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技術 加振装置、振動測定システム、振動測定方法および張力の計測方法

出願人 西松建設株式会社国立大学法人佐賀大学大日本コンサルタント株式会社
発明者 原田耕司伊藤幸広平山博
出願日 2016年6月6日 (4年5ヶ月経過) 出願番号 2016-112665
公開日 2017年12月14日 (2年11ヶ月経過) 公開番号 2017-219369
状態 特許登録済
技術分野 機械部品、その他の構造物または装置の試験 特定の目的に適した力の測定 機械的振動・音波の測定
主要キーワード 支点ローラ 振動測定システム n次モード 二次モード 非当接状態 高所作業者 振動測定装置 切替モータ
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図面 (11)

課題

効率的で、安価で、かつ斜材ケーブル)の振動を正しく測定することができる装置およびシステムを提供する。

解決手段

この装置は、斜張橋に用いられる斜材を加振する加振装置であり、斜材が通される通路を有するフレーム部材30と、フレーム部材30の両端に設けられ、通路に連続する開口の中心に向けて突出し、通路に通された斜材の上側の外表面に当接して、フレーム部材30を斜材に支持する支持手段31と、通路に斜材が通されたフレーム部材30の斜材の下部に位置し、フレーム部材30に取り付けられた振動発生手段32とを含む。この加振装置は、斜材の長さ方向へ走行可能な、斜材の振動を測定する振動測定装置により牽引される。

概要

背景

橋の形式には、橋桁とを斜材ケーブル)で斜めに繋ぎ支える構造の斜張橋がある。この斜張橋は、ケーブルの張力によって人や車両等が通行する橋桁を支えており、その施工管理において、ケーブルの外観調査張力測定等が実施される。

ケーブルの張力測定には、ケーブルの固有振動数減衰定数を測定し、その測定結果を基に張力を求める、いわゆる振動法が一般的に用いられている。振動数は、ケーブルに強制的に振動を与え、その振動波形加速度計等の振動測定装置で測定し、フーリエ解析を行うことで求め、張力は、その振動数から既知計算式を使用して求めている。

従来、高所作業車ロープを括り付け、数人の作業員でロープを引っ張る等して、ケーブルに強制振動を与えているが、これでは、多くの人員、高所作業車が必要で、高所作業車を設置するために広い作業範囲を確保しなければならない。

そこで、高所作業車を不要とし、省人化を図りつつ、ケーブルに振動を与え、ケーブルの制振装置性能試験等を行うことができる装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。

概要

効率的で、安価で、かつ斜材(ケーブル)の振動を正しく測定することができる装置およびシステムを提供する。 この装置は、斜張橋に用いられる斜材を加振する加振装置であり、斜材が通される通路を有するフレーム部材30と、フレーム部材30の両端に設けられ、通路に連続する開口の中心に向けて突出し、通路に通された斜材の上側の外表面に当接して、フレーム部材30を斜材に支持する支持手段31と、通路に斜材が通されたフレーム部材30の斜材の下部に位置し、フレーム部材30に取り付けられた振動発生手段32とを含む。この加振装置は、斜材の長さ方向へ走行可能な、斜材の振動を測定する振動測定装置により牽引される。

目的

特開平10−118964号公報






しかしながら、上記特許文献1に記載の装置では、2つの回転振動生体を設置しなければ特定の方向に振動させることができず、安価で提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

斜張橋に用いられる斜材加振する加振装置であって、前記斜材が通される通路を有するフレーム部材と、前記フレーム部材の両端に設けられ、前記通路に連続する開口の中心に向けて突出し、前記通路に通された前記斜材の上側の外表面に当接して、前記フレーム部材を前記斜材に支持する支持手段と、前記通路に前記斜材が通された前記フレーム部材の該斜材の下部に位置し、該フレーム部材に取り付けられた振動発生手段とを含み、前記斜材の長さ方向へ走行可能な、該斜材の振動を測定する振動測定装置により牽引される、加振装置。

請求項2

前記支持手段は、前記斜材に当接するローラと、前記ローラを回転可能に支持し、前記フレーム部材に固定される支持部材とを含み、前記フレーム部材の両端に少なくとも2つずつ設けられる、請求項1に記載の加振装置。

請求項3

前記振動発生手段は、回転軸と、前記回転軸を一定方向に回転させるモータと、前記回転軸に対して重心を偏らせて取り付けたとを含む、請求項1または2に記載の加振装置。

請求項4

請求項1〜3のいずれか1項に記載の加振装置と、前記加振装置を牽引し、該加振装置により加振され、発生した斜材の振動を測定する振動測定装置とを含む、振動測定システム

請求項5

前記振動測定装置は、前記斜材が通される通路を有するフレーム部材と、前記フレーム部材の両端に設けられ、前記通路に連続する開口の中心に向けて突出し、前記通路に通された前記斜材の外表面に当接して、前記フレーム部材を前記斜材に支持するとともに、前記斜材の長さ方向へ移動することが可能な走行支持手段と、前記斜材の振動を測定する振動測定手段とを備え、前記振動測定手段が、前記斜材に当接する当接部材と、前記当接部材と一体に設けられた振動検出器と、前記当接部材を前記斜材に当接または離間させるように切り替え切替手段とを含む、請求項4に記載の振動測定システム。

