JP6284272B2

JP6284272B2 - 非破壊検査装置

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Publication number: JP6284272B2
Application number: JP2014180346A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　基行; 鈴木　　基行; 英樹内藤
Original assignee: Emic Corp
Current assignee: Emic Corp
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2034-09-04
Also published as: JP2016053548A

Description

本発明は、例えば、橋梁などのコンクリート構造物および補強されたコンクリート構造物の健全性を評価する検査に用いて好適な非破壊検査装置に関する。

日本においてコンクリート構造物は、橋梁をはじめとしインフラに多種多様使用されている。これらの構造物は、製作されてから多くの年月を経た物も多く、また新しくとも地震などによるストレスが作用するために、インフラの点検・維持管理が近年重要な課題となってきている。しかし、これらの点検には多大な時間を要し、必ずしも最適な検査は行われていないのが現状である。

従来、コンクリート構造物の健全性を評価する装置として、力センサを内蔵したインパルスハンマーが知られている（例えば、特許文献１）。
このインパルスハンマーは、構造物の固有振動数計測、亀裂検査、および構造解析などに広く使用されている加振方法であり、構造物や部品などを叩くことで、周波数特性の分析、伝達関数のグラフィック表示、振動モード解析、共振点探査などを手軽に実施することができる。

しかし、インパルスハンマーでは各周波数成分のパワーが小さく、高周波まで一定の入力ができないため、特に高周波に外乱ノイズが混入したり、二度打ちなどにより正確な固有振動数を得ることができない場合があった。

また、この種の検査を行うために、大型の振動発生機を用いて、例えばコンクリート構造物（表面がアスファルトである場合を含む）の健全性を評価する検査装置が提供されている。

しかしながら、大型の振動発生機を用いた検査装置では、実際に計測を行うまでの段取りに時間を要し、しかも現場作業が煩雑であるという問題があった。
また、コンクリート構造物の表面に、例えば繊維シートや鋼板などで補強がなされたものについては、検査方法は未だ確立されておらず、表面の補強物を剥がして検査するしかなく、結果として多大な経費を要するという問題があった。

特開２００１−０２１３３６号公報

本発明は、このような実情に鑑み、例えば、コンクリート構造物、あるいは表面が繊維シートや鋼板などで補強されたコンクリート構造物などであったとしてもその補強物を破壊することなく短時間で効率的に点検し、その健全性を評価することができる非破壊検査装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明に係る非破壊検査装置は、
コンクリート構造物などの検査対象物２に小型振動発生機４により振動を加え、この小型振動発生機４から加えられた振動によって発生する前記検査対象物２からの振動データを、計測用加速度ピックアップ６により測定し、その測定結果に基づいて前記検査対象物２の健全性を評価する非破壊検査装置であって、
前記小型振動発生機４は、磁路部材を有する固定部８と、前記検査対象物２に振動を付与する可動部１０と、を備え、
前記磁路部材は、永久磁石が備えられたヨーク１８を有することで、常時磁束が流れており、
前記可動部１０は、前記ヨーク１８の隙間に挿入される駆動コイル２０を備え、
前記駆動コイル２０に交流電流を流すことにより、前記可動部１０が振動するように構成され、
前記計測用加速度ピックアップ６は、支持バネ１４を介して前記固定部８に支持されるとともに、前記可動部１０は吊下バネ２４を介して前記固定部８に支持されており、
前記可動部１０の前記検査対象物２に対する当接面、および前記計測用加速度ピックアップ６の前記検査対象物２に対する当接面に、それぞれ緩衝部材１６を配設し、前記可動部１０と前記検査対象物２との間、および前記計測用加速度ピックアップ６と前記検査対象物２との間を密着させることを特徴としている。

このような構成であれば、小型振動発生機４が手持移動可能であるので、検査対象が大型のコンクリート構造物であったとしても、多数箇所での計測を行うための段取りが容易である。また、検査対象物２と可動部１０との間、および検査対象物２と計測用加速度ピックアップ６との間に、仮に不陸があったとしても、その不陸は緩衝部材１６で封止されるので、可動部からの振動を効果的に検査対象物に伝達することができるとともに、検査対象物からの振動データを計測用加速度ピックアップが正確に測定することができる。

