JP5087425B2 - 構造物の健全度診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、背後に地盤を有する構造物に振動を加え、構造物の健全度を診断する方法に関する。

従来、鉄道橋において、構造物を重錘により水平方向に打撃し、その衝撃による振動応答を収録、解析することにより構造物の固有振動数を測定し、鉄道橋の健全度を診断する方法が提案されている（非特許文献１参照）。

西村昭彦、棚村史郎、「既設橋梁橋脚の健全度判定法に関する研究」、鉄道総研報告、鉄道総合技術研究所、１９８９年８月、第３巻、第８号、ｐ４１-４９

しかしながら、重錘は重く、作業上、重錘の設置に問題があった。また、図９に示すように、従来の方法を、背面に盛土がある擁壁や橋台などの背後に地盤を有する構造物およびコンクリート法面に適用した際には、重錘２７による打撃が、擁壁３の背面方向（図中矢印方向）のみであり、背面の地盤が衝撃を吸収してしまうため、有意義な振動を検出することができず、健全度を把握することが困難であるという問題があった。

本発明は、前述した問題を鑑みてなされたもので、その目的は、橋台や擁壁等の背後に地盤を有する構造物の健全度を評価可能な健全度診断方法を提供することである。

前述した目的を達成するために、第１の発明は、背後に地盤を有する構造物の天端に設置された起振機を用いて、前記構造物を背面方向と前面方向の両方に加振し、振動させる工程（ａ）と、前記構造物に発生する振動データを計測する工程（ｂ）と、前記振動データから前記構造物の固有振動数実測値を算定する工程（ｃ）と、前記固有振動数実測値を基にして、前記構造物の健全度を評価する工程（ｄ）と、を具備することを特徴とする構造物の健全度診断方法である。

また、前記起振機が、永久磁石と可動コイルを有することが望ましい。

一方、前記工程（ｃ）と前記工程（ｄ）の間に、前記構造物の設計情報によるモデルから前記構造物の固有振動数解析値を算定する工程（ｅ）を更に具備し、前記工程（ｄ）は、前記固有振動数実測値と前記固有振動数解析値を比較し、前記固有振動数実測値が、前記固有振動数解析値よりも小さい場合に、前記構造物の健全度が悪化していると判断することを特徴とする請求項１記載の構造物の健全度診断方法。

本発明の構造物の健全度診断方法により、背後に地盤を有する構造物の健全度を診断することが可能になり、構造物の補修・補強実施の目安を得ることが可能になる。

以下、図面に基づいて本発明の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る健全度診断システム１を示す図である。地盤５を押さえる擁壁３の天端に、起振機７を設ける。起振機７は、制御装置９により制御され、擁壁３を、背面方向と前面方向の両方（図中矢印方向）に加振する。また、擁壁３の天端にはセンサ１１を設け、センサ１１で受振した振動は、ケーブル１３を介して、データ収集処理装置１５により収集・処理される。

起振機７は、重錘２７に比べて、持ち運びと設置が容易である。また、起振機７は、擁壁３の背面方向と前面方向の両方に加振するため、重錘２７による擁壁３の背面方向のみへの打撃に比べて、擁壁３の固有振動数の特定が容易である。

なお、センサ１１は、複数設置しても良く、擁壁３の法面に、単数又は複数設置しても良い。

これらのセンサ１１の計測データを解析するために、データ収集処理装置１５を設置する。センサ１１は例えばケーブル１３を介してデータ収集処理装置１５に接続されている。また、センサ１１に無線送信機能、データ収集処理装置１５に無線受信機能を設けることにより、ケーブル１３により接続することなく、無線通信により計測データの送受信を行ってもよい。

次に、起振機７および制御装置９のハードウエア構成を説明する。
起振機７は、擁壁３を水平方向へ加振を行うことのできる起振機であれば、通常用いられる起振機、加振器を用いることができる。例えば、永久磁石と可動コイルとの組み合わせによるものを用いることができる。起振機７は、構造物を振動させる性能を確保でき、小型で軽量であることが好ましい。

また、制御装置９は、パーソナルコンピュータなどのコンピュータシステムで構成できる。制御装置９は、起振機７と通信可能であり、起振機７の振動の加振力、変位、速度、加速度、周波数などを制御する。

