(57)【要約】【課題】この発明は、目視確認によらず、基礎となる地中梁近傍に位置する柱の杭頭部に異常が生じているか否かを評価することができる、高架橋の状態監視装置及び状態監視方法を提供する。【解決手段】基礎となる地中梁３および杭基礎２と、該地中梁３に固定された柱４と、該柱４の天端部に固定された上床梁５とを有する高架橋Ａであって、地中梁３および杭基礎２の近傍に位置する柱４の柱基部１０に設置されて該柱基部１０を打撃又は起振させることにより得た振動を計測する振動計測器１１と、該振動計測器１１からの検出値に基づき杭頭２次モードの固有振動数を演算しかつ記録する演算記録手段１３と、該演算記録手段１３からの出力に基づき杭頭２次モードの固有振動数に低下が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき高架橋の杭基礎２の損傷状態を評価した構造物の健全度判定する評価手段１４と、を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基礎となる地中梁および杭基礎と、該地中梁に固定された柱と、該柱の天端部に固定された上床梁とを有する高架橋の状態監視装置であって、
前記地中梁および杭基礎近傍に位置する柱基部に設置されて該柱基部を打撃又は起振させることにより得た振動を計測する振動計測器と、
該振動計測器から出力される検出値に基づき杭頭２次モードの固有振動数を演算しかつ記録する演算記録手段と、
該演算記録手段からの出力に基づき前記杭頭２次モードの固有振動数に低下が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する評価手段と、を具備することを特徴とする高架橋の状態監視装置。
【請求項２】
前記振動計測器では、前記柱基部付近をハンマー等で打撃した打撃振動が計測されることを特徴とする請求項１に記載の高架橋の状態監視装置。
【請求項３】
前記振動計測器では、前記柱基部付近に設置された起振器からのスイープ加振による構造物の強制振動が計測されることを特徴とする請求項１に記載の高架橋の状態監視装置。
【請求項４】
基礎となる地中梁および杭基礎と、該地中梁に固定された柱と、該柱の天端部に固定された上床梁とを有する高架橋の状態監視装置であって、
前記地中梁および杭基礎近傍に位置する柱基部に設置されて該柱基部の常時微動による振動を計測する常時微動計測器と、
該常時微動計測器から出力される検出値に基づき杭頭２次モードにおけるパワースペクトル面積比、卓越振動数等の評価要素を演算しかつ記録する演算記録手段と、
該演算記録手段からの出力に基づき前記杭頭２次モードにおける評価要素に変化が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する評価手段と、を具備することを特徴とする高架橋の状態監視装置。
【請求項５】
前記常時微動計測器は、風等による橋脚の微動を検出することを特徴とする請求項４に記載の高架橋の状態監視装置。
【請求項６】
基礎となる地中梁および杭基礎と、該地中梁に固定された柱と、該柱の天端部に固定された上床梁とを有する高架橋の状態監視方法であって、
前記地中梁および杭基礎近傍に位置する柱基部に設置されて該柱基部を打撃又は起振させることにより得た振動を計測する計測段階と、
該計測段階で検出された検出値に基づき杭頭２次モードの固有振動数を演算しかつ記録する演算段階と、
該演算段階での演算結果に基づき前記杭頭２次モードの固有振動数に低下が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する評価段階、を具備することを特徴とする高架橋の状態監視方法。
【請求項７】
基礎となる地中梁および杭基礎と、該地中梁に固定された柱と、該柱の天端部に固定された上床梁とを有する高架橋の状態監視方法であって、
前記地中梁および杭基礎近傍に位置する柱基部に設置されて該柱基部の常時微動による振動を計測する計測段階と、
該計測段階で検出された検出値に基づき杭頭２次モードにおけるパワースペクトル面積比、卓越振動数等の評価要素を演算しかつ記録する演算記録段階と、
該演算記録段階での演算結果に基づき前記杭頭２次モードにおける評価要素に変化が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する評価段階と、を具備することを特徴とする高架橋の状態監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道ラーメン高架橋等のコンクリート構造物に適用されて、地震後に生じた杭頭部を含む杭基礎の損傷の有無を効率的に確認することができる健全度評価手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在供用中の鉄道ラーメン高架橋においては、地震により損傷を受けた場合の健全度診断結果が、列車運行および早期再開の重要な指標となる。
