JP2004044116A - 橋梁の余寿命予測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】橋梁について今後の損傷の進み方を踏まえて余寿命を予測し、的確な維持補修計画を策定することにより、架け替えにかかる費用の浪費を抑えるとともに架け替え工事によって社会的、経済的な損失を最小限に抑えるようにする。
【解決手段】対象となった橋梁について、通過車両の車重別通行台数を測定し現時点での疲労損傷度を求め、該現時点での疲労損傷度から前記橋梁についての今後の疲労損傷度の進行を推定する一方、前記橋梁周辺の今後の都市計画に基づいて前記橋梁に起こる今後の交通量の車重別通行台数の変化を推定し、該今後の交通量の変化によって起こる疲労損傷度の変化を先に推定された今後の疲労損傷度の進行に反映させることで今後の疲労損傷度の進行を補正し、該補正された今後の疲労損傷度の進行から前記橋梁の余寿命を予測する。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、橋梁の余寿命を予測する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高度成長期に相次いで建設された橋梁の多くは、当初見込まれた耐用年数の半ばを過ぎてその老朽化が目立つようになり、補修工事が必要となったり場合によっては架け替えの対象になったりすることがある。しかしながら、それらすべてを架け替えるには莫大な費用がかかるだけでなく、長期にわたる架け替え工事によって周辺の都市機能が停滞して社会的、経済的に大きな損失が生じることが予想される。そこで、単に耐用年数の満了を迎えるのを待って架け替え工事を実施するのではなく、橋梁の状態を調査し、その調査結果を基に余寿命を延ばすべく維持補修計画を策定、実行する試みがなされている。
【０００３】
橋梁の状態調査としては、まず、対象となる橋梁の主要な構成部材について応力測定を行って現時点での疲労損傷度（測定期間における発生応力と回数より各部に与える疲労損傷度を求める）を測定し、この値を標準的な疲労損傷度として過去から現在まで橋に与えられたと仮定して現時点での疲労損傷度の累積を想定し、当該橋梁が架け替えを必要とする疲労損傷度に達するまであとどれくらいの期間使用できるか、つまり余寿命はどれくらいかを予測する。また、各部の損傷具合からどの部分を補修することで、橋全体としての延命が図れるかを推定し、効果的な維持補修工事を計画・実施している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のような余寿命予測の手法では、測定時点での疲労損傷度から損傷の進み方を大まかに把握し、建設されてから今後も同様に疲労が進行すると仮定したうえで、あとどれくらいの期間で架け替えを必要とする疲労損傷度に達するかを予測していた。また、複数回測定を行う場合であっても、その間隔は長く数年から十数年の間隔を持って測定されているのが一般的である。
【０００５】
しかしながら、都市の形態は日々変化しており、例えば更地であった地区が大規模開発によって多大な集客量を誇る商業施設に生まれ変わることなどは当然起こり得ることである。こういった変化が起こるとすれば、その近辺に在る橋梁の交通量は大幅に増加するから、今後も現在までと同様に疲労が進行すると仮定して予測を行う従来の手法では、今後の変化を予測値に織り込むことができず、橋梁の今後の損傷の進み方に見合った的確な維持補修計画を策定することは難しくなる。また、新たにできる施設の種類により、増える車両の性質も変わってくることが考えられる。具体的には、商業施設であれば乗用車等の比較的軽量の車両が増え、工場や貨物ターミナル等の施設では大型トラック等の重い車両が増える。
疲労損傷度は発生応力値（車重と相関がある）と発生回数（通行台数）によって決まるものであるので、どのような重さの車が何台通ったかを予測することが重要であり、従来の一時的な発生応力の頻度で評価する方法では、過去及び将来の疲労損傷度を予測する上で誤差を多く含んでしまう問題があった。
