献２に開示された手法では、特許文献１に開示された手法に比較して固有振動数同定の適用性や精度の面で改善が図られたものの、曲げ振動が卓越する橋脚の場合は振動中心が橋脚底面から外れるため、既知の固有振動数付近の振動数でバンドパスフィルター処理を行い、得られた鉛直波形と水平波形のリサージュ曲線から振動中心位置を推定する必要がある。また，橋脚の安定性が高いと固有振動数に対応する振幅が卓越せず、判断が難しいという問題があった。

そこで、本発明は、構造物の固有振動数に対する振幅が卓越しない場合でもこの構造物の健全度を的確に評価することの可能な構造物健全度評価装置及び評価方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、地盤に設置された構造物の健全度を評価する構造物健全度評価装置は、構造物の上端部に設けられてこの構造物の振動を検出する一対のセンサと、これらセンサからの検出信号を受け入れる制御部とを備え、制御部は、一対のセンサにより検出された構造物の振動のフーリエスペクトルをそれぞれ算出するフーリエスペクトル算出部と、フーリエスペクトル算出部により算出された構造物の振動のフーリエスペクトルからクロススペクトルを算出するクロススペクトル算出部と、フーリエスペクトル算出部により算出された構造物の振動のフーリエスペクトルからパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出部と、クロススペクトル算出部により算出されたクロススペクトルとパワースペクトル算出部により算出されたパワースペクトルからコヒーレンスを算出するコヒーレンス算出部とを有することを特徴とする。

また、構造物の上端部に設けられてこの構造物の振動を検出する一対のセンサと、これらセンサからの検出信号を受け入れる制御部とを備えた構造物健全度評価装置により、地盤に設置された前記構造物の健全度を評価する構造物健全度評価方法は、一対のセンサにより検出された構造物の振動のフーリエスペクトルをそれぞれ算出し、算出した構造物の振動のフーリエスペクトルからクロススペクトル及びパワースペクトルを算出し、算出したクロススペクトルとパワースペクトルからコヒーレンスを算出することを特徴とする。

このように構成された本発明の構造物健全度評価装置では、制御部が、一対のセンサにより検出された構造物の振動のフーリエスペクトルをそれぞれ算出するフーリエスペクトル算出部と、フーリエスペクトル算出部により算出された構造物の振動のフーリエスペクトルからクロススペクトルを算出するクロススペクトル算出部と、フーリエスペクトル算出部により算出された構造物の振動のフーリエスペクトルからパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出部と、クロススペクトル算出部により算出されたクロススペクトルとパワースペクトル算出部により算出されたパワースペクトルからコヒーレンスを算出するコヒーレンス算出部とを有する。

このようにすることで、構造物の固有振動数に対する振幅が卓越しない場合でもこの構造物の健全度を的確に評価することが可能となる。

本実施の形態である構造物健全度評価装置の概略構成を示すブロック図である。 実施例に用いた模型橋脚を示す側面図及び平面図である。 実験例におけるコヒーレンスと周波数の関係の一例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態である構造物健全度評価装置の概略構成を示すブロック図である。

本実施の形態である構造物健全度評価装置（以下、単に評価装置と称する）１０は、構造物の一例である橋脚１の健全度を評価する。橋脚１は、河川２に架設された鉄道橋梁（図略）の一部であり、地盤３に立設されている。

なお、図１において、紙面の左右方向は橋軸直角方向（枕木方向）であり、紙面に直交する方向は橋軸方向（線路方向）である。河川２は紙面左から右方向に流れており、従って、左側が河川２の上流側、右側が河川２の下流側となる。

本実施の形態である評価装置１０は、橋脚１の橋軸方向の振動を測定する一対のセンサ（検出部）１１ａ、１１ｂ、これらセンサ１１ａ、１１ｂからの測定信号が入力される本体部１２を有する。

