JP5459970B2 - 構造物のモニタリングシステム - Google Patents

Description

本発明は、鉄道橋や道路橋などの橋梁下部構造物等の健全度を定量評価し、健全度の変化を評価可能な構造物のモニタリングシステムに関する。

従来、鉄道橋等の下部構造物の出水後や地震後の健全度やその変化を知るためには、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（特許文献１、非特許文献１参照）。

特開２００７−０５１８７３号公報 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、重錘を用いて構造物へ振動を与えるためには、各構造物ごとに重錘打撃装置を運搬、設置し、各構造物ごとに健全度の評価を行う必要があるため、橋脚等のように多くの構造物の評価を行うためには多くの工数を要するという問題がある。また、重錘による打撃試験の振動データを取得するためには、複数のセンサを各構造物ごとに設置する必要があり、センサの取り付け工数を要するという問題がある。特に、センサは通常耐候性が低く、落雷等の影響を受けるため、常設することが困難であるという問題がある。従って、従来の方法では、打撃装置およびセンサを構造物ごとに、測定時ごとに設置してデータを収集する必要があった。このため、設置、測定作業が危険であり、測定に時間を要するという問題がある。

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、橋脚等の構造物に、予め起振装置およびセンサを設置し、遠隔でデータ収集および構造物の健全度評価が可能な、構造物のモニタリングシステム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、構造物に設置された起振機と、前記起振機の振動を制御する制御手段と、前記構造物の振動データを取得するセンサと、前記センサに接続され、前記振動データを処理する処理手段と、処理後の前記振動データを解析する解析手段と、を具備し、前記起振機と前記センサを遠隔操作し、前記構造物は橋梁であり、前記起振機および前記センサは、橋脚の上端に設置され、前記起振機は、加振振動数を変化させながら水平方向に加振を行うものであり、前記センサは、光ファイバグレーティングセンサであり、前記センサは、フレームと、前記フレーム内を貫通し、前記フレーム内の所定位置にブラッグ格子が設けられた光ファイバと、前記フレーム内に設けられた平板と、おもりとを有し、前記平板は前記フレームに接合され、前記平板の端部に前記おもりが設けられ、前記平板のひずみの変化が、前記平板に対して設けられた前記光ファイバに伝達されることで、前記平板に生じるひずみが測定され、前記解析手段は記憶手段を有し、前記解析手段は、前記振動データにより、入力振動に対する応答振動の増幅度合いおよび入力振動の正弦波に対する応答振動の位相変化を求めることで固有振動数を算出し、前記記憶手段に記憶されている基準固有振動数と比較することを特徴とする構造物のモニタリングシステムである。

前記基準固有振動数は、前記モニタリングシステムによって以前に取得された、前記構造物の固有振動数であってもよく、または、前記基準固有振動数は、前記構造物をモデル化し、数値解析によって求められた固有振動数であってもよい。

本発明によれば、構造物に起振機が設置されるので、構造物への振動の付与に重錘を使用する必要がなく、起振機が耐候性に優れるため、構造物へ常設することができ、起振機を制御装置で遠隔操作できるため、容易に構造物の振動試験を実施することができる。

また、センサとして光ファイバグレーティングセンサを用いれば、センサが耐候性に優れるため、計測対象構造物へセンサを常設することができ、更に、光ファイバグレーティングセンサは一つの光ファイバによって多点計測が可能であるため、また、光ファイバが情報伝達を兼ねるため、一本の光ファイバに多数のセンサ部を設けることができ、このため、多数の構造物が立ち並ぶ橋脚等の振動試験を効率よく実施することができる。

更に、得られたデータを基に、構造物ごとの固有振動数を算出し、以前に測定した同一構造物の固有振動数または予め解析によって求められた固有振動数と比較すれば、容易に構造物の健全度評価できるとともに、構造物の状態の定量化を行うことができる。

本発明の構造物のモニタリングシステムにより、橋脚等の構造物に、予め起振装置およびセンサを設置し、遠隔でデータ収集および構造物の健全度評価が可能な、構造物のモニタリングシステムを提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１及び図２は、本発明の実施の形態に係るモニタリングシステム１を示す図である。モニタリングシステム１は、主に、起振機５、センサ７、制御装置１３、処理装置１５、解析装置１７等から構成される。

