JP6043266B2 - 橋脚の健全性評価方法、橋脚の健全性評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート製の橋脚の健全度を判定するため橋脚の健全性評価方法および橋脚の健全性評価装置に関するものである。

コンクリート製の構造物については、目視で外観上発見することのできる欠陥や劣化以外に、内部に存在する欠陥等についても発見する必要がある。このため、構造物に振動を付与して、その健全度を判断する方法が採用されている。

このようなコンクリート構造物の診断方法としては、重錘によって構造物の表面に垂直に打撃し、この打撃により生じる振動をセンサ等で検知し、フーリエ解析による固有振動数の変化によって、構造物の健全度を評価する方法がある（特許文献１）。

特開２００７−５１８７３号公報

一方、常時列車が通過する橋脚については、列車の通過時の振動によって、橋脚の健全度を把握することができる。この場合、列車通過時の振動の大きさや周波数によって健全度を把握する。

しかし、列車通過時の振動は、必ずしも一定の条件で付与されるわけではない。したがって、通過する列車の種類や状況によって、精度のよい評価を行うことは困難である。また、従来の評価方法は、列車の走行安全性に着目したものではなかった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、精度よく橋脚の健全度を評価することが可能であり、列車走行安全性を考慮した橋脚の健全性評価方法および橋脚の健全性評価装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、第１の発明は、橋梁または高架橋の橋脚の健全性を評価する測定方法であって、橋脚上に加速度センサを配置し、前記橋梁または高架橋を車両が通過する際の、橋軸方向の加速度振幅と、前記橋軸方向と直交な橋軸直角方向の加速度振幅とを取得し、前記橋軸直角方向の加速度振幅の最大値を、前記橋軸方向の加速度振幅の最大値で除して、加速度振幅比を求め、前記加速度振幅比を用いて前記橋脚の健全性を判断することを特徴とする橋脚の健全性評価方法である。

前記加速度センサによって得られた車両の通過時の振動から、前記橋脚の固有振動数を算出し、前記加速度振幅比および前記固有振動数の両者がそれぞれ所定値以上である場合に、前記橋脚が健全であると判断してもよい。

前記加速度振幅比を所定期間継続して計測し、前記加速度振幅比の変化点によって、前記橋脚の健全性を判断してもよい。

第１の発明によれば、橋軸方向の加速度振幅と、橋軸方向と直交な橋軸直角方向の加速度振幅とから加速度振幅比を求めて、健全度を評価する。このため、通過する列車の種類や状況によるばらつきが抑えられ、ばらつきが小さい精度のよい評価を行うことができる。また、橋軸方向加速度振幅に対して、列車走行安全性に悪影響を与える橋軸直角方向加速度振幅の相対的な大きさにより橋脚の安定性に関する健全度を評価する。このため、列車走行安全性を考慮した、橋脚の安定性に関する健全度を評価することができる。

また、従来の固有振動数による評価と合わせることで、より精度の高い橋脚の健全度の評価を行うことができる。

また、加速度振幅比の大きさを長期的に把握することで、橋脚の健全度が良好に保持されていることを確認することができる。このため、鉄道の安全性を大いに高めることができる。

第２の発明は、橋梁または高架橋の橋脚の健全性を評価する評価装置であって、橋脚上に配置される加速度センサと、前記加速度センサで得られた情報を解析する解析部と、前記解析部で解析された情報を送信する送信部と、を具備し、前記解析部は、前記加速度センサによって、前記橋梁または高架橋を車両が通過する際の、橋軸方向の加速度振幅と、前記橋軸方向と直交な橋軸直角方向の加速度振幅とをそれぞれ取得し、前記橋軸直角方向の加速度振幅の最大値を、前記橋軸方向の加速度振幅の最大値で除して、加速度振幅比を求め、前記送信部は、前記加速度振幅比の情報を隔離した位置の情報収集部に送信することが可能であることを特徴とする橋脚の健全性評価装置である。

第２の発明によれば、振動条件の影響が小さく、精度よく橋脚の健全度を評価することができるとともに、橋脚の安定性のみでなく、列車走行安全性に関する健全度を評価することができる。

本発明によれば、精度よく橋脚の健全度を評価することが可能であり、列車走行安全性を考慮した橋脚の健全性評価方法および橋脚の健全性評価装置を提供することができる。

健全度評価装置１の設置状態を示す正面図。 健全度評価装置１の設置状態を示す平面図。 健全度評価装置１のハードウェア構成を示す図。 制御装置７のハードウェア構成を示す図。 健全度評価装置１により橋脚の健全度を評価する工程を示すフローチャート。 得られた加速度振幅の例を示す図。 加速度振幅比の長期評価結果を示す概念図。

以下、本発明の実施の形態にかかる健全度評価装置１について説明する。図１は、健全度評価装置１の設置状態を示す正面図、図２は、健全度評価装置１の設置状態を示す平面図である。健全度評価装置１は、橋梁５（または高架橋）を支持する橋脚３上に配置される。橋梁５上には、列車の軌道が設けられる。すなわち、橋脚３上を列車が通過する。

