JP6152033B2

JP6152033B2 - 下部工の健全性評価方法、下部工の健全性評価装置

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Publication number: JP6152033B2
Application number: JP2013217005A
Authority: JP
Inventors: 阿部　慶太; 慶太阿部
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2033-10-18
Also published as: JP2015078553A

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下部工の健全性評価方法および下部工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

しかし、特許文献１の方法では、重錘や起振機によって構造物に振動を付与する必要がある。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。

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、振動により橋脚の健全度の評価を行うためには、振動を検知するためのセンサや、振動を解析するソフトウェアなどが必要となる。したがって、システムが複雑となる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、簡易な構成によって、精度よく橋梁や高架橋の下部工の健全度を評価することが可能な下部工の健全性評価方法および下部工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下部工の健全性を評価する測定方法であって、前記下部工は、基礎と、前記基礎上に構築される橋脚と、前記橋脚の上に設けられ橋梁または高架橋を支持する支承と、を具備し、前記橋脚上に温度センサと傾斜センサを配置し、所定時間ごとに、前記温度センサにより温度情報を取得するとともに、前記傾斜センサによって、前記橋脚の橋軸方向の傾斜情報を取得し、一定期間内の、前記温度情報の変化量に対する前記傾斜情報の変化量である橋脚傾斜変化率を求め、前記橋脚傾斜変化率の大きさによって、前記下部工の健全性を判断することを特徴とする下部工の健全性評価方法である。

前記傾斜センサによって、前記橋軸方向の傾斜情報に加え、前記橋軸方向と直交な橋軸直角方向の傾斜情報を取得し、前記傾斜情報を所定期間継続して計測し、前記温度情報に対する前記橋軸方向の前記橋脚傾斜変化率の変化点、および、前記橋軸直角方向の前記橋脚傾斜変化率の変化点によって、前記下部工の健全性を判断してもよい。

橋梁または高架橋を車両が通過していない状態で、前記傾斜センサによって、前記橋脚の前記橋軸方向の傾斜情報を取得することが望ましい。

第１の発明によれば、橋脚の傾斜と、温度との関係を取得し、温度変化に対する橋脚の傾斜量変化から、下部工の健全度を評価する。このため、従来のように、起振器などが不要であり、振動の条件によらず、精度のよい評価を行うことができる。また、振動情報をフーリエ変換するなどの解析が不要であり、簡易な構成で下部工の健全度を把握することができる。

この際、温度変化に対する橋軸方向の傾斜情報を得ることで、基礎や支承を含む下部工の健全度を得ることができる。また、温度変化に対する橋軸直角方向の傾斜情報を得ることで、橋脚の洗掘などの影響も知ることができる。

また、温度変化に対する橋脚の傾斜情報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。

また、このような傾斜情報を、車両の通過していない状態で取得すれば、車両通過による振動の影響を受けることがない。したがって、精度の高い評価を行うことができる。

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、少なくとも前記橋脚の橋軸方向の傾斜を測定する傾斜センサと、温度センサと、前記傾斜センサおよび前記温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、所定時間ごとに、前記温度センサにより温度情報を取得するとともに、前記傾斜センサによって、前記橋脚の前記橋軸方向の傾斜情報を取得し、一定期間内の、前記温度情報の変化量に対する前記傾斜情報の変化量である橋脚傾斜変化率を求め、前記橋脚傾斜変化率の大きさによって、橋梁または高架橋の下部工の健全性を判断し、前記送信部は、前記温度情報および前記傾斜情報を、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下部工の健全性評価装置である。

第２の発明によれば、起振器などが不要であり、振動条件の影響が小さく、精度よく下部工の健全度を評価することができる。

本発明によれば、簡易な構成によって、精度よく下部工の健全度を評価することが可能な下部工の健全性評価方法および下部工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。得られた橋脚傾斜角の例を示す図。橋脚傾斜変化率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。例えば、健全度評価装置１は、橋脚３上の固定支承の近傍に配置される。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。

橋梁５（上部工）は、温度変化によって伸縮する（図中矢印Ａ方向）。特に、橋梁５が鋼桁を有する構造では、この伸縮量が大きい。通常、このような橋梁５の伸縮を吸収するため、橋脚には、可動支承や固定支承が用いられる。可動支承は、回転変位および伸縮変位を吸収し、固定支承は、橋梁５の回転変位を吸収する。

固定支承は、水平方向の橋梁５の伸縮が生じると、橋梁５と橋脚３との回転を許容するが、水平方向の変位を許容しない。このため、例えば固定支承などで橋梁５を支持する橋脚３は、橋梁５の伸縮によってわずかに傾斜する（図中矢印Ｂ方向）。すなわち、橋脚３は、橋梁５の温度によって橋脚３の橋軸方向（図中矢印Ａ方向であって、橋梁５の伸縮方向）の傾斜角が変化する。

