JP4698466B2

JP4698466B2 - 橋脚の健全性評価システムとその健全性評価プログラム

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Publication number: JP4698466B2
Application number: JP2006096300A
Authority: JP
Inventors: 昌彦佐溝; 諭渡邉; 晃淵脇; 友康杉山; 徹小林; 貴史中村
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007271402A

Description

この発明は、橋脚の健全性を評価する橋脚の健全性評価システムとその健全性評価プログラムに関する。

従来、変位計、加速度計又は速度計などのセンサを利用して橋脚の振動量を計測し、この橋脚の異常を検知するシステムが提案されている。従来の橋脚の異常検知システムは、橋脚の天端部に取り付けられてこの橋脚の振動を検出する加速度計と、この加速度計の出力信号を高速フーリエ変換処理してフーリエスペクトルを生成する高速フーリエ変換処理部と、このフーリエスペクトル波形を平滑化する平均化処理部と、平滑化後のフーリエスペクトルを重み付け関数によって重み付けする重み付け処理部と、重み付け後のフーリエスペクトルの曲線とベースラインとによって囲まれる領域の面積を正規化する面積算定正規化処理部と、正規化後の面積の減少をしきい値と比較する正規化面積減少評価部などを備えている（例えば、特許文献１参照）。このような従来の橋脚の異常検知システムでは、橋脚の微動信号に基づいて橋脚の固有振動数を高速フーリエ変換処理によって演算し、衝撃荷重試験による固有振動数と比較して、洗掘などに起因する橋脚の支持力の変化を適切に定常的に監視している。

特開2000-186984号公報

従来の橋脚の異常状態検知システムでは、加速度計によって橋脚の微動振動を常時測定し、測定データを記録装置に常時記録するとともに測定データを常時処理している。このため、従来の橋脚の異常状態検知システムでは、無駄なデータ処理が多くなって電源の消費が激しくなりコストが高くなってしまう問題点がある。また、従来の橋脚の異常状態検知システムでは、低水時には橋脚の微動レベルが低下するため橋脚の振動を測定することが困難であり、橋脚の異常状態を精度よく検知することができない問題点がある。

この発明の課題は、河川の増水時に効率的に橋脚の振動を検出して、橋脚の安定性を精度よく評価することができる橋脚の健全性評価システムとその健全性評価プログラムを提供することである。

この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、橋脚（Ｂ₂）の健全性を評価する橋脚の健全性評価システムであって、河川（Ｒ）の水位（Ｈ）が所定高さを超えたときに前記橋脚の振動を検出する振動検出部（２ａ）の出力信号を高速フーリエ変換処理して、この橋脚の卓越振動数を演算する演算部（２ｇ）と、前記演算部が演算した前記橋脚の卓越振動数に基づいてこの橋脚の固有振動数を特定する特定部（２ｋ）と、前記特定部が特定した前記橋脚の固有振動数に基づいてこの橋脚の安定性を評価する評価部（２ｎ）とを備え、前記特定部は、前記演算部が演算した前記橋脚の卓越周波数のうち、前記橋脚が健全な状態であるときにこの橋脚に衝撃荷重試験を実施して予め測定したこの橋脚の固有振動数に対応する卓越周波数をこの橋脚の固有振動数として特定することを特徴とする橋脚の健全性評価システム（１）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の橋脚の健全性評価システムにおいて、前記特定部は、前記橋脚の卓越振動数の移動平均に基づいてこの橋脚の固有振動数を特定することを特徴とする橋脚の健全性評価システムである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の橋脚の健全性評価システムにおいて、前記評価部は、前記橋脚の固有振動数の変化に基づいてこの橋脚の安定性を評価することを特徴とする橋脚の健全性評価システムである。

請求項４の発明は、橋脚（Ｂ₂）の健全性を評価するための橋脚の健全性評価プログラムであって、河川（Ｂ）の水位（Ｈ）が所定高さを超えたときに前記橋脚の振動を検出する振動検出部（２ａ）の出力信号を高速フーリエ変換処理して、この橋脚の卓越振動数を演算する演算手順（Ｓ１３０）と、前記演算手順において演算した前記橋脚の卓越振動数に基づいてこの橋脚の固有振動数を特定する特定手順（Ｓ１４０）と、前記特定手順において特定した前記橋脚の固有振動数に基づいてこの橋脚の安定性を評価する評価手順（Ｓ１５０）とをコンピュータ（２ｔ）に実行させ、前記特定手順は、前記演算手順において演算した前記橋脚の卓越周波数のうち、前記橋脚が健全な状態であるときにこの橋脚に衝撃荷重試験を実施して予め測定したこの橋脚の固有振動数に対応する卓越周波数をこの橋脚の固有振動数として特定する手順を含むことを特徴とする橋脚の健全性評価プログラムである。

請求項５の発明は、請求項４に記載の橋脚の健全性評価プログラムにおいて、前記特定手順は、前記橋脚の卓越振動数の移動平均に基づいてこの橋脚の固有振動数を特定する手順を含むことを特徴とする橋脚の健全性評価プログラムである。

請求項６の発明は、請求項４又は請求項５に記載の橋脚の健全性評価プログラムにおいて、前記評価手順は、前記橋脚の固有振動数の変化に基づいてこの橋脚の安定性を評価する手順を含むことを特徴とする橋脚の健全性評価プログラムである。

