JP6110804B2 - Ｐｃまくらぎ劣化判定システム、ｐｃまくらぎ劣化判定方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、ＰＣまくらぎ劣化判定システム、ＰＣまくらぎ劣化判定方法およびプログラムに関する。

まくらぎは、レールを支持し、軌間を保持するとともに、レールから伝達される負荷（作用）を、まくらぎの下に敷設された道床に対して分散して伝達する機能を有している。道床の種類は幾つか存在し、特に、削石等のバラスト（Ballast）が用いられる場合が多い。また、まくらぎとして、木製のまくらぎよりも寿命の長いコンクリート製のまくらぎが多く用いられている。

列車通過時に、まくらぎには曲げモーメントによる引張力が作用する。コンクリートは圧縮力との比較において引張力に弱く、かかる引張力によりコンクリート製のまくらぎにひび割れが発生する可能性がある。
このような引張力によるひび割れに対する対策として、ＰＣ（Prestressed Concrete、プレストレストコンクリート）まくらぎが多く用いられている。ＰＣまくらぎは、コンクリート中に鋼材（鋼線または鋼棒）が埋め込まれて構成されており、鋼材によってコンクリートに圧縮力が導入されている。

このように、ＰＣまくらぎは引張力に強く、比較的寿命が長い。もっとも、ＰＣまくらぎであっても、使用や経年によって劣化する。
特に、バラスト軌道に敷設されたＰＣまくらぎの場合、列車通過時の動的な負荷によりＰＣまくらぎとバラスト粒子との間に相対運動が発生する。ＰＣまくらぎに対するバラスト粒子のすべり、転がりおよび衝突作用により、ＰＣまくらぎの底面が摩耗する。

また、車輪のフラットなど車輪の状態による要因や、レールの溶接継目ないしレール継目部などレール頭頂部の状態による要因により、車輪とレールとの間に過大な衝撃力が発生する場合がある。かかる衝撃力がＰＣまくらぎに伝達された場合、ＰＣまくらぎにひび割れが発生する可能性がある。
なお、非特許文献１では、ＰＣまくらぎの損傷状況の調査結果が示され、まくらぎの補修や機能向上についての検討が行われている。

長谷川仁志、他２名、「ＰＣまくらぎ損傷の原因と対策」、第５９回土木学会年次学術講演会講演概要集４部、２００４年、Vol.59、4-071、p.141-142

ＰＣまくらぎを適切に管理するために、点検時にＰＣまくらぎの劣化状況を把握することが重要である。しかしながら、バラスト軌道では、ＰＣまくらぎは上面が見えるだけで大半がバラストに埋まっているため、目視でＰＣまくらぎの底面のひび割れや摩耗の状況を確認することはできない。バラストをかき出せば、ＰＣまくらぎの底面を目視することは可能だが、ＰＣまくらぎの断面高さは通常１５０ミリメートル（ｍｍ）以上あり、バラストのかき出し作業には大きな労力を必要とする。
さらに、バラストに埋まっていない上面のひび割れについても、粉塵による目詰まりや汚れ、また、荷重積載時にしかひび割れが開かないといった理由から、上面のひび割れを目視で確認することは容易でない。バラストをかき出した場合のＰＣまくらぎ底面の目視確認についても同様である。

本発明は、ＰＣまくらぎの劣化状況をより容易に把握することのできるＰＣまくらぎ劣化判定システム、ＰＣまくらぎ劣化判定方法およびプログラムを提供する。

本発明の一態様によるＰＣまくらぎ劣化判定システムは、加振されたＰＣまくらぎの振動を測定する振動測定部と、振動の測定結果からたわみ３次モードの固有振動数を選択的に検出する固有振動数検出部と、前記固有振動数検出部が検出した前記たわみ３次モードの固有振動数が所定条件よりも低周波であると判定すると、前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する劣化判定部と、を具備する。
前記固有振動数検出部は、前記振動の測定結果のフーリエスペクトルのうち、たわみ３次モードの固有振動数が励起される周波数帯域として予め定められている周波数帯のデータを切り出し、切り出したデータからたわみ３次モードの固有振動数を検出するようにしてもよい。

前記劣化判定部は、複数のＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数のうち、周波数が低い側から所定割合の固有振動数を閾値として、前記固有振動数検出部が検出した前記たわみ３次モードの固有振動数が、当該閾値よりも低周波であると判定すると、判定対象の前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定するようにしてもよい。

前記劣化判定部は、健全なＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数に基づいて設定された閾値よりも、前記固有振動数検出部が検出した前記たわみ３次モードの固有振動数が低周波であると判定すると、判定対象の前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定するようにしてもよい。
前記ＰＣまくらぎの劣化判定結果を表示する表示部をさらに具備し、複数の前記閾値が設定されており、前記劣化判定部が、前記固有振動数検出部が検出した前記たわみ３次モードの固有振動数が、複数の前記閾値のいずれかよりも低周波であると判定した場合、前記表示部は、その閾値に応じたアラームを表示するようにしてもよい。

