JP6338282B2

JP6338282B2 - Ｐｃ構造物の診断方法

Info

Publication number: JP6338282B2
Application number: JP2014238287A
Authority: JP
Inventors: 青木　圭一; 圭一青木; 宮永　憲一; 憲一宮永
Original assignee: 中日本高速道路株式会社; 西日本高速道路株式会社; 東日本高速道路株式会社; 株式会社高速道路総合技術研究所
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2018-06-06
Anticipated expiration: 2034-11-25
Also published as: JP2016099294A

Description

本発明は、プレストレストコンクリートを用いた構造物（ＰＣ構造物）の健全性評価の指標を与える診断方法に関し、特に、既存のＰＣ構造物の一つである橋梁（ＰＣ橋）の緊張材として用いられている鋼材（ＰＣ鋼材）の状態確認に好適な診断方法に関する。

従来、大きな荷重が頻繁に加わる道路橋、鉄道橋等には、ＰＣ鋼材を埋設したプレストレストコンクリートが用いられている。特許文献１には、このようなＰＣ構造物に埋設されたＰＣ鋼材の破断を監視する監視システムが開示されている。

この監視システムは、ＰＣ構造物中を伝播する弾性波を検出するセンサと、このセンサが検出した弾性波に関するデータを記憶するメモリと、このセンサが基準値を越える弾性波を検出した場合に警告表示を行う制御部と、メモリに記憶された弾性波に関するデータを出力する通信用ポートと、を備えた２個１組の測定ユニットが、ＰＣ構造物の表面に１組以上設置され、各組における２個の測定ユニット間で同期をとり、各測定ユニットのメモリに記憶された弾性波に関するデータを、通信用ポートを介して適宜収集できるように構成されている。この監視システムによれば、ＰＣ鋼材が破断した際に解放されるエネルギーによって基準値を超える弾性波が検出された場合に警告表示することができ、これを受けて管理者は、各測定ユニットから弾性波のデータを収集して解析することにより、ＰＣ鋼材の破断状況を診断することができる。

特開２００４−０６１４３２号

しかしながら、特許文献１に記載の監視システムでは、ＰＣ構造物に１組以上の測定ユニットを常設して、弾性波を継続的に監視しなければならない。また、ＰＣ構造物に大きな衝撃が加わった場合等、ＰＣ鋼材が破断した場合以外であっても、基準値を超える弾性波が生じる可能性があるため、いずれかの測定ユニットで基準値を超える弾性波が検出された場合に、各測定ユニットに記憶された弾性波のデータを収集・解析して、ＰＣ鋼材の状態を評価する必要がある。このため、ＰＣ構造物の健全性の診断にコストと時間がかかる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より低コストで効率よく、ＰＣ鋼材の状態を診断することが可能なＰＣ構造物の診断方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、ＰＣ構造物で測定される振動波形の減衰特性を、ＰＣ鋼材に破断のない状態のＰＣ構造物に対して予め同条件で測定しておいた振動波形の減衰特性と比較することにより、ＰＣ鋼材の状態を診断する。

例えば、本発明は、ＰＣ構造物に埋設されたＰＣ鋼材の状態を診断するＰＣ構造物の診断方法であって、
前記ＰＣ構造物の所望の位置に設定された測定位置で検知される振動波形の減衰特性を診断対象値として測定する測定工程と、
前記測定工程に先立ち、前記ＰＣ鋼材に破断のない状態において前記測定位置で検出される振動波形の減衰特性を基準値として測定する予備工程と、
前記測定工程により測定された診断対象値を、前記予備工程により測定された基準値と比較することにより、前記ＰＣ鋼材の状態を診断する診断工程と、を有する。