請求項6

前記振動測定装置は、前記斜材に対向して設けられ、前記走行支持手段もしくは前記斜材の外表面またはその両方を撮像する撮像手段を含む、請求項5に振動測定システム。

請求項7

前記振動測定装置は、前記撮像手段に近隣して設けられ、前記撮像手段が撮像する範囲に光を照射するための光源を含む、請求項6に記載の振動測定システム。

請求項8

前記振動測定装置から測定結果を受信する受信手段と、受信手段により受信された前記測定結果から前記斜材の振動数を算出し、算出した振動数から該斜材に作用する張力を算出する計算手段とを含む情報処理装置をさらに含む、請求項4〜7のいずれか1項に記載の振動測定システム。

請求項9

斜張橋に用いられる斜材を加振し、該斜材の振動を測定する振動測定方法であって、前記斜材が通される通路を有するフレーム部材と、前記フレーム部材の両端に設けられ、前記通路に連続する開口の中心に向けて突出し、前記通路に通された前記斜材の上側の外表面に当接して、前記フレーム部材を前記斜材に支持する支持手段と、前記通路に前記斜材が通された前記フレーム部材の該斜材の下部に位置し、該フレーム部材に取り付けられた振動発生手段とを含む加振装置と、前記斜材の長さ方向へ走行可能な、該斜材の振動を測定する振動測定装置とを、該斜材に取り付ける段階と、前記振動測定装置により前記加振装置を牽引し、前記斜材の長さ方向の所定の位置に移動させる段階と、前記加振装置により前記斜材を加振する段階と、前記振動測定装置により前記斜材の振動を測定する段階とを含む、振動測定方法。

請求項10

斜張橋に用いられる斜材を加振し、該斜材の振動を測定し、測定結果から該斜材の張力を計測する方法であって、前記斜材が通される通路を有するフレーム部材と、前記フレーム部材の両端に設けられ、前記通路に連続する開口の中心に向けて突出し、前記通路に通された前記斜材の上側の外表面に当接して、前記フレーム部材を前記斜材に支持する支持手段と、前記通路に前記斜材が通された前記フレーム部材の該斜材の下部に位置し、該フレーム部材に取り付けられた振動発生手段とを含む加振装置と、前記斜材の長さ方向へ走行可能な、該斜材の振動を測定する振動測定装置とを、該斜材に取り付ける段階と、前記振動測定装置により前記加振装置を牽引し、前記斜材の長さ方向の所定の位置に移動させる段階と、前記加振装置により前記斜材を加振する段階と、前記振動測定装置により前記斜材の振動を測定する段階と、前記移動させる段階と前記加振する段階と前記測定する段階とを繰り返し、前記斜材の長さ方向の複数の位置における振動を測定する段階と、前記振動測定装置から情報処理装置へ前記複数の位置における測定結果を送信する段階と、前記情報処理装置が前記複数の位置における測定結果を用い、所定の関数に適用して収束計算を行うことにより前記斜材の張力を計算する段階とを含む、張力の計測方法

技術分野

0001

本発明は、斜張橋に用いられる斜材加振する装置、その装置を備えた振動測定システム振動測定方法および張力計測方法に関する。

背景技術

0002

橋の形式には、橋桁とを斜材(ケーブル)で斜めに繋ぎ支える構造の斜張橋がある。この斜張橋は、ケーブルの張力によって人や車両等が通行する橋桁を支えており、その施工管理において、ケーブルの外観調査張力測定等が実施される。

0003

ケーブルの張力測定には、ケーブルの固有振動数減衰定数を測定し、その測定結果を基に張力を求める、いわゆる振動法が一般的に用いられている。振動数は、ケーブルに強制的に振動を与え、その振動波形加速度計等の振動測定装置で測定し、フーリエ解析を行うことで求め、張力は、その振動数から既知計算式を使用して求めている。

0004

従来、高所作業車ロープを括り付け、数人の作業員でロープを引っ張る等して、ケーブルに強制振動を与えているが、これでは、多くの人員、高所作業車が必要で、高所作業車を設置するために広い作業範囲を確保しなければならない。

0005

そこで、高所作業車を不要とし、省人化を図りつつ、ケーブルに振動を与え、ケーブルの制振装置性能試験等を行うことができる装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。

先行技術

0006

特開平10−118964号公報

発明が解決しようとする課題

0007

しかしながら、上記特許文献1に記載の装置では、2つの回転振動生体を設置しなければ特定の方向に振動させることができず、安価で提供することができないという問題があった。

0008

また、振動を測定するために、上記特許文献1に記載の装置に振動測定装置を取り付けることができるが、振動発生手段が発生させた振動を直接測定することになるため、ケーブルの振動を正しく測定することができないという問題もあった。