橋梁４の下部構造物である橋脚３ａ、３ｂの上端には、起振機５ａ、５ｂがそれぞれ設けられる。起振機５ａ、５ｂは、それぞれ制御装置１３と接続されている。起振機５ａ、５ｂは、水平方向（線路方向に対し直角方向）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、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。なお起振機５ａ、５ｂは、１Ｈｚから１００Ｈｚまでの加振能力を有することが望ましい。

なお、起振機５ａ、５ｂの設置台数は、２つに限られず、対象とする構造物の数に応じて設置される。また、制御装置１３と起振機５ａ、５ｂとの接続は、必ずしもケーブル等によらなくても良く、例えば、無線等により制御装置１３によって起振機５ａ、５ｂを駆動させることができればよい。

橋脚３ａ、３ｂの上端には、起振機５ａ、５ｂに対応したセンサ７ａ、７ｂが設けられる。センサ７ａ、７ｂは耐候性を有する必要があり、望ましくは、光ファイバグレーティングセンサ（以下「ＦＢＧセンサ」と称する）である。ＦＢＧセンサとは、シングルモードの通信用光ファイバに光を照射し、ブラッグ格子によって周期的に屈折率を変化させた光ファイバを用いたセンサであり、この原理を利用して、加速度センサとして利用することができる。

ＦＢＧセンサは、光ファイバ９で接続されており、一本の光ファイバ９で多点計測によるデータを通信することができる。光ファイバ９は、処理装置１５に接続され、さらに処理装置１５は解析装置１７と接続される。処理装置１５は、センサ７から送られるデータを増幅等の処理を行う。解析装置１７は、処理装置１５から送られるデータを解析するとともに、橋脚３ａ、３ｂの健全度の評価を行う。

次に、各構成要素を詳細に説明する。図３はセンサ７の構造を示す概略図である。光ファイバ９はフレーム１８内を貫通する。フレーム１８内の光ファイバ９の所定位置にブラッグ格子２３が設けられる。フレーム１８には平板２１が接合され、平板２１の端部にはおもり１９が設けられる。光ファイバ９は平板２１に固定される。センサ７が力（加速度）を受けると、平板２１をばねとして、おもり１９が変位し、平板２１にひずみを与える。平板２１のひずみの変化はブラッグ格子２３に直接伝達される。ブラッグ格子２３におけるひずみと光の反射波長は比例するため、反射光の波長を計測することで、力（加速度）により平板２１に生じるひずみを測定することができる。

図４は、制御装置１３を実現するコンピュータのハードウェア構成図である。制御装置１３は、制御部３１、記憶部３３、メディア入出力部３５、通信制御部３７、入力部３９、表示部４１、周辺機器Ｉ／Ｆ部４３等が、バス４５を介して接続される。

制御部３１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成される。ＣＰＵは、記憶部３３、ＲＯＭ、記録媒体等に格納されるプログラムをＲＡＭ上のワークメモリ領域に呼び出して実行し、バス４５を介して接続された各装置を駆動制御し、起振機５の振動の加振力、変位、速度、加速度、周波数などを制御する。

ＲＯＭは、不揮発性メモリであり、コンピュータのブートプログラムやＢＩＯＳ等のプログラム、データ等を恒久的に保持している。ＲＡＭは、揮発性メモリであり、記憶部３３、ＲＯＭ、記録媒体等からロードしたプログラム、データ等を一時的に保持するとともに、制御部３１が各種処理を行う為に使用するワークエリアを備える。

記憶部３３は、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）であり、制御部３１が実行するプログラム、プログラム実行に必要なデータ、ＯＳ（オペレーティングシステム）等が格納される。プログラムに関しては、ＯＳ（オペレーティングシステム）に相当する制御プログラムや、後述の処理に相当するアプリケーションプログラムが格納されている。これらの各プログラムコードは、制御部３１により必要に応じて読み出されてＲＡＭに移され、ＣＰＵに読み出されて各種の手段として実行される。

メディア入出力部３５（ドライブ装置）は、データの入出力を行い、例えば、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ、ＣＤドライブ（−ＲＯＭ、−Ｒ、ＲＷ等）、ＤＶＤドライブ（−ＲＯＭ、−Ｒ、−ＲＷ等）、ＭＯドライブ等のメディア入出力装置を有する。

