橋梁の材料・構造性能評価とモニタリング技術開発

橋梁の材料・構造性能評価と
モニタリング技術開発
金沢大学理工研究域環境デザイン学系
深田宰史
はじめに
高度経済成長期に集中的に整備された道路橋
交通条件
環境条件
経年劣化，早期劣化（塩害，ASRなど）の顕在化
限られた予算のなかで予防保全型の維持管理へ
メンテナンスサイクル（点検→診断→措置→記録→次の点検へ）の構築
2
メンテナンスマネジメントシステム
低コストで評価が容易，かつ緊急時に即座に対応できるモニタリング技術が必要！
下部構造「橋脚，橋台」
上部構造「RC•PC桁，床版，舗装」
劣化桁の載荷実験による
耐荷性評価
WG1
WG2
劣化機構の解明
（塩害，ASR，複合）
評価基準の作成
既存データの分析
劣化試験体を用いた
耐荷性評価
WG1
WG2
劣化機構の解明
（塩害，ASR，複合）
WG3
上部構造の点検
モニタリング
WG4
下部構造の点検
WG5
上部構造の診断
下部構造の診断
上部構造に対する
健全度評価（余寿命予測）
意思決定システム
下部構造に対する
健全度評価（余寿命予測）
意思決定システム
対策不要
WG6
WG6
対策要
上部構造の補修・補強・更新
WG4
対策不要
対策要
対策効果の検証
下部構造の補修・補強・更新
WG6
WG5
3
モニタリングとは・・・
モニタリングとは･･･
単に計測するだけでなく，その計測結果をもとに，分析や評価を行い，
構造物の設計，施工，維持管理に関する有用な知見を得ること．
計測
参考
分析・評価
土木学会：橋梁振動モニタリングのガイドライン，p.1
4
ライフサイクルからみたモニタリングの種類
計画
性能予測
模型実験での計測
架設
架設作業の安全性確保
施工計画の改善
架設精度管理
変位・変形，温度，
張力，反力等の計測
（免震性能の評価）
竣工
健全度評価
耐荷力評価
腐食による耐久性の評価
供用
変位・変形の計測
性能の確認（構造計算との比較）
（使用性能の評価）
振動特性の計測
計測技術
データ
処理技術
解析技術
非破壊試験による計測
予測技術
走行車両重量の計測
部材ひずみの計測
疲労寿命の評価
安全性の確保
使用性の確保（振動使用性能の評価）
路面性状の計測
環境保全（橋梁周辺環境の環境振動の評価）
補修・補強の検討（補修・補強効果の確認）変位，部材ひずみの計測
参考
土木学会：橋梁振動モニタリングのガイドライン，p.3
これまで行ってきた
長期モニタリングの事例
荷重（入力）とひずみまたは加速度（出力）のデータを用いて
補修の効果の検証としてモニタリングを使用
 深田宰史，室井智文，樅山好幸，梶川康男：路面補修前後の長期モニタリングから評価した周期性路面の
橋梁に及ぼす影響，土木学会論文集，A1，Vol.67，No.1，pp.121-136，2011.3.
 S. Fukada, T. Matsumoto, H. Okada, and Y. Momiyama: Dynamic response of bridge affected by periodic
roughness with a long spatial wavelength, Journal of Civil Structural Health Monitoring, Vol. 4, No. 3, pp.149163, 2014.7.
6
対象橋梁
スパン長 : 37.47m
有効幅員 : 14.50m
斜角 : 67°
100 450
48 800
47 700
450 100
100 450
38 500
37 470
450 30
P1
A1
M
F
隣接橋梁
A2
F
M
対象橋梁
車両進行
方向
200 100 12 000
PCポストテンション単純Ｔ桁橋
14 500
第1走行第2走行追越
7
路面補修前後の路面凹凸波形
20
第1（補修前）
第1（補修後）
路面凹凸高（mm）
15
10
第2（補修前）
第2（補修後）
車両進行方向
5
0
-5
-10
対象橋梁
-15
A2
-20
0
20
第1走行第2走行追越
隣接橋梁
P1
40
A1
60
距離（m）
80
100
120
IRI評価（単位mm/m）
車線
第1走行
第2走行
追越
補修前
1.50
3.53
1.13
補修後
0.97
1.33
-
8
ひずみゲ－ジ
WFLM-60-11-3LT
東京測器
モニタリング機器
圧電型加速度計
707LF
TEAC
加速度計増幅器
SA-16U
TEAC
熱電対
T-G-0.32
東京測器
大学側
コンピュータ
ひずみ計測ユニット
NR-ST04
キーエンス
高速アナログ計測ユニット
NR－HA08
キーエンス
温度計測ユニット
NR-TH08
キーエンス
電話回線
Bフレッツ光
FTP転送
高速アナログ計測ユニット
NR-HA08
スタンドアロン計測ユニット
NR-600
キーエンス
温度・電圧計測ユニット
NR-TH08
ひずみ計測ユニット
NR-ST04
9
重量推定方法
ひずみ
ゲージ
追越車線
第2走行車線
第1走行車線
荷重（kN）
ひずみ×μ（-）
P1
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
A2
第1走行
第2走行
追越
足し合わせ
0
1
2
3
4
時間（sec）
5
6
7
0
1
2
3
4
時間（sec）
5
6
7
800
700
600
500
400
300
200
100
0
10
推定精度
T1+T4
T2+T3
T1
T4
補修前
653.76
829.57
411.60
242.16
補修後
650.72
828.39
410.33
240.39
走行ケース
ケース7
ケース5,6
ケース3,4
ケース1,2
追越車線
1200