【０００６】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、橋梁の損傷の進み方を踏まえて余寿命を予測し、的確な維持補修計画を策定することにより、架け替えにかかる費用を抑えるとともに架け替え工事によって社会的、経済的な損失を最小限に抑えることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として次のような構成の橋梁の余寿命予測方法を採用する。すなわち請求項１記載の本発明は、橋梁が架け替えを必要とする疲労損傷度に達するまであとどれくらいの期間使用できるか、つまり余寿命はどれくらいかを予測する橋梁の余寿命予測方法であって、
前記橋梁について現時点での車両重量別通過台数を測定して疲労損傷度を求め、該現時点での疲労損傷度から前記橋梁についての今後の疲労損傷の進行を推定する一方、
前記橋梁周辺の今後の都市計画に基づいて、前記橋梁に起こる今後の交通量の車両重量別の台数変化を推定し、
該今後の交通量の変化によって起こる疲労損傷度の変化を、先に推定された今後の疲労損傷の進行に反映させることで今後の疲労損傷の進行の予測値を補正し、
該補正された今後の疲労損傷の進行から前記橋梁の余寿命を予測することを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の橋梁の余寿命予測方法において、前記都市計画に基づく前記橋梁の今後の交通量の変化を、同様の都市計画が実施された他地域の情報をもとに推定することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図１から図５に示して説明する。
本発明の橋梁の余寿命診断方法を図１をもとに概念的に説明する。まず、対象となる橋梁について現時点での疲労損傷度を測定し、該現時点での疲労損傷度からこの橋梁についての今後の疲労損傷の進行を推定する。例えば、この橋梁はその構造等から判断して架け替えを必要とする疲労損傷レベルがＸであって、さらに建設からｔ０年が経過しているとする。この橋梁について現時点での疲労損傷度を測定し、その結果がＺ０／年であるとする。過去における損傷度の測定がなされていない場合、Ｚ０／年で損傷を受けてきたと仮定し、建設されてから現時点までの疲労損傷度累積はＺ０×ｔ０であり、現状レベルはＹと推定される。今後もこのままの状態で疲労損傷度が増加すれば、建設からｔ１年後には架け替えを必要とする疲労損傷度Ｘに達することになる。すなわち、この橋梁の余寿命はｔ１−ｔ０年と暫定的に推定される。
【００１０】
次に、今後この橋梁周辺に予定されている都市計画に基づいて橋梁に起こる今後の交通量の変化を、同様の都市計画が既に実施された他の地域の情報をもとに推定する。例えば、現時点からｔ２年後にある都市計画が実施されるのであれば、同様の都市計画が実施された他の地域における計画実施前後の交通量の変化を調査する。
【００１１】
そして、計画実施後の交通量が実施前の１．５倍に増加したのであれば、ｔ２年後の都市計画の実施によって橋梁の交通量も従来の１．５倍に増加すると推定し、さらに交通量の増加によって疲労損傷度がどの程度変化するかを橋梁の構造等をもとに推定する。ｔ２年後の都市計画の実施によって疲労損傷度の増加率が、当初推定された増加率の２倍に変化すると推定されれば、疲労損傷度の進行は加速し、建設からｔ３年後には架け替えを必要とする疲労損傷度Ｘに達することになる。すなわち、都市計画を織り込んだうえでのこの橋梁の余寿命はｔ３−ｔ０年と予測される。
また同様に、過去における都市計画の実施記録から過去の疲労損傷の進行推定値を補正することもできる。
【００１２】
次に、より具体的に橋梁の余寿命を予測する方法について説明する。
橋梁に疲労損傷を与える大きな要素は、橋梁を通行する車両の荷重によるものであり、通行車両重量と通行量の積の総和（Σ（車重×通行量））と相関関係がある。またその影響度合の予測は、通行車両の車重と通行量の予測にあたる。
まず、橋梁の疲労損傷度の測定方法を図２をもとに説明する。測定に際しては、橋梁１を構成する主要な構成部材（例えば床版や橋脚、橋桁等、本実施形態では橋桁２に設置）に作用する応力を測定する。測定期間は、その橋の交通量の年間の標準値を代表するに足る期間とする。概ね３〜６ヶ月が望ましいが、長期計測が困難な場合は、休日と平日を含む数日〜数週間実施する。また、測定装置を常設することにより実測による真の値が得られれば将来予測の高精度化が図れる。