本発明者は、ＰＣ構造物の振動波形の減衰特性が、ＰＣ構造物に埋設されたＰＣ鋼材の破断の有無で相違することを見出した。本発明では、ＰＣ構造物で測定される振動波形の減衰特性を、ＰＣ鋼材に破断のない状態のＰＣ構造物に対して予め同条件で測定しておいた振動波形の減衰特性と比較することにより、ＰＣ鋼材の状態を診断する。このため、振動波形の減衰特性を測定するときにのみ、ＰＣ構造物の振動を検出するための装置（加速度センサ）を稼働すればよく、これらの装置を常時稼働しておく必要がない。したがって、本発明によれば、より低コストで効率よくＰＣ鋼材の状態を診断することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係るＰＣ構造物の診断方法を説明するためのフロー図である。図２（Ａ）は、図１の予備工程Ｓ１を説明するためのフロー図であり、図２（Ｂ）は、図１の測定工程Ｓ３を説明するためのフロー図である。図３（Ａ）は、載荷・振動試験に用いたポストテンション単純Ｔ桁橋１の一部省略した正面図であり、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は、図３（Ａ）に示すポストテンション単純Ｔ桁橋１のＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。図４は、本発明者が実施した載荷・振動試験を説明するための図である。図５（Ａ）は、ＰＣ鋼撚り線２が１本も切断されていない状態で実施された載荷・振動試験により測定された減衰振動波形を表した図であり、図５（Ｂ）は、ＰＣ鋼撚り線２が３本切断された状態で実施された載荷・振動試験により測定された減衰振動波形を表した図である。図６は、載荷・振動試験によりポストテンション単純Ｔ桁橋１の各位置ＣＨ１〜ＣＨ４で測定された減衰振動波形の対数減衰率を表した図である。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。

本実施の形態に係るＰＣ構造物の診断方法により、ＰＣ橋等、既存のＰＣ構造物に埋設されたＰＣ鋼材の状態を診断する。

図１は、本実施の形態に係るＰＣ構造物の診断方法を説明するためのフロー図である。

図示するように、本実施の形態に係るＰＣ構造物の診断方法は、ＰＣ構造物の竣工時等、ＰＣ構造物に埋設されたＰＣ鋼材に破断のない健全な状態において実施される予備工程Ｓ１と、定期点検、臨時点検等の点検時期が到来した場合（Ｓ２でＹＥＳ）に順番に実施される測定工程Ｓ３および診断工程Ｓ４と、を有する。

図２（Ａ）は、図１の予備工程Ｓ１を説明するためのフロー図である。

まず、診断対象となるＰＣ構造物に起振器および加速度センサを設置する（Ｓ１１）。ここで、加速度センサは、起振器からＰＣ構造物に埋設されたＰＣ鋼材に伝搬する振動エネルギーのロスが少ない１か所以上の位置に設置することが好ましい。一方、起振器は、ＰＣ構造物に埋設されたＰＣ鋼材に振動を加えることができる位置に設置すればよく、例えばＰＣ鋼材の中央部からＰＣ鋼材長さの１／４までの範囲の任意の位置に設置される。

つぎに、起振器を動作させ、所定の加振時間、所定周波数および所定加振力でＰＣ構造物を例えば鉛直方向に起振する（Ｓ１２）。ここで、ＰＣ構造物がＰＣ橋である場合、ＰＣ橋に発生させる振動は、車両が走行することにより発生する振動を模したものであることが好ましい。また、起振器による起振開始から所定時間経過によりタイムアウトするまでの間、加速度センサを動作させる。そして、その期間中に加速度センサで逐次検出された加速度に基づいて、起振停止後のＰＣ構造物の減衰振動波形を測定する（Ｓ１３）。それから、起振停止後の減衰振動の減衰特性を表すパラメータとして、例えば、測定した減衰振動波形の隣り合う振幅の比の自然対数である対数減衰率を算出し、これを基準値に設定する（Ｓ１４）。

図２（Ｂ）は、図１の測定工程Ｓ３を説明するためのフロー図である。

まず、予備工程Ｓ１にてＰＣ構造物に設置しておいた起振器を動作させ、予備工程Ｓ１の場合と同じ起振条件（加振時間、加振力、周波数）でＰＣ構造物を起振する（Ｓ３１）。また、起振器による加振開始から予備工程Ｓ１の場合と同じ所定時間経過によりタイムアウトするまでの間、予備工程Ｓ１にてＰＣ構造物に設置しておいた加速度センサを動作させる。そして、その期間中に加速度センサで逐次検出された加速度に基づいて、起振停止後のＰＣ構造物の減衰振動波形を測定する（Ｓ３２）。それから、予備工程Ｓ１と同様に対数減衰率を算出し、これを、ＰＣ鋼材の健全性を表す指標となる診断対象値に設定する（Ｓ３３）。