このような構造では、通常、橋脚３は、列車の通過時には、橋梁５を通じて不規則波を作用として受ける。このような力学構造は、橋脚３を一質点系構造物とみなせば、地震動を作用として受ける場合と類似すると考えられる。この場合、橋脚３の固有周期が大きいほど（固有振動数が小さいほど）、地震時の変位は大きくなるが加速度は小さくなる（ハウスナーの応答スペクトル）。

本発明では、列車通過時でも地震時と同様の応答スペクトルが得られると仮定した上で、列車通過時の加速度の大きさによって、橋脚３の固有振動数を推定するものである。一方、通過する列車の種類などによって、列車通過時の作用は大きく変動する。また、橋脚３に生じる振動（加速度）は一方向ではなく、橋梁５の軸方向（橋軸方向であって、図２中Ｘ方向）に対して直交な方向の振動が、列車走行安全性に悪影響を与える。

そこで、本発明では、加速度の振幅に注目し、橋軸方向に直交な方向（橋軸直角方向であって、図２中Ｙ方向）の加速度振幅の最大値を、橋軸方向の加速度振幅の最大値で除して、加速度振幅比を求め、これにより橋脚３の健全度を評価する。

次に、健全度評価装置１について説明する。図３は、健全度評価装置１の構成を示す図である。健全度評価装置１は、加速度センサ９と制御装置７から構成される。加速度センサ９は、少なくとも２軸方向の加速度を取得する。なお、健全度評価装置１は、例えばバッテリーで駆動する。

加速度センサ９としては、例えばＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）加速度計を用いることが望ましい。ＭＥＭＳ加速度計を用いることで、安価かつ省電力で駆動することができる。

図３は、制御装置７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７は、制御部２１、記憶部２３、メディア入出力部２５、通信制御部２７、入力部２９、表示部３１、周辺機器Ｉ／Ｆ部３３等が、バス３５を介して接続される。

制御部２１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２３、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３５を介して接続された各装置を駆動制御する。

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２３、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２１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２３は、例えばＨＤＤ（ハードディスクドライブ）やＳＳＤ（フラッシュＳＳＤ）（ソリッドステートドライブ）であり、制御部２１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２１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２５（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２７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、加速度センサ９等との通信制御等を行う。

入力部２９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２９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３１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３３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３３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３３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３５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。なお、制御装置７としては、上記構成をすべて含むものに限定されるものではなく、本発明の機能を奏するために必要な構成のみを有すればよい。

次に、健全度評価装置１を用いた橋脚３の健全度の評価方法について説明する。図５は、橋脚３の健全度の評価方法の流れを示すフローチャートである。

まず、橋脚３の上面に設置された加速度センサ９によって、列車通過時の橋脚の振動（加速度）を検出する。この際、加速度センサ９は、橋軸方向および橋軸直角方向の２方向の加速度の振幅を検出する（ステップ１０１）。なお、制御部２１は、加速度センサ９または他の加速度センサにおいて所定値以上の加速度が検知されると、加速度センサ９による加速度データ（橋軸方向および橋軸直角方向の水平方向の加速度の振幅）の取得を開始し、所定時間経過後、加速度データの取得を終了するようにしてもよい。

次に、制御部２１は、橋軸直角方向の加速度と橋軸方向の加速度とを解析する。具体的には、橋軸直角方向の加速度の最大振幅を、橋軸方向の加速度の最大振幅で除して、加速度振幅比を算出する（ステップ１０２）。制御部２１は、得られた加速度振幅比を日時情報とともに記憶部２３または他の記録媒体に記憶することができる。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、得られた加速度情報を示す図である。図６（ａ）に示す例では、橋軸方向の加速度の最大振幅（加速度の最大変化幅）がＤ、橋軸直角方向の加速度の最大振幅（加速度の最大変化幅）がＥである。この場合では、制御部２１は、Ｅ／Ｄを加速度振幅比として算出する。図示した例では、Ｅ／Ｄは概ね２．３程度である。

一方、図６（ｂ）に示す例では、橋軸方向の加速度の最大振幅（加速度の最大変化幅）がＦ、橋軸直角方向の加速度の最大振幅（加速度の最大変化幅）がＧである。この場合では、制御部２１は、Ｇ／Ｆを加速度振幅比として算出する。図示した例では、Ｇ／Ｆは概ね０．３程度である。

次に、制御部２１は、予め設定された加速度振幅比の基準値を記憶部２３から呼びだす。また、制御部２１は、得られた加速度振幅比と基準値とを比較する（ステップ１０３）。基準値は、例えば健全であることが既知の構造体などを用いて得られた加速度振幅比によって設定してもよく、有限要素法などによる解析によって算出して設定してもよい。