この発明によると、河川の増水時に効率的に橋脚の振動を検出して、橋脚の安定性を精度よく評価することができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の実施形態に係る橋梁の健全性評価システムの使用状態を示す側面図である。図２は、この発明の実施形態に係る橋梁の健全性評価システムの使用状態を示す正面図であり、図２（Ａ）は橋脚が安定状態であるときの正面図であり、図２（Ｂ）は橋脚が不安定状態であるときの正面図である。図３は、この発明の実施形態に係る橋梁の健全性評価システムの構成図である。

図１及び図２に示す橋梁Ｂは、健全性評価システム１によって健全性が評価される評価対象物であり、車両Ｖが走行する軌道Ｗの下部に空間を確保して、列車の荷重を支持する固定構造物である。橋梁Ｂは、水平方向に配置されて軌道Ｗを支持する橋桁Ｂ₁と、この橋桁Ｂ₁を支持する橋脚（ピア）Ｂ₂と、橋梁Ｂ全体に作用する荷重を地盤に伝達してこの橋梁Ｂを支持する橋脚基礎Ｂ₃と、橋脚Ｂ₂の上端面を構成する天端部Ｂ₄と、この天端部Ｂ₄上に橋桁Ｂ₁を支持する支承部Ｂ₅などを備えている。橋梁Ｂは、橋桁Ｂ₁が上部構造を構成し、橋脚Ｂ₂及び橋脚基礎Ｂ₃が下部構造を構成している。図１及び図２に示す橋梁Ｂは、例えば、梁構造によって荷重を受ける桁橋であり、橋桁Ｂ₁が鋼材を主要材料とする鋼桁で構成されており、橋脚Ｂ₂が石材、レンガ又はコンクリートなどの剛体で構成されている。

河川Ｒは、橋梁Ｂの下方を流れる川であり、図２（Ｂ）に示す洗掘Ｓは河川Ｒの川底を流れる水によって橋脚基礎Ｂ₃周辺の川底が深くえぐられた状態である。軌道Ｗは、車両Ｖが走行する通路（線路）であり、車両Ｖは橋梁Ｂ上を走行する電車又は気動車などの鉄道車両である。利用者Ｍは、健全性評価システム１を使用して橋梁Ｂを監視、保守又は検査する作業者である。

図３に示す健全性評価システム１は、橋脚Ｂ₂の健全性を評価するシステムである。健全性評価システム１は、図１に示す健全性評価装置２Ａ〜２Ｃと、図３に示す表示装置３などを備えている。健全性評価システム１は、図１に示す３組の健全性評価装置２Ａ〜２Ｃによって橋脚Ｂ₂の振動を検出してこの橋脚Ｂ₂の卓越振動数を演算し、橋脚Ｂ₂の固有振動数を特定して橋脚Ｂ₂の健全性を評価するとともに、図３に示す表示装置３によってこの評価結果を表示する。

図１に示す健全性評価装置２Ａ〜２Ｃは、橋脚Ｂ₂の健全性を評価する装置である。健全性評価装置２Ａ〜２Ｃは、橋脚Ｂ₂の振動及び河川Ｒの水位Ｈを自動的に計測してデータ処理する計測データ処理部を構成しており、この計測データ処理部は振動及び水位を計測するセンサ部と、このセンサ部によって計測された計測データを制御する計測データ制御部とから構成されている。健全性評価装置２Ａ〜２Ｃは、設置位置の変更が容易で持ち運びに便利なように可搬型に構成されており、３本の橋脚Ｂ₂にそれぞれ配置されて、３本の橋脚Ｂ₂の固有振動数を特定しそれぞれの橋脚Ｂ₂の健全性を評価する。健全性評価装置２Ａ〜２Ｃは、いずれも同一構造であり、以下では健全性評価装置２Ａについて説明する。健全性評価装置２Ａは、図３に示すように、振動検出部２ａと、信号処理部２ｂと、水位検出部２ｃと、信号処理部２ｄと、振動情報記憶部２ｅと、水位情報記憶部２ｆと、演算部２ｇと、卓越振動数情報記憶部２ｈと、計時部２ｉと、固有振動数情報記憶部２ｊと、特定部２ｋと、しきい値情報記憶部２ｍと、評価部２ｎと、評価情報記憶部２ｐと、電源部２ｑと、プログラム記憶部２ｒと、通信部２ｓと、制御部２ｔなどを備えている。

図２及び図３に示す振動検出部２ａは、橋脚Ｂ₂の振動を検出する手段である。振動検出部２ａは、例えば、河川Ｒの水位が所定高さを超えたときに橋脚Ｂ₂の振動の検出を開始し、河川Ｒの水位が所定高さ以下になるまで橋脚Ｂ₂の振動の検出を継続する。振動検出部２ａは、図２に示すように、車両Ｖの振動の影響を強く受け易い支承部Ｂ₅よりも上方の橋桁Ｂ₁には設置せずに、支承部Ｂ₅よりも下方の天端部Ｂ₄に設置されている。振動検出部２ａは、例えば、橋梁Ｂの長さ方向（図１及び図２に示すＸ軸方向）と直交する橋梁Ｂの幅方向（Ｙ軸方向）の橋脚Ｂ₂の振動を検出する加速度センサ、速度センサ又は変位センサなどの振動センサである。振動検出部２ａは、図２に示すように、天端部Ｂ₄のＹ軸方向に所定の間隔をあけて２台設置されている。振動検出部２ａは、橋脚Ｂ₂の振動に応じた振動検出信号（振動情報）を、内蔵するA/D変換器によってディジタル信号に変換して信号処理部２ｂに出力する。

図３に示す信号処理部２ｂは、振動検出部２ａが出力する出力信号を処理する手段である。信号処理部２ｂは、例えば、振動検出部２ａが出力する振動検出信号を増幅する増幅回路と、この振動検出信号から所定の周波数成分を抽出するフィルタ回路などを備えている。信号処理部２ｂは、処理後の振動検出信号を制御部２ｔに出力する。

