High-speed railway technology has developed in line with Japanese social and economic changes and has seen rising speeds, cost savings, and safety, as well as falling environmental impact. However many of high-speed railway bridges were constructed 40 years ago and they have experienced increasingly intensive service load effects due to increased train speed and increased service frequency. Higher train velocities result in stronger dynamic interaction between trains and bridge structures. For the further increase of train speed, accumulated number of train passage may lead to fatigue or other damage problems. It is important to investigate the dynamic behavior of railway bridges thoroughly.

In this dissertation, the dynamic behavior of railway bridges is investigated through field measurement as well as numerical simulation, with an emphasis on the dynamic interaction between high-speed trains and bridge structures. The research has developed a universal numerical scheme of train-bridge interaction system using commercial software. The system is verified by measurement to be effective, resulting in the realization of the dynamic analysis and damage investigation.

For the experimental approach, this dissertation carried on field measurement of train-induced vibration of Shinkansen RC viaducts, using the ordinary velocimeters and accelerometers. Totally six adjoining viaducts were measured at the same time for comparison. The viaducts were excited in three directions, with almost the same vibration magnitude. The frequencies of train-induced vibrations are mainly dependent on the train speed, varying linearly with increasing speed. It is also shown that the higher frequency peaks of the train-induced vibrations are integer multiples of the first peak, owing to the periodic nature of the loading from the train wheels. Comparison of the RMS velocity of train-induced vibration showed large variations existed among the different viaducts. Even for the same train passage, the dynamic response of each viaduct was still very different. The response result was filtered within the interval of the first peck frequency by band-pass filtering. The comparison of the results still shows that the RMS velocity curves do not change after filtering in all directions. The variations among viaducts still exist in the low frequency vibration, implying the variations are caused by the fundamental difference of the viaducts. The track irregularity, the boundary condition and the soil and foundation conditions are speculated as the possible reasons which may cause the response variations.

For the simulation approach, a new numerical vibration prediction scheme of train-bridge interaction system using commercial software is developed. This versatile scheme is utilized to treat the moving train and bridge as two separate systems, which interact with each other through the contact forces. One key step herein is the discretization of the second-order equations of motion for the trains using Newmark's finite difference scheme. By solving the contact forces from train equations, one can treat them as external forces on the bridge, which can then be solved using conventional finite element procedures. Since all the analysis procedures are using the general finite element software ABAQUS and the numerical software MATLAB, this approach could be expected to be used widely compared to some specific software from previous researches.

The capability and reliability of the proposed scheme is demonstrated in the study of dynamic characteristics problems encountered in the field measurement of the RC viaducts and steel bridge. A detailed numerical simulation model of the RC viaduct of Shinkansen railway has been established first by the scheme described above. The comparisons of time-history and frequency results show quite good similarities. This has provided the basis of the accuracy of the FEM model and the comparability with the real structures. The train speed is undoubtedly one of important factors which influence the response of the viaducts. The simulation results reveal that the RMS values of the structure responses increase with the train speed. The majority of the viaducts' vibration is in the low frequency range. At last various influence factors mentioned above which may influence the structure responses are analyzed. The track irregularity is proved to have a great influence on the lateral responses of structure. The continuous rail above the superstructure plays an important role of interaction effect between the adjoining viaducts, especially in the longitudinal direction. Most possibly, the soil and foundation status is speculated as the main reason to cause the variation phenomena observed in the measurement. The results reveal that the change of the soil stiffness has a great influence on the dynamic responses of the structure, which is much greater than previous two factors.

At a railway steel box girder bridge, damage was observed on the web of a main girder at the bottom end of a welded vertical stiffener. Finally the numerical scheme is utilized to investigate the dynamic property of this bridge. The relationship between local stress, local vibration and train speeds are investigated before and after retrofit. A sophisticated three dimensional FEM model is constituted first. The analysis results reveal that the majority of the vibration in the section is the high frequency, i.e., the local vibration in the section. The local vibration of the lower flange causes the local stress on the web of a main girder at the bottom end of a welded vertical stiffener where damages occurred. It is found that the vibration shapes before retrofit, which the web of a main girder at the bottom end of a welded vertical stiffener and the center of a lower flange make a supporting point and loop respectively, causes local stress. At last the dynamic performance of the steel bridge under the high train speed is predicted using the numerical model. When the integer multiples of basic train-induced frequency come close to the natural frequencies of local vibration at the lower flange, the magnitude of the vibration at the lower flange is amplified. When a train runs at high speed, the vibration at the lower flange does not grow in proportion to train speed. The vibration is amplified only when excited frequency by train comes close to the natural frequencies of local vibration of the lower flange. The discrepancy between the simulated impact factor and the one defined in the current design code implies that the approximation only using the first mode is a method to express the base area of the resonance peak and does not easily attain resonance within the high frequency components. Thus it is not a method to adequately express the resonance peak, especially for the high train speed cases. The influence of high modes should be considered in the design.

In summary, this dissertation proposes and realizes a versatile numerical scheme of train-bridge interaction system. The system is experimentally verified to be effective for dynamic analysis and damage investigation. Successful completion of this research indicates this approach is expected to provide not only an accurate simulation tool for train-induced vibration, but also instructive information for the design and retrofit of railway structures.