80km/h
第2走行車線
1100
第1走行車線
1000
T4
80km/h
T1
900
実荷重（kN）
800
追越車線
700
80km/h
T2
80km/h
T3
80km/h
T1
第2走行車線
600
第1走行車線
500
400
300
追越車線
200
第2走行車線
100
第1走行車線
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900 1000 1100 1200
推定荷重（kN）
追越車線
相関係数0.9957
（補修前：最大18%，補修後：9%の誤差）
第2走行車線
80km/h
T4
第1走行車線
11
日最大載荷荷重
1400
補修前
補修後
日最大載荷荷重(kN)
1200
1000
800
600
400
200
'10/5
'10/3
'10/1
'09/9
'09/7
'09/5
'09/3
'09/11
日付
'09/1
'08/11
'08/9
'08/7
'08/5
'08/3
'08/1
'07/11
'07/9
'07/7
'07/5
'07/3
'07/1
0
・日最大載荷荷重は，補修前後ともに概ね500～1000kNの範囲に分布している．
・補修前の最大値は1088kN，補修後は967kNであった．
・補修前の平均値は721kN，補修後は666kNであった．
・設計活荷重の半分程度となる1150kNを超えていなかった．
12
載荷荷重の頻度分布
(補修前:1年，補修後:1年）
載荷荷重（kN）
1300～1400
1200～1300
1100～1200
補修後
補修前
1000～1100
900～1000
800～900
700～800
600～700
500～600
400～500
300～400
200～300
100～200
1E+0
1E+1
1E+2
1E+3
1E+4
載荷回数（回）
1E+5
1E+6
1E+7
13
動的増幅率（Dynamic Increment Factor）
σdy σst
σst,max
σI,dy
準静的曲線
動的曲線
σI,dy
σI,dy,max
1サイクル区間
動的増幅率
（Dynamic Increment Factor）
 I ,dy ,max
DIF  1 
 st ,max
 I ,dy   dy   st
14
動的増幅率と載荷荷重（0-600kN）
補修前（1年分）
補修後（1年分）
2
2
80000
1.8
80000
1.8
70000
1.6
70000
1.6
60000
1.4
1.4
50000
40000
1.2
60000
50000
40000
1.2
1
30000
DIF-1
DIF-1
30000
20000
10000
0.8
1
20000
10000
0.8
0
0
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0
0
50
100
150
200
250
300
350
載荷荷重(kN)
400
450
500
550
600
0
50
100
150
200
250
300
350
載荷荷重(kN)
400
450
500
550
600
15
動的増幅率と載荷荷重（0-1400kN）
補修後（1年分）
8
8
7
7
6
6
5
5
DIF-1
DIF-1
補修前（1年分）
4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
0
200
400
600
800
載荷荷重(kN)
1000
1200
1400
0
200
400
600
800
載荷荷重(kN)
設計活荷重（概ね2300kN）のもと設計衝撃係数（0.16）を考慮していれば問題ない
1000
1200
1400
16
卓越振動数とモード減衰定数
（たわみ1次振動）
補修前
3.5
25
3.4
25
3.4
3.3
20
3.3
20
3.2
15
3.2
15
3.1
3.1
10
振動数(Hz)
振動数(Hz)
補修後
3.5
3
5
2.9
10
3
5
2.9
0
2.8
2.7
2.7
2.6
2.6
2.5
0.005
0.0075
0.01
0.0125
0.015 0.0175
0.02
減衰定数(-)
0.0225
0.025
0.0275
0
2.8
0.03
2.5
0.005
0.0075
0.01
0.0125
0.015 0.0175
0.02
減衰定数(-)
0.0225
0.025
0.0275
0.03
17
撤去桁の材料・構造性能評価
破壊に至る直前までの兆候を日頃の点検により検知・評価できる指標はないのか？
18
周波数領域と点検技術
20 100
0
109
20k
10101012
1014
1016
1018 Hz
超低周波
低周波
振動実験
可聴音波
衝撃弾性波法
（たたき点検）
超音波
超音波法
ﾏｲｸﾛ波
レーダー探査法赤外線
（電磁波法）
赤外線撮影法
紫外線
浸透探傷法
X線
放射線撮影法
19
撤去桁一般図
供用場所
北陸自動車道
桁　長
17.9 m （支間長17.2m）
竣工／撤去
1972年／1997年（供用期間25年）
構造形式
ポストテンション単純T桁橋
適用示方書
道示　昭和43年
定着工法
フレシネー工法
2
使用材料
主な補修履歴
（上部工）
その他
σck:400kg/cm PC鋼材：12φ7mm×5本
鉄筋：SD30(D13)
1）1982年断面修復工，防水ライニング工，
2）1987年断面修復工，防水ライニング工
3）1992年防錆剤注入工，4）1997年架替え
撤去後～2014年10月の期間：屋外曝露
載荷試験，各種調査：2014年10月に実施
中央断面
桁端断面
20
外観調査
圧縮・静弾性係数

