衝撃振動試験による構造物の健全度評価

衝撃振動試験による
構造物の健全度評価
１．衝撃振動試験とは
２．試験方法
３．健全度判定法
４．変状橋梁の発見例
５．道路橋梁への適用
（株）ジェイアール総研エンジニアリング
西村昭彦
構造物維持管理のための調査と衝撃振動試験
ＳＴＡＲＴ
ひびわれ等の変状があるか
中性化
ひびわれ
ジャンカ
骨材の材質
塩分量
鉄筋の腐食
No
衝撃振動試験
Yes
耐久性の調査
（材料調査）
耐荷力の調査
（強度の調査）
余寿命の算定
応力度等の検討
衝撃振動試験
応力測定
たわみ測定
標準値との比較
構造物の強度は安全か
No
Yes
構造物の耐久性は良好か
Yes
補修・補強
No
END
構造物の健全度診断のための試験
必要条件
１．数多くの構造物を扱う
→ 簡単に実施できる
２．健全度を的確に判定できる
３．目に見えない基礎も判定できる
これらを備えた試験 → 衝撃振動試験
3
衝撃振動試験とは
重錘で橋梁を打撃し、その応答から固有振動数を求め、
それに基づいて橋梁の健全度を診断する非破壊試験法
重錘による橋脚の打撃の様子
衝撃振動試験の特徴
衝撃振動試験は精度のよい試験法で、以下の特徴があります。
特徴
橋梁の健全度を固有振動数で判定します。
試験は簡易に実行できます。
正確に固有振動数を測定します。
目で見えない基礎の健全度も正確に判定します。
衝撃振動試験による橋梁の健全度判断手順
波形収録
Yes
健
全
健全度指標κの算出
固有振動数の決定
fn:固有振動数
fs: 固有振動数の
標準値
No
詳細な調査
および対策
衝撃振動試験の利用法
以下の項目を速やかに精度よく行う。
１．平常時、非常時の対応
・構造物の劣化に対する健全度の判定
・洪水等の非常時の健全度判定
・自動車の衝突等に対する健全度判定
・近接工事の影響度の把握
２．地震時の対応
・構造物の被害程度の判定
・被害程度に応じた交通規制の選択
衝撃振動試験開発の目的
目で直接みて検査できない
基礎を含む橋梁等構造物の健全度を
定量的に
精度よく
判定するための検査法を開発する．
開発のフローチャート
判定に用いる指標の検討
指標の測定方法の検討
指標と構造物の変状との関係の検討
健全度判定基準の検討
健全度判定指標の要件
健全度判定指標は次の条件を満足する
必要がある．
・精度がよい
・健全度を的確に反映できる
・測定が簡単
橋梁の変状のイメージ
橋桁
橋桁
橋脚
ひびわれ
橋脚
地盤沈下
基礎
基礎
杭
空隙
洗掘の例
地盤沈下の例
既往の検査法
橋脚躯体に生じる変状
・沈下、傾斜
・躯体に生じるひび割れ
列車走行時の振動性状
・沈下量（砂礫層）
沈下量／荷重 ≦ １５／10,000 （mm／ｔｆ）
・振動時の卓越周期（Ｔ）
Ｔ ≦ ０．３５（ｓ）
列車走行時の振動による
健全度判定の問題点
１．構造物はそれ自身では振動せず、外力の振動
数で振動する。したがって、列車走行による振動の
卓越周期は列車が有する卓越周期である。そして
その値は列車速度に依存する。
２．振動振幅も列車の速度に依存する。すなわち構
造物の固有振動数に近い卓越周期を有する列車
が通過すれば振幅は大きく、その逆は小さくなる。
高架橋と変位計設置箇所
列車速度と高架橋の強制振動数
列車速度と高架橋の振幅
判定に用いる指標の検討
・判定指標
固有振動数
・なぜ固有振動数か
固有振動数は構造物の質量（重量）と
ばね定数（強度）で決定される
Ｍ
Ｋ
fn：固有振動数
Ｍ：構造物の質量
Ｋ：ばね定数
固有振動数と健全度
1. 構造物が災害（洗掘、地震等）を受けたとき、質量
は変化しないが、躯体の剛性や地盤の強度は低下
する。これはばね定数の低下となる。
2. 固有振動数は質量とばね定数で決定されるから
それは固有振動数の低下となって現れる。
3. この低下率から、躯体の剛性や地盤の強度低下
の程度が推定できるので、構造物の健全度が推定で
きる。