加速度振幅比が基準値を超えている場合（ステップ１０４）には、制御部２１は、橋脚３が健全であると判断する（ステップ１０５）。一方、加速度振幅比が基準値を下回った場合には、制御部２１は、橋脚３が異常であると判断する（ステップ１０６）。

制御部２１は、健全度の判定を、記憶部２３に保存するとともに、通信制御部２７と接続された送信部によって、加速度振幅比の情報や、健全度の評価結果を隔離した位置の情報収集部に送信することできる。なお、この場合、所定の間隔でその間の情報を一度に送信してもよく、また、異常を検知した場合に、異常信号を発信することもできる。

図８は、長期にわたって得られた加速度振幅比の推移を示す概念図である。所定期間継続して加速度振幅比を計測することで、加速度振幅比の変化点（図中Ｈ）を知ることもできる。この場合には、加速度振幅比が基準以上であっても、橋脚３に異常が生じたことを知ることができる。

本実施の形態にかかる橋脚の健全度判定方法によれば、橋脚３の加速度振幅比を用いるため、列車の通過状況によらず、精度よく橋脚３の健全度を評価することができる。例えば、一方向または多方向における加速度の最大値のみを用いて橋脚３の健全度を評価すると、通過する列車によって、振動の大きさが異なるため、誤った判定がなされる恐れがある。しかし、本発明では、橋軸方向の加速度振幅によって橋軸直角方向の加速度振幅が基準化されるため、橋脚３の健全度を効率よく判断することができる。

また、列車種類などの影響を受けにくいため、常時計測による固有振動数の算出よりも、よりばらつきの小さな測定が可能となる。

また、列車の安全走行に影響の大きな、橋軸直角方向の加速度の大きさを指標とする。このため、単なる橋脚３の健全度の評価ではなく、列車走行の安全性を考慮した判断指標となる。

また、所定の期間継続して計測を行うことで、その変化点を知ることができる。従って橋脚に異常が生じた際に、早期に発見することができる。

なお、本発明で得られた加速度振幅から、固有振動数を推定することもできる。この場合、予め、加速度振幅と固有振動数の関係を試験または計算によって求め、これを記憶部２３に記憶しておき、制御部２１は、得られた加速度振幅（最大振幅）から対応する固有振動数を推定することができる。この際、列車の安全性にかかわる橋軸直角方向の加速度振幅を用いればよい。

例えば、図６（ａ）に示した例では、前述したとおり加速度振幅比は、約２．３であるが、この際の固有振動数は８Ｈｚであった。また、図６（ｂ）に示した例では、前述したとおり加速度振幅比は、約０．３であるが、この際の固有振動数は５Ｈｚであった。このような情報から、加速度振幅比と固有振動数とを関連付けてもよい。

また、本発明では、得られた振動情報をフーリエ解析して、従来の方法での固有振動数を算出してもよい。この場合、加速度振幅比と固有振動数の両者が、所定の基準以上である場合に、橋脚３が健全であると判断し、その一方が基準を下回った場合に、異常があると判断することができる。

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。

１………健全度評価装置
３………橋脚
５………橋梁
７………制御装置
９………加速度センサ

Claims (4)

1. 橋梁または高架橋の橋脚の健全性を評価する測定方法であって、
   橋脚上に加速度センサを配置し、
   前記橋梁または高架橋を車両が通過する際の、橋軸方向の加速度振幅と、前記橋軸方向と直交な橋軸直角方向の加速度振幅とを取得し、
   前記橋軸直角方向の加速度振幅の最大値を、前記橋軸方向の加速度振幅の最大値で除して、加速度振幅比を求め、
   前記加速度振幅比を用いて前記橋脚の健全性を判断することを特徴とする橋脚の健全性評価方法。
2. 前記加速度センサによって得られた車両の通過時の振動から、前記橋脚の固有振動数を算出し、前記加速度振幅比および前記固有振動数の両者がそれぞれ所定値以上である場合に、前記橋脚が健全であると判断することを特徴とする請求項１記載の橋脚の健全性評価方法。
3. 前記加速度振幅比を所定期間継続して計測し、前記加速度振幅比の変化点によって、前記橋脚の健全性を判断することを特徴とする請求項１記載の橋脚の健全性評価方法。
4. 橋梁または高架橋の橋脚の健全性を評価する評価装置であって、
   橋脚上に配置される加速度センサと、
   前記加速度センサで得られた情報を解析する解析部と、
   前記解析部で解析された情報を送信する送信部と、
   を具備し、
   前記解析部は、前記加速度センサによって、前記橋梁または高架橋を車両が通過する際の、橋軸方向の加速度振幅と、前記橋軸方向と直交な橋軸直角方向の加速度振幅とをそれぞれ取得し、前記橋軸直角方向の加速度振幅の最大値を、前記橋軸方向の加速度振幅の最大値で除して、加速度振幅比を求め、
   前記送信部は、前記加速度振幅比の情報を隔離した位置の情報収集部に送信することが可能であることを特徴とする橋脚の健全性評価装置。

Images