JP2007297777A - 吊り構造用のケーブル及び測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】斜張橋等の吊り構造物に用いられるケーブルの温度分布，張力，湿度等を，簡単な構造で精度良く測定する。
【解決手段】斜張橋等の吊り構造物において，橋桁３等を支持する吊り構造用のケーブル５と，光ファイバ２５ａが内蔵された光ファイバ内蔵線２５を有する光ファイバセンサ４０とを備えた。各ケーブル５の内部には，ケーブル本体２１の長さ方向に沿って，光ファイバセンサ４０の光ファイバ内蔵線２５を設けた。これらの光ファイバセンサ４０によって，温度，歪み又は湿度を検出する構成とした。
【選択図】図３

Description

本発明は，例えば橋梁，建物の屋根等の吊り構造物に用いられる吊り構造用のケーブル，及び，測定システムに関する。

例えば河川，海峡，道路等に架設される橋梁として，斜張橋，吊り橋等，吊り構造用のケーブルを用いたものが知られている。このような吊り構造を有する橋梁の施工時や施工後の維持管理時等においては，ケーブルの形状，長さ，張力等を適切に管理する必要がある。従来，ケーブルの形状変化，長さ，張力等を測定する方法としては，ケーブルの長さ方向における複数箇所の表面温度を測定し，測定された表面温度より，ケーブルの内部の温度分布を推定し，ケーブルの形状変化，長さ，張力等を間接的に測定する方法が提案されている（特許文献１，２参照。）。張力測定法としては，ロードセル方式，歪みゲージ測定方式，振動法測定方式等，様々なものが提案されている（特許文献３，４参照）。また，橋梁の維持管理において，水分によるケーブルの腐食を防止するため，ケーブル内の湿度を管理する方法が提案されている（特許文献５参照）。

特開平５−９８６０９号公報 特開平５−１６４６３０号公報 特開２０００−１５５０５９号公報 特開２００１−２５５２２２号公報 特開平１０−１５９０１９号公報

しかしながら，従来のケーブルの温度測定法にあっては，ケーブルの表面の温度しか測定できず，ケーブルの内部の温度を直接測定できないので，誤差が生じる懸念があった。また，ケーブルの全長に渡って連続的な温度分布を測定することが難しかった。なお，温度分布の測定精度を向上させるためには，温度センサの設置箇所，即ち測定箇所の数を増加させれば良く，また，ケーブルの全長に渡って温度を測定したい場合は，ケーブルの全長に渡って温度センサを取り付ければ良いとも考えられるが，この場合，非常に多くのセンサが必要であるため，センサの配線等が複雑になる問題があった。さらに，センサの耐候性が悪い問題があった。また，その他の張力測定法，湿度測定法においても，測定を高精度かつ効率的に行うことが難しかった。

本発明は，上記の点に鑑みてなされたものであり，ケーブルの温度分布，張力，湿度等を，簡単な構造で精度良く測定できる吊り構造用のケーブル，及び，測定システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため，本発明によれば，構造部材を支持するケーブル本体を備えた吊り構造用のケーブルであって，前記ケーブル本体の長さ方向に沿って，光ファイバを設けたことを特徴とする，吊り構造用のケーブルが提供される。

前記ケーブル本体は，複数の線材と前記光ファイバとを備えたものでも良い。また，前記複数の線材によってパラレルワイヤストランドが構成されていても良い。

前記光ファイバは，前記ケーブル本体の内部に１又は２以上設けられていても良い。前記光ファイバは，前記ケーブル本体の少なくとも中央部に沿って設けても良い。この吊り構造用のケーブルは，橋梁に用いられるものでも良い。

さらに，本発明によれば，上記のいずれかに記載の吊り構造用ケーブルに設けられる光ファイバと，前記光ファイバから出射する光を利用して所定の情報を検出する測定装置とを備えることを特徴とする，測定システムが提供される。