開発のフローチャート
判定に用いる指標の検討
指標の測定方法の検討
指標と構造物の変状との関係の検討
健全度判定基準の検討
固有振動数を決定するため
構造物を揺らす
共振現象を利用する
構造物の振動
  CX
  KX  F
MX
慣性力
F
減衰力復元力強制力
X
M:構造物の質量
Ｋ：構造物の剛性（ばね
定数）
M
C
Y：地震動の変位
X：構造物の変形
C：減衰係数
正弦波強制力による応答倍率
6.00
変
位
応
答
倍
率
5.00
数字は減衰
定数
4.00
3.00
2.00
1.00
0
1.00
2.00
3.00
Ｐ／ω
Ｘ：構造物の変位
Ｐ：強制力の振動数
ω：構造物の固有振動数
構造物を揺らすには
１．列車等を走行させる → ばらつきがある
周波数が限られる
２．起振機を用いる
３．構造物を打撃する
→ 時間、費用がかかる
→ 簡単にできる
広い範囲の周波数
を含む
橋梁の
衝撃振動試験
ラーメン高架橋の衝撃振動試験
陸上部での打撃
水上部での打撃
水上部の打撃の様子
橋梁の打撃風景
固有振動数を決定するために
振動を収録する
収録するには振動計とパソコンを用いる
打撃位置と構造物の揺れのかたち
１）天端付近を打撃
構造物は１次モードで揺れる
⇒下部工（基礎）調査の場合
２）躯体中央部を打撃
構造物は２次モードで揺れる
⇒躯体の詳細調査の場合
振動計の設置位置と測定方向
重錘
天端ﾋﾟｯｸｱｯ
ﾌﾟ
橋軸直角方向に設置・打撃
する．
打撃位置
ﾄﾘｶﾞｰﾁｬﾝﾈﾙは打撃位置に近い
振動計にする．
中間ﾋﾟｯｸｱｯ
ﾌﾟ
計測機器
下端ﾋﾟｯｸｱｯ
ﾌﾟ
測定方向は統一させておいた
方がよい．
用いる振動計は対象構造物の
振動数帯域でフラット性を
保っている．
降下作業によるセンサー取付状況
計測部
収録波形から
固有振動数を算出する
時間領域から周波数領域への変換
時刻歴波形だけではその構造物がどのよう
振動特性を持っているのかよく分からない．
→ 周波数毎の成分を表示する必要がある。
そこで
フーリエスペクトル解析
を用いる．
フーリエスペクトルの種類
フーリエ振幅スペクトル
各振動数毎に振幅値を棒グラフ化したもの．
周囲の振動数より振幅が大きい（卓越した）振
動数がその構造物の固有振動数である。
フーリエ位相差スペクトル
入力に対する構造物の応答の時間差（遅れ）
を各振動数毎に並べたもの．変位波形では固
有振動数ではこの値が９０度となる．
位相差スペクトル
振動方程式から、強制
振動の場合は共振状態
（外力の振動数と構造物
の固有振動数が等しい状
態）では変位で計測した
場合は位相差は９０度を
示す。
速度波形の場合はこれよ
り９０度遅れて１８０度とな
る。
この位相差スペクトルか
ら固有振動数を見つけ
ることができる
ｆ：外力の振動数
ｆｎ：構造物の固有振動数
１８０
位
相
角
（度
）
９０
０
１．０
ｆ／ｆｎ
フーリエスペクトルと位相差スペクトル
時刻歴波形（速度波形）
振幅スペクトル
位相差スペクトル
固有振動数が正確に測定できるか
■一般的には起振機を使用する強制振動
試験が用いられる。
（利点）
・共振振動数が正確に求まる。
・強制力と応答値の位相差も計測できる。
（欠点）
・起振機は大型のため、広い設置個所が必要。
・時間および費用がかかる。
■強制振動試験と衝撃振動試験を比較する
計測した橋梁の例（１）
高麗川方
7.6m
大宮方
1A
1P
2P
A：橋台
P：橋脚
3P
川越線
4P
5P
A橋梁概略図
米沢方
31.6m
福島方
1A
2A
5P
1P
2P
3P
奥羽線
4P
B橋梁概略図
計測した橋梁の例（２）
備中神代方
26.1m
広島方
1A
6P
1P
2P
3P
芸備線
4P
7P
5P
C橋梁概略図
8P
2A
強制振動試験と本振動試験の共振曲線の比較
（１）
×10-1(mm)
衝撃振動波形
8.0
×10-1(mm)
衝撃振動波形
8.0
0.0
0.0
2.