センサ１１ａ、１１ｂは、図１に示すように、橋脚１の天端（上端）面に取り付けられ、それぞれ、橋軸直角方向に所定の距離を置いて、河川２の上流側端部及び下流側端部に設けられている。センサ１１ａ、１１ｂは、橋軸方向の振動（速度又は加速度）を検出可能な公知の速度センサ又は加速度センサであることが好ましい。特に、これらセンサ１１ａ、１１ｂは同種の速度センサまたは加速度センサであることが好ましい。

センサ１１ａ、１１ｂは、検出した橋脚１の振動を例えば電位差として出力する。

本体部１２は例えばパーソナルコンピュータ等であり、制御部２０、記憶部２１、入力インタフェース（Ｉ／Ｆ）２２及び出力インタフェース（Ｉ／Ｆ）２３を有する。

制御部２０はＣＰＵ等の演算素子を備える。記憶部２１内に格納されている図略の制御用プログラムが評価装置１０の起動時に実行され、この制御用プログラムに基づいて、制御部２０は記憶部２１等を含む評価装置１０全体の制御を行うとともに、フーリエスペクトル算出部３０、クロススペクトル算出部３１、パワースペクトル算出部３２、コヒーレンス算出部３３及び健全度評価部３４としての機能を実行する。これら各機能部の動作については後述する。

記憶部２１はハードディスクドライブ等の大容量記憶媒体、及びＲＯＭ、ＲＡＭ等の半導体記憶媒体を備える。この記憶部２１には上述の制御用プログラムが格納されているとともに、制御部２０の制御動作時に必要とされる各種データが一時的に格納される。

入力インタフェース２２は、本体部１２に接続された入力装置１３からの各種入力を受け入れ、これを制御部２０に出力する。本実施例の入力装置１３は例えばキーボードやマウス等である。

出力インタフェース２３は、制御部２０から出力された出力信号を受け入れ、これを表示装置１４に出力する。本実施例の表示装置１４は例えば液晶ディスプレイ装置であり、出力インタフェース２３を介して出力された表示制御信号に基づいて図略の表示面に表示画面を表示する。

次に、制御部２０に構成される各機能部の説明をする。

フーリエスペクトル算出部３０は、一対のセンサ１１ａ、１１ｂにより検出された橋脚１の振動のフーリエスペクトルをそれぞれ算出する。センサ１１ａ、１１ｂからそれぞれ得られた橋脚１の橋軸方向の時系列の振動波形をｘ（ｔ）及びｙ（ｔ）とする。フーリエスペクトル算出部３０は、この時系列波形を離散フーリエ変換（ＤＣＴ：Discrete Fourier Transformation）することで、次式で与えられるフーリエスペクトルＸ（ｆ）、Ｙ（ｆ）を算出する。

周波数の関数であるフーリエスペクトルＸ（ｆ）、Ｙ（ｆ）の複素共役は次式で与えられる。

クロススペクトル算出部３１は、フーリエスペクトル算出部３０により算出された橋脚１の振動のフーリエスペクトルＸ（ｆ）、Ｙ（ｆ）から、次式によりクロススペクトルＷ_ｘｙ（ｆ）を算出する。

一方、パワースペクトル算出部３２は、フーリエスペクトル算出部３０により算出された橋脚１の振動のフーリエスペクトルＸ（ｆ）、Ｙ（ｆ）から、次式によりパワースペクトルＷ_ｘｘ（ｆ）、Ｗ_ｙｙ（ｆ）を算出する。

そして、コヒーレンス算出部３３は、クロススペクトル算出部３１により算出されたクロススペクトルＷ_ｘｙ（ｆ）と、パワースペクトル算出部３２により算出されたパワースペクトルＷ_ｘｘ（ｆ）、Ｗ_ｙｙ（ｆ）とから、次式によりコヒーレンスを算出する。ここに、コヒーレンスは、クロススペクトルＷ_ｘｙ（ｆ）の絶対値の自乗をパワースペクトルＷ_ｘｘ（ｆ）、Ｗ_ｙｙ（ｆ）で除したものである。
なお、上式中の上バーは時間平均を意味する。