前記所定の情報は，前記光ファイバの温度分布，歪み分布及び／又は湿度分布であっても良い。また，前記所定の情報に基づいて，前記ケーブル本体の形状及び／又は張力を算出する演算部を備えても良い。

本発明によれば，少なくとも１本の光ファイバを用いるだけで，ケーブルの複数箇所の温度，張力，湿度等の情報を，精度良く効率的に測定できる。ケーブル内部の連続的な温度分布，歪み分布，湿度分布等を，ケーブル全長に渡って測定できる。構造が簡単であり，耐久性が良い。光ファイバセンサの付け替え等を行う必要が無いので，メンテナンスに要する労力や費用を削減できる。

以下，本発明にかかる実施形態を，吊り構造物の一例である橋梁としての斜張橋に用いられるケーブルに基づいて説明する。図１及び図２は，斜張橋の一例を示している。図１及び図２に例示した斜張橋１は，河川の両岸の間（河川の幅方向）において所定の間隔を空けて立設された一対のタワー２Ａ，２Ｂ，河川の両岸の間に架け渡された構造部材としての橋桁３，吊り構造用のケーブルとしての複数本のケーブル５を備えている。さらに，各ケーブル５の温度，張力，長さを測定する測定システム６を備えている。

各タワー２Ａ，２Ｂは，それぞれ２本の支柱１０，１１を備えている。支柱１０は河川の上流側（図２においては左側）に設けられ，支柱１１は河川の下流側（図２においては右側）に設けられている。橋桁３は，各タワー２Ａ，２Ｂの下部において，支柱１０と支柱１１との間に通されるようにして備えられている。ケーブル５は，各タワー２Ａ，２Ｂの支柱１０，１１と橋桁３との間に，それぞれ複数本ずつ斜めに架け渡されている。

例えばタワー２Ａの支柱１０において，ケーブル５は，支柱１０の両側（河川の両岸側）にそれぞれ複数本，例えば同じ本数ずつ設けられている。橋桁３の上方において，支柱１０の両側には，各ケーブル５の一端（上端，後述するソケット２２）が，支柱１０の高さ方向に並べて取り付けられている。また，上方に取り付けられたケーブル５ほど，支柱１０に対してより大きく外側に向かって傾斜させられ，他端（下端，後述するソケット２３）が支柱１０からより離れた位置に配置されるようになっている。各ケーブル５の下端は，橋桁３の一縁部（河川の上流側の縁部）に対して一列に並べて取り付けられている。即ち，上端が上方に取り付けられているケーブル５ほど，支柱１０から離れた部分において橋桁３を支持するように取り付けられている。こうして，支柱１０には，複数本のケーブル５が支柱１０の上部を中心として両側に向かう末広がり状に，また，支柱１０を中心としてほぼ線対称に配置されている。図３に示すように，各ケーブル５は，後述するソケット２２，２３がそれぞれ支柱１０の側縁部，橋桁３の一縁部に取り付けられ，支柱１０の側縁部と橋桁３の一縁部との間に，後述するケーブル本体２１が張られた状態で備えられている。

同様にして，タワー２Ａの支柱１１にも，複数本のケーブル５が両側に取り付けられており，各ケーブル５の他端は，橋桁３の他縁部（河川の下流側の縁部）にそれぞれ取り付けられている。さらに，タワー２Ｂの支柱１０，１１にも，タワー２Ａと同様にケーブル５がそれぞれ備えられ，各ケーブル５の他端が橋桁３の両縁部にそれぞれ取り付けられている。

橋桁３は，これら複数本のケーブル５のケーブル本体２１によって吊り下げられ，河川の上方に持ち上げられた状態で支持されている。各ケーブル５は，後述するケーブル本体２１に対して橋桁３の荷重が加えられることにより，ケーブル本体２１に張力が付与された状態でそれぞれ備えられている。

