(57)【要約】【課題】橋脚の健全度を精度よく判断することができる橋脚健全度判断装置を提供する。【解決手段】情報処理部は、パワースペクトル算出部と、面積比算出部と、相関係数算出部とを備える。面積比算出部は、パワースペクトルの下限振動数ｆａから中間振動数ｆｂまでの低域面積に対する、パワースペクトルの下限振動数ｆａから上限振動数ｆｃまでの全域面積の、面積比を算出する。相関係数算出部は、複数の橋脚の面積比と固有振動数との相関係数を算出する。情報処理部は、下限振動数ｆａ、中間振動数ｆｂおよび上限振動数ｆｃを変化させて、面積比算出部による複数の橋脚の面積比の算出および相関係数算出部による相関係数の算出を繰り返し、相関係数が最大となる下限振動数ｆａ、中間振動数ｆｂおよび上限振動数ｆｃの好適値を決定する。【選択図】図７
2018054357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の橋脚の振動情報を測定するセンサと、
前記センサにより測定された振動情報から前記橋脚の健全度を判断する情報処理部と、を備え、
前記情報処理部は、
前記センサにより測定された振動情報から、パワースペクトルを算出するパワースペクトル算出部と、
前記パワースペクトルの下限振動数から中間振動数までの面積に対する、前記パワースペクトルの前記下限振動数から前記中間振動数よりも大きい上限振動数までの面積の、面積比を算出する面積比算出部と、
前記面積比算出部により算出された前記複数の橋脚の前記面積比と、前記複数の橋脚の固有振動数との、相関係数を算出する相関係数算出部と、
を備え、
前記情報処理部は、前記下限振動数、前記中間振動数および前記上限振動数のうち少なくとも一つを変化させて、前記面積比算出部による前記複数の橋脚の前記面積比の算出および前記相関係数算出部による前記相関係数の算出を繰り返し、前記相関係数が最大となる前記下限振動数、前記中間振動数および前記上限振動数の好適値を決定する、
橋脚健全度判断装置。
【請求項２】
前記振動情報は、前記複数の橋脚の橋軸直角方向における振動加速度である、
請求項１に記載の橋脚健全度判断装置。
【請求項３】
前記面積比算出部は、前記下限振動数、前記中間振動数および前記上限振動数の好適値を使用して、前記複数の橋脚の前記面積比の好適値を算出し、
前記情報処理部は、前記複数の橋脚の前記面積比の好適値と前記固有振動数との回帰式を算出する回帰式算出部を備える、
請求項１または２に記載の橋脚健全度判断装置。
【請求項４】
前記情報処理部は、前記面積比を前記回帰式に代入して固有振動数を推定する固有振動数推定部を備え、
前記パワースペクトル算出部は、前記複数の橋脚に含まれる第１橋脚について、前記センサにより測定された振動情報から、前記パワースペクトルを算出し、
前記面積比算出部は、前記下限振動数、前記中間振動数および前記上限振動数の好適値を使用して、前記第１橋脚についての前記面積比である第１面積比を算出し、
前記固有振動数推定部は、前記第１面積比を前記回帰式に代入して、前記第１橋脚の固有振動数を推定する、
請求項３に記載の橋脚健全度判断装置。
【請求項５】
前記情報処理部は、前記固有振動数推定部により推定された前記第１橋脚の固有振動数と、予め設定された前記第１橋脚の固有振動数の管理値とを比較して、前記第１橋脚の健全度を判断する、
請求項４に記載の橋脚健全度判断装置。
【請求項６】
センサにより複数の橋脚の振動情報を測定し、
前記複数の橋脚の振動情報についてパワースペクトルを算出し、
前記複数の橋脚につき、前記パワースペクトルの下限振動数から中間振動数までの面積に対する、前記パワースペクトルの前記下限振動数から前記中間振動数よりも大きい上限振動数までの面積の、面積比を算出し、
前記複数の橋脚の前記面積比と、前記複数の橋脚の固有振動数との、相関係数を算出し、
前記下限振動数、前記中間振動数および前記上限振動数のうち少なくとも一つを変化させて、前記複数の橋脚の前記面積比の算出および前記相関係数の算出を繰り返し、前記相関係数が最大となる前記下限振動数、前記中間振動数および前記上限振動数の好適値を決定する、
橋脚健全度判断準備方法。
【請求項７】
前記下限振動数、前記中間振動数および前記上限振動数の好適値を使用して、前記複数の橋脚の前記面積比の好適値を算出し、
前記複数の橋脚の前記面積比の好適値と前記固有振動数との回帰式を算出する、
請求項６に記載の橋脚健全度判断準備方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、橋脚健全度判断装置および橋脚健全度判断準備方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
