JP6211658B1

JP6211658B1 - 分散型光ファイバー測定に基づく斜張ケーブルのアンカーヘッドの性能劣化状態の測定方法

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Publication number: JP6211658B1
Application number: JP2016160397A
Authority: JP
Inventors: 俊呉; 岳階舒; 葵余; 希欽馬; 遠航周
Original assignee: Chongqing Jiaotong University
Current assignee: Chongqing Jiaotong University
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2016-08-18
Publication date: 2017-10-11
Anticipated expiration: 2036-08-18
Also published as: CN105928646A; CN105928646B; JP2018009951A

Abstract

【課題】本発明は、分散型光ファイバー測定に基づく斜張ケーブルのアンカーヘッドの性能劣化状態の測定方法を提供する。【解決手段】方法は、アンカーカップ内に分散型光ファイバーひずみセンサーを植込むことで歪みデータを取得し、歪みデータにより初期応力分布関数を取得し、後続のプロセスにおいて歪みデータにより現在応力減衰関数をリアルタイムで取得し、初期応力分布関数及び現在応力減衰関数によりアンカーヘッドの健全度の量子化指標を算出し、アンカーヘッドをリアルタイムで測定する。本発明の効果は、分散型光ファイバー測定に基づく斜張ケーブルのアンカーヘッドの性能劣化状態の測定方法を提供し、アンカーヘッドの故障を適時に発見し、継続的に測定することができるものである。【選択図】図３

Description

本発明は、アンカーヘッドの性能測定技術に関し、特に、分散型光ファイバー測定に基づく斜張ケーブルのアンカーヘッドの性能劣化状態の測定方法に関する。

斜張ケーブルは、斜張橋の主な耐荷重構造物として、荷重が大きく、質量が軽く、サイズがコンパクトで、可撓性が高く、使い勝手が良いなどという利点を有する。アンカーヘッドは、ケーブル及び大スパン構造体の受力接続点であり、斜張ケーブルの構造の中で最も複雑な荷重構造である。斜張ケーブルのアンカーヘッドの構造及び製造工程には耐久性要件が考慮されているが、性能劣化は不可避的に生じている。調査と解析によって、アンカーヘッドの性能劣化は主に以下の３つの状況を含む。１）アンカーヘッドの構造において、ケーブルの本体の保護スリーブの破損又はアンカーヘッドの保護システムの破損のため、水や湿気がアンカーヘッドに入って鋼線が錆びたことで、鋼線とエポキシモルタル充填材との接着によるアンカー固定の効果を変化させて性能を劣化させる。２）アンカー固定の充填料とするエポキシモルタル充填材は、長期の静荷重、動荷重及び熱衝撃の循環作用のため、エポキシモルタル充填材の機械的特性、接着特性、熱安定性及び耐熱老化性にはある程度の劣化が不可避的に生じており、これによりエポキシモルタル充填材、鋼線及びアンカーカップの全体アンカー固定効果を変化させてアンカーヘッドの性能を劣化させる。３）さらに、アンカーヘッドの製造における欠陥は、アンカーヘッドの使用中にアンカーヘッドの失効を起こす原因となる。

呉育苗、蒋湘成等は、海口世紀大橋の１７６本のケーブルの損傷状態を全て調査してから、梁端部の防水システムに故障の発生割合が９７％以上で、梁端部の緩衝器のうちの内設型緩衝器に故障の発生割合が１００％で、外設型緩衝器に故障の発生割合が１．７％であることを発見した。しかし、その２つの部材は、構造安全性及び耐久性に与える影響が微小である。ケーブルの本体のＰＥ保護スリーブに故障の発生割合が７０％で、鋼線に故障の発生割合が０．５％である。ケーブルの本体は、構造安全性及び耐久性に与える影響が多大である。アンカーヘッドに故障の発生割合が７６％以上である。アンカーヘッドは、構造安全性及び耐久性に与える影響も多大である。張俊岱によりベネズエラのマラカイボ橋の複数本のケーブルの故障を調査した結果は、呉育苗などの調査結果とほぼ一致している。したがって、橋の構造安全性及び耐久性に与える影響が多大であるケーブル部材について、アンカーヘッドの故障の発生割合が最も多大である。橋の構造安全を保証するため、アンカーヘッドの故障の発生と発展傾向を重点的に測定する必要がある。