0009

そこで、効率的で、安価で、かつケーブルの振動を正しく測定することができる装置およびシステムの提供が望まれていた。

課題を解決するための手段

0010

本発明は、上記課題に鑑み、斜張橋に用いられる斜材(ケーブル)を加振する加振装置であって、斜材が通される通路を有するフレーム部材と、フレーム部材の両端に設けられ、通路に連続する開口の中心に向けて突出し、通路に通された斜材の上側の外表面に当接して、フレーム部材を斜材に支持する支持手段と、通路に斜材が通されたフレーム部材の斜材の下部に位置し、該フレーム部材に取り付けられた振動発生手段とを含み、斜材の長さ方向へ走行可能な、該斜材の振動を測定する振動測定装置により牽引される、加振装置が提供される。

発明の効果

0011

本発明によれば、効率的で、安価で、かつケーブルの振動を正しく測定することができる。

図面の簡単な説明

0012

振動測定システムの構成例を示した図。
加振装置の構成例を示した図。
加振装置が備える振動発生手段の構成例を示した図。
振動測定装置の1つの構成例を示した図。
加振および振動測定を行う位置について説明する図。
振動測定システムにより実行される振動測定の流れを示したフローチャート
測定結果から張力を算出する処理の流れを示したフローチャート。
振動測定装置の別の構成例を示した図。
図8に示す振動測定装置が備える振動測定手段の構成例を示した図。
振動測定装置のさらに別の構成例を示した図。

実施例

0013

図1は、振動測定システムの構成例を示した図である。この振動測定システムは、斜張橋に用いられるケーブルの振動を測定するシステムで、加振装置と、振動測定装置とを含んで構成される。振動測定システムは、これらに加えて、測定結果からケーブルの張力等を算出する情報処理装置を含むことができる。以下、振動測定システムは、情報処理装置も含むものとして説明する。

0014

斜張橋10は、川や海の底に基礎構築され、その基礎の上に、鋼や鉄筋コンクリート(RC)により主塔11が構築され、その主塔11から斜め方向へ張られたケーブル12により主桁(橋桁)13を直接支える構造の橋である。主塔11は、一般的には2本であることが多いが、1本や3本以上の場合もある。図1では、主塔11が1本のみ示されている。なお、主塔11には、圧縮力が作用する。主桁13は、人や車両が通行する部分である。

0015

ケーブル12は、主塔11と主桁13とを繋ぎ、主桁13を支える。ケーブル12は、主塔11を挟んで左右に張られ、左右にかかる力のバランスをとり、また、本数を多くすることにより、ケーブル一本あたりに作用する力を小さくしている。

0016

ケーブル12としては、複数本PC鋼線から構成されるPC鋼より線の周囲をポリエチレン等の樹脂被覆したものを用いることができる。ケーブル12は、これに限られるものではなく、ポリエチレン等の樹脂で作製された保護管内にPC鋼より線を入れ、その間をグラウト等の充填材充填したものであってもよい。

0017

加振装置20は、ケーブル12の長さ方向の任意の位置で、振動を発生し、その発生した振動をケーブル12に与え、ケーブル12を加振する装置である。加振装置20を設けず、自然風によりケーブルに振動を発生させてもよいが、自然風では、ケーブルの1点に集中して振動を与えることができないため、振動波形が数多くの山からなる高次モードの固有振動数しか得ることができない。しかしながら、加振装置20を用いることで、ケーブルの中央位置に振動を与えれば、一次モードの固有振動数、ケーブルの長さの1/3の位置に振動を与えれば、二次モードの固有振動数といった任意のモードの固有振動数を得ることができる。

0018

振動測定装置21は、ケーブル12の長さ方向へ走行可能とされており、加振装置20を牽引し、所定の測定位置まで自走または牽引することにより移動させることができる。振動測定装置21は、加速度計等のケーブル12の振動を測定することができる手段を備え、加振装置20が発生させたケーブル12の振動を測定する。振動測定装置21は、測定時、ケーブル12に動かないように固定される。振動測定装置21は、測定結果を、図示しない検証装置有線または無線により送信する。

0019

加振装置20と振動測定装置21とは、ロープ等の牽引部材22により連結され、振動測定装置21は、加振装置20を牽引し、加振装置20を所定の位置に移動させる。ちなみに、加振装置と振動測定装置を1つの装置とした場合、加振のノイズを振動測定装置が拾うことから、正確な振動を測定することができない。このため、本発明では、加振装置20と振動測定装置21とを分離し、牽引部材22で連結した構成にしている。このような構成は、そのほか、加振によって急勾配でもずり落ちることや振動測定装置の故障を防ぐことができ、安全性を高めることができる。なお、加振の影響を最小限にするため、牽引部材22は、振動を伝達しない素材が好ましく、例えば複数のバネゴム等の弾性部材を用いることができる。

