(57)【要約】【課題】橋脚の健全度の変化について将来予測ができる健全度予測装置等を提供する。【解決手段】健全度予測装置２０は、地盤９に設けられた橋脚３について地盤表面の高さに応じた健全度の変化を予測するものであり、橋脚３および地盤９を模した解析モデルであって地盤表面の高さを変えた複数の解析モデルのそれぞれに入力振動情報を入力し、各解析モデルにおける橋脚３の応答振動情報を算出する振動情報算出手段と、各解析モデルにおける橋脚３の応答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、第１の振動数を上限とする振動数の範囲の波形の面積と、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の面積による比を橋脚３の健全度として算出する健全度算出手段と、を有する。【選択図】図１
2017003417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤に設けられた橋脚に関し、地盤表面の高さの変化に応じた健全度の変化について予測する健全度予測装置であって、
前記橋脚および前記地盤を模した解析モデルであって地盤表面の高さを変えた複数の解析モデルのそれぞれに入力振動情報を入力し、各解析モデルにおける前記橋脚の応答振動情報を算出する振動情報算出手段と、
各解析モデルにおける前記橋脚の応答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、第１の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第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前記波形の面積による比を橋脚の健全度として算出する健全度算出手段と、
を有することを特徴とする健全度予測装置。
【請求項２】
前記波形はパワースペクトルの波形であることを特徴とする請求項１記載の健全度予測装置。
【請求項３】
前記健全度は、第３の振動数から前記第２の振動数までの範囲の前記波形の面積を、前記第３の振動数から前記第１の振動数までの範囲の前記波形の面積で割って算出することを特徴とする請求項１または請求項２記載の健全度予測装置。
【請求項４】
前記入力振動情報は、前記橋脚の振動の実測結果から得られたものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の健全度予測装置。
【請求項５】
前記橋脚の振動の実測は、タイマーで定められた測定時間において、前記橋脚に設けたセンサを用いて行われたものであることを特徴とする請求項４に記載の健全度予測装置。
【請求項６】
地盤に設けられた橋脚に関し、地盤表面の高さの変化に応じた健全度の変化について予測する健全度予測方法であって、
健全度予測装置が、
前記橋脚および前記地盤を模した解析モデルであって地盤表面の高さを変えた複数の解析モデルのそれぞれに入力振動情報を入力し、各解析モデルにおける前記橋脚の応答振動情報を算出するステップと、
各解析モデルにおける前記橋脚の応答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、第１の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第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前記波形の面積による比を橋脚の健全度として算出するステップと、
を実行することを特徴とする健全度予測方法。
【請求項７】
コンピュータを、
地盤に設けられた橋脚に関し、地盤表面の高さの変化に応じた健全度の変化について予測する健全度予測装置であって、
前記橋脚および前記地盤を模した解析モデルであって地盤表面の高さを変えた複数の解析モデルのそれぞれに入力振動情報を入力し、各解析モデルにおける前記橋脚の応答振動情報を算出する振動情報算出手段と、
各解析モデルにおける前記橋脚の応答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、第１の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第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前記波形の面積による比を橋脚の健全度として算出する健全度算出手段と、
を有する健全度予測装置として機能させるためのプログラム。
【請求項８】
コンピュータを、
地盤に設けられた橋脚に関し、地盤表面の高さの変化に応じた健全度の変化について予測する健全度予測装置であって、