そこで、鉄道ラーメン高架橋の安定性に関する健全度を非破壊で定量的に評価できる手法（健全度評価手法）として、橋脚天端の橋軸直角方向を３０ｋｇ程度の重錘で打撃して得られた１次固有振動モードの固有振動数の大きさから、損傷レベルを評価する衝撃振動試験が確立されている。
【０００３】
具体的には、非特許文献１に示される「ＲＣラーメン高架橋の健全度評価法の研究」では、橋脚天端を重錘により打撃したときの応答から該橋脚の固有振動数および振動モードを求め、それら値により基礎の健全度を判定する。
また、非特許文献２に示される「ＲＣラーメン高架橋の地震時損傷レベルの評価に関する研究」では、地震によりＲＣラーメン高架橋が損傷した場合に、損傷レベルに応じた復旧対策の決定およびその対策を行うために、構造物の損傷時に固有振動数が低下する現象に着目して、該構造物の損傷レベルを評価する。
これにより非特許文献２では、掛矢の打撃による衝撃振動試験を行うことで求めた全体系の１次固有振動数の数値解析結果に基づき、地震時に損害が生じた柱端部の塑性率を算出し、その算出結果に基づき全体の損傷レベルの評価を可能としている。
【０００４】
一方、橋脚の経時的な健全性評価ができる状態監視システムとして、特許文献１に示される技術が提供されている。
特許文献１に示される状態監視システムは、センサの振動情報から得られた振動数ごとの振動の大きさを示す波形から、橋脚の健全性の指標値として、第１の振動数を上限とする振動数の範囲の波形面積と、第１の振動数より大きい第２の振動数を上限とする振動数の範囲の波形面積による比であるパワースペクトル面積比を算出する。
そして、この特許文献１では、例えば、該パワースペクトル面積比と、衝撃振動試験による固有振動数との相関関係を監視することにより橋脚の長期的かつ経時的な健全性評価が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２３０２０６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】西村昭彦：ラーメン高架橋の健全度評価法の研究  鉄道総研報告  ＶＯＬ.４，ＮＯ.９，ｐｐ１４−２１，１９９０年９月
【非特許文献２】関雅樹，西村昭彦，佐野弘幸，中野聡：ＲＣラーメン高架橋の地震時損傷レベルの評価に関する研究  土木学会論文集  ＮＯ.７３１／Ｉ−６３，ｐｐ５１−６４，２００３年４月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した非特許文献に示される１次振動モードの固有振動数、または特許文献に示されるパワースペクトル面積比は、地震時に損傷が生じているラーメン高架橋全体における健全度診断指標として用いることができる。
しかしながら、杭基礎を有しているラーメン高架橋柱において、地中に埋まっている杭頭部が、地震により大きな損傷を受けている場合があり、このような状況下での高架橋の健全度評価については未知数な部分が多く、検討の余地が残されていた。
すなわち、上記文献の研究では、杭基礎損傷の状況までは考慮がされておらず、地震で杭基礎部材に損傷が発生した状態においても、同様な振動特性が発現するかについては定かではない。
【０００８】
結果として、現状の確認方法としては、杭基礎部分を掘り起して目視するしかなく、現実的には実施することが困難である。さらに、既設の鉄道ラーメン高架橋に関して、建設から長い年月が経過しているものが多く、老朽化が進んでいる構造物が多数存在している可能性が高いため、目視に代わる健全度評価法の確立が求められている。
特に、杭頭部を含む杭基礎部については、損傷の恐れがあるとしても目視による確認は困難なため、目視に代わる健全度評価法が求められている。
【０００９】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、目視確認によらず、杭頭部を含む杭基礎部に異常が生じているか否かを評価することができる、高架橋の状態監視装置及び状態監視方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の状態監視装置は、基礎となる杭および地中梁と、該基礎に固定された柱と、該柱の天端部に固定された上床梁とを有するラーメン高架橋において、地中梁および杭基礎近傍に位置する柱の基部に設置されて該柱基部を打撃又は起振させることにより得た振動を計測する振動計測器と、該振動計測器から出力される検出値に基づき杭頭２次モードの固有振動数を演算しかつ記録する演算記録手段と、該演算記録手段からの出力に基づき前記杭頭２次モードの固有振動数に低下が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する評価手段と、を具備することを特徴とする。
【００１１】
そして、以上のように構成された高架橋の状態監視装置では、地中梁および杭基礎近傍の柱の基部を打撃又は起振させることにより得た振動が、該柱基部に設置された振動計測器により検出される。