通信制御部３７は、通信制御装置、通信ポート等を有し、コンピュータとネットワーク間等の通信を媒介する通信インタフェースであり、起振機５との通信制御等を行う。

入力部３９は、データの入力を行い、例えば、キーボード、マウス等のポインティングデバイス、テンキー等の入力装置を有する。入力部３９を介して、コンピュータに対して、操作指示、動作指示、データ入力等を行うことができる。

表示部４１は、ＣＲＴモニタ、液晶パネル等のディスプレイ装置、ディスプレイ装置と連携してコンピュータのビデオ機能を実現するための論理回路等（ビデオアダプタ等）を有する。

周辺機器Ｉ／Ｆ（インタフェース）部４３は、コンピュータに周辺機器を接続させるためのポートであり、周辺機器Ｉ／Ｆ部４３を介してコンピュータは周辺機器とのデータの送受信を行う。周辺機器Ｉ／Ｆ部４３は、ＵＳＢやＩＥＥＥ１３９４やＲＳ−２３２Ｃ等で構成されており、通常複数の周辺機器Ｉ／Ｆを有する。周辺機器との接続形態は有線、無線を問わない。

バス４５は、各装置間の制御信号、データ信号等の授受を媒介する経路である。

次に、処理装置１５のハードウエア構成を説明する。図５は、処理装置１５の構成図である。処理装置１５は、アンプ５１、Ａ／Ｄ変換機５３および通信インタフェース５５からなる。センサ７より送られる測定信号は、アンプ５１により増幅され、Ａ／Ｄ変換機５３によりデジタル化される。デジタルデータに変換された測定データは、通信インタフェース５５を介してデータ解析装置１７に送られる。

次に、解析装置１７のハードウエア構成を説明する。図６は、解析装置１７の構成図である。解析装置１７は、制御部６１、記憶部６３、メディア入出力部６５、通信制御部６７、入力部６９、表示部７１、周辺機器Ｉ／Ｆ部７３等が、バス７５を介して接続される。なお、図４に示した制御装置１３の構成と同様の機能を有する構成については、重複した説明を省略する。

本実施の形態のモニタリングシステム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、解析装置１７のメディア入出力部６５より入力され、記憶部６３に格納されて、制御部６１により実行される。

処理装置１５で処理されたデータは、処理装置１５の通信インタフェース５５を介して解析装置１７に送信され、データ解析用のプログラムにより解析される。

次に各構成のソフトウェア構成を説明する。図７は、制御装置１３の構成を示す図である。制御装置１３は、起振条件設定手段８１、起振機駆動手段８３、起振機駆動履歴記憶手段８５を有する。

起振条件設定手段８１は、起振機５の起振条件を設定する。起振条件としては、たとえば加振力、変位、速度、加速度、周波数などであり、設定された起振条件について、起振間隔や起振時間などの起振機駆動条件等も合わせて設定される。

起振機駆動手段８３は、設定された起振条件に基づいて起振機５を起振する。すなわち、起振機５を駆動し、橋脚３へ振動を付与する。

起振機駆動履歴記憶手段８５は、起振機５により付与された起振駆動履歴を記憶する。すなわち、起振機５により発振された振動条件等の履歴が記憶される。

次に解析装置１７のソフトウェア構成を説明する。図８は、解析装置１７の構成を示す図である。解析装置１７は、データ収集手段８７、固有振動数実測値算出手段８９、基準固有振動数読み込み手段９１、基準固有振動数記憶手段９３、固有振動数比較手段９５、構造物健全度判断手段９７、固有振動数実測値記憶手段９９を有する。

データ収集手段８７は、処理装置１５によって処理された測定データを解析装置１７に読み込む。なお、複数の橋脚の振動試験を実施した場合には、各橋脚ごとにデータを分割する。

固有振動数実測値算出手段８９は、収集された測定データに基づいて、各橋脚の固有振動数を算出する。固有振動数実測値は、起振機５による入力振動に対する各橋脚の応答振動の増幅度合いより求められる。

基準固有振動数記憶手段９３は、基準固有振動数を記憶する。基準固有振動数とは、予め設定される計測対象である構造物の健全度を判断する指標である。すなわち、構造物が健全であれば、有するであろう固有振動数を記憶する。ここで、基準固有振動数としては、建設時に測定された固有振動数実測値を用いても良く、または、前回測定時に得られた固有振動数実測値を用いても良い。