また、本発明では、前記固定部８には、自立可能に保持する所定長さの支持部材１２が取り付けられていることが好ましい。
このように固定部８の側面に所定長さの支持部材１２が取り付けられていれば、小型振動発生機を探査対象物に向けて押圧した場合のストッパとして機能させることができる。

さらに、本発明では、前記緩衝部材の厚さは、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲であることが好ましい。
緩衝部材の厚さがこのような範囲に設定されていれば、可動部と検査対象物との間、および計測用加速度ピックアップと検査対象物との間の不陸を無くして互いの間を可及的に一体化させることができる。

また、本発明では、可動部１０に入力される信号が、正弦波信号であっても良いし、また、ランダム信号であっても良い。
特に、ランダム信号を用いることによって、測定時間が短く、迅速に検査を行うことができる。

さらに、本発明では、計測用加速度ピックアップ６により検出した信号を、前記可動部に入力される信号の周波数に同期した成分のみ抽出するように構成することが好ましい。

このような構成であれば、欠損やクラックなどの劣化診断や、老朽化に伴う診断をより正確に行うことができる。

本発明に係る非破壊検査装置によれば、手持移動が可能な小型振動発生機を用いており、計測を行うための段取りに多くの時間を要する必要がないことから、現場作業を短時間で容易に、かつ安価に行うことができる。

また、コンクリート構造物の表面に例えば繊維シートや鋼板などで補強がなされたものやアスファルト舗装が施されたものであったとしても、その補強物を剥離することなくそのままの状態で検査を行うことができる。

図１は本発明の好ましい実施の形態に係る非破壊検査装置の検査前の状態を示す概略図である。図２は本発明の好ましい実施の形態に係る非破壊検査装置の検査時の状態を示す概略図である。図３は繊維シートや鋼板などの補強がなされていない橋梁について検査を行った結果であり、図３（ａ）は、健全箇所の周波数応答を示すグラフ、図３（ｂ）は、劣化箇所の周波数応答を示すグラフである。図４は鋼板により補強がなされた橋梁について検査を行った結果であり、図４（ａ）は、健全箇所の周波数応答を示すグラフ、図４（ｂ）は、劣化箇所の周波数応答を示すグラフである。図５は繊維シート（炭素繊維シート）により補強がなされた橋梁について検査を行った結果であり、図５（ａ）は、健全箇所の周波数応答を示すグラフ、図５（ｂ）は、劣化箇所の周波数応答を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態（実施例）について説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る非破壊検査装置として使用された小型振動発生機４を、検査対象物２の上に待機させた状態を示す概略図で、図２は図１の小型振動発生機４を測定状態としたときの概略図である。

本実施例の小型振動発生機４を用いた非破壊検査では、小型振動発生機４から検査対象物２に振動を加え、その振動によって発生する振動データを、計測用加速度ピックアップ６により測定し、その測定結果に基づいて、検査対象物２の健全性を評価する。

検査対象物２としては、コンクリート構造物あるいはコンクリート構造物の表面が繊維シートや鋼板などで補強がなされたものやアスファルト舗装が施されたものであっても良い。
なお、本明細書において「コンクリート構造物」とは，セメント，水，骨材，混和材および混和剤により構成されるコンクリート、およびコンクリートに鉄筋が含まれる鉄筋コンクリート構造物の他に、プレストレストコンクリート構造物や、鉄骨や鋼管などを用いた鋼コンクリート複合構造物などを含む概念である。これらの構造物としては、橋梁、トンネル、桟橋、建築物（建物）、擁壁、水路、カルバート、駅構内のプラットホームなどの構造物、モニュメント、電柱、道路付属物（照明灯、標識、信号、ガードレール）、線路の枕木などを例示することができる。

また、小型振動発生機４は、磁路部材を有する固定部８と、橋梁などの検査対象物２に振動を付与する可動部１０と、加振制御用加速度ピックアップ２２と、計測用加速度ピックアップ６とを備えている。

固定部８は、例えば、鉄などから構成されたヨーク１８を備えている。なお、ヨーク１８には、永久磁石が備えられており、ヨーク１８に常時磁束を流している。

さらに、固定部８の側面には、検査対象物２上に配置された場合に、この小型振動発生機自体を自立可能に保持する所定長さの支持部材１２が所定間隔おきに取り付けられており、例えば、１２０度間隔で取り付けられている。これにより、固定部８と検査対象物２との離間距離は、検査前の状態で一定に設定されている。なお、これらの支持部材１２は、図１、２において、図面の煩雑さを避けるため、２本の支持部材１２は図示していない。