これにより、演算記録手段では、振動計測器で得た検出値に基づき杭頭２次モードの固有振動数を演算しかつ記録した後、評価手段では、該演算記録手段からの出力に基づき杭頭２次モードの固有振動数に低下が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する。
その結果、上記状態監視装置では、目視確認によらず、振動計測器から出力される検出値に基づき、高架橋の基礎となる杭基礎部に異常が生じているか否かを評価することができる。
【００１２】
また、本発明では、前記振動計測器にて前記柱基部付近を掛矢等で打撃した打撃振動が計測されることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明では、前記振動計測器にて前記柱基部付近に設置された起振器からのスイープ加振による構造物の強制振動が計測されることを特徴とする。
【００１４】
そして、以上のように構成された高架橋の状態監視装置では、地中梁および杭基礎近傍の柱の基部を掛矢で打撃又は起振器で起振させることにより得た振動が、該柱基部に設置された振動計測器により検出される。これにより、振動計測器から出力される検出値に基づき、基礎となる地中梁および杭基礎の近傍に位置する柱基部に異常が生じているか否かを評価することができる。
【００１５】
また、本発明の状態監視装置は、基礎となる杭および地中梁と、該基礎に固定された柱と、該柱の天端部に固定された上床梁とを有するラーメン高架橋において、地中梁および杭頭近傍に位置する柱の基部に設置されて該柱基部の常時微動による振動を計測する常時微動計測器と、該常時微動計測器から出力される検出値に基づき杭頭２次モードにおけるパワースペクトル面積比、卓越振動数等の評価要素を演算しかつ記録する演算記録手段と、該演算記録手段からの出力に基づき前記杭頭２次モードにおける評価要素に変化が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する評価手段と、を具備することを特徴とする。
【００１６】
そして、以上のように構成された高架橋の状態監視装置では、地中梁および杭基礎近傍に位置する柱基部に設置されて該柱基部の常時微動による振動が、該柱基部に設置された常時微動計測器により検出される。
その後、演算記録手段では、常時微動計測器で得た検出値に基づき杭頭２次モードにおけるパワースペクトル面積比、卓越振動数等の評価要素を演算しかつ記録した後、評価手段では、該演算記録手段からの出力に基づき杭頭２次モードにおける評価要素に変化が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する。
その結果、上記状態監視装置では、目視確認によらず、常時微動計測器から出力される検出値に基づき、杭基礎部に異常が生じているか否かを評価することができる。
【００１７】
また、本発明では、前記常時微動計測器は風等による橋脚の微動を検出することを特徴とする。
【００１８】
そして、以上のように構成された高架橋の状態監視装置では、風等による橋脚の微動が、地中梁および杭基礎の近傍に位置する柱の基部に設置された振動計測器により検出される。これにより、振動計測器から出力される検出値に基づき、杭基礎部に異常が生じているか否かを評価することができる。
【００１９】
また、本発明の状態監視方法は、基礎となる地中梁および杭基礎と、該基礎に固定された柱と、該柱の天端部に固定された上床梁とを有する高架橋において、地中梁および杭基礎近傍に位置する柱の基部に設置されて該柱基部を打撃又は起振させることにより得た振動を計測する計測段階と、該計測段階で検出された検出値に基づき杭頭２次モードの固有振動数を演算しかつ記録する演算段階と、該演算段階での演算結果に基づき前記杭頭２次モードの固有振動数に低下が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき前記高架橋の杭基礎の損傷を判定する評価段階、を具備することを特徴とする。
【００２０】
そして、以上のように構成された高架橋の状態監視方法では、計測段階にて地中梁および杭基礎近傍の柱の基部を打撃又は起振させることにより得た振動が検出される。
その後、演算記録段階では、計測段階で得た検出値に基づき杭頭２次モードの固有振動数を演算しかつ記録した後、評価段階では、該演算記録段階からの出力に基づき杭頭２次モードの固有振動数に低下が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき高架橋の杭基礎の損傷を判定する。
その結果、上記状態監視方法では、目視確認によらず、計測段階で得た検出値に基づき、杭基礎部に異常が生じているか否かを評価することができる。
【００２１】