図２及び図３に示す水位検出部２ｃは、河川Ｒの水位Ｈを検出する手段である。水位検出部２ｃは、図２に示すように、天端部Ｂ₄に設置されており、河川Ｒの水面に向かって信号を送信し、この水面から反射する反射信号を受信して河川Ｒの水位Ｈを検出する超音波レベル計、赤外線レベル計又はレーザレベル計などの水位計である。水位検出部２ｃは、河川Ｒの水位Ｈに応じた水位検出信号（水位情報）を信号処理部２ｄに出力する。

図３に示す信号処理部２ｄは、水位検出部２ｃが出力する出力信号を処理する手段である。信号処理部２ｄは、例えば、水位検出部２ｃが出力する水位検出信号を増幅する増幅回路と、この水位検出信号から所定の周波数成分を抽出するフィルタ回路と、この水位検出信号（アナログ信号）をディジタル信号に変換するA/D変換回路などを備えている。信号処理部２ｄは、処理後の水位検出信号を制御部２ｔに出力する。

振動情報記憶部２ｅは、振動検出部２ａの検出結果を記憶する手段であり、信号処理部２ｂが出力する振動検出信号（振動情報）を記憶するメモリである。水位情報記憶部２ｆは、水位検出部２ｃの検出結果を記憶する手段であり、信号処理部２ｄが出力する水位検出信号（水位情報）を記憶するメモリである。

演算部２ｇは、振動検出部２ａの検出結果に基づいて橋脚Ｂ₂の卓越振動数を演算する手段である。演算部２ｇは、河川Ｒの水位Ｈが所定高さを超えたときの振動検出部２ａの出力信号に基づいてこの卓越振動数を演算する。ここで、卓越振動数とは、橋脚Ｂ₂の振動波形を周波数分析したときに振幅スペクトルが極大となる周波数である。演算部２ｇは、振動検出部２ａの出力信号を高速フーリエ変換(Fast Fourier Transformation(以下、FFTという))処理して橋脚Ｂ₂の卓越振動数を演算する。演算部２ｇは、例えば、河川Ｒの水位Ｈが所定高さを超えてから所定高さ以下になるまでの間に振動検出部２ａが出力する振動データを、設定された任意のデータ長で抽出してFET処理したり、設定された任意の周期でFET処理したりする。演算部２ｇは、振動検出部２ａが出力する振動情報及び水位検出部２ｃが出力する水位情報を処理するデータ処理装置を構成する。演算部２ｇは、演算後の卓越振動数を卓越振動数情報として制御部２ｔに出力する。

卓越振動数情報記憶部２ｈは、演算部２ｇの演算結果を記憶する手段である。卓越振動数情報憶部２ｈは、演算部２ｇが出力する卓越振動数情報を記憶するメモリである。

計時部２ｉは、時刻を計測する手段である。計時部２ｉは、例えば、所定時間毎に動作開始信号を制御部２ｔに出力し、この動作開始信号を出力してから所定時間経過後に動作終了信号を制御部２ｔに出力する。また、計時部２ｉは、例えば、河川Ｒの水位Ｈが所定の高さを超えたときには、FFT処理を開始させる動作開始信号を制御部２ｔに出力し、この動作開始信号を出力してから所定時間経過後に動作終了信号を制御部２ｔに出力する。

固有振動数情報記憶部２ｊは、橋脚Ｂ₂の固有振動数を記憶する手段である。固有振動数情報記憶部２ｊは、例えば、図２（Ａ）に示すような健全な状態である橋脚Ｂ₂に重錘を衝突させて橋脚Ｂ₂を強制的に加振する衝撃荷重試験を実施したときに測定された橋脚Ｂ₂の固有振動数（共振振動数）を固有振動数情報として記憶している。また、固有振動数情報記憶部２ｊは、特定部２ｋが特定した卓越振動数情報を固有振動数情報として記憶している。固有振動数情報記憶部２ｊは、各橋梁Ｂの橋脚Ｂ₂毎に固有振動数情報を更新可能に記憶している。

特定部２ｋは、橋脚Ｂ₂の卓越振動数に基づいてこの橋脚Ｂ₂の固有振動数を特定する手段であり、河川Ｒの水位Ｈが所定高さを超えたときの橋脚Ｂ₂の卓越振動数に基づいてこの橋脚Ｂ₂の固有振動数を特定する。特定部２ｋは、振動検出部２ａの出力信号に基づいて卓越振動数の移動平均を演算し、この卓越振動数の移動平均に基づいて固有振動数を特定する。特定部２ｋは、卓越振動数情報記憶部２ｈが記憶する卓越振動数情報を移動平均処理し、固有振動数情報記憶部２ｊが記憶する衝撃荷重試験によって測定した橋脚Ｂ₂の固有振動数と対応する卓越振動数を固有振動数と特定する。特定部２ｋは、特定後の固有振動数情報を制御部２ｔに出力する。