-8.0
-8.0
×10-2 mm･ s
4. (s)
2.0
スペクトル図
10.0
2.
4. (s)
×10-1 mm･ s
スペクトル図
1.0
5.0
0.0
2.0
4.0
6.0
×10-3(mm/kgf)
8.0
1.0
10.0 (Hz)
0.0
2.0
4.0
6.0
×10-3(mm/kgf)
共振曲線
8.0
10.0 (Hz)
共振曲線
2.0
1.0
0.0
2.0
4.0
6.0
衝撃波形のスペクトルと共振
曲線の比較（川越線A橋梁2P）
8.0
10.0 (Hz)
0.0
2.0
4.0
6.0
衝撃波形のスペクトルと共振
曲線の比較（奥羽線B橋梁2P）
8.0
10.0 (Hz)
強制振動試験と本振動試験の共振曲線の比較（２）
×10-1(mm)
衝撃振動波形
4.0
0.0
2.
4. (s)
-4.0
×10-2 mm･ s
スペクトル図
8.0
4.0
0.0
1.0
2.0
3.0
×10-3(mm/kgf)
1.0
4.0
5.0 (Hz)
共振曲線
2P
3P
4P
0.5
0.0
1.0
2.0
3.0
衝撃波形のスペクトルと共振
曲線の比較（芸備線C橋梁2P）
4.0
5.0 (Hz)
フーリエスペクトルと位相差スペクトル
3.5
開発のフローチャート
判定に用いる指標の検討
指標の測定方法の検討
指標と構造物の変状との関係の検討
健全度判定基準の検討
変状に応じて
固有振動数は変化するか
変状に応じて固有振動数が計測可能な
大きさで変化しなければ、指標としては
使用できない。
橋梁一般図 1
橋梁一般図 2
固有振動数と土被りの関係
ケーソン基礎橋脚の固有振動数
ケーソン天端からの土被り
Ｌ＝29m
高山本線Ｂ橋梁の結果
洗掘により変状を生じた例（１）
三江線Ｋ橋梁の概要と洗堀の状況
衝撃試験結果 (3P)
2 P
4 P
補強工の概要
補強工の概況
衝撃試験結果 (3P)
(a) 被災直後
(b) 補強工事後
各橋脚の固有振動数
2P
3P
4P
固有施工前 6.8Hz 2.7Hz 4.1Hz
振動数施工後 6.8Hz 5.7Ｈｚ
2.7Hz 4.1Hz
洗掘により変状を生じた例（２）
Ａ橋梁全景
Ｐ１９
Ｐ２０
洗掘された橋脚
Ｐ２０
Ｐ１９
古い流木堆積
ここは軟岩
P１９掘削後の基礎部の状況
ここは軟岩
Ｐ２０掘削後の基礎部の状況
コンクリートスラブの打設
対策工の効果
橋脚番号
19P
20P
固有振動数標準値(Hz)
15.3
16.5
固有振動数(Hz)
5.1
10.7
健全度指標κ
0.33
0.65
判定基準
A1
A1
被災直後
固有振動数(Hz) 特定困難
対策後
19.2
健全度指標 κ
－
1.16
判定基準
B
B
開発のフローチャート
判定に用いる指標の検討
指標の測定方法の検討
指標と構造物の変状との関係の検討
健全度判定基準の検討
健全度判定の方法
現在の方法
１）過去の固有振動数との比較
２）固有振動数の標準値との比較
上記値がない場合の方法
３）固有値解析による逆解析
４）設計に基づく固有振動数による判定
１）過去の固有振動数との比較
健全な状態な時点（例えば，竣工時）に収
録した波形から算出した固有振動数と比較．
⇒もっとも正確なやり方である．しかし，古い
構造物では試験を行っていないケースが
多い．
⇒今後，新設予定の構造物に対しては，
