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國立台灣大學土木工程研究所民國95年（博士）學位論文摘要橋梁功能性支承系統耐震性能設計與評估補強之研究研究生：劉光晏指導教授：張國鎮摘要本研究旨在探討支承系統對橋梁耐震性能的影響，達到經濟的設計與補強方式。首先回顧九二一集集大地震與美國北嶺地震、日本阪神地震中橋梁的損壞模式，由災害統計資料，檢討說明橋梁震害的差異性。根據國內橋梁特性，在賦予支承系統適當的性能後，定義為功能性支承系統，須具備下列功能：(1)限制位移–防止行車力致使上部結構滑動；(2)滑動磨擦消能–橡膠支承墊滑動磨擦；(3)最適止震塊–僅作橫向防落不傳遞地震力；(4)足夠的滑動位移–提供磨擦消能機制；(5)足夠防落長度–確保不落橋。由於目前耐震設計以橋柱為主要消能構材，本研究提供塑性鉸的模擬方法，作為側推分析與非線性動力分析之用，並與實驗結果比較後可行。為了解支承系統對橋梁整體耐震行為之影響，本研究進行非線性動力歷時分析，探討簡支型式之標準橋梁，於中度地震、設計地震與最大考量地震下，因橡膠支承磨擦滑動發生時，橋面版與橋柱之位移需求以及橋柱受力關聯性。分析變數包含止震塊間距、止震塊剪力強度、上部結構連續化、上部結構重量分佈與材料強度等。根據前述分析結果，本研究提出含支承磨擦滑動之耐震性能評估。基於ATC40分析流程，建議合適的等值阻尼比預測公式，透過非線性靜力側推分析獲得結構容量譜，預估橋梁在設計地震與最大考量地震下因磨擦滑動所產生的最大位移需求。最後，再由前述動力分析結果，採用歸屬度函數建立橋梁易損性曲線。易損性曲線之損害因子以支承磨擦滑動長度、橋柱位移韌性與橋柱剪力強度為指標，作為相似橋梁快速損害預估的工具。一、九二一地震橋梁震害探討921集集大地震，造成中部地區百年罕見的災害，靠近車籠埔斷層帶之橋梁幾無一倖免。相較於1994年美國北嶺地震、1995年日本阪神地震，在1999年台灣集集地震受損橋梁當中，以單柱式PCI簡支梁預力橋為大宗，與美國剛接構架式橋梁不同。另外，日本多採用鋼支承，這點和台灣採用合成橡膠支承墊的設計習慣不同。除此之外，台灣的合成橡膠支承墊一般並無錨座的設計，變位限制結構如剪力鋼棒的位置也和日本不一致。諸多設計細節的差異，即使是PCI簡支梁橋，地震下的反應將表現出截然不同的破壞模式。因此，美、日與台灣的橋梁因結構系統與細部設計的差異，耐震評估與補強策略亦應因地制宜。現階段橋梁設計以橋柱產生塑鉸機制消散地震能量為主，橋柱必須進行韌性設計，同時支承必須具有足夠的強度使塑鉸得以順利發生。事實上，塑鉸消能的設計邏輯在1999年集集地震中應屬少見，取而代之的是支承的磨擦滑移現象，但橋柱並無嚴重受損。當支承的摩擦滑移後傳遞至下部結構的慣性力因此而降低，橋柱與基礎的損壞情形就不如預期嚴重，大規模補強的作業就可避免，這對目前政府之經濟財源短缺無疑是正面的訊息；但相對的是位移需求增加，必須透過變位限制裝置、防止落橋設施與足夠的防落長度防範落橋的可能性。三、橋柱塑性鉸分析與實驗驗證本章針對單柱式與構架式鋼筋混凝土柱提出一套側推分析流程。分析方法以力學三大原則為基礎，同時考量軸力、撓曲與剪力等三種應力交互作用的理論模式，作為構材塑性鉸的訂定依據，利用NARC-2004分析所得結果，並依本文所提配合SAP-2000「M3塑性鉸」之設定方式進行非線性靜力側推分析，可不失準確地掌握鋼筋混凝土結構的非線性行為。分析結果並與國家地震工程研究中心和日本土木學會之實驗成果進行比對，分析級果顯示可有效掌握單柱式鋼筋混凝土柱構材整體及局部行為，建構合理的非線性側推分析曲線；在構架式鋼筋混凝土柱方面，則提供一考慮軸力變化且不失準確性的簡化分析模式，對於鋼筋混凝土結構的耐震性能評估與多目標耐震性能設計將有所助益。唯有關「極限狀態塑性鉸」中柱反曲點的假設可再作進一步的探討。另外，以單調荷重行為預測反覆載重行為雖可獲致非線性靜力側推曲線，但無法了解結構消散能量的特性，未來應可針對鋼筋混凝土柱遲滯行為的模擬與分析再進行後續研究。四、功能性支承系