図４は、この発明の実施形態に係る橋脚の健全性評価システムの健全性評価装置の特定部による固有振動数の特定手法を説明するためのグラフである。
図４に示す縦軸は、加速度スペクトル(10^-6gal*sec)であり、横軸は振動数(Hz)である。太線は、低水時(水深0m)の橋脚微動のフーリエスペクトルを示す波形であり、細線は増水時(水深2.7m)の橋脚微動のフーリエスペクトルを示す波形であり、いずれも実際の鉄道橋梁の橋脚微動を測定して周波数解析した波形である。図４に示すように、低水時には橋脚の固有振動数の応答が明瞭ではないが、増水時には橋脚が揺すられるために橋桁の固有振動数の応答よりも橋脚の固有振動数の応答のほうが明瞭になる。増水時の波形には、加速度スペクトルが極大となる４つの卓越振動数ｆ₁〜ｆ₄が存在するが、フーリエスペクトルからだけではこれらの卓越振動数ｆ₁〜ｆ₄のいずれが橋脚の固有振動数に対応するのか不明である。このため、橋脚に重錘を衝突させて橋脚の固有振動数を測定する衝撃荷重試験を実施して橋脚の固有振動数を予め特定しておき、増水時の橋脚の卓越振動数ｆ₁〜ｆ₄を演算したときに、演算後の卓越振動数ｆ₁〜ｆ₄のいずれが橋脚の固有振動数に対応するかを判断することができる。図４に示す波形では、橋桁の固有振動数は3.5Hzであり、橋脚の固有振動数は11.3Hzであるが、増水時の卓越振動数ｆ₁〜ｆ₄を演算することによって、４つの卓越振動数ｆ₁〜ｆ₄のうちの一つの卓越振動数ｆ₃が橋脚の固有振動数に対応することが分かる。このように、特定部２ｋは、河川Ｒの水位Ｈが所定高さを超える増水時の橋脚Ｂ₂の卓越振動数ｆ₁〜ｆ₄を、衝撃試験などによって予め特定されている橋脚Ｂ₂の固有振動数と照合して、複数の卓越振動数ｆ₁〜ｆ₄のうち卓越振動数ｆ₃が橋脚Ｂ₂の固有振動数であると特定する。

図３に示すしきい値情報記憶部２ｍは、橋脚Ｂ₂の安定性を評価するときに基準となるしきい値を記憶する手段である。しきい値情報記憶部２ｍは、一般に、図２（Ｂ）に示す洗掘Ｓが発生すると橋脚Ｂ₂の固有振動数が低下するため、橋脚Ｂ₂が安定であるか否かを判定する際に基準となる基準振動数をしきい値情報として記憶するメモリである。しきい値情報記憶部２ｍは、各橋梁Ｂの橋脚Ｂ₂毎にしきい値情報を更新可能に記憶している。

図５は、この発明の実施形態に係る橋脚の健全性評価システムの健全性評価装置の評価部の評価手法を説明するための模式図であり、図５（Ａ）は橋脚が安定であるときの橋脚の固有振動数を示す模式図であり、図５（Ｂ）は橋脚が不安定であるときの橋脚の固有振動数を示す模式図である。

図３に示す評価部２ｎは、橋脚Ｂ₂の固有振動数に基づいてこの橋脚Ｂ₂の安定性を評価する手段である。評価部２ｎは、特定部２ｋが卓越振動数から特定した橋脚Ｂ₂の固有振動数の変化に基づいて、この橋脚Ｂ₂の安定性を評価する。評価部２ｎは、特定部２ｋが特定した橋脚Ｂ₂の固有振動数が低下して、しきい値情報記憶部２ｍが記憶するしきい値を下回ったときには橋脚Ｂ₂が不安定であると評価する。例えば、評価部２ｎは、図５（Ａ）に示すように、特定部２ｋが卓越振動数から特定した橋脚Ｂ₂の固有振動数ｆがしきい値ｆ_thを超えているときには、橋脚Ｂ₂が安定であると評価する。一方、評価部２ｎは、図２（Ｂ）に示すような洗掘Ｓが発生して、図５（Ｂ）に示すように特定部２ｋが卓越振動数から特定した橋脚Ｂ₂の固有振動数ｆが低下ししきい値ｆ_thを下回るときには、橋脚Ｂ₂が安定であると評価する。評価部２ｎは、これらの評価結果を評価情報として制御部２ｔに出力する。

評価情報記憶部２ｐは、評価部２ｎの評価結果を記憶する手段である。評価情報部憶部２ｐは、評価部２ｎが出力する評価情報を記憶するメモリであり、各橋梁Ｂの橋脚Ｂ₂毎に評価情報を更新可能に記憶している。

電源部２ｑは、健全性評価装置２Ａに電力を供給する手段である。電源部２ｑは、計時部２ｉに微小な電力を常時供給しており、計時部２ｉが動作開始信号を制御部２ｔに出力すると振動検出部２ａ及び水位検出部２ｃなどに電力を供給し、計時部２ｉが動作終了信号を制御部２ｔに出力すると振動検出部２ａ及び水位検出部２ｃなどへの電力の供給を停止する。電源部２ｑは、例えば、河川Ｒの水位が所定高さを超えると振動検出部２ａなどに電力を供給し、河川Ｒの水位が所定高さ以下になると振動検出部２ａなどへの電力の供給を停止する。電源部２ｑは、健全性評価装置２Ａに着脱自在に装着され交換可能な電池である。

プログラム記憶部２ｒは、橋脚Ｂ₂の健全性を評価するための健全性評価プログラムを記憶する手段である。プログラム記憶部２ｒは、例えば、通信部２ｓから入力する健全性評価プログラムを記憶するメモリである。通信部２ｓは、表示装置３側の通信部３ａとの間で通信する手段であり、通信部３ａとの間で種々の情報を送受信する無線装置である。

