¶ 高速公路耐震補強工程具特殊性之補強案例資料｜17. 上部結構FRP 與外置預力補強
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M38C 標國3 烏溪一號河川橋為例
閱讀提醒：本專題結論所稱「目前正在施工中」是111年7月出版時的記錄，不代表本工程今日進度。PL3防蝕、可更換外置預力與監測等內容須依原文條件閱讀。
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¶ 原檔第168頁
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上部結構 FRP 與外置預力補強 -以 M38C 標國 3 烏溪一號河川橋為例
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上部結構 FRP 與外置預力補強 -以 M38C 標國 3 烏溪一號河川橋為例 摘 要 隨著預力橋梁數量成長，以及已通車使用時間增長，預力箱形梁維護補強需求亦漸增。本 文以國道後續路段橋梁耐震補強工程（區段 2-1）中之國道 3 號烏溪一號河川橋預力箱形梁補強 為案例，介紹該案從橋梁現況調查、評估、補強設計到完工後監測各階段之執行方式與考量。 本橋採用碳纖維貼片進行大梁及頂板撓曲與剪力補強，為確認其補強成效，於施工階段同時辦 理 CFRP 之貼片錨碇性能試驗及縮尺之 CFRP 補強斷面力學行為試驗，以回饋補強設計。另本 橋搭配增設外置預力補強，以調整改善箱形梁之應力狀態；其設計參考國際結構混凝土協會（fib） 及美國後拉法預力學會（PTI）對防蝕保護等級之分類，採用 PL3 等級標準，運用真空灌漿、電 氣隔離鋼腱（EIT）、鋼腱張力磁通量感測器（EM Sensor）、可更換式後拉外置預力系統等技術， 以提供外置預力鋼腱耐久性，以及完工後可監控及可抽換性。本工程並規劃有完工後監測系統， 可透過補強後橋梁行為監測，驗證整體補強成效，並提供相關資料以利後續管理及養護參考依 據。 關鍵字：預力梁補強、碳纖維、外置預力、真空灌漿、電氣隔離鋼腱、可更換後拉預力系統 一、前言 國道 3 號烏溪一號河川橋全長約 2,155 公尺，採預力混凝土箱形梁，以場鑄懸臂工法施作， 屬二高後續計畫彰濱快官段第 C326 標工程，於民國 92 年 12 月完工，93 年元月開放通車。本 橋南北雙向橋面結構分離，各向為 3 車道，詳見圖 1。河道範圍內之 P1~P23 橋墩採沉箱基礎， 其餘橋墩採直接基礎。雙向橋梁各分 7 個振動單元，每單元為 3~5 跨連續，主跨標稱跨徑約為 90 公尺，端跨標稱跨徑約為 71.5 公尺。 本橋完工通車後橋面即持續產生變形下垂現象，其中以北上線 PN21 與南下線 PS17 伸縮縫 前後路段較為明顯，最大凹陷量約 24cm。由於伸縮縫前後路面凹陷，導致伸縮縫處相對凸出， 行車舒適性不佳，用路人屢次陳情反應，故曾辦理施拉外置預力、橋護欄加高、混凝土裂縫修 補、橋面 AC 高程調整等改善措施，惟依據監測成果，改善後撓度仍有繼續發展之趨勢，如圖 2 所示。 17-1
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圖 1 烏溪一號河川橋斷面示意圖 圖 2 前期改善完工後變位監測成果 二、橋梁現況補充調查 橋梁現況條件為數值分析模型建立、大梁劣化研判、評估與補強設計等作業之依據，為使 評估與補強設計儘量反映橋梁實際狀態，除原設計、竣工資料外，亦蒐集歷年改善、維護、檢 監測資料，並辦理相關補充調查，調查項目及說明詳表 1。 表 1 現況補充調查內容彙整表 項次 調查項目 說 明 採車載三維透地雷達探查， 1 橋面AC厚度 雙向各4條測線 車載三維透地雷達探查，搭配 2 橋面厚度 敲擊回音法檢測、微鑽孔驗證 3 混凝土裂縫 含新增及已修補之裂縫 由裂縫調查成果中研判劣化程度 4 裂縫深度 較嚴重者進行深度檢測 5 混凝土彈性模數 以敲擊回音法推估 6 箱梁有效勁度 微振量測 1. 外置預力現況目視檢測 7 梁內外置預力 2. 以振動法進行預力檢測 3. 套管內填充檢測（敲擊回音法） 8 箱梁鋼筋探測 二維透地雷達探測作業 17-2