なるべく早い時点での試験実施を推奨．
２）固有振動数の標準値との比較
１）健全な橋脚の固有振動数の実測値を収集
２）収集したデータは1,000個以上
（このうち精度のよい700個を使用）
３）統計解析により，基礎形式別に橋脚高さ，
土被り，桁重量などを要因として分析
４）解析結果から固有振動数の標準値を作成
⇒非常に簡易な方法であるが適用限界に注意．
直接基礎橋脚（単線）の固有振動数の標準値
Ｆ＝２５．４× Ｗｈ－０．１１×Ｈｄ－０．４７
Ｆ＝４９．０× Ｗｈ－０．２４×Ｈｄ－０．４７
直接基礎Ｆ＝８３．７× Ｗｈ－０．２０×Ｈｄ－０．７１
(単線)
円形橋脚除く
(kv ≦ 100)
(100 ＜ kv ≦ 300)
(300 ≦ kv)
Ｋｖ : 鉛直方向地盤反力係数 (kgf/cm ３)
Ｗｈ : 桁重（ｔ）
起点方向の桁重と終点側の桁重の平均値
Ｈｄ : 橋脚高さ－土被り（ｍ）
直接基礎橋脚（複線）の固有振動数の標準値
Ｆ＝２３．７３×
直接基礎
(複線)
Ｂ
０．８１３７
Ｗｈ０．２３６１×Ｈｄ０．７５１６
Ｂ : 橋脚直角方向の幅（ｍ）
Ｗｈ : 桁重（ｔ）
起点方向の桁重と終点側の桁重の平均値
Ｈｄ : 橋脚高さ－土被り（ｍ）
固有振動数の実測値と標準値の比較
（直接基礎：複線）
固
有
振
動
数
の
実
測
値
実測値／標準値
凡例
□ ：新幹線
＋：在来線
健全度判定の考え方
衝撃振動試験による固有振動数の実測
固有振動数の標準値の計算
健全度指標（κ）の計算
κ=
実測振動数
固有振動数の標準値
健全度判定基準の適用
健全度判定指標の決定
1.5
凡例
1.2
実構造物
補強後
1.1
計算値
1.0
健
全
度
判
定
指
標
被災直後
健
全
地盤の強度が1/2
0.9
0.8
限界値
0.7
κ
0.6
0.5
直接基礎
ケーソン基礎
杭基礎
健全度判定基準
健全度判定
判定
処
指標 κ
置
ランク
異常時外力に対して危険な変
0.7 以下
Ａ１
照し，補修・補強を行う．
Ａ
0.85 以下
状がある．他の調査結果も参
Ａ２
固有振動数の低下など進行性
の把握をする．
1.0 以下
Ｂ
現状では問題は少ない．
1.0 以上
Ｓ
現状では健全と判断できる．
実測固有振動数

固有振動数の標準値
３）固有値解析による逆解析
・固有振動数の実測値にあうよう躯体の剛性や
地盤の支持条件を変化させ，その変化率や絶対
値から構造物の健全度を推定する方法．
・固有値解析から求まった躯体剛性および地盤
ばね定数と設計基準から算出されるそれらの値
を比較する。あるいは求まった値から設計計算
を行い安全性を検討する。
固有値解析による部材の剛性等の推定の考え方
解析モデルの作成
固有値解析
固有振動数
計算値≒実測値
Ｙｅｓ
振動モード
計算値≒実測値
Ｎｏ
部材の剛性の増減
地盤のばね定数の増減
Ｋｈ
Ｎｏ
Ｋｈ
Ｙｅｓ
地盤のばね定数（Ｋｈ，Ｋｒ）
部材の剛性（ＥＩ）の決定
Ｋｒ
解析モデル
固有値解析シミュレーション
実測振動数：7Hz，解析振動数：3.46Hz
躯体剛性倍率：1.0，基礎・地盤剛性倍率：1.0
初期値
躯体
：Ｅ＝2.7e6(tf/㎡)
基礎・地盤：N値・・・側面 N=5
底面 N=30
固有値解析シミュレーション
実測振動数：7Hz，解析振動数：5.21Hz