制御部２ｔは、健全性評価装置２Ａの種々の動作を制御する手段（中央処理部(CPU)）である。制御部２ｔは、プログラム記憶部２ｒから健全性評価プログラムを読み出して一連の評価処理を実行する。制御部２ｔは、例えば、振動情報の記憶を振動情報記憶部２ｅに指令したり、水位情報の記憶を水位情報記憶部２ｆに指令したり、卓越振動数の演算を演算部２ｇに指令したり、卓越振動数情報の記憶を卓越振動数情報記憶部２ｈに指令したり、計時部２ｉに計測動作の開始及び終了を指令したり、固有振動数情報記憶部２ｊに固有振動数情報の記憶を指令したり、特定部２ｋに固有振動数の特定を指令したり、しきい値情報の記憶をしきい値情報記憶部２ｍに指令したり、橋脚Ｂ₂の健全性の評価を評価部２ｎに指令したり、評価情報記憶部２ｐに評価情報の記憶を指令したり、電源部２ｑに電力の供給及び停止を指令したり、通信部２ｓに通信動作を指令したりする。制御部２ｔには、振動検出部２ａ、信号処理部２ｂ、水位検出部２ｃ、信号処理部２ｄ、振動情報記憶部２ｅ、水位情報記憶部２ｆ、演算部２ｇ、卓越振動数情報記憶部２ｈ、計時部２ｉ、固有振動数情報記憶部２ｊ、特定部２ｋ、しきい値情報記憶部２ｍ、評価部２ｎ、評価情報記憶部２ｐ、電源部２ｑ、プログラム記憶部２ｒ及び通信部２ｓが相互に通信可能に接続されている。

図１〜図３に示す表示装置３は、種々の情報を表示する装置である。表示装置３は、例えば、図１及び図２に示すように、利用者Ｍが携帯可能であって現場に持ち運びが容易な可搬型のパーソナルコンピュータなどの携帯端末機である。表示装置３は、健全性評価装置２Ａ〜２Ｃの計測データ及び評価データを処理するデータ処理部を構成するとともに、これらの計測データを表示する計測データ表示部を構成する。表示装置３は、図３に示すように、通信部３ａと、表示部３ｂと、評価情報記憶部３ｃと、インタフェース部３ｄと、制御部３ｅなどを備えている。

通信部３ａは、健全性評価装置２Ａ〜２Ｃ側の通信部２ｓとの間で通信する手段であり、通信部２ｓとの間で種々の情報を送受信する無線装置である。表示部３ｂは、種々の情報を表示する手段である。

表示部３ｂは、健全性評価装置２Ａ〜２Ｃの評価結果を表示したり、健全性評価装置２Ａ〜２Ｃの測定結果を表示したりする。表示部３ｂは、例えば、橋脚Ｂ₂が不安定であると評価部２ｎが評価したときには所定の警告を画面上に表示する表示装置である。

評価情報記憶部３ｃは、健全性評価装置２Ａ〜２Ｃの評価部２ｎの評価結果を記憶する手段である。評価情報部憶部３ｃは、評価部２ｎが出力する評価情報を記憶するメモリであり、各橋梁Ｂの橋脚Ｂ₂毎に評価情報を更新可能に記憶している。

インタフェース部３ｄは、外部装置との間で種々の情報を送受信する手段である。インタフェース部３ｄは、例えば、衝撃荷重試験により測定された固有振動数情報及びしきい値情報などが外部装置から入力するとともに、卓越振動数情報及び評価情報などを外部装置に出力するインタフェース（I/O）回路である。また、インタフェース部３ｄには、情報記録媒体から読み取られた健全性評価プログラムや、電気通信回線を通じて健全性評価プログラムなどが入力する。

制御部３ｅは、表示装置３の種々の動作を制御する手段（中央処理部(CPU)）である。制御部３ｅは、例えば、通信部３ａに通信動作を指令したり、表示部３ｂに表示動作を指令したり、評価情報記憶部３ｃに評価情報の記憶を指令したり、インタフェース部３ｄに情報の入出力動作を指令したりする。制御部３ｅには、通信部３ａ、表示部３ｂ、評価情報記憶部３ｃ及びインタフェース部３ｄが相互に通信可能に接続されている。

次に、この発明の実施形態に係る橋脚の健全性評価システムの健全性評価装置の動作を説明する。
図６は、この発明の実施形態に係る橋脚の健全性評価システムの健全性評価装置の動作を説明するためのフローチャートである。以下では、図３に示す制御部２ｔの動作を中心として説明する。
図６に示すステップ（以下、Ｓという）１００において、河川Ｒの水位Ｈの検出開始を水位検出部２ｃに制御部２ｔが指令する。計時部２ｉが所定時間毎に動作開始信号を制御部２ｔに出力すると、健全性評価装置２Ａ全体への電力の供給開始を制御部２ｔが電源部２ｑに指令し、水位検出部２ｃが河川Ｒの水位Ｈの検出を開始して水位検出信号を信号処理部２ｄに出力する。

Ｓ１１０において、河川Ｒの水位Ｈが所定高さを超えたか否かを制御部２ｔが判断する。信号処理部２ｄが水位検出信号を制御部２ｔに出力すると、この水位検出信号に基づいて河川Ｒの水位Ｈが所定高さを超えたか否かを制御部２ｔが判断する。河川Ｒの増水時には橋脚Ｂ₂が流れによって揺すられるため、低水時に比べて微動レベルが増大して橋脚Ｂ₂の振動を容易に検出可能になる。このため、所定高さは、例えば、橋脚Ｂ₂が容易に振動して微動レベルの増大が期待されるときの河川水位に設定されており、各橋梁Ｂの橋脚Ｂ₂毎に設定されている。河川Ｒの水位Ｈが所定高さを超えたと制御部２ｔが判断したときにはＳ１２０に進み、河川Ｒの水位Ｈが所定高さ以下であると制御部２ｔが判断したときには一連の処理を終了する。

