沿岸技術研究センター論文集

No.18(2018)

斜張橋ケーブルの振動モニタリングデータの活用手法について
加辺圭太郎*・春日井康夫**・栂坂*（一財）沿岸技術研究センター

清嗣***・早田
調査部**（一財） 沿岸技術研究センター*** 前泰子****

研究員

専務理事

国土交通省北陸地方整備局新潟港湾空港技術調査事務所技術開発課**** 国土交通省北陸地方整備局新潟港湾空港技術調査事務所技術開発課

技術開発課長
技術開発係長臨港道路東西線の一部である新湊大橋（５径間連続複合斜張橋）では，建設途中から渦励振による鋼桁振動やレインバイブレーションによるケーブル振動などが観測された．そのため，種々の耐風対策が講じられるとともにモニタリングシステムを構築し，常時観測とモニタリングデータの蓄積を行っている．本稿では，得られたモニタリングデータから強風時におけるケーブル制振対策工の効果検証や，平常時における健全状態の指標について検討を行ったものを報告する．
キーワード : 橋梁，臨港道路，モニタリング，固有振動数

1. はじめに
伏木富山港新湊地区にある臨港道路富山新港東西線
は，新湊地区の東西地域を結ぶ延長約 3,600ｍの橋である．港口部の航路を跨ぐ主橋梁部（以下，新湊大橋と称する）の構造は，延長約 600ｍ主径間 360ｍで，主径間を鋼桁，側径間を PC 桁で構築された５径間連続複合斜張橋である．新湊大橋は，建設途中から渦励振による鋼桁振動及びレインバイブレーションによるケーブ
ル振動が観測されており，種々の耐風対策が講じられてきた．鋼桁については，流動板（フラップ）による対策を実施後，振幅が抑制されたことから耐風対策は完了したと判断された．ケーブルについては，高減衰ゴムの容量を増やすなどの対策をしてきたが，その後も損傷を伴うようなケーブル振動が確認されたため，制振性能をより向上させる粘性せん断ダンパーによるケーブルの制振対策が実施されるとともにモニタリン
グシステムが構築された 1)．
本稿では，新湊大橋で構築されたモニタリングシス
テムより得られたモニタリングデータを活用して制振

図-1 新湊大橋におけるモニタリング計器配置概略図- 27 -沿岸技術研究センター論文集

No.18(2018)

対策工の効果の検証と平常時のモニタリングデータの解析と活用手法についての検討結果について報告するものである 2）．

2. モニタリングデータの仕様
モニタリングの計測箇所は、加速度計による加速度を各ケーブル C1～3，C16～18，主塔 P22，P23 及び桁で計測している．レーザー変位計による変位を粘性せん断ダンパーが設置されている C1，C17，18 で計測している．
レーザー距離センサーによる変位を主塔 P22，23 の支承で計測している．その他に風向風速計，降雨計，地震計による計測とネットワークカメラによる画像監視を行っている．なお，計測データは，連続観測されておりデータベース上に保存されている（図-1）．

3.

制振対策工の効果の検証（1）変位の観測値による比較
粘性せん断ダンパーC1，C17，C18 に設置しているレーザー変位計による変位の観測値データを比較した．代表
データにおける粘性せん断ダンパーの変位はいずれも4mm 以内であり，粘性せん断ダンパーが許容している変位 5mm より小さい値であった．
（2）ケーブルの振動の腹における変位の算出
モニタリングデータより得られた粘性せん断ダンパーの変位は許容変位未満となっており，許容値を超えるような変位は生じていない．しかし，ケーブルの振動の腹における変位については直接計測されておらず画像による確認も行われていないことから，粘性せん断ダンパー位置のケーブル変位や加速度計位置のケーブル加速度（図-2）を基に，C18 ケーブルに着目して振動の腹における変位を算出した．

3.1 検証条件の整理
ケーブル制振対策として設置された粘性せん断ダンパーの効果について検証するにあたり，平成 23 年度から平成 26 年度にかけて確認されたケーブル振動時の振動発動条件について整理した．発動条件としては，3 つの風向に分けて整理すると 1）風向が北北東～東北東，
平均風速 10～25ｍ/ｓ，2）風向が西南西～南南西，平均風速 10～15ｍ/ｓ，3）風向が北，平均風速 10～17ｍ/ｓとなった．なお，橋軸方向は西から 14 度北よりである．

3.2 モニタリングデータの整理
気象データは，気象庁伏木観測所での観測記録を用いた．また，データ抽出は，強風時と耐風時に分けて行った．データ抽出の対象期間は，モニタリングシステム運用開始の 2017 年４月からとした．期間内で対象となるデータの中から強風時の代表的なデータとして風向が北（２データ），北北東（２データ），南南西（２データ）の計６データと，台風時の代表的なデータとして風向が北東（３データ），北北東（１データ）の計 4 データを抽出した（表-1）．