0020

情報処理装置23は、PC等のコンピュータとされ、振動測定装置21から測定結果を受信し、その測定結果からケーブル12の張力等を求め、その張力等が設計時の張力等と比較して低下しているかどうかを検証する。このため、情報処理装置23は、通信I/Fといった受信手段と、張力等を算出するためのCPUおよびメモリ等の計算手段とを備える。斜張橋10の架設時には、張力等が設計値満足するように調整が行われる。このため、情報処理装置23は、設計値から変動があるかどうかを判定し、変動している場合、どの程度変動しているかを求める。作業者は、その変動の有無、割合に応じて、対策の有無を判断することができる。

0021

振動測定装置21は、自走式または牽引式の装置であるため、ケーブル12の長さ方向の任意の位置へ移動し、その位置で停止して固定することで、牽引される加振装置20が任意の位置に振動を与え、ケーブル12を加振し、振動測定装置21がケーブル12の振動を測定することができる。

0022

図2を参照して、加振装置20の構成について説明する。加振装置20は、図2(a)に示すように、ケーブル12が通される通路を有するフレーム部材30を含む。フレーム部材30は、例えば、アルミニウム製の角管30aを複数本用い、角管30aに嵌合される突出部が三方向に延びる三方向ジョイント30bにより連結したものとすることができる。材質は、プラスチックや鋼であってもよいが、軽量で、一定以上の強度を有し、耐食性を有する点で、上記のアルミニウムが望ましい。

0023

角管30aは、断面が略矩形で、内部が中空とされている。三方向ジョイント30bは、互いに垂直なx軸、y軸、z軸という三方向の軸に突出部が延びる角管用の連結部材で、突出部は、例えば、先端にいくにつれてわずかにテーパが形成され、角管30aの中空の内部に押し込まれることにより断面の大きい末端が角管30aの内面に強く密着して、強い締結力を生じさせるものとすることができる。これは一例であるので、一定の締結力が得られるものであれば、このような構造に限定されるものではない。

0024

また、フレーム部材30は、各端につき、図2(b)に示すケーブル12が通る開口を形成する4本の角管30aのうちの対向する2本を2つに切断し、180°異なる方向へ突出部が延びる二方向ジョイントを用いて連結する構造とすることができる。このような構造とすることで、フレーム部材30を2つに分離し、フレーム部材30の内部をケーブル12が通るように取り付けることができる。

0025

ここでは、角管30aと三方向ジョイント30bを用いる例を挙げたが、これらの部材に限定されるものではなく、円管と、突出部が円筒状の三方向ジョイントとを用いる構成、4枚の矩形の板のみを用い、それらを接合して両端に開口を有する箱状の構成等としてもよい。

0026

加振装置20は、図2(a)に示すようにフレーム部材30の両端に設けられ、図2(b)に示すようにフレーム部材30に形成された通路に連続する開口の中心に向けて突出し、通路に通されたケーブル12の上側の外表面に当接して、フレーム部材30をケーブル12に支持する支持手段31を含む。支持手段31は、フレーム部材30をケーブル12に支持することができればいかなるものであってもよく、例えば、支点ローラを用いることができる。支点ローラは、フレーム部材30の各端のケーブル12が通る開口を形成する4本の角管30aのうち、ケーブル12の上側の外表面に対向する2本の角管から該外表面に向けて突出し、回転軸31bを挿通させる穴を有する支持部材31aと、回転軸31bを有するローラ31cとから構成することができる。これは一例であるので、これ以外の構成であってもよい。

0027

フレーム部材30の各端に2つの支点ローラが設けられ、それら4つの支点ローラでケーブル12の上側に載せるようにして、フレーム部材30を支持することができる。なお、支点ローラのケーブル12との接触部分は、ケーブル12の外表面と当接し、フレーム部材30をケーブル12に支持することから、密着性が良好で、その外表面との摩擦抵抗が大きいほうが望ましい。このため、接触部分は、天然ゴムイソプレンゴムウレタンゴムクロロプレンゴム等の弾性部材から形成することができる。

0028

加振装置20は、さらに、フレーム部材30に形成された通路にケーブル12が通されたフレーム部材30の、ケーブル12の下部に位置し、フレーム部材30に取り付けられた振動発生手段32を含む。振動発生手段32は、振動を発生させることができる装置であればいかなる装置であってもよい。振動発生手段32は、ケーブル12の真下に位置し、フレーム部材30を構成する角管30aに、必要に応じて台座33を設け、その台座33上に設置することができる。

0029

支点ローラを、ケーブル12の上側に当接するもののみとすることで、下側が押さえられていないので、その周方向への回転が可能になるが、振動発生手段32が1つでも、ケーブル12の左右の方向への振動を抑制し、ケーブル12を適切に鉛直方向へ振動させることができる。また、振動発生手段32をケーブル12の下部の位置に取り付けることで、振動発生手段32が役割を果たし、フレーム部材30のケーブル12の周方向への回転を抑止することができる。