従来技術では、一般的な非破壊測定方法は、通常超音波検査法、超音波撮像検査法及び赤外線熱波検査法を主に含む。その３つの非破壊検査方法は、いずれも構造の内部欠陥及び接着品質を検査することができる。しかし、上述の３つの方法を用いてアンカーヘッドの故障を測定すると、次の問題がある。まず、上述の３つの方法は、規則的で簡単な構造を有する応用対象に最適である。アンカーヘッドが複雑な組立体であるので、上述の方法を用いてアンカーヘッドの非破壊検査を行うのは難しくなっている。次に、非破壊検査方法は、定期的な安全検査を行うしかできず、オンラインリアルタイムで測定することができない。さらに、アンカーヘッドは、重要な受力部材であり、その性能劣化は徐々に変化する。つまり、鋼線及びアンカー固定部材の間は、強付着から弱付着に変わって、次に脱接着、欠陥及びひび割れが生じて、最後に破壊される。したがって、最も価値のある非破壊検査方法は、性能が劣化しているアンカーヘッドを初期に発見し、アンカーヘッドの現在の性能劣化がどの段階にあることを判明できる必要がある。しかしながら、上述の３つの方法は、このような能力を備えていない。

本発明は、従来技術の問題点を解決するために、分散型光ファイバー測定に基づく斜張ケーブルのアンカーヘッドの性能劣化状態の測定方法を提供する。前記斜張ケーブルのアンカーヘッドは、アンカーカップと、ケーブル分岐プレートと、複数本の鋼線と、エポキシモルタル充填材とから構成される。ケーブル分岐プレートは、アンカーカップの底部に固定される。ケーブル分岐プレートには、複数の予設された孔が設けられる。鋼線の内端は、ケーブル分岐プレートに予設された孔を貫通した後にアプセットヘッドで固定される。複数本の鋼線と複数の予設された孔とは、一対一で対応する。アンカーカップ内の鋼線の周囲の領域は、エポキシモルタル充填材で充填される。本発明の改良点は、前記斜張ケーブルのアンカーヘッドの性能劣化状態の測定方法が以下のステップを備えることである。

ステップ１）：ケーブル分岐プレートの中実部に複数の植込み穴を予め製造し、アンカーヘッドの製造過程において、エポキシモルタル充填材を注入する前、各植込み穴内に１本の細線状の分散型光ファイバーひずみセンサーを植込み、分散型光ファイバーひずみセンサーの軸方向を鋼線の軸方向に平行に配置し、分散型光ファイバーひずみセンサーの端部をアンカーカップの奥部に延伸させ、分散型光ファイバーひずみセンサーの尾端をケーブル分岐プレートの外部に配置し、次に、エポキシモルタル充填材を注入し、エポキシモルタル充填材は分散型光ファイバーひずみセンサー及び鋼線を包み込んでアンカーカップと一体的に形成する。

ステップ２）：アンカーヘッドが製造された後且つ取り付けられる前に、アンカーヘッドに対して超引張試験を行い、試験中に、分散型光ファイバーひずみセンサーによってアンカーカップの異なる深さ位置の歪みデータを取得し、取得した複数の歪みデータを以下の初期応力分布関数にフィッティングする。

ここで、ｘはアンカーヘッドの始端から分散型光ファイバーひずみセンサーのある歪み測定点までの軸方向距離である。前記アンカーヘッドの始端は、ケーブル分岐プレートに対向するアンカーヘッドの一端である。ｘはアンカー固定深さと略記し、σ₀は超引張試験中にアンカーヘッドの始端に鋼線が受けた軸方向応力であり、σ_ｘはアンカー固定深さｘに鋼線が受けた軸方向応力であり、α₁、α₂、α₃及びα₄は初期応力減衰係数である。分散型光ファイバーひずみセンサーが検出した、異なるアンカー固定深さに対応する複数組のσ_ｘとｘに基づいて、初期応力分布関数によりσ₀、α₁、α₂、α₃及びα₄を算出して、初期応力減衰関数ｆ(ｘ)を取得する。

ステップ３）：アンカーヘッドを用いて、アンカーヘッドの使用期間に、分散型光ファイバーひずみセンサーによりアンカーカップ内に異なるアンカー固定深さの歪みデータをリアルタイムで測定し、リアルタイムで測定された歪みデータを以下の測定応力分布関数にリアルタイムでフィッティングする。

ここで、σ₀ ^'は使用期間にアンカーヘッドの始端に鋼線が受けた軸方向応力であり、σ_ｘ ^'は使用期間に測定されたアンカー固定深さｘに鋼線が受けた軸方向応力であり、α₁ ^'、α₂ ^'、α₃ ^'及びα₄ ^'は現在応力減衰係数である。分散型光ファイバーひずみセンサーが検出した、異なるアンカー固定深さに対応する複数組のσ_ｘ ^'とｘに基づいて、現在応力分布関数によりσ₀ ^'、α₁ ^'、α₂ ^'、α₃ ^'及びα₄ ^'を算出して、現在応力減衰関数ｆ^'(ｘ)を取得する。