躯体剛性倍率：1.0，基礎・地盤剛性倍率：3.0
初期値
躯体
：Ｅ＝2.7e6(tf/㎡)
基礎・地盤：N値・・・側面 N=5
底面 N=30
固有値解析シミュレーション
実測振動数：7Hz，解析振動数：6.29Hz
躯体剛性倍率：1.0，基礎・地盤剛性倍率：6.0
初期値
躯体
：Ｅ＝2.7e6(tf/㎡)
基礎・地盤：N値・・・側面 N=5
底面 N=30
固有値解析シミュレーション
実測振動数：7Hz，解析振動数：6.83Hz
躯体剛性倍率：1.0，基礎・地盤剛性倍率：9.0
初期値
躯体
：Ｅ＝2.7e6(tf/㎡)
基礎・地盤：N値・・・側面 N=5
底面 N=30
固有値解析シミュレーション
実測振動数：7Hz，解析振動数：7.03Hz
躯体剛性倍率：1.1，基礎・地盤剛性倍率：9.0
初期値
躯体
：Ｅ＝2.7e6(tf/㎡)
基礎・地盤：N値・・・側面 N=5
底面 N=30
躯体の健全度
躯体剛性の解析値

躯体剛性の初期値(設計基準の値)
αの範囲
区分
処
置
Ａ2

構造物の機能にかかわる変状または欠陥があって、運
転保安、旅客および公衆などの安全並びに正常運行確
保を脅かし、何らかの措置を必要とする。
0.50 ≦ α ＜ 0.75
Ｂ
変状または欠陥があって、現状ではＡランクではない
が、日常監視を十分にして、必要に応じて措置するも
の。
0.75 ≦ α ＜ 1.00
Ｃ
軽微な変状または欠陥があって、日常検査の際、重点
的に検査をすればよいもの。
Ｓ
健全なもの。
α ＜ 0.50
1.00 ≦ α
基礎の健全度
地盤ばね定数の解析値
＝
地盤ばね定数の初期値(設計基準の値 ３)
βの範囲
区
分
β ＜ 0.50
Ａ1
詳細な検査を行う
0.50 ≦ β ＜ 0.75
Ａ2
進行性の把握を行う
0.75 ≦ β
Ｂ以
上
現状では問題は少ない
処
置
衝撃振動試験を用いて変状を発見した橋梁例
固有振動数の測定結果
κ=0.48
橋脚の洗堀状況
（a）異常発見時
補強工の概要
（b）補強工の施工状態
補強工事後の固有振動数
κ=1.2
道路橋の下部工診断への適用
設計基準の違いを考慮することで適用可能
・設計荷重の種類と組み合わせ
・支持力算定式、地盤ばね算定式
・安全率（安全係数）
・特殊な基礎形式
ダム建設等に伴う河床レベルの低下はけっして鉄道
橋だけの問題ではない。
道路橋についても、同様に基礎にとって辛い状況に
なってきている。
衝撃振動試験を道路橋へ適用するために
・鉄道橋と道路橋の違い
鉄道橋は列車の通行しない時間帯があるが、
道路橋は車両が通行する可能性が高い。
・そのための対策
衝撃振動試験の波形のスタッキング（重ね合わ
せ）の回数を多くして、車両の通行による影響を消
去する。これはすでに実績がある。
埼玉県杉戸（河川橋梁）
長野県伊那市（河川橋梁）
広島県大竹市（鉄道こ線橋）
道路橋測定例（１）
測定対象橋脚
P11橋脚
P4橋脚
P12橋脚
①
①
②
5,900
3, 7 0 0
5, 3 0 0
②
5, 9 0 0
6,900
6,650
3, 6 0 0
3,000
①
10,250
②
③
③
③
① ～ ③は測点の位置を示す。
① ～ ③は測点の位置を示す。
① ～ ③は測点の位置を示す。
P4
P１１
P１２
橋脚P１１測定結果
測定結果一覧表
橋脚
起点方
桁
終点方
桁
