JP2021152250A - 橋梁の共振検出方法とその共振検出装置及び橋梁の共振検出プログラム - Google Patents
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Abstract
Description
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項1の発明は、図1及び図13に示すように、移動体(T)が移動する橋梁(B)の共振を検出する橋梁の共振検出方法であって、前記橋梁上の通路変位を測定する通路変位測定装置(2A,2B;2C;2D,2E)の測定結果に基づいて、この橋梁の共振を検出する共振検出工程(#140)を含むことを特徴とする橋梁の共振検出方法(#100)である。
以下、図面を参照して、この発明の第1実施形態について詳しく説明する。
図1に示す軌道Rは、列車Tが走行する通路(線路)である。軌道Rは、図4に示すように、列車Tの車輪を案内する左右一対のレールR1,R2などを備えている。軌道Rは、例えば、二本の本線で構成された複線であり、終点から起点に向かって列車Tが走行する上り線と、起点から終点に向かって列車Tが走行する下り線とから構成されている。
以下では、2次元単純梁としてモデル化した鉄道橋と、2次元マルティボディによりモデル化した車両による相互シミュレーション結果を例にして説明する。鉄道橋及び車両の諸元は、日本の一般的な鉄道橋及び高速車両を想定し、径間長50m、固有振動数2.8Hz、モード減衰比2%、単位長質量25t/m、車両長25m、台車中心間隔17.5m、台車内車軸間隔2.5m、軸重120kN及び編成数12両である。
図9は、移動荷重の作用点で観測される軌道変位として、共振時の橋梁変位成分を分析するための簡易な理論モデルを示す。この理論モデルでは、走行列車の荷重を車両長間隔で導入される集中移動荷重の列として理想化し、ある移動荷重の作用点の橋梁変位に着目した。ここで、図9に示すLcは、車両長であり、Pは車両長毎の集中移動荷重であり、vresは列車速度(共振速度)であり、EIは橋梁Bの曲げ剛性であり、mbは橋梁Bの単位長荷重であり、cbは橋梁Bの減衰定数であり、Lbは橋梁Bの支点間の距離である径間長(支間長(スパン長))であり、zb(x,t)は橋梁B上の位置x及び時点tにおける橋梁Bの鉛直変位を表す。xは、橋梁Bの左端をゼロとする橋軸方向の位置であり、tは先頭の集中移動荷重が橋梁Bに進入した時点をゼロとする時間を表す。なお、車両数は十分に多く橋梁Bの振動は定常状態に達していると仮定する。この場合に、m番目の荷重作用点における橋梁Bの動的変位zm b,dは、以下の数1に示すように単純に位置xの関数で表される。ここで、数1に示すAresは、共振時の動的応答振幅を表す。
図12は、先頭の車両VF及び後尾の車両VLで測定される径間長50mの橋梁Bの変位成分に共振検出方法を適用した場合を一例として示すグラフである。図12(A)に示す縦軸は、列車通過時の橋梁中央の最大加速度であり、横軸は列車速度[km/h]である。図12(B)に示す縦軸は、橋梁の変位 [mm]であり、図12(B)の縦軸はバンドパスフィルタ処理後の車両長を主成分とする振動[mm]であり、図12(C)の縦軸は包絡線処理後の車両長を主成分とする振動[mm]であり、図12(D)の縦軸は共振橋梁検出指標RDI[mm]である。図12(B)〜(E)に示す横軸は、橋梁左端からの距離[m]である。
以下では、制御部4jの動作を中心として説明する。
図14に示すステップ(以下、Sという)100において、共振検出プログラム記憶部4hから共振検出プログラムを制御部4jが読み込む。共振検出プログラムを制御部4jが読み込むと、一連の共振検出処理を制御部4jが開始する。
(1) この第1実施形態では、橋梁B上の軌道変位を測定する軌道変位測定装置2A,2Bの測定結果に基づいて、共振検出部4fが橋梁Bの共振を検出する。このため、橋梁B上を走行する列車Tの軌道変位測定装置2A,2Bが測定する軌道変位データD1を利用することによって、共振橋梁を高精度に抽出することができる。例えば、営業列車から軌道変位を測定する営業車検測の測定結果を利用して、共振橋梁を簡単に検知することができる。また、走行列車を構成する複数の車両VF,VLで測定した動的な軌道変位に基づいて、共振橋梁を簡単に検出することができる。