また、本発明の状態監視方法は、基礎となる地中梁および杭基礎と、該基礎に固定された柱と、該柱の天端部に固定された上床梁とを有する高架橋において、地中梁および杭基礎近傍に位置する柱の基部に設置されて該柱基部の常時微動による振動を計測する計測段階と、該計測段階で検出された検出値に基づき杭頭２次モードにおけるパワースペクトル面積比、卓越振動数等の評価要素を演算しかつ記録する演算記録段階と、該演算記録段階での演算結果に基づき前記杭頭２次モードにおける評価要素に変化が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき高架橋の杭基礎の損傷を判定する評価段階と、を具備することを特徴とする。
【００２２】
そして、以上のように構成された高架橋の状態監視方法では、計測段階にて柱基部の常時微動による振動が検出される。  
その後、演算記録段階では、計測段階で得た検出値に基づき杭頭２次モードにおけるパワースペクトル面積比、卓越振動数等の評価要素を演算しかつ記録した後、評価段階では、該演算記録段階からの出力に基づき前記杭頭２次モードにおける評価要素に変化が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき高架橋の杭基礎の損傷を判定する。
その結果、上記状態監視方法では、目視確認によらず、計測段階で得た検出値に基づき、杭基礎部に異常が生じているか否かを評価することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、目視確認によらず、振動計測器から出力される検出値に基づき、杭頭部を含む杭基礎部に異常が生じているか否かを評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る実施形態の概略構成を示す図であって、（Ａ）は柱基部をハンマーで打撃した場合の図、（Ｂ）は柱基部を起振器で振動させた場合の図である。
【図２】杭の振動モードを示す説明図であって、（Ａ）は柱天端を打撃した場合の全体１次モードを示す図、（Ｂ）は柱基部付近を打撃した場合の杭頭２次モードを示す図である。
【図３】全体１次及び杭頭２次の振動モードの振動数と、柱の剛性低下率との相関関係を示すグラフである。
【図４】柱基部をハンマー又は起振器で打撃した際に加速度計の計測結果から得られたフーリエスペクトルを示す図である。
【図５】柱基部を通常打撃又は弱打撃した際の振動数と振幅との関係を示すグラフである。
【図６】杭頭部のはつり状況を示す図である。
【図７】はつり前後の振動スペクトルの変動を示すグラフであって、（Ａ）は衝撃振動試験を行った場合、（Ｂ）は起振器試験を行った場合を示している。
【図８】実験例２で使用した状態監視装置の概略構成図である。
【図９】フーリエ振幅スペクトルに対するパワースペクトルを、横軸を振動数、縦軸を振幅の２乗値として示したグラフである。
【図１０】一定の時間間隔で測定した全体１次モードにおけるパワースペクトル面積比の変動を示すグラフである。
【図１１】一定の時間間隔で測定した全体１次モードにおける卓越振動数の変動を示すグラフである。
【図１２】杭頭２次モードにおける測定回数とパワースペクトル面積比との関係を示すグラフである。
【図１３】杭頭２次モードにおける測定回数と卓越振動数との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の実施形態について図１〜図１３を参照して説明する。
図１（Ａ）及び（Ｂ）は本実施形態に適用されるコンクリート構造物１である。
このコンクリート構造物１は、杭基礎２を有する地中梁３と、該地中梁３に固定された柱４と、該柱４の天端部に固定された上床梁５とを主な構成要素とする、ラーメン高架橋Ａである。
【００２６】
地中梁３は、柱４から荷重を受ける部分であり、場所打ちコンクリートによって施工された棒状の構造物である。
また、この地中梁３は、杭基礎２に連結かつ支持されており柱４からの荷重を杭基礎２に伝達する。杭基礎２は、コンクリート構造物１全体を支持するための基礎部分であり、地中梁３との連結箇所に位置する杭頭部を経由して地中梁３からの荷重を地面Ｇに伝達する。
杭基礎２は、例えば、掘削機械によって掘削された所定の深さの穴の中に、鉄筋かごを挿入しコンクリートを打ち込んで構築された場所打ちコンクリート杭である。
【００２７】
柱４は上床梁５を支持する部分であり、所定の間隔をあけて施工され鉛直方向に配置される鉄筋コンクリート柱などの橋脚である。
上床梁５は、軌道Ｒを支持して路盤（基盤）として機能する部分であり、場所打ちコンクリートによって施工され水平方向に配置されるスラブ構造のＰＣ桁である。この上床梁５の上面には軌道Ｒが敷設される。
なお、杭基礎２を有する地中梁３は地面Ｇ下に埋設されており、該地中梁３に固定された柱４の大部分は地面Ｇから露出している。
【００２８】
次に、図１〜図１１を参照して、上記ラーメン高架橋Ａの杭基礎２の状態を評価するための状態監視装置１００について説明する。
【００２９】
柱基部１０は、図１に示すように地中梁３に固定された柱４の接合部及びその近傍に位置する部分（地中梁接続部から５００ｍｍ程度の区間）であって、一部が地面Ｇから露出している。