前記橋脚および前記地盤を模した解析モデルであって地盤表面の高さを変えた複数の解析モデルのそれぞれに入力振動情報を入力し、各解析モデルにおける前記橋脚の応答振動情報を算出する振動情報算出手段と、
各解析モデルにおける前記橋脚の応答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、第１の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第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前記波形の面積による比を橋脚の健全度として算出する健全度算出手段と、
を有する健全度予測装置として機能させるためのプログラムを記録した記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は橋脚の健全度の変化について将来予測を行う健全度予測装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
既設の鉄道土木構造物には数多くの橋脚が存在するが、これらは経年により劣化をしたものも多い。特に河川橋梁では豪雨や洪水の影響によって橋脚周囲の洗掘や河床低下等が発生しており、洗掘等に伴って橋脚の健全度が低下する。
【０００３】
橋脚の健全度を評価するための従来の手法としては、構造物に振動を与え、得られたデータから健全度を評価する衝撃振動試験が多く採用されている。例えば重錘によって構造物の表面を打撃し、打撃により生じる振動をセンサ等で検出し、固有振動数によって健全度を評価する（特許文献１）。これにより、目視で発見しづらい欠陥等による劣化も発見できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2007−51873号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の衝撃振動試験による評価手法は測定に時間を要し装置も大掛かりになるので、近年、橋脚等の維持管理の効率性向上のため状態監視による手法が注目されている。これは、健全度に影響する測定項目を長期的に継続して測定し、適切な措置を行うことで構造物の延命化につなげるものである。
【０００６】
特に河川橋梁では、前記した洗掘等の作用によって橋脚の安定性が低下する。その洗掘範囲は長期的な外力により徐々に広がる場合が多く、橋脚の維持管理に利用するため、状態監視の結果から洗掘等に伴う健全度の変化について精度良く将来予測できる手法が求められている。
【０００７】
本発明は、橋脚の健全度の変化について将来予測ができる健全度予測装置等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】
前述した課題を解決するための第１の発明は、地盤に設けられた橋脚に関し、地盤表面の高さの変化に応じた健全度の変化について予測する健全度予測装置であって、前記橋脚および前記地盤を模した解析モデルであって地盤表面の高さを変えた複数の解析モデルのそれぞれに入力振動情報を入力し、各解析モデルにおける前記橋脚の応答振動情報を算出する振動情報算出手段と、各解析モデルにおける前記橋脚の応答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、第１の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第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前記波形の面積による比を橋脚の健全度として算出する健全度算出手段と、を有することを特徴とする健全度予測装置である。
【０００９】
本発明では、実際の橋脚および地盤を模した解析モデルを、地盤表面の高さを変えて複数作成し、各々に対して入力振動情報を与えた場合の橋脚の応答振動情報を算出し、応答振動情報から上記の値を健全度として算出することで、洗掘等により地盤表面が低下した場合の橋脚の健全度の変化を好適に予測でき、橋脚の維持管理に利用することができる。本発明で算出する健全度は橋脚の振動につき低振動数の領域の卓越度合いを表すものであり、橋脚への入力の大きさ自体には影響をうけず、また健全度の評価指標として従来用いられてきた衝撃振動試験で得た固有振動数とも相関するので、前記した状態監視の結果から健全度の予測を行うのに適している。
【００１０】
前記波形はパワースペクトルの波形であることが望ましい。
パワースペクトルによって振動数ごとのエネルギーの大きさを表現でき、振動数ごとの値の大小も明確に現れる。従って、パワースペクトルの面積に基づき健全度を算出することで、状態監視の結果から精度良く橋脚の健全度の予測ができる。
【００１１】
前記健全度は、第３の振動数から前記第２の振動数までの範囲の前記波形の面積を、前記第３の振動数から前記第１の振動数までの範囲の前記波形の面積で割って算出することが望ましい。
