¶ 高速公路耐震補強工程具特殊性之補強案例資料｜19. 位移束制裝置之補強考量（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M38D1 標國3 第六號高架橋為例
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位移束制裝置之補強考量 -以 M38D1 標國 3 第六號高架橋為例
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位移束制裝置之補強考量 -以 M38D1 標國 3 第六號高架橋為例 摘 要 高速公路常利用橋梁跨越山谷或河川等自然地形。由於位於山區路段部分中小長度之跨越橋、 穿越橋及溝渠橋基礎補強施工較為困難，因此可考慮利用橋台背牆後之土壤消能機制承受大部 分上部結構地震力，消散部分地震能量並降低傳遞至下部結構之慣性力；若橋台結構強度不足 以致無法符合本工程耐震補強之性能目標，可就橋台予以補強。本文以國道3號第六號高架橋 為例，說明利用位移束制工法避免橋梁基礎補強之案例。 關鍵字：橋梁耐震補強、位移束制裝置 一、前言 民國 84 年公路橋梁設計規範，地震力係數大幅提高。故需以各種補強方式提升既有橋梁之 耐震能力，其中提升基礎耐震補強方式不外乎基礎擴座、增厚、增加基樁等方式。然而位於山 區路段部分中小長度之跨越橋、穿越橋及溝渠橋，基礎補強施工較為困難，故本文以位移束至 裝置，即功能性支承之理念，改變橋梁結構行為，將上部結構地震力分散至兩側橋台，以橋台 背牆後之土壤作為消能機制，降低傳遞至下部結構之慣性力，可減少基礎補強並降底施工難度。 二、功能性支承理念之應用 根據國家地震工程研究中心「921 集集大地震橋梁及道路設施勘災報告」，橋梁破壞以橋梁 附屬設施、橋台及橋面板損壞之比例最高，橋柱損害者相對來說較少，相同的破壞模式亦發現 在 1995 年日本阪神大地震，阪神高速公路之損壞橋梁，更可證實支承系統與橋柱損害的關聯性 (張國鎮等，1999 年)。 有鑑於此，國家地震工程研究中心針對橋梁系統功能性提出一整合型計畫，詳細探究橋梁 系統各構件功能與發揮作用時機，計畫內容涵蓋「支承系統、變位限制結構、防止落橋裝置、伸 縮縫、橋台碰撞」等相關課題，進行橋梁構件之靜態實驗(如止震塊剪力行為之研究)，不同構件 之組合實驗(如橋柱與支承滑動行為之研究)，並進行擬動態實驗或振動台實驗加以驗證，確保設 計結果可行性、安全性與經濟性。 依據國家地震工程研究中心 98 年 12 月研擬「公路橋梁耐震能力評估及補強準則(草案)」 第 5.1.2 節之建議及說明，功能性支承系統補強工法係使支承有適當摩擦力，強震下可產生摩擦 滑動機制，並使用位移限制裝置限制滑動位移，允許其損壞避免傳遞過大地震力，且須提供足 夠防落長度確保不落橋。 19-1
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當支承產生滑動後產生隔震的效果，降低傳遞至下部結構之慣性力，因此下部結構受損輕 微。本補強工法雖在下部結構僅可能產生輕微損壞，但大地震時上部結構將有較大的殘餘變位 與附屬設施損壞現象，宜使用於交通量不大之路段。 功能性支承系統之破壞機制中，係橡膠支承於地震中產生滑動位移，消散部分地震能量， 上部結構因位移碰撞變位限制裝置(防落拉桿、止震塊)，但允許該裝置損壞以避免傳遞過大地震 力至橋墩柱，惟仍須提供足夠防落長度防止落橋。 國道高速公路跨越地方道路之穿越橋，其橋梁系統主要為 3~5 跨簡支預力 I 型梁及 RC 橋 柱，並設有鉸接板將橋面予以連續化，參考美國 Caltrans 最新發展之補強策略，將上部結構連續 化後，整體振動單元之地震慣性力，透過所謂「功能性支承」之理念傳導至兩側之橋台，使得中 間橋墩所承受之地震力侷限在規範規定之最小摩擦力，再檢討兩側橋台是否需進行補強，茲將 其重點說明如下： 1. 國道高速公路之穿越橋，其橋長平均在 100~150 公尺左右，且多已設有鉸接板將上部結構連 續化，不需額外增加經費將其連續化。 2. 中間橋墩頂部與兩側橋台之支承、伸縮縫、防落橋長度與止震塊等可視為一整體系統，利用 個別元件間之間隔大小與設計細節，調整整體系統之作用力順序，使得中間橋墩所承受之地 震力侷限在規範規定之最小摩擦力(約 0.15 倍支承反力)，中間橋墩及其基礎將有可能大部分 不需進行補強，或僅做橋墩之韌性補強，參見圖 1。 3. 由於兩側橋台將承受大部分之地震慣性力，可考慮利用橋台背牆後之土壤消能機制或將剪力 榫(止震塊)設計做為保險性構件(Sacrificial Shear Keys) (Megally、Silva 及 Seible 等，2002)， 參見圖 2；若仍無法符合本工程耐震補強之性能目標，由於在橋台兩側施工無須使用低淨空 樁機且交維容易，建議可採橋台兩側增樁工法予以補強。 圖 1 系統變位拘束工法 19-2