河川内にある鉄道橋梁橋脚では、河床の低下等により、基礎の安定性に関わる健全度の低下が生じる。橋脚の健全度は、衝撃振動試験法により得られる橋軸直角方向の固有振動数によって判断されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２３０２０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年では、検査の省力化の観点から、常時設置したセンサによる状態監視が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この手法では、常時設置したセンサにより、実際の鉄道鋼製橋梁の常時微動に対する橋軸直角方向の振動加速度を継続的に計測する。次に、計測された振動加速度からパワースペクトルを算出する。次に、パワースペクトルにおける下限振動数から中間振動数までの面積ＳＡＬと、下限振動数から中間振動数よりも大きい上限振動数までの面積ＳＡＡとを算出する。そして、健全度判断指標としてパワースペクトル面積比（以下、単に面積比と言う。）β＝ＳＡＡ／ＳＡＬを算出する。算出した面積比βを、予め求めておいた固有振動数と面積比βとの関係式（回帰式）に代入して、橋梁の固有振動数を推定する。このように推定した固有振動数によって、橋梁の健全度を判断する。
【０００５】
固有振動数と面積比βとの関係式は以下のように求める。河川を跨ぐ橋梁に含まれる複数の橋脚について、予め衝撃振動試験法により固有振動数を測定しておく。また、複数の橋脚について上記と同様に面積比βを算出する。ここで、面積比βを算出する際の閾値となる振動数として、経験的に以下の値を採用する。下限振動数として、対象橋脚の最小固有振動数または標準値（健全な橋脚が有する最小固有振動数の目安値）の半値を採用する。中間振動数として、対象橋脚の最小固有振動数を採用する。上限振動数として、一般的な鉄道橋脚が有する固有振動数の最大値を採用する。そして、複数の橋脚の固有振動数と面積比βのデータについて回帰分析を実施することにより、固有振動数と面積比βとの回帰式を算出する。
【０００６】
しかしながら、このように下限振動数、中間振動数および上限振動数を設定して面積比βを算出しても、固有振動数との間に十分な相関関係が得られない場合がある。相関関係が十分でない回帰式を用いると、橋梁の固有振動数の推定精度が低下する。この場合には、橋梁の健全度を精度よく判断できないという問題がある。
【０００７】
本発明は、橋脚の健全度を精度よく判断することができる橋脚健全度判断装置および橋脚健全度判断準備方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の橋脚健全度判断装置は、複数の橋脚の振動情報を測定するセンサと、前記センサにより測定された振動情報から前記橋脚の健全度を判断する情報処理部と、を備え、前記情報処理部は、前記センサにより測定された振動情報からパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出部と、前記パワースペクトルの下限振動数から中間振動数までの面積に対する、前記パワースペクトルの前記下限振動数から前記中間振動数よりも大きい上限振動数までの面積の、面積比を算出する面積比算出部と、前記面積比算出部により算出された前記複数の橋脚の前記面積比と、前記複数の橋脚の固有振動数との、相関係数を算出する相関係数算出部と、を備え、前記情報処理部は、前記下限振動数、前記中間振動数および前記上限振動数のうち少なくとも一つを変化させて、前記面積比算出部による前記複数の橋脚の前記面積比の算出および前記相関係数算出部による前記相関係数の算出を繰り返し、前記相関係数が最大となる前記下限振動数、前記中間振動数および前記上限振動数の好適値を決定する構成とした。
【０００９】
また、本発明の橋脚健全度判断準備方法は、センサにより複数の橋脚の振動情報を測定し、前記複数の橋脚の振動情報についてパワースペクトルを算出し、前記複数の橋脚につき、前記パワースペクトルの下限振動数から中間振動数までの面積に対する、前記パワースペクトルの前記下限振動数から前記中間振動数よりも大きい上限振動数までの面積の、面積比を算出し、前記複数の橋脚の前記面積比と、前記複数の橋脚の固有振動数との、相関係数を算出し、前記下限振動数、前記中間振動数および前記上限振動数のうち少なくとも一つを変化させて、前記複数の橋脚の前記面積比の算出および前記相関係数の算出を繰り返し、前記相関係数が最大となる前記下限振動数、前記中間振動数および前記上限振動数の好適値を決定する構成とした。
【００１０】
この構成によれば、下限振動数、中間振動数および上限振動数のうち少なくとも一つを変化させて、面積比の算出および相関係数の算出を繰り返す。これにより、相関係数が最大となる下限振動数、中間振動数および上限振動数の好適値を見出すことができる。この下限振動数、中間振動数および上限振動数の好適値を使用して面積比を算出すれば、固有振動数との間に十分な相関関係を有する回帰式が得られる。その結果、常時微動の振動情報から、橋脚の固有振動数を正確に推定できる。したがって、橋脚の健全度を精度よく判断することができる。
【００１１】
本発明の橋脚健全度判断装置において、前記振動情報は、前記複数の橋脚の橋軸直角方向における振動加速度であってもよい。
橋脚の安定性が低下すると、橋脚の橋軸直角方向における振動加速度が大きくなる。そこで、橋脚の橋軸直角方向における振動加速度を測定することにより、橋脚の安定性の低下を確実に検知できる。これにより、橋脚の健全度を精度よく判断することができる。また、センサとして安価な加速度センサを使用できる。