係る値は、従来の衝撃振動試験によって得た固有振動数と良好な比例関係にあり、健全度の指標値として好適である。
【００１２】
前記入力振動情報は、前記橋脚の振動の実測結果から得られたものであることが望ましい。また、前記橋脚の振動の実測は、タイマーで定められた測定時間において、前記橋脚に設けたセンサを用いて行われたものであることが望ましい。
本発明では、測定時間をタイマーによって列車の非運行時などに定めて風等による橋脚の常時微動を上記のようにセンサにより実測して状態監視を行い、その振動情報から健全度の予測を行うことができる。
【００１３】
第２の発明は、地盤に設けられた橋脚に関し、地盤表面の高さに応じた健全度の変化について予測する健全度予測方法であって、健全度予測装置が、前記橋脚および前記地盤を模した解析モデルであって地盤表面の高さを変えた複数の解析モデルのそれぞれに入力振動情報を入力し、各解析モデルにおける前記橋脚の応答振動情報を算出するステップと、各解析モデルにおける前記橋脚の応答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、第１の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第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前記波形の面積による比を橋脚の健全度として算出するステップと、を実行することを特徴とする健全度予測方法である。
【００１４】
第３の発明は、コンピュータを、地盤に設けられた橋脚に関し、地盤表面の高さに応じた健全度の変化について予測する健全度予測装置であって、前記橋脚および前記地盤を模した解析モデルであって地盤表面の高さを変えた複数の解析モデルのそれぞれに入力振動情報を入力し、各解析モデルにおける前記橋脚の応答振動情報を算出する振動情報算出手段と、各解析モデルにおける前記橋脚の応答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、第１の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第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前記波形の面積による比を橋脚の健全度として算出する健全度算出手段と、を有する健全度予測装置として機能させるためのプログラムである。
【００１５】
第４の発明は、コンピュータを、地盤に設けられた橋脚に関し、地盤表面の高さに応じた健全度の変化について予測する健全度予測装置であって、前記橋脚および前記地盤を模した解析モデルであって地盤表面の高さを変えた複数の解析モデルのそれぞれに入力振動情報を入力し、各解析モデルにおける前記橋脚の応答振動情報を算出する振動情報算出手段と、各解析モデルにおける前記橋脚の応答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、第１の振動数を上限とする振動数の範囲の前記波形の面積と、前記第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前記波形の面積による比を橋脚の健全度として算出する健全度算出手段と、を有する健全度予測装置として機能させるためのプログラムを記録した記録媒体である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、橋脚の健全度の変化について将来予測ができる健全度予測装置等を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】橋脚３を示す図
【図２】状態監視システム１０の構成を示す図
【図３】情報処理装置１５のハードウェア構成を示す図
【図４】健全度予測装置２０のハードウェア構成を示す図
【図５】健全度予測方法の概略を示すフローチャート
【図６】橋脚モデル３０の例
【図７】健全度の変化の算出手順を示すフローチャート
【図８】橋脚モデル３０、３０’、３０”を示す図
【図９】パワースペクトル５０の例
【図１０】パワースペクトル面積比と土被りとの関係を示す図
【図１１】パワースペクトル面積比と固有振動数の関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１９】
（１．状態監視システム１０と健全度予測装置２０）
図１（ａ）は橋脚３を示す図であり、図１（ｂ）は橋脚３を上から見た図である。
【００２０】
本実施形態では、状態監視システム１０によって橋脚３の状態監視を行い、その結果から健全度予測装置２０によって橋脚３の健全度の変化について将来予測が行われる。本実施形態の橋脚３は河川７内にあり、水底の地盤９に橋脚３が設けられる。橋脚３は橋桁５を支持し、橋桁５には列車の軌道が設けられる。