一方、可動部１０は、検査対象物２に振動を付与する略円筒状の振動伝達治具１０ａと、振動伝達治具１０ａの可動部に接続された駆動コイル２０とを備えており、また振動伝達治具１０ａの内部には、加振制御用加速度ピックアップ２２が収容されている。また、振動伝達治具１０ａの可動部および駆動コイル２０は、ヨーク１８の隙間に挿入されている。

駆動コイル２０は、ヨーク１８によって発生した磁界（静磁場）と直交するように取り付けられ、駆動コイル２０に交流電流を流すことによって、可動部１０を振動させることができる。なお、駆動コイル２０に流す交流電流の大きさを変えることによって、可動部１０に発生させる振動（加振力）の大きさをコントロールすることができる。

また、本実施例の小型振動発生機４では、可動部１０が吊下バネ２４により固定部８の略中央部に可動状態に保持されている。
さらに、本実施例の小型振動発生機４では、計測用加速度ピックアップ６が支持バネ１４により固定部８の側面部に可動状態に保持されている。なお、この支持バネ１４で保持された計測用加速度ピックアップ６の下端は、支持部材１２の下端より下方に位置しており、支持バネ１４は、図２のように固定部８を検査対象物２に押し付けた圧縮バネとして、その付勢力が機能する。

さらに、本実施例では、検査対象物２に当接する可動部１０の当接面、および検査対象物２に当接する計測用加速度ピックアップ６の当接面に、それぞれ緩衝部材として板状の緩衝部材１６が配設されている。なお、可動部１０から振動を検査対象物２に伝達し、また、加振制御用加速度ピックアップ２２及び計測用加速度ピックアップ６により検査対象物２の振動を検知するためには、緩衝部材１６の厚さは、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ程度とすることが好ましい。

これらの緩衝部材１６により、可動部１０と検査対象物２との間、および計測用加速度ピックアップ６と検査対象物２との間に、仮に不陸が生じているとしても、その不陸を吸収して両者を互いに密着させることが可能にされている。
なお、緩衝部材としては、ゲル状部材が好ましい。

本実施例に係る小型振動発生機４は上記のように構成されているが、以下に、コンクリート構造物である既設の橋梁を検査対象物２とし、この橋梁を検査する場合について説明する。

本実施例の非破壊検査装置としての小型振動発生機４は、質量が約２ｋｇであることから手持移動が容易であり、その加振力は、例えば５０Ｎ程度である。また、小型振動発生機４の図示しない制御装置には、入力ボタンの他、表示装置などが具備されている。

そして、検査対象物２の検査に先だって、検査対象物２の被計測部の表面をブラシなどで清掃する。清掃が完了した後、作業者は小型振動発生機４を手に持って、図２に示したように、検査対象物２における被計測部の上に、振動伝達治具１０ａと計測用加速度ピックアップ６とを載置し、その後、固定部８を押すことで振動伝達治具１０ａを検査対象物２に押し付ける。この状態では、計測用加速度ピックアップ６も圧縮された支持バネ１４の付勢力で検査対象物２に当接している。

さらに、固定部８の周囲に設けた３本の支持部材１２が、等間隔で検査対象物２に当接しているので、小型振動発生機４の姿勢は安定に保たれている。このようにして、小型振動発生機４の検査前の段取りが完了する。

その後、図示しない制御装置から駆動コイル２０に加振信号として正弦波信号（交流電流）を流し、振動伝達治具１０ａの加振を開始する。この時、加振制御用加速度ピックアップ２２により検査対象物２に入力される信号（入力信号）を検出するとともに、計測用加速度ピックアップ６により検査対象物２を伝播した信号（出力信号）を検出する。

なお、計測用加速度ピックアップ６により検出した出力信号は、入力信号の周波数のみに着目すればよいため、制御装置において、入力信号の周波数に同期した出力信号のみを抽出するようなデジタルフィルタ処理を行うように構成してもよい。

入力信号が定常状態となった後、検出した入力信号と出力信号とから、検査対象物２の周波数応答を計測するとともに、周波数応答からピーク周波数が探索され、周波数応答とピーク周波数が制御部に表示される。ピーク周波数が検査対象物２の固有振動数となる。