前記振動測定部の振動測定用センサは、粘着性のある油脂を用いて判定対象の前記ＰＣまくらぎに設置されるようにしてもよい。

本発明の他の一態様によるＰＣまくらぎ劣化判定方法は、加振されたＰＣまくらぎの振動を測定する振動測定ステップと、振動の測定結果からたわみ３次モードの固有振動数を選択的に検出する固有振動数検出ステップと、前記固有振動数検出ステップにて検出された前記たわみ３次モードの固有振動数が所定条件よりも低周波であると判定すると、前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する劣化判定ステップと、を有する。

本発明の他の一態様によるプログラムは、ＰＣまくらぎの劣化を判定するコンピュータに、ＰＣまくらぎの振動の測定結果からたわみ３次モードの固有振動数を選択的に検出する固有振動数検出ステップと、前記固有振動数検出ステップにて検出された前記たわみ３次モードの固有振動数が所定条件よりも低周波であると判定すると、前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する劣化判定ステップと、を実行させるためのプログラムである。

本発明によれば、ＰＣまくらぎの劣化状況をより容易に把握することができる。

本発明の一実施形態におけるＰＣまくらぎ劣化判定システムの機能構成を示す概略ブロック図である。 同実施形態におけるＰＣまくらぎ劣化判定システム１の外形の例を示す概略外形図である。 同実施形態におけるインパルスハンマ２１０による加振位置および加速度センサ２２０の設置位置を、ＰＣまくらぎを上から見た図において示す説明図である。 同実施形態におけるインパルスハンマ２１０による加振位置および加速度センサ２２０の設置位置を、ＰＣまくらぎを横から見た図において示す説明図である。 ＰＣまくらぎの劣化による固有振動数の変化の例を示すグラフである。 たわみ３次モード固有振動による、ＰＣまくらぎの各位置での振動の大きさの例を示す説明図である。 バラスト道床や路盤の支持力の変化による固有振動数の変化の例を示すグラフである。 ＰＣまくらぎに対する両端支持力の変化による固有振動数の変化の例を示すグラフである。 同実施形態における加速度センサ２２０の設置位置を示す説明図である。 同実施形態において、ＰＣまくらぎ中央（領域Ａ３１）の上面に加速度センサ２２０を設置した場合に、加速度センサ２２０が測定する加速度の周波数分布の例を示す説明図である。 同実施形態において、レール直下（領域Ａ３２）のＰＣまくらぎ上面に加速度センサ２２０を設置した場合に、加速度センサ２２０が測定する加速度の周波数分布の例を示す説明図である。 同実施形態において、ＰＣまくらぎ端部（領域Ａ３２）の上面に加速度センサ２２０を設置した場合に、加速度センサ２２０が測定する加速度の周波数分布の例を示す説明図である。 同実施形態におけるＰＣまくらぎ劣化判定システム１が行う処理の手順の例を示すフローチャートである。 同実施形態における固有振動数検出部１９１がたわみ３次固有振動数を検出する処理手順の例を示すフローチャートである。 同実施形態における劣化判定部１９２がＰＣまくらぎの劣化判定を行う処理手順の第１の例を示す説明図である。 同実施形態における劣化判定部１９２がＰＣまくらぎの劣化判定を行う処理手順の第２の例を示す説明図である。 プレテンションＰＣまくらぎのたわみ３次モード固有振動数の例を示すグラフである。 図１７から検出されるたわみ３次モード固有振動数を示すグラフである。 図１８に示される固有振動数を相対化した値を示すグラフである。 ポストテンションＰＣまくらぎのたわみ３次モード固有振動数の例を示すグラフである。 図２０から検出されるたわみ３次モード固有振動数を示すグラフである。 図２１に示される固有振動数を相対化した値を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の一実施形態におけるＰＣまくらぎ劣化判定システムの機能構成を示す概略ブロック図である。同図において、ＰＣまくらぎ劣化判定システム１は、収録・診断器１００と、振動測定部２００とを具備する。収録・診断器１００は、表示部１１０と、記憶部１８０と、制御部１９０とを具備する。制御部１９０は、固有振動数検出部１９１と、劣化判定部１９２とを具備する。振動測定部２００は、インパルスハンマ２１０と、加速度センサ２２０とを具備する。

振動測定部２００は、加振されたＰＣまくらぎ（枕木）の振動を測定する。
インパルスハンマ２１０は、ＰＣまくらぎを加振する。さらに、インパルスハンマ２１０は、加速度センサを有し、加振力を収録・診断器１００へ送信する。
加速度センサ２２０は、インパルスハンマ２１０によって加振されたＰＣまくらぎの振動を測定する。加速度センサ２２０は、例えば加速度センサを用いて構成され、加速度（加振力に対する加速度応答）の測定データを収録・診断器１００へ送信する。また、後述するように、粘着性のある油脂を用いて、加速度センサ２２０を判定対象のＰＣまくらぎに設置することができる。

収録・診断器１００は、ＰＣまくらぎのたわみ３次固有振動数を検出して当該ＰＣまくらぎの劣化判定を行う。ここでいう劣化判定は、劣化の有無の判定である。さらに、収録・診断器１００が、ＰＣまくらぎの劣化の程度を判定するようにしてもよい。
収録・診断器１００は、例えばタブレットＰＣ（Tablet Personal Computer）などのコンピュータを用いて構成される。特に、携帯型のコンピュータを用いて収録・診断器１００を構成することで、線路の保守点検作業員が、現場で収録・診断器１００を用いて容易にまくらぎの点検を行うことができる。

