¶ 高速公路耐震補強工程具特殊性之補強案例資料｜5. 既有隔震橋梁之耐震補強（3／4）
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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-以國3 嘉南大圳北幹一號排水橋為例
閱讀提醒：本專題討論近斷層脈衝與既有隔震橋振動週期接近時的位移放大，不能僅以延長週期推論補強效果。
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(a)TCU075測站 (b)CHY070測站 (c)CHY037測站 圖 15 近域地震彈性反應譜(ξ=5%) 3.2 耐震評估標準與結果 隔震支承位移量受限於隔震支承容許位移、防落長度、梁端間隙與剪力鋼棒裝置容許間隙， 當位移量超出剪力鋼棒裝置之容許間隙，便假設其損壞，評估標準以隔震支承容許位移(12.5cm 或 18.75cm)、梁端間距(55cm)、防落長度(100cm)三者最小值作為容許位移。本文依據 2.2 節中 隔震支承原型試驗數據及考量規範地震力等因素，設定評估性能為等級 II 地震下，不超過 1 倍 之設計位移 12.5 cm，等級 III 地震與近斷層地震不超過 1.5 倍設計位移 18.75 cm。 分析模型為分別將遠域地震(等級 II、III)與近域地震(等級 III)兩水平向地震各別輸入至橋軸 向及橫向(非同時作用)，評估結果為軸向支承位移超出容許位移，於等級 II 地震下已超過原設 計位移，在近域地震(TCU075 測站)更遠超過容許位移；橫向支承位移因橋台處束制，位移量受 到限制，未超出容許位移，但橋台剪力鋼棒強度不足需要補強。另評估結果顯示，基礎耐震性 能皆符合「既有公路橋梁耐震評估與補強設計規範(草案)」[5](基礎性能仍符合 110 年頒布之正 式規範)。表 5 所列評估結果之容量需求比(C/D ratio)，若橋墩隔震支承在近域地震下，軸向位 移為 TCU075 測站(東西向)地震控制，橫向位移則為其餘兩測站地震控制。詳細評估結果表 5、 表 6 所列。 表 5 隔震支承位移評估結果 遠域地震 地震等級 近域地震(等級 III) 設計地震(等級 II) 最大考量地震(等級 III) 橋墩編號 P1 P2 P1 P2 P1 P2 方向 軸向 橫向 軸向 橫向 軸向 橫向 軸向 橫向 軸向 橫向 軸向 橫向 支承最大水平位移 cm 16.9 8.99 19.3 9.11 24.2 11.4 29.6 11.6 29.37 13.69 39.65 14.03 支承容許最大位移 cm 12.5 18.75 18.75 C/D 0.74 1.39 0.65 1.37 0.77 1.64 0.63 1.62 0.64 1.37 0.47 1.34 檢核 N.G. OK N.G. OK N.G. OK N.G. OK N.G. OK N.G. OK 5-10
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表 6 基礎耐震評估結果 遠域地震 地震等級 近域地震(等級 III) 設計地震(等級 II) 最大考量地震(等級 III) 橋墩編號 A1 P1 P2 A2 A1 P1 P2 A2 A1 P1 P2 A2 樁基礎穩定評估 2.94 2.78 2.42 2.24 4.61 3.85 3.12 4.61 2.16 3.85 3.13 2.16 基樁剪力強度評估 1.46 1.55 2.21 1.49 1.16 1.34 2.17 1.12 1.02 1.36 1.03 1.00 基樁彎矩強度評估 2.01 1.12 1.67 1.93 1.65 1.06 1.56 1.70 1.34 1.28 1.13 1.35 樁帽彎矩強度評估 - 1.21 1.32 - - 1.37 1.58 - - 1.70 1.38 - C/D 樁帽梁式剪力評估 - 1.09 1.15 - - 1.01 1.18 - - 1.24 1.03 - 樁帽穿孔剪力(橋柱)評估 - - - - - - - - - - - - 樁帽穿孔剪力(基樁)評估 2.64 3.05 3.62 2.67 2.45 3.59 4.26 2.51 2.19 2.81 3.33 3.43 樁頭錨定鋼筋評估 5.48 3.75 8.47 5.61 2.78 11.32 5.59 2.86 1.49 1.57 1.62 1.52 檢核 OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK 隔震橋近域地震大梁中點橋軸向位移歷時圖，如圖 16。近域地震 CHY037 測站與 CHY070 測站大梁中點最大位移值分別為 25.01cm 與 25.72cm，TCU075 測站大梁中點最大位移值為 50.9cm，比對反應譜(圖 15)與各個近域地震軸向位移歷時，研判 TCU075 測站地震下的位移放 大反應為近域地震脈衝特性及振動頻率相近所造成。 (a)CHY37測站 (b)CHY070測站 (c)TCU075測站 圖 16 近域地震大梁中點橋軸向位移歷時圖 5-11