【００２１】
状態監視システム１０は橋脚３上に設けられる。状態監視システム１０では、橋桁５の軸方向に平面上直交する方向の常時微動を測定することにより、橋脚３の状態監視を行う。常時微動は、例えば風や水流の影響で橋脚３に常時生じる微小な振動である。なお、以下では橋桁５の軸方向を橋軸方向といい、橋軸方向に平面上直交する方向を橋軸直交方向というものとする。橋軸方向は図１（ｂ）の左右方向に対応し、橋軸直交方向は図１（ｂ）の上下方向に対応する。
【００２２】
橋軸直交方向の常時微動を測定するのは、当該方向の安定性が列車の走行安全性に特に影響を与えるためである。また、河川橋梁では図１（ｂ）の矢印に示す水流７１によって橋脚３の橋軸直交方向の側方の地盤９が洗掘され、橋軸直交方向の安定性が損なわれやすい。従って、橋軸直交方向に注目して橋脚３の状態監視を行うことが重要である。ただし、必要に応じてその他の方向、例えば橋軸方向の常時微動を測定することも可能である。
【００２３】
図２は状態監視システム１０の構成を示す図である。状態監視システム１０は、加速度センサ１１、タイマー１３、情報処理装置１５等を有し、不図示のバッテリー等で駆動する。
【００２４】
加速度センサ１１は、橋脚３の常時微動の加速度（振動情報）を測定するセンサであり、微小振動を検出可能な精度の高い一軸加速度計が用いられる。加速度センサ１１としては、例えばＭＥＭＳ加速度計を用いることができる。ＭＥＭＳ加速度計を用いることで、安価かつ省電力で駆動することができる。
【００２５】
タイマー１３は、加速度センサ１１により加速度を測定する測定時間の情報が設定されている。本実施形態では、測定時間が列車の非運行時に設定される。
【００２６】
情報処理装置１５は、上記の測定時間において加速度センサ１１を制御し橋脚３の常時微動の加速度を測定させる。加速度の測定結果など、橋脚３の維持管理に必要な情報はＳＤカード等の記録媒体に記録される。
【００２７】
図３に情報処理装置１５のハードウェア構成を示す。情報処理装置１５は、制御部１５１、記憶部１５２、入力部１５３、メディア入出力部１５４、表示部１５５、通信部１５６等がバス１５７を介して接続されたコンピュータで実現できる。しかしながら、情報処理装置１５の構成がこれに限ることはない。
【００２８】
制御部１５１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成される。ＣＰＵは、記憶部１５２、ＲＯＭ等の記録媒体に格納された情報処理装置１５の処理に係るプログラム等をＲＡＭ上のワークメモリ領域に呼び出して実行し、処理を実現する。ＲＯＭは不揮発性メモリであり、プログラムやデータ等を恒久的に保持する。ＲＡＭは揮発性メモリであり、記憶部１５２、ＲＯＭ等からロードしたプログラム、データ等を一時的に保持するとともに、制御部１５１が各種処理を行うために使用するワークエリアを備える。
【００２９】
記憶部１５２は、ハードディスクドライブやソリッドステートドライブ等であり、制御部１５１が実行するプログラム、プログラム実行に必要なデータ等が格納される。
入力部１５３は、操作指示、動作指示、データ入力等を行うためのものである。
メディア入出力部１５４は、メディアに対しデータの入出力を行う。メディアには、例えばＳＤカード等の記録媒体が用いられる。
【００３０】
表示部１５５は、液晶パネル等のディスプレイ装置、およびディスプレイ装置と連携して表示機能を実現するための論理回路等を有する。
通信部１５６は、ネットワーク等を介した通信を媒介する通信インタフェースである。
バス１５７は、各部間の制御信号、データ信号等の授受を媒介する経路である。
【００３１】
図１の説明に戻る。健全度予測装置２０は、橋脚３について実測した常時微動の加速度から、将来の洗掘等に伴う橋脚３の健全度の変化を予測するものである。
【００３２】
図４に健全度予測装置２０のハードウェア構成を示す。健全度予測装置２０は、制御部２０１、記憶部２０２、入力部２０３、メディア入出力部２０４、表示部２０５、通信部２０６等がバス２０７を介して接続されたコンピュータで実現できる。しかしながら、健全度予測装置２０の構成がこれに限ることはない。
【００３３】
制御部２０１、記憶部２０２、入力部２０３、メディア入出力部２０４、表示部２０５、通信部２０６、バス２０７等は、前記した情報処理装置１５の制御部１５１、記憶部１５２、入力部１５３、メディア入出力部１５４、表示部１５５、通信部１５６、バス１５７等と略同様である。
【００３４】
（２．橋脚３の状態監視）
本実施形態では、橋脚３の状態監視として、状態監視システム１０により橋脚３の常時微動が実測される。
【００３５】