表示部１１０は、例えば液晶パネルなどの表示画面を有し、各種画像を表示する。特に、表示部１１０は、ＰＣまくらぎの劣化判定結果を表示する。
記憶部１８０は、収録・診断器１００の有する記憶デバイスを用いて構成され、各種データを記憶する。特に、記憶部１８０は、振動測定部２００によるＰＣまくらぎの振動測定データや、劣化判定の基準となる閾値を記憶する。

制御部１９０は、収録・診断器１００の各部を制御して各種機能を実行する。制御部１９０は、例えば収録・診断器１００の有するＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置）が、記憶部１８０からプログラムを読み出して実行することで実現される。
固有振動数検出部１９１は、振動測定部２００による振動の測定結果からたわみ３次モードの固有振動数を検出する。

劣化判定部１９２は、固有振動数検出部１９１が検出したたわみ３次モードの固有振動数が所定条件よりも低周波か否かに基づいて、ＰＣまくらぎが劣化しているか否かを判定する。より具体的には、劣化判定部１９２は、当該固有振動数が所定条件よりも低周波であると判定すると、ＰＣまくらぎが劣化していると判定する。
例えば、劣化判定部１９２は、複数のＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数のうち、周波数が低い側から所定割合（例えば５パーセント（％））の固有振動数を閾値として判定を行う。劣化判定部１９２は、固有振動数検出部１９１が検出したたわみ３次モードの固有振動数が、当該閾値よりも低周波であると判定すると、判定対象のＰＣまくらぎが劣化していると判定する。

図２は、ＰＣまくらぎ劣化判定システム１の外形の例を示す概略外形図である。同図において、収録・診断器１００と、インパルスハンマ２１０と、加速度センサ２２０とが示されている。インパルスハンマ２１０と収録・診断器１００と、および、加速度センサ２２０と収録・診断器１００とは、それぞれＢＮＣ同軸ケーブルなどの信号線で接続されている。
加速度センサ２２０は、ＰＣまくらぎの振動データとして加速度の測定データを収録・診断器１００へ送信する。
インパルスハンマ２１０は、加振力のデータとして加速度の測定データを収録・診断器１００へ送信する。

加速度センサ２２０の測定する加速度と、インパルスハンマ２１０の測定する加振力とに基づいて、収録・診断器１００の固有振動数検出部１９１が、加速度のフーリエスペクトルを加振力で除算したアクセレランス（Accelerance）を算出し、得られたアクセレランスからたわみ３次モードの固有振動数を検出する。
なお、固有振動数検出部１９１がアクセレランスに変えて加速度のフーリエスペクトルからたわみ３次モードの固有振動数を検出するようにしてもよい。この場合、インパルスハンマ２１０は加振力を測定する必要がなく、したがって、加速度センサを有していなくてもよい。
なお、インパルスハンマ２１０と収録・診断器１００と、および／または、加速度センサ２２０と収録・診断器１００とが、無線通信を行うようにしてもよい。

次に、図３および図４を参照して、インパルスハンマ２１０による加振位値および加速度センサ２２０の設置位置の例について説明する。
図３は、インパルスハンマ２１０による加振位置および加速度センサ２２０の設置位置を、ＰＣまくらぎを上から見た図において示す説明図である。同図の例において、加速度センサ２２０は、レールより外側かつレールの近傍に設けられている。また、インパルスハンマ２１０は、加速度センサ２２０の設置位置と反対側のレールより外側かつレールの近傍にてＰＣまくらぎに加振する。

図４は、インパルスハンマ２１０による加振位置および加速度センサ２２０の設置位置を、ＰＣまくらぎを横から見た図において示す説明図である。図４では、図３を参照して説明した位置が別の角度から示されている。図３を参照して説明したように、加速度センサ２２０は、レールより外側かつレールの近傍に設けられている。また、インパルスハンマ２１０は、加速度センサ２２０の設置位置と反対側のレールより外側かつレールの近傍にてＰＣまくらぎに加振する。
但し、インパルスハンマ２１０による加振位置や加速度センサ２２０の設置位置は、図３および図４に示す位置に限らない。特に、後述するように、加速度センサ２２０の設置位置は、ＰＣまくらぎの中央付近とすることもできるし、ＰＣまくらぎの端付近とすることもできる。

次に、図５〜図８を参照して、固有振動数検出部１９１が検出するたわみ３次モードの固有振動数について説明する。
図５は、ＰＣまくらぎの劣化による固有振動数の変化の例を示すグラフである。同図の横軸は曲げ剛性を示し、縦軸は固有振動数を示す。図５では、剛体としての上下、剛体としての回転、たわみ１次モード〜たわみ５次モードの各固有振動数の変動率が、曲げ剛性が１（基準値）の場合の固有振動数を１として示されている。
なお、弾性係数（ヤング率）をＥとし、断面２次モーメントをＩとして、曲げ剛性はＥＩで示される。