ステップ４）、下記式よりアンカーヘッドの健全度Ａを算出する。

ここで、ｈは、分散型光ファイバーひずみセンサーの測定範囲内のアンカー固定深さの最大値である。

Ａを警告閾値Ｔ_０と比較して、Ａ>Ｔ_０の場合、アンカーヘッドに潜在的な危険が存在していることを表す。Ｔ_０は、シミュレーション試験及び理論計算により取得される。

この発明の原理は以下のとおりである。アンカーヘッド内に鋼線が多く、放射状に設置されているので、複数本の鋼線の受力状態は複雑である。解析を単純化するために、１本の鋼線及び当該鋼線を包み込んでいるエポキシモルタル充填材を１つの受力解析ユニットとして選んで、単一受力解析ユニットにおいて鋼線の受力状態が図１に示される。鋼線におけるアンカー固定領域の全長をｘとし、アンカーヘッドの始端における鋼線の受ける応力をσ₀とする。鋼線は、アンカーヘッド内に、エポキシモルタル充填材からの圧縮力τを受ける。鋼線がエポキシモルタル充填材に対して相対スリップしていない場合、鋼線は静荷重の平衡状態にある。図１に示すアンカー固定深さがｘ_１である位置において、１つの鋼線のエレメントを選んで、その受力状態は図２に示される。鋼線のエレメントの前端の応力がσ_iとし、鋼線のエレメントの後端の応力がσ_i+1とし、エポキシモルタル充填材から受けた圧縮力がτ_iとすると、静荷重の平衡条件によって、σ_i 、σ_i+1及びτ_iが次の関係があることが分かる。

ここで、ｒは鋼線の半径である。

式（１）を変形して、下記式を取得することができる。

式（２）に示すように、アンカー固定深さの方向に沿って、鋼線の軸方向応力の減衰速度は、鋼線に対するエポキシモルタル充填材の圧縮力に正比例する。圧縮力が大きいほど、鋼線の応力の減衰速度が速い。ケーブルが長期に使用された後、アンカーヘッドの製造過程における欠陥及びエポキシモルタル充填材自身の性能劣化は、鋼線に対するエポキシモルタル充填材の圧縮力τ_iを低減させる。圧縮力τ_iが減ると、鋼線の受ける軸方向応力の減衰傾向が緩やかになる。（図５に示すように、図の２本の曲線は、アンカーヘッドの性能状態が良い場合に検出した「初期の応力減衰曲線」及びアンカーヘッドの性能が劣化している場合に検出した「リアルタイムで測定された応力減衰曲線」をそれぞれ表す。図に示すように、アンカーヘッド内にエポキシモルタルの接着力が減った後に、性能の良い場合の軸方向応力と比較すると、アンカーヘッド内に軸方向応力の減衰傾向がより緩やかになる）。これに伴い、エポキシモルタル充填材が鋼線の応力を均一化及び減衰する作用は、弱くなる。したがって、アンカーヘッドにおいて、アンカーカップの担う力が減り、ケーブル分岐プレートの担う力が増える。鋼線とエポキシモルタル充填材との間の相対スリップは、増大しつつある。最後に、層内剥離の現象が生じて、アンカーヘッドが失効する。

前述の解析に基づいて、本発明者らは、以下のように考えている。鋼線の軸方向応力を用いて鋼線に対するエポキシモルタル充填材の圧縮力の大きさを表して、アンカーヘッドの性能状態を間接的に知ることができる。具体的に応用する場合、鋼線の軸方向応力のみを測定することで、アンカーヘッドの故障の発生及び発展を測定することができる。分散型光ファイバー式応力測定技術が十分に成熟していることに鑑み、具体的に応用する場合、本発明は、分散型光ファイバーひずみセンサーを採用して鋼線の軸方向応力の分布を測定する。

本発明は、次のような効果がある。本発明は、分散型光ファイバー測定に基づく斜張ケーブルのアンカーヘッドの性能劣化状態の測定方法を提供し、この方法によって、アンカーヘッドの故障を適時に発見し、継続的に測定することができる。

図１は、単一受力解析ユニットにおいて鋼線の受力状態を示す模式図である。図２は、鋼線のエレメントの受力状態を示す模式図である。図３は、本発明に係る分散型光ファイバーひずみセンサーの設置方式を示す模式図である。図４は、ケーブル分岐プレートの外端面の構造を示す模式図である。図５は、初期応力減衰曲線及びリアルタイムで測定された応力減衰曲線を示す模式図である。