すなわち、情報処理装置１５が、タイマー１３で設定された測定時間に加速度センサ１１を制御し、橋脚３の振動情報として風等による常時微動の加速度を測定させる。情報処理装置１５は加速度センサ１１から常時微動の加速度を取得する。測定時間は前記したように列車の非運行時とする。情報処理装置１５にて取得した常時微動の加速度の時間変化を示す波形（以下、常時微動波形という）のデータは健全度予測装置２０に入力される。
【００３６】
（３．橋脚３の健全度予測方法の概略）
次に、図５等を参照して橋脚３の健全度予測方法の概略について説明する。図５は健全度予測方法の概略を示すフローチャートであり、図の各ステップは健全度予測装置２０の制御部２０１により実行される。
【００３７】
本実施形態では、まず、健全度予測装置２０が、ユーザの入力等に応じて橋脚３の３次元の骨組みモデル（解析モデル）である橋脚モデルを作成する（Ｓ１）。
【００３８】
図６はこの橋脚モデル３０を説明する図であり、本実施形態では図６（ａ）に示す実際の橋脚３をベースとした骨組みモデルが図６（ｂ）に示すように作成される。
【００３９】
この例では、橋脚３が、フーチングより上の部分である橋脚部３ａと、フーチングおよび杭を含む基礎部３ｂによって構成される。橋脚モデル３０では、橋脚部３ａがビーム要素３１で表現され、基礎部３ｂが梁要素３３と杭要素３４で表現される。ただし、橋脚モデル３０はこれに限らず、健全度の予測対象の橋脚に応じて様々に定めることができる。
【００４０】
ビーム要素３１は橋脚部３ａに対応し、その所定位置には質点３２が設定される。梁要素３３はフーチングに対応する剛体とし、特に図示しないが平面において格子枠状に配置される。杭要素３４は当該格子枠の各格子点から下方へと設定される。杭要素３４の所定位置には、ビーム要素３１と同様、質点３２が設定される。
【００４１】
本実施形態では、橋脚３の一部（橋脚部３ａの下部と基礎部３ｂ）が地盤９に埋設されており、地盤９の表面は橋脚部３ａの所定高さの位置にあるものとする。この高さより低い位置にある質点３２および梁要素３３には地盤ばね３５（３５ａ、３５ｂ、３５ｃ）が設定される。本実施形態では、地盤ばね３５は相互作用ばねとし、地盤側を固定端とする。
【００４２】
この例では、地盤ばね３５として、ビーム要素３１の質点３２および梁要素３３のフーチング外周面にあたる所定位置で水平ばね３５ａが設定される。また杭要素３４の質点３２では水平ばね３５ａおよび鉛直方向の杭周面ばね３５ｂが設定される。杭の先端の質点３２では、さらに鉛直方向の杭先端ばね３５ｃも設定される。図示は省略したが、水平ばね３５ａは橋軸方向と橋軸直交方向のそれぞれに設定されるものとする。図６（ｂ）では、杭要素３４については質点３２の一部のみ地盤ばね３５（３５ａ、３５ｂ、３５ｃ）を図示している。
【００４３】
上記したビーム要素３１、梁要素３３、杭要素３４および各質点３２については、実際の橋脚３に基づいて解析に必要な諸値が定められる。例えばビーム要素３１等については剛性として断面二次モーメント等の値が定められ、各質点３２ではその位置や上下の質点３２との間隔に応じた集中質量が定められる。
【００４４】
本実施形態では、各地盤ばね３５の地盤ばね定数も同様に定められる。地盤ばね定数は、予め橋脚モデル３０に対し固有値解析を実施し、橋軸直交方向の１次固有振動モードから得られる固有振動数が実際の橋脚３について予め重錘等による衝撃振動試験を行い実測した値となるまで、地盤９のＮ値等に応じた各地盤ばね３５の初期ばね定数を係数倍して調整している。
【００４５】
フローチャートの説明に戻る。健全度予測装置２０は、橋脚３の常時微動波形のデータの入力を受け付け、これを取得する（Ｓ２）。Ｓ２では、例えば、状態監視システム１０による実測結果である常時微動波形のデータを、情報処理装置１５から無線通信等によるネットワークを介して健全度予測装置２０に送信する。あるいは、情報処理装置１５にてＳＤカード等の記録媒体に常時微動波形のデータを記録し、当該記録媒体を用いて健全度予測装置２０に常時微動波形のデータを入力してもよい。
【００４６】
健全度予測装置２０は、次に、常時微動波形のキャリブレーションを行う（Ｓ３）。
【００４７】
Ｓ３では、例えば、Ｓ２で得た橋脚３の常時微動波形のデータを、橋脚モデル３０の橋軸直交方向の各水平ばね３５ａの固定端に入力し、その際に橋脚天端の質点３２（図６（ｂ）参照）で得られる応答加速度の時間変化の波形が実測値（上記の常時微動波形）にほぼ一致するまで、入力する常時微動波形の振幅を調整する。
【００４８】
Ｓ３では、橋脚モデル３０の代わりに、地盤９−橋脚３系のより簡易な解析モデルを用いてキャリブレーションを行ってもよい。また、入力する波形については、後述するパワースペクトル面積比で着目する振動数成分（例えば、１〜２０Hz）以外の高次成分をカットして用いてもよい。さらに、場合によってはＳ３のキャリブレーションを省略し、Ｓ２で得た常時微動波形を後述するＳ４２での入力に用いることも可能である。
【００４９】
