(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
橋梁の亀裂に歪みセンサを設置するステップと、
上記歪みセンサの測定値に基づいて亀裂の進展速度を推定するステップと、
上記進展速度が基準値よりも大きい亀裂を特定するステップと、
上記特定された亀裂に亀裂進展センサを設置するステップと、
上記亀裂進展センサの測定値が基準値よりも大きい亀裂を、補修の候補に決定するステップとを備え、
上記歪みセンサの測定値に基づいて亀裂の進展速度を推定するステップは、歪みセンサの測定値から下記の式（１）により応力拡大係数を求め、求められた応力拡大係数の頻度分布に基づいて亀裂の進展速度を予測することを特徴とする橋梁の亀裂監視方法。
ＫＩ＝Ｃ１（ε１＋ε２）・・・（１）
ただし、ＫＩは亀裂の進展面の直角方向の応力拡大係数、Ｃ１は亀裂の長さと、亀裂が生じた部材のヤング率及びポアソン比に基づいて定められる係数、ε１は亀裂の進展面の一方の側で測定された進展面直角方向の歪み、ε２は亀裂の進展面の他方の側で測定された進展面直角方向の歪みである。
【請求項２】
請求項１に記載の橋梁の亀裂監視方法において、
上記歪みセンサは、亀裂の先端部に設置され、少なくとも亀裂の進展面と直角方向の歪みを検出する歪みゲージを有するＫ値センサであることを特徴とする橋梁の亀裂監視方法。
【請求項３】
請求項２に記載の橋梁の亀裂監視方法において、
上記Ｋ値センサは、亀裂の進展面の両側に配置されて進展面と直角方向の歪みを検出する２つ以上の歪みゲージと、亀裂の進展面の両側に配置されて進展面と平行方向の歪みを検出する２つ以上の歪みゲージを有することを特徴とする橋梁の亀裂監視方法。
【請求項４】
請求項１に記載の橋梁の亀裂監視方法を行うための亀裂監視システムであって、
橋梁の亀裂の発生位置の近傍に設置され、亀裂に設置されたセンサに接続されて亀裂に関する測定を行う測定端末と、この測定端末から情報を無線通信により受信する受信端末とを備え、
上記測定端末は、
歪みセンサ及び／又は亀裂進展センサを制御して作動させる制御部と、
上記歪みセンサ及び／又は亀裂進展センサの検出情報を無線通信により送信する無線送信部と、
上記制御部及び無線送信部に電力を供給する電源部と
を有することを特徴とする亀裂監視システム。
【請求項５】
請求項４に記載の橋梁の亀裂監視システムにおいて、
上記測定端末は、記憶部が着脱可能に接続される接続端子を有することを特徴とする亀裂監視システム。
【請求項６】
請求項４に記載の橋梁の亀裂監視システムにおいて、
上記受信端末は、上記測定端末から受信した情報を、コンピュータネットワークを通じてサーバに登録する登録部を有することを特徴とする亀裂監視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速道路等の橋梁に生じる亀裂を監視する方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高速道路は高度成長期に建設されたものが多いため、最近、経年に伴う構造物の損傷が増加しつつある。都市高速道路では、床版や橋脚を鋼製材料で構築した鋼製橋梁が多く採用されているが、鋼製橋梁に生じる主要な損傷として、疲労亀裂と腐食がある。これらのうち、疲労亀裂は、構造に直接的な悪影響を引き起こす場合が多いので、厳重な対処を行う必要がある。亀裂の発生と進行は、車両の荷重を繰り返して受けることが主な原因であるが、近年、都市高速道路の交通量の増加や車両の大型化が進みつつあり、このことが、鋼製橋梁の損傷の増加を促進する一因であると考えられている。
【０００３】
このような状況において、従来、鋼製橋梁の亀裂に対処するため、検査員が鋼製橋梁に接近して目視により亀裂を発見する目視点検が行われている。目視点検は、検査員が鋼製橋梁に接近する必要があるため、鋼製橋梁に設置した足場や、道路に停車させた特殊車両を用いて行われる。目視点検で亀裂が発見されると、基本的に、発見された順に全てを補修する全数補修が行われる。
【０００４】
亀裂を早期に発見して早期に補修するためには、鋼製橋梁の実質的に全ての部分について、頻繁に目視点検を行う必要がある。したがって、足場を高頻度で広範囲に設置することとなり、検査の手間と費用が嵩む問題がある。また、特殊車両の停車位置を確保する必要があり、道路の規制を高頻度で行うこととなって、道路交通に与える影響が大きいという問題がある。
【０００５】
ところで、鋼製橋梁では、比較的多くの亀裂が、主桁やデッキプレートを構成する部材の溶接部分に生じることが知られている。そこで、従来、鋼製橋梁の溶接部分にクラックセンサを設置し、クラックセンサの検出情報をデータロガーでパーソナルコンピュータに送信し、パーソナルコンピュータで検出情報をディスプレイに表示して、遠隔地で亀裂の発生を監視する技術が提案されている（特許文献１参照）。上記クラックセンサは、連続した１本の超極細導線が溶接部分に接着剤で固定されて形成されており、溶接部分に亀裂が生じると超極細導線が破断し、これによる超極細導線の抵抗値の変化を検出して、亀裂を検知している。この亀裂監視方法によれば、クラックセンサを設置した後は、鋼製橋梁に接近しなくても亀裂を検知できるので、足場を設置する頻度や道路を規制する頻度を少なくできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−７５３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の亀裂監視方法は、必ずしもクラックセンサを設置した位置に亀裂が生じるとは限らず、クラックセンサを設置していない位置に亀裂が生じる可能性があるため、亀裂の検出精度が低いという問題がある。もし、鋼製橋梁に生じる全ての亀裂を検知しようとすると、あらゆる部材にクラックセンサを設置する必要があり、設置と監視にかかる手間とコストが過大になり、現実的ではない。