診断工程Ｓ４では、測定工程Ｓ３にて設定された診断対象値を、予備工程Ｓ１にて設定された基準値と比較することにより、ＰＣ構造物に埋設されたＰＣ鋼材の状態を診断する。例えば、基準値に対する診断対象値の比率（診断対象値／基準値）、基準値と診断対象値との差分（診断対象値−基準値）等、基準値に対する診断対象値の変動を表す値が所定値未満である場合、ＰＣ構造物全体としてのＰＣ鋼材の状態を健全と評価する。また、基準値に対する診断対象値の変動の大きさを表す値が所定値以上である場合には、ＰＣ鋼材に破断の可能性があると判断するとともに、その値に基づいて破断の程度（何本破断したか）を推定する。

なお、ここでは、予備工程Ｓ１においてＰＣ構造物に設置した起振器および加速度センサを測定工程Ｓ３においてもそのまま利用しているが、予備工程Ｓ１の終了時にこれらをＰＣ構造物から撤去するようにしてもよい。そして、測定工程Ｓ３の都度、予備工程Ｓ１の場合と同じ設置位置に起振器および加速度センサを設置してＳ３１〜Ｓ３３を行い、測定工程Ｓ３の終了時にこれらをＰＣ構造物から撤去してもよい。

また、ＰＣ構造物に振動を発生させるために起振器を用いているが、本発明はこれに限定されない。例えばＰＣ構造物がＰＣ橋である場合、ＰＣ橋を走行している車両によって発生する振動を利用してもよい。

本発明者は、ＰＣ構造物の載荷・振動試験を行った。

図３（Ａ）は、載荷・振動試験に用いたＰＣ構造物の一部省略した正面図であり、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は、図３（Ａ）に示すＰＣ構造物のＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。

図示するように、本発明者は、試験対象のＰＣ構造物として、１２φ７ｍｍのＰＣ鋼撚り線２が５本配置されたポストテンション単純Ｔ桁橋１を用いた。このポストテンション単純Ｔ桁橋１は、桁長方向の一方の端部１１が可動支承により支持され、他方の端部１２が固定支承により支持されている。ポストテンション単純Ｔ桁橋１におけるＰＣ鋼撚り線２の配置位置を含むポストテンション単純Ｔ桁橋１の各寸法は、表１に示す通りである。

図４は、ＰＣ構造物の載荷・振動試験を説明するための図である。

図示するように、ポストテンション単純Ｔ桁橋１の下面１４には、可動支承による支持位置１１から、支間距離Ｌ２の約１／４の距離の地点（第１地点）ＣＨ１、支間距離Ｌ２の約２／４の距離の地点（第２地点、桁長方向中央部）ＣＨ２、および支間距離Ｌ２の約３／４の距離の地点（第３地点）ＣＨ３のそれぞれに加速度センサ４を設置する。また、ポストテンション単純Ｔ桁橋１の上面１３には、第２地点ＣＨ２と第３地点ＣＨ３との間の任意の位置（第４地点）ＣＨ４に起振器３を設置するとともに、この起振器３に加速度センサ４を設置する。そして、ポストテンション単純Ｔ桁橋１の上面１３において、第２地点ＣＨ２を真中に挟んで距離Ｄ（ここでは２００ｍｍ）離れた２地点のそれぞれに静的荷重Ｐ／２を加えた状態において、起振器３を動作させ、周波数６〜７Ｈｚの振動を所定の加振力で約５秒間加えるとともに、起振器３による起振開始から約２０秒を経過するまでの間、その期間中に加速度センサ４各々で逐次検出される加速度に基づいて、位置ＣＨ１〜ＣＨ４における起振停止後の減衰振動波形を測定する。