図５に示す各固有振動数のうち、たわみ２次モード〜たわみ５次モードの固有振動数が、曲げ剛性の変化に応じて大きく変化している。従って、ＰＣまくらぎにひび割れや摩耗等の劣化が生じた際に、たわみ２次モード〜たわみ５次モードの固有振動数のいずれかを測定することで、劣化による曲げ剛性の変化を検出することが考えられる。

図６は、たわみ３次モード固有振動による、ＰＣまくらぎの各位置での振動の大きさの例を示す説明図である。
同図において、線Ｌ１１は、たわみ３次モード固有振動の波形の例を示す説明図である。線Ｌ１１にて示されるように、ＰＣまくらぎのレール部（レールが敷設される位置）付近や中央付近は、たわみ３次モード固有振動における腹の位置となる。

また、領域Ａ１１およびＡ１２は、ひび割れが発生し易い領域である。
領域Ａ１１は、レール部底面の領域であり、領域Ａ１２は、中央上面の領域である。レール上を鉄道車両が通過することで、レール部に負荷がかかる。これにより、領域Ａ１１が上向き（下に凸）にたわみ、正曲げ（下に凸の曲げ）によるひび割れが発生する可能性がある。

また、左右両方の領域Ａ１１が上向きにたわむことで、その真ん中に位置する領域Ａ１２が下向き（上に凸）にたわみ、負曲げ（上に凸の曲げ）によるひび割れが発生する可能性がある。
振動波形の腹付近にひび割れ等の変形が生じることで、当該振動の周波数が変化することが考えられる。この点において、３次モード固有振動数は、レールを鉄道車両が通過することによるＰＣまくらぎの劣化の検出に適していると考えられる。

図７は、バラスト道床や路盤の支持力の変化による固有振動数の変化の例を示すグラフである。同図の横軸はバラスト道床および路盤によるＰＣまくらぎに対する支持力を示す。縦軸は、固有振動数を示す。図７では、剛体としての上下、剛体としての回転、たわみ１次モード〜たわみ５次モードの各固有振動数の変動率が、支持力が１（基準値）の場合の固有振動数を１として示されている。
また、領域Ａ２１は、バラスト道床および路盤によるＰＣまくらぎに対する支持力として通常想定される範囲を示す。

図７において、たわみ３次モード固有振動数の変動は、領域Ａ２１の範囲において−０．９パーセント〜１．５パーセントとなっている。このように、バラスト道床および路盤によるＰＣまくらぎに対する支持力の変動が、たわみ３次モード固有振動数の変動に及ぼす影響は小さい。従って、劣化判定部１９２が、たわみ３次モード固有振動数を用いて劣化判定を行うことで、バラスト道床および路盤によるＰＣまくらぎに対する支持力の変動をＰＣまくらぎの劣化と誤判定してしまう可能性を低くすることができる。

図８は、ＰＣまくらぎに対する両端支持力の変化による固有振動数の変化の例を示すグラフである。同図の横軸はＰＣまくらぎに対する両端支持力を示す。縦軸は、固有振動数を示す。図８では、剛体としての上下、剛体としての回転、たわみ１次モード〜たわみ５次モードの各固有振動数の変動率が、ＰＣまくらぎに対する両端支持力が１（基準値）の場合の固有振動数を１として示されている。

同図に示すように、ＰＣまくらぎに対する両端支持力の変動が、たわみ３次モード固有振動数の変動に及ぼす影響は小さい。従って、劣化判定部１９２が、たわみ３次モード固有振動数を用いて劣化判定を行うことで、ＰＣまくらぎに対する両端支持力の変動をＰＣまくらぎの劣化と誤判定してしまう可能性を低くすることができる。

次に、図９〜図１２を参照して、加速度センサ２２０の設置方法について説明する。
図９は、加速度センサ２２０の設置位置を示す説明図である。同図において、領域Ａ３１は、ＰＣまくらぎの中央の領域である。領域Ａ３２は、レール直下の領域である。領域Ａ３３は、ＰＣまくらぎの端（支持直上）の領域である。
以下、領域Ａ３１、Ａ３２、Ａ３３の各々について、シリコングリス、エポキシ系接着剤、エポキシ系接着剤＋絶縁板、養生テープ＋エポキシ系接着剤＋絶縁板のそれぞれで加速度センサ２２０を設置した場合の測定状況を示す。

図１０は、ＰＣまくらぎ中央（領域Ａ３１）の上面に加速度センサ２２０を設置した場合に、加速度センサ２２０が測定する加速度の周波数分布の例を示す説明図である。同図の横軸は周波数を示し、縦軸は加速度を示す。
同図において、シリコングリス、エポキシ系接着剤、エポキシ系接着剤＋絶縁板、養生テープ＋エポキシ系接着剤＋絶縁板のいずれを用いて加速度センサ２２０を設置した場合も、同様の波形となっている。特に、６００ヘルツ（Ｈｚ）から１０００ヘルツまでの範囲におけるピークの周波数は、いずれの場合も同じである。このピークの周波数は、たわみ３次モード固有振動数におけるピークである。従って、上記のいずれを用いて加速度センサ２２０を設置しても同様に、固有振動数検出部１９１は、たわみ３次モード固有振動数を検出し得る。