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(a) 止震塊「預期性」損壞模式 (b) 止震塊「控制性」損壞模式 圖 2 橋台止震塊之保險性設計理念 4. 利用上述「功能性支承」理念之應用，將可大幅降低此類橋梁補強經費及減輕地方道路交 通維持壓力。 5. 綜合上述說明，國道高速公路應用「功能性支承」理念之重點如下： (1) 將支承、止震塊、防震拉條等視為一整體系統(即廣義的支承系統)。 (2) 調整墩頂各設施受力順序(機能)，容許既有支承局部損壞，但不可落橋。 (3) 利用橋台消能或補強後承受大部分之上部結構地震力。 (4) 利用合適的位移控制，使國道高速公路主線橋梁，仍滿足「生命線道路」計畫目標。 (5) 現階段適用橋梁類別：跨越橋、中小長度之穿越橋及溝渠橋。 三、耐震補強設計-以 M38D1 國 3 第六號高架橋為例 3.1 M38D1 標及國 3 第六號高架橋資料 本橋於 89 年 6 月完工，管轄機關屬高速公路局北區養護工程分局。橋址位於基隆市七堵 區，起訖里程為 5k+205~5k+360，無鄰近之斷層，基本資料及結構型式詳如圖 3 及表 1 所示。 第 M38D1 標工程基本資料如下： 1. 工程名稱：國道高速公路後續路段橋梁耐震補強工程（區段 2-2）第 M38D1 標-國 3 基隆汐 止段 2. 工程地點：國道 3 號 STA.0k+000~10k+945 3. 主辦機關：交通部高速公路局 4. 執行單位：交通部高速公路局第一新建工程處 5. 設計、監造單位：台灣世曦工程顧問股份有限公司 6. 承攬廠商：宏義營造工程股份有限公司 7. 契約總價：契約金額新臺幣 4 億 48,38 萬元整 8. 開工日期：109 年 05 月 27 日 9. 預定完工日期：111 年 12 月 22 日 19-3
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圖 3 第六號高架橋橋梁位置 表 1 第六號高架橋橋梁表 上部結構 下部結構 橋梁分類 平均 橋長 設計 橋梁名稱 橋寬 (m) 橋台 橋台 橋墩 橋墩 規範 (m) 連續 工法 TYPE 種類 型式 基礎 型式 基礎 第 六 號 高 架 120 15.70 穿 橋（北向） 預鑄預力混 懸 直 多 直 S 凝土 I 型梁 3 越 76 臂 基 柱 基 第 六 號 高 架 工法 橋 120 15.55 橋（南向） 3.2 第六號高架橋補強內容 第六號高架橋橋墩經初步耐震評估結果，基礎耐震能力不足需補強，然而其位於山坡地且 覆土相當深(約 13m)，如圖 4，開挖施工相當困難，故採用位移束制裝置，如圖 5，於橋台和橋 墩處安裝，如圖 6、圖 7，將上部結構連續化，藉由控制位移將地震力傳至橋台，利用橋台背牆 後土壤之消能機制，由耐震評估結果比較，表 2，設置位移束制裝置可大幅減少傳至基礎之地震 力。 19-4
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圖 4 六號高架橋立面圖 圖 5 位移束制裝置示意圖 圖 6 位移束制裝置配置平面示意圖 19-5
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圖 7 位移束制裝置配置立面示意圖 表 2 設置位移束制裝置前後橋墩力量比較 等級II地震 等級III地震 橋墩 Fx(tf) My(tf-m) Fx(tf) My(tf-m) PS6-1_R 143 3477 176 4273 PS6-1_C 150 3604 183 4415 PS6-1_L 143 3477 176 4273 補強前 PS6-2_R 166 3840 204 4739 PS6-2_C 174 3982 214 4901 PS6-2_L 165 3832 204 4729 PS6-1_R 131 781 175 1041 PS6-1_C 131 781 175 1041 PS6-1_L 131 781 175 1041 補強後 PS6-2_R 85 506 113 674 PS6-2_C 85 506 113 674 PS6-2_L 85 506 113 674 19-6
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