地中梁３および杭基礎２近傍に位置する柱基部１０には、該柱基部１０を打撃又は起振させることにより得た振動を計測する振動計測器１１が設けられている。
【００３０】
この振動計測器１１としては例えば、圧電型加速度計が使用される。また、振動計測器１１で検出された加速度データは情報処理装置Ｃに供給されてそのデータが処理される。
振動計測器１１では、図１（Ａ）に示されるように柱基部１０付近を掛矢等で打撃した打撃振動が計測される他、図１（Ｂ）に示されるように、柱基部１０付近に設置された起振器１２からのスイープ加振によるコンクリート構造物１の強制振動が計測される。
【００３１】
鉄道ラーメン高架橋の安定性に関する健全度を非破壊で定量的に評価できる手法として、図２（Ａ）で示されるように、橋脚の柱天端（符号４Ａで示す）の橋軸直角方向を３０ｋｇ程度の重錘で打撃して得られた１次の固有振動モードの固有振動数の大きさから評価する衝撃振動試験が確立されており、これまでに多くの実績がある。
前述した非特許文献１，２を参照して分かるように、鉄道ラーメン高架橋の地震時における衝撃振動試験を用いた部材損傷レベルの評価方法の研究がなされ、柱の損傷レベルと１次の固有振動数に相関があることが示されている。このことから、ラーメン高架橋において１次の振動モードの固有振動数は、地震時における健全度診断指標として鉄道事業者に用いられている。
しかし、１次の固有振動数を測定するだけでは、地中梁および杭基礎近傍に損傷が生じているか否かまで判定できないために、本例では、図２（Ｂ）で示されるように、柱天端を中心に振動する１次モードとともに、杭頭部を中心に振動する杭頭２次モードに着目した健全度診断を行うものである。
【００３２】
事前解析では、高架橋模型の解析モデルを作成し、杭頭部損傷時を想定して杭頭部の剛性を低下させた固有値解析を行い、振動モード毎における固有振動数の感度を分析した。
全体１次の振動モードに関しては、杭の剛性低下に対する感度は小さく、杭頭部の剛性低下率が１０％まで至らないと固有振動数の低下は顕著にならない。一方、杭頭２次の振動モードに関しては、杭頭部の剛性低下に対する固有振動数の低下の比率が大きい。これは、図２（Ｂ）に示す杭頭２次の振動モードからも見受けられるように、杭頭が大きく変形する振動モードであるため、杭頭部の剛性低下に対し固有振動数の低下が感度良く現れたためであると考えられる。このため、柱天端を中心に振動する１次モード（健全時の固有振動数：４.３Ｈｚ）とともに、杭頭部を中心に振動する２次モード（健全時の固有振動数 ：１８.１Ｈｚ）に着目した健全度診断を行うものである（具体的な健全時の固有振動数については後述する）。なお、今回の解析モデルに関して、柱の剛性のみ低下させる解析を別途実施した場合では、全体１次の振動モードの固有振動数と、柱の剛性低下率に相関があることを確認している。
【００３３】
図１に示される情報処理装置Ｃには、振動計測器１１から出力される検出データに基づき杭頭２次モードの固有振動数を演算しかつ記録する演算記録手段１３と、該演算記録手段１３からの出力に基づき杭頭２次モードの固有振動数に低下が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき高架橋の杭基礎２の損傷を判定する評価手段１４と、が具備されている。
【００３４】
なお、以下に示す杭基礎２の損傷程度を判定するために、実験例１では「強制振動（ハンマーによる打撃、起振器）による杭基礎２の健全度評価」の例が示され、また、実験例２では「常時微動を用いた杭基礎２の健全度評価」の例が示されている。
また、実験例１，２では、ラーメン高架橋の１径間を模擬した鉄筋コンクリート構造を作成し、基礎形式は羽根つき鋼管杭４本とした試験用構造物が使用されている。
また、杭頭部（地中梁接続部から５００ｍｍ程度の区間）は損傷を集中させると共に損傷状況をより詳細に検証するために細径の鉄筋コンクリート構造とし、目視による観察を行うために地表面高さを地中梁天端から約１.６ｍ程度下げた位置とした。柱高さは３.０ｍ、柱太さは３００×３００ｍｍ、杭長は５.０ｍ、杭径は杭天端から５００ｍｍ下がりの鉄筋コンクリート部材（杭頭部区間）は２５０ｍｍ、それ以深の鋼管部材（杭頭部以外の区間）は４１６ｍｍとした。
【００３５】
（実験例１）
〔強制振動（ハンマーによる打撃、起振器）による杭基礎２の健全度評価〕
ラーメン高架橋Ａの柱下部に位置する柱基部１０を、ハンマーによる打撃又は起振器で強制振動させた場合における該杭基礎２の健全度評価について、図４〜図７を参照して説明する。
【００３６】
（１） 健全時の検討
図４に、 掛矢による柱基部打撃（衝撃振動試験、起振器試験）を実施した際に、柱基部に取付けた加速度計（振動計測器１１）で計測した計測結果から得られたフーリエスペクトルを示す。結果として、柱基部における衝撃振動試験（符号ｃで示す）、起振器試験（符号ｄで示す）では１９.０Ｈz 付近で卓越振動数が見受けられた。これは、事前解析結果での健全時の２次モードの固有振動数（１８.１Ｈｚ）と同等の値であり、２次の振動モードの固有振動数であると考えられる。なお、４.５Ｈｚ、６.８Ｈｚ付近にも卓越振動数が確認されており、これは柱天端打撃の結果と事前解析結果より１次の振動モードとねじりの振動モードに対する固有振動数であると考えられる。この結果より、健全時における解析値と実験値の整合性が確認できたと考えられる。