【００１２】
本発明の橋脚健全度判断装置において、前記面積比算出部は、前記下限振動数、前記中間振動数および前記上限振動数の好適値を使用して、前記複数の橋脚の前記面積比の好適値を算出し、前記情報処理部は、前記複数の橋脚の前記面積比の好適値と前記固有振動数との回帰式を算出する回帰式算出部を備える構成としてもよい。
【００１３】
また、本発明の橋脚健全度判断準備方法は、前記下限振動数、前記中間振動数および前記上限振動数の好適値を使用して、前記複数の橋脚の前記面積比の好適値を算出し、前記固有振動数との回帰式を算出するようにしてもよい。
【００１４】
この構成によれば、下限振動数、中間振動数および上限振動数の好適値を使用して面積比の好適値を算出するので、固有振動数との間に十分な相関関係を有する回帰式を算出できる。この回帰式を使用すれば、常時微動の振動情報から、橋脚の固有振動数を正確に推定できる。したがって、橋脚の健全度を精度よく判断することができる。
【００１５】
本発明の橋脚健全度判断装置において、前記情報処理部は、前記面積比を前記回帰式に代入して固有振動数を推定する固有振動数推定部を備え、前記パワースペクトル算出部は、前記複数の橋脚に含まれる第１橋脚について、前記センサにより測定された振動情報から前記パワースペクトルを算出し、前記面積比算出部は、前記下限振動数、前記中間振動数および前記上限振動数の好適値を使用して、前記第１橋脚についての前記面積比である第１面積比を算出し、前記固有振動数推定部は、前記第１面積比を前記回帰式に代入して、前記第１橋脚の固有振動数を推定する構成としてもよい。
この構成によれば、固有振動数との間に十分な相関関係を有する回帰式に第１面積比を代入するので、第１橋脚の固有振動数を正確に推定できる。したがって、第１橋脚の健全度を精度よく判断することができる。
【００１６】
本発明の橋脚健全度判断装置において、前記情報処理部は、前記固有振動数推定部により推定された前記第１橋脚の固有振動数と、予め設定された前記第１橋脚の固有振動数の管理値とを比較して、前記第１橋脚の健全度を判断する構成としてもよい。
この構成によれば、正確に推定された第１橋脚の固有振動数と、第１橋脚の管理値とを比較するので、第１橋脚の健全度を精度よく判断することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、橋脚の健全度を精度よく判断できる橋脚健全度判断装置および橋脚健全度判断準備方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】橋梁の概略図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図。
【図２】実施形態における橋脚健全度判断装置のブロック図。
【図３】パワースペクトルおよび面積比の説明図。
【図４】面積比と卓越振動数の経時変化の説明図。
【図５】固有振動数と面積比との回帰式の説明図。
【図６】実施形態における橋脚健全度判断準備方法のフローチャート。
【図７】境界振動数の変化範囲の説明図。
【図８】実施形態における橋脚健全度判断方法のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、実施形態の橋脚健全度判断装置および橋脚健全度判断準備方法を、図面を参照して説明する。本実施形態では、河川橋梁における橋脚の健全度を判断する場合を例にして説明する。なお、橋桁の軸方向を橋軸方向と呼び、橋軸方向に直交する水平方向を橋軸直角方向と呼ぶ。
【００２０】
（橋梁）
図１は橋梁の概略図であり、図１（ａ）は側面図であり、図１（ｂ）は平面図である。図１（ａ）に示すように、橋梁Ｂは河川Ｒを跨いで設けられる。橋梁Ｂは、橋脚Ｐと、橋桁Ｇとを有する。橋脚Ｐは、河川Ｒの底に立設され、地盤Ｇｒによって支持される。複数の橋脚Ｐｎ（Ｐ１〜Ｐ４）は、河川Ｒの水流方向に対して交差する方向に並んで配置される。一般に、橋梁Ｂに含まれる複数の橋脚Ｐｎは、同等の仕様で形成されている。橋桁Ｇは、隣り合う橋脚Ｐの頂部を跨ぐように配置される。橋桁Ｇには列車の軌道等が設けられる。
【００２１】
図１（ｂ）に示すように、河川Ｒの水流ＦＬにより橋脚Ｐの基部の地盤Ｇｒが洗掘されると、橋脚Ｐの安定性が低下する。橋脚Ｐの安定性の低下は、橋脚Ｐの固有振動数ｆｎの低下により検知できる。橋脚Ｐの固有振動数ｆｎは、衝撃振動試験のパワースペクトルにおいて、卓越振動数として現れる。しかし、手間のかかる衝撃振動試験を継続的に実施して、橋脚Ｐの健全度を継続的に判断するのは困難である。
一方、橋脚Ｐは風や水流ＦＬの影響により常時微動している。そこで、常時微動を継続的に測定して、常時微動のパワースペクトルから卓越振動数を検出することが考えられる。しかし、常時微動のパワースペクトルでは、外乱の影響等により卓越振動数が明確に現れない。そこで常時微動のパワースペクトルから、卓越振動数に代えて面積比を求める。この面積比を利用して、橋脚Ｐの健全度を継続的に判断する。