このように小型振動発生機４を用いて計測された検査対象物２の固有振動数を、例えば、前回計測したときの固有振動数やあるいは理論式によって計算された固有振動数と比較することにより、固有振動数の低下程度に基づいて構造物の劣化を判断し、これにより検査対象物２の健全性を判断することができる。

ここで、検査対象物２が橋梁であり、この橋梁を裏側から計測する場合は、人が小型振動発生機４を手に持って橋梁の裏側に回り、この裏側から押し当てる必要があるが、橋梁の表側すなわち道路側から計測する場合は、小型振動発生機４を例えば、移動台車に取り付けて、移動台車により道路を走行させながら、所定箇所で計測することも可能である。この場合、小型振動発生機４は移動台車に対し上下方向にスライド可能に取り付けすることが好ましい。

また、移動台車を用いる場合には、移動台車の前面に回転ブラシを装備し、被計測部の清掃を回転ブラシで行うこともできる。
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に何ら限定されない。

例えば、上記実施例では、制御装置から駆動コイル２０に入力される加振信号として正弦波信号を用いて定常的な加振を行っているが、正弦波に代え、下記のように生成されるランダム信号を用いることができる。

本実施例では、制御装置において加振信号を生成する信号処理部は、ＡＤ（Analog-Digital）部とＤＡ（Digital-Analog）部とデジタル演算部とからなる。まず、ＤＡ部から適宜な信号を一定量（１フレーム）出力し、電力増幅回路を介し増幅され、加振信号として駆動コイル２０に電流を流すことにより、可動部１０に振動を与える。

加振制御用加速度ピックアップ２２により検出した信号をＡＤ部に取り込み、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）をしてカレントＰＳＤ（Power Spectral Density）値を演算する。

次いで、ＡＤ部とＤＡ部のスペクトラムから伝達関数を算出し、事前に定められた制御すべき周波数帯域とパワースペクトル密度（合わせて目標ＰＳＤと呼ぶ）から次の信号出力スペクトラムを算出する。

その結果をＩＦＦＴ（Inverse FFT）によって時間軸データに変換する。その際、各周波数成分の位相はランダムに配分する。その事により時間軸データはランダム化される。ランダム化された時間軸データはＤＡ部へ転送する。

以上のＤＡ部への信号の転送は１フレーム毎に行われ、しかも切れ目なく繰り返される。なお、伝達関数やカレントＰＳＤなどは指数平均化して算出する。これにより、統計的自由度を上げ、収束精度を向上させることができる。

このようにして信号処理部により生成されたランダム信号を用いて、可動部１０を振動させる場合には、計測用加速度ピックアップ６によって検出された信号はＡＤ部に入力され、ＦＦＴが行われた後、指数平均化され、そのＰＳＤピーク値から検査対象物２の固有振動数が探索される。

例えば、１０ｋＨｚレンジ４００分解能（２５Ｈｚ分解能）で、１フレーム４０ｍｓとした場合、指数平均回数を６４回とすれば、約２．６秒後には計測が完了することになる。

一方で、正弦波信号を用いた場合には、掃引完了までの演算量が多いため、約１５秒程度の時間を要することになり、ランダム信号を用いた方がより迅速に計測することができ、検査効率を向上させることができる。

さらに本発明では、計測用加速度ピックアップ６による振動試験データを波形処理してコンクリート構造物の状態を、音色として再生することもできる。このような処理を行えば、計測者が音の高さを聞き取ることによって、コンクリート構造物の損傷度をリアルタイムで判定することができる。

また、本発明では、橋梁のようなコンクリート構造物そのものの損傷度を検査することができるのは勿論のこと、コンクリート構造物の裏側にある土の空洞化をも探査が可能である。

さらに、本発明では、コンクリート構造物の表面に繊維シートや鋼板などで補強がなされたものやアスファルト舗装が施されたものであるとしても、内部損傷の検知が可能である。

また、上記実施例では、橋梁の検査について説明したが、本発明は、勿論他のコンクリート構造物にも適用可能であり、例えば、橋梁、トンネル、桟橋、建築物（建物）、擁壁、水路、カルバート、駅構内のプラットホームなどの構造物、モニュメント、電柱、道路付属物（照明灯、標識、信号、ガードレール）、線路の枕木などの検査にも有効に適用することができる。