【０００８】
また、鋼製橋梁に生じる亀裂には、発生してから短時間のうちに大きく進展するものや、ある程度の長さに達すると進展が停止するものなど、進展態様が亀裂によって異なる場合が多く、進展態様を確実に予測できる方法は解明されていない。すなわち、鋼製橋梁の亀裂の発生と進展は、正確な予測が困難であるのが現状である。従来、鋼製橋梁の亀裂の発生機構を解明するため、鋼製橋梁の部材に歪みセンサを設置し、応力の変化を監視する試みがなされているが、亀裂の発生を予測する方法は確立されていない。
【０００９】
また、目視点検によって亀裂を発見し、発見した亀裂の全てを順次補修する方針は、経年に伴う橋梁の損傷の増大が予測されることを鑑みると、近い将来、亀裂の監視と補修に要する手間とコストが大幅に増大する問題がある。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、少ない手間とコストで橋梁の亀裂を監視でき、橋梁の補修の手間とコストの増大を防止できる亀裂監視方法及び亀裂監視システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明の橋梁の亀裂監視方法は、橋梁の亀裂に歪みセンサを設置するステップと、
上記歪みセンサの測定値に基づいて亀裂の進展速度を推定するステップと、
上記進展速度が基準値よりも大きい亀裂を特定するステップと、
上記特定された亀裂に亀裂進展センサを設置するステップと、
上記亀裂進展センサの測定値が基準値よりも大きい亀裂を、補修の候補に決定するステップとを備えることを特徴としている。
【００１２】
上記構成によれば、橋梁の亀裂に歪みセンサが設置され、歪みセンサの測定値に基づいて亀裂の進展速度が推定され、進展速度が基準値よりも大きい亀裂が特定される。このように、橋梁に生じた亀裂の進展速度を求め、進展速度が基準値よりも大きい亀裂を特定することにより、補修の緊急度が高い亀裂を抽出することができる。ここで、歪みセンサの測定値に基づいて推定される進展速度は、歪みセンサによる測定が行われたときの亀裂の進展速度であるから、歪みセンサによる測定の後に亀裂の進展が減少又は増大する場合がある。また、歪みセンサの測定値に基づいて推定された進展速度は、計算により求められたものであり、亀裂が進展する速度を直接測定したものでないから、誤差が含まれる場合がある。そこで、進展速度に基づいて特定された亀裂に亀裂進展センサを設置し、亀裂進展センサにより、実際の亀裂の進展量を測定する。この亀裂進展センサの測定値が基準値よりも大きい亀裂が、補修の候補に決定される。このように、橋梁に生じた亀裂を、歪みセンサの測定値に基づいて推定された進展速度と、亀裂進展センサの測定値とで段階的に絞ることにより、補修の緊急度が実際に高くて優先的に補修をすべき亀裂を、精度よく特定することができる。こうして特定された亀裂を補修することにより、発見された亀裂の全てを順次補修するよりも、少ない手間とコストで橋梁の致命的な損傷を防止することができる。
【００１３】
本発明において、歪みセンサとは、対象の歪を例えば電気抵抗の変化等に基づいて検出する機能を有するセンサをいい、歪を検出する検出要素を１つ有するものや、検出要素を複数有するもの等、種々の形態のセンサが該当する。歪みセンサとして、絶縁膜の表面に、歪を検出する方向に延在して形成された導電性の線状検出部を有し、この線状検出部の変形に伴って変化する電気抵抗の値に基づいて歪の値を検出するものを用いることができる。また、亀裂進展センサとは、亀裂の長さを例えば電気抵抗の変化等に基づいて検出する機能を有するセンサをいう。亀裂進展センサとして、絶縁膜の表面に、亀裂と交差する複数の交差部を有する導電性の検出部が形成され、亀裂の進展に応じて複数の交差部が順次切断されることによって変化する検出部の電気抵抗の値に基づいて亀裂の進展長さを検出するものを用いることができる。
【００１４】
一実施形態の橋梁の亀裂監視方法は、上記歪みセンサの測定値に基づいて亀裂の進展速度を推定するステップは、歪みセンサの測定値から下記の式（１）により応力拡大係数を求め、求められた応力拡大係数の頻度分布に基づいて亀裂の進展速度を予測する。
ＫＩ＝Ｃ１（ε１＋ε２）・・・（１）
ただし、ＫＩは亀裂の進展面の直角方向の応力拡大係数、Ｃ１は亀裂の長さと、亀裂が生じた部材のヤング率及びポアソン比に基づいて定められる係数、ε１は亀裂の進展面の一方の側で測定された進展面直角方向の歪み、ε２は亀裂の進展面の他方の側で測定された進展面直角方向の歪みである。
【００１５】