図１１は、レール直下（領域Ａ３２）のＰＣまくらぎ上面に加速度センサ２２０を設置した場合に、加速度センサ２２０が測定する加速度の周波数分布の例を示す説明図である。同図の横軸は周波数を示し、縦軸は加速度を示す。
同図において、シリコングリス、エポキシ系接着剤、エポキシ系接着剤＋絶縁板、養生テープ＋エポキシ系接着剤＋絶縁板のいずれを用いて加速度センサ２２０を設置した場合も、同様の波形となっている。特に、６００ヘルツ（Ｈｚ）から１０００ヘルツまでの範囲におけるピークの周波数は、いずれの場合も同じである。従って、図１０の場合と同様、図１１の場合においても、上記のいずれを用いて加速度センサ２２０を設置しても同様に、固有振動数検出部１９１は、たわみ３次モード固有振動数を検出し得る。

図１２は、ＰＣまくらぎ端部（領域Ａ３２）の上面に加速度センサ２２０を設置した場合に、加速度センサ２２０が測定する加速度の周波数分布の例を示す説明図である。同図の横軸は周波数を示し、縦軸は加速度を示す。
同図において、シリコングリス、エポキシ系接着剤、エポキシ系接着剤＋絶縁板、養生テープ＋エポキシ系接着剤＋絶縁板のいずれを用いて加速度センサ２２０を設置した場合も、同様の波形となっている。特に、６００ヘルツ（Ｈｚ）から１０００ヘルツまでの範囲におけるピークの周波数は、いずれの場合も同じである。従って、図１０の場合と同様、図１２の場合においても、上記のいずれを用いて加速度センサ２２０を設置しても同様に、固有振動数検出部１９１は、たわみ３次モード固有振動数を検出し得る。

ここで、エポキシ系接着剤を用いて加速度センサ２２０を設置する場合、接着剤が固まるのを待って振動の測定を行う必要があり、測定開始までに多大な時間を要する。これに対して、シリコングリスを用いて加速度センサ２２０を設置する場合、設置後ただちに粘着性を得られ、速やかに測定可能である。また、シリコングリスを用いて加速度センサ２２０を設置した場合、加速度センサ２２０の撤去も容易に行える。このようにシリコングリスを用いて加速度センサ２２０を設置することで、エポキシ系接着剤を用いる場合よりも設置・撤去時間を大幅に短縮し得る。
また、図１０〜図１２に示すように、加速度センサ２２０をＰＣまくらぎの中央、レール下、端部のいずれに設置しても、たわみ３次モード固有振動数を検出し得る。

次に、ＰＣまくらぎ劣化判定システム１の動作について説明する。
図１３は、ＰＣまくらぎ劣化判定システム１が行う処理の手順の例を示すフローチャートである。図１３の処理において、振動測定部２００は、ＰＣまくらぎを加振して振動を測定する（ステップＳ１０１）。具体的には、ユーザ（例えば、線路保守点検作業員）が、加速度センサ２２０をＰＣまくらぎに設置した状態で、インパルスハンマ２１０を用いてＰＣまくらぎを叩く。

加速度センサ２２０の設置位置は、例えば、図３および図４を参照して説明したように、レール設置部の外部１０ミリメートル（ｍｍ）から２０ミリメートルの範囲内とする。また、加振位置は、例えば、図３および図４を参照して説明したように、加速度計と反対側のレール設置部の外側１０ミリメートルから２０ミリメートルの範囲内とする。
そして、加速度センサ２２０は、ＰＣまくらぎの振動を加速度にて測定し、測定データを収録・診断器１００へ送信する。また、インパルスハンマ２１０は加振力を収録・診断器１００へ送信する。収録・診断器１００において記憶部１８０は、加速度センサ２２０からの加速度データとインパルスハンマ２１０からの加振力データとを記憶する。

次に、固有振動数検出部１９１は、加速度センサ２２０が測定した加速度に基づいて、ＰＣまくらぎのたわみ３次固有振動数を検出する（ステップＳ１０２）。
図１４は、固有振動数検出部１９１がたわみ３次固有振動数を検出する処理手順の例を示すフローチャートである。固有振動数検出部１９１は、図１３のステップＳ１０２において、図１４の処理を行う。

図１４の処理において、固有振動数検出部１９１は、記憶部１８０の記憶しているデータから、衝撃応答が記録された一定時間分を切り出す（ステップＳ２０１）。例えば、固有振動数検出部１９１は、インパルスハンマ２１０が測定した加振力が振幅最大を記録した時間から０．２秒間について、加速度センサ２２０が測定した加速度のデータと、インパルスハンマ２１０が測定した加振力のデータとを切り出す。
以下では、インパルスハンマ２１０が測定した加振力を単に「加振力」と称する。また、加速度センサ２２０が測定した加速度を「加速度応答」と称する。