圧縮強度 σ
静弾性係数 E
(N/mm 2 )
(kN/mm 2 )
No.1
59.7
31.9
No.2
57.0
31.0
No.3
56.2
32.5
平均
57.6
31.8
No
圧縮強度：設計基準強度40N/mm2をすべて満足
静弾性係数：設計値31kN/mm2を概ね満足
f c
圧縮強度
割線勾配: 静弾性係数
1
f c
3

22
残存プレストレスの推定
（特許（第5095258号）取得，オリエンタル白石（株））
No
No.1
No.2
No.3
No.4
No.5
No.6
応力度N/mm2
推定
設計
プレストレスプレストレス
13.5
15.5
14.7
13.6
6.1
6.3
14.9
15.5
11
13.6
4.2
6.3
差
-2
1.1
-0.2
-0.6
-2.6
-2
＜文献＞二井谷教治，渡瀬博，阪田憲次，綾野克紀：コンク
リート部材の有効応力の推定手法に関する研究，コンクリー
ト工学論文集，第20巻，第2号，pp.27-37，2009.5.
23
荷重－変位関係
荷重－ＰＣ鋼材のひずみ関係
25
グラウト充填状況
26
衝撃加振試験
加振点：Ｌ/4，Ｌ/2，3Ｌ/4，幅員中央，偏心
振動加速度(m/sec2)
0.6
4/8_E
0.4
0.2
0.0
-0.2
0
1
2
3
4
5
-0.4
-0.6
時間（sec）
27
フ－リエ振幅（m/sec2）
衝撃加振試験によるモード図
0.002
0.0015
0.001
0.0005
0
0
0.3
中分側
路肩側
0.1
0
L/8
2L/8
3L/8
4L/8
5L/8
6L/8
7L/8
モード振幅（-）
0.3
11.35Hz
0.2
L/8
2L/8
3L/8
4L/8
-0.1
-0.2
-0.3
0
L/8
2L/8
3L/8
4L/8
5L/8
6L/8
7L/8
中分側
路肩側
-0.3
距離（m）
0.1
0
0.1
-0.2
-0.2
0.2
21.98Hz
-0.1
-0.1
0.3
0.2
モード振幅（-）
6.19Hz
5L/8
6L/8
7L/8
モード振幅（-）
モード振幅（-）
0.2
0.3
10 20 30 40 50
振動数（Hz）
39.78Hz
中分側
路肩側
0.1
0
-0.1
中分側
路肩側
距離（m）
L/8
2L/8
3L/8
4L/8
5L/8
6L/8
7L/8
-0.2
距離（m）
-0.3
距離（m）
＜文献＞ Juang, J.N. and Pappa, R.S.: An Eigensystem Realization Algorithm for Modal Parameter Identification and
Model Reduction, Journal of Guidance, Vol.8, No.5, pp.620-627, 1985.
モード性信頼性評価基準
MAC（Modal Assurance Criterion）