次に，ケーブル５の構造の一例について詳細に説明する。図４に示すように，ケーブル５は，例えばケーブル本体２１，ケーブル本体２１の両端部にそれぞれ設けられたソケット２２，２３，及び，後述する光ファイバ温度センサ４０の構成要素である複数本の光ファイバ内蔵線（光ファイバケーブル）２５を備えている。

ケーブル本体２１としては，例えばパラレルワイヤストランド（ＰＷＳ：Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｗｉｒｅ Ｓｔｒａｎｄ）が用いられる。かかるケーブル本体２１は，複数本の線材としての鋼線（ワイヤ）３０と光ファイバ内蔵線２５からなる集合体（ストランド）３１，集合体３１の外側を被覆する被覆層３２，被覆層３２のさらに外側を被覆する被覆層３３を備えている。

鋼線３０は，例えば外径約７ｍｍ程度の略円形の横断面形状を有する細長い線材であり，例えば外周面を亜鉛（Ｚｎ）によって被覆した鋼材，即ち，亜鉛めっき鋼線である。かかる鋼線３０は，被覆層３２，３３の内部において，ソケット２２からソケット２３まで，ケーブル本体２１の長さ方向に沿って配設されている。さらに，被覆層３２，３３の内部には，例えば鋼線３０とほぼ同程度の外径を有する１又は２以上の光ファイバ内蔵線２５が，ソケット２２からソケット２３まで，ケーブル本体２１の長さ方向に沿って備えられている。各光ファイバ内蔵線２５は，光ファイバ（光伝送路）２５ａと，光ファイバ２５ａを保護する外管２５ｂとを備えている。これら複数本の鋼線３０及び光ファイバ内蔵線２５は，互いに略平行に並べられ，隣接する鋼線３０の外周面や光ファイバ内蔵線２５の外周面が互いに密着させられた状態で束ねられている。

なお，これら複数本の鋼線３０及び光ファイバ内蔵線２５は，僅かに撚り合わせられた状態になっており，例えばソケット２２側からみて，ソケット２３側に向かうに従い，ケーブル本体２１の中央部を中心として左方向に向かうように捩られている。即ち，複数本の鋼線３０の中に光ファイバ内蔵線２５が混合された状態で撚り合わせられ，束ねられることにより，一本の索状の集合体３１が形成されている。従って，鋼線３０と光ファイバ内蔵線２５（ケーブル本体２１の中央部に備えられたものを除く）は，ケーブル本体２１の中央部を中心として僅かに螺旋状に巻回された状態で，ケーブル本体２１の長さ方向に沿って備えられている。そのため，ケーブル本体２１の中央部に備えられた光ファイバ内蔵線２５（光ファイバ２５ａ）は，ケーブル本体２１の中央部において長さ方向に沿って備えられており，また，ケーブル本体２１の中央部の周囲に配置された光ファイバ内蔵線２５（光ファイバ２５ａ）は，ケーブル本体２１の中央部を中心として僅かに螺旋状に巻回された状態で，ケーブル本体２１の長さ方向に沿って備えられている。

図５に示すように，光ファイバ内蔵線２５は，被覆層３２，３３の内部において，例えばケーブル本体２１の少なくとも中央部に沿って設けられており，さらに，ケーブル本体２１の中央部の周囲にも，複数本配設されている。例えば，ケーブル本体２１の横断面において，ケーブル本体２１の中央部を中心とした同心円上に並べて設けられている。図示の例では，最も外側に配置された鋼線３０が位置する半径Ｒの同心円上に，該同心円の周方向においてほぼ等間隔を空けて配置されており，さらに，半径Ｒ／２の同心円上にも，該同心円の周方向においてほぼ等間隔を空けて配置されている。また，各光ファイバ内蔵線２５の端部は，図４に示すように，ソケット２３の端部から外側にそれぞれ導出されており，後述する測定装置４２にそれぞれ接続できるようになっている。