上記実施形態によれば、亀裂が生じた部材における亀裂の先端の周辺部分の歪みを歪みセンサで測定し、上記式（１）により、歪みセンサの測定値から応力拡大係数を求める。この応力拡大係数は、所定期間内に得られた歪みの複数の値に基づいて、複数が算出される。これらの複数の応力拡大係数から、応力拡大係数の最大値と最小値の差（以下、応力拡大係数範囲という）の頻度分布を求め、応力拡大係数範囲から亀裂の進展速度を推定することができる。また、応力拡大係数範囲を累積することにより、亀裂の進展長さを予測することができる。なお、測定された歪みが、亀裂の一方の側の進展面直角方向の歪みε１のみである場合、他方の側の進展面直角方向の歪みε２を、一方の側の進展面直角方向の歪みε１と同じであるとみなしてもよい。この場合、ＫＩ＝２Ｃ１ε１となる。
【００１６】
一実施形態の橋梁の亀裂監視方法は、上記歪みセンサは、亀裂の先端部に設置され、少なくとも亀裂の進展面と直角方向の歪みを検出する歪みゲージを有するＫ値センサである。
【００１７】
上記実施形態によれば、亀裂の先端部に設置したＫ値センサにより、亀裂の進展速度を推定するための値を効果的に測定することができる。ここで、Ｋ値センサとは、亀裂が生じた部材における亀裂の先端の周辺部分の応力拡大係数を測定するセンサであり、少なくとも、亀裂の進展面と直角方向の歪みを検出する歪みゲージを有する。Ｋ値センサは、好ましくは、亀裂の進展面の両側に配置されて進展面と直角方向の歪みを検出する２つ以上の歪みゲージを有し、更に好ましくは、亀裂の進展面の両側に配置されて進展面と平行方向の歪みを検出する２つ以上の歪みゲージを有する。
【００１８】
本発明の橋梁の亀裂監視システムは、上記橋梁の亀裂監視方法を行うための亀裂監視システムであって、
橋梁の亀裂の発生位置の近傍に設置され、亀裂に設置されたセンサに接続されて亀裂に関する測定を行う測定端末と、この測定端末から情報を無線通信により受信する受信端末とを備え、
上記測定端末は、
歪みセンサ及び／又は亀裂進展センサを制御して作動させる制御部と、
上記歪みセンサ及び／又は亀裂進展センサの検出情報を無線通信により送信する無線送信部と、
上記制御部及び無線送信部に電力を供給する電源部と
を有することを特徴としている。
【００１９】
上記構成によれば、橋梁の亀裂に歪みセンサ及び／又は亀裂進展センサが設置され、これらの歪みセンサ及び／又は亀裂進展センサが、橋梁の亀裂の発生位置の近傍に設置された測定端末の制御部で制御されて作動し、亀裂に関する測定情報が得られる。歪みセンサ及び／又は亀裂進展センサによる測定情報は、無線送信部によって受信端末に送信される。上記制御部及び無線送信部は、電源部により電力が供給されて作動する。このように、橋梁に亀裂が生じた場合、歪みセンサ及び／又は亀裂進展センサを亀裂に設置し、亀裂の近傍位置に上記測定端末を設置して歪みセンサ及び／又は亀裂進展センサを接続するのみにより、電源供給線や情報伝送線を接続することなく、亀裂に関する測定を簡易な装置構成で容易に行うと共に、測定情報を受信端末に集めることができる。なお、上記測定端末から受信端末に送信される測定情報として、上記センサで測定された測定値の情報と共に、測定を行ったセンサを特定する情報や、測定を行った時刻又は位置を表す情報等が含まれてもよい。
【００２０】
一実施形態の橋梁の亀裂監視システムは、上記測定端末は、記憶部が着脱可能に接続される接続端子を有する。
【００２１】
上記実施形態によれば、測定端末の接続端子に記憶部を接続し、この記憶部に歪みセンサ及び／又は亀裂進展センサの測定情報を格納した後、この記憶部を取り外して他の機器に接続することにより、亀裂に関する測定情報を容易に収集することができる。したがって、センサの測定情報のデータ量が大きくても、情報伝送線を接続することなく、亀裂に関する測定を簡易な装置構成で収集することができる。ここで、上記記憶部としては、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）端子を有するＵＳＢメモリを用いることができる。また、記憶部には、測定情報として、センサの測定値のほか、測定を行ったセンサを特定する情報や、測定を行った時刻又は位置を表す情報等を記憶してもよい。また、上記測定端末に、着脱不可の記憶部を内蔵し、内蔵した記憶部に一時的に測定情報を格納してもよい。
【００２２】
一実施形態の橋梁の亀裂監視システムは、上記受信端末は、上記測定端末から受信した情報を、コンピュータネットワークを通じてサーバに登録する登録部を有する。
【００２３】
上記実施形態によれば、受信端末の登録部により、上記測定端末から受信した亀裂に関する測定情報が、コンピュータネットワークを通じてサーバに登録される。したがって、サーバに登録された亀裂の測定値を、橋梁と離れた位置で、容易かつ迅速に収集して亀裂の進展状況を知ることができる。また、複数の橋梁の亀裂に対応して複数の測定端末を設置し、これらの測定端末から測定情報をサーバに登録することにより、複数の橋梁の亀裂に関する情報を一括して収集し、管理や解析を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】亀裂の監視を行う鋼製橋梁を底面側から観察した様子を示す図である。
【図２】橋梁の亀裂監視方法を示すフロー図である。
【図３】Ｋ値センサを示す平面図である。
【図４】Ｋ値センサの歪み出力からＫ値を求めるための定数と、亀裂の長さとの関係を示す図である。
【図５Ａ】亀裂の進展速度と、応力拡大係数範囲との関係を示す図である。
【図５Ｂ】亀裂の進展速度と、応力拡大係数範囲との関係を示す図である。
