¶ 高速公路耐震補強工程具特殊性之補強案例資料｜2. 採用力量分散裝置及變更支承系統之補強（1／2）
發布機關：交通部高速公路局
版本／性質：111年7月；耐震補強工程案例
原始來源：官方出版頁 ｜ 官方原始PDF
使用提醒：本件為111年7月出版的耐震補強案例資料，非通用設計或施工規範；各專題的地震需求、地質條件、材料數值及施工限制須連同原工程背景閱讀。
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-以M38D2 標國3 甲辛亥路高架橋、M38D1 標國3 九號高架橋為例
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採用力量分散裝置及變更支承系統之補強 -以 M38D2 標國 3 甲辛亥路高架橋、M38D1 標國 3 九號 高架橋為例
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採用力量分散裝置及變更支承系統之補強 -以 M38D2 標國 3 甲辛亥路高架橋、M38D1 標國 3 九號高架橋為例 摘 要 災害發生時，橋梁為維生線不可或缺之一環，國道高速公路為臺灣地區南北交通大動脈， 在國家整體防災計畫中，扮演最重要之防災運輸生命線。惟隨著耐震概念的演進及耐震規範更 新，現有國道高速公路橋梁已無法滿足現行耐震需求。國內橋梁耐震設計規範自 76 年起歷經多 次沿革演進，老舊橋梁耐震性能經評估，多數已不符目前性能標準。 地震力分散裝置 STU(亦稱為 Lock-up Device)設置於橋梁上部結構與下部結構之間，其功 能為藉由流體阻尼力吸收地震力引致之瞬間作用力，使得上部結構與下部結構間形成剛性連接 (Rigid Link)，並產生鎖定效果(Lock-up Effect)，而在常時狀態下(如溫差、潛變及乾縮等)所產生 之小位移，可在小於最大拖曳力下產生緩慢移動，使得結構保持在活動狀態，採用此裝置之優 點為並未改變橋梁常時之支承束制條件，而於地震力時可將地震力分散於較多之橋墩一起承受， 可降低結構之風險。本文以國道 3 號甲線辛亥路高架橋與國道 3 號第九號高架橋為例，提出以 力量分散裝置與支承系統變更之補強方案進行結構系統補強之效益評估，期能有效降低國道橋 梁補強經費。 關鍵字：橋梁耐震補強、基礎補強、結構週期、力量分散裝置。 一、基本資料說明 1.1 國 3 甲辛亥路高架橋 國 3 甲辛亥路高架橋於 85 年 12 月竣工，管轄機關屬高速公路局北區養護工程分局。橋址 位於臺北市大安區，起訖里程為 5k+567~5k+283.891(E)、5k+567~5k+308(W)，橋梁立面配置圖 詳圖 1。 圖 1 國 3 甲辛亥路高架橋立面配置圖 2-1
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國 3 甲辛亥路高架橋東行線 3 單元之跨徑配置分別為 2@37m、3@37m、28m+40m+28m， 總長 281m，西行線 2 個單元之跨徑配置分別為 4@37m、33m+45m+33m，總長 259m。 1.2 國 3 九號高架橋 國 3 九號高架橋於 89 年竣工，管轄機關屬高速公路局北區養護工程分局。橋址位於新北市 汐止區，起訖里程為 9k+001.4~9k+328.6，橋梁立面配置圖詳圖 2。 圖 2 國 3 九號高架橋立面配置圖 國 3 九號高架橋跨徑配置為 25m+7@40m+25m，單元總長 330m，其中 AS9-1、PS9-1、PS9- 2、PS9-5、PS9-6、PS9-7 及 PS9-8 採活動支承，柱高約 9.81m~27.43m；另 PS9-3 及 PS9-4 則配 置鉸接支承，柱高約 3.87m~5.35m。 二、國 3 甲辛亥路高架橋耐震補強工程設計 2.1 橋址地震力考量 依據交通部 108 年頒布「公路橋梁耐震設計規範」，國 3 甲辛亥路高架橋範圍(臺北市大安 區黎元里)之地震微分區屬臺北三區，並無鄰近第一類活動斷層，且須依「公路橋梁耐震設計規 𝐼𝐼 𝐼𝐼 𝐼𝐼𝐼 𝐼𝐼𝐼 範」第二章之規定計算水平譜加速度，𝑆 、𝑆 、𝑆 及𝑆 分別為 0.6、0.35、0.8 及 0.5。 