【００２２】
（橋脚健全度判断装置）
図２は、実施形態における橋脚健全度判断装置のブロック図である。橋脚健全度判断装置１は、センサ１０と、タイマー１２と、メモリ１４と、情報処理部２０とを有する。
センサ１０は、橋脚の振動情報を測定する。センサ１０は、振動情報として加速度を測定する加速度センサである。センサ１０として、安価で省電力なＭＥＭＳセンサを採用できる。センサ１０は、全ての橋脚Ｐに設置される。
図１（ｂ）に示す橋脚Ｐは、風や水流ＦＬの影響により常時微動している。センサ１０は、橋脚Ｐの常時微動の加速度を測定する。常時微動の加速度は、橋脚Ｐの頂部で最も大きくなる。そこでセンサ１０は、橋脚Ｐの頂部に設置される。一方、河川の水流ＦＬにより橋脚Ｐの上流側の地盤Ｇｒが洗掘されて橋脚Ｐの安定性が低下すると、橋脚Ｐの橋軸直角方向の加速度が大きくなる。そこでセンサ１０は、橋脚Ｐの橋軸直角方向の加速度を測定するように設置される。
【００２３】
図２に戻り、タイマー１２は、定期的にセンサ１０を起動してセンサ１０に加速度を測定させる。センサ１０の起動時刻は、例えば列車の非運行時である夜間である。
メモリ１４は、各種の情報を記録可能に形成されている。特にメモリ１４には、後述する固有振動数の測定値やパワースペクトル、境界振動数Ｆの候補値、相関係数、境界振動数Ｆの好適値、回帰式、固有振動数の推定値、固有振動数の管理値ｆｓなどの情報が記録される。
【００２４】
情報処理部２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成される。情報処理部２０は、橋梁Ｂの近傍に設置された管理ボックス内に配置される。情報処理部２０とセンサ１０との間における信号の送受信は、信号ケーブルを介して有線で行ってもよいし、無線通信で行ってもよい。なお情報処理部２０は、橋梁Ｂから離れた管理センターに配置されてもよい。この場合、情報処理部２０とセンサ１０との間における信号の送受信は無線通信で行う。
【００２５】
情報処理部２０は、パワースペクトル算出部２２と、面積比算出部２４と、相関係数算出部２６と、回帰式算出部２８と、固有振動数推定部３０とを備えている。
【００２６】
パワースペクトル算出部２２は、センサ１０により測定された振動情報からパワースペクトルを算出する。パワースペクトルは、振動数ごとの振動の大きさ（パワー）をフーリエスペクトルの振幅の２乗で示したものである。パワースペクトル算出部２２は、センサ１０により測定された加速度データを高速フーリエ変換してパワースペクトルを算出する。
図３は、パワースペクトルおよび面積比の説明図である。パワースペクトルは、横軸を振動数とし縦軸を振動パワーとしたグラフで表される。
【００２７】
橋脚Ｐの基部の地盤Ｇｒが洗掘されて、橋脚Ｐの安定性が低下すると、橋脚Ｐの固有振動数が低下する。橋脚Ｐの固有振動数は、衝撃振動試験によって得られたパワースペクトルにおいて、卓越振動数として検出できる。しかし、手間のかかる衝撃振動試験を継続的に実施するのは困難である。一方、常時微動から得られたパワースペクトルでは、外乱の影響等により卓越振動数が明確に現れない。そこで本実施形態では、固有振動数に変わる健全度判断指標として、パワースペクトルの面積比を算出する。
【００２８】
面積比算出部２４は、パワースペクトルから以下のように面積比を算出する。図３に示すように、面積算出範囲の境界振動数Ｆとして下限振動数ｆａ、中間振動数ｆｂおよび上限振動数ｆｃ（ｆａ＜ｆｂ＜ｆｃ）が設定される。そして下限振動数ｆａから上限振動数ｆｃまでパワースペクトルを積分して、およそ全ての振動数領域における全域面積ＳＡＡを求める。また下限振動数ｆａから中間振動数ｆｂまでパワースペクトルを積分して、低振動数領域における低域面積ＳＡＬを求める。なおパワースペクトルの面積は、パワースペクトルのグラフと横軸との間の面積に相当する。全域面積ＳＡＡは図３の黒塗り部分および白抜き部分の面積に相当し、低域面積ＳＡＬは図３の黒塗り部分の面積に相当する。そして面積比βを以下の数式１により算出する。
【００２９】
【数１】
2018054357.tif 000003
【００３０】
図４は、面積比および卓越振動数の経時変化の説明図である。図４では、３基の橋脚Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３について、常時微動から得られたパワースペクトルの面積比βおよび卓越振動数を記録している。なお衝撃振動試験により、橋脚Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の固有振動数ｆｎはＰ２＞Ｐ１＝Ｐ３であることが分かっている。面積比βは卓越振動数に比べて、橋脚Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の固有振動数ｆｎの大小関係を定量的に表現している。また、面積比βは卓越振動数に比べてばらつきが小さい。これにより、常時微動のパワースペクトルの面積比βは、卓越振動数に代わる健全度判断指標として有効であることが確認できる。
【００３１】