健全度評価部３４は、コヒーレンス算出部３３により算出されたコヒーレンスｃｏｈ^２（ｆ）と周波数ｆとの関係から橋脚１の健全度を評価する。

本発明者らが鋭意実験等を行ったところ、低振動数帯ではコヒーレンスｃｏｈ^２（ｆ）がほぼ１、すなわち橋脚１の両端部で同じ振動波形ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）となるが、高振動数帯に向かうにつれコヒーレンスｃｏｈ^２（ｆ）が急激に低下することを発見した。そして、根入れが小さいほど、コヒーレンスｃｏｈ^２（ｆ）が低下しはじめる振動数ｆが低くなることも発見した。従って、クロススペクトルＷ_ｘｙ（ｆ）の変化の有無から橋脚１の根入れの健全度の変化の有無を推定できる。

健全度評価部３４による橋脚１の健全度評価手法は上述した知見に基づいたものであり、詳細な手法は種々考え得るが、一例として、周波数ｆを横軸に、コヒーレンスｃｏｈ^２（ｆ）を縦軸にとったグラフを描画し、グラフの曲線（含む直線）を周波数ｆで積分した値（積分値）の大小に基づいて健全度を評価する手法が挙げられる。この際、積分を行う周波数ｆの範囲は、０［Ｈｚ］から橋脚１に洗掘が生じていないときのコヒーレンスがほぼ０になるときの周波数ｆまでとする。

（構造物健全度評価装置の効果）
このように構成された本実施の形態である評価装置１０では、制御部２０が、一対のセンサ１１ａ、１１ｂにより検出された橋脚１の振動のフーリエスペクトルをそれぞれ算出するフーリエスペクトル算出部３０と、フーリエスペクトル算出部３０により算出された橋脚１の振動のフーリエスペクトルからクロススペクトルを算出するクロススペクトル算出部３１と、フーリエスペクトル算出部３０により算出された橋脚１の振動のフーリエスペクトルからパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出部３２と、クロススペクトル算出部３１により算出されたクロススペクトルとパワースペクトル算出部３２により算出されたパワースペクトルからコヒーレンスを算出するコヒーレンス算出部３３と、コヒーレンスと周波数との関係からコヒーレンスの積分値を算出することによって構造物の健全度を評価する健全度評価部３４とを有する。

このようにすることで、コヒーレンスの変化の有無から橋脚１の根入れの健全度の変化の有無を推定することができる。従って、橋脚１の固有振動数に対する振幅が卓越しない場合でもこの橋脚１の健全度を的確に評価することの可能な構造物健全度評価装置及び評価方法を実現することができる。

ここで、橋脚１の橋軸直角方向の微動に着目して固有振動数を求め、この固有振動数から健全度を判断する手法が考えられる。しかし、壁式橋脚と呼ばれる、橋軸方向よりも橋軸直角方向の幅が大きい橋脚は橋軸直角方向の振動が小さい。つまり、このような橋脚は橋軸直角方向の安定性が高いために固有振動数に対応する振幅が卓越せず、判断が難しいという問題があった。

一方、本実施の形態である評価装置１０によれば、橋脚の橋軸直角方向の安定性が高いケースでも、橋軸方向の振動に着目して橋脚１の健全度を評価することができる、という効果がある。

（実験例）
模型橋脚を用いた実験例について以下説明する。模型橋脚は、図２（ａ）に示す側面図及び図２（ｂ）に示す平面図に示すように、幅（橋軸方向）４００ｍｍ、奥行き（橋軸直角方向）１６００ｍｍ、高さ１６００ｍｍのコンクリート製模型橋脚である。橋脚底面地盤には砕石、橋脚側面地盤には稲城砂を使用し、初期根入れ深は６００ｍｍである。

振動を計測するセンサは橋脚天端両端部に設置しており、センサ中心間の距離は１５００ｍｍである。センサにはＡＮＥＴ製の速度計ＣＲ４．５−２Ｓを用いて、サンプリング周波数を２００［Ｈｚ］で５分間連続微動計測を実施した。

