JPWO2016194375A1 - 橋梁異常検知装置 - Google Patents

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Abstract

橋梁異常検知装置は、複数の支承121によって支えられた鉄道橋梁の上部構造110に、幅方向に配置された一対の支承121に対応して設置された一対の振動センサ151と、一対の振動センサ151の出力信号の差に基づいて異常信号を出力する検出回路181と、異常信号を受け、外部に異常を通知する出力回路とを備えている。振動センサ151は、鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動の周波数帯域において発電する振動発電素子であり、検出回路181の駆動電力は、振動発電素子から供給される。

Description

本開示は、鉄道橋梁の異常を検知する橋梁異常検知装置、検知方法及び監視システムに関する。
鉄道橋梁は、一般に橋台の上に設けられた少なくとも4つの支承により橋桁等の上部構造を支持している。竣工時には、各支承が均等に上部構造を支えるように設計されているが、支承と上部構造との間は固定されていないため、地盤沈下等が生じると各支承に加わる荷重が不均等になり、やがて一部の支承と上部構造との間に隙間が生じる。支承と上部構造との間に隙間が生じると、列車通過時に上部構造にがたつきが生じ、異常振動が発生する。異常振動は騒音の原因となるだけでなく、橋梁の損壊の原因ともなる。
しかし、定期的に巡回して橋梁の異常を調査することは、多大な労力を要する。このため、センサ等を用いて橋梁の異常を検知し、監視することも検討されている(例えば特許文献1を参照。)。
特開平7−128182号公報
しかしながら、支承の近くにセンサを設置して監視をしようとすると、以下のような問題が生じる。支承は容易に近づくことができない箇所に設けられていることが多い。このため、支承近くに設置したセンサの電池交換は容易ではなく、定期的に電池交換を行うことにすると、人力による監視とほぼ同様の工数が必要となる。一方、センサに電力供給を行う配線を設ける場合には、膨大なコストが必要となる。
本開示の課題は、橋梁に発生する異常振動を電池又は電源配線を設けることなく監視可能な橋梁異常検知装置を実現できるようにすることである。
本開示の橋梁異常検知装置の第1の態様は、複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された一対の支承に対応して設置された一対の振動センサと、一対の振動センサの出力信号の差に基づいて異常信号を出力する検出回路と、異常信号を受け、外部に異常を通知する出力回路とを備え、振動センサは、鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動の周波数帯域において発電する振動発電素子であり、検出回路の駆動電力は、振動発電素子から供給される。
橋梁異常検知装置の第1の態様において、検出回路は、振動センサの出力により充電される第1の容量素子及び第2の容量素子と、出力信号の差を求める演算回路とを有し、第1の容量素子は、演算回路を駆動する電力を蓄積し、第2の容量素子は、演算回路に入力する信号を生成する構成としてもよい。
橋梁異常検知装置の第2の態様は、複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された2つの支承に対応して設置された一対の振動センサと、一対の振動センサの出力信号の差に基づいて異常信号を出力する検出回路と、異常信号を受け、外部に異常を通知する出力回路とを備え、鉄道橋梁の上部構造に設置され、検出回路の駆動電力を供給する、電力供給用振動発電素子と備え、振動センサは、鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動の周波数帯域において発電する振動発電素子である。
橋梁異常検知装置の第1及び第2の態様において、振動発電素子は、圧電素子と一体となった板バネと、板バネに取り付けられた第1の質量部材とを含む第1の振動系、及び第1の振動系が取り付けられた第2の質量部材と、第2の質量部材と上部構造との間に設けられた弾性部材とを含む第2の振動系を有し、第1の振動系の共振周波数及び第2の振動系の共振周波数は、異常振動の周波数帯域に含まれている構成としてもよい。
橋梁異常検知装置の第1及び第2の態様において、検出回路は、出力信号の差を経時的に記憶し、出力信号の差の経時変化があらかじめ設定した変化率を超えた場合に異常信号を出力する構成としてもよい。