そこで、本発明では、温度変化に対する橋脚３の傾斜角の変化量を求め、これにより橋脚３を含めた下部工の健全度を評価する。なお、本発明において、下部工とは、基礎、基礎上に構築される橋脚および橋梁５等を支持する支承を含むものである。

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、傾斜センサ９、温度センサ１１、制御装置７等から構成される。傾斜センサ９は、橋脚３の上面の水平方向に対する傾斜を検出する。なお、健全度評価装置１は、例えばバッテリーで駆動する。

傾斜センサ９としては、例えばＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）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、省電力で駆動することができる。また、温度センサ１１は、橋脚３近傍の気温を検出する。なお、温度センサ１１は、橋梁５の代表温度を検出可能な位置に配置される。

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（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）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、傾斜センサ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を用いた下部工の健全度の評価方法について説明する。図５は、下部工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傾斜センサ９および温度センサ１１によって、所定の期間、所定間隔（例えば数時間ごと）で温度情報と橋脚３の傾斜情報を取得する（ステップ１０１）。この際、傾斜センサ９は、橋軸方向、橋軸直角方向の橋脚傾斜情報を検出する。

なお、制御部２１は、他の加速度センサなどにより所定値以上の加速度（振動）が検知されると、傾斜センサ９および温度センサ１１による温度情報および橋脚傾斜情報の取得を停止し、加速度（振動）が所定値以下となってから計測を再開するようにしてもよい。このようにすることで、車両通過時に橋脚３が振動を受け、橋脚傾斜情報が振動の影響を受けることを防止することができる。

なお、温度情報とは、橋梁５の温度と相関を有する情報であればよく、橋梁５の温度を直接測定して得られる情報のほか、橋脚３上における周囲の気温情報であってもよい。すなわち、気温と橋梁５の温度は互いに相関があるため、橋梁５の温度変化（橋梁５の伸縮量）を推定可能であれば、温度情報は橋梁５の温度以外の気温情報などであってもよい。

また、制御部２１は、所定間隔で取得される温度情報と橋脚傾斜情報を時刻情報とともに記憶部２３に記憶する。この際、制御部２１は、所定の期間（例えば１週間や一カ月）ごとに温度情報と橋脚傾斜情報をグループ化してもよい。

次に、制御部２１は、所定の期間内（例えば１週間や一カ月間）における、温度情報と橋脚傾斜情報との相関を取る（ステップ１０２）。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、得られた温度情報と橋脚傾斜情報（橋軸方向の傾斜角度）の相関を示す図であり、横軸に温度（℃）を取り、縦軸に橋脚の傾斜角（度）を取って示した相関図である。

なお、橋脚傾斜角（度）は、ある方向への傾斜角度を＋側として、逆側の傾斜角度を−側として取得したものである。例えば、ある温度（例えば２０℃）における橋脚傾斜角が０度であった場合に、２０℃を超えると＋側の傾斜角度を示し、２０℃を下回ると−側の傾斜角度となる。

ここで、図６（ａ）、図６（ｂ）における直線は、温度情報の変化量に対する橋脚傾斜情報の変化量を示すものである。すなわち、図における直線の傾きが、温度情報の変化量に対する傾斜情報の変化量である橋脚傾斜変化率となる。なお、橋脚傾斜変化率は、例えば最小二乗法によって算出することができる。図示した例では、図６（ａ）の橋脚傾斜変化率が、図６（ｂ）の橋脚傾斜変化率よりも小さいことを表している。

次に、制御部２１は、予め設定された橋脚傾斜変化率の基準値を記憶部２３から呼びだす。また、制御部２１は、得られた橋脚傾斜変化率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橋脚傾斜変化率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。

橋脚傾斜変化率が基準値以下の場合（ステップ１０４）には、制御部２１は、下部工が健全であると判断する（ステップ１０５）。一方、橋脚傾斜変化率が基準値を超えた場合には、制御部２１は、下部工が異常であると判断する（ステップ１０６）。

例えば、図６（ａ）の例では、橋脚傾斜変化率が基準値（図示せず）よりも小さく、下部工が健全であると判断される。一方、図６（ｂ）の例では、橋脚傾斜変化率が基準値を超えるため、下部工が異常であると判断される。このように、橋脚傾斜変化率が大きくなるのは、例えば、橋脚３や基礎に異常が生じて剛性が低下すると、橋梁５の伸縮によって、橋脚３が、より大きな変形をするためである。また、橋脚３上の支承に異常が生じた場合にも、橋脚３の傾斜が大きくなる恐れがある。いずれにしても、橋脚傾斜変化率から下部工の異常を検知することができる。