【図６】鋼製橋梁の亀裂の発生位置にＫ値センサと測定端末を設置した様子を示す模式図である。
【図７】橋梁の亀裂監視システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
図１は、亀裂の監視を行う橋梁としての鋼製橋梁を、床版の底面側から観察した様子を示す図である。この鋼製橋梁は都市高速道路の高架橋であり、鋼製又はコンクリート製の橋脚で鋼製床版１を支持して構成されている。鋼製床版１は、デッキプレート２と、デッキプレート２の上面に敷設された舗装３を有する。デッキプレート２の下面には、補強部材として、Ｕ字状断面を有して橋軸方向に延在するトラフ４と、トラフ４と平行に延在してＩ型断面を有する主桁又は縦リブ５と、橋軸直角方向に延在してＩ型断面を有する横桁又は横リブ６が設けられている。デッキプレート２、トラフ４、主桁又は縦リブ５、及び、横桁又は横リブ６は鋼材で形成され、トラフ４、主桁又は縦リブ５、及び、横桁又は横リブ６はデッキプレート２に溶接で固定されている。鋼製橋梁では、鋼製床版１のデッキプレート２や、デッキプレート２とトラフ４、主桁又は縦リブ５、及び、横桁又は横リブ６の溶接部分に、亀裂が多く発生する。
【００２７】
図２は、実施形態の橋梁の亀裂監視方法を示すフロー図である。本実施形態の橋梁の亀裂監視方法は、橋梁に発生した亀裂に関し、亀裂の先端部で測定した歪み量に基づいて進展速度を推定し、更に、亀裂の実際の進展速度を測定して確認を行うことにより、補修を行うべき亀裂を決定するものである。
【００２８】
本実施形態の橋梁の亀裂監視方法では、まず、鋼製橋梁の鋼製床版１の底面又は側面に、図示しない足場を設置し、検査員が足場から目視で鋼製床版１の亀裂を探索する。検査員が亀裂を発見すると、発見された全ての亀裂に、歪みセンサとしてのＫ値センサを設置する（ステップＳ１）。Ｋ値センサは、後に詳述するように、４つのゲージエレメントを有し、亀裂の進展面の両側について２方向の歪み量を測定するものである。なお、Ｋ値センサ以外に、亀裂の進展面の直角方向の歪みを測定する少なくとも１つの歪みセンサを用いてもよい。
【００２９】
橋梁の全ての亀裂にＫ値センサを設置すると、後に詳述する測定端末にＫ値センサのリード線を接続し、測定端末を亀裂の近傍に設置して、歪みの測定を行う。Ｋ値センサによる歪みの測定は、所定期間に亘って行う（ステップＳ２）。Ｋ値センサにより歪みを測定する期間は、２４時間から１６８時間（すなわち７日）の間に設定することができ、好ましくは、７２時間である。Ｋ値センサで測定された歪みの値に基づいて、亀裂の応力拡大係数を算出し、算出された応力拡大係数の値に基づいて、亀裂の進展速度を推定する（ステップＳ３）。
【００３０】
亀裂の推定された進展速度が、予め定められた基準値よりも大きいか否かを判断し（ステップＳ４）、進展速度が基準値よりも大きい場合、その亀裂に亀裂進展センサとしてのクラックセンサを設置する（ステップＳ５）。進展速度の基準値は、例えば１×１０−７（ｍ／cycle）に設定することができる。進展速度が基準値よりも小さい場合、亀裂を補修候補から外し、今回の監視を終了する。進展速度が基準値よりも小さい亀裂は、次回の監視において、再度、Ｋ値センサによる歪みが計測される。今回の監視と次回の監視との時間間隔は、３年から８年までのいずれかに設定することができる。監視の時間間隔は、鋼床版については３年から５年までのいずれかが好ましく、コンクリート床版については５年から８年までのいずれかが好ましい。橋脚を含めた橋梁の全体の構造については、３年から８年までのいずれの時間間隔を設定してもよい。このように、進展速度が基準値よりも小さい亀裂について、Ｋ値センサによる計測を繰り返すことにより、亀裂の進展速度の変化を察知することができる。
【００３１】
クラックセンサを設置した亀裂について、所定期間に亘って計測を行い（ステップＳ６）、計測結果に基づいて、亀裂の実際の進展長さを求める（ステップＳ７）。クラックセンサによる計測期間は、３ヶ月から６ヶ月の間に設定することができ、好ましくは、６ヶ月である。クラックセンサによる計測期間は、亀裂が進展しやすい６月から９月までの夏季の期間を含むように設定するのが好ましい。クラックセンサの計測結果について、亀裂の進展長さが、予め定められた基準値よりも大きいか否かを判断し（ステップＳ８）、進展長さが基準値よりも大きい場合、その亀裂を補修の候補に決定する（ステップＳ９）。進展長さの基準値は、例えば６００（ｍｍ）に設定することができる。進展長さが基準値よりも小さい場合、亀裂を補修候補から外し、今回の監視を終了する。進展長さが基準値よりも小さい亀裂は、次回の監視において、再度、Ｋ値センサによる歪みの計測が行われる。今回の監視と次回の監視との時間間隔は、３年から８年までのいずれかに設定することができる。監視の時間間隔は、鋼床版については３年から５年までのいずれかが好ましく、コンクリート床版については５年から８年までのいずれかが好ましいが、橋脚を含めた橋梁の全体の構造については、３年から８年までのいずれの時間間隔を設定してもよい。このように、進展速度が基準値よりも大きく、かつ、進展長さが基準値よりも小さい亀裂について、進展速度を再度計測することにより、亀裂の進展速度の変化を察知することができる。
【００３２】