根入れ深さを徐々に浅くしたときの、模型橋脚に設けられたセンサにより測定された橋脚の微動波形のコヒーレンスと周波数との関係の一例を図３に示す。コヒーレンスに着目すると、根入れが少なくなるほど（掘削量が増えるほど）、コヒーレンスが低下する振動数（周波数）が小さくなっていることが分かる。従って、コヒーレンスが低下する周波数に注目することで、橋脚１の健全度を評価できることが理解できる。

掘削なし、つまり洗掘が生じない健全な状態での模型橋脚のコヒーレンスは６０［Ｈｚ］でほぼ０になっている。そこで、６０［Ｈｚ］までのコヒーレンスの積分値を算出した結果を次表に示す。参考までに、模型橋脚に対して衝撃振動試験を行った結果も次表に示す。

上表に示すように、この積分値に基づいて橋脚１の健全度を評価することができる。そして、積分値の傾向は衝撃振動試験の結果とも一致している。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態及び実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

一例として、上述の実施例において、評価装置１０を動作させるプログラムは記憶部２１に格納されて提供されていたが、不図示の光学ディスクドライブ等を用いて、プログラムが格納されたＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＵＳＢ外部記憶装置、メモリーカード等を接続し、このＤＶＤ等からプログラムを評価装置１０に読み込んで動作させてもよい。また、インターネット上のサーバ装置内にプログラムを格納しておき、評価装置１０に通信部を設けてこのプログラムを評価装置１０に読み込んで動作させてもよい。さらに、上述の実施例において、評価装置１０は複数のハードウェア要素により構成されていたが、これらハードウェア要素の一部の動作を制御部２０がプログラムの動作により実現することも可能である。

１ 橋脚（構造物）
２ 河川
３ 地盤
１０ 構造物健全度評価装置
１１ａ、１１ｂ センサ
１２ 本体部
２０ 制御部
３０ フーリエスペクトル算出部
３１ クロススペクトル算出部
３２ パワースペクトル算出部
３３ コヒーレンス算出部
３４ 健全度評価部

Claims (4)

1. 構造物の上端部に設けられてこの構造物の振動を検出する一対のセンサと、これらセンサからの検出信号を受け入れる制御部とを備え、地盤に設置された前記構造物の健全度を評価する構造物健全度評価装置であって、前記制御部は、
   前記一対のセンサにより検出された前記構造物の振動のフーリエスペクトルをそれぞれ算出するフーリエスペクトル算出部と、前記フーリエスペクトル算出部により算出された前記構造物の振動のフーリエスペクトルからクロススペクトルを算出するクロススペクトル算出部と、前記フーリエスペクトル算出部により算出された前記構造物の振動のフーリエスペクトルからパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出部と、前記クロススペクトル算出部により算出されたクロススペクトルと前記パワースペクトル算出部により算出されたパワースペクトルからコヒーレンスを算出するコヒーレンス算出部と
   を有することを特徴とする構造物健全度評価装置。
2. 前記コヒーレンス算出部により算出されたコヒーレンスと周波数との関係からコヒーレンスの積分値を算出することによって前記構造物の健全度を評価する健全度評価部を有することを特徴とする請求項１に記載の構造物健全度評価装置。
3. 前記構造物は前記地盤に設置された橋脚であり、
   前記一対のセンサは前記橋脚の橋軸方向と直交する橋軸直角方向に距離を置いて設けられている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の構造物健全度評価装置。
4. 構造物の上端部に設けられてこの構造物の振動を検出する一対のセンサと、これらセンサからの検出信号を受け入れる制御部とを備えた構造物健全度評価装置により、地盤に設置された前記構造物の健全度を評価する構造物健全度評価方法であって、
   前記一対のセンサにより検出された前記構造物の振動のフーリエスペクトルをそれぞれ算出し、算出した前記構造物の振動のフーリエスペクトルからクロススペクトル及びパワースペクトルを算出し、算出したクロススペクトルとパワースペクトルからコヒーレンスを算出する
   ことを特徴とする構造物健全度評価方法。