次に、固有振動数検出部１９１は、ステップＳ２０１で切り出した加振力、加速度応答それぞれのフーリエスペクトルを算出する（ステップＳ２０２）。そして、固有振動数検出部１９１は、加速度応答のフーリエスペクトルを加振力のフーリエスペクトルで除算することで、アクセレランスを求める（ステップＳ２０３）。
さらに、固有振動数検出部１９１は、得られたアクセレランスのうち、ＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数が励起される周波数帯域を切り出す（ステップＳ２０４）。具体的には、固有振動数検出部１９１は、アクセレランスのうち６００ヘルツから１０００ヘルツまでの範囲のデータを切り出す。

そして、固有振動数検出部１９１は、切り出したアクセレランスのデータの無次元化を行う（ステップＳ２０５）。具体的には、固有振動数検出部１９１は、切り出したデータを当該データの最大値で除算する基準化を行う。
そして、固有振動数検出部１９１は、アクセレランスが１（最大値）となる振動数（周波数）をたわみ３次モードの固有振動数として検出する（ステップＳ２０６）。
その後、図１４の処理を終了して図１３に戻る。

なお、固有振動数検出部１９１が、アクセレランスに代えて、加速度応答のフーリエスペクトルからたわみ３次モードの固有振動数を検出するようにしてもよい。この場合、ステップＳ２０１やＳ２０２における加振力に対する処理、および、ステップＳ２０３の処理は不要である。また、ステップＳ２０４〜Ｓ２０６において、「アクセレランス」を「加速度応答のフーリエスペクトル」と読み替える。

図１３に戻って、ステップＳ１０２の後、固有振動数検出部１９１は、ステップＳ１０１およびＳ１０２の処理を所定回数繰り返したか否かを判定する（ステップＳ１０３）。例えば、固有振動数検出部１９１は、ステップＳ１０１およびＳ１０２の処理を３回実行したか否かを判定する。
ステップＳ１０１およびＳ１０２の処理の所定回数繰り返しが完了していないと判定した場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、ステップＳ１０１へ戻って繰り返しを実行する。

一方、繰り返しが完了したと判定した場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、固有振動数検出部１９１は、繰り返しにて得られた複数の固有振動数の平均値を算出し、ＰＣまくらぎを識別するための識別情報（ＩＤ）とともに記憶部１８０に記憶させる（ステップＳ１０４）。ＰＣまくらぎの識別情報として、例えばキロ程やまくらぎ番号を用いることができる。
そして、劣化判定部１９２は、得られた固有振動数に基づいてＰＣまくらぎの劣化判定を行う（ステップＳ１０５）。

図１５は、劣化判定部１９２がＰＣまくらぎの劣化判定を行う処理手順の第１の例を示す説明図である。劣化判定部１９２は、図１３のステップＳ１０５において図１５の処理を行う。
図１５の処理において、劣化判定部１９２は、固有振動数検出部１９１が算出した平均値が所定の閾値より小さいか否かを判定する（ステップＳ３０１）。

ＰＣまくらぎの劣化診断データベースが構築されている場合、他のＰＣまくらぎの固有振動数に基づいて当該閾値を決定する。例えば、ステップＳ３０１において劣化判定部１９２は、データベース内の下位５パーセントに含まれるか否かを判定する。この５パーセントは、ＰＣまくらぎうち劣化しているものの割合が約５パーセントであるとの経験則に基づく値である。

平均値が閾値以上であると判定した場合（ステップＳ３０１：ＮＯ）、図１５の処理を終了し、図１３の処理も終了する。
一方、平均値が閾値より小さいと判定した場合（ステップＳ３０１：ＹＥＳ）、表示部１１０は、重要監視アラームを表示する（ステップＳ３０２）。ここでいう重要監視アラームは、対象となるＰＣまくらぎが劣化している可能性があり監視が必要であることを示すアラームである。
ステップＳ３０２の後、図１５の処理を終了し、図１３の処理も終了する。

なお、１つのＰＣまくらぎに限らず、一群のＰＣまくらぎを重要監視対象としてもよい。具体的には、重要監視アラームの発せられたＰＣまくらぎと同じ路線の一群のＰＣまくらぎ、または、同じ製造パッチの一群のＰＣまくらぎを重要監視対象とする。
路線を対象とする場合、地盤や通過トン数や降雨などの環境的要因の影響を把握する。また、製造パッチを対象とする場合、製造時のコンクリートの材質の影響を把握する。そして、同様のＰＣまくらぎを重要監視対象とする。
これは、過去に異常が確認されたＰＣまくらぎと同様の箇所で同様の異常が発生する可能性が比較的高いとの経験則に基づく。

ＰＣまくらぎの劣化診断データベースが構築されていない場合、劣化判定部１９２が、健全なＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数に基づいて設定された閾値を用いて判定を行うことが考えられる。この場合、劣化判定部１９２は、固有振動数検出部１９１が検出したたわみ３次モードの固有振動数が当該閾値よりも低周波であると判定すると、判定対象の前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する。

図１６は、劣化判定部１９２がＰＣまくらぎの劣化判定を行う処理手順の第２の例を示す説明図である。劣化判定部１９２は、図１３のステップＳ１０５において図１５の処理に代えて図１６の処理を行う。
図１６の処理において、劣化判定部１９２は、固有振動数検出部１９１が算出した平均値が所定の第１閾値より小さいか否かを判定する（ステップＳ４０１）。第１閾値は、例えば健全なＰＣまくらぎの固有振動数の８５パーセントに設定する。