このように、Ｋ値センサの測定値に基づいて進展速度を推定し、進展速度が基準値を超えた亀裂に限定したうえ、クラックセンサにより実際の進展長さを測定して補修候補の亀裂を決定するので、補修の緊急度が実際に高い亀裂を精度良く特定することができる。したがって、発見された全ての亀裂を補修するよりも、橋梁の安全性を低下させることなく、不急不要な補修を排除できて、亀裂の補修費用を効果的に削減できる。また、全ての亀裂に、複数回の使用が可能なＫ値センサを設置して計測を行う一方、限定された亀裂に、１度のみ使用できるクラックセンサを設置して計測を行うので、全ての亀裂にクラックセンサを設置するよりも、センサの無駄な使用を削減できて、計測にかかるコストを削減できる。ここで、補修の候補に決定された亀裂について、進展速度と進展長さとに基づき、亀裂の補修の順位を定めてもよい。
【００３３】
亀裂の進展速度の推定は、図３に示すＫ値センサによる測定値に基づき、線形破壊力学に従って行う。
【００３４】
図３に示すように、Ｋ値センサ７は、絶縁性を有する樹脂で形成されたシート状のゲージベース７０に、導電体で形成されたゲージエレメント７１，７２，７３，７４が印刷されている。ゲージエレメント７１，７２，７３，７４は、亀裂７７の進展面の直角方向の歪みを測定する第１ゲージエレメント７１及び第２ゲージエレメント７２と、進展面の平行方向の歪みを測定する第３ゲージエレメント７３及び第４ゲージエレメント７４で構成されている。第１ゲージエレメント７１と第２ゲージエレメント７２は、概ね半円形の帯状の領域に、一方向に延びる複数の直線部分が平行に配列されるように、一筆書きの蛇行パターンをなす線状の金属箔で形成されている。第１ゲージエレメント７１と第２ゲージエレメント７２は、互いの間に離隔をおいて、同心円上に配置されるように対向配置されている。第３ゲージエレメント７３と第４ゲージエレメント７４は、概ね半円形の帯状の領域に、他方向に延びる複数の直線部分が平行に配列されるように、一筆書きの蛇行パターンをなす線状の金属箔で形成されている。第３ゲージエレメント７３と第４ゲージエレメント７４は、互いの間に離隔をおき、かつ、第１ゲージエレメント７１と第２ゲージエレメント７２の内側に、第１ゲージエレメント７１及び第２ゲージエレメント７２と同心円上に配置されるように対向配置されている。第１ゲージエレメント７１と、第２ゲージエレメント７２と、第３ゲージエレメント７３と、第４ゲージエレメント７４の両端には、それぞれリード端子１１，１１，１２，１２，１３，１３，１４，１４が設けられている。このＫ値センサ７を、亀裂７７の先端７７ａがゲージエレメント７１，７２，７３，７４の中心に位置すると共に、第１及び第２ゲージエレメント７１，７２の直線部分が進展面と直角をなし、かつ、第３及び第４ゲージエレメント７３，７４の直線部分が進展面と平行をなすように、亀裂７７の先端部に貼り付ける。このＫ値センサ７の第１ゲージエレメント７１の歪出力をε１とし、第２ゲージエレメント７２の歪出力をε２とすると、Ｋ値として、亀裂７７の開口方向の変形であるモードＩの応力拡大係数ＫＩを、次の式（１）により求めることができる。
ＫＩ＝Ｃ１（ε１＋ε２）・・・（１）
また、上記Ｋ値センサ７の第３ゲージエレメント７３の歪出力をε３とし、第４ゲージエレメント７４の歪出力をε４とすると、Ｋ値として、亀裂７７のせん断方向の変形であるモードIIの変形に関する応力拡大係数ＫIIを、次の式（２）により求めることができる。
ＫII＝−Ｃ２（ε３−ε４）・・・（２）
ここで、Ｃ１とＣ２は、亀裂７７の長さと、亀裂７７が生じた部材のヤング率及びポアソン比に基づいて定められる係数である。応力拡大係数ＫＩ及びＫIIと係数Ｃ１及びＣ２の単位はＭＰａ√ｍである。
【００３５】
図４は、ヤング率が２．０６×１０２ＧＰａ、かつ、ポアソン比が０．３の鋼板における亀裂７７の長さとＣ１及びＣ２との関係を示す図である。図４において、横軸は亀裂７７の長さａ（ｍｍ）であり、縦軸はＣ１及びＣ２（ＭＰａ√ｍ）である。図４に示すように、Ｃ１は、亀裂７７の長さａが大きくなるに伴い、増加率が減少しながら値が増加する。すなわち、一定の漸近値に向かって収束しつつＣ１が増大する。亀裂７７の長さａが１０ｍｍであるとき、Ｃ１は１．４５ＭＰａ√ｍであり、亀裂７７の長さａが５０ｍｍであるとき、Ｃ１は１．７ＭＰａ√ｍである。一方、Ｃ２は、亀裂７７の長さａが大きくなるに伴い、減少率が減少しながら値が減少する。すなわち、一定の漸近値に向かって収束しつつＣ２が減少する。亀裂７７の長さａが１０ｍｍであるとき、Ｃ２は１．５×１０４ＭＰａ√ｍであり、亀裂７７の長さａが５０ｍｍであるとき、Ｃ２は１．２×１０４ＭＰａ√ｍである。
【００３６】
応力拡大係数の解析値が判明している亀裂７７を有する試験片にＫ値センサ７を設置し、Ｋ値センサ７の歪出力に基づいて、上記式（１）及び（２）から応力拡大係数ＫＩ及びＫIIを算出したところ、算出値は解析値に対して１０％以下の誤差であることが確認できた。
【００３７】