その後、健全度予測装置２０は、橋脚モデル３０およびＳ３で得た振幅調整後の常時微動波形のデータを用いて、将来の洗掘等に伴う橋脚３の健全度の変化について算出する（Ｓ４）。
【００５０】
（４．橋脚３の健全度の変化の算出）
図７はＳ４における橋脚３の健全度の変化の算出手順を示すフローチャートである。図７の各ステップは健全度予測装置２０の制御部２０１により実行される。
【００５１】
本実施形態では、Ｓ４において、まずユーザの入力等に応じて、健全度予測装置２０が洗掘等による土被りの減少に応じた複数の橋脚モデルを作成する（Ｓ４１）。
【００５２】
Ｓ４１では、例えば図８に模式的に示すように、橋脚モデル３０（図６（ｂ）、図８（ａ）参照）において土被りが段階的に減少する（地盤表面が低下する）ものとし、各段階につき、土被りの減少範囲Ｄの質点３２と地盤ばね３５を取り除いた橋脚モデル３０’、３０”、…（図８（ｂ）、（ｃ）参照）を作成する。
【００５３】
そして、これらの橋脚モデル３０、３０’、３０”、…に対し、Ｓ３で得た常時微動波形（入力振動情報）を橋軸直交方向の各水平ばね３５ａの固定端に入力し、その際に橋脚天端の質点３２で得られる応答加速度の時間変化の波形（応答振動情報）を算出する（Ｓ４２）。この波形を応答加速度波形というものとする。
【００５４】
健全度予測装置２０は、各橋脚モデル３０、３０’、３０”、…について得られた応答加速度波形から、橋脚３の健全度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（Ｓ４３）。
【００５５】
Ｓ４３では、まず応答加速度波形に対し既知の手法による解析を行ってフーリエ振幅スペクトルを算出し、さらにフーリエ振幅スペクトルからパワースペクトルを算出する。
【００５６】
フーリエ振幅スペクトルは振動数ごとの振動の大きさを振幅で示したものであり、パワースペクトルは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る。パワースペクトルにより振動数単位での波のエネルギーが表現でき、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。図９は、横軸を振動数、縦軸を振幅の２乗としてパワースペクトル５０の例を示したものである。
【００５７】
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Ａのパワースペクトル５０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Ｂのパワースペクトル５０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。
【００５８】
本実施形態では、範囲Ｂのパワースペクトル５０の波形の面積を範囲Ａのパワースペクトル５０の波形の面積で割って比の値を求める。即ち、算出式は下式（１）のように表される。なお、下式（１）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５０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）…（１）
【００５９】
図１０は、Ｓ４３の手法で算出した各橋脚モデル３０、３０’、３０”、…の応答加速度波形のパワースペクトル面積比と、各橋脚モデル３０、３０’、３０”、…の土被り（地盤表面の高さ）との関係の一例である。土被りの値は橋脚３のフーチング底面を基準とし、パワースペクトル面積比の算出時にはｆ0=１Hz、ｆ1=４Hz、ｆ2=２０Hzとしている。図に示すように、土被り厚が減少することによりパワースペクトル面積比も減少する傾向が明瞭に確認できる。
【００６０】
このようにして、本実施形態では、地盤９に設けられた橋脚３に関し、土被り即ち地盤表面の高さの変化に応じた健全度の変化について予測することができる。
【００６１】
（５．パワースペクトル面積比の有効性）
図１１はパワースペクトル面積比と固有振動数の関係を示すグラフである。図中の丸で示すデータは、土被りが異なる複数の橋脚３の各々について、状態監視システム１０により実測した常時微動波形に対してＳ４３と同様にして求めたパワースペクトル面積比と、従来の衝撃振動試験で得た固有振動数を示したデータである。パワースペクトル面積比の算出時には、上記と同様、ｆ0=１Hz、ｆ1=４Hz、ｆ2=２０Hzとしている。
【００６２】
図に示すように、パワースペクトル面積比と固有振動数は良好な比例関係を示しており、パワースペクトル面積比が、従来用いられてきた健全度の指標である衝撃振動試験で得た固有振動数と相関性があり代替可能であることがわかる。
【００６３】