0030

なお、ケーブル12に振動が発生し、フレーム部材30がケーブル12の周方向に回転しても、上側の支点ローラでケーブル12に支持できるようにするため、ケーブル12の下側にも、ケーブル12に当接はしないが、近隣した位置にまで延びる2つの支点ローラ等を設けることができる。これは一例であり、周方向への回転は許容するが、支点ローラにより支持できるものであれば、これ以外の構成や構造であってもよい。また、支点ローラも、2つに限られるものではなく、3つ以上であってもよい。

0031

図3を参照して、加振装置20に用いられる振動発生手段32について説明する。図3(a)は、振動発生手段32の正面図で、図3(b)は、側面図である。振動発生手段32は、モータ40と、モータ40により回転する回転軸41と、回転軸41に対して重心を偏らせて取り付けた錘42とを含むことができる。図3に示す例では、錘42は、2つの底面が三角形三角柱とされ、その三角形の重心からずれた、1つの頂点に近隣する位置を貫通するように回転軸41が挿設され、回転軸41に固定されたものとなっている。

0032

モータ40は、蓄電池等から供給される電気エネルギー回転エネルギーに変換し、その回転エネルギーを回転軸41に与える。回転軸41は、与えられた回転エネルギーにより一定方向に回転する。このため、モータ40に供給する電気エネルギーの量を調整することで、出力する回転エネルギーを調整し、回転軸41の回転数を変化させることができる。

0033

回転軸41には、錘42が取り付けられ、その重心の位置が回転軸41からずれているため、回転軸41の回転により重心がある方向に引っ張られ、その結果、振動が発生する。ここでは、振動発生手段32として、モータ40、回転軸41、錘42を用いて構成したものを例示したが、振動を発生させることができればいかなる構成のものでも用いることができる。

0034

振動発生手段32は、通信I/Fを備えた制御回路を含むことができ、情報処理装置23から上記の電気エネルギーの供給量、具体的には印加する電圧を指示し、制御回路がモータ40に印加する電圧をその指示された電圧に制御することで、回転数を変化させることができる。この回転数の変化により、振動数を変えることができる。なお、ここでは、印加する電圧を制御するものとして説明したが、供給する電流量を制御してもよい。

0035

次に、図4を参照して、振動測定装置21の構成について説明する。振動測定装置21も、加振装置20と同様、フレーム部材50と、支持手段51とを備えることができる。ただし、支持手段51は、ケーブル12の上側だけではなく、下側にも設けられ、ケーブル12の周方向の四方から当接し、ケーブル12に動かないように固定することが可能な構成とされる。ケーブル12の振動を高い精度で測定することができなくなるためである。また、支持手段51は、支点ローラを回転駆動させるモータ52を備え、走行支持手段として機能し、モータ52により自動走行させることができる。

0036

また、振動測定装置21は、加振装置20と同様、2つに分離可能とされ、フレーム部材50の内部をケーブル12が通るように取り付けることができる。

0037

振動測定装置21は、振動測定手段53を備え、振動測定手段53として、加速度計を用いることができる。加速度計としては、圧電式動電式、歪みゲージ式、半導体式のいずれの方式の加速度計でも用いることができる。なお、振動測定手段53は、加速度計に限定されるものではなく、速度を測定する速度計変位を測定する変位計を用いてもよい。 振動測定手段53として加速度計を用いる場合、ケーブル12が上下等に振動する際の加速度波形が測定結果として得られる。振動測定装置21は、通信I/Fを含む制御回路を備え、制御回路が、通信I/Fを使用し、情報処理装置23に測定結果を送信することができる。また、制御回路は、情報処理装置23からモータ52への指示を受信し、モータ52の起動や停止、回転数を変更する制御を行うことができる。

0038

図5を参照して、加振し、振動測定を行う位置について説明する。1本のケーブル12について一次モードから六次モード程度の固有振動数を測定するため、一次モードでは、図5(a)に示すケーブル12の中央の位置Aに、二次モードでは、図5(b)に示すケーブル12を均等に3つに分けたときの位置B、Cに振動測定システムを配置し、振動を発生させ、ケーブル12を加振して、ケーブル12の振動を測定することができる。加振する位置を位置A〜Cの位置にするため、位置A〜Cに加振装置20を配置することができる。

0039

三次以上のn次モードでも、同様にして、ケーブル12を均等にn+1に分けたときの各位置に振動測定システムを配置し、振動を発生させ、ケーブル12の振動を測定することができる。高次モードでは、振動が小さいため、加振する位置と振動を測定する位置とが近いと、ノイズの影響を受けやすい。このため、加振装置20と振動測定装置21とを繋ぐ牽引部材22の長さを変え、それぞれを振動の節の位置に配置し、加振および振動測定を行うことができる。

0040

情報処理装置23は、測定結果として、加速度波形を受信するが、この加速度波形は、複雑な波形である。この複雑な波形は、周波数が異なる単調正弦波に分解し、各周波数がどのくらい含まれているかを評価し、最も多いピーク周波数を、ケーブル12の固有振動数として抽出することができる。この固有振動数を求めるために、高速フーリエ変換FFTを用いることができる。