鉄道橋梁などの土木構造物は,都市機能やそのネットワークを担う重要な社会資本である.特に,東海道新幹線をはじめとする新幹線は,日本の経済活動の大動脈として重要な役割を果たしてきた.世界の高速鉄道技術のベンチマークともされる新幹線であるが,その橋梁の多くは建設から40年以上経過しており,最近は,これらのコンクリート橋や鋼橋の老朽化が進んでいる.健全な橋梁も多いが,今後も適正な健全性を維持しながら継続的に供用される必要がある.列車の走行により橋梁や高架橋に生じる動的応答は,一般に列車の高速化に伴い大きくなる傾向にある.列車の走行速度が増加して加振振動数が橋梁の固有振動数に近づけば,共振が発生し,構造物への動的負荷が増大し,蓄積疲労やその他の損傷につながる恐れもある.鉄道橋の動的挙動の計測と予測を徹底的に行うことは,列車の高速運転への対応を考える際に極めて重要である.

本論文は,固有振動数や動的応答が測定されたコンクリート高架橋と鋼橋に着目し,高速列車との動的相互作用を考慮した橋梁振動解析手法を,汎用有限要素解析ソフトウェアを利用して構築し,このシステムの有効性を,実測との比較により検証した上で,新幹線橋梁の三次元的な挙動や列車と構造物の動的応答などを解明しようとしたものである.

論文は六章から構成されている.第一章では,鉄道橋の走行列車による動的応答に関する予測手法と実測例の既往の調査研究を述べ,さらに本研究の目的を記述している.

第二章では,速度計と加速度計を用いたコンクリート高架橋実橋計測を説明し,6つの隣接している高架橋の振動を比較している.高架橋の振動が,1)ほとんど同一の振幅で,三方向に励起されていること,2)その振動数は,列車の軸重が桁に対して周期的に加える強制振動の周波数と一致していること,3)列車速度に依存して,速度に比例して増加すること,4)卓越する高い周波数のピークは等間隔に並んでおり,この間隔は.,基本周波数の整数倍となっていること.もっとも興味深いこととして,6)振動のRMS応答を異なる高架橋の間で比較したところ,大きな個体差が存在することなど を示した.同一の電車が通過した場合でも,各々の高架橋の応答レベルは,非常に異なっており,バンドパスフィルターを適用し低時モードのみを抽出しても振動レベルの違いが変わらないことを示している.そして,このことは,高架橋の基本的な違いに起因することを意味しており,軌道の狂い,境界条件や地盤条件の違いは,観測された振動レベルの違いを生じうるとして注目に値する.

第三章では,汎用有限要素分析ソフトウェアを利用して列車と橋梁との連成を考慮した動的応答解析手法を構築している.具体的には,走行列車モデルについて,解析精度及び解析の効率化の両面を満たす車両モデルを提案し,鉄道橋梁部分を三次元有限要素でモデル化し,橋梁動的応答評価の解析結果を精緻で再現性のあるものへと改善するものである.離散化のために,列車運動方程式はニューマークの有限差分スキームを使用している.解析は従来の有限要素法を使用して解決することができる,すなわち,有限要素ソフトウェアABAQUSと数値ソフトウェアMATLABを使用しているため.,このアプローチは既往の研究に比較してより広く使用することができる.簡単な例題を通じて,高い精度で計算が出来ることを示している(補遺A)

提案された解析スキームの能力と信頼性は,コンクリート高架橋(第四章)と鋼橋(第五章)の動的応答の予測において示されている.

第四章では,詳細なRC高架橋の数値シミュレーションモデルが構築され,時刻歴応答と振動数特性において計測結果を比較すると一致していることが確認された.シミュレーション結果は,構造振動のRMS値が電車速度の増大に伴い増加することを明らかにした.高架橋振動の大部分は,低い周波数レンジにある.次に,様々な構造応答に影響を与える要因を分析し,1)軌道の狂いは,橋軸直角方向の応答に大きな影響を及ぼすこと.2)連続レールは,特に縦方向では,隣接している高架橋の間で相互作用に大きな影響を及ぼすこと.3)地盤・基礎状況の違いが,測定において観察される振動レベルの違いを引き起こす主要な原因として推定され,上述の2つの要因よりも大きな影響を及ぼすこと などが明らかされた.

第五章では,ある鉄道鋼箱桁橋において発生した主桁ウェブの垂直補剛材下端溶接部付近の変状の原因を明らかにすることを目的として,精密な解析モデルにより列車走行時の振動現象を説明し,局部振動に対する高速運転の影響を予測した.その結果,1)変状の発生した垂直補剛材下端と主桁ウェブとの溶接部に局部応力を発生させる要因は,主桁下フランジの局部振動であること,2)T型材で主桁下フランジと垂直補剛材を連結する現行の補強方法により,振動モードが変化し,変状を発生させた局部応力は著しく小さくなること,3)また,その解析モデルを用いて,局部振動に対する将来の高速化の影響を推測し,列車速度を向上させた場合,主桁下フランジパネルの振動は列車速度に比例して大きくなるのではなく,局部振動固有周波数が列車通過周波数の整数倍に近づいたときに大きくなること,4)速度効果による衝撃係数については.,高速の場合は,現行の設計基準との相違が大きくなっており,設計基準による1次近似は,共振に至らないピークの裾野の領域を簡易に表すための手法であり,共振ピークを表す手法としては必ずしも適していないこと,5)今後高いモードの影響を設計で考慮しなければならないことなどが示唆された.

以上のように本論文では,列車・橋梁の相互作用を考慮した汎用的な動的解析システムを構築し,実際の鉄道橋での実測を行い,両者との比較により,システムの妥当性と有効性を実証した.本アプローチは高速鉄道の走行時における橋梁振動にとって正確なシミュレーションツールを提供するのみならず,鉄道構造の設計や補強等においても有用な情報を提供している.工学上多大な知見を提示していると判断される.よって,博士(工学)の学位請求論文として合格と認める.