特に常時微動の測定では、衝撃振動試験とは異なり外乱等によりフーリエ振幅スペクトルに明確な極値が現れないため、固有振動数の特定が困難である。また、橋脚３の常時微動の測定では衝撃振動試験のように橋脚３への入力が一定でなく、入力の変動に測定結果が影響されやすい。例えば入力が大きいと、フーリエ振幅スペクトルの振幅が全体的に大きくなることがある。
【００６４】
一方、パワースペクトル面積比は、パワースペクトル面積を正規化し、パワースペクトルの波形において低振動数の領域がどの程度卓越しているかを表したものであり、橋脚３への入力の変動による振幅の大小の影響を除外でき、衝撃振動試験で得た固有振動数との相関性も高く、固有振動数と同じように橋脚の健全度を精度良く定量的に評価でき、前記した状態監視の結果から健全度の予測を行うのに適している。
【００６５】
なお、図中の四角で示すデータは、地盤表面の高さを変えた複数の橋脚モデル３０、３０’、３０”、…の各々について、Ｓ４の解析手順で得たパワースペクトル面積比と固有値解析によって得た固有振動数を示すデータであり、パワースペクトル面積比と固有振動数の関係が実測値と解析値の間で良く一致していることがわかる。
【００６６】
以上より、本手法を用いて土被りに応じたパワースペクトル面積比の値を求めることで、洗掘等に伴う橋脚３の安定性に関わる健全度の変化を将来予測できることがわかる。土被りとパワースペクトル面積比の関係を予め得ることで、例えば洗掘により土被りが減少して地盤表面がある高さになれば橋脚３の健全度が補修の必要な値となる等、洗掘被害の程度と橋脚３の健全度との関係を事前に把握でき、橋脚３の維持管理に役立つ。
【００６７】
以上説明したように、本実施形態によれば、実際の橋脚３および地盤９を模した橋脚モデル３０を、地盤表面の高さを変えて複数作成し、各々に対して常時微動波形を入力した場合の橋脚３の応答加速度波形を算出し、応答加速度波形から上記のパワースペクトル面積比を算出することで、洗掘等により地盤表面が低下した場合の橋脚３の健全度の変化の予測を好適に行うことができ、橋脚３の維持管理に利用することができる。本実施形態で算出するパワースペクトル面積比は、橋脚３の振動につき低振動数の領域の卓越度合いを表すものであり、橋脚３への入力の大きさ自体には影響をうけず、また健全度の評価指標として従来用いられてきた衝撃振動試験で得た固有振動数とも相関するので、前記した状態監視の結果から健全度の予測を行うのに適している。
【００６８】
また、本実施形態ではパワースペクトルによって振動数ごとのエネルギーの大きさを表現でき、振動数ごとの値の大小も明確に現れる。従って、パワースペクトルの面積に基づき指標値を算出することで、状態監視の結果から精度良く健全度の予測ができる。ただし、フーリエ振幅スペクトルからパワースペクトル面積比と同様の値を指標値として算出することも可能である。
【００６９】
本実施形態では、前記の式（１）により、従来の衝撃振動試験による固有振動数と良好な比例関係にあるパワースペクトル面積比を算出し、これを橋脚３の健全度の指標値として好適に用いることができる。ただし、パワースペクトル面積比としては低振動数領域の卓越度合いを表現できればよく、必要に応じて、式（１）の右辺の逆数を用いたり、振動数ｆ1までの任意の範囲のパワースペクトル面積と振動数ｆ2（＞ｆ1）までの任意の範囲のパワースペクトル面積による比としたりするなどの変更は可能である。
【００７０】
また、状態監視システム１０ではタイマー１３によって測定時間を定めて橋脚３の常時微動を測定するので、測定時間を列車等の非運行時とし、風等による橋脚３の常時微動を用いてパワースペクトル面積比を算出し、橋脚３の洗掘等に伴う健全度の変化の予測を行うことができる。例えば列車等の走行時の振動を測定する場合は列車等の違いにより結果が大きくばらつく可能性があり、また異常時等に列車運行が不可能になった場合に測定ができなくなるが、本実施形態ではそのような恐れもない。
【００７１】
以上、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００７２】
３；橋脚
５；橋桁
７；河川
９；地盤
１０；状態監視システム
１１；加速度センサ
１３；タイマー
１５；情報処理装置
２０；健全度予測装置
３０；橋脚モデル
５０；パワースペクトル
７１；水流
【図１】
2017003417.tif 000003
【図２】
2017003417.tif 000004
【図３】
2017003417.tif 000005
【図４】
2017003417.tif 000006
【図５】
2017003417.tif 000007
【図６】
2017003417.tif 000008
【図７】
2017003417.tif 000009
【図８】
2017003417.tif 000010
【図９】
2017003417.tif 000011
【図１０】
2017003417.tif 000012
【図１１】
2017003417.tif 000013