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3.3 補強設計 3.3.1 補強策略 由耐震詳細評估結果得知，本橋隔震支承軸向位移未能符合性能標準。因法規地震力的調 升，在等級 II 地震力作用下之位移量便已超出原設計位移量，加上考量鄰近斷層地震之影響下， 因而引發結構之共振現象，致使支承位移量遠超出原設計位移量。隔震支承位移過大可能造成 支承破壞，但在考量不改變原結構隔震系統，避免大幅增加下構地震力原則下，擬採取於橋台 增設黏滯性速度阻尼器，以期因增加整體系統阻尼比，而降低近斷層效應所增加的位移反應[9]。 另為避免未預期之反應，造成大梁破壞及橋面落差，於橋台及橋墩增加防段差裝置，作為第二 道防線。相關補強方法如圖 17、圖 18 所示。 圖 17 補強方法立面圖 圖 18 補強方法示意圖(左:防段差裝置 右: 黏滯性速度阻尼器) 3.3.2 黏滯性速度阻尼器設計流程 隔震系統據其柔性特性以阻斷部分地震力之傳遞，卻帶來隔震層相當可觀之位移，消能機 5-12
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制遂不可或缺，唯阻尼量應注意避免過猶不及，因此為兼顧耐震及隔震支承位移需求，理論上 存在最佳黏滯阻尼比。依相關研究，剛體結構之隔震系統，其最佳黏滯阻尼比為 50%[10]。嘉 南大圳北幹線一號排水橋因上構為可視成剛體結構之連續預力混凝土箱形梁之隔震系統，故以 其理論最佳黏滯阻尼比為 50%，作為黏滯性速度阻尼器的設計參考。 黏滯性速度阻尼器設計參考「建築物速度型被動消能元件設計手冊之研擬」[11]與「公路橋 梁耐震設計規範」[2]之內容，並使用非線性歷時分析進行設計，等效阻尼比計算如式 3-1~3-2， 其中 ξeff 為整體等效阻尼比，ξ0 為隔震橋梁等效阻尼比，ξd 為黏滯性速度阻尼器提供阻尼比，ξeff, i 為第 i 橋墩上所有隔震元件在設計位移之有效勁度總和，Dd, i 為第 i 橋墩上隔震元件之水平設計 位移，ξeq, i 為第 i 橋墩上隔震元件之等效阻尼比，Kp, i 為第 i 橋墩隔震元件水平勁度，ξp, i 為第 i 橋墩之固有阻尼比，KT, i、 KR, i 為第 i 橋墩之基礎水平勁度及旋轉勁度，ξT, i 、ξR, i 則為對應之 基礎黏性阻尼比，H 為由柱底至上部結構之質量中心的高度，本文未考量基礎所提供之阻尼貢 獻。 𝜉 = 𝜉 + 𝜉 𝑒𝑓𝑓 0 𝑑 (式 3-1) 2 𝐾 𝐾 𝐾 𝐻 2 𝑒𝑓𝑓 ,𝑖 𝑒𝑓𝑓 ,𝑖 𝑒𝑓𝑓 ,𝑖 𝐾 𝐷 [𝜉 + 𝜉 + 𝜉 + 𝜉 ] 𝑒𝑓𝑓 ,𝑖 𝑑,𝑖 𝑒𝑞,𝑖 𝑝,𝑖 𝑇,𝑖 𝑅,𝑖 𝐾 𝐾 𝐾 𝑝,𝑖 𝑇,𝑖 𝑅,𝑖 𝜉 = 0 𝐾 𝐾 𝐾 𝑒𝑓𝑓 ,𝑖 𝑒𝑓𝑓 ,𝑖 𝑒𝑓𝑓 ,𝑖 2 𝐾 𝐷 [1 + + + ] 𝑒𝑓𝑓 ,𝑖 𝑑,𝑖 𝐾 𝐾 𝐾 𝑝,𝑖 𝑇,𝑖 𝑅,𝑖 (式 3-2) 此外，因隔震支承勁度低，在中小地震下已有相當程度之振動，若採速度指數較低之阻尼 器，阻尼器經常處於高壓狀態，有漏油疑慮；採速度指數較高之阻尼器，則衝程過大，無法達 到預期性能。綜合考量耐震評估結果與隔震橋梁特性，本橋黏滯性速度阻尼器速度指數採 0.5。 經反覆嘗試與迭代，黏滯性速度阻尼器設計參數為以 TCU075 測站地震決定阻尼係數與速 度指數、最大衝程及出力則以所有地震歷時分析最大值決定之，如表 7 所示。 表 7 黏滯性速度阻尼器參數表 黏滯性速度阻尼器參數表 阻尼係數 速度指數(α) 最大設計地震力 最大衝程 橋梁名稱 0.5 (Tonf-(sec/m) ) (tf) (cm) 嘉南大圳北幹線一號 173.3 0.5 139.6 18.76 排水橋 3.3.3 補強後評估結果 依評估結果可知，於橋台增設黏滯性速度阻尼器，確能有效降低橋墩隔震支承位移，並且 以阻尼器對橋台軸向增加阻尼力進行基礎耐震評估，橋台基礎耐震性能亦符合規定。此外，橋 5-13
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