橋梁異常検知装置の第1及び第2の態様において、検出回路と、出力回路とは、無線接続されていてもよい。
橋梁異常検知装置の第1及び第2の態様において、出力回路は、走行する列車に搭載されたカメラにより撮影される位置に配置され、異常信号に基づいて発光する発光装置を有していてもよい。
橋梁異常検知装置の第1及び第2の態様において、出力回路は、無線通信回路を有していてもよい。
橋梁異常監視システムの一態様は、鉄道橋梁に発生した異常を検知する橋梁異常検知装置と、鉄道橋梁を走行する列車に搭載され橋梁異常検知装置を監視する監視装置とを備え、橋梁異常検知装置は、複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された一対の支承にそれぞれ対応して設置された一対の振動センサと、一対の振動センサの出力信号の差に基づいて異常信号を出力する検出回路と、異常信号を受け、外部に異常を通知する出力回路とを有し、振動センサは、鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動の周波数帯域において発電する振動発電素子であり、検出回路の駆動電力は、振動発電素子から供給される。
橋梁異常監視システムの一態様において、出力回路は、異常時に発光素子を発光させ、監視装置は、列車に搭載され、発光素子の発光の有無を確認するカメラとすることができる。
橋梁異常検知方法の第1の態様は、複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された一対の支承に対応して設置された一対の振動センサの出力の差分を求め、差分の値に応じて異常を判断する。
橋梁異常検知方法の第2の態様は、複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された一対の支承に対応して設置された一対の振動センサの出力の差分の経時変化を求め、経時変化の値に応じて異常を判断する。
本開示の橋梁異常検知装置によれば、橋梁に発生する異常振動を電池又は電源配線を設けることなく検知できる。
図1は一実施形態に係る橋梁異常検知装置の設置例を示す図である。 図2Aは正常な支承付近に生じる振動の周波数分布を示すグラフである。 図2Bは隙間のある支承付近に生じる振動の周波数分布を示すグラフである。 図2Cは図2Bのスペクトルから図2Aのスペクトルを引いた差分である。 図3は橋梁異常検知装置に用いる振動センサの一例を示す図である。 図4は橋梁異常検知装置に用いる振動センサの一例を示す図である。 図5Aは正常な支承付近に配置した振動センサの出力例を示すグラフである。 図5Bは隙間のある支承付近に配置した振動センサの出力例を示すグラフである。 図5Cは図5Bのスペクトルから図5Aのスペクトルを引いた差分である。 図6は検出回路の一例を示すブロック図である。 図7は橋梁異常監視システムの一例を示す図である。 図8は橋梁異常検知装置の変形例を示すブロック図である。
本実施形態の橋梁異常検知装置は、図1に示すように鉄道橋梁の上部構造110に設置された一対の振動センサ151(151A、151B)と、振動センサ151Aの出力と振動センサ151Bの出力とが入力され、入力された値の差に応じて異常を発報する検出回路181とを有している。
上部構造110は、橋台120の上に配置された支承121により支持されている。振動センサ151A、151Bは、それぞれ幅方向に配置された2つの支承121(121A、121B)に対応して配置されている。つまり、振動センサ151Aは、支承121Aの異常により生じる異常振動の影響を振動センサ151Bよりも強く受ける位置に配置され、振動センサ151Bは、支承121Bの異常により生じる異常振動の影響を振動センサ151Aよりも強く受ける位置に配置されている。
具体的には、振動センサ151Aは、振動センサ151Bよりも支承121Aに近い位置に配置され、振動センサ151Bは、振動センサ151Aよりも支承121Bに近い位置に配置されている。また、支承121Aと支承121Bとの対称軸に対し、振動センサ151Aと振動センサ151Bとが対称に配置されることが好ましい。このようにすれば、支承121Aと支承121Bとにほぼ均等に荷重が加わり、異常振動が発生していない場合には、振動センサ151Aと振動センサ151Bとがほぼ同じ値を出力するようにできる。但し、出力の補正等を行えば、振動センサ151Aと振動センサ151Bとが、支承121Aと支承121Bとの対称軸に対して対称に配置されていなくてもよい。また、振動センサ151Aと振動センサ151Bとの配置位置を決める際には、鉄道橋脚全体の構造の影響等を考慮することができる。
