JP5148589B2 - 振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法 - Google Patents

Description

本発明は、橋梁構造の監視及び安全性の評価を行い、橋梁の保守管理に応用する方法に関し、特に、振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法に関する。

台湾の川の多くは勾配が急な急流であり、豪雨又は台風がもたらす大雨により橋脚及び橋台の川底が洗い流されると、橋梁の橋脚基礎が傾斜したり露出したりし、最悪の場合には橋梁が倒壊する虞もあった。

従来、橋梁の川底が洗い流される研究及び技術に対しては、単一の技術又は単一の物理方法を基礎に開発されており、特に、川底が洗い流されて橋梁基礎が露出されたときの測定及び監視には、超音波、重力、光ファイバなどを利用し、川底の洗い流された深さや水深などの環境条件を測定する技術が用いられていた。例えば、特許文献１では、錘が付けられた紐を固定管に沿って洗い流された面まで延伸し、伸ばされた紐の長さを利用して洗い流された深さを測定する技術が開示されている。特許文献２では、川底に直立させたファイバー・ブラッグ・グレーティング・センサに設けられた可撓杆体を利用する。これにより、川底が所定の高さに達すると、光ファイバに発生する撓み応力を利用し、分析器で得た対応した物理量の変化により、押し流された深さを測定する技術が開示されている。特許文献３では、水流を上又は横へガイドする水流ガイド方式を利用し、川底が洗い流されることを防ぐ装置が開示されている。当該装置により川底が洗い流されることを防ぐ効果は５０〜７０％である。特許文献４では、重力検出杆を利用して洗い流された深さを測定するとともに、漂流物がぶつかる衝撃から守るために用いる保護管を利用し、監視信号キャプチャユニットを利用することにより、重力検出杆及び保護管の摺動距離をキャプチャしてデジタル信号へ変換し、遠隔官制センタに送信する技術が開示されている。

台湾実用新案登録第４３００６２号公報 台湾実用新案登録第５１７７３４号公報 台湾特許第２７３１５４号公報 台湾特許公開番号第２００８１９５９４号公報

しかし、従来の技術には以下（１）〜（３）の欠点がある。
（１）橋梁の川底が洗い流される場所の環境条件（例えば、洗い流された箇所の深さ及び水深）が測定対象であり、この環境条件により、構造の安定レベルの間接的な条件を分析するが、このような環境条件のリアルタイム情報を把握するだけでは、橋梁構造自体の安全性を迅速かつ正確に知ることができなかった。
（２）上述の装置は、実際に使用する際、測定装置の安全性及び耐久性に問題が発生する虞があった。即ち、装置を水中や川底に設置する必要があるため、川の勾配が急な急流では石や漂木などが多く含まれ、川底が大規模に洗い流される場合、容易に損壊し、災害時に有効に測定することができなくなる虞があった。
（３）測定対象が環境条件であるため、橋梁構造の長期的な変化を把握することができず、橋梁構造に災害が複数回発生し、橋梁構造の実際の臨界状況が発生した場合、有効に対応することができなかった。

本発明の目的は、振動測定と構造モデルとを組み合わせ、橋梁構造の安全性を分析・評価する技術を用いて、振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法を提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明は、以下（ａ）〜（ｆ）を含む。
（ａ）橋梁を走行する軌道車両又は車両（道路類）を振動源として用い、橋梁構造の振動を測定し、橋梁構造の機能を評価する。
（ｂ）橋脚、橋面などの構造部材に対し、上述の振動源が進行方向、進行方向に対して垂直な方向及び重力方向に発生させる振動を三次元の振動測定装置により測定する。
（ｃ）橋梁の設計及び建造データを参考にし、橋梁の現況測定結果と、温度などの環境データとにより、橋梁構造モデルを構築し、橋梁構造の基本モード及び臨界状況モードを分析する。
（ｄ）振動測定結果の分析は、測定信号自体の振動モードの比較以外に、構造モデルの分析結果と比較し、橋梁構造の安全性及び構造の安定状況を評価する。
（ｅ）上述の測定と分析結果を利用し、橋梁構造の臨界状況（例えば、臨界洗い流し深さ、構造健全度など）と、橋梁構造の振動周波数との関係を構築する。橋梁の洗い流し状況の評価及び監視・警告に応用し、橋梁構造の長期的な監視及び安全性の評価と、軌道構造の異常状況の判定及び評価とに応用する。
（ｆ）上述の独特な発明技術は、橋梁の川底が洗い流されたときにリアルタイムで警告し、長期的に構造の検診・評価を行うことができる装置を開発する。本発明の主な概念は、マイクロコンピュータチップへ（ｅ）の内容の評価ロジック及び基準を構築し、水位計、加速度計、温度計及び傾斜計と合わせてインテリジェント型監視システムを構築することにある。このインテリジェント型監視システムは、橋梁構造の振動モードを主に測定し、橋梁の安定レベルをリアルタイムで判定し、橋梁が危険な状態にある場合に警告する。