本実施形態の橋梁の亀裂監視方法では、モードI及びモードIIの応力拡大係数ＫＩ及びＫIIのうち、モードIの応力拡大係数ＫＩのみを、亀裂７７の進展速度の推定に用いる。上記Ｋ値センサ７の歪出力ε１及びε２の所定期間に亘る測定結果と上記式（１）から、レインフロー・ミーン法により、応力拡大係数ＫＩの最大値と最小値の差である応力拡大係数範囲ΔＫと、応力拡大係数ＫＩの平均値Ｋmeanの頻度分布を求める。これら応力拡大係数範囲ΔＫと平均値Ｋmeanの頻度分布から、応力比を考慮して亀裂７７の進展速度を推定し、進展速度の線形累積を行って亀裂の進展長さを予測する。なお、モードIの応力拡大係数範囲ΔＫのみに基づいて進展速度を推定してもよく、また、モードIの応力拡大係数範囲ΔＫとモードIIの応力拡大係数範囲ΔＫに基づいて進展速度を推定してもよい。
【００３８】
応力拡大係数範囲ΔＫに基づく亀裂の進展速度の推定式は、次の式（３）のように表すことができる。
ｄａ／ｄＮ=Ｃ(ΔＫｎ−ΔＫthｎ)・・・（３）
ここで、ｄａ／ｄＮは亀裂の進展速度（ｍ／cycle）であり、Ｃ及びｎは定数であり、ΔＫは応力拡大係数範囲（ＭＰａ√ｍ）であり、ΔＫthｎは下限界応力拡大係数範囲（ＭＰａ√ｍ）である。ΔＫｎ≦ΔＫthｎの場合、ｄａ／ｄＮ=０である。
【００３９】
あるいは、亀裂の進展速度の推定式は、次の式（４）及び（５）のように表すことができる。
ｄａ／ｄＮ=Ｃ(ΔＫ)ｎ，ΔＫ＞ΔＫth・・・（４）
ｄａ／ｄＮ=０，ΔＫ≦ΔＫth・・・（５）
ここで、ｄａ／ｄＮは亀裂の進展速度（ｍ／cycle）であり、Ｃ及びｎは定数であり、ΔＫは応力拡大係数範囲（ＭＰａ√ｍ）であり、ΔＫthは下限界応力拡大係数範囲（ＭＰａ√ｍ）である。上記式（４）はΔＫ＞ΔＫthの範囲に適用され、式（５）はΔＫ≦ΔＫthの範囲に適用される。
【００４０】
あるいは、亀裂の進展速度の推定式は、次の式（６）のように表すことができる。
ｄａ／ｄＮ=Ｃ(ΔＫ)ｎ・・・（６）
上記式（６）において、ｄａ／ｄＮは亀裂の進展速度（ｍ／cycle）であり、Ｃ及びｎは定数であり、ΔＫは応力拡大係数範囲（ＭＰａ√ｍ）である。
【００４１】
上記式（３）乃至（６）の定数及び下限界応力拡大係数範囲としては、社団法人日本鋼構造協会編，鋼構造物の疲労設計指針・同解説によれば、次の表のような値の組み合わせを採用することができる。ここで、上記式（３）乃至（６）のいずれも、適用限界は、ΔＫ≦１００ＭＰａ√ｍである。
【表１】
0005917161.tif 000002
【００４２】
図５Ａは、上記式（３）乃至（５）に、上記表の定数Ｃ及びｎと下限界応力拡大係数範囲ΔＫthを適用した場合に、応力拡大係数範囲に対応して推定される亀裂の進展速度を示すグラフである。図５Ａにおいて、横軸は応力拡大係数範囲ΔＫ（ＭＰａ√ｍ）であり、縦軸は亀裂の進展速度ｄａ／ｄＮ（ｍ／cycle）である。横軸及び縦軸は、対数目盛りで表示している。図５に示すように、設計１の定数Ｃ及びｎと下限界応力拡大係数範囲ΔＫthを適用した場合、亀裂の進展速度ｄａ／ｄＮと応力拡大範囲ΔＫは、式（３）に対応する曲線Ａ１１や、式（４）に対応する直線Ａ１２及び式（５）に対応する直線Ａ１３のような関係を有する。図５Ａにおいて、直線Ａ１２のΔＫが約５ＭＰａ√ｍ以上の部分は、曲線Ａ１１と重複している。また、上記表の設計２の定数Ｃ及びｎと下限界応力拡大係数範囲ΔＫthを適用した場合、亀裂の進展速度ｄａ／ｄＮと応力拡大範囲ΔＫは、式（３）に対応する曲線Ａ２１や、式（４）に対応する直線Ａ２２及び式（５）に対応する直線Ａ２３のような関係を有する。図５Ａにおいて、直線Ａ２２のΔＫが約７．５ＭＰａ√ｍ以上の部分は、曲線Ａ２１と重複している。図５Ａに示すように、亀裂の進展速度は、曲線Ａ１１及び曲線Ａ２１で表される式（３）によるよりも、直線Ａ１２及び直線Ａ２２で表される式（４）と、直線Ａ１３及び直線Ａ２３で表される式（５）によるほうが、安全側の推定結果が得られる。
【００４３】
図５Ｂは、上記式（６）に、上記表の定数Ｃ及びｎと下限界応力拡大係数範囲ΔＫthを採用した場合に、応力拡大係数範囲に対応して推定される亀裂の進展速度を示すグラフである。図５Ｂにおいて、横軸は応力拡大係数範囲ΔＫ（ＭＰａ√ｍ）であり、縦軸は亀裂の進展速度ｄａ／ｄＮ（ｍ／cycle）である。横軸及び縦軸は、対数目盛りで表示している。図５Ｂに示すように、設計１の定数Ｃ及びｎと下限界応力拡大係数範囲ΔＫthを適用した場合、亀裂の進展速度ｄａ／ｄＮと応力拡大範囲ΔＫは、式（６）に対応する直線Ａ１４のように、対数表示において線形の関係を有する。また、設計２の定数Ｃ及びｎと下限界応力拡大係数範囲ΔＫthを採用した場合、亀裂の進展速度ｄａ／ｄＮと応力拡大範囲ΔＫは、式（６）に対応する直線Ａ２４のように、対数表示において線形の関係を有する。亀裂の進展速度は、図５Ｂの曲線Ａ１４及び曲線Ａ２４で表される式（６）によるほうが、図５Ａの曲線Ａ１１及び曲線Ａ２１で表される式（３）や、直線Ａ１２及び直線Ａ２２で表される式（４）及び直線Ａ１３及び直線Ａ２３で表される式（５）によるよりも、安全側の推定結果が得られる。
【００４４】
これらのことから、亀裂の進展速度の推定式は、橋梁の重要度や、亀裂が生じた部材の特性や、荷重の作用状況等を考慮して、式（３）と、式（４）及び（５）と、式（６）のうちから適宜選択することができる。
【００４５】
また、亀裂の進展速度は、設計２の定数Ｃ及びｎと下限界応力拡大係数範囲ΔＫthを採用するよりも、設計１の定数Ｃ及びｎと下限界応力拡大係数範囲ΔＫthを採用するほうが、安全側の結果が得られる。例えば、上記設計１の定数Ｃ及びｎと下限界応力拡大係数範囲ΔＫthは、実際の橋梁に関する計算を行う場合に採用するのが好ましく、設計２の定数Ｃ及びｎと下限界応力拡大係数範囲ΔＫthは、平均的な部材の疲労寿命や疲労強度を通常の計算を行う場合に採用するのが好ましい。なお、定数Ｃ及びｎと下限界応力拡大係数範囲ΔＫthは、亀裂が生じた部材の組成や、荷重の作用する周波数等に応じて他の値を採用してもよい。