図３〜図５に、本実施例の小型振動発生機４を用いて、各種コンクリート構造物の非破壊検査を行った際の周波数応答を示す。

図３は、繊維シートや鋼板などの補強がなされていない橋梁について検査を行った結果であり、図３（ａ）は、健全箇所の周波数応答を示すグラフ、図３（ｂ）は、劣化箇所の周波数応答を示すグラフである。

この検査結果においては、健全箇所の固有振動数（ピーク周波数）は６５７２Ｈｚ、劣化箇所の固有振動数（ピーク周波数）は１１３６Ｈｚであった。

図４は、鋼板により補強がなされた橋梁について検査を行った結果であり、図４（ａ）は、健全箇所の周波数応答を示すグラフ、図４（ｂ）は、劣化箇所の周波数応答を示すグラフである。

この検査結果においては、健全箇所の固有振動数（ピーク周波数）は２３７１Ｈｚ、劣化箇所の固有振動数（ピーク周波数）は１２６２Ｈｚであった。

図５は、繊維シート（炭素繊維シート）により補強がなされた橋梁について検査を行った結果であり、図５（ａ）は、健全箇所の周波数応答を示すグラフ、図５（ｂ）は、劣化箇所の周波数応答を示すグラフである。

この検査結果においては、健全箇所の固有振動数（ピーク周波数）は７３８５Ｈｚ、劣化箇所の固有振動数（ピーク周波数）は４６１４Ｈｚであった。

図３〜５に示すように、繊維シートや鋼板などの補強の有無によらず、橋梁の健全箇所と比べて劣化箇所の周波数応答では、固有振動数（ピーク周波数）が低下していることがわかる。

このことから、本実施例の小型振動発生機４を用いた非破壊検査では、計測された固有振動数を、前回計測したときの固有振動数やあるいは理論式によって計算された固有振動数と比較することにより、固有振動数の低下程度に基づいてコンクリート構造物の劣化を判断することができる。

２検査対象物
４小型振動発生機
６計測用加速度ピックアップ
８固定部
１０可動部
１０ａ振動伝達治具
１２支持部材
１４支持バネ
１６緩衝部材
１８ヨーク
２０駆動コイル
２２加振制御用加速度ピックアップ
２４吊下バネ

Claims

コンクリート構造物などの検査対象物（２）に小型振動発生機（４）により振動を加え、この小型振動発生機（４）から加えられた振動によって発生する前記検査対象物（２）からの振動データを、計測用加速度ピックアップ（６）により測定し、その測定結果に基づいて前記検査対象物（２）の健全性を評価する非破壊検査装置であって、
前記小型振動発生機（４）は、磁路部材を有する固定部（８）と、前記検査対象物（２）に振動を付与する可動部（１０）と、を備え、
前記磁路部材は、永久磁石が備えられたヨーク（１８）を有することで、常時磁束が流れており、
前記可動部（１０）は、前記ヨーク（１８）の隙間に挿入される駆動コイル（２０）を備え、
前記駆動コイル（２０）に交流電流を流すことにより、前記可動部（１０）が振動するように構成され、
前記計測用加速度ピックアップ（６）は、支持バネ（１４）を介して前記固定部（８）に支持されるとともに、前記可動部（１０）は吊下バネ（２４）を介して前記固定部（８）に支持されており、
前記可動部（１０）の前記検査対象物（２）に対する当接面、および前記計測用加速度ピックアップ（６）の前記検査対象物（２）に対する当接面に、それぞれ緩衝部材（１６）を配設し、前記可動部（１０）と前記検査対象物（２）との間、および前記計測用加速度ピックアップ（６）と前記検査対象物（２）との間を密着させることを特徴とするコンクリート構造物の非破壊検査装置。
前記固定部（８）には、自立可能に保持する所定長さの支持部材（１２）が取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の非破壊検査装置。
前記緩衝部材（１６）の厚さは、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の非破壊検査装置。
前記可動部（１０）に入力される信号が、正弦波信号であることを特徴とする請求項１に記載の非破壊検査装置。
前記可動部（１０）に入力される信号が、ランダム信号であることを特徴とする請求項１に記載の非破壊検査装置。
前記計測用加速度ピックアップ（６）により検出した信号を、前記可動部に入力される信号の周波数に同期した成分のみ抽出するように構成することを特徴とする請求項１に記載の非破壊検査装置。
前記緩衝部材（１６）が、ゲル状部材であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の非破壊検査装置。