分散型光ファイバー測定に基づく斜張ケーブルのアンカーヘッドの性能劣化状態の測定方法である。前記斜張ケーブルのアンカーヘッドは、アンカーカップと、ケーブル分岐プレートと、複数本の鋼線と、エポキシモルタル充填材とから構成される。ケーブル分岐プレートは、アンカーカップの底部に固定される。ケーブル分岐プレートには、複数の予設された孔が設けられる。鋼線の内端は、ケーブル分岐プレートにおける予設された孔を貫通した後にアプセットヘッドで固定される。複数本の鋼線と複数の予設された孔とは、一対一で対応する。アンカーカップ内の鋼線の周囲の領域は、エポキシモルタル充填材で充填される。本発明の改良点は、前記斜張ケーブルのアンカーヘッドの性能劣化状態の測定方法が以下のステップを備えることである。

Claims

斜張ケーブルのアンカーヘッドは、アンカーカップと、ケーブル分岐プレートと、複数本の鋼線と、エポキシモルタル充填材とから構成され、ケーブル分岐プレートはアンカーカップの底部に固定され、ケーブル分岐プレートには複数の予設された孔が設けられ、鋼線の内端はケーブル分岐プレートに予設された孔を貫通した後にアプセットヘッドで固定され、複数本の鋼線と複数の予設された孔とは一対一で対応し、アンカーカップ内の鋼線の周囲の領域はエポキシモルタル充填材で充填される、分散型光ファイバー測定に基づく斜張ケーブルのアンカーヘッドの性能劣化状態の測定方法であって、
前記斜張ケーブルのアンカーヘッドの性能劣化状態の測定方法は、
ケーブル分岐プレートの中実部に複数の植込み穴を予め製造し、アンカーヘッドの製造過程において、エポキシモルタル充填材を注入する前、各植込み穴内に１本の細線状の分散型光ファイバーひずみセンサーを植込み、分散型光ファイバーひずみセンサーの軸方向を鋼線の軸方向に平行に配置し、分散型光ファイバーひずみセンサーの端部をアンカーカップの奥部に延伸させ、分散型光ファイバーひずみセンサーの尾端をケーブル分岐プレートの外部に配置し、次に、エポキシモルタル充填材を注入し、エポキシモルタル充填材は分散型光ファイバーひずみセンサー及び鋼線を包み込んでアンカーカップと一体的に形成する、ステップ１）と、
アンカーヘッドが製造された後且つ取り付けられる前に、アンカーヘッドに対して超引張試験を行い、試験中に、分散型光ファイバーひずみセンサーによってアンカーカップの異なる深さ位置の歪みデータを取得し、取得した複数の歪みデータを初期応力分布関数
にフィッティングし、ここで、ｘはアンカーヘッドの始端から分散型光ファイバーひずみセンサーのある歪み測定点までの軸方向距離であり、前記アンカーヘッドの始端はケーブル分岐プレートに対向するアンカーヘッドの一端であり、ｘはアンカー固定深さと略記し、σ₀は超引張試験中にアンカーヘッドの始端に鋼線が受けた軸方向応力であり、σ_ｘはアンカー固定深さｘに鋼線が受けた軸方向応力であり、α₁、α₂、α₃及びα₄は初期応力減衰係数であり、分散型光ファイバーひずみセンサーが検出した、異なるアンカー固定深さに対応する複数組のσ_ｘとｘに基づいて、初期応力分布関数によりσ₀、α₁、α₂、α₃及びα₄を算出して、初期応力減衰関数ｆ(ｘ)：

を取得する、ステップ２）と、
アンカーヘッドを用いて、アンカーヘッドの使用期間に、分散型光ファイバーひずみセンサーによりアンカーカップ内に異なるアンカー固定深さの歪みデータをリアルタイムで測定し、リアルタイムで測定された歪みデータを測定応力分布関数
にリアルタイムでフィッティングし、ここで、σ₀ ^'は使用期間にアンカーヘッドの始端に鋼線が受けた軸方向応力であり、σ_ｘ ^'は使用期間に測定されたアンカー固定深さｘに鋼線が受けた軸方向応力であり、α₁ ^'、α₂ ^'、α₃ ^'及びα₄ ^'は現在応力減衰係数であり、分散型光ファイバーひずみセンサーが検出した、異なるアンカー固定深さに対応する複数組のσ_ｘ ^'とｘに基づいて、現在応力分布関数によりσ₀ ^'、α₁ ^'、α₂ ^'、α₃ ^'及びα₄ ^'を算出して、現在応力減衰関数ｆ^'(ｘ)：

を取得する、ステップ３）と、
式
よりアンカーヘッドの健全度Ａを算出し、ここで、ｈは、分散型光ファイバーひずみセンサーの測定範囲内のアンカー固定深さの最大値であり、Ａを警告閾値Ｔ_０と比較して、Ａ>Ｔ_０の場合、アンカーヘッドに潜在的な危険が存在していることを表し、Ｔ_０はシミュレーション試験及び理論計算により取得される、ステップ４）と、
を備える、ことを特徴とする測定方法。