本発明の効果は、以下（ａ）〜（ｄ）を含む。
（ａ）振動測定を行う際の振動の規模又はエネルギが不足する上、操作安定性の維持が困難であるという従来技術の問題点を走行する車両を振動源にすることにより解決することができる。
（ｂ）リアルタイムの反応について
１．振動信号が安定し、フィルタ分析作業が容易であり、タイミング分析、周波数分析などを行うことができる。
２．インテリジェント型監視システムを有するため、同時に多種類の装置の測定結果を得て構造分析と比較し、信号の判断効率を大幅に向上させることができる。
３．水位、洗い流しなどの間接的な環境監視装置と異なり、本発明の装置は直接的に構造体自身の構造安定度を監視することができる。
（ｃ）耐久性について
１．大量の水、泥砂、石又は漂流物などにより損壊されることを防ぐために、橋脚の杭キャップ上又は橋面上で、振動測定及び装置の監視を行い、設備の耐久性及び計測の正確度を大幅に向上させることができる。
２．装置の精密度が高く、品質を制御することができるため、他のシステムより保守作業を容易かつ安全に行うことができる。
（ｄ）応用範囲が広い
橋梁構造の安全性評価に測定結果を直接応用することができる。
１．橋梁の平時の環境変化及び構造の安定性監視に応用することができる。
２．台風、豪雨の状況下で使用することができるため、リアルタイムで監視及び警報を行うシステムに応用することができる。
３．災害が発生した後の構造安定度が回復したか否かの判定に応用することができる。
４．橋梁構造の修復・補強の認証に応用することができる。
５．橋梁構造の長期的な監視・評価、保守及び管理に応用することができる。

橋梁の構造を示す模式図である。 本発明の一実施形態による振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法を示す模式図である。 本発明の一実施形態の振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法による橋脚構造モデルを示す模式図である。 橋脚の長さと周波数との関係を示す模式図である。 本発明の一実施形態の振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法の一実験例の初期振動の測定結果を示す特性図である。 本発明の一実施形態の振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法の一実験例の長さが異なる橋脚と周波数との関係を示す特性図である。 本発明の一実施形態の振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法の一実験例のそれぞれの車速における周波数と振幅との関係を示す特性図である。 本発明の一実施形態の振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法の一実験例の洗い流される深さと振動の周波数との関係を示す特性図である。

以下、本発明の一実施形態について図に基づいて説明する。なお、これによって本発明が限定されるものではない。

（一実施形態）
本発明の方法を説明する前に、橋梁の各部位について説明する。図１を参照する。図１に示すように、橋梁は、車両が通過する橋面１０を含む。橋面１０下には、、土に埋まった橋脚基礎１４にそれぞれ連結する複数の橋脚１２が設けられている。図４に示すように、橋脚基礎１４は、杭キャップ１６及び杭１８を含む。橋脚基礎１４は、主に杭キャップ１６及び杭１８のそれぞれが土中に埋まった構造（１）と、杭１８だけが土中に埋まり、杭キャップ１６が土の上に出ている構造（２）とに分けられる。杭１８だけが土中に埋まり、杭キャップ１６が土の上に出ている構造（１）では、設計する際、一般に荷重及び横方向の力が考慮されていない。そのため、橋脚基礎１４の土壌が洗い流されて流失した場合、杭キャップ１６及び杭１８のそれぞれが土中に埋まっている構造が受ける荷重及び横方向の力に対する影響は、杭１８だけが土中に埋まり、杭キャップ１６が土の上に出ている構造（２）よりも大きい。