Ｓ１２０において、橋脚Ｂ₂の振動の検出開始を振動検出部２ａに制御部２ｔが指令する。その結果、振動検出部２ａが橋脚Ｂ₂の振動の検出を開始し、振動検出信号を信号処理部２ｂに出力する。信号処理部２ｂが振動検出信号を制御部２ｔに出力すると、制御部２ｔが振動情報記憶部２ｅに振動情報を出力し、振動情報記憶部２ｅに振動情報の記憶を指令する。

Ｓ１３０において、卓越振動数の演算を演算部２ｇに制御部２ｔが指令する。橋脚Ｂ₂の振動の検出開始を振動検出部２ａに制御部２ｔが指令するのと同時に、卓越振動数の演算開始を演算部２ｇに制御部２ｔが指令すると、制御部２ｔが出力する振動情報に基づいて演算部２ｇがFFT処理して卓越振動数を演算し、卓越振動数情報を制御部２ｔに出力する。その結果、この卓越振動数情報を制御部２ｔが卓越振動数情報記憶部２ｈに出力し、卓越振動数情報記憶部２ｈに卓越振動数情報の記憶を指令する。

Ｓ１４０において、固有振動数の特定を特定部２ｋに制御部２ｔが指令する。卓越振動数情報記憶部２ｈから卓越振動数情報を制御部２ｔが読み出してこの卓越振動数情報を特定部２ｋに出力するとともに、衝撃荷重試験によって測定された固有振動数情報を固有振動数情報記憶部２ｊから制御部２ｔが読み出してこの固有振動数情報を特定部２ｋに出力する。その結果、卓越振動数情報の移動平均を特定部２ｋが演算し、衝撃荷重試験によって測定された橋脚Ｂ₂の固有振動数に対応する卓越振動数を固有振動数と特定する。特定後の固有振動数情報を特定部２ｋが制御部２ｔに出力すると、この特定後の固有振動数情報を制御部２ｔが固有振動数情報記憶部２ｊに出力し、特定後の固有振動数情報の記憶を固有振動数情報記憶部２ｊに指令する。

Ｓ１５０において、橋脚Ｂ₂の安定性の評価を評価部２ｎに制御部２ｔが指令する。しきい値情報記憶部２ｍからしきい値情報を制御部２ｔが読み出して、このしきい値情報を制御部２ｔが評価部２ｎに出力するとともに、特定部２ｋが特定した固有振動数情報を制御部２ｔが評価部２ｎに出力する。橋脚Ｂ₂の安定性の評価を制御部２ｔが評価部２ｎに指令すると、特定部２ｋが特定した固有振動数としきい値情報記憶部２ｍが記憶するしきい値情報とを評価部２ｎが比較して、固有振動数がしきい値を下回るか否かを判定する。その結果、固有振動数がしきい値を下回ったときには橋脚Ｂ₂が不安定であると評価部２ｎが評価し、固有振動数がしきい値を超えるときには橋脚Ｂ₂が安定であると評価部２ｎが評価する。これらの評価情報を制御部２ｔに評価部２ｎが出力すると、これらの評価情報を評価情報記憶部２ｐに制御部２ｔが出力して、これらの評価情報の記憶を評価情報記憶部２ｐに指令する。

Ｓ１６０において、通信部３ａが送信するデータ送信指令を通信部２ｓが受信したか否かを制御部２ｔが判断する。図１及び図２に示すように、表示装置３によって橋脚Ｂ₂の健全性を確認するときには、図３に示す表示装置３の通信部３ａから健全性評価装置２Ａ〜２Ｃの通信部２ｓにデータ送信が指令される。通信部３ａから制御部２ｔにデータ送信が指令されたときにはＳ１７０に進み、通信部３ａから制御部２ｔにデータ送信指令がされなかったときにはＳ１８０に進む。

Ｓ１７０において、評価情報の送信を制御部２ｔが通信部２ｓに指令する。データ送信指令を通信部２ｓが受信すると制御部２ｔが評価情報記憶部２ｐから評価情報を読み出して通信部２ｓに出力し、この評価情報の送信を通信部２ｓに指令する。

Ｓ１８０において、河川Ｒの水位Ｈが所定高さ以下か否かを制御部２ｔが判断する。信号処理部２ｄが水位検出信号を制御部２ｔに出力すると、この水位検出信号に基づいて河川Ｒの水位Ｈが所定高さ以下か否かを制御部２ｔが判断する。河川Ｒの水位Ｈが所定高さ以下であると制御部２ｔが判断したときにはＳ１９０に進む。一方、河川Ｒの水位Ｈが所定高さを超えていると制御部２ｔが判断したときにはＳ１３０に戻り、河川Ｒの水位Ｈが所定高さ以下になるまでＳ１３０の卓越振動数の演算処理、Ｓ１４０の固有振動数の特定処理及びＳ１５０の評価処理などが継続される。

Ｓ１９０において、橋脚Ｂ₂の振動の検出終了を振動検出部２ａに制御部２ｔが指令する。河川Ｒの水位Ｈが所定高さ以下に戻ると、水位検出部２ｃが出力する水位検出信号に基づいて、振動検出部２ａに検出動作の終了を制御部２ｔが指令する。