次に、図２に沿って、センサ１１およびデータ収集処理装置１５のハードウエア構成を説明する。
センサ１１は、速度計３１、アンプ３３、Ａ／Ｄ変換機３５および通信インタフェース３７からなる。速度計３１は、起振機７による擁壁３の振動を速度信号として計測する。計測された速度信号はアンプ３３により増幅され、Ａ／Ｄ変換機３５により量子化される。デジタルデータに変換された振動データは、通信インタフェース３７、ケーブル１３を介してデータ収集処理装置１５に送られる。

一方、データ収集処理装置１５は、パーソナルコンピュータ等のコンピュータシステムで構成できる。一例として、制御部３９、記憶部４１、通信制御部４３、印刷部４５、入力部４７、表示部４９、メディア入出力部５１等よりなり、それらがシステム・バス５３に接続された構成である。

制御部３９は、中央制御装置（ＣＰＵ）、ＲＡＭ（ｒａｎｄａｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）等よりなり、ＲＯＭあるいは記憶部４１に記憶されているプログラムを実行する。記憶部４１は、ハードディスク装置等であり、プログラムやデータ等が記憶される。通信制御部４３は、外部との通信インタフェースであり、ＲＳ−２３２Ｃ入出力や、無線通信、モデム等の通信インタフェースよりなる。また、印刷部４５はプリンタを備える。
さらに、入力部４７はキーボードやマウス等の入力装置を備え、表示部４９はディスプレイ装置を備え、メディア入出力部５１は、ＣＤ−ＲＯＭ、メモリーカード等の入出力装置を備える。

本実施の形態の擁壁３の健全度診断システム１におけるデータ収録およびデータ解析、健全度診断に使用するプログラムは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ等のメディアにより供給され、データ収集処理装置１５のメディア入出力部５１より入力され、記憶部４１に格納されて、制御部３９により実行される。
また、センサ１１で測定された振動データは、センサ１１の通信インタフェース３７、ケーブル１３を介してデータ収集処理装置１５に送信され、通信制御部４３を介して記憶部４１に格納され、後述するデータ解析用のプログラムにより解析される。

このとき、センサ１１の通信インタフェース３７を無線通信インタフェースとし、データ収集処理装置１５の通信制御部４３の無線通信制御を使用することにより、ケーブル１３を使用せずに、無線通信により振動データを送受信することも可能である。

図３は、データ収集処理装置１５のソフトウエア構成を示す図である。
センサ１１により計測された振動データをケーブル１３または無線により受信し、記憶部４１に格納するデータ収集手段５５と、データ収集手段５５により記憶部４１に格納された振動データに関して固有振動数の実測値を算定する固有振動数実測値算定手段５６、固有振動数実測値算定手段５６により求めた固有振動数実測値を記憶部４１に格納する固有振動数実測値格納手段５７、固有振動数実測値から健全度を評価する健全度評価手段５９、擁壁３等の構造物をモデル化し、そのモデルから構造物の固有振動数の解析値を算定するモデルによる固有振動数解析値算定手段５８からなる。

これらの手段は、プログラムであり、データ収集処理装置１５の記憶部４１に記憶され、制御部３９により実行される。モデルによる固有振動数解析値算定手段５８は、起振機７の擁壁３等の構造物への振動試験とは別に、構造物の設計図を元にしたモデルをデータとして実行しておくことが可能である。

健全度評価手段５９は、固有振動数実測値算定手段５６で求めた固有振動数実測値と、固有振動数実測値格納手段５７により以前に記憶部４１に格納された以前の固有振動数実測値とを比較することにより健全度を評価する方法と、擁壁３等の構造物をモデル化したモデルによる固有振動数解析値算定手段５８により求めた固有振動数解析値と固有振動数実測値とを比較することにより健全度を評価する方法がある。
以上の方法の処理の流れの詳細については後述する。

図４は、衝撃振動試験による健全度診断処理の流れを示すフローチャートである。同図に示す処理では、今回の固有振動数実測値を求める方法について説明する。
まず、大まかな処理の流れを説明する。
衝撃振動試験に先立ち、起振機７の設置と制御装置９のセットアップと、センサ１１の設置およびデータ収集処理装置１５のセットアップを行う。その後、起振機７が発振し、センサ１１で計測された振動データが、データ収集処理装置１５のデータ収集手段５５により受信され、記憶部４１に格納される。測定はＮ回（例えば１０回）行い、各回の振動データが記憶部４１に格納される（ステップ１０１〜１０７）。
なお、起振機７は、構造物の固有振動数に左右されずに振動を生じることが好ましい。