P4橋脚
12.6Hz
4.9Hz
5.6Hz
河川中橋脚根固有
P11橋脚
14.9Hz
5.4Hz
4.4Hz
中州内橋脚根固無
P12橋脚
18.7Hz
4.4Hz
4.4Hz
中州内橋脚根固有
備
考
広周波数領域測定結果
①
3,530
2
砂礫（軟） ②
平均N値 = 25
γ=18ｋN/m3
③
4,000
3,530
③
3,530
3,530
①
7,060
②
3,300
8,000
γ=20ｋN/m3
4,000
4,000
砂礫（硬）
平均N値 = 40
8,000
4
④
5
① ～ ③は測点の位置を示す。
解析モデル
3,700
3,700
① ～ ③は測点の位置を示す。
1,850
5,000
8,700
1,850
5,000
8,700
1,850
1,850
4,700
③
砂礫（硬）
平均N値 = 40
γ=20ｋN/m3
4,700
700
4,000
γ=18ｋN/m3
4,000
3,300
砂礫（軟）
平均N値 = 25
3,300
700
3
4,000
6,650
3,000
固有値解析
1
②
7,060
①
3,300
6,650
3,000
P11橋脚
固有値解析結果
橋梁下部工健全度調査
― 橋梁健全度調査研究会 ―
107
調査位置
伊那中央
橋
P2橋脚
P1橋脚
桜橋
108
橋梁全景（桜橋）
109
橋梁全景（中央橋）
110
地質調査について
図書館建設時の地質調
査結果（地盤高：+683）
111
根入長の推定
桜橋P1
中央橋
根入れ長が不明
112
根入長の推定
桜橋P1
中央橋
桜橋橋脚の床付け高さを基礎
下端と仮定してモデル化！
113
固有値解析のモデル（桜橋）
114
固有値解析結果（桜橋）
115
モード図（桜橋）
116
固有値解析のモデル（中央橋P1）
117
モード図（中央橋P1）
118
固有値解析のモデル（中央橋P２）
119
モード図（中央橋P2）
120
固有値解析総括
橋脚名称
桜橋
中央橋P1
中央橋P2
シミュレート倍率
く体
地盤バネ定数
１．００
１．００
１．００
１．５０
１．４０
１．４０
―固有値解析条件―
・く体は全断面有効
・コンクリート強度 σck＝24ｋN/mm2
・桜橋の地盤バネ定数はN値=５０を初期値とした
・中央橋の地盤バネ定数は桜橋の解析結果を初期値と
121
した
健全度の判定
①桜橋
・く体および基礎の地盤バネ定数は、ほぼ設計時の
強度を持っていると考えられる。
②中央橋
・中央橋の基礎は桜橋と同等の深さまで根入れされ
ていると仮定すれば、く体および地盤のバネ定数は
、ほぼ設計時の値を持っていると推定できる。
・固有値解析の結果、基礎は現況河床から約８．０ｍ
根入れされていると推定できる。
122
衝撃振動試験のまとめ
１．橋梁の健全度は固有振動数で表される。
２．固有振動数は衝撃振動試験により精度よく把握
できる。
３．固有振動数は変状に応じて低下する。
４．橋梁の固有振動数と固有振動数の標準値から
橋梁の健全度を判定することが出来る。
５．もっとも正確に健全度を判定できるのは構造物
自身の固有振動数である。したがって、事前に
固有振動数を測定しておくのがよい。
ご静聴ありがとうございました。
Thank you for your attention !
124

Download Report