𝑆 1 𝑆 1 2.2 國 3 甲辛亥路高架橋整體耐震能力評估結果 依據橋梁竣工圖，採 SAP2000 商用軟體建模並執行側推分析法(Pushover Method)，以檢核 橋梁結構之耐震能力(如圖 2 所示)。耐震性能檢核分等級 I 地震檢核、等級 II 地震檢核和等級 III 地震檢核。重要橋梁和一般橋梁須進行等級 I 地震檢核和等級 II 地震檢核；本計畫橋梁均 為國道重要橋梁，對於發生災害時具緊急救災的功能，若在地震中損壞，對區域交通路網、震 後緊急救災與經濟發展，將可能會造成大規模的衝擊，因此，本計畫國道橋梁亦須進行等級 III 地震檢核。 國 3 甲辛亥路高架橋包括東行線及西行線共計 5 個橋梁單元，經評估後其中東行線第一單 元(U3L)及第二單元(U2L)、西行線第一單元(U2R)及第二單元(U1R)行車向等級 II 地震和等級 III 地震之整體耐震能力不足，需進行橋墩包覆補強，如表 1 所示。 2-2
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表 1 國 3 甲辛亥路高架橋整體耐震能力評估結果 縱向耐震能力之容量需求比 橋梁名稱 振動單元名稱 等級II地震(C/D) 等級III地震(C/D) U1L 1.48 1.37 U2L 0.63(N.G.) 0.54(N.G.) 辛亥路高架橋 U3L 0.91(N.G.) 0.83(N.G.) U1R 0.90(N.G.) 0.78(N.G) U2R 0.49(N.G.) 0.43(N.G.) 2.3 國 3 甲辛亥路高架橋耐震補強-力量分散裝置 研析本橋梁整體耐震能力不足之主因，主要為地震力係數增加，導致橋墩縱向容許韌性比 與耐震能力不足，原則上可採用橋墩包覆方式進行補強，惟 U3L 單元之 P7L 橋墩及 U2R 單元 之 P5R 橋墩採用 RC 包覆補強後，橋墩之容許韌性比仍超過上限值，如表 2 所示。 表 2 國 3 甲辛亥路高架橋橋墩採 RC 包覆後橋墩縱向容許韌性比與耐震能力 構材容許韌性比 縱向耐震能力之容量需求比 振動單元 橋墩 名稱 等級II地震(μII) 等級III地震(μIII) 等級II地震(C/D) 等級III地震(C/D) U2L P5L 2.52 3.46 1.68 1.72 U3L P7L 3.38(N.G.) 5.24(N.G.) 1.07 0.99(N.G.) U1R P2R 1.54 2.15 1.37 1.3 U2R P5R 3.03(N.G.) 4.04 1.00 0.98(N.G.) 地震力量分散裝置主要包含內部流體(Internal Fluid)及錨碇設施，設置於橋梁上部結構與下 部結構之間，其功能為藉由流體阻尼力吸收地震力引致之瞬間作用力，使得上部結構與下部結 構間形成剛性連接(Rigid Link)，並產生鎖定效果(Lock-up Effect)。對於當發生車輛煞車或是地表 運動(地震)所引發的動態衝擊時，地震力量分散裝置可提供上、下構(STU 連結之兩端)完全鎖定 (Lock-up)之效果以形成剛接(Rigid Link)，使上部結構力量得以傳遞至下部結構。然而地震力量 分散裝置所連結之結構物間因溫差或乾縮、潛變等常時狀態所產生之相對緩慢位移發生時，裝 置僅提供輕微阻力(≦裝置設計荷載 10%)使結構得以自由伸展。 研判改採增設地震力量分散裝置之系統補強方式，應可達到提升橋墩耐震能力之效果。採 用地震力量分散裝置之優點為於常時並未改變現有之支承水平束制條件，故此種補強方式對溫 度及乾縮潛變載重之影響極小，且於地震時之縱向水平地震力由更多橋墩共同分擔，增加結構 系統之靜不定度，降低本橋梁於地震下之損壞風險。本橋梁於 P6L 及 P4R 增設地震力量分散裝 置後，各橋墩之縱向容許韌性比與耐震能力如表 3 所示，已可符合耐震性能需求。 2-3