なお、図２（Ａ）に示す柱天端４Ａに対して衝撃振動試験を実施した場合のフーリエスペクトルには、１次の卓越振動数が見受けられるものの２次の卓越振動数が明確に現れない。これは、柱天端４Ａに対する衝撃振動試験では、杭頭が大きく変形する杭頭２次の振動モードのレベルが小さいからであると考えられる。これに対して、図２（Ｂ）に示す柱基部１０に対して衝撃振動試験を実施した場合には、１次の卓越振動数に加えて杭頭２次の卓越振動数が見受けられる。したがって本例では、柱基部１０に対する衝撃振動試験を実施して杭基礎２の損傷を考慮した健全度を評価する。
【００３７】
（２） 相似則を考慮した検討
今回使用している試験体は、一般的な鉄道ラーメン高架橋の１／２ スケールを使用している。ここで、今回の模型実験の有効性を適切に評価するためには、実物大の場合と出来る限り同等な条件で評価するために相似則を考慮する必要がある。本研究では、先行文献（構造モニタリングシステムの開発に向けた基礎的検討，大成建設技術センター報，ＶＯＬ.４３，ｐｐ.１０-１〜１０-４）を参考にこの相似則について検討した（数式（１ ） 、数式（２） 参照）。この相似則は、先行文献（土構造物の模型振動実験における相似則，土木学会論文報告集，ＮＯ.２７５，ｐｐ.６９〜７７，１９７８年７月）における重力場が等しい場合の相似則と同じである。
【００３８】
本研究では、今回対象となるラーメン高架橋模型でも相似則上でこれらの関係が成り立つと考え、衝撃振動試験に関しては通常通りの計測とは別に、打撃により発生する応答速度Ｖに対して、起振器試験に関しては起振力による慣性力Ｆに対して、過去に鉄道ラーメン高架橋において実施した際の応答速度と比較し、相似則を考慮した。慣性力Fは数式（３）の通り、質量と加速度で構成されており、質量を変更することは困難なため、加速度を変動させることとした。
【００３９】
【数１】
2018009354.tif 000003
【数２】
2018009354.tif 000004
【数３】
2018009354.tif 000005
【００４０】
ここで、λは相似比、Ｆは慣性力、下付き字のｍは模型、ｐは実大構造物を表す。過去に衝撃振動試験を実施した、鉄道ラーメン高架橋における衝撃振動試験実施時の高架橋の部材寸法に対して、模型の寸法が約１／２程度であることから数式（１）を参照に実高架橋で計測した応答速度（約 ０.１５ｋｉｎｅ） に合わせて相似則を考慮した弱打撃（約０.１１ｋｉｎｅ）以下になるように衝撃振動試験を実施した。
【００４１】
また、起振器試験に関しては、比較対象となる実績がなかったため、一般的な起振器試験においては１０００ｇａｌで起振することが通例であることを考慮して、数式（２） より今回の模型に関しては、慣性力の相似則は１／４程度になるとの予想の下、２５０、５００、７５０、１０００ｇａl と起振力を変動させて計測を実施した。
【００４２】
図５に衝撃振動試験の柱基部打撃を行った際の通常打撃（符号ｅで示す）と弱打撃（符号ｆで示す）の振動特性の比較の例を示す。
結果としては、相似則を考慮して打撃力を小さくした場合でも通常通りに打撃した場合と同様な振動特性が確認できた。起振器試験においても、２５０ｇａｌ加振に起振力を小さくした場合でも通常の１０００ｇａｌ加振時と同様に、同様の振動特性を確認することができた。
よって、相似則を考慮した場合でも全体１次と杭頭２次の振動モードの固有振動数は検知できることを確認した。
【００４３】
（３） 杭頭部一部損傷時の検討
次に、杭頭部のかぶりコンクリートを一部はつり落とし、杭頭部が軽度に一部損傷した場合の固有振動数の変化について検討した。杭頭部の軽度の一部損傷を模擬する状態として、杭頭部において、図６に示されるように、円周面積の１／４程度、高さ２５０ｍｍ、幅２００ｍｍ、厚さ２０ｍｍの範囲をブレーカーではつり落とした。
【００４４】
その後、はつり後の状態で、はつり前と同様に衝撃振動試験、起振器試験を実施した。各試験におけるはつり前後でのフーリエスペクトル振幅波形の比較を図７に示す。
結果として、固有振動数の変動はほとんど見受けられなかった。これは、杭頭部のかぶりコンクリートが剥落した程度の断面欠損では、固有振動数に変化が生じず、構造物の安定性に関する健全度に影響がなかったためと考えられる。
なお、図７（Ａ）において、符号ｇ１にははつり前の振動数と振幅との関係、符号ｈ１にははつり後の振動数と振幅との関係がそれぞれ示されている。また、図７（Ｂ）において、符号ｇ２にははつり前の振動数と伝達関数との関係、符号ｈ２にははつり後の振動数と振幅との関係がそれぞれ示されている。
【００４５】