面積比βの有用性は、固有振動数ｆｎとの相関に起因している。そのため、低域面積ＳＡＬの算出境界となる中間振動数ｆｂとして、橋脚Ｐの最小固有振動数（または健全な橋脚Ｐの固有振動数）に近い値を採用する。この場合、橋脚Ｐの固有振動数ｆｎが低下すると、低振動数領域の振動パワーが大きくなる。これに伴って、低域面積ＳＡＬが大きくなり、面積比βが低下する（１に近づく）。すなわち、固有振動数ｆｎの低下に連動して、面積比βも低下することになる。なお下限振動数ｆａとして、橋脚Ｐの最小固有振動数または標準値（健全な橋脚が有する最小固有振動数の目安値）の半値に近い値を採用する。また上限振動数ｆｃとして、一般的な鉄道橋脚Ｐが有する固有振動数の最大値に近い値を採用する。
【００３２】
情報処理部２０は、パワースペクトル算出部２２および面積比算出部２４を制御する。情報処理部２０は、パワースペクトル算出部２２により、複数の橋脚Ｐｎのパワースペクトルを算出する。一方で情報処理部２０は、面積算出範囲の境界振動数Ｆ（下限振動数ｆａ、中間振動数ｆｂ、上限振動数ｆｃ）の第１候補値を設定する。そして情報処理部２０は、境界振動数Ｆの第１候補値を使用して、面積比算出部２４により、複数の橋脚Ｐｎの面積比βを算出する。
【００３３】
相関係数算出部２６は、面積比算出部２４により算出された複数の橋脚Ｐｎの面積比βと、複数の橋脚Ｐｎの固有振動数ｆｎとの、相関係数を算出する。複数の橋脚Ｐｎの固有振動数ｆｎは、予め衝撃振動試験によって求めておく。相関係数は、面積比βと固有振動数ｆｎとの間における線形関係の強弱を表す指標である。相関係数は、両者間に正の強い線形関係がある場合には１に近づき、両者間が無関係の場合には０に近づく。相関係数ρは、面積比βの標準偏差をσｂとし、固有振動数ｆｎの標準偏差をσｆとし、共分散をσｂｆとして、以下の数式２により算出する。
【００３４】
【数２】
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【００３５】
情報処理部２０は、面積比算出部２４および相関係数算出部２６を制御する。情報処理部２０は、面積算出範囲の境界振動数Ｆ（ｆａ、ｆｂ、ｆｃ）のうち少なくとも一つを第１候補値から変化させて、第２候補値を設定する。情報処理部２０は、境界振動数の第２候補値を使用して、面積比算出部２４により、複数の橋脚Ｐｎの面積比βを再算出する。情報処理部２０は、相関係数算出部２６により、複数の橋脚Ｐｎの面積比βと固有振動数との相関係数を再算出する。このようにして情報処理部２０は、相関係数算出部２６が算出した相関係数が最大となるように、面積算出範囲の境界振動数Ｆ（ｆａ、ｆｂ、ｆｃ）の好適値を決定する。
情報処理部２０は、決定した境界振動数Ｆの好適値を使用して、面積比算出部２４により、複数の橋脚Ｐｎの面積比βの好適値を算出する。
【００３６】
回帰式算出部２８は、複数の橋脚Ｐｎの面積比βの好適値と、固有振動数ｆｎとの回帰式を算出する。具体的に回帰式算出部２８は、面積比βと固有振動数ｆｎとを線形（一次）の回帰式に当てはめる回帰分析を行う。回帰式のパラメータの推定には、最小二乗法が利用できる。
図５は、固有振動数と面積比との回帰式の説明図である。図５のグラフは、固有振動数ｆｎを横軸に取り面積比βを縦軸に取っているが、これとは逆に面積比βを横軸に取り固有振動数ｆｎを縦軸に取ってもよい。図５には、複数の橋脚Ｐｎの面積比βの好適値と固有振動数ｆｎのデータがプロットされている。また図５には、これらのデータに当てはまるように回帰式算出部２８が算出した回帰式Ｅが記載されている。
【００３７】
情報処理部２０は、複数の橋脚Ｐｎに含まれる橋脚（例えば第１橋脚Ｐ１）について、センサ１０により定期的に測定された振動情報を受信する。情報処理部２０は、パワースペクトル算出部２２により、当該振動情報のパワースペクトルを算出する。情報処理部２０は、面積算出範囲の境界振動数Ｆ（ｆａ，ｆｂ，ｆｃ）の好適値を使用して、面積比算出部２４により面積比β（例えば第１橋脚Ｐ１の第１面積比β１）を算出する。
【００３８】
固有振動数推定部３０は、面積比算出部２４により算出された面積比βを、回帰式算出部２８により算出された回帰式に代入して、固有振動数ｆｎを推定する。例えば、第１橋脚Ｐ１の第１面積比β１を回帰式Ｅに代入して、第１橋脚Ｐ１の固有振動数ｆｎ１を推定する。
【００３９】
情報処理部２０は、固有振動数推定部３０により推定された固有振動数ｆｎと、固有振動数の管理値ｆｓとを比較して、橋脚の健全度を判断する。管理値ｆｓは、健全度に問題が生じる程度に安定性が低下した橋脚の固有振動数に設定されている。情報処理部２０は、推定された固有振動数ｆｎが管理値ｆｓより大きければ、橋脚が健全であると判断する。例えば、推定された第１橋脚Ｐ１の固有振動数ｆｎ１が第１橋脚Ｐ１の管理値ｆｓ１より大きければ、第１橋脚Ｐ１が健全であると判断する。逆に、推定された第１橋脚Ｐ１の固有振動数ｆｎ１が第１橋脚Ｐ１の管理値ｆｓ１以下であれば、第１橋脚Ｐ１が不健全であると判断する。情報処理部２０は、第１橋脚Ｐ１が不健全であると判断した場合に、警告情報を出力する。
【００４０】