0041

ケーブル12の張力は、求めた固有振動数から既知の実用算定式やカーブフィッティング法を使用して算出することができる。実用算定式の詳細については、頭井洋、新家徹、濱崎義弘、「振動法によるケーブル張力実用算定式の補正」、土木学会論文集No.525/I-33, pp.351-354, 1995.10を参照されたい。カーブフィッティング法の詳細については、山極伊知郎、宇津野秀夫、井謙一、本田祐嗣、「ケーブル張力と曲げ剛性同時推定法」、神戸製鋼技報/Vol.49, No.2, pp.12-15, 1999.9を参照されたい。

0042

例えば、カーブフィッティング法について簡単に説明すると、ケーブル12のような軸力の作用する一次元部材の撓みに関する運動方程式を、境界条件を基に振動数方程式展開して解くと、以下の関係式を得ることができる。

0043

0044

0045

0046

上記式1は、ケーブル12の定着構造が、両端単純支持の境界条件の場合の関係式で、上記式2は、両端完全固定の境界条件の場合の関係式である。上記式1〜式3中、Tはケーブル12の張力(kN)、EIはケーブル12の曲げ剛性(kN・m2)、fnはn次の固有振動数(Hz)、nはモードの次数を表す。また、ρはケーブル12の密度(kg/m3)、Aはケーブル12の断面積(m2)、Lはケーブル12の長さ(m)、ωは角固有振動数(rad/s)を表す。

0047

高速フーリエ変換FFTにより算出された固有振動数と、測定したモードの次数との関係は、各算出した点を滑らかに繋ぎ、近似曲線を求めることができる。この近似曲線を求める手法はカーブフィッティングと呼ばれる。このカーブフィッティングにより、上記式1や式2の曲げ剛性項と張力項の係数を算出することができ、その係数から、張力Tと曲げ剛性EIを算出することができる。

0048

ただし、境界条件が両端固定の場合は、上記式2に示すように、曲げ剛性EIと張力Tの関数であるφ/πの項が含まれることから、収束計算を行う必要がある。

0049

以上のようにして、張力Tおよび曲げ剛性EIを算出し、初期値と比較し、変動があるかどうかを判定し、変動がある場合にはどの程度変動しているかを求めることができる。そして、その変動量に応じて、対策の有無を判定することができる。

0050

図1に示す振動測定システムを使用したケーブル12の振動測定の流れを、図6を参照して説明し、測定結果から張力を算出する処理の流れを、図7を参照して説明する。振動測定は、ステップ600から開始し、ステップ605で、測定対象のケーブル12に振動測定装置21および加振装置20を取り付け、振動測定装置21と加振装置20とをロープ等の牽引部材により連結する。牽引部材は、加振装置20の振動が振動測定装置21に直接伝達しない容易に変形する部材、可撓性を有する部材であることが好ましい。

0051

振動測定装置21および加振装置20はそれぞれ、2つに分離可能とされ、分離された2つを繋ぎ合わせることで、フレーム部材30、50内にケーブル12を通し、支持手段31、51によりケーブル12に支持させることができる。

0052

ステップ610では、振動測定装置21を、ケーブル12の長さ方向に移動させ、振動測定装置21に牽引されて、所定の位置に加振装置20を移動させる。一次モードの固有振動数を測定する場合は、ケーブル12の中央位置に加振装置20を移動させる。振動測定装置21は、支点ローラによってケーブル12の周囲を四方から挟み込むことで、傾斜するケーブル12を滑り落ちないように支持するとともに、支点ローラを回転させ、フレーム部材50を前進させることにより所望の位置に移動させる。

0053

ステップ615では、加振装置20によりケーブル12に振動を与えて、ケーブル12を加振する。ステップ620では、振動測定装置21によりケーブル12の振動を測定し、ステップ625では、情報処理装置23にその測定結果を送信する。ステップ630では、測定を終了するかを判断する。一次モードでは1つの点のみの測定であるため、これで測定を終了する。二次以上のモードでは2以上の点で測定する必要があるため、ステップ610へ戻り、次の点へ各装置を移動させる。そして、測定すべき点に移動させ、すべて測定したところで、ステップ635へ進み、測定を終了する。このようにして、複数の点に移動させ、加振し、測定を行うことができるので、振動測定を短時間で行うことができる。

0054

張力算出処理は、ステップ700から開始し、ステップ705では、測定結果を受信し、取得する。測定結果は、加速度波形である。ステップ710では、高速フーリエ変換FFTにより、いくつかの周波数、振幅をもつ正弦波に分解し、それを周波数に対する振幅として表したスペクトル波形においてピークとして現れる周波数(ピーク周波数)を固有振動数として抽出する。

0055

ステップ715では、各次元のモードにつき抽出した固有振動数のカーブフィッティングにより、曲げ剛性項と張力項の係数を算出する。ステップ720では、上記式1と算出した係数を用いて、曲げ剛性と張力の初期値を算出する。また、ステップ725において、上記式3を用いて、φの初期値を算出する。

