¶ 高速公路耐震補強工程具特殊性之補強案例資料｜3. 盤式支承置換為隔震支承（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M37G 標國3 烏山頭高架橋、M81 標國8 1k~3k高架橋為例
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盤式支承置換為隔震支承 -以 M37G 標國 3 烏山頭高架橋、M81 標國 8 1k~3k 高架橋為例
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盤式支承置換為隔震支承 -以 M37G 標國 3 烏山頭高架橋、M81 標國 8 1k~3k 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，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。 隔震支承系統，利用隔震支承柔性延長結構振動週期，並貢獻阻尼消能，使地震時降低上 部結構之慣性力及加速度反應，進而降低下部結構耐震設計需求，惟伴隨之橋梁位移偏大，需 於補強設計時詳加考量，以確保隔震效益得以發揮。本文以國道 3 號烏山頭高架橋為例，提出 以隔震支承系統(如鉛心橡膠支承墊)之補強方案進行隔震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、橋梁隔震系統。 一、前言 國內橋梁耐震設計規範於民國 84 年採用地震危害度分析並能考量活動斷層位置與大地震 發生紀錄，劃分震區並訂定出相對應地震回歸期為 475 年之地表加速度係數，相較於民國 76 年 公路橋梁設計規範，地震力係數大幅提高。對於韌性保護構件如支承、基礎，必須保持彈性以 確保韌性構件得以順利發展塑性變形，因此對於採用 76 年規範設計之橋梁，其支承系統與基礎 耐震能力顯然已不敷所需。另外由於 921 地震造成國內建築、橋梁結構嚴重損傷，民國 97 年公 路橋梁耐震設計規範開始考量活動斷層近域效應，導入斷層近域調整因子 NA、NV。 自民國 90 年起，交通部高速公路局陸續辦理國道橋梁耐震補強計畫，依據最新公路橋梁耐 震設計規範之規定，進行橋梁耐震能力之評估及檢核，對於不符合規範規定者則須進行耐震補 強，為減少補強規模與經費，工程界開始設法利用隔減震裝置降低橋墩基礎之地震需求，期能 縮減橋梁基礎補強範圍，避免大量開挖。本文將以國道 3 號烏山頭高架橋以及國道 8 號 1k~3k 高架橋耐震補強設計為例，提出隔震補強方案評估與效益分析。 二、隔震支承簡介 隔震裝置需具備 3 項特性，垂直向需能完全承受結構垂直載重、提供適當水平柔性勁度以 及自復位能力。利用隔震裝置水平向柔性勁度低延長結構系統振動週期，且藉遲滯阻尼能減少 因週期延長增加之位移反應，使大地震時降低上部結構慣性力及加速度反應，進而降低下部結 3-1
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構耐震設計需求。國內隔震橋梁多採用鉛心橡膠隔震支承墊，為積層橡膠與多層鋼板加上高純 度鉛心組合而成，鉛心為低降伏性金屬，受震時降伏產生遲滯行為，且鉛心具有再晶化能力， 受震後能自我恢復不因反覆變形而破壞。鉛心橡膠支承墊(Lead-rubber bearing, LRB）遲滯迴圈 可假設為理想之雙線性化模型，如圖 1。 Fd K d Qd Ku 彈性應變能 Es Dy D d 遲滯面積EDC=Ed 圖 1 鉛心橡膠支承墊理想化雙線性遲滯迴圈 三、橋梁耐震補強採用隔震支承案例-M37G 標國道 3 號烏山頭高架橋 本案例橋梁位於國道 3 號主線里程 328k+389~330k+737，橋梁標準橋寬為 16.1 公尺，如圖 2 所示。民國 83 年設計，採用 76 年公路橋梁設計規範進行地震力設計，並於民國 89 年竣工。 南北雙向各 7 個單元，上部結構為預力混凝土箱形梁，除第一個單元(U1L 及 U1R)因跨越 嘉南大圳為跨徑較大之懸臂工法橋梁外，其餘單元採主要跨徑為 40~45m 之場鑄逐跨或支撐先 進工法施作。下部結構除懸臂工法單元為實心橋墩外，其餘均為空心橋墩，墩柱高度約為 11 公 尺，橋墩水平方向勁度高；基礎部分為樁基礎，部分活動端橋墩採用 60cmψPC 樁，樁長約為 18~20 尺，其餘則採用 120cm、150cmψ場鑄 RC 基樁，樁長約為 20~40 公尺。從本案例橋中挑 選 6 個等橋寬單元(南、北向各 3 單元)進行隔震補強評估，其中 U2L/R 為獨立隔震橋梁單元， U4L/R、U5L/R 為連續隔震橋梁單元，補強內容為將既有盤式支承更換為 LRB 隔震支承，期可 增加橋單元系統阻尼及延長基本振動週期之降低地震力效益外，亦可達均勻分散各橋墩地震力 的功能。 對於隔震橋單元於橋橫向需考量隔震單元與相鄰非隔震單元處橋面伸縮縫功能，避免單元 間橫向水平相對變位，於此伸縮縫端橋墩頂可增設橫向位移束制裝置；對於連續隔震橋梁單元 伸縮縫端間，上構箱形梁內部亦須考量增設鋼製連桿(縱向自由滑動，橫向連動)，於橫向地震時 連續單元間隔震支承能夠產生位移發揮消能效益。連續隔震橋梁單元之地震橫向變位將趨近如 圖 3 所示，各墩隔震支承橫向位移差異大，為確實掌握整體隔震橋梁橫向地震反應，應採非線 性歷時分析。 3-2