被覆層３２は，集合体３１の外側全体を覆うように設けられている。また，被覆層３２は，例えばフィラメントテープ等のテープ３２ａによって構成されている。即ち，集合体３１の長さ方向に沿って，集合体３１の外周囲にテープ３２ａが巻き付けられることにより，鋼線３０と光ファイバ内蔵線２５が束ねられた状態で保持され，また，テープ３２ａからなる被覆層３２が形成されるようになっている。

被覆層３３は，被覆層３２の外側全体を覆うように設けられている。被覆層３３の材質としては，耐候性が高いもの，例えばポリエチレン，フッ素樹脂などの合成樹脂が用いられる。

次に，測定システム６の一例について詳細に説明する。図３に示すように，測定システム６は，前述した光ファイバ内蔵線２５を有する複数の光ファイバセンサとしての光ファイバ温度センサ４０，及び，各光ファイバ温度センサ４０の制御等を行う制御コンピュータ４１を備えている。

光ファイバ温度センサ４０は，各ケーブル５に対してそれぞれ複数（即ち，各ケーブル５に対して設けられた光ファイバ内蔵線２５の本数と同じ数）備えられている。各光ファイバ温度センサ４０は，一本の光ファイバ内蔵線２５と，光ファイバ内蔵線２５内の光ファイバ２５ａに光を入射させて反射光を検出することにより光ファイバ２５ａの全長に渡る温度分布を求める測定装置４２とをそれぞれ備えている。図３に示すように，測定装置４２は，例えば斜張橋１に備えられたケーブル５の下端側において，各光ファイバ内蔵線２５の端部にそれぞれ取り付けられている。

各光ファイバ温度センサ４０の測定装置４２は，制御コンピュータ４１に対してそれぞれ電気的に接続されており，制御コンピュータ４１から各測定装置４２に対して，温度の測定に関する制御信号がそれぞれ送信されるように構成されている。また，各測定装置４２において検出された温度分布に関する情報が，各測定装置４２から制御コンピュータ４１に対してそれぞれ送信されるようになっている。さらに，制御コンピュータ４１は，受信した温度分布に関する情報に基づいて，各ケーブル本体２１の形状，長さ，張力等を算出する演算部４１ａを備えている。

次に，以上のように構成された斜張橋１におけるケーブル５の温度測定方法について説明する。先ず，温度の測定対象であるケーブル５に設けられたいずれかの光ファイバ温度センサ４０の測定装置４２に対して，制御コンピュータ４１から制御信号を送信し，測定装置４２から光ファイバ２５ａに光を入射させる。すると，光ファイバ２５ａ内で光が散乱して光ファイバ２５ａの端部から出射し，測定装置４２は，光ファイバ２５ａから出射した光に基づいて，光ファイバ２５ａの長さ方向における複数箇所の温度，即ち，光ファイバ２５ａの全長に渡る連続的な温度分布を検出する。こうして得られた温度分布に関する情報が，測定装置４２から制御コンピュータ４１に送信され，制御コンピュータ４１において，その光ファイバ温度センサ４０に備えられた光ファイバ２５ａの温度分布が検知される。

以上のようにして，制御コンピュータ４１から各ケーブル５に設けられている各光ファイバ温度センサ４０に対してそれぞれ制御信号を送信することにより，各光ファイバ温度センサ４０によって測定が行われ，測定された温度分布の情報が制御コンピュータ４１よってそれぞれ検知される。これにより，制御コンピュータ４１においては，各ケーブル５の中央部に設けられている光ファイバ２５ａの温度分布，半径Ｒ／２の同心円上に設けられている光ファイバ２５ａの温度分布，半径Ｒの同心円上に設けられている光ファイバ２５ａの温度分布が検知される。即ち，各ケーブル本体２１内の中央部における温度分布，ケーブル本体２１内の半径Ｒ／２の同心円上における温度分布，ケーブル本体２１内の半径Ｒの同心円上における温度分布が検知される。こうして，各ケーブル本体２１の内部の温度を，ケーブル本体２１の長さ方向においても径方向（横断面）においても，複数の箇所で測定することができ，ケーブル本体２１全体の温度分布を精度良く調査することができる。