振動センサ151は、鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動の周波数帯域において発電する振動発電素子である。ここでいう鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動とは、地盤沈下等により、上部構造110から各支承121に加わる荷重のバランスがくずれ、がたつきが発生することに起因する振動である。
異常振動の周波数帯域は、橋脚の構造、走行する列車の重量及び速度等により変化するが、通常は200Hz以下であり、多くの場合150Hz以下であり、より典型的には120Hz以下である。図2A〜図2Cは、橋梁を列車が通過する際の振動を測定した結果を示している。図2Aは正常な支承付近の振動を示し、図2Bは隙間のある支承付近の振動を示し、図2Cは図2Bに示すスペクトルから図2Aに示すスペクトルを引いた差分を示している。列車の時速は約70kmであり、振動加速度は加速度センサにより測定した。列車の通過により通常発生する200Hz以上の振動においては、図2Bに示す隙間のある支承付近の振動加速度と、図2Aに示す正常な支承付近の振動加速度に明確な差は確認できず、図2Cに示す差分の値はランダムに正負に振れている。一方、200Hz以下の振動においては、図2Cに示すよう差分の値が正の側に偏っており、隙間のある支承付近において、正常な支承付近よりも大きな振動が生じている。
振動センサ151は、例えば図3に示すような構造のものを用いることができる。具体的に、一端が固定部材165に固定され、他端に質量部材163が固定された板バネ162と、板バネ162に固定された圧電素子164とを有する、片持ち梁構造を有する振動発電素子とすることができる。質量部材163及び板バネ162とを有する振動系161の共振周波数が異常振動の周波数帯域となるように質量部材163の質量等を調整する。固定部材165を上部構造110に固定すると、上部構造110の振動に応じて板バネ162に設けられた圧電素子164が変形し、圧電素子164の変形の大きさに応じた電圧が発生する。
圧電素子164は、例えば圧電体層168と、圧電体層168の両面にそれぞれ設けられた上部電極167及び下部電極169を有する構成とすることができる。上部電極167及び下部電極169に配線を接続することにより、圧電体層168において発生した電圧を取り出すことができる。図3においては、上部電極167に接続された配線167Aと下部電極169に接続された配線169Aとを介して、負荷180が接続されている。負荷180は、抵抗、コンデンサ及び整流回路などを含む。圧電体層168は、例えばセラミクス材料又は単結晶材料等からなる膜とすることができる。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、窒化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等からなる膜とすることができる。圧電体層168は、圧縮応力を付与した膜とすることができる。これにより、圧電体層168を大きく変形させることが可能となる。
図3においては、圧電素子164が板バネ162の両面に設けられている例を示しているが、板バネ162の片面にだけ設けることもできる。図3において、固定部材165が橋梁の上部構造110に直接接続されている例を示しているが、上部構造110から固定部材165に振動を伝えることができれば、上部構造110と固定部材165との間に他の部材が介在していてもよい。また、振動発電素子を囲むケース等を設けることができる。
また、振動センサ151を図4に示すように、固定部材165が、質量部材172及び弾性部材173を介して上部構造110に固定された振動発電素子とすることもできる。図4においては質量部材172が振動系161を収容するケースとなっている。弾性部材173は、例えばゴム等の弾性体により形成すればよい。質量部材172と弾性部材173とを有する振動系171の振動方向と、振動系161の振動方向とが一致するようにできれば、他の構成とすることもできる。なお、振動方向が一致しているとは、主たる振動の方向が一致していることをいい、振動の位相は問わない。主たる振動の方向とは、変位が最も大きくなる方向をいう。方向が一致しているとは、方向のずれが±30°、好ましくは±20°、より好ましくは±10°以内であることをいう。