そして、以上の実験例１の結果を参照して分かるように、柱天端を中心に振動する全体１次モードと、杭頭部を中心に振動する杭頭２次モードとの間には一定の相関関係があることが確認された。
従って、地震等によりラーメン高架橋Ａの杭基礎２に損傷発生の恐れがある場合には、全体１次モードと同様、柱基部打撃（衝撃振動試験、起振器試験）を実施するものである。
そして、柱基部打撃により、柱基部１０に取付けた加速度計（振動計測器１１）の検出値を読み取りつつ、杭頭２次モードにおける健全時の固有振動数（１８.１Ｈｚ）を基準として、どの程度、当該固有振動数が低下するかを観察すれば、杭基礎２の損傷度合を知ることができる。
【００４６】
以上のように、振動計測器１１で検出された加速度データは情報処理装置Ｃに供給されてそのデータが処理される。そして、情報処理装置Ｃ内の演算記録手段１３において、振動計測器１１から出力される検出値に基づき杭頭２次モードの固有振動数を演算しかつ記録する処理がなされ、その後、該情報処理装置Ｃ内の評価手段１４において、演算記録手段１３で演算した杭頭２次モードの固有振動数に低下が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づきラーメン高架橋Ａの杭基礎２の損傷を判定する。
その結果、上記状態監視装置１００では、目視確認によらず、振動計測器１１から出力される検出値に基づき、基礎となる杭基礎２に異常が生じているか否かを正確に評価することができる。
【００４７】
（実験例２）
〔常時微動を用いた杭基礎２の健全度評価〕
ラーメン高架橋Ａの常時微動した場合における杭基礎２の損傷状態を評価した健全度評価について、図８〜図１３を参照して説明する。
【００４８】
〔１〕 概要
土木構造物の維持管理において、検査の高度化および省略化を目的とした健全度評価手法の検討が行われている。例えば、先行文献（ＲＣラーメン高架橋の地震時損傷レベルの評価に関する研究  土木学会論文集  ＮＯ.７３１／Ｉ−６３，ｐｐ５１−６４，２００３年４月）において、橋軸直角方向の常時微動振動の加速度パワースペクトルにおける振動数域の面積が固有振動数と相関を有し、健全度診断指標として鋼製桁式橋梁において有効であることが示されている。このためこの実験例２では、ラーメン高架橋模型に対し、パワースペクトル面積比を用いた状態監視手法について検討した。 
【００４９】
実験例２では、図８に示す状態監視装置１００ａを使用する。状態監視装置１００ａにおいて、地中梁３および杭基礎２近傍に位置する柱の基部１０には、該柱基部１０の常時微動による振動を計測する常時微動計測器１１ａが設けられている。
常時微動計測器１１ａは、風等による橋脚の微動を検出する。情報処理装置Ｃには、該常時微動計測器１１ａから出力される検出値に基づき杭頭２次モードにおけるパワースペクトル面積比、卓越振動数等の評価要素を演算しかつ記録する演算記録手段１３ａと、該演算記録手段１３ａからの出力に基づき杭頭２次モードにおける評価要素に変化が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づき高架橋の杭基礎２の損傷を判定する評価手段１４ａと、が具備されている。
【００５０】
〔２〕全体１次モードに対する検討
全体１次モードに関しては、常時微動より得られるパワースペクトル面積比を長期的に計測し状態監視に対する適用性を確認した。計測は午前２時から４時まで３０分間隔で計５回、各１６秒間計測を行い、そのデータを保存した。
そして、計測した常時微動からパワースペクトルを算出した。パワースペクトルは、簡単に説明すると、振動数ごとの振動の大きさを振幅の２乗で示したものであり、振動数単位での波のエネルギーが表現できる。
パワースペクトルの例を図９（Ａ）及び（Ｂ）に示す。これら図９（Ａ）及び（Ｂ）は、異なる場所で検出した２種類のフーリエ振幅スペクトルに対するパワースペクトルを、横軸を振動数、縦軸を振幅の２乗値として示したグラフである。これらの図に示すように、パワースペクトルでは、フーリエ振幅スペクトルに比べ値の高低が明確に現れる。情報処理装置Ｃは、橋脚の柱４の健全性を示す指標値として、パワースペクトル面積比を算出する。
【００５１】
パワースペクトル面積比は、図９に示すように、振動数ｆ０（第３の振動数）を下限とし、振動数ｆ１（第１の振動数）を上限とする範囲（イ）のパワースペクトルの波形の面積と、振動数ｆ０を下限とし、振動数ｆ１より大きい振動数ｆ２（第２の振動数）を上限とする範囲（ロ）のパワースペクトルの波形の面積による比で算出される。各振動数は、ｆ０＜ｆ１＜ｆ２を条件として任意に定めることができる。
本例では、範囲（ロ）のパワースペクトルの波形の面積を範囲（イ）のパワースペクトルの波形の面積で割って比の値を求める。即ち、パワースペクトル面積比の算出式は以下の数式４のように表される。なお、下記のパワースペクトル面積とは、上記したパワースペクトルの波形の面積（波形の積分値）を指す。
［パワースペクトル面積比］＝（ｆ０〜ｆ２までのパワースペクトル面積）／（ｆ０〜ｆ１までのパワースペクトル面積）    …（４）