平均値が第１閾値より小さいと判定した場合（ステップＳ４０１：ＹＥＳ）、表示部１１０は、重大な劣化発生のアラームを表示する（ステップＳ４０２）。その後、図１６の処理を終了し、図１３の処理も終了する。
重大な劣化発生のアラームは、例えばひび割れが鉄筋に達する可能性があるなど、重大な劣化が発生している可能性を示すアラームである。

一方、ステップＳ４０１において平均値が第１閾値以上であると判定した場合（ステップＳ４０１：ＮＯ）、劣化判定部１９２は、平均値が所定の第２閾値より小さいか否かを判定する（ステップＳ４０３）。第２閾値は、第１閾値より大きい閾値であり、例えば健全なＰＣまくらぎの固有振動数の９５パーセントに設定する。

平均値が第２閾値より小さいと判定した場合（ステップＳ４０３：ＹＥＳ）、表示部１１０は、劣化発生のアラームを表示する（ステップＳ４０４）。劣化発生のアラームは、重大な劣化発生のアラームよりは軽微な劣化が発生している可能性を示すアラームである。
ステップＳ４０４の後、図１６の処理を終了し、図１３の処理も終了する。
一方、ステップＳ４０３において平均値が第２閾値以上であると判定した場合（ステップＳ４０３：ＮＯ）、図１６の処理を終了し、図１３の処理も終了する。
なお、軌道の定期徒歩巡回点検終了時に、当該巡回点検で記録した全てのＰＣまくらぎの固有振動数の平均値を降順にソートし、劣化状態のランキングとしてアウトプットするようにしてもよい。

以上のように、振動測定部２００は、加振されたＰＣまくらぎの振動を測定する。そして、固有振動数検出部１９１は、振動の測定結果からたわみ３次モードの固有振動数を検出する。そして、劣化判定部１９２は、固有振動数検出部１９１が検出したたわみ３次モードの固有振動数が所定条件よりも低周波であると判定すると、判定対象のＰＣまくらぎが劣化していると判定する。
これにより、ＰＣまくらぎ劣化判定システム１では、目視点検に頼らずにＰＣまくらぎの劣化判定を行うことができ、この点において、ＰＣまくらぎの劣化状況をより容易に把握することができる。

また、劣化判定部１９２は、複数のＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数のうち、周波数が低い側から所定割合の固有振動数を閾値として、固有振動数検出部１９１が検出したたわみ３次モードの固有振動数が、当該閾値よりも低周波であると判定すると、判定対象のＰＣまくらぎが劣化していると判定する。
これにより、ＰＣまくらぎ劣化判定システム１では、劣化しているＰＣまくらぎの割合に応じた閾値を用いて劣化判定を行うなど、ＰＣまくらぎの保守点検における実績に応じた閾値を用いることができる。これにより、より正確にＰＣまくらぎの劣化判定を行うことができる。

また、劣化判定部１９２は、健全なＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数に基づいて設定された閾値よりも、固有振動数検出部１９１が検出したたわみ３次モードの固有振動数が低周波であると判定すると、判定対象のＰＣまくらぎが劣化していると判定する。
これにより、ＰＣまくらぎ劣化判定システム１では、ユーザは、健全なＰＣまくらぎを基準として比較的容易に閾値を設定することができる。

また、振動測定部２００の振動測定用センサは、粘着性のある油脂を用いて判定対象のＰＣまくらぎに設置される。
これにより、ＰＣまくらぎ劣化判定システム１では、加速度センサ２２０の設置後速やかにＰＣまくらぎの劣化判定を行うことができる。また、加速度センサ２２０を速やかに撤去することができる。

次に図１７〜図２２を参照して、本実施形態の方法によるＰＣまくらぎの劣化診断の例について説明する。
図１７は、プレテンションＰＣまくらぎのたわみ３次モード固有振動数の例を示すグラフである。同図の横軸は振動数（周波数）を示し、縦軸はアクセレランスをピーク値で除算して基準化した値を示す。同図に示すまくらぎＡは、健全なまくらぎである。まくらぎＢおよびＣは、比較的浅いひび割れが入ったまくらぎである。まくらぎＤおよびＥは、比較的深いひび割れが入ったまくらぎである。まくらぎＦは、試験済みのまくらぎである。

図１８は、図１７から検出されるたわみ３次モード固有振動数を示すグラフである。図１８の縦軸は振動数を示し、まくらぎＡ〜Ｆの各々について図１７におけるピークにて示される固有振動数が示されている。
図１９は、図１８に示される固有振動数を相対化した値を示すグラフである。具体的には、図１９では、まくらぎＡ〜Ｆの各々の固有振動数を、健全なまくらぎであるまくらぎＡの固有振動数で除算した値が示されている。また、図１９では、第１閾値の例として、健全なＰＣまくらぎの８５パーセントの値、および、第２閾値の例として、健全なＰＣまくらぎの９５パーセントの値が示されている。

図１９において、健全なまくらぎであるまくらぎＡは、固有振動数の相対値が第２閾値より大きくなっている。
一方、劣化したまくらぎであるまくらぎＢ〜Ｅおよび試験済みのまくらぎであるまくらぎＦは、固有振動数の相対値が第２閾値より小さくなっており、劣化している可能性があることが示されている。