【００４６】
また、上記表の定数Ｃ及びｎと下限界応力拡大係数範囲ΔＫthの値は、溶接ビード及び溶接部の近傍のように、比較的高い引張残留応力場に生じる亀裂の進展速度を推定する際に好適であり、非溶接部のような引張残留応力が少ない部分に生じる亀裂に関しては、応力拡大係数の最大値の最小値に対する比である応力比により、定数Ｃ及びｎを補正するのが好ましい。
【００４７】
また、Ｋ値としての応力拡大係数ＫＩ及びＫIIは、亀裂７７の成長に応じて変化するので、Ｋ値の測定時に長さがａ0であった亀裂７７がａの長さに成長した場合、Ｋ値に√a/√ａ0を乗じて修正する。
【００４８】
上記実施形態において、Ｋ値センサ７の第１ゲージエレメント７１の歪出力をε１と、第２ゲージエレメント７２の歪出力をε２とでモードＩの応力拡大係数ＫＩを求めたが、Ｋ値センサの第１ゲージエレメント７１の歪出力ε１のみにより、モードＩの応力拡大係数ＫＩを求めてもよい。この場合、第２ゲージエレメント７２で測定される歪出力ε２を、第１ゲージエレメント７１の歪出力ε１と同じであるとみなして、ＫＩ＝２Ｃ１ε１とする。また、Ｋ値センサ７以外に、第１ゲージエレメント７１と同様に亀裂７７の進展面と直角方向の歪を計測する１つの歪みセンサを設置し、この歪みセンサの出力に基づいて応力拡大係数を求め、亀裂７７の進展速度及び進展長さを算出してもよい。
【００４９】
図６は、亀裂の進展速度を監視するためのＫ値センサ７と測定端末８を鋼製橋梁に設置した様子を示す図である。以下、鋼製床版１のデッキプレート２とトラフ４との溶接部に生じた亀裂７７について監視を行う場合を説明する。
【００５０】
図６に示すように、デッキプレート２とトラフ４との溶接部には溶接ビード４１が形成されており、この溶接ビード４１に沿って進展した亀裂７７が、所定の位置で屈曲してトラフ４の下部に向かって進展している。亀裂７７が発見されると、この亀裂７７の先端にＫ値センサ７が設置され、Ｋ値センサ７に接続された複数のリード線が測定端末８に接続され、測定端末８がトラフ４の側面に固定される。Ｋ値センサ７は、トラフ４に生じた亀裂７７の先端の周辺部分の歪みの変動を測定する歪みセンサとして機能する。測定端末８は、後に詳述するように、Ｋ値センサ７を含む種々のセンサを制御して作動させる制御部と、センサの測定情報を記憶する記憶部と、測定情報を送信する無線通信部等が端末本体８１に内蔵されている。端末本体８１には、上記制御部、記憶部及び無線通信部等に電力を供給するバッテリ８７が接続されている。端末本体８１には、記憶部としてのＵＳＢメモリ８３が着脱自在に接続される接続端子が設けられていると共に、無線通信部に接続されたアンテナ８２が設けられている。なお、端末本体８１は、記憶部としてのＵＳＢメモリ８３が着脱可能に接続されるほか、フラッシュメモリ等の記憶装置を記憶部として内蔵してもよい。また、端末本体８１は、ＵＳＢメモリ８３を着脱可能な接続端子と、内蔵された記憶装置との両方を有してもよい。また、バッテリ８７は、端末本体８１に内蔵されてもよい。
【００５１】
測定端末８はバッテリ８７で駆動され、Ｋ値センサ７の測定情報を無線通信部で送信するので、商用電源供給線や情報伝送線に接続することなく、亀裂７７に関する情報の測定と収集が可能になっている。測定端末８は、マグネットにより鋼製床版１のトラフ４や主桁又は縦リブ５等に直接固定してもよく、あるいは、鋼製床版１に設置された図示しない足場にボルトナット等で固定してもよい。いずれの場合も、センサと測定端末８との間をリード線で接続できればよいから、測定端末８の設置位置を高い自由度で選択することができる。測定端末８には、Ｋ値センサ７の他に、亀裂進展センサや歪みセンサを接続してもよく、また、測定端末８に接続するセンサは１つでも複数でもよい。
【００５２】
図７は、実施形態の亀裂監視システムを示すブロック図である。この監視システムは、上記測定端末８と、受信端末９と、サーバ１０で構成されている。受信端末９は、測定端末８が設置された橋梁の近傍に設置され、測定端末８から無線通信により測定情報を受信し、亀裂の進展速度や進展長さの解析を行う。サーバ１０は、受信端末９にネットワークＮを介して接続され、亀裂に関する測定情報や解析結果を収集して保存する。受信端末９とサーバ１０を接続するネットワークＮは、インターネットや、電話回線や、専用回線等の種々の情報通信網を用いることができる。
【００５３】
図７に示すように、測定端末８は、端末本体８１と、端末本体８１から突出するアンテナ８２と、端末本体８１にＵＳＢメモリ８３を接続する接続端子と、Ｋ値センサ７に接続されてブリッジ回路を構成する駆動アンプ８４と、測定端末８の動作を制御するＣＰＵ８５と、Ｋ値センサ７の測定情報を無線送信するための無線Ｉ／Ｆ（インターフェース）８６と、測定端末８の電源としてのバッテリ８７を備える。端末本体８１は、Ｋ値センサ７以外に、クラックセンサや他のセンサを接続可能に形成されており、駆動アンプ８４は、他のセンサを駆動可能に形成されている。ＣＰＵ８５は、図示しないメモリに記憶されたプログラムに従って、駆動アンプ８４、無線Ｉ／Ｆ８６及びＵＳＢメモリ８３等の動作を制御するように形成されている。上記ＣＰＵ８５と駆動アンプ８４が、センサを制御して作動させる制御部に該当する。また、ＣＰＵ８５は、無線Ｉ／Ｆ８６を通じて受信端末９から受信した指令に応じて、駆動アンプ８４、無線Ｉ／Ｆ８６及びＵＳＢメモリ８３等の動作を制御するように形成されている。バッテリ８７はリチウムイオンバッテリで構成され、長時間の測定動作が可能になっている。