次に、この発明の実施形態に係る橋脚の健全性評価システムの表示装置の動作を説明する。
図７は、この発明の実施形態に係る橋脚の健全性評価システムの表示装置の動作を説明するためのフローチャートである。以下では、図３に示す制御部３ｅの動作を中心として説明する。
図７に示すＳ２００において、データ送信を制御部３ｅが通信部３ａに指令する。図１及び図２に示すように、橋脚Ｂ₂の健全性を確認するときには、利用者Ｍが表示装置３を現場に持ち運び、この表示装置３の図示しない操作部を操作してデータ送信動作が選択される。その結果、制御部３ｅが通信部３ａにデータ送信を指令し、通信部３ａから通信部２ｓにデータ送信が指令される。

Ｓ２１０において、評価情報を通信部３ａが受信したか否かを制御部３ｅが判断する。通信部３ａが評価情報を受信すると、この評価情報が制御部３ｅに出力され、制御部３ｅが評価情報を表示部３ｂに出力するとともに、評価情報の記憶を評価情報記憶部３ｃに指令する。評価情報を通信部３ａが受信したときにはＳ２２０に進み、評価情報を通信部３ａが受信しなかったときには表示部３ｂにエラー表示を制御部３ｅが指令して一連の処理を終了する。

Ｓ２２０において、判定結果の表示を表示部３ｂに制御部３ｅが指令する。評価情報を通信部３ａが受信すると、表示部３ｂの画面上に評価結果が表示される。例えば、橋脚Ｂ₂が不安定であるときには利用者Ｍに注意を喚起するための警告が画面上に表示される。

この発明の実施形態に係る橋脚の健全性評価システムには、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、河川Ｒの水位Ｈが所定高さを超えたときの振動検出部２ａの出力信号に基づいて、橋脚Ｂ₂の卓越振動数を演算部２ｇが演算する。このため、河川Ｒの増水によって橋脚Ｂ₂の微動レベルが増大することを利用して、橋脚Ｂ₂の卓越振動数を容易に特定することができる。また、橋脚Ｂ₂の振動を低水時には検出しないため効率的にデータを処理することができ、電源の消費を抑え橋脚Ｂ₂の健全性を安価に評価することができる。

(2) この実施形態では、振動検出部２ａの出力信号をFFT処理して卓越振動数を演算部２ｇが演算する。このため、増水時の橋脚Ｂ₂の微動振動に基づいて橋脚Ｂ₂の卓越振動数を簡単に演算することができる。

(3) この実施形態では、演算部２ｇが演算した卓越振動数に基づいて橋脚Ｂ₂の固有振動数を特定部２ｋが特定する。このため、橋脚Ｂ₂の固有振動数を精度よく簡単に特定することができる。

(4) この実施形態では、橋脚Ｂ₂の卓越振動数の移動平均に基づいて橋脚Ｂ₂の固有振動数を特定部２ｋが特定する。このため、短時間の振動情報をFFT処理してこの処理結果にばらつきが発生したときに、卓越振動数情報の移動平均を演算することによってこのばらつきを抑えることができる。

(5) この実施形態では、特定部２ｋが特定した固有振動数に基づいて橋脚Ｂ₂の安定性を評価部２ｎが評価する。このため、増水時の橋脚Ｂ₂の洗掘Ｓを事前に予測して列車の安全運行を図ることができる。

(6) この実施形態では、橋脚Ｂ₂の固有振動数の変化に基づいてこの橋脚Ｂ₂の安定性を評価部２ｎが評価する。このため、例えば、特定部２ｋが特定した橋脚Ｂ₂の固有振動数の低下度に応じて、橋脚基礎Ｂ₃の周辺の地盤の深さやしまり具合などの地盤の支持条件を推定することができ、橋脚基礎Ｂ₃の安定性を評価することができる。

この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、鉄道車両が走行する橋梁Ｂを例に挙げて説明したが、自動車が走行する橋や歩行者のみが通行する橋などについてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、振動検出部２ａによって橋梁Ｂの幅方向（Ｙ軸方向）の振動を検出する場合を例に挙げて説明したが検出方向を限定するものではなく、幅方向（Ｙ軸方向）、長さ方向（Ｘ軸方向）又は高さ方向（Ｚ軸方向）の少なくとも一方の振動を状況に応じて検出可能なように振動検出部２ａを配置することもできる。

(2) この実施形態では、３組の健全性評価装置２Ａ〜２Ｃを橋脚Ｂ₂にそれぞれ設置した場合を例に挙げて説明したが設置台数を３組に制限するものではなく、橋梁Ｂ毎の橋脚Ｂ₂の本数に応じて任意の台数を設置することができる。また、この実施形態では、健全性評価装置２Ａ〜２Ｃと表示装置３とを相互に無線通信可能に構成した場合を例に挙げて説明したが、これらを有線通信可能に構成することもできる。さらに、この実施形態では、健全性評価装置２Ａ〜２Ｃと表示装置３とを別々に構成する場合を例に挙げて説明したがこれらを一体に構成することもできる。この場合には、一つの健全性評価プログラムによって健全性評価システム１を動作させることができる。

(3) この実施形態では、河川Ｒの増水が予測される時期や水位Ｈが所定高さを越えたときに橋脚Ｂ₂の振動の検出を開始しているが、河川Ｒの水位Ｈに関わらず橋脚Ｂ₂の振動の検出を開始することもできる。例えば、河川Ｒの水位Ｈが所定高さを超えたときに橋脚Ｂ₂の振動を検出する増水時振動検出モードと、河川Ｒの水位Ｈに関わらず橋脚Ｂ₂の振動を検出する常時振動検出モードとに検出モードを切替可能にすることもできる。この場合に、橋梁Ｂ上を車両Ｖが走行するときには橋脚Ｂ₂の振動の検出を中止することもできる。また、この実施形態では、固有振動数の低下度から橋脚Ｂ₂の安定性を評価しているが、基礎地盤の状態を推定しこの基礎地盤の状態に基づいて橋脚Ｂ₂の安定性を演算し評価することもできる。