このように、本実施形態の情報処理部２０は、算出された面積比βから固有振動数ｆｎを推定し、推定された固有振動数ｆｎと固有振動数の管理値ｆｓとを比較して、橋脚Ｐの健全度を判断する。これに対して、情報処理部２０は、算出された面積比βと、面積比βの管理値βｓとを比較して、橋脚Ｐの健全度を判断してもよい。面積比βの管理値βｓは、図５に示すように、固有振動数の管理値ｆｓを回帰式に代入して求めることができる。
【００４１】
また、本実施形態の情報処理部２０は、推定された第１橋脚Ｐ１の固有振動数ｆｎ１と、第１橋脚Ｐ１の一つの管理値ｆｓ１とを比較する。これに対して、情報処理部２０は、推定された第１橋脚Ｐ１の固有振動数ｆｎ１と、大きさの異なる複数の管理値とを比較することで、第１橋脚Ｐ１の健全度レベルを判断してもよい。例えば、健全度に問題が生じる程度に安定性が低下した橋脚の固有振動数を第１管理値に設定する場合には、第１管理値より大きい固有振動数を第２管理値に設定する。そして、推定された第１橋脚Ｐ１の固有振動数ｆｎ１が第２管理値以下となった場合に、注意情報を出力する。また、推定された第１橋脚Ｐ１の固有振動数ｆｎ１が第１管理値以下となった場合に、警告情報を出力する。
【００４２】
（橋脚健全度判断準備方法）
次に、本実施形態における橋脚健全度判断装置１を使用した、橋脚健全度判断準備方法および橋脚健全度判断方法について説明する。本実施形態では、橋脚健全度判断準備方法を実施した後に、橋脚健全度判断方法を実施する。橋脚健全度判断準備方法では、面積比βと固有振動数ｆｎとの回帰式を算出する。橋脚健全度判断方法では、算出した回帰式を使用して橋脚Ｐの健全度を判断する。
橋脚健全度判断準備方法の実施に先立って、予め複数の橋脚Ｐｎに対して衝撃振動試験を実施し、固有振動数ｆｎを測定しておく。測定した複数の橋脚Ｐｎの固有振動数ｆｎはメモリ１４に保存する。
【００４３】
図６は、実施形態における橋脚健全度判断準備方法のフローチャートである。
Ｓ４０において、センサ１０は、複数の橋脚Ｐｎの振動情報を測定する。センサ１０は、振動情報として常時微動の加速度を測定する。センサ１０は、複数の橋脚Ｐｎの加速度データを情報処理部２０に出力する。
Ｓ４２において、パワースペクトル算出部２２は、センサ１０により測定された振動情報からパワースペクトルを算出する。パワースペクトル算出部２２は、複数の橋脚Ｐｎの加速度に対して、それぞれパワースペクトルを算出する。情報処理部２０は、複数の橋脚Ｐｎのパワースペクトルをメモリ１４に保存する。
【００４４】
Ｓ４４において、情報処理部２０は、面積算出範囲の境界振動数Ｆ（ｆａ、ｆｂ、ｆｃ）の候補値を設定する。
図７は、境界振動数の変化範囲の説明図である。情報処理部２０は、境界振動数Ｆ（ｆａ，ｆｂ，ｆｃ）の変化範囲Ｗａ，Ｗｂ，Ｗｃを設定する。そして、各変化範囲Ｗａ，Ｗｂ，Ｗｃにおける最小値を境界振動数Ｆの第１候補値に設定する。中間振動数ｆｂの変化範囲Ｗｂは、橋脚Ｐの最小固有振動数を中心として、その周辺の振動数範囲に設定する。下限振動数ｆａの変化範囲Ｗａは、橋脚Ｐの最小固有振動数または標準値（健全な橋脚が有する最小固有振動数の目安値）の半値を中心として、その周辺の振動数範囲に設定する。上限振動数ｆｃの変化範囲Ｗｃは、一般的な鉄道橋脚Ｐが有する固有振動数の最大値を中心として、その周辺の振動数範囲に設定する。
【００４５】
Ｓ４６において、面積比算出部２４は、境界振動数Ｆの候補値を使用して、面積比βを算出する。面積比算出部２４は、複数の橋脚Ｐｎのパワースペクトルをメモリ１４から読み出し、それぞれについて面積比βを算出する。面積比算出部２４は、下限振動数ｆａから上限振動数ｆｃまでパワースペクトルを積分し、全域面積ＳＡＡを求める。また下限振動数ｆａから中間振動数ｆｂまでパワースペクトルを積分し、低域面積ＳＡＬを求める。そして前述した数式１により積分値比率βを算出する。
【００４６】
Ｓ４８において、相関係数算出部２６は、複数の橋脚Ｐｎの面積比βと固有振動数ｆｎとの相関係数を算出する。情報処理部２０は、算出された相関係数をメモリ１４に保存する。その際、面積比βの算出に使用した境界振動数Ｆの候補値と、相関係数とを関連付けて、メモリ１４に保存する。
【００４７】
Ｓ５０において、情報処理部２０は、境界振動数Ｆの候補値が終了したか判断する。Ｓ５０の判断がＮｏの場合はＳ４４に戻る。Ｓ４４において情報処理部２０は、境界振動数Ｆ（ｆａ，ｆｂ，ｆｃ）のうち少なくとも一つを変化させて、新たな境界振動数Ｆの候補値を設定する。本実施形態では、境界振動数Ｆの全てを変化させる。図７に示す境界振動数Ｆの変化範囲Ｗａ，Ｗｂ，Ｗｃをそれぞれｍ個の振動数範囲に分割した場合、順列組合せにより（ｍ＋１）３通りが境界振動数Ｆの候補値になる。そこで、各変化範囲Ｗａ，Ｗｂ，Ｗｃの最小値から順に境界振動数Ｆを変化させて、新たな候補値を設定する。そして、境界振動数Ｆの各候補値につきＳ４６およびＳ４８の処理を繰り返す。Ｓ４８では、境界振動数Ｆの候補値と相関係数とを関連付けて、メモリ１４に保存する。
【００４８】
Ｓ５０の判断がＹｅｓの場合は、Ｓ５２に進む。