0056

ステップ730では、算出したφを、上記式2の(n-φ/π)の項に代入し、カーブフィッティングにより、曲げ剛性と張力を算出する。ステップ735では、曲げ剛性と張力の収束判定を行う。例えば、先に算出した値からの変化量が十分に小さくなったかどうかにより、収束したかどうかを判定することができる。具体的には、閾値を設け、変化量がその閾値より小さくなったかどうかにより、収束したかを判定することができる。ステップ735で収束していないと判定した場合、ステップ725に戻り、収束したと判定した場合、ステップ740へ進む。

0057

ステップ740では、曲げ剛性と張力を、算出した値として同定し、ステップ745で、設計張力等と比較し、変動の有無等を判定し、張力を評価し、ステップ750でこの処理を終了する。変動がなければ、架設時と同じ状態であるため、特に補修等の対策をとる必要がない。これに対し、変動がある場合、どの程度変動しているかを求める。その変動量に応じて、補修を行う等の対応をとることができる。

0058

振動測定装置21は、図4に示す構成に限られるものではなく、例えば、図8に示すような構成とすることもできる。図8(a)は、ケーブル12の長さ方向に垂直な方向から見た側面図で、図8(b)は、ケーブル12の長さ方向に向けて見た正面図である。振動測定装置21は、図4と同様、フレーム部材50、支持手段51、駆動手段であるモータ52、振動測定手段53を備える。図8に示す例では、支持手段51が、第1の支持手段51aと、第2の支持手段51bとから構成されている。第1の支持手段51aは、上側のフレーム部材50の両端に2つずつの計4つ設けられ、駆動ローラ54と、駆動ローラ54を回転駆動させるモータ52と、駆動ローラ54およびモータ52を支持する支持部材55とから構成されている。

0059

第2の支持手段51bは、下側のフレーム部材50の両端に1つずつの計2つ設けられ、従動ローラ56と、従動ローラ56を支持する支持部材57と、スライド移動付勢機構58とから構成されている。支持部材57は、スライド移動付勢機構58を介して、下側のフレーム部材50に取り付けられている。

0060

スライド移動付勢機構58は、付勢手段として、例えばバネを有し、支持部材57を上下に移動させることを可能にし、また、支持部材57上の従動ローラ56を、上部のケーブル12に向けて押し付け、上側の駆動ローラ54とともに挟み込む形で、ケーブル12に振動測定装置21を支持させることが可能となっている。このスライド移動付勢機構58を備えることで、ケーブル12の接地圧向上に貢献し、第1の支持手段51aの駆動力を向上させることができる。

0061

また、振動測定手段53が、2つの第2の支持手段51bのうちの一方の支持部材57に取り付けられ、ケーブル12の外表面に当接する当接部材と、当接部材と一体に設けられた振動検出器と、当接部材をケーブル12に対し、当接、非当接の状態を切り替え切替手段とを含んで構成されている。

0062

図9を参照して、振動測定手段53について詳細に説明する。振動測定手段53は、当接部材としてのブレーキパッド60と、振動検出器としての振動センサ61と、バネ62と、リンクプレート63と、切替手段としての切替モータ64と、クランク部65と、リンク66〜68とを含んで構成される。

0063

ブレーキパッド60は、ケーブル12の振動を測定する際、ケーブル12に当接し、振動測定装置21が動かないように固定するための部材である。振動センサ61は、加速度計等の振動を測定するためのセンサで、ブレーキパッド60と一体に取り付けられている。

0064

ブレーキパッド60は、バネ62を介してリンクプレート63に取り付けられ、上下方向への移動を可能にするとともに、バネ62によりケーブル12に向けて押し付けた状態で維持することも可能になっている。ブレーキパッド60は、ケーブル12の長さ方向に対して垂直方向に延びる軸と、その軸の両端に拡径したヘッド部60aとを備え、軸が、リンクプレート63に設けられた長穴63aを挿通している。このため、ブレーキパッド60は、上下方向への移動に制限はあるが、移動を可能にし、また、当該垂直方向への移動もわずかではあるが、可能になっている。

0065

リンクプレート63は、平行に配置されたリンク67、68を介して支持部材57と接続され、リンク67、68が揺動することにより、リンクプレート63が支持部材57に対して平行、すなわち上下方向に動くことができるように構成されている。リンク67は、リンク66を介して切替モータ64の駆動軸に取り付けられたクランク部65と接続され、切替手段としての切替モータ64が回転することにより、クランク部65とリンク66により、リンク67が揺動するように構成されている。

0066

切替モータ64の回転を制御することで、リンクプレート63を上下動させることができ、振動センサ61が一体に取り付けられたブレーキパッド60を、図9(b)に示すケーブル12に押し当てた状態(当接状態)と、図9(a)に示すケーブル12から離間した状態(非当接状態)とに切り替えることができる。

0067

このようにブレーキパッド60を当接状態と非当接状態に切り替える構成を採用することで、ケーブル12の径の大小によらず、ブレーキパッド60がケーブル12の表面と接触することを防止して、振動測定装置21を移動させることができる。また、ブレーキパッド60をケーブル12の表面に押し当て、測定位置で確実に振動測定装置21をケーブル12に固定することができる。