(4) この実施形態では、電源部２ｑが電池である場合例に挙げて説明したが、橋梁Ｂ上を走行する車両Ｖの振動によって電力を発生する圧電素子などを電源部２ｑとして使用することもできる。また、この実施形態では、電源部２ｑが常時又は定時に電力を供給する給電方式を例に挙げて説明したが、状況に応じていずれか一方の給電方式に変更することもできる。例えば、電源部２ｑが常時給電する場合には、太陽光発電装置や燃料電池などを使用することができ、電源部２ｑが定時給電する場合にはコンデンサなどの充電装置を使用することができる。さらに、この実施形態では、橋脚Ｂ₂が不安定であるときには表示部３ｂに警告を表示しているが、橋梁Ｂの手前の信号機の信号現示を停止信号（赤信号）に切り替えて、橋梁Ｂに進入する前に車両Ｖを停止させることもできる。

この発明の実施形態に係る橋梁の健全性評価システムの使用状態を示す側面図である。この発明の実施形態に係る橋梁の健全性評価システムの使用状態を示す正面図であり、（Ａ）は橋脚が安定状態であるときの正面図であり、（Ｂ）は橋脚が不安定状態であるときの正面図である。この発明の実施形態に係る橋梁の健全性評価システムの構成図である。この発明の実施形態に係る橋脚の健全性評価システムの表示装置の特定部による固有振動数の特定手法を説明するためのグラフである。この発明の実施形態に係る橋脚の健全性評価システムの表示装置の評価部の評価手法を説明するための模式図であり、（Ａ）は橋脚が安定であるときの橋脚の固有振動数を示す模式図であり、（Ｂ）は橋脚が不安定であるときの橋脚の固有振動数を示す模式図である。この発明の実施形態に係る橋脚の健全性評価システムの健全性評価装置の動作を説明するためのフローチャートである。この発明の実施形態に係る橋脚の健全性評価システムの表示装置の動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１健全性評価システム
２Ａ〜２Ｃ健全性評価装置
２ａ振動検出部
２ｃ水位検出部
２ｅ振動情報記憶部
２ｆ水位情報記憶部
２ｇ演算部
２ｈ卓越振動数情報記憶部
２ｊ固有振動数情報記憶部
２ｋ特定部
２ｍしきい値情報記憶部
２ｎ評価部
２ｐ評価情報記憶部
２ｓ通信部
２ｔ制御部
３表示装置
３ａ通信部
３ｂ表示部
３ｃ評価情報記憶部
３ｅ制御部
Ｂ橋梁
Ｂ₂ 橋脚
Ｂ₃ 橋脚基礎
Ｒ河川
Ｓ洗掘
Ｈ水位

Claims

橋脚の健全性を評価する橋脚の健全性評価システムであって、
河川の水位が所定高さを超えたときに前記橋脚の振動を検出する振動検出部の出力信号を高速フーリエ変換処理して、この橋脚の卓越振動数を演算する演算部と、
前記演算部が演算した前記橋脚の卓越振動数に基づいてこの橋脚の固有振動数を特定する特定部と、
前記特定部が特定した前記橋脚の固有振動数に基づいてこの橋脚の安定性を評価する評価部とを備え、
前記特定部は、前記演算部が演算した前記橋脚の卓越周波数のうち、前記橋脚が健全な状態であるときにこの橋脚に衝撃荷重試験を実施して予め測定したこの橋脚の固有振動数に対応する卓越周波数をこの橋脚の固有振動数として特定すること、
を特徴とする橋脚の健全性評価システム。
請求項１に記載の橋脚の健全性評価システムにおいて、
前記特定部は、前記橋脚の卓越振動数の移動平均に基づいてこの橋脚の固有振動数を特定すること、
を特徴とする橋脚の健全性評価システム。
請求項１又は請求項２に記載の橋脚の健全性評価システムにおいて、
前記評価部は、前記橋脚の固有振動数の変化に基づいてこの橋脚の安定性を評価すること、
を特徴とする橋脚の健全性評価システム。
橋脚の健全性を評価するための橋脚の健全性評価プログラムであって、
河川の水位が所定高さを超えたときに前記橋脚の振動を検出する振動検出部の出力信号を高速フーリエ変換処理して、この橋脚の卓越振動数を演算する演算手順と、
前記演算手順において演算した前記橋脚の卓越振動数に基づいてこの橋脚の固有振動数を特定する特定手順と、
前記特定手順において特定した前記橋脚の固有振動数に基づいてこの橋脚の安定性を評価する評価手順とをコンピュータに実行させ、
前記特定手順は、前記演算手順において演算した前記橋脚の卓越周波数のうち、前記橋脚が健全な状態であるときにこの橋脚に衝撃荷重試験を実施して予め測定したこの橋脚の固有振動数に対応する卓越周波数をこの橋脚の固有振動数として特定する手順を含むこと、
を特徴とする橋脚の健全性評価プログラム。
請求項４に記載の橋脚の健全性評価プログラムにおいて、
前記特定手順は、前記橋脚の卓越振動数の移動平均に基づいてこの橋脚の固有振動数を特定する手順を含むこと、
を特徴とする橋脚の健全性評価プログラム。
請求項４又は請求項５に記載の橋脚の健全性評価プログラムにおいて、
前記評価手順は、前記橋脚の固有振動数の変化に基づいてこの橋脚の安定性を評価する手順を含むこと、
を特徴とする橋脚の健全性評価プログラム。