これらの測定システムは、通信を利用した遠隔監視システムとして構成すると、現地へデータ回収に出掛ける手間が省けるので有効である。
【００１３】
応力測定にあたっては、橋桁２に生じる歪みを捕らえる歪みセンサ３と、気温による誤差を補正するための温度センサ４と、歪みセンサ３および温度センサ４の計測結果に基づいて橋桁２に車両の通過により発生した応力を求め通過車両の重量を推定する計測装置５と、計測装置５から出力される通過車両の重量を記録して、ある期間に橋梁１を通過した車両の重量と車重別台数を算出、記録するコンピュータ６とを備える計測システムを使用する。
【００１４】
橋梁１を通過する車両を車重別に判別するには、計測装置５に歪みセンサ３より入力された応力変化を参照する。橋梁１を車両が通過すると、計測装置５には図３のような応力変化の波形が記録される。この波形を生み出した車両の重量（車重）は、波形の変化の大きさ、すなわち波形の変化によって切り取られる領域Ｓの面積と相関がある。車重が重いほど応力波形が大きく変化し、領域Ｓの面積が大きくなるのである。
【００１５】
そこで、計測装置５では、応力変化の波形が入力されるたびに、領域Ｓの面積を算出し、その大きさに応じて、この波形を生み出した車両の重量が推定され、出力される。なお、温度センサ４は、気温の変化による道路の舗装アスファルトや橋梁を構成する部材について温度特性変化の歪み発生量変化を補正するために使用する。コンピュータ６では、計測装置５より入力された車両重量が、所定の幅をもった車重別に区分され、車重別の通過台数がカウントされる。例えば、橋梁の設計基準重量で区分された、ある期間に橋梁１を通過した車両の車重別の通過台数は、１６トン以下の車両がＡ台、１６トン超がＢ台、２０トン超がＣ台、２５トン超がＤ台、といった具合である（図４参照）。
【００１６】
該橋梁の平均的な交通量を測定するに足るある期間について通過車両の車重別台数のカウントを終えたら、まず、この測定期間において橋梁１に作用した疲労損傷度ｚを次式により推定する。
ｚ＝ａ×Ａ台＋ｂ×Ｂ台＋ｃ×Ｃ台＋ｄ×Ｄ台
（ａ，ｂ，ｃ，ｄは各重量区分における車１台通過時の疲労損傷度合）
次に、測定期間を基に、１年間に進行する疲労損傷度（疲労損傷度の増加率）Ｚを算出する（Ｚ＝ｚ／測定期間（年））。過去および将来にわたってこの損傷度Ｚで進むものとすると、ｔ１＝Ｘ／Ｚとなり、橋梁１の暫定的な余寿命を推定することができる（上記のｔ１−ｔ０に相当）。
【００１７】
その一方で、今後（上記のｔ２年後）橋梁１周辺に予定されている都市計画に基づいて橋梁１に起こる今後の交通量の変化を推定する。推定にあたっては、新たに作られる施設・建物の種類に応じて、通行する車両の種別・概算重量を推定する。例えば、遊園地等の施設ができる場合は、乗用車の通行増加が予測でき、ショッピングセンターができる場合には、乗用車と、商品の配送トラックなどの増加が、工場が閉鎖される場合には資材や製品を搬送していた大型トラックの通行減が予測できる。個々の通行量の増減は施設の規模等によって推測する。また、同様の都市計画が既に実施された他の地域における計画実施前後の交通量の変化を参照することもできる。具体的には、他地域に橋梁１に相当する橋梁が存在する場合はこの橋梁について上記と同様の期間において同様の車重別の通過台数を測定し、存在しない場合には橋梁１の立地環境に近い地点において道路の通過台数を車種別にカウントし、車種によっておおまかな車重を設定し車重別の通過台数を推定する。このようにして得られた計画実施後の車重別の通過台数を、実施前の車重別の通過台数（これが定かでない場合は、橋梁１の現時点での車重別の通過台数を代用してもよい）と比較し、車重別に通過台数の変化を明らかにして、都市計画実施後の橋梁１の交通量を推定する。
【００１８】
例えば、他地域において計画実施前と比較して、測定期間（対象とする橋梁１での前述した測定期間）相当において１６トン以下の車両がＡ’台増加し、１６トン超がＢ’台増加し、２０トン超がＣ’台減少し、２５トン超がＤ’台増加したとすると、この結果を橋梁１の現状での車重別の通過台数に反映させ、都市計画実施後の橋梁１の車重別の通過台数と仮定する（図５参照）。そして、この都市計画実施後の橋梁１の車重別の通過台数分布から、ある測定期間における橋梁１の疲労損傷度ｚ’を次式により推定する。