振動センサ151を2つの振動系を組み合わせた振動発電素子とすることにより広い周波数範囲の振動に対応して発電することが可能となり、発電電力も大きくすることができる。例えば、振動系161の共振周波数を44.8Hzとし、振動系171の共振周波数を45Hzとすれば、30Hz〜60Hz程度の周波数範囲において100μW以上(振動加速度0.1Gに対する発電電力)の発電電力が得られる。広い周波数範囲において大きな発電電力を得る観点から、振動系161の共振周波数と振動系171の共振周波数との差は、振動系171の共振周波数の±15%以下が好ましく、±10%以下がより好ましく、±5%以下がさらに好ましい。
図5A〜図5Cには、30Hz〜60Hz程度の周波数領域において大きな発電電力が得られる振動センサ151の振動周波数の分布と、発電電圧との関係を示している。図5Aは、正常な支承付近に配置した場合であり、図5Bは、隙間ができている支承付近に配置した場合であり、図5Cは、図5Bのスペクトルから図5Aのスペクトルを引いた差分である。図5Cに示すように、隙間ができた支承付近に配置した振動センサ151は、30Hz〜60Hzの間で、正常な支承に配置した振動センサ151よりも発電電圧が高くなっている。なお、発電電圧は、振動センサ151の負荷として100kΩの抵抗器を接続し、その両端の電圧を測定することにより求めた。
検出回路181は、例えば振動センサ151Aの出力と振動センサ151Bの出力との差を求め、閾値と比較する演算回路182と、振動センサ151Aの出力と振動センサ151Bの出力とを充電する充電回路183とを有する構成とすることができる。充電回路183は、例えば図6に示すように第1の容量素子185と第2の容量素子186とを含む。第1の容量素子185は、第2の容量素子186よりも容量が大きく、演算回路182を駆動する電力を蓄積する。第2の容量素子186は、演算回路182に入力する信号を生成する。第2の容量素子186の容量は、第1の容量素子185の1/1000程度とすることができる。このような構成により、低消費電力のマイクロコンピュータ等を駆動することができる。
第1の容量素子185の出力は、DC−DC変換器187により演算回路182の駆動電圧に変換して用いればよい。第2の容量素子186の出力はアナログ−デジタル変換器188を介して演算回路182に入力することができる。
演算回路182には、振動センサ151Aからの出力と振動センサ151Bからの出力とが入力され、2つの入力の差を求める。さらに、入力の差があらかじめ設定した閾値を超える場合には、異常信号を出力する。閾値は、対象とする橋梁ごとに予備測定を行い、個別に決定すればよい。多段階に閾値を設定して、異常を多段階に判断し、レベルが異なる異常信号を出力するようにすることもできる。なお、図6には、一方の振動センサ151のみを記載しているが、他方の振動センサ151の出力も同様の構成を経て演算回路182に入力される。
検出回路181により出力された異常信号は、出力回路191により、橋梁検知装置の外部から認識できる形の出力に変換される。出力回路191は、例えば、レール横に配置した発光ダイオード等の発光装置を有する構成とすることができる。この場合、図7に示すように列車に搭載したカメラ等の監視装置201を設置し、列車が通過する際に発光装置の点灯の有無を確認するシステムを構築することができる。一旦異常を検知して点灯すると、少なくとも次の列車が通過するまで点灯を続けるようにすれば、列車走行させることにより異常を検出することができる。カメラの撮影画像はリアルタイムに解析するようにしても、一旦記録してから解析するようにしてもよい。また発光装置の点灯時間は、撮影列車の運行状況等によって任意に変更してもよい。
点灯している橋梁異常検知装置の位置が容易に特定できるように、位置情報もカメラに写り込むようにしたり、グローバル・ポジショニング・システム(GPS)と連動するようにしたりしてもよい。レール横ではなく、容易に視認できる位置に発光装置を配置することもできる。例えば、跨道橋等の場合には、橋台又は橋脚の下部に回転灯等を設置することにより、異常の発生を発報することができる。
出力回路191が無線送信回路であり、監視装置201が列車に搭載する受信機であるシステムとすることもできる。通過する列車において信号を受信できればよいため、出力回路191の送信出力は小さくてよい。出力回路191は、異常信号だけでなく、橋梁異常検知装置のID番号等を同時に送信する構成としてもよい。また、十分な電力が得られ、大出力の送信機を用いることができる場合には、監視センター等に異常を直接送信するようなシステムとすることもできる。また、周辺の橋梁異常検知装置からの送信を中継する中継局等を設けるシステムとすることもできる。これにより、橋梁異常検知装置は、橋梁に発生する異常振動を遠隔監視することができる。