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三、箱形梁評估與補強設計 依竣工圖說所載之材料、施拉預力以及乾縮潛變等條件，配合現況調查成果，加載瀝青混 凝土鋪面載重與混凝土橋面版額外載重進行分析評估，評估結果箱形梁有剪力及彎矩強度不 足、斷面應力超過容許值以及頂版橫向撓曲強度不足造成版底縱向裂縫等問題。 針對箱形梁剪力強度不足問題，考量以條狀鋼板進行貼附補強，將增加箱形梁呆重負荷， 且箱梁內已有前期補強外置預力錨碇塊，鋼板搬運不易，並需於箱梁上鑽孔，施工放樣較為困 難、及補強後外觀等因素，最後採用碳纖維強化聚合物複合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）進行補強，其配置為於箱形梁腹版內外側以間隔 30 公分寬 50 公分之橫向帶狀 CFRP 貼 片進行補強；箱梁撓曲強度不足問題，則於底版進行縱向 CFRP 貼片補強；頂版橫向撓曲強度 不足造成版底縱向裂縫問題，則於箱梁內頂版底部以間隔 30 公分寬 50 公分之橫向帶狀 CFRP 貼附進行補強，詳見圖 3~圖 5。 圖 3 黏貼條狀 CFRP 工法 圖 4 箱梁 CFRP 補強模擬圖 圖 5 箱梁 CFRP 施工照片 CFRP 補強貼片兩端之錨定方式決定其可發揮之強度，經評估不同的錨碇工法，錨栓錨碇法 （Spike Anchor）及表面溝槽鑲嵌錨碇法（Near Surface Mounted Anchor, NSM）等錨碇方式均需 17-3
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於已裂損之箱梁上鑽孔或開槽，故採用壓條貼片錨碇法（Patch Anchor）設計。 另為確保工程設計成果之嚴謹，合理掌握與探討以 CFRP 補強之性能，本工程於施工階段 同步委託國家地震工程研究中心進行 CFRP 之貼片錨碇性能試驗，如圖 6，以及 CFRP 之斷面力 學行為試驗，如圖 7，以回饋橋梁補強設計成果評估參考。 圖 6 CFRP 之貼片錨碇性能試驗 圖 7 CFRP 之斷面力學行為試驗 另針對斷面應力超過容許值部分，研擬採增設外置預力補強方式，提供大梁壓應力及向上 垂直分力，以調整拉應力至規範容許值內。考量外置預力偏心量、箱梁內前期改善工程已設既 有外置預力及錨定塊剩餘空間、預力施拉及未來抽換空間需求等因素，經評估採用於箱梁外增 設外置預力進行補強，詳見圖 8。 圖 8 箱形梁外增設外置預力補強 本橋增設外置預力補強，參考國際結構混凝土協會（fib）及美國後拉法預力學會（PTI）對 防蝕保護等級（Protection levels of tendons）之分類，採用 PL3 等級標準設計，以提供外置預力 鋼腱之耐久性，以及完工後之可監控及可抽換性。本工程外置預力設計特色包括： 1. 套管內採真空灌漿（Vacuum Grouting），以確保套管內灌漿品質，減少孔隙。 17-4