【００５４】
測定端末８にＫ値センサ７が接続され、亀裂７７の進展速度を推定するための測定を行う場合、Ｋ値センサ７による測定情報は、データ量が比較的大きいのでＵＳＢメモリ８３に格納する。Ｋ値センサ７による測定の期間が終了すると、足場を通って測定端末８に接近した検査員によりＵＳＢメモリ８３が回収される。一方、測定端末８にクラックセンサが接続され、亀裂７７の進展長さの測定を行う場合、クラックセンサによる測定情報は、データ量が比較的小さいのでリアルタイムで無線Ｉ／Ｆ８６を通じて受信端末９に送信する。
【００５５】
受信端末９は、パーソナルコンピュータ等で構成される端末本体９１と、端末本体９１に接続される無線ユニット９２と、端末本体９１の記憶装置に格納された解析ソフト９３を有する。受信端末９は、パーソナルコンピュータ等の汎用性を有する機器で形成される端末本体９１に、測定端末８と無線通信を行う無線ユニット９２を接続すると共に、解析ソフト９３をインストールして構成される。無線ユニット９２は、測定端末８と無線通信を行って、測定端末８に接続されたセンサの測定情報を受信する。解析ソフト９３は、測定端末８から受信した測定情報を処理して、亀裂７７の進展速度や進展長さの推定値を算出する機能や、進展速度や進展長さの実測値を整理する機能や、情報処理の結果を出力する機能を有する。端末本体９１は、記憶装置の接続端子を有し、測定端末８により測定情報が格納されたＵＳＢメモリ８３が接続され、ＵＳＢメモリ８３の測定情報を読み出して解析ソフト９３で情報処理を行うことが可能になっている。受信端末９は、ネットワークＮに接続して他の機器と通信を行うネットワーク通信機能を有し、亀裂７７の測定情報や解析結果等をサーバ１０にアップロードすることが可能になっている。このネットワーク通信機能が登録部に該当する。
【００５６】
サーバ１０は、パーソナルコンピュータ等で構成され、受信端末９からネットワークＮを介して受信した測定情報と解析結果をデータベース１１に格納すると共に、データベース１１の格納情報を、ネットワークＮを介して配信可能に形成されている。例えば、ネットワークＮに接続された接続端末１２に、この接続端末１２からの要求に応じて、所定の情報を配信可能になっている。これにより、亀裂の生じた橋梁から遠隔の位置において、接続端末１２を通じて橋梁の亀裂の監視を行うことができ、また、亀裂に関する解析結果を閲覧することができ、また、亀裂に関する解析を行うことができる。
【００５７】
上記構成の亀裂監視システムによれば、測定情報をＵＳＢメモリ８３に格納でき、また、測定情報を無線送信可能な測定端末８に、Ｋ値センサ７やクラックセンサを接続して亀裂の近傍に設置するので、亀裂の発生現場に設置する機器の構成を小型にできる。したがって、橋梁における高所作業を少なくでき、計測機器の設置作業を容易にできる。また、測定端末８から測定情報を受信端末９に送信し、受信端末９はネットワークＮを通じて測定情報や解析情報をサーバ１０にアップロードできるので、亀裂が発生する橋梁から遠隔の位置で、橋梁の亀裂の監視や解析等を行うことができる。
【００５８】
上記実施形態において、Ｋ値センサ７の測定情報をＵＳＢメモリ８３に格納し、このＵＳＢメモリ８３を検査員が回収して受信端末９に接続して測定情報を読み込んだが、Ｋ値センサ７の測定情報は、無線Ｉ／Ｆ８６を介して無線通信により受信端末９に送信してもよい。
【００５９】
また、上記実施形態において、橋梁の亀裂監視システムを、亀裂の進展状況を監視して補修の優先順位を決定する用途に用いたが、亀裂の補修が完了した部分を監視する用途に用いてもよい。橋梁の亀裂が発生した部分は、補修が完了した後においても、荷重の増加や、荷重が繰り返して作用すること等により、再び亀裂が生じることがある。そこで、亀裂の補修完了部分にＫ値センサ７を設置し、測定端末８で測定情報を収集することにより、亀裂の補修完了部分の応力状態を観察することができ、亀裂の再発を検知することができる。
【００６０】
また、上記実施形態では、都市高速道路の高架橋に生じた亀裂を監視する場合について説明したが、本発明は、他の橋梁の鋼製部材に生じた亀裂に対しても適用可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１  鋼製床版
２  デッキプレート
４  トラフ
７  Ｋ値センサ
８  測定端末
９  受信端末
１０  サーバ
７７  亀裂
Ｎ  ネットワーク
【図１】
0005917161.tif 000003
【図２】
0005917161.tif 000004
【図３】
0005917161.tif 000005
【図４】
0005917161.tif 000006
【図５Ａ】
0005917161.tif 000007
【図５Ｂ】
0005917161.tif 000008
【図６】
0005917161.tif 000009
【図７】
0005917161.tif 000010