検出回路181がレベルの異なる多段階の異常信号を出力する場合には、それに応じて出力回路191の出力を変化させてもよい。例えば、異常信号のレベルに応じて点灯させる発光装置の色を変えたり、周期を変えて点滅させたりすることができる。
出力回路191は検出回路181と別の電源により駆動される構成とすることができる。出力回路191を別電源により駆動することにより、消費電力が大きい回路を用いることができる。出力回路191は振動センサ151と離れた、保守点検が容易な場所に配置することができるため、電池駆動であってもよい。また、既に電源配線が敷設されている場所に配置することもできる。但し、十分な電力が得られる場合又は出力回路191の消費電力が十分に小さい場合には、出力回路191も振動センサ151から得られる電力により駆動する構成とすることもできる。
出力回路191と検出回路181とを離れた位置に配置する場合、出力回路191と検出回路181との間は有線接続としても、無線接続としてもよい。
検出回路181は、2つの入力信号の差を経時的に記憶し、入力信号の差の経時変化が閾値を超えた場合に、異常信号を出力する構成とすることもできる。また、2つの入力信号の差が閾値を超えた場合と、経時変化が閾値を超えた場合とでレベルが異なる異常信号を出力する構成とすることもできる。経時変化により判断する場合にも、多段階に閾値を設定して、異常を多段階に判断することができる。
検出回路181が2つの入力信号の差の値を出力するようにして、出力回路191において入力信号の差を経時的に記憶させるような構成とすることもできる。
本実施形態においては、振動センサ151の出力により検出回路181を駆動する例を示した。しかし、図8に示すように、検出回路181を駆動する電力を得る、電力供給用振動発電素子211を、振動センサ151とは別に設けることもできる。電力供給用振動発電素子211は、振動センサ151と同じ構成とすることができる。また、振動センサ151と異なり、橋梁の正常な振動領域の振動により発電する構成とすることもできる。鉄道用橋梁は、支承121にバランスよく加重が加わっていても、列車の通過により振動する。このような振動は主に400Hz〜800Hz程度の領域において発生する。電力供給用振動発電素子211の発電周波数領域をこのような周波数範囲とすれば、安定して電力供給をすることができる。十分な電力が得られる場合には出力回路191の電力も電力供給用振動発電素子211から供給する構成とすることができる。
本実施形態において、2つの振動センサ151が対になっている例を示した。しかし、橋梁の構造等によっては、3つ以上の振動センサ151が対になっている構成とすることもできる。例えば、3つの振動センサ151が対になっている場合、中央の振動センサ151の出力と、両側方の振動センサ151の出力との差分を求める構成とすることができる。
幅方向に3つ以上の支承121が配置されている鉄道橋梁の場合、全ての支承121に振動センサ151を配置してもよく、一部の支承121に振動センサ151を配置してもよい。橋台の間に橋脚を有し、長さ方向に複数組の支承121が配置されている鉄道橋梁の場合、全ての支承121の組を監視対象として橋脚異常検知装置を設けてもよく、特定の支承の組に橋脚異常検知装置を設けてもよい。
本開示の橋梁異常検知装置は、橋梁に発生する異常振動を電池又は電源配線を設けることなく検知でき、鉄道橋梁の異常を検知する検知装置等として有用である。
110 上部構造
120 橋台
121 支承
121A 支承
121B 支承
151 振動センサ
151A 振動センサ
151B 振動センサ
161 振動系
162 板バネ
163 質量部材
164 圧電素子
165 固定部材
167 上部電極
167A 配線
168 圧電体層
169 下部電極
169A 配線
171 振動系
172 質量部材
173 弾性部材
180 負荷
181 検出回路
182 演算回路
183 充電回路
185 第1の容量素子
186 第2の容量素子
187 DC−DC変換器
188 アナログ−デジタル変換器
191 出力回路
201 監視装置
211 電力供給用振動発電素子

Claims (12)

  1. 複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された一対の支承に対応して設置された一対の振動センサと、