0068

また、ブレーキパッド60が、リンクプレート63からバネ62を介して支持され、上記の垂直方向にも多少の移動が可能なような隙間が設けられるため、振動測定装置21がケーブル12の周方向に振動しても、その振動がブレーキパッド60と一体に取り付けられた振動センサ61に伝達しない。このため、ノイズの少ない正確な振動測定が可能となる。

0069

さらに、ブレーキパッド60をケーブル12に押し当てることにより、振動測定装置21をその位置に停止させ、固定することができるので、測定時にモータ52に電圧を印加してトルクを発生させる必要がなく、その分の消費電力を削減することができる。

0070

このような構成の振動測定装置21と上記の加振装置20とを組み合わせた振動測定システムを用いることで、ケーブル12の任意の位置で、効率的な振動特性の調査が可能となる。

0071

振動測定装置21は、ブレーキパッド60が接する部分の劣化等を確認するための、図10に示すような撮像手段70を備えることができる。ブレーキパッド60に劣化やケーブル12の表面に汚れ等があると、ブレーキがきかず、正確な振動測定を行うことができないからである。撮像手段70は、ケーブル12に平行に配置される4本の角管50aのそれぞれに、ケーブル12に対向して取り付けることができる。また、撮像手段70とともに、撮像手段70に近隣して光源71を設けることができる。なお、撮像手段70および光源71は、ケーブル12の汚れだけではなく、劣化状況等を調査する目的でも使用することができる。

0072

図10に示す例では、4つの撮像手段70と4つの光源71が設けられ、ケーブル12の周方向の略90°の範囲を1つの撮像手段70と1つの光源71を用いて撮像し、これにより、周方向全体を撮像することができる。なお、図10では、角管50aに2つの撮像手段70、光源71が隠れている。

0073

ケーブル12の任意の長さ方向の位置で周方向全体を撮像した後、一定距離移動させ、次の位置で周方向全体を撮像するという作業を繰り返すことで、ケーブル12全体を撮像し、ケーブル12の劣化状況等を調査することができる。

0074

撮像は、光源71からケーブル12の表面に向けて光を照射し、撮像手段70でその表面を撮像することにより実施することができる。

0075

光源71としては、電球蛍光灯LED(Light Emitting Diode)ライト等を用いることができる。なお、光源71は、低消費電力、長寿命、小型という点で、LEDライトが好ましい。光源71は、フレーム部材50が4枚の板により形成される場合は必須のものであるが、角管30aおよび三方向ジョイント30bを用いて形成されるものの場合、外部からの光でその外表面の様子は分かるので省略してもよい。しかしながら、明るい方がその様子がはっきり分かることから、光源71を備えるほうが望ましい。

0076

撮像手段70としては、フォトダイオードを用いるCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサが搭載されたカメラを用いることができる。撮像手段70は、撮像した画像を記録するための記憶装置と、検証装置へ有線または無線により送信するための通信I/Fを含む制御回路を備えることができる。

0077

図10では、4つの撮像手段70と4つの光源71とを備える構成を示したが、ケーブル12の周方向全体を適切に撮像することができれば、3つ以下であってもよい。また、点検の精度を高めるべく、5つ以上の撮像手段および光源を設けることも可能である。そのほか、ケーブル12の周方向へ一回転できるように、レール部材等を使用して撮像手段および光源を移動可能な構成にすることで、撮像手段および光源の数をそれぞれ1つのみとすることも可能である。

0078

このような撮像手段70を備えた振動測定装置21を用いることで、ケーブル12の外観調査を振動特性調査と同時に、かつ容易に実施することができ、作業の効率化を図ることができる。また、加振装置20を用いることで、任意の位置で、自動で加振することができるため、作業員の人数を減らすことができる。モータの回転数を操作することで、振動の周期を変えることができ、各次元のモードに応じた加振を実施することができる。また、高所作業車を使用することなく、任意の位置へ移動させることができるため、高所作業者のための作業スペースを確保する必要がなくなり、交通規制を行う必要がなくなる。

0079

これまで本発明の加振装置、振動測定システムおよび振動測定方法について図面に示した実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

0080

10…斜張橋、11…主塔、12…ケーブル、13…主桁、20…加振装置、21…振動測定装置、22…牽引部材、23…情報処理装置、30…フレーム部材、30a…角管、30b…三方向ジョイント、31…支持手段、31a…支持部材、31b…回転軸、31c…ローラ、32…振動発生手段、33…台座、40…モータ、41…回転軸、42…錘、50…フレーム部材、51…支持手段、51a…第1の支持手段、51b…第2の支持手段、52…モータ、53…振動測定手段、54…駆動ローラ、55…支持部材、56…従動ローラ、57…支持部材、58…スライド移動付勢機構、60…ブレーキパッド、60a…ヘッド部、61…振動センサ、62…バネ、63…リンクプレート、63a…長穴、64…切替モータ、65…クランク部、66〜68…リンク、70…撮像手段、71…光源

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