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2. 電氣隔離鋼腱（Electrically Isolated Tendon, EIT）在歐洲已有一段長期且成功的運 用紀錄，美國 FHWA 亦已開始推廣該技術。主要除傳統鋼腱及塑料套管，另採塑 料喇叭套管、絕緣板、量測導線組成，除提供保護，避免雜散電流腐蝕；施工階 段可以驗證鋼腱隔離效果（封裝品質），並提升對各構材儲存、加工、安裝的小心 程度；完工後，更可透過 LCR 阻抗分析儀（LCR meters）量測鋼腱及外側鋼筋間 之電阻值，隨時進行鋼腱狀況之非破壞性檢測評估。 3. 部分鋼腱於預力施拉前即設置張力磁通量感測器（EM Sensor, EMS），以獲得預力 初始值，及提供後續監控鋼腱預力量。 4. 採用可更換式後拉外置預力系統，轉向座及端錨座均配合設計，並預留未來抽換 空間。 四、補強後之監測 鑑於預力混凝土橋梁因長期老劣化可能影響橋梁安全，本橋長期監測系統之建置，可透過 補強後橋梁行為監測，以驗證整體補強成效，並提供相關資料以利橋梁管理單位後續管理及養 護參考依據。另考量監測資料之延續性，因此本案監測系統建置計畫，針對交通部高速公路局 中區養護工程分局原有監測之 4 個單元（N6、N5、S5 及 S4）進行規劃，以利後續大梁變形趨 勢之比對，及監測資料之延續。 本工程規劃針對橋梁之上構沉陷、溫度及新設墩柱頂部大梁之位移量進行監測。摘要說明 如下： 1. 參考現況既有監測資料，橋梁邊跨沉陷變形較為明顯，故規劃於各邊跨布置 3 處 沉陷計，中間跨布置 1 處沉陷計，用以即時監測橋跨沉陷變形，並進行長期沉陷 趨勢安全評估。 2. 由於監測資料須考量環境溫度效應，規劃於箱梁內布置溫度計，以適當納入溫度 補償調校，詳實反映橋梁結構特性。 3. 於增設橋墩帽梁上規劃布置位移計，用以監測增設橋墩帽梁和上方橋跨之相對位 移，即時監測橋跨沉陷變形，進行長期沉陷趨勢安全評估。 4. 以預力廠商依約提供之資料擷取設備，定期進行量測 EIT 電阻值與 EMS 拉力值。 五、結論 既有國 3 烏溪一號橋於完工通車後即有上部結構持續變位，經評估其有大梁「剪力強度不 足」、「極限彎矩強度不足」及「混凝土應力不符規範」情形，針對「剪力強度」及「極限彎矩 17-5
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強度」部分，採 FRP 包覆補強，其有材料輕、抗拉強度強在箱內容易搬運，包覆於箱外其外觀 無突兀感等優點，並運用了壓條貼片錨碇法（Patch Anchor）進行 CFRP 貼片補強。 增設外置預力補強則採用真空灌漿、電氣隔離鋼腱、鋼腱張力磁通量感測器、可更換式後 拉外置預力系統等技術，目前正在施工中，其設計、施工、試驗、監測結果及經驗，可提供未 來相關深化研究及工程運用之參考。 參考文獻 1. 交通部，「公路橋梁耐震設計規範」，民國108年1月。 2. 交通部，「公路橋梁耐震評估與補強設計規範」，民國110年3月。 3. 國家地震工程研究中心，「公路橋梁耐震性能設計規範研究（第2期）（上冊、下冊）」，民國 101 年12月。 4. 交通部高速公路局，國道高速公路後續路段橋梁耐震補強工程(區段2-1)，工程細部設計報告 (第二標)，民國109年3月。 5. 國道3號烏溪1號河川橋後續變位監測維護工作期末報告（民國107年1月至民國110年3月）。 高速公路局中區養護分局。中華民國110年4月 6. fib Bulletin 33：Durability of post-tensioning tendons 7. PTI/ASBI M50.3-19：Specification for Multistrand and Grouted Post-Tensioning （2019） 17-6
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