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圖 2 國 3 烏山頭高架橋標準斷面 圖 3 隔震橋梁橫向變位示意圖 依縱向靜力分析所得 LRB 性質模擬非線性元素，並建立隔震橋梁分析模型圖，如圖 4、圖 5。先進行模態分析以初步瞭解隔震前後之基本振動週期變化，整理如表 1 所示。原結構基本振 動週期約為 0.6~1.0sec，隔震補強後可延長至 1.2~1.4sec，系統等效阻尼比為 20%。依耐震設計 規範規定之加速度反應譜 Sa(g)與振動週期 T 關係圖，如圖 6 所示，可知當基本振動週期由 0.6sec 延長至 1.3sec 時，最大考量地震(MCE)加速度反應譜值將由 1.0g 降至 0.53g，如再考量 LRB 阻 尼貢獻，則降至 0.35g，因此，本案例於換裝 LRB 支承後，對於地震慣性力抑制效果明顯。 圖 4 U2 單元隔震橋梁分析模型 圖 5 [U4-U5]單元隔震橋梁分析模型 3-3
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表 1 隔震橋梁基本振動週期彙整 縱向 橫向 ξ system 振動單元 (系統等效阻尼比) 原結構(sec) 隔震後(sec) 原結構(sec) 隔震後(sec) U2 0.717 1.407 0.63 1.235 0.2 U4 0.73 1.348 0.612 0.2 1.381 U5 1 1.404 0.638 0.2 加速度反應譜 1.2 週期延長加速度下降 MCE 1 DBE MCE阻尼折減後 0.8 ) 0.6 g ( a S 0.4 0.2 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 T(sec) 圖 6 工址設計地震與最大考量地震加速度反應譜 綜整各單元分析結果，隔震前後柱底剪力分布變化(如圖 7~10 所示)，原設計固定端(鉸接端) 橋墩，如 U2 單元 P7~P9 橋墩，橋軸向水平力降幅約 50%(如圖 7、9 所示)，原活動端橋墩則因 更換為 LRB 支承後，亦開始分擔地震力。另觀察橋梁橫向柱底剪力分布情形(如圖 8、10 所示)， 由於隔震單元前後兩端需增設橋橫向位移限制裝置，使得此處之 LRB 受到拘束無法產生變形消 能，惟中央處 LRB 均可自由變位，因此地震力無明顯集中之現象，進一步檢核隔震後柱底是否 已進入非彈性段，結果顯示，除橫向最大考量地震等級(MCE)歷時分析，單元前後兩端橋墩產生 塑性鉸外，其餘橋墩均仍在彈性範圍內(如圖 11 所示)，多數橋墩均可有效降低地震力，並減少 基礎補強規模。 3-4
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縱向柱底剪力 橫向柱底剪力 3000 3000 原結構 隔震後 原結構 隔震後 2000 2000 f f n n o o t t 力 力 剪 剪 1000 1000 0 0 P4L P5L P6L P7L P8L P9L P10L P11L P4L P5L P6L P7L P8L P9L P10L P11L 圖 7 U2 隔震前後橋軸向柱底剪力分布 圖 8 U2 隔震前後橋橫向柱底剪力分布 縱向柱底剪力 橫向柱底剪力 2000 2000 原結構 隔震後 原結構 隔震後 1500 1500 f f n n o o t t 1000 1000 力 力 剪 剪 500 500 0 0 P19RP20RP21RP22RP23RP24RP25RP26RP27RP28RP29RP30RP31RP32RP33RP34R P19RP20RP21RP22RP23RP24RP25RP26RP27RP28RP29RP30RP31RP32RP33RP34R 圖 9 U4-U5 隔震前後橋軸向柱底剪力分布 圖 10 U4-U5 隔震前後橋橫向柱底剪力分布 P4L (柱底遲滯迴圈) P11L: (柱底遲滯迴圈) 25000 20000 20000 15000 15000 ) 10000 m 10000 - f n 5000 5000 o t ( t 0 0 n e m -5000 -5000 o M -10000 -10000 -15000 -15000 -20000 -25000 -20000 -0.0008 -0.0006 -0.0004 -0.0002 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 -0.0006 -0.0004 -0.0002 0 0.0002 0.0004 0.0006 θ轉角 θ轉角 圖 11 隔震補強後柱底塑鉸遲滯迴圈 四、橋梁耐震補強採用隔震支承案例-M81 標國道 8 號 1k~3k 高架橋 本案例橋梁位於國道 8 號主線里程 1k+622~3k+837，本橋全長為 2,215 公尺，全橋為東西 向，各有 11 個振動單元，每振動單元配置 5~6 跨，標準跨徑 40 公尺之 PC 箱形梁橋，主要以場 撐逐跨架設工法施工。橋梁淨寬東、西向為 11.20m，如圖 12 所示，於 2k+442~2k+642 銜接匝 道橋，橋寬變化 11.20m~17.80m；下部結構橋墩為單柱式矩形混凝土橋墩，基礎部分均為 120cm ψ場鑄基樁，依 76 年橋梁設計規範進行設計，並於民國 87 年竣工。 3-5