    一対の前記振動センサの出力信号の差に基づいて異常信号を出力する検出回路と、
    前記異常信号を受け、外部に異常を通知する出力回路と、を備え、
    前記振動センサは、前記鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動の周波数帯域において発電する振動発電素子であり、
    前記検出回路の駆動電力は、前記振動発電素子から供給される、橋梁異常検知装置。
  2. 前記検出回路は、振動センサの出力により充電される第1の容量素子及び第2の容量素子と、前記出力信号の差を求める演算回路とを有し、
    前記第1の容量素子は、前記演算回路を駆動する電力を蓄積し、
    前記第2の容量素子は、前記演算回路に入力する信号を生成する、請求項1に記載の橋梁異常検知装置。
  3. 複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された2つの支承に対応して設置された一対の振動センサと、
    一対の前記振動センサの出力信号の差に基づいて異常信号を出力する検出回路と、
    前記異常信号を受け、外部に異常を通知する出力回路と、
    前記鉄道橋梁の上部構造に設置され、前記検出回路の駆動電力を供給する、電力供給用振動発電素子と、を備え、
    前記振動センサは、前記鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動の周波数帯域において発電する振動発電素子である、橋梁異常検知装置。
  4. 前記振動発電素子は、圧電素子と一体となった板バネと、前記板バネに取り付けられた第1の質量部材とを含む第1の振動系、及び前記第1の振動系が取り付けられた第2の質量部材と、前記第2の質量部材と前記上部構造との間に設けられた弾性部材とを含む第2の振動系を有し、
    前記第1の振動系の共振周波数及び前記第2の振動系の共振周波数は、前記異常振動の周波数帯域に含まれる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の橋梁異常検知装置。
  5. 前記検出回路は、前記出力信号の差を経時的に記憶し、前記出力信号の差の経時変化があらかじめ設定した変化率を超えた場合に異常信号を出力する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の橋梁異常検知装置。
  6. 前記検出回路と、前記出力回路とは、無線接続されている、請求項1〜5のいずれか1項に記載の橋梁異常検知装置。
  7. 前記出力回路は、走行する列車に搭載されたカメラにより撮影される位置に配置され、前記異常信号に基づいて発光する発光装置を有している、請求項1〜6のいずれか1項に記載の橋梁異常検知装置。
  8. 前記出力回路は、無線通信回路を有している、請求項1〜6のいずれか1項に記載の橋梁異常検知装置。
  9. 鉄道橋梁に発生した異常を検知する橋梁異常検知装置と、
    前記鉄道橋梁を走行する列車に搭載され前記橋梁異常検知装置を監視する監視装置と、を備え、
    前記橋梁異常検知装置は、複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された一対の支承にそれぞれ対応して設置された一対の振動センサと、一対の前記振動センサの出力信号の差に基づいて異常信号を出力する検出回路と、前記異常信号を受け、外部に異常を通知する出力回路とを有し、
    前記振動センサは、前記鉄道橋梁の異常によって生じる異常振動の周波数帯域において発電する振動発電素子であり、
    前記検出回路の駆動電力は、前記振動発電素子から供給される、橋梁異常監視システム。
  10. 前記出力回路は、異常時に発光装置を発光させ、
    前記監視装置は、前記列車に搭載され、前記発光装置の発光の有無を確認するカメラである請求項9に記載の橋梁異常監視システム。
  11. 複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された一対の支承に対応して設置された一対の振動センサの出力の差分を求め、前記差分の値に応じて異常を判断する、橋梁異常検知方法。
  12. 複数の支承によって支えられた鉄道橋梁の上部構造に、幅方向に配置された一対の支承に対応して設置された一対の振動センサの出力の差分の経時変化を求め、前記経時変化の値に応じて異常を判断する、橋梁異常検知方法。
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