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、温度情報、橋脚傾斜情報や、橋脚傾斜変化率、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７は、長期にわたって得られた橋脚傾斜変化率の推移を示す概念図である。所定期間継続して橋脚傾斜変化率を監視することで、橋脚傾斜変化率の変化点を知ることもできる。例えば、期間Ｃにおいては、橋脚傾斜変化率は基準値Ｅよりも低かったが、期間Ｄでは橋脚傾斜変化率が基準値Ｅを超えた場合に、下部工の異常を検知することができる。また、所定期間継続して橋脚傾斜変化率を監視することで、仮に期間Ｄにおいて、橋脚傾斜変化率が基準値Ｅよりも低かったとしても、期間Ｃに対する変化点を知ることができる。

本実施の形態にかかる下部工の健全度判定方法によれば、橋脚３の温度変化に対する傾斜変化量を用いて下部工の健全度を把握することができる。このため、振動を用いないため、起振器等が不要である。また、列車の振動を用いる必要もないため、列車の通過状況によらず、精度よく下部工の健全度を評価することができる。

また、振動から橋脚の健全度を把握するものではないため、振動をフーリエ変換するなどの振動解析が不要である。

また、本発明では、橋梁の伸縮に対する橋脚の傾斜を評価するため、橋脚自体の健全度のみではなく、橋脚上の支承の健全度や基礎の健全度についても評価することができる。

また、列車が通過していない状態において橋脚の傾斜を計測することで、橋脚が受ける振動の影響を受けることがない。したがって、精度のよい計測を行うことができる。

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。従って下部工に異常が生じた際に、早期に発見することができる。

なお、上述した実施形態では、所定の期間ごとに、温度と橋脚傾斜量の相関を得たが、本発明はこれに限られない。例えば、日々、過去の所定数のデータから相関を得るようにすることで、相関を得る母集団の期間が移動するようにしてもよい。

また、橋梁の伸縮に応じた橋軸方向だけではなく、橋軸直角方向の長期的な傾斜を把握することで、例えば、橋脚下部の洗掘の影響などを知ることもできる。この場合には、２軸方向の傾斜角を計測可能な傾斜センサを用いればよい。

また、下部工の健全度の評価として、従来の固有振動数による評価を併用してもよい。このようにすることで、傾斜による健全度評価に異常が見られた際に、橋脚自体の問題か、基礎や支承の問題であるのかをより明確に把握することができる。

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………傾斜センサ
１１………温度センサ

Claims

橋梁または高架橋の下部工の健全性を評価する測定方法であって、
前記下部工は、基礎と、前記基礎上に構築される橋脚と、前記橋脚の上に設けられ橋梁または高架橋を支持する支承と、を具備し、
前記橋脚上に温度センサと傾斜センサを配置し、
所定時間ごとに、前記温度センサにより温度情報を取得するとともに、前記傾斜センサによって、前記橋脚の橋軸方向の傾斜情報を取得し、
一定期間内の、前記温度情報の変化量に対する前記傾斜情報の変化量である橋脚傾斜変化率を求め、前記橋脚傾斜変化率の大きさによって、前記下部工の健全性を判断することを特徴とする下部工の健全性評価方法。
前記傾斜センサによって、前記橋軸方向の傾斜情報に加え、前記橋軸方向と直交な橋軸直角方向の傾斜情報を取得し、
前記傾斜情報を所定期間継続して計測し、前記温度情報に対する前記橋軸方向の前記橋脚傾斜変化率の変化点、および、前記橋軸直角方向の前記橋脚傾斜変化率の変化点によって、前記下部工の健全性を判断することを特徴とする請求項１記載の下部工の健全性評価方法。
橋梁または高架橋を車両が通過していない状態で、前記傾斜センサによって、前記橋脚の前記橋軸方向の傾斜情報を取得することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の下部工の健全性評価方法。
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、
少なくとも前記橋脚の橋軸方向の傾斜を測定する傾斜センサと、
温度センサと、
前記傾斜センサおよび前記温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、所定時間ごとに、前記温度センサにより温度情報を取得するとともに、前記傾斜センサによって、前記橋脚の前記橋軸方向の傾斜情報を取得し、一定期間内の、前記温度情報の変化量に対する前記傾斜情報の変化量である橋脚傾斜変化率を求め、前記橋脚傾斜変化率の大きさによって、橋梁または高架橋の下部工の健全性を判断し、
前記送信部は、前記温度情報および前記傾斜情報を、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下部工の健全性評価装置。