図２に示すように、本発明の一実施形態による振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法は、以下（１）〜（５）のステップを含む。
（１）ターゲットとなる橋梁の基本データを取得し、橋梁構造の分析モデルを構築する。橋梁の基本データは、橋梁の構造形式、橋脚の基礎形式、橋脚形式などを含む。橋梁の基本データを利用して橋梁を分析する際、基本構造の振動モード、力を受けている状況、損壊が発生する臨界状況を含み、橋梁構造の分析モデルを構築する。
（２）初期振動を測定し、現地で橋梁を実際に測定し、構造モデルの分析結果と比較分析する。
（３）モデルを修正し、仮の判定基準を調整し、橋梁基礎の川底が洗い流された深度と、橋脚の振動周波数との関係を構築することにより、橋梁の警戒値を推定する。
（４）インテリジェント型橋梁監視システムを設置する。
（５）橋梁を長期間監視してデータを累積してフィードバックし、安全性の判定及び推定基準を修正し、ステップ（４）及び（５）を繰り返す。

以下、上述のステップを詳述する。
（１）橋梁の基本データ及び環境パラメータを取得し、橋梁構造モデルを構築する：
橋梁の地理位置、川が属する川系、橋梁の竣工図、地質ボーリング調査結果のデータ、水文資料、分析パラメータなどを主に含む橋梁の基本データを収集する。橋梁の地理位置とは、橋梁の所在地区を基に、当該橋梁の重要性及び等級を判断する。川が属する川系とは、川底の洗い流し特性を理解するために用い、様々な特性に基づいて分析を行う。橋梁の竣工図とは、橋梁の構造形式又は橋脚の基礎形式を理解するために用いる。橋脚形式には、構造分析モデルに用いる橋脚高さ、基礎の土中部分の深さ、上部構造形式、単径間又は複数径間の違いなどが含まれる。地質土壌パラメータを取得する目的は、基礎の分析模式に用いることと、橋梁の基本構造モデルの構築とにある。水文資料からは、橋梁付近の環境変化を知り、雨量の大きさにより川の高低の変化を推定することができる。

環境パラメータには、橋梁の橋脚自体の温度変化、橋脚の水位高さ、豪雨時の川底が洗い流される深さ及び橋脚の傾斜角度などのデータが含まれる。

橋梁の竣工図及び地質ボーリング調査結果のデータを利用し、図３に示すような橋梁の初期構造モデル２０を構築する。必要なパラメータは、構造形式及びサイズの大きさなどであり、地質ボーリング調査結果のデータを利用し、下部基礎と土壌とのインターアクション・トランスファー・マトリックス（ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍａｔｒｉｘ）（土壌をシミュレーションするために用いる）を構築し、橋梁の振動ユニット及び基礎・橋脚を含む。構造モデルにより、橋梁の初期基本パラメータ（例えば、基本構造の振動モード、力を受ける状況など）を得ることができる。

さらに、橋脚の長さを変えることにより、モード分析を行い、橋梁の異なるモード形状の関数及び各種モードの振動周波数を構築する。一般に、橋梁に外力が加わり損傷すると構造剛性（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）が変化し、その構造剛性の変化が振動周波数へ明確に現れるため、橋脚の周波数に異常が発生した場合、橋梁構造の安全性に問題があると判断することができる。

（２）振動試験：
振動試験は、橋梁上で実際に行わなければならない。振動測定の目的は、振動源が橋面を通過するときに、異なる長さの橋脚に発生する振動周波数を測定することにある。即ち、橋梁を振動源が通過するときに、橋梁基礎（長い橋脚及び短い橋脚を含む）の振動周波数を測定する。

原則上、橋梁構造モデル及び振動試験は別々に行ってもよく、順序は特に限定されない。

（３）モデルの調整及び判定基準を仮定することにより、橋梁構造の安全性と橋梁橋脚の振動周波数との関係を構築する。

本実施形態の橋梁構造の安全性は、主に川底が洗い流される深さ及び構造の健全度を分析するが、他の橋梁構造の安全性指標（例えば、基礎の完全性の分析など）をこのステップの分析内容にしてもよい。