図２０は、ポストテンションＰＣまくらぎのたわみ３次モード固有振動数の例を示すグラフである。同図の横軸は振動数（周波数）を示し、縦軸はアクセレランスをピーク値で除算して基準化した値を示す。同図に示すまくらぎＡおよびＢは、健全なまくらぎである。まくらぎＣおよびＤは、比較的浅いひび割れが入ったまくらぎである。まくらぎＥおよびＦは、比較的深いひび割れが入ったまくらぎである。まくらぎＧは、試験済みのまくらぎである。

図２１は、図２０から検出されるたわみ３次モード固有振動数を示すグラフである。図２１の縦軸は振動数を示し、まくらぎＡ〜Ｇの各々について図２０におけるピークにて示される固有振動数が示されている。
図２２は、図２１に示される固有振動数を相対化した値を示すグラフである。具体的には、図２２では、まくらぎＡ〜Ｇの各々の固有振動数を、健全なまくらぎであるまくらぎＡの固有振動数で除算した値が示されている。また、図２２では、第１閾値の例として、健全なＰＣまくらぎの８５パーセントの値、および、第２閾値の例として、健全なＰＣまくらぎの９５パーセントの値が示されている。

図２２において、健全なまくらぎであるまくらぎＡおよびＢは、固有振動数の相対値が第２閾値より大きくなっている。
一方、劣化したまくらぎのうちまくらぎＤ〜Ｆおよび試験済みのまくらぎであるまくらぎＧは、固有振動数の相対値が第２閾値より小さくなっており、劣化している可能性があることが示されている。
さらに、まくらぎＦおよびＧは、固有振動数の相対値が第１閾値より小さくなっており、重大な劣化が発生している可能性があることが示されている。

なお、制御部１９０の全部または一部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１ ＰＣまくらぎ劣化判定システム
１００ 収録・診断器
１１０ 表示部
１８０ 記憶部
１９０ 制御部
１９１ 固有振動数検出部
１９２ 劣化判定部
２００ 振動測定部
２１０ インパルスハンマ
２２０ 加速度センサ

Claims (8)

1. 加振されたＰＣまくらぎの振動を測定する振動測定部と、
   振動の測定結果からたわみ３次モードの固有振動数を選択的に検出する固有振動数検出部と、
   前記固有振動数検出部が検出した前記たわみ３次モードの固有振動数が所定条件よりも低周波であると判定すると、前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する劣化判定部と、
   を具備するＰＣまくらぎ劣化判定システム。
2. 前記固有振動数検出部は、前記振動の測定結果のフーリエスペクトルのうち、たわみ３次モードの固有振動数が励起される周波数帯域として予め定められている周波数帯のデータを切り出し、切り出したデータからたわみ３次モードの固有振動数を検出する、請求項１に記載のＰＣまくらぎ劣化判定システム。
3. 前記劣化判定部は、複数のＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数のうち、周波数が低い側から所定割合の固有振動数を閾値として、前記固有振動数検出部が検出した前記たわみ３次モードの固有振動数が、当該閾値よりも低周波であると判定すると、判定対象の前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する、請求項１または請求項２に記載のＰＣまくらぎ劣化判定システム。
4. 前記劣化判定部は、健全なＰＣまくらぎのたわみ３次モードの固有振動数に基づいて設定された閾値よりも、前記固有振動数検出部が検出した前記たわみ３次モードの固有振動数が低周波であると判定すると、判定対象の前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する、請求項１または請求項２に記載のＰＣまくらぎ劣化判定システム。
5. 前記ＰＣまくらぎの劣化判定結果を表示する表示部をさらに具備し、
   複数の前記閾値が設定されており、
   前記劣化判定部が、前記固有振動数検出部が検出した前記たわみ３次モードの固有振動数が、複数の前記閾値のいずれかよりも低周波であると判定した場合、前記表示部は、その閾値に応じたアラームを表示する、請求項４に記載のＰＣまくらぎ劣化判定システム。
6. 前記振動測定部の振動測定用センサは、粘着性のある油脂を用いて判定対象の前記ＰＣまくらぎに設置される、請求項１から５のいずれか１項に記載のＰＣまくらぎ劣化判定システム。
7. 加振されたＰＣまくらぎの振動を測定する振動測定ステップと、
   振動の測定結果からたわみ３次モードの固有振動数を選択的に検出する固有振動数検出ステップと、
   前記固有振動数検出ステップにて検出された前記たわみ３次モードの固有振動数が所定条件よりも低周波であると判定すると、前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する劣化判定ステップと、
   を有するＰＣまくらぎ劣化判定方法。
8. ＰＣまくらぎの劣化を判定するコンピュータに、
   ＰＣまくらぎの振動の測定結果からたわみ３次モードの固有振動数を選択的に検出する固有振動数検出ステップと、
   前記固有振動数検出ステップにて検出された前記たわみ３次モードの固有振動数が所定条件よりも低周波であると判定すると、前記ＰＣまくらぎが劣化していると判定する劣化判定ステップと、
   を実行させるためのプログラム。