【００５２】
情報処理装置Ｃは、例えば、１日５回以上の測定で得られたそれぞれの常時微動から、上記のようにしてパワースペクトル面積比を算出し、その平均値を測定日におけるパワースペクトル面積比として記録媒体等に記憶する。
そして、以上の手順を繰り返し、経時的にパワースペクトル面積比を算出することで長期的な橋脚の状態監視が簡易にできる。さらに、このパワースペクトル面積比を用いて橋脚の柱４の健全性を判定することができる。
【００５３】
なお、本実験例では、パワースペクトル面積比の算出にあたって振動数域（ｆ０〜ｆ２）の設定は、ｆ０：２Ｈｚ、ｆ１：５Ｈｚ、ｆ２：４０Ｈｚとした。算出したパワースペクトル面積比は日単位で平均化し、経時変化として整理し、その結果を「全体一次モードに対するパワースペクトル面積比」として図１０に示した。また、併せて卓越振動数を常時微動から読み取り、パワースペクトル面積比と同様に、「全体一次モードに対する卓越振動数」として図１１に示した。
そして、これら図を参照して分かるように、パワースペクトル面積比、卓越振動数共にほぼ一定値の状態で計測された。卓越振動数に関しては、今回対象であるラーメン高架橋が全体１次モードに対して非常に揺れやすい構造であることから、固有振動数と同等の振動数が卓越し長期的にも一定値で計測できた。
【００５４】
〔３〕 杭頭２次モードに対する検討
杭頭２次モードの常時微動による健全度診断手法を検討するために、約３０回連続して常時微動計測を行った。計測した常時微動を用いて、パワースペクトル面積比と卓越振動数の変化を調べ、その結果を図１２及び図１３に示した。
ただし、パワースペクトル面積比算出にあたって振動数域（ｆ０〜ｆ２）の設定は、杭頭２次モードが卓越する振動数域の変動に着目するため ｆ０：１０Ｈｚ、ｆ１：２０Ｈｚ、ｆ２：４０Ｈｚとした。
計測結果としては、パワースペクトル面積比より卓越振動数の方が、ばらつきが大きくなり、変動係数で表すとパワースペクトル面積比は ０.０７４、卓越振動数は ０.１５０であった。よって、杭頭２次モードに関しては、卓越振動数より、パワースペクトル面積比の方が健全度診断指標として、有効性があると考えられる。
【００５５】
そして、以上の実験例２の結果を参照して分かるように、地震等によりラーメン高架橋Ａの杭基礎２に損傷発生の恐れがある場合には、常時微動を用いた杭基礎２の健全度評価を実施することができる。
常時微動を用いた杭基礎２の健全度評価に際しては、柱基部１０に取付けた加速度計（常時微動計測器１１ａ）の検出値を読み取りながら、パワースペクトル面積比及び卓越振動数を算出し、その算出値が、杭頭２次モードにおける健全時の値に対してどの程度変動したかを経時的に観察すれば、杭基礎２の損傷による健全度への影響を知ることができる。
このとき、パワースペクトル面積比を用いた杭基礎２の損傷評価の方が、卓越振動数を用いた杭基礎２の損傷評価よりばらつきが小さいために、パワースペクトル面積比を用いた損傷評価を主に実施すると良い。
【００５６】
なお、常時微動計測器１１ａで検出された加速度データは情報処理装置Ｃに供給されてそのデータが処理される。
そして、情報処理装置Ｃ内の演算記録手段１３ａにおいて、常時微動計測器１１ａから出力される検出値に基づき杭頭２次モードの固有振動数を演算しかつ記録する処理がなされ、その後、該情報処理装置Ｃ内の評価手段１４ａにおいて、演算記録手段１３ａで演算した杭頭２次モードのパワースペクトル面積比及び卓越振動数に変化が生じたか否かを監視し、その監視結果に基づきラーメン高架橋Ａの杭基礎２の損傷による構造物の健全度への影響を判定する。
その結果、上記状態監視装置１００ａでは、目視確認によらず、常時微動計測器１１ａから出力される検出値に基づき、杭基礎２に異常が生じているか否かを評価することができる。
【００５７】
以上、本発明の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設計変更等も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、鉄道ラーメン高架橋等のコンクリート構造物に適用されて、地震後に生じた杭頭部を含む杭基礎の損傷の有無を効率的に確認することができる健全度評価手法に関する。
【符号の説明】
【００５９】
１  コンクリート構造物
２  杭基礎
３  地中梁
４  柱
４Ａ  柱天端
５  上床梁
１０  柱基部
１１  振動計測器
１１ａ  常時微動計測器
１２  起振器
１３  演算記録手段
１３ａ  演算記録手段
１４  評価手段
１４ａ  評価手段
１００  状態監視装置
１００ａ  状態監視装置
Ａ  ラーメン高架橋
Ｃ  情報処理装置
Ｇ  地面
Ｒ  軌道
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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