基礎の川底の洗い流し模式は、下部構造と川底が洗い流されるときの水位との関係を分析するために用いる。これに必要なパラメータとは、橋脚基礎の形式及びサイズ、土壌データ、川の水位変化などである。

基礎の川底の洗い流し模式の分析では、まず、土層データ及び杭強度のパラメータデータを入力してから、川底が洗い流される深さのシミュレーション試験を行い、杭の安定度を分析し、川底が洗い流される深さの臨界値を見つける。

構造の健全度を分析し、現場で得られた振動試験データを利用し、現在の構造が有する剛性マトリクスを評価し、構造の剛性が低下した場合、構造の健全度が低いことを表し、後に行う橋梁の修復補強の参考にする。

橋梁構造の安全性分析は、以上（１）〜（３）からなる群から選ばれる一種以上を含んでもよいし、分析に用いることができる他の方法を含んでもよい。

以下、様々な橋梁の橋脚基礎の長短柱と周波数との関係を説明する。図４に示すように、橋梁橋脚の長さと振動周波数とは大きな関係がある。即ち、通常、橋脚の長さが短くなるほど、振動周波数は高くなる。本システムは、この関係を利用し、橋梁橋脚の振動周波数の変化を利用し、川底の洗い流しの深さ、構造の健全度及び（又は）基礎の完全性と、振動周波数との関係を推定する。

橋梁の関係図が得られた場合、橋梁の警戒値を構築する。周波数が所定の警戒値まで下がった場合、剛度が低下して橋梁構造が損壊したことを表し、緊急に対応する必要がある。

同様に、洗い流される深さ、構造健全度、基礎完全性の何れか１つと振動周波数との関係、或いは、それら何れか２つと振動周波数との関係、或いは、それら３つと振動周波数との関係を構築してもよい。

（一実験例）
Ｗ橋を実際に振動測定する方法及び結果は以下の通りである。
（１）測定対象：長い橋脚（高さ：１０ｍ、ケーソンの深さ１０ｍ）及び短い橋脚（高さ：７ｍ、ケーソンの深さ１０ｍ）の２つのケーソン基礎橋脚。
（２）振動源：測定車両１台（重量３２トン）。
（３）振動発生方式：測定車両を時速３０、４５、６０ｋｍでそれぞれ橋面を通過させる。
（４）速度計の設置箇所：長い橋脚及び短い橋脚にそれぞれ２箇所設置する。各橋脚には、それぞれ４つの測定点（橋面の２箇所、杭キャップ及び杭底部）が設けられる。
（５）測定回数：異なる速度でそれぞれ２回測定する。分析するときは、微振動（ａｍｂ）、車両の進行（ｆｏｒｃｅ）、車両の通過（ｆｒｅｅ）の３つの時間点で分析を行う。

微振動測定（ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｓｔ）とは、測定車両が通過する前の期間であり、選択時間点が２５５秒〜３００秒である４５秒間の微振動環境値測定である。強迫振動（ｆｏｒｃｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）とは、測定車両が通行中の期間を指し、６５０秒〜６６２秒である１２秒間の分析時間である。自由振動（ｆｒｅｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）とは、測定車両が通過した後の期間であり、６６８〜６７３秒である５秒間の分析時間である。システムキャプチャのサンプル率（ｓａｍｐｌｅ ｒａｔｅ）は２００Ｈｚであり、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）によりスペクトルを得て、ゼロパディング（ｚｅｒｏ ｐａｄｄｉｎｇ）方式で分析した測定結果を図５に示す。

全てのデータを収集した後、ステップ２の橋梁構造のモード分析模式（異なるモードにおける振動周波数）を比較し、異なる長さを有する橋梁の振動周波数が顕著な箇所を探し出す。さらに、初期の振動量を測定する環境微振動データを利用し、橋梁の基本初期振動データとして用い（例えば、後期に様々な環境変化がある（例えば、温度、水位上昇、過積載車両））場合、周波数変化のバックグランド値を参考に修正する。