次に、固有振動数実測値算定手段５６により、記憶部４１に格納された振動データを基に、固有振動数実測値を算定する（ステップ１０８〜１１１）。求めた固有振動数実測値は、固有振動数実測値格納手段５７により記憶部４１に格納される（ステップ１１２）。
次に、後述する処理Ａまたは処理Ｂを行う（ステップ１１３）。

次に、各ステップの処理を説明する。
まず、データ収集手段５５では、振動データの測定回数ｎを１とする（ステップ１０１）。そして、起振機７により構造物へ加振する（ステップ１０２）。起振機７により構造物に生じた水平方向の振動は、センサ１１の速度計３１により測定され、アンプ３３で増幅され、Ａ／Ｄ変換器３５によりデジタルデータに変換されて通信インタフェース３７、ケーブル１３を介してデータ収集処理装置１５に送られる（ステップ１０３）。データ収集手段５５は、通信制御部４３を介して受信した振動データを記憶部４１に格納する（ステップ１０４）。

以上の処理により起振機７の１回分の加振による構造物の振動データが記憶部４１に格納される。一般的に、ノイズ等を排除するため、加振と振動データの収集は複数回（Ｎ回）、例えばＮ＝１０実施される。よって、ステップ１０２〜１０６の処理がＮ回繰り返される。これによりＮ回分の振動データが記憶部４１に格納される。

次に、Ｎ回分の振動データの重ね合わせ処理を実行する（ステップ１０７）。時系列として得られているＮ回分の振動データを重ね合わせることにより、１回の加振においてのみ生じたようなノイズ成分を抑制する効果がある。重ね合わせ処理後の振動データを表示部４９に表示するとともに、記憶部４１に格納する（ステップ１０８）。

次に、固有振動数実測値算定手段５６により、重ね合わせ処理後の振動データの固有振動数を求める。
すなわち、記憶部４１に格納されている重ね合わせ処理後の振動データを読み出し、入力データと比較し、応答倍率を求める（ステップ１０９）。求めた応答倍率は、表示部４９に表示される（ステップ１１０）。

図５は、振動データについての共振曲線の一例である。この共振曲線から固有振動数実測値を算定する（ステップ１１１）。固有振動数実測値１７は、応答倍率がピーク１９を示す周波数として求めることが可能であり、また、振動データから位相を求め、位相の変化点を示す周波数を合わせて考慮することにより求めることが可能である。算定された固有振動数実測値は、固有振動数実測値格納手段５７により記憶部４１に格納される。

以上の処理により、起振機７の振動による構造物の固有振動数実測値が求められた。次に、健全度評価手段５９による健全度の評価を行う。
図６は、以前の測定の固有振動数実測値格納手段５７により格納されている以前の固有振動数実測値と、今回の固有振動数実測値を比較する健全度診断処理（処理Ａ）のフローチャートである。

まず、記憶部４１から、今回の固有振動数実測値を読み出す（ステップ２０１）。次に、以前の衝撃振動試験により求めた固有振動数実測値を呼び出す（ステップ２０２）。次に、今回求めた固有振動数実測値と以前に求めた固有振動数実測値の大きさを比較する（ステップ２０３）。今回の固有振動数実測値が以前の固有振動数実測値よりも大きいか、あるいは同程度である場合（ステップ２０３のｙｅｓ）、健全度は悪化していないと判断する。一方、今回求めた固有振動数実測値が以前の固有振動数実測値よりも小さい場合（ステップ２０３のｎｏ）、健全度が悪化していると判断する。

以上に説明した構造物の健全度を診断する方法は、固有振動数実測値を以前に測定した固有振動数実測値と比較して、健全度の変化の状態を評価することより、健全度を診断する方法である。

次に、構造物のモデルをもとに固有振動数を解析し、この固有振動数解析値と固有振動数実測値を比較することにより、構造物の健全度を診断する方法を説明する。
すなわち、図３において、モデルによる固有振動数解析値算定手段５８により構造物の固有振動数解析値を求め、これと、固有振動数実測値算定手段５６で求めた固有振動数実測値を基に、健全度評価手段５９が健全度を評価する方法である。

図７は、モデルの固有振動数による健全度診断処理（処理Ｂ）のフローチャートである。
まず、モデルによる固有振動数解析値算定手段５８により構造物の固有振動数解析値を求める（ステップ３０１〜３０３）。
その後、健全度評価手段５９により、固有振動数実測値と固有振動数解析値を比較することにより構造物の健全度を評価する（ステップ３０４〜３０７）。