Ｓ５２において、情報処理部２０は、相関係数が最大となるように境界振動数Ｆの好適値を決定する。情報処理部２０は、メモリ１４に保存された相関係数の最大値を抽出する。また、最大となる相関係数に関連付けて保存されている境界振動数Ｆの候補値を読み出す。そして、読み出した境界振動数Ｆの候補値を、境界振動数Ｆの好適値として決定する。情報処理部２０は、境界振動数Ｆの好適値をメモリ１４に保存する。
【００４９】
Ｓ５４において、面積比算出部２４は、境界振動数Ｆの好適値を使用して、面積比βの好適値を算出する。面積比算出部２４は、複数の橋脚Ｐｎのパワースペクトルをメモリ１４から読み出し、それぞれについて面積比βの好適値を算出する。なお、Ｓ４８において境界振動数Ｆの候補値と面積比βとを関連付けてメモリ１４に保存しておき、境界振動数Ｆの好適値に関連付けて保存されている面積比βをメモリ１４から読み出して、面積比βの好適値としてもよい。
【００５０】
Ｓ５６において、回帰式算出部２８は、複数の橋脚Ｐｎの面積比βの好適値と、固有振動数ｆｎとの回帰式を算出する。回帰式算出部２８は、予め衝撃振動試験により測定された固有振動数ｆｎをメモリ１４から読み出して、回帰分析を行う。情報処理部２０は、算出された回帰式をメモリ１４に保存する。
以上により、橋脚健全度判断準備方法が完了する。
【００５１】
（橋脚健全度判断方法）
図８は、橋脚健全度判断方法のフローチャートである。以下には、複数の橋脚Ｐｎに含まれる第１橋脚Ｐ１の健全度を判断する場合を例にして説明するが、他の橋脚についても同様である。
【００５２】
Ｓ６０において、センサ１０は、第１橋脚Ｐ１の振動情報を測定する。センサ１０は、振動情報として常時微動の加速度を測定する。タイマー１２は、第１橋脚Ｐ１に設置されたセンサ１０を定期的に駆動して、センサ１０に測定させる。センサ１０は、第１橋脚Ｐ１の加速度データを情報処理部２０に出力する。
Ｓ６２において、パワースペクトル算出部２２は、センサ１０により測定された振動情報からパワースペクトルを算出する。
Ｓ６４において、面積比算出部２４は、境界振動数Ｆの好適値を使用して、第１橋脚Ｐ１についての面積比βである第１面積比β１を算出する（Ｓ６４）。面積比算出部２４は、メモリ１４から境界振動数Ｆの好適値を読み出して使用する。
【００５３】
Ｓ６６において、固有振動数推定部３０は、第１面積比β１を回帰式に代入して、第１橋脚Ｐ１の固有振動数ｆｎ１を推定する。固有振動数推定部３０は、メモリ１４から回帰式を読み出して使用する。固有振動数推定部３０は、推定した第１橋脚Ｐ１の固有振動数ｆｎ１をメモリ１４に保存する。定期的にメモリ１４に保存された固有振動数ｆｎ１は、第１橋脚Ｐ１の健全度の系時変化を示すデータとして利用できる。
【００５４】
Ｓ６８において、情報処理部２０は、固有振動数推定部３０により推定された第１橋脚Ｐ１の固有振動数ｆｎ１と、予め設定された第１橋脚Ｐ１の固有振動数の管理値ｆｓ１とを比較する。情報処理部２０は、第１橋脚Ｐ１の固有振動数の管理値ｆｓ１をメモリ１４から読み出して使用する。情報処理部２０は、推定された第１橋脚Ｐ１の固有振動数ｆｎ１が管理値ｆｓ１より大きければ、第１橋脚Ｐ１が健全であると判断する。逆に、推定された第１橋脚Ｐ１の固有振動数ｆｎ１が管理値ｆｓ１以下であれば、第１橋脚Ｐ１が不健全であると判断する。
以上により、橋脚健全度判断方法が完了する。
【００５５】
以上に詳述したように、本実施形態の橋脚健全度判断装置１は、センサ１０と、情報処理部２０とを備える。センサ１０は、複数の橋脚Ｐｎの振動情報を測定する。情報処理部２０は、センサにより測定された振動情報から橋脚Ｐの健全度を判断する。情報処理部２０は、パワースペクトル算出部２２と、面積比算出部２４と、相関係数算出部２６とを備える。パワースペクトル算出部２２は、センサ１０により測定された振動情報からパワースペクトルを算出する。面積比算出部２４は、パワースペクトルの下限振動数ｆａから中間振動数ｆｂまでの低域面積ＳＡＬに対する、パワースペクトルの下限振動数ｆａから上限振動数ｆｃまでの全域面積ＳＡＡの、面積比βを算出する。相関係数算出部２６は、面積比算出部２４により算出された複数の橋脚Ｐｎの面積比βと、複数の橋脚Ｐｎの固有振動数ｆｎとの相関係数を算出する。情報処理部２０は、境界振動数Ｆ（ｆａ，ｆｂ，ｆｃ）のうち少なくとも一つを変化させて、面積比算出部２４による複数の橋脚Ｐｎの面積比βの算出および相関係数算出部２６による相関係数の算出を繰り返し、相関係数が最大となる境界振動数Ｆの好適値を決定する。
【００５６】
また、本実施形態の橋脚健全度判断準備方法は、センサ１０により複数の橋脚の振動情報を測定する。次に、複数の橋脚Ｐｎの振動情報についてパワースペクトルを算出する。次に、複数の橋脚Ｐｎにつき、パワースペクトルの下限振動数ｆａから中間振動数ｆｂまでの低域面積ＳＡＬに対する、パワースペクトルの下限振動数ｆａから上限振動数ｆｃまでの全域面積ＳＡＡの、面積比βを算出する。次に、複数の橋脚Ｐｎの面積比βと、複数の橋脚Ｐｎの固有振動数ｆｎとの、相関係数ρを算出する。境界振動数Ｆ（ｆａ，ｆｂ，ｆｃ）のうち少なくとも一つを変化させて、複数の橋脚Ｐｎの面積比βの算出および相関係数の算出を繰り返し、相関係数が最大となる境界振動数Ｆの好適値を決定する。