さらに，制御コンピュータ４１の演算部４１ａにおいては，測定された各ケーブル本体２１の温度分布に基づいて，各ケーブル本体２１の形状，長さ等を算出できる。即ち，温度変化に伴って生じるケーブル本体２１の変形を間接的に検知でき，さらに，ケーブル本体２１の張力等も算出できる。これらの算出結果を参照し，各ケーブル本体２１の形状，長さ，張力，応力分布等が設計範囲内にあるか否かを判定することにより，各ケーブル本体２１の緊張作業等を行う必要があるか否かを判断することができる。

かかる構成によれば，ケーブル５に少なくとも一本の光ファイバ２５ａ，即ち光ファイバ温度センサ４０を設けることにより，ケーブル５の長さ方向における温度分布を確実に測定することができる。従来の温度測定法よりも，ケーブル５の複数箇所の温度を，容易かつ効率的に，また，多数の箇所について精密に測定できる。即ち，ケーブル５の全長に渡って連続的な温度分布を測定できる。さらに，光ファイバ２５ａを２本以上設けることで，ケーブル５の温度分布をより精度良く測定できる。また，ケーブル５の内部に光ファイバ２５ａを設け，ケーブル５の内部の温度を直接的に測定することにより，ケーブル５の内部の温度を精度良く簡単に測定することができる。従って，温度分布に基づいてケーブル５の形状，長さ，張力，応力分布等の測定を精度良く行うことができ，ひいては，斜張橋１の維持管理を適切に行うことができる。

また，光ファイバ温度センサ４０は，従来の温度測定に用いられる機器と比較して，構造が簡単であり，光ファイバ内蔵線２５の耐久性も良い。例えば熱電対等のような温度センサのように，付け替えを行う必要が無いので，メンテナンスに要する労力や費用も削減できる。特に，光ファイバ内蔵線２５をケーブル５の内部に内蔵させ，ケーブル５に一体的に配設したことにより，光ファイバ内蔵線２５の損傷や劣化を確実に防止できる。また，温度センサや配線等の機器がケーブル５の表面に露出せず，ケーブル５の表面の構造等を簡単にすることができ，ケーブル５の耐候性，意匠性の向上を図ることもできる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態の一例について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において，各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

以上の実施形態では，ケーブル５の温度を測定する光ファイバ温度センサ４０と測定システム６について説明したが，光ファイバセンサや測定システムによって測定する所定の情報とは，温度には限定されない。例えば，光ファイバセンサとしては，光ファイバ歪みセンサを備えても良い。即ち，光ファイバ歪みセンサを用いて光ファイバの歪み分布を検出し，この歪み分布からケーブル５の張力，応力分布，形状，長さ等を検出する測定システムを構成しても良い。この場合も，光ファイバの全長に渡って歪みを精密に検出でき，ケーブル５の張力，応力分布，形状，長さ等を，効率的に精度良く測定することができる。

また，光ファイバセンサは，所定の情報として湿度を測定する光ファイバ湿度センサであっても良く，かかる光ファイバ湿度センサを用いてケーブル５内の湿度分布を測定する測定システムを構成しても良い。この場合，測定された湿度分布に基づいて，ケーブル５内の湿度の調節を適切に行うことができる。

さらに，一本のケーブル５に対して，互いに異なる種類の情報を検出する複数種類の光ファイバセンサを備えても良い。例えば光ファイバ温度センサ４０，光ファイバ歪みセンサ，光ファイバ湿度センサのいずれか２種以上を備えても良い。そうすれば，ケーブル５の温度，歪み，湿度のいずれか２つ以上の情報をそれぞれ測定することができ，ケーブル５の状態をさらに詳細に調べることができる。従って，ケーブル５の維持管理に有用である。さらに，光ファイバセンサは，異なる２種類以上の情報を検出可能な構成であっても良い。例えば光ファイバ温度歪みセンサ，即ち，温度と歪みの両方の情報を測定できる構成のものであっても良い。