基準固有振動数読み込み手段９１は、基準固有振動数を読み込む。

固有振動数比較手段９５は、固有振動数実測値算出手段８９により算出された固有振動数実測値と、基準固有振動数読み込み手段９１により読み込まれた基準固有振動数とを比較する。

構造物健全度判断手段９７は、測定対象である構造物（本実施例における橋脚３ａ、３ｂ）の健全度を判断する。健全度の判断方法は、例えば、固有振動数比較手段９５によって、固有振動数実測値が基準固有振動数よりも小さい場合に健全度が悪化したと判断する。

固有振動数実測値記憶手段９９は、固有振動数実測値および固有振動数比較結果を記憶する。

次に、本発明にかかるモニタリングシステム１の処理の流れを説明する。図９は、健全度診断処理の流れを示すフローチャートである。

まず、制御装置１３の起振条件設定手段８１によって、起振機５ａ、５ｂの起振条件が設定される（ステップ１０１）。次いで、設定された起振条件によって、起振機５ａ、５ｂが駆動される（ステップ１０２）。起振機５ａ、５ｂの駆動は、タイマ設定などによって自動的に行うこともできるし、別途信号を受けて都度、起振機５ａ、５ｂを駆動することもできる。

次に、センサ７により、橋脚３ａ、３ｂの振動データを検出する（ステップ１０３）。センサ７としては、ＦＢＧセンサを利用した加速度センサが利用でき、各周波数帯での橋脚３ａ、３ｂの加速度が計測される。計測データは、光ファイバによって処理装置１５へ直ちに送信される。

次に、処理装置１５によって測定データが処理される（ステップ１０４）。測定データの処理は、測定データを増幅するとともにデジタル変換される。処理された測定データは、解析装置１７に送信される。

次に、解析装置１５によって処理された測定データを解析装置１７によって、起振機５による入力振動に対する各橋脚の応答振幅の増幅度合いから、橋脚３ａ、３ｂの固有振動数実測値が算出される（ステップ１０５）。すなわち、起振機５により加振振動数を変化させながら橋脚３ａ、３ｂを加振し、起振機５による入力振動に対して、橋脚３ａ、３ｂの応答振幅の増幅度合いをプロットして、共振点を求める。応答振幅／入力振幅を算出し、ピーク値を共振点（固有振動数）として算出するプログラムは、記憶部６３に予め格納されている。なお、共振曲線を描く際には、入力振動の正弦波に対する応答振動の位相変化を求めることで固有振動数の特定が容易となる。算出された固有振動数実測値は、記憶部６３に記憶される。なお、固有振動数実測値の算出にあたっては、ノイズを除去するため、複数回の計測による振動データの重ね合わせによって行うこともできる。

次に、記憶部６３より予め記憶されている基準固有振動数を読み込み、算出された固有振動数実測値と比較する（ステップ１０６、１０７）。比較の結果、固有振動数実測値が基準固有振動数よりも小さい場合には橋脚３ａ、３ｂの健全度は悪化していると判断し、固有振動数実測値が基準固有振動数以上であれば、橋脚３ａ、３ｂは健全であると判断する（ステップ１０８、１０９、１１０）。

なお、必要に応じて、固有振動数実測値と基準固有振動数との比較の際に、基準固有振動数へ所定の係数を乗じて判断することもできる。例えば、固有振動数実測値が基準固有振動数の８０％以下であるかを構造物の健全度の判定基準とすることもできる。以上により、橋脚３ａ、３ｂの健全度が定量的に評価される。

なお、既設の構造物で、現状の構造物の健全度が不明な場合などには、固有振動数実測値を基準固有振動数として扱うことに問題がある。この場合には、予め構造物をモデル化し、数値解析によって得られる固有振動数の計算値を、基準固有振動数として用いることもできる。

図１０は、基準固有振動数として、数値解析結果を利用する場合の処理の流れを示すフローチャートである。まず、計測対象の構造物をモデル化し、モデル化された構造物の固有振動数を、数値解析等を用いて解析する（ステップ２０１、２０２）。モデル化には、地盤をばねとして設定するとともに構造物の剛性から構造物の変形に伴う振動モードを算出し、各振動モードにおける固有振動数を算出する。次に、得られた固有振動数から基準固有振動数を設定し、基準固有振動数を記憶部６３に記憶する（ステップ２０３、２０４）。基準固有振動数としては、数値解析によって得られた固有振動数をそのまま用いても良く、所定の係数を乗じても良い。以上により、既に健全度の悪化が疑われる構造物に対しても、同様の手順で健全度評価を行うことができる。