図-2 変位計及び加速度計の位置関係
粘性せん断ダンパー位置のケーブル変位を基にした
ケーブル振動の腹における変位の算出は，ケーブルの振動波形を sin 波形，固定点をケーブルの定着点として，ケーブル長とダンパー位置およびダンパー位置における変位の関係から振動の腹での変位を算出した（図-3）．
算出結果は，1 次モードにおいて強風時（風速 13.2ｍ/ｓ2017 年 11 月 30 日～12 月 1 日 0 時 00 分）で最大変位8mm 程度，台風時（風速 28.8ｍ/ｓ2017 年 10 月 22 日 20時 50 分～21 時 00 分）で最大変位 40mm 程度であった．

表-1 分析データ一覧
降⽔量(mm/hr)

⾵速(m/s)年⽉⽇時

モニタリングデータ

⾵向

気象庁

モニタリング
データ

気温

気象庁

(℃)

①2017/11/30 2:00

10.7

11.0 北北東

2.14

0

9.1

②2017/12/1 0:00

13.2

12.5 北北東

0.48

07.4

③2017/12/5 14:00

13.4

13.0 南南⻄

0.56

1

5.3

④2017/12/5 15:00

16.1

14.5 南南⻄

0.55

0

4.5

⑤2017/12/8 15:00

17.8

13.2 北0.57

24.2⑥2017/12/8 17:00

15.0

13.0 北0.72

03.8⑦2017/10/22 13:00

18.1

13.3 北東5.28

319⑧2017/10/22 15:00

19.6

16.5 北北東

0.43

3.5

19.1

⑨2017/10/22 16:00

22.4

20.3 北東

0.41

4.5

18.8

⑩2017/10/22 21:00

28.8

24.4 北東

0.43

2.5

18.5

3.3 強風時の分析結果

図-3 粘性せん断ダンパーの変位を基にしたケーブ
ル振動波形（左）及び加速度計位置でのケーブル加速度を基にしたケーブル振動波形（右）加速度計位置におけるケーブル加速度に基づくケーブル振動の腹の変位の算出は，ケーブル加速度から加速度計位置における変位を算出後，ケーブル振動波形をsin 波形，固定点をダンパー位置とし，ケーブル長，ダンパー位置，加速度計位置及び加速度計位置における変- 28 -

沿岸技術研究センター論文集

位の関係から振動の腹での変位を算出した（図-3）．
算出結果は，1 次モードにおいて強風時で最大変位40mm 程度，台風時で最大変位 43mm 程度であった．これに固定点のダンパー位置の変位を加えたとしても 45mm程度であった．上記 2 つの仮定に基づく振動の腹での変位は，これまでに目測で観測されたケーブル振動時の変位（片振幅 200～250mm）に比べて小さく，粘性せん断ダンパーの許容変位から算出した変位（片振幅 50mm）よりも小さいことから，モニタリング実施期間内の気象条件においては，粘性せん断ダンパーによる制振効果が認められる結果が得られた．

4. 平常時のモニタリングデータの解析と活用手法の検討

No.18(2018)が低い（５℃以下）の各３データずつ計９データを抽出した．なお，活荷重の影響を排除するため平日昼間の時間帯を抽出した．3）風の影響については，風速が10ｍ/ｓ未満を５データ，風速が 10ｍ/ｓ以上 30ｍ/ｓ未満を３データ，風速が 30ｍ/ｓ以上を２データの計10 データを抽出した．

4.3 データ抽出条件ごとの結果（１）活荷重（交通量）の変動の影響
活荷重を変動させた場合における加速度や変位等の観測値の整理結果より，活荷重の変動による影響は見られない（図-5）．また，加速度及び変位の FFT 結果では，活荷重が増大するとケーブル張力が増し固有振動数が高くなるというような傾向は，一部見られるものの，全体として見るとばらつきが大きく，明確な傾向は見られない（図-6）．観測した固有振動数の設計時に対する比率は，100～106％の変動幅であった．

4.1 平常時のモニタリング
西側山側

新湊大橋は供用後５年程度と経年変化に関しては健全状態であると考えられる．今後の異常値検出の基礎資料とするため，平常時のモニタリングデータの解析を実施した．データ解析では，抽出した加速度及び変位の時刻歴データから固有振動数を算出するために高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform，以下 FFT）による手法を用いた（図-4）
．

小大

中

図-5 活荷重条件によるケーブル加速度への影響

図-4 ケーブル加速度の時刻歴データから FFT による固有振動数算出事例
なお，平常時とは橋梁設計における常時（死荷重等の永続作用及び活荷重や温度変化の変動作用が支配的な状況であり風荷重や地震の影響が支配的でない状況）と称される荷重状態にあたる状況とする．