  TjEj 



1
j

MAC  n
n
n
2
2
2


 Tj  Ej
j 1
Tは理論値または計測した初期値としての振動モード
Eは計測値または経過後の振動モード
nは振動モードの観測点の数
j 1
29
1.0
1.000
0.9
0.998
0.7
MAC
0.996
0.8
常時微動（たわみ1次）
衝撃加振（たわみ1次）
共振加振（たわみ1次）
0.994
0.992
※荷重除荷後に振動計測
0.6
※荷重除荷後に振動計測
0.990
ケース0
(0kN)
ケース1
(270kN)
ケース2
(385kN)
ケース3
(640kN)
ケース4
(760kN)
ケース0
(0kN)
ケース1
(270kN)
ケース2
(385kN)
ケース3
(640kN)
ケース4
(760kN)
0.3
0.2
モード振幅（-）
固有振動数の変化率 f / f0
載荷荷重ケースと振動数，ＭＡＣの関係
6.19Hz
中分側
路肩側
0.1
0
L/8
2L/8
3L/8
4L/8
5L/8
6L/8
7L/8
-0.1
-0.2
距離（m）
30
接触抵抗に伴う
電圧の変化
ＰＣ鋼材，鉄筋ともに導通を確認
31
たわみによる性能評価
PL
 
EI
3
QL
 
EI
4
：たわみ
P：集中荷重
Q：等分布荷重
L：支間長
＜出典＞Jiri Strasky: Stress ribbon and cable-supported
pedestrian bridges, Thomas Telford
32
大巻どんど橋（石川県）
白山ろくテーマパーク内（バードハミング鳥越）
床版長 84 350
床版支間 83 000
吊支間 82 000
100
650
500
第2外ケーブルサグ
30100
200 130
150 150
30
第1外ケーブル
鉛直材
第2外ケーブル
400 300
50
3400
2000
4475 200
4100
1025
吊床版
吊床版サグ
300 400
50
700
500
4475
内ケーブル
7S12.7B,N=6本
第1外ケーブル
SET-3800kN,N=4本
鉛直材
STK400,Φ114.3,t=4.5
1250
第2外ケーブル
SET-3800kN,N=2本
＜文献＞深田宰史，梶川康男，日出平洋一，河島淳一：端
部分離した外ケーブル併用ＰＣ吊床版歩道橋の振動使用
性，土木学会構造工学論文集，Vol.56A，pp.274-286，
33
荷重列
ターゲット
L/4
ターゲット
L/2
桁形式構造に近い傾向
25kN車 3台による移動載荷
GPT-7500，Tajima
4475
Rigid Rigid
Saddle
External tendons
(Primary tendons)
Saddles
Deck
Saddle
External tendons
(Primary tendons)
Struts
External tendons
(Secondary tendons)
Lateral
Struts
External tendons
(Secondary tendons)
35
森のわくわく橋（福島県）
橋長 165500
吊支間 128500
A1
3250
プレキャスト版架設区間 122000
26×4500=117000
5750
A2
3250
5750
400 300
328
220
300 400
一般図
4400
3000
18500
吊床版サグ＝
2570
外ケーブルサグ＝
6425
18500
5245
１次ケーブル
600
1450
1450
300
600
外ケーブル（２次ケーブル）
1750
断面図
＜文献＞梶川康男，深田宰史，大木太，角本周，町勉，熊谷高：外ケーブル併用吊床版橋の構造と振動特
性，土木学会構造工学論文集，Vol.48A，pp.377-388，2002.3．
36
46kN車 1台による移動載荷
吊形式構造に近い傾向
37
志津見大橋（島根県）
38
196kN車 10台による移動載荷
鉛直変位(mm)
-5
0
5
解析値
10
実験値（平均）
15
0
50
100
150
荷重載荷位置（ｍ）
200
250
＜文献＞吉川卓，藤原浩幸，深田宰史，大木太：志津見大橋（複合トラス橋）の実橋載荷実験，第14回プレスト
レストコンクリートの発展に関するシンポジウム論文集，pp.619-622，2005.11.
社会実装に向けた長期モニタリング
今後どのようなモニタリングを行うべきか？
40
ＡＳＲにより劣化したＰＣ橋での長期モニタリング
4径間連続有ヒンジＰＣラーメン箱桁橋
（77.4m+117m+117m+77.4m）
竣工：1978(S53)年6月
41
ＡＳＲにより劣化したＰＣ橋での長期モニタリング
Ｐ2
7径間連続ＰＣ有ヒンジラーメン箱桁橋
（[email protected]+73.2m）
竣工：1975(S50)年4月
42
ケーブル振動の計測
外ケーブルを用いた連続化
外ケーブルの振動計測
活荷重による張力変動
温度による張力変動
何をモニタリングするべきか？
ASR劣化した橋梁の特徴
弾性係数の低下
たわみ量の変化を捉える
ＰＣケーブル張力の変化を捉える
全体たわみやＰＣケーブル張力を
安価で精度よく長期にモニタリングできる技術が必要！
 振動モードを使用したＭＡＣによる評価
代替手段として
高次振動モードを精度よく評価すべき
 点評価の計測値を補間できる数値解析
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