ｚ’＝ａ×（Ａ＋Ａ’）台＋ｂ×（Ｂ＋Ｂ’）台＋ｃ×（Ｃ−Ｃ’）台＋ｄ×（Ｄ＋Ｄ’）台
次に、測定期間を基に、都市計画実施後の１年間に進行する疲労損傷度（疲労損傷度の増加率）Ｚ’を算出する（Ｚ’＝ｚ’／測定期間（年））。
【００１９】
ここまでの情報で、建設時から現時点まで、さらに現時点からｔ２年後の都市計画実施前までの橋梁１の疲労損傷度の増加率Ｚ、都市計画実施後の疲労損傷度の増加率Ｚ’が推定される。ｔ２年後の都市計画実施を契機にして疲労損傷度の増加率が変化し、それに従って建設から架け替えを必要とする疲労損傷度（上記のＸに相当）に達する期間が短くなったとすると、現時点からその短縮分を勘案した期間が都市計画を織り込んだ橋梁１の余寿命（上記のｔ３−ｔ０年に相当）ということになる（図１参照）。このようにして、より正確な余寿命の予測を行うことができる。
また、同様にして過去に行われた都市計画による交通量変化が橋梁１の余寿命に与えた影響も推測することができるので、建設時から現時点までの再評価も行うことができる。さらに、将来において特定の車両（特に重量の重い車）を通行規制して橋梁１を通れないようにした場合にどの程度余寿命が延びるかも推定することができる。
【００２０】
ところで、本実施形態においては歪みセンサ３を橋梁１の橋桁２に設置して車両通過時の応力変化を単純に捕らえた場合について説明したが、例えばより詳細に、車輪が通過したときの応力変化を捕らえて通過車両の車軸数を検出し、その数から車両のサイズや重量までも推定してより詳細に通過車両の情報を得ることも検討されている。その場合には、歪みセンサ３を橋梁１の長さ方向に離間して複数設置し、より詳細な応力波形を取得する等の試みがなされるべきである。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、橋梁周辺の今後の都市計画に基づいて橋梁に起こる今後の交通量の変化を車両重量別台数として推定し、該今後の交通量の変化によって起こる疲労損傷度の変化を先に推定された今後の疲労損傷の進行に反映させることで今後の疲労損傷度の進行を補正し、該補正された今後の疲労損傷の進行から前記橋梁の余寿命を予測することにより、橋梁を取り巻く環境の変化を織り込んでより正確な余寿命の予測が可能になる。そして、より正確な余寿命を把握し的確な維持補修計画を策定することにより、架け替えにかかる費用の浪費を抑えるとともに架け替え工事によって社会的、経済的な損失が生じないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を概念的に説明するために用いた、橋梁建設からの経過年数と橋梁の疲労損傷度との関係を示すグラフである。
【図２】応力計測の際に使用する計測システムの構造を示す概略図である。
【図３】車両の通過によって検出される応力変化の波形を示すグラフである。
【図４】都市計画実施前に調査対象の橋梁においてカウントされた車重別の通過台数を示すグラフである。
【図５】都市計画実施後に調査対象の橋梁において予想される車重別の通過台数（推定値）を示すグラフである。
【符号の説明】
１　　　橋梁
３　　　歪みセンサ
４　　　温度センサ
５　　　計測装置
６　　　コンピュータ

Claims (2)

1. 橋梁が架け替えを必要とする疲労損傷度に達するまであとどれくらいの期間使用できるか、つまり余寿命はどれくらいかを予測する橋梁の余寿命予測方法であって、
   前記橋梁について現時点での車両重量別通過台数を測定して疲労損傷度を求め、該現時点での疲労損傷度から前記橋梁についての今後の疲労損傷の進行を推定する一方、
   前記橋梁周辺の今後の都市計画に基づいて、前記橋梁に起こる今後の交通量の車両重量別の台数変化を推定し、
   該今後の交通量の変化によって起こる疲労損傷度の変化を、先に推定された今後の疲労損傷の進行に反映させることで今後の疲労損傷の進行の予測値を補正し、
   該補正された今後の疲労損傷の進行から前記橋梁の余寿命を予測することを特徴とする橋梁の余寿命予測方法。
2. 前記都市計画に基づく前記橋梁の今後の交通量の変化を、同様の都市計画が実施された他地域の情報をもとに推定することを特徴とする請求項１記載の橋梁の余寿命予測方法。

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