4.2 分析対象データの抽出
平常時においても，活荷重や温度変化の影響は時々刻々変化することから，これらを踏まえて分析対象のデータを抽出した．このほか，ケーブルに関してはこれまでの振動発生状況から風速にも留意した．
以上のことから，次のとおり分析対象を抽出した．1）
活荷重の変動の影響については，交通量が比較的多い時間帯，交通量が比較的少ない時間帯，どちらでもない時間帯の各３データずつ計９データを抽出した．なお，温度変化の影響を排除するため気温が同程度のものを抽出した．2）温度変化の影響については，気温が高い（25℃以上），設計標準温度に近い（20℃），気温

図-6 活荷重条件による加速度及び変位の FFT 結果への影響（２）温度変化の影響
温度条件を変化させた場合における加速度や変位等の観測値の整理結果より，温度変化による影響は見られない（図-7）．

図-7 温度条件によるケーブル加速度への影響- 29 -

沿岸技術研究センター論文集

No.18(2018)

また，加速度計及び変位の FFT 結果では，温度が上昇するとケーブル張力が小さくなり固有振動数が小さくなるというような傾向は一部見られるものの，全体として見るとばらつきが大きく、明確な傾向は見られない（図-8）．観測した固有振動数の設計時に対する比率は，100～106％の変動幅であった．

データ抽出条件ごとの結果を踏まえて，異常値検出の指標としてケーブル固有振動数の閾値の検討をした．
活荷重，温度，風がケーブル固有振動数に及ぼす影響
は，設計時のケーブル固有振動数に対して 103％±３％の範囲であった（表-2）．計測誤差も考慮して，当面は103％±５％を異常値検出の閾値とすることが適当とした．なお，設計値の 108％まで許容した場合であってもケーブルの当初設計時の設計張力より算出した固有振動数の範囲内のため，直ちに対応が必要になるような損傷が発生したとは考え難いが，想定した影響要因以外の要因で変化が生じている可能性も考えられるので，点検を実施し，ケーブル状況を確認する必要があるとした．
表-2 観測値から算出した固有振動数および張力の設計時の固有振動数および張力との比較
固有振動数

図-8 温度条件による加速度及び変位の FFT 結果への影響（３）風の影響
風条件を変化させた場合における加速度や変位等の観測値の整理結果より，ケーブルでは風速 10ｍ/ｓ以上か未満かで加速度が大きく異なる（図-9）．また，風速30ｍ/ｓ以上で変位が１ｍｍ以上となる（図-10）．
風条件を変化させた場合における加速度及び変位のFFT 結果では，個別データではばらつきがあるものの，平均すると風速が大きくなると固有振動数が大きくなる傾向が確認できる．観測した固有振動数の設計時に対する比率は，100％～105％の変動幅であった．
西側山側
低

中

高

変動幅

張⼒平均値

変動幅

平均値

活荷重変動

100~106%

103%

101~112%

106%

温度変化

100~106%103%

100~112%106%

⾵速変化100~105%103%

99~110%106%

5. おわりに
本稿は，モニタリングデータの活用手法として強風時におけるケーブル制振対策工の効果検証や，平常時における健全状態の指標の検討結果について報告した．
ケーブル制振対策工の効果は，今回の対象範囲内においては概ね制振効果があると考えられる結果が得られた．平常時における健全状態の指標となる閾値についても一定の値を得ることができた．引き続きモニタリ
ングデータを取得し，継続した解析を行うことで，制振効果の更なる検証と健全状態の指標の精度向上に寄与することを期待する．

謝辞

図-9 風条件によるケーブル加速度への影響
西側山側
低中

高

本稿は，国土交通省北陸地方整備局新潟港湾空港技術調査事務所発注の港湾施設の設計等に関する技術支援業務の成果の一部を報告したものである．
検討にあたっては，臨港道路東西線におけるモニタリングデータ活用手法にかかる検討会（座長：長岡技術科学大学 長井名誉教授）の各委員，北陸地方整備局の関係者から貴重なご意見，ご指導をいただきました．ここに厚く御礼申し上げます．

参考文献
1)

図-10 風条件による粘性せん断ダンパー位置での変位への影響

2)

4.4 ケーブル固有振動数の閾値の検討- 30 -

国土交通省北陸地方整備局新潟港湾空港技術調査事務
所：平成 27 年度伏木富山港（新湊地区）臨港道路東西線点検等設備細部設計報告書，平成 28 年 3 月
国土交通省北陸地方整備局新潟港湾空港技術調査事務
所：港湾施設の設計等に関する技術支援業務報告書，
平成 30 年 3 月