以下では、図1〜図5に示す部分と同一の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図15に示す軌道Rは、例えば、一本の本線で構成された単線であり、一本の本線を上り方向及び下り方向の両方向で使用され列車Tが走行する。図15に示す軌道変位測定装置2Cは、図2〜図4に示す軌道変位測定装置2A,2Bと同一構造であり、図2〜図4に示す軌道変位測定装置2A,2Bとは異なり、図15に示すように列車Tの一端にのみ搭載されており、列車Tの一端で軌道変位を測定する。軌道変位測定装置2Cは、図15(A)に示すように、列車Tが上り方面に走行するときに先頭車両となり、図15(B)に示すようにこの列車Tが下り方面に走行するときに後尾車両となる車両VFの台車T2に搭載されている。
この第2実施形態では、軌道変位測定装置2Cが列車Tの一端で軌道変位を測定し、列車Tが上り方向に走行するときの軌道変位測定装置2Cの測定結果と、この列車Tが下り方向に走行するときの軌道変位測定装置2Cの測定結果とに基づいて、橋梁Bの共振を検出する。このため、1台の軌道変位測定装置2Cが測定する軌道変位データD1に基づいて、橋梁Bの共振を効率的に検出することができる。
図16に示すガイドウェイWは、磁気浮上式鉄道の車両VF,VM,VLが走行する空間を構成する地上設備である。ガイドウェイWは、図1、図2及び図15に示す軌道Rに相当し、断面形状が略U字状の凹部である。ガイドウェイWは、車両VF,VM,VLの支持車輪が走行する走行路W1と、走行路W1の両側に形成された略垂直な側壁W2とを備えている。ガイドウェイWは、車両VF,VM,VLを支持する支持部として機能するとともに、車両VF,VM,VLが水平方向に逸脱するのを防ぐガイド部としても機能する。ガイドウェイWは、車両VF,VM,VLに推進力を与える推進コイルと、車両VF,VM,VLに浮上力及び案内力を発生させる浮上案内コイルとを支持している。
提案手法を現実の高速鉄道に適用することで、共振橋梁を検知するとともに、地上からの現地計測により共振状態の検証を行った。台車に慣性計測を含む軌道変位測定装置が搭載された先頭車両及び後尾車両が走行する日本の高速鉄道路線を対象とした。路線全長約250kmのうち、停車駅前後の加減速区間、橋梁以外の盛土やトンネル区間を除いた約22.6km(橋梁数875本)が検知対象とした。列車は8両編成、車両長LCは25m、台車中心間隔は17.5m、車軸間隔は2.5m、軸重は空車時120kN程度である。対象区間の走行速度は概ね230〜250km/hである。慣性正矢装置は、先頭車両の第二台車中心及び後尾車両の第一台車中心にそれぞれ設置されており、約3km毎の地上端子との通信記録により時間から距離の関数に変換した。さらに、先頭車両の測定データを基準とした相互相関により、後尾車両の相対位置を微修正した。2kHzサンプリングで車上から測定された軌道変位の時系列応答を250mm間隔の距離系列応答に変換した。
図18に示す画面は、列車速度230km/hの場合の検出結果である。軌道変位は、日本の軌道保守で用いられる40m弦正矢値である。図18に示す区間Aには6つの橋梁A1〜A6が存在し、橋梁A1〜A6以外には日本の高速鉄道で盛土の代わりに多用されるラーメン高架橋により構成されている。図18に示すように、橋梁A3では後尾車両のフィルタ処理後の軌道変位が増大することが確認された。その結果、橋梁A3では、卓越長が橋梁A3の径間長とほぼ一致する凸型の卓越形状を共振橋梁検出指標RDIが示している。その結果、橋梁A3は列車速度230km/hで共振状態にあると判断される。一方、その他の橋梁A1,A2,A4〜A6及び橋梁A1〜A6以外のラーメン高架橋区間では、共振橋梁検出指標RDIが概ね1mm以下となっており、列車速度230km/hでの走行では共振状態ではないと判断できる。
提案手法により検出された橋梁A3が本当に共振しているのかについて、現地たわみ測定により検証した。橋梁A3の形式はプレストレストコンクリート箱桁タイプである。橋梁A3の下から自己振動補正付きレーザードップラー速度計(UドップラーII,サンプリング2000Hz)により、列車通過時の橋梁A3の応答速度を測定した。得られた応答速度を積分することで列車通過時の桁の鉛直変位を測定した。その結果、橋梁A3では列車通過に伴って橋梁A3の動的応答振幅が増大することが確認された。また、列車通過後も大きな自由振動が見られ、これは典型的な1次共振橋梁の列車通過時の波形であることが確認された。さらに、橋梁A3では列車速度225km/hで最大振幅がピークを有する共振となることが確認された。以上より、提案手法により共振橋梁を検知できることが検証された。