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表 3 國 3 甲辛亥路高架橋增設力量分散裝置後橋墩縱向容許韌性比與耐震能力 構材容許韌性比 縱向耐震能力之容量需求比 振動單元 橋墩 名稱 等級II地震(μII) 等級III地震(μIII) 等級II地震(C/D) 等級III地震(C/D) U2L P5L 2.52 3.46 1.68 1.72 U3L P7L 2.44(OK) 4.01(OK) 1.31(OK) 1.21(OK) U1R P2R 1.54 2.15 1.37 1.3 U2R P5R 2.14(OK) 3.03(OK) 1.19(OK) 1.14(OK) 三、國 3 九號高架橋耐震補強工程設計 3.1 橋址地震力考量 依據交通部 108 年部頒「公路橋梁耐震設計規範」，國 3 九號高架橋範圍(新北市汐止區拱 北里)之地震微分區屬臺北三區，並無鄰近第一類活動斷層，且須依「公路橋梁耐震設計規範」 𝐼𝐼 𝐼𝐼 𝐼𝐼𝐼 𝐼𝐼𝐼 第二章之規定計算水平譜加速度，𝑆 、𝑆 、𝑆 及𝑆 分別為 0.6、0.35、0.8 及 0.5。 𝑆 1 𝑆 1 3.2 國 3 九號高架橋整體耐震能力評估結果 本計畫依據橋梁竣工圖，採 SAP2000 商用軟體建模並執行側推分析法(Pushover Method)， 以檢核橋梁結構之耐震能力(如圖 3 所示)。耐震性能檢核分等級 I 地震檢核、等級 II 地震檢核 和等級 III 地震檢核。重要橋梁和一般橋梁須進行等級 I 地震檢核和等級 II 地震檢核；本計 畫橋梁均為國道重要橋梁，對於發生災害時具緊急救災的功能，若在地震中損壞，對區域交通 路網、震後緊急救災與經濟發展，將可能會造成大規模的衝擊，因此，本計畫國道橋梁亦須進 行等級 III 地震檢核。 圖 3 國 3 九號高架橋模型圖 進行側推分析後，須計算整體結構容量與需求之比值(C/D)，並進行橋梁各部結構之耐震性 能分析，以評估適用之補強方式，本橋梁經計算後整體結構容量與需求之比值(C/D)如表 4 及圖 2-4
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4 所示，可知本橋梁之耐震能力不足，須進行整體耐震性能之補強。 表 4 國 3 九號高架橋整體耐震能力評估結果 耐震需求 D 耐震容量 C 耐震性能標準 C/D EPA (g) Sd (cm) Sa (g) EPA (g) Sd (cm) Sa (g) 等級Ⅰ地震 SP1 0.074 1.6708 0.1568 0.060 1.4538 0.1501 0.81 等級Ⅱ地震 SP2 0.240 5.4302 0.2728 0.078 1.8851 0.1634 0.32 等級Ⅲ地震 SP3 0.320 7.7514 0.3445 0.087 2.1007 0.1701 0.27 圖 4 國 3 九號高架橋整體耐震能力評估結果 3.3 國 3 九號高架橋耐震補強-支承系統變更 研析本橋梁整體耐震能力不足之主因，係因本橋梁單元長達 330m，僅由 PS9-3 及 PS9-4 兩 墩抵抗縱向地震力，且 PS9-3 及 PS9-4 墩長分別為 5.35m 及 3.81m，致橋墩位移(韌性比μ，重 要橋梁遭遇等級 III 地震時上限=6)及支承縱向力過大，故藉由增加其他橋墩以共同分攤縱向地 震力之支承系統變更方式，應可有效解決此問題。 遂於 PS9-3 及 PS9-4 鄰近兩墩 PS9-2 及 PS9-5，採用增設剪力榫方式(剪力榫配置如圖 5 所 示)抵抗縱向地震力，將原活動支承型式(M)變更為鉸接支承型式(F)，即支承系統變更後本橋梁 之 PS9-2、PS9-3、PS9-4 及 PS9-5 均為鉸接支承型式，支承系統變更後之橋墩 Localμ檢核及支 承強度/需求如表 5 及表 6 所示。 2-5
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