ケーブル本体２１における光ファイバセンサの配置は，以上の実施形態に示したような，同心円上に並べるものには限定されず，少なくとも１本の光ファイバがケーブル５に設けられていれば良い。また，光ファイバ，光ファイバ内蔵線，光ファイバセンサ等の構成，測定法の原理等は，以上の説明において例示したものには限定されず，様々なものを適用することができる。

ケーブルの構造は，以上の実施形態において説明したパラレルワイヤストランドには限定されない。例えば集合体３１を構成する鋼線３０，光ファイバ内蔵線２５は，必ずしも撚り合わせられていなくても良い。また，例えばマルチストランド構造，即ち，実施の形態に示したようなケーブル本体２１をさらに複数本集束させて，一本の索状にした構造にしても良い。

斜張橋１の構造やケーブル５の配設の態様は，以上の実施形態に示したものには限定されず，本発明は，様々な構造の斜張橋において適用できる。さらに本発明は，その他の種類の橋梁，例えば吊り橋に用いられるケーブル（メインケーブル）に適用することもできる。また，橋梁は河川に架設されるものに限定されず，海峡，道路等に架設されるものであっても良い。

さらに，本発明は，橋梁に用いられるケーブルには限定されず，ケーブル本体によって支持される構造部材も，橋桁には限定されない。例えば建築構造物において吊り屋根構造に用いられる吊り構造用のケーブルであっても良く，ケーブル本体によって支持される構造部材とは，屋根であっても良い。その場合，例えば屋根に積雪があったときに，雪によって屋根に加えられる荷重や，屋根に生じている応力分布，温度分布等を，ケーブルに備えた光ファイバセンサによって検出することもできる。即ち，光ファイバセンサの測定結果に基づいて，雪下ろし等の作業が必要であるか否かを判断することができる。

本発明は，例えば橋梁，吊り屋根等，建築構造物又は土木構造物等において用いられる吊り構造用のケーブルに適用できる。

斜張橋の構成を示した概略側面図である。 斜張橋の概略正面図である。 ケーブル及び温度測定システムの構成を説明する説明図である。 ケーブルの構成を示した説明図である。 ケーブル本体の横断面図である。

符号の説明

１ 斜張橋
５ ケーブル
６ 測定システム
２１ ケーブル本体
２５ 光ファイバ内蔵線
２５ａ 光ファイバ
３０ 鋼線
３１ 集合体
４０ 光ファイバ温度センサ
４１ 制御部
４２ 測定装置

Claims (8)

1. 構造部材を支持するケーブル本体を備えた吊り構造用のケーブルであって，
   前記ケーブル本体の長さ方向に沿って，光ファイバを設けたことを特徴とする，吊り構造用のケーブル。
2. 前記ケーブル本体は，複数の線材と前記光ファイバとを備え，
   前記複数の線材によってパラレルワイヤストランドが構成されていることを特徴とする，請求項１に記載の吊り構造用のケーブル。
3. 前記光ファイバは，前記ケーブル本体の内部に１又は２以上設けられていることを特徴とする，請求項１又は２に記載の吊り構造用のケーブル。
4. 前記光ファイバは，前記ケーブル本体の少なくとも中央部に沿って設けられていることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の吊り構造用のケーブル。
5. 橋梁に用いられることを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載の吊り構造用のケーブル。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の吊り構造用ケーブルに設けられる光ファイバと，
   前記光ファイバから出射する光を利用して所定の情報を検出する測定装置とを備えることを特徴とする，測定システム。
7. 前記所定の情報は，前記光ファイバの温度分布，歪み分布及び／又は湿度分布であることを特徴とする，請求項６に記載の測定システム。
8. 前記所定の情報に基づいて，前記ケーブル本体の形状及び／又は張力を算出する演算部を備えることを特徴とする，請求項６又は７に記載の測定システム。

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