このように本発明にかかるモニタリングシステム１によれば、構造物の健全度の判断を容易に行うことができる。また、起振機５ａ、５ｂは耐候性に優れ、遠隔操作が容易であるため、橋脚３ａ、３ｂに常設することができ、このため、検査時の起振装置の設置工数が大幅に削減できる。

また、構造物の振動データの測定は、センサ７ａ、７ｂにより行われ、センサ７ａ、７ｂとしてＦＢＧセンサを利用すれば、一本の光ファイバによって多点計測及びデータ通信を行うことができる。このため、多点測定を行う場合に、モニタリングシステム１をシンプルな構成とすることができる。また、ＦＢＧセンサは耐候性に優れるため、雨や雷等の影響を受けず、計測対象構造物に常設することができるため、検査時のセンサ取り付け工数を省略することができるとともに、測定データを光ファイバによって遠隔で容易に得ることができる。このため、構造物の健全度評価を安全かつ簡易、低コストで実施することができる構造物のモニタリングシステムを提供することができる。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、構造物としては、橋梁４の下部構造物としての橋脚３ａ、３ｂの例を示したが、これ以外の構造物にも適用することができる。また、測定対象となる構造物も２つに限られず、より多くの構造物の測定を一括して測定することができ、複数の橋脚を有する橋梁に対して、全ての橋脚を一つのモニタリングシステムで対応することもできる。

本発明の実施の形態にかかるモニタリングシステム１の構成概略図。 モニタリングシステム１の構成図。 センサ７の構成図。 制御装置１３のハードウェア構成図。 処理装置１５のハードウェア構成図。 解析装置１７のハードウェア構成図。 制御装置１３の構成図。 解析装置１７の構成図。 モニタリングシステム１の流れを示すフローチャート。 基準固有振動数を数値解析により算出する流れを示すフローチャート。

符号の説明

１………モニタリングシステム
３ａ、３ｂ………橋脚
４………橋梁
５ａ、５ｂ………起振機
７ａ、７ｂ………センサ
９………光ファイバ
１３………制御装置
１５………処理装置
１７………解析装置
１８………フレーム
１９………おもり
２１………平板
２３………ブラッグ格子

Claims (4)

1. 構造物に設置された起振機と、
   前記起振機の振動を制御する制御手段と、
   前記構造物の振動データを取得するセンサと、
   前記センサに接続され、前記振動データを処理する処理手段と、
   処理後の前記振動データを解析する解析手段と、
   を具備し、
   前記起振機と前記センサを遠隔操作し、
   前記構造物は橋梁であり、
   前記起振機および前記センサは、橋脚の上端に設置され、
   前記起振機は、加振振動数を変化させながら水平方向に加振を行うものであり、
   前記センサは、光ファイバグレーティングセンサであり、
   前記センサは、フレームと、前記フレーム内を貫通し、前記フレーム内の所定位置にブラッグ格子が設けられた光ファイバと、前記フレーム内に設けられた平板と、おもりとを有し、前記平板は前記フレームに接合され、前記平板の端部に前記おもりが設けられ、前記平板のひずみの変化が、前記平板に対して設けられた前記光ファイバに伝達されることで、前記平板に生じるひずみが測定され、
   前記解析手段は記憶手段を有し、
   前記解析手段は、前記振動データにより、入力振動に対する応答振動の増幅度合いおよび入力振動の正弦波に対する応答振動の位相変化を求めることで固有振動数を算出し、前記記憶手段に記憶されている基準固有振動数と比較することを特徴とする構造物のモニタリングシステム。
2. 前記基準固有振動数は、前記モニタリングシステムによって以前に取得された、前記構造物の固有振動数であることを特徴とする請求項１記載の構造物のモニタリングシステム。
3. 前記基準固有振動数は、前記構造物をモデル化し、数値解析によって求められた固有振動数であることを特徴とする請求項１記載の構造物のモニタリングシステム。
4. 前記センサは複数具備され、前記複数のセンサ、前記処理手段および前記解析手段が、一本の光ファイバで接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の構造物のモニタリングシステム。

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