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、橋梁BがPRC桁を備えるコンクリート橋である場合を例に挙げて説明したが、橋梁Bが鋼橋である場合についても、この発明を適用することができる。また、この実施形態では、軌道変位測定装置2A,2Bを台車T1,T2に配置し、ガイドウェイ変位測定装置2D,2Eを超電導磁石Mに配置する場合を例に挙げて説明したが、軌道変位測定装置2A,2B及びガイドウェイ変位測定装置2D,2Eの配置箇所を限定するものではない。例えば、軌道変位測定装置2A,2B及びガイドウェイ変位測定装置2D,2Eを列車Tの編成中央部から前後に等距離離れた位置に配置する場合についても、この発明を適用することができる。また、この第1実施形態では、軌道変位測定装置2Aを台車T2に配置し、軌道変位測定装置2Bを台車T1に配置する場合を例に挙げて説明したが、軌道変位測定装置2Aを台車T1に配置し、軌道変位測定装置2Bを台車T2に配置する場合についても、この発明を適用することができる。さらに、この第1実施形態及び第2実施形態では、列車Tが12両編成である場合を例に挙げて説明したが、列車Tが8両、10両又は16両編成などである場合についても、この発明を適用することができる。
2A〜2C 軌道変位測定装置(通路変位測定装置)
2D,2E ガイドウェイ変位測定装置(通路変位測定装置)
2a ジャイロ
2b 加速度センサ
2c,2d レーザ変位計
3 通信装置
4 共振検出装置
4c 振動成分抽出部
4d 振動振幅推定部
4e 差分演算部
4f 共振検出部
R 軌道(通路)
R1,R2 レール
B 橋梁
B1 桁
T 列車(移動体)
VF 車両(先頭車両(前方))
VM 車両(中間車両)
VL 車両(後尾車両(後方))
T1 台車(第一台車)
T2 台車(第二台車)
D 測定データ
D1〜D5 軌道変位データ
D6 走行距離データ
RDI 共振橋梁検出指標
W ガイドウェイ(通路)
W1 走行路
W2 側壁
Claims (6)
- 移動体が移動する橋梁の共振を検出する橋梁の共振検出方法であって、
前記橋梁上の通路変位を測定する通路変位測定装置の測定結果に基づいて、この橋梁の共振を検出する共振検出工程を含むこと、
を特徴とする橋梁の共振検出方法。 - 請求項1に記載の橋梁の共振検出方法において、
前記通路変位測定装置は、前記移動体の前方及び後方で通路変位を測定し、
前記共振検出工程は、前記移動体の前方の前記通路変位測定装置の測定結果と、この移動体の後方の前記通路変位測定装置の測定結果とに基づいて、前記橋梁の共振を検出する工程を含むこと、
を特徴とする橋梁の共振検出方法。 - 請求項1に記載の橋梁の共振検出方法において、
前記通路変位測定装置は、前記移動体の一端で通路変位を測定し、
前記共振検出工程は、前記移動体が上り方向に走行するときの前記通路変位測定装置の測定結果と、この移動体が下り方向に走行するときのこの通路変位測定装置の測定結果とに基づいて、前記橋梁の共振を検出する工程を含むこと、
を特徴とする橋梁の共振検出方法。 - 請求項2又は請求項3に記載の橋梁の共振検出方法において、
前記通路変位測定装置の測定結果に基づいて、共振橋梁に特有の振動成分を抽出する振動成分抽出工程と、
前記共振橋梁に特有の振動成分の振幅を推定する振動振幅推定工程と、
前記列車の前方及び後方で測定される前記共振橋梁に特有の振動成分の振幅の差分を演算する差分演算工程とを含み、
前記共振検出工程は、前記共振橋梁に特有の振動成分の振幅の差分に基づいて、前記橋梁の共振を検出する工程を含むこと、
を特徴とする橋梁の共振検出方法。 - 移動体が移動する橋梁の共振を検出する橋梁の共振検出装置であって、
前記橋梁上の通路変位を測定する通路変位測定装置の測定結果に基づいて、この橋梁の共振を検出する共振検出部を備えること、
を特徴とする橋梁の共振検出装置。 - 移動体が移動する橋梁の共振を検出するための橋梁の共振検出プログラムであって、
前記橋梁上の通路変位を測定する通路変位測定装置の測定結果に基づいて、この橋梁の共振を検出する共振検出手順をコンピュータに実行させること、
を特徴とする橋梁の共振検出プログラム。
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