まず、擁壁３の設計図面から擁壁３のモデルを作成する（ステップ３０１）。
図８は、擁壁３のモデル化の概念図である。
図８（ａ）に示すように、擁壁３は、地盤５より下部にある基礎部１７とその上に構築された擁壁３よりなる。

このような擁壁３は、図８（ｂ）に示すように、複数の質点とそれをつなぐ弾塑性梁要素、基礎部分の地盤ばね等からなる多質点系の解析モデルにモデル化することができる。すなわち、各擁壁の設計図から、擁壁３にかかる各部分の荷重配分を各質点に置き、それをつなぐ弾塑性梁要素は、擁壁３の曲げ剛性ＥＩ（Ｅはコンクリート等のヤング率、Ｉは断面２次モーメントＩ）とし、地盤ばねは地盤調査のＮ値より求め、基礎部１７の種類（杭基礎、ケーソン基礎、直接基礎等）により予め決めた係数をかけたものを用いる。

以上のように、擁壁３の各部分の死荷重を質点に設定したモデルを用いて固有値解析を行うことにより、擁壁３の固有振動数解析値を算出する（ステップ３０２）。この固有値解析は、記憶部４１および制御部３９に格納されている既存の固有値解析プログラムを実行することにより行う。

次に、ステップ３０２により求まった構造物の固有振動数解析値と、図４のステップ１０１〜１１１で求めた同じ構造物の固有振動数の実測値を比較し、健全度を評価する処理を行う。

まず、記憶部４１より固有振動数実測値を読み出し（ステップ３０４）、この値を固有振動数解析値と比較する（ステップ３０５）。固有振動数実測値が固有振動数解析値よりも大きい場合（ステップ３０５のｙｅｓ）は、構造物の健全度は十分であると判定する（ステップ３０６）。一方、固有振動数実測値が固有振動数解析値よりも小さい場合（ステップ３０５のｎｏ）は、構造物の健全度が十分ではないと判定する（ステップ３０７）。

以上に説明した構造物の健全度診断方法により、擁壁３等の構造物の健全度を判定可能になる。

尚、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の改変が可能であり、それらも、本発明の技術範囲に含まれる。例えば、本実施の形態の構造物の健全度診断方法では、擁壁３を構造物の例として説明したが、健全度を診断する対象は擁壁に限ることなく、その他の構造物も含まれる。例えば、橋台であってもよい。

本発明の実施の形態にかかる健全度診断システム１の構成図。 健全度診断システム１のセンサ１１およびデータ収集処理装置１５のハードウエア構成図。 データ収集処理装置１５の概念構成図。 健全度診断処理の流れを示すフローチャート。 振動データのフーリエスペクトルを説明する図。 以前の固有振動数実測値による健全度診断処理の流れを示すフローチャート。 モデルの固有振動数による健全度診断処理の流れを示すフローチャート。 擁壁３のモデル化の概念を説明する図。 重錘による従来の衝撃振動試験を説明する図。

符号の説明

１………構造物診断システム
３………擁壁
５………地盤
７………起振機
９………制御装置
１１………センサ
１３………ケーブル（又は無線）
１５………データ収集処理装置
１７………固有振動数
１９………ピーク
２１………基礎部
２３………質点
２５………地盤ばね
２７………重錘

Claims (3)

1. 背後に地盤を有する構造物の天端に設置された起振機を用いて、前記構造物を背面方向と前面方向の両方に加振し、振動させる工程（ａ）と、
   前記構造物に発生する振動データを計測する工程（ｂ）と、
   前記振動データから前記構造物の固有振動数実測値を算定する工程（ｃ）と、
   前記固有振動数実測値を基にして、前記構造物の健全度を評価する工程（ｄ）と、
   を具備することを特徴とする構造物の健全度診断方法。
2. 前記起振機が、永久磁石と可動コイルを有することを特徴とする請求項１記載の構造物の健全度診断方法。
3. 前記工程（ｃ）と前記工程（ｄ）の間に、前記構造物の設計情報によるモデルから前記構造物の固有振動数解析値を算定する工程（ｅ）を更に具備し、
   前記工程（ｄ）は、前記固有振動数実測値と前記固有振動数解析値を比較し、前記固有振動数実測値が、前記固有振動数解析値よりも小さい場合に、前記構造物の健全度が悪化していると判断することを特徴とする請求項１記載の構造物の健全度診断方法。

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