このような載荷・振動試験を、ポストテンション単純Ｔ桁橋１に埋設されているＰＣ鋼撚り線２が１本も切断されていない状態から、ＰＣ鋼材２の破損を模擬してＰＣ鋼材２を１本ずつ切断しながら最終的に４本のＰＣ鋼材２が切断された状態となるまでの各状態について行った。なお、ＰＣ鋼撚り線２の切断は、ポストテンション単純Ｔ桁橋１の桁長方向中央部ＣＨ２をコア削孔することにより行った。

図５（Ａ）は、すべてのＰＣ鋼撚り線２が健全である状態を模擬してＰＣ鋼撚り線２が１本も切断されていない状態で実施された載荷・振動試験により測定された減衰振動波形５０を表した図であり、図５（Ｂ）は、ＰＣ鋼撚り線２が３本切断された状態で実施された載荷・振動試験により測定された減衰振動波形５１を表した図である。ここで、縦軸は加速度（ｍ／ｓ^２）を表しており、横軸は時間（ｓｅｃ）を表している。なお、減衰振動波形５０、５１の測定位置（加速度センサ４の設置位置）は、桁長方向中央部ＣＨ２である。また、図では、波形の形状を分かりやすくするために、実際に測定された減衰振動波形よりも波長を長くして（周波数を低く）表示している。

図５（Ｂ）に示すＰＣ鋼撚り線２が３本切断された状態で測定された減衰振動波形５１は、図５（Ａ）に示すＰＣ鋼撚り線２が１本も切断されていない状態で測定された減衰振動波形５０に比べて、起振器３による起振停止後（５秒経過後）における減衰が大きく、急激に振幅が小さくなっている。

図６は、載荷・振動試験によりポストテンション単純Ｔ桁橋１の各地点ＣＨ１〜ＣＨ４で測定された起振停止後の減衰振動波形の対数減衰率を表した図である。ここで、符号６０ａ〜６０ｅは第１地点ＣＨ１で測定された減衰振動波形の対数減衰率を表すグラフであり、符号６１ａ〜６１ｅは第２地点ＣＨ２で測定された減衰振動波形の対数減衰率を表すグラフであり、符号６２ａ〜６２ｅは第３地点ＣＨ３で測定された減衰振動波形の対数減衰率を表すグラフであり、符号６３ａ〜６３ｅは第４地点ＣＨ４で測定された減衰振動波形の対数減衰率を表すグラフである。また、各符号の添え字ａは、ＰＣ鋼撚り線２が１本も切断されていない状態で測定された減衰振動波形の対数減衰率を表しており、添え字ｂは、ＰＣ鋼撚り線２が１本切断された状態で測定された減衰振動波形の対数減衰率を表しており、添え字ｃは、ＰＣ鋼撚り線２が２本切断された状態で測定された減衰振動波形の対数減衰率を表しており、添え字ｄは、ＰＣ鋼撚り線２が３本切断された状態で測定された減衰振動波形の対数減衰率を表しており、そして、添え字ｅは、ＰＣ鋼撚り線２が４本切断された状態で測定された減衰振動波形の対数減衰率を表している。

図示するように、ポストテンション単純Ｔ桁橋１のいずれの地点ＣＨ１〜ＣＨ４においても、起振停止後の減衰振動波形の対数減衰率がＰＣ鋼撚り線２の切断本数が増加するにしたがい増加し、ＰＣ鋼撚り線２が３本以上切断された状態で測定された減衰振動波形の対数減衰率は、ＰＣ鋼撚り線２が１本も切断されていない状態で測定された減衰振動波形の対数減衰率に対して有意な差異がみられた。特に、起振器３が設置されている第４地点ＣＨ４では、ＰＣ鋼撚り線２が２本切断された状態で測定された減衰振動波形の対数減衰率についても、ＰＣ鋼撚り線２が１本も切断されていない状態で測定された減衰振動波形の対数減衰率に対して有意な差異がみられた。なお、実験では、ＰＣ鋼撚り線２が５本配置されたポストテンション単純Ｔ桁橋１を用いているが、ＰＣ鋼材の配置本数が少ないＰＣ構造物を用いた場合、より少ない本数のＰＣ鋼材が破断した場合でも、ＰＣ構造物のプレストレス量が変化し、ＰＣ鋼材が１本も切断されていない状態で測定された減衰振動波形の対数減衰率に対して有意な差異が生じると考えられる。