【００５７】
常時微動のパワースペクトルでは、外乱の影響等により卓越振動数が明確に現れない。そのため、中間振動数ｆｂを橋脚Ｐの最小固有振動数に設定して面積比βを算出しても、固有振動数ｆｎとの間に十分な相関関係が得られない場合がある。
これに対して本実施形態では、境界振動数Ｆを変化させて面積比βを算出し、面積比βと固有振動数ｆｎとの相関係数を算出する。これにより、相関係数が最大となる境界振動数Ｆの好適値を見出すことができる。この境界振動数Ｆの好適値を使用して面積比βを算出すれば、固有振動数ｆｎとの間に十分な相関関係が得られる。その結果、常時微動の振動情報から、橋脚Ｐの固有振動数ｆｎを正確に推定できる。したがって、橋脚Ｐの健全度を精度よく判断することができる。
【００５８】
本実施形態の橋脚健全度判断装置１において、センサ１０が測定する振動情報は、複数の橋脚Ｐｎの橋軸直角方向における振動加速度である。
橋脚Ｐの安定性が低下すると、橋脚Ｐの橋軸直角方向における振動加速度が大きくなる。そこで、橋脚Ｐの橋軸直角方向における振動加速度を測定することにより、橋脚Ｐの安定性の低下を確実に検知できる。これにより、橋脚Ｐの健全度を精度よく判断することができる。また、センサ１０として安価な加速度センサを使用できる。
【００５９】
本実施形態の橋脚健全度判断装置１において、面積比算出部２４は、境界振動数Ｆ（ｆａ，ｆｂ，ｆｃ）の好適値を使用して、複数の橋脚Ｐｎの面積比βの好適値を算出する。情報処理部２０は、複数の橋脚Ｐｎの面積比βの好適値と固有振動数ｆｎとの回帰式を算出する回帰式算出部２８を備える。
また、本実施形態の橋脚健全度判断準備方法は、境界振動数Ｆ（ｆａ，ｆｂ，ｆｃ）の好適値を使用して、複数の橋脚Ｐｎの面積比βの好適値を算出する。次に、複数の橋脚Ｐｎの面積比βの好適値と固有振動数ｆｎとの回帰式を算出する。
【００６０】
この構成によれば、境界振動数Ｆの好適値を使用して面積比βの好適値を算出するので、固有振動数ｆｎとの間に十分な相関関係を有する回帰式を算出できる。この回帰式を使用すれば、常時微動の振動情報から、橋脚Ｐの固有振動数ｆｎを正確に推定できる。したがって、橋脚Ｐの健全度を精度よく判断することができる。
【００６１】
本実施形態の橋脚健全度判断装置１において、情報処理部２０は、面積比βを回帰式に代入して固有振動数を推定する固有振動数推定部３０を備える。パワースペクトル算出部２２は、複数の橋脚Ｐｎに含まれる第１橋脚Ｐ１について、センサ１０により測定された振動情報からパワースペクトルを算出する。面積比算出部２４は、境界振動数Ｆの好適値を使用して、第１橋脚Ｐ１についての面積比βである第１面積比β１を算出する。固有振動数推定部３０は、第１面積比β１を回帰式に代入して、第１橋脚Ｐ１の固有振動数ｆｎ１を推定する。
この構成によれば、固有振動数ｆｎとの間に十分な相関関係を有する回帰式に第１面積比β１を代入するので、第１橋脚Ｐ１の固有振動数ｆｎ１を正確に推定できる。したがって、第１橋脚Ｐ１の健全度を精度よく判断することができる。
【００６２】
本実施形態の橋脚健全度判断装置１において、情報処理部２０は、固有振動数推定部３０により推定された第１橋脚Ｐ１の固有振動数ｆｎ１と、予め設定された第１橋脚Ｐ１の固有振動数の管理値ｆｓ１とを比較して、第１橋脚Ｐ１の健全度を判断する。
この構成によれば、正確に推定された第１橋脚Ｐ１の固有振動数ｆｎ１と、第１橋脚Ｐ１の管理値ｆｓ１とを比較するので、第１橋脚Ｐ１の健全度を精度よく判断することができる。
【００６３】
以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせ、削除等も含まれる。
【００６４】
前述した実施形態において、センサ１０は、橋脚Ｐの頂部に設置される構成としたが、頂部以外の部分に設置される構成としてもよい。またセンサ１０は、橋脚Ｐの橋軸直角方向の加速度を測定する構成としたが、橋軸方向の加速度を測定する構成としてもよい。
前述した実施形態において、回帰式算出部２８は、面積比βと固有振動数ｆｎとを線形（一次）の回帰式に当てはめる構成としたが、二次以上の高次の回帰式に当てはめる構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の橋脚健全度判断装置および橋脚健全度判断準備方法により、橋脚の健全度を精度よく判断できる。
【符号の説明】
【００６６】
β…面積比
β１…第１橋脚の面積比
ｆａ…下限振動数
ｆｂ…中間振動数
ｆｃ…上限振動数
ｆｎ…固有振動数
ｆｓ…管理値
ｆｓ１…第１橋脚の管理値
Ｐ…橋脚
Ｐｎ…複数の橋脚
Ｐ１…第１橋脚
１…橋脚健全度判断装置
１０…センサ
２０…情報処理部
２２…パワースペクトル算出部
２４…面積比算出部
２６…相関係数算出部
２８…回帰式算出部
３０…固有振動数推定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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