また、図６に示すように、橋脚基礎の長短柱と周波数との関係は、長短柱の長さの違いに応じて周波数が変化し、短柱は周波数が高い方へ移動する傾向にある。図７に示すように、異なる車速は振幅の大きさだけを変化させ、周波数には全く影響を与えない。

最後に、橋梁橋脚の振動周波数の変化を利用し、橋脚の川底を洗い流す変化を推測する。図８に示すように、橋梁を破壊する周波数（ｆ_failure）及び川底が洗い流される深さを予測することができる。

本発明の振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法は、橋梁の川底が洗い流されたときの状態をリアルタイムで警告したり、長期的に構造状態を検診・評価を行う装置の開発に応用したりすることもできる。本発明の主な概念は、橋梁構造の安全性状況と、振動周波数の評価ロジック及び基準をマイクロコンピュータチップに構築し、水位計、加速度計、温度計及び傾斜計を組み合わせてインテリジェント型監視システムを構成することにある。この監視システムは、主に橋梁構造の振動を測定し、橋梁の安定レベルをリアルタイムで判定し、当該橋梁が危険であると判断したときに警告する。

本発明の振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法は、以下に応用することができるがそれらだけに限定されるわけではない。
（１）平時の橋梁の環境変化及び構造安定性を監視する。
（２）台風や豪雨のときに、橋梁をリアルタイムで監視し、危険と判断したときに警告する。
（３）災害が発生した後の構造安定度が回復したか否かを判定する。
（４）橋梁構造の修復・補強の認証。
（５）橋梁構造の長期的な監視及び評価。

当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。

１０：橋面、１２：橋脚、１４：橋脚基礎、１６：杭キャップ、１８：杭。

Claims (11)

1. 橋梁の基本データを取得して橋梁構造モデルを構築し、所定の速度で前記橋梁を通過する振動源を利用する振動試験を行い、前記橋梁上の橋脚、橋面、または橋梁基礎の振動を記録するステップと、
   前記振動試験の結果を利用し、前記橋梁構造モデルを修正し、橋梁構造の安全性と前記橋脚の振動周波数との関係を構築し、前記橋梁構造を損壊可能な値である警戒値を推定するステップと、を含むことを特徴とする振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法。
2. 前記橋脚の前記基本データは、前記橋梁の構造形式、前記橋脚の基礎形式及び前記橋脚の形式を含むことを特徴とする請求項１に記載の振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法。
3. 前記橋脚および前記橋脚と接触している物の物理量を含む環境パラメータを取得するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法。
4. 前記橋脚の構造の分析モデルを構築するステップは、前記橋脚の長さを変えてモード分析を行い、前記橋梁の異なるモードの形状関数と、前記橋梁の異なるモードの前記振動周波数とを構築することを特徴とする請求項１に記載の振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法。
5. 前記橋梁構造の安全性は、洗い流しの臨界深さと前記橋脚の前記振動周波数との関係を構築する前記洗い流しの深さを含むことを特徴とする請求項１に記載の振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法。
6. 前記橋梁構造の安全性は、前記橋梁構造の健全度と前記橋脚の前記振動周波数との関係を構築する構造健全度を含むことを特徴とする請求項１に記載の振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法。
7. 前記振動試験の前記振動源は、前記橋脚を所定速度で通過する車両であることを特徴とする請求項１に記載の振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法。
8. 前記振動試験の前記振動源は、前記橋脚を所定速度で通過する軌道車両であることを特徴とする請求項１に記載の振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法。
9. 前記振動試験では、前記振動源が前記橋脚を異なる速度で通過するときの振動を記録することを特徴とする請求項１に記載の振動測定により橋梁の安全性を評価する方法。
10. 前記振動試験の前記橋梁の振動を測定する位置は、橋面、前記橋脚の頂端近くの箇所及び前記橋脚の底端近くの箇所を含むことを特徴とする請求項１に記載の振動測定により橋梁構造の安全性を評価する方法。
11. 前記振動試験の前記橋梁の振動を測定する時間は、前記振動源が前記橋梁を通過する前の時間と、前記振動源が前記橋梁を通過中の時間と、前記振動源が前記橋梁を通過した後の時間と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の振動測定により橋梁の安全性を評価する方法。

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