このことから、ＰＣ構造物を起振し、その際にＰＣ構造物で検出される起振停止後の振動波形の減衰特性が、ＰＣ構造物に埋設されたＰＣ鋼材の破断の有無で相違するため、起振停止後の減衰振動の減衰特性を表すパラメータを、ＰＣ鋼材の健全性の表す指標として用いることによって、ＰＣ構造物全体としてのＰＣ鋼材の状態を定量的に評価可能であることが分かった。また、点検時に測定された振動波形の減衰特性と、ＰＣ鋼材が破断していない状態で予め測定された振動波形の減衰特性との比較により、ＰＣ鋼材の破断の程度（何本破断したか）を推定できることが分かった。

以上、本発明の一実施の形態を説明した。

本実施の形態では、ＰＣ構造物を起振し、起振停止後のＰＣ構造物で測定される振動波形の減衰特性を、ＰＣ鋼材に破断のない状態のＰＣ構造物に対して予め同条件で測定しておいた振動波形の減衰特性と比較することにより、ＰＣ鋼材の状態を診断する。このため、振動波形の減衰特性を測定するときにのみ、起振器３および加速度センサ４を稼働すればよく、これらの装置を常時稼働しておく必要がない。また、起振停止後の振動波形の減衰特性を表すパラメータを、ＰＣ鋼材の健全性を表す指標として用いて、ＰＣ構造物全体としてＰＣ鋼材の状態を定量的に診断するようにすれば、ＰＣ構造物のプレストレス状態を効率的に把握することができる。したがって、本実施の形態によれば、より低コストで効率よくＰＣ鋼材の破断状態を診断することができる。

なお、上記の実施の形態では、起振停止後の減衰振動の減衰特性を表すパラメータとして、振動波形の減衰特性として対数減衰率を用いているが、本発明はこれに限定されない。例えば、振動波形の振幅が所定値（加振終了時の振幅の数％）以下となるまでに要する時間、減衰比等を振動波形の減衰特性を表す数値として用いてもよい。

１：ポストテンション単純Ｔ桁橋、２：ＰＣ鋼撚り線、３：起振器、４：加速度センサ、１１、１２：ポストテンション単純Ｔ桁橋１の桁長方向端部、１３：ポストテンション単純Ｔ桁橋１の上面、１４：ポストテンション単純Ｔ桁橋１の下面

Claims

ＰＣ構造物に埋設されたＰＣ鋼材の状態を診断するＰＣ構造物の診断方法であって、
前記ＰＣ構造物の所望の位置に設定された測定位置で検知される振動波形の減衰特性を診断対象値として測定する測定工程と、
前記測定工程に先立ち、前記ＰＣ鋼材に破断のない状態において前記測定位置で検出される振動波形の減衰特性を基準値として測定する予備工程と、
前記測定工程により測定された診断対象値を、前記予備工程により測定された基準値と比較することにより、前記ＰＣ鋼材の状態を診断する診断工程と、を有する
ことを特徴とするＰＣ構造物の診断方法。
請求項１に記載のＰＣ構造物の診断方法であって、
前記測定位置に設置された加速度センサにより検出された加速度に基づいて、前記振動波形の減衰特性を測定する
ことを特徴とするＰＣ構造物の診断方法。
請求項１または２に記載のＰＣ構造物の診断方法であって、
前記振動波形の減衰特性として対数減衰率を用いる
ことを特徴とするＰＣ構造物の診断方法。
請求項１ないし３のいずれか一項に記載のＰＣ構造物の診断方法であって、
前記予備工程および前記測定工程は、
前記ＰＣ構造物の所望の位置に設定された加振位置に所定の振動を加えて、前記測定位置で検出される振動波形の減衰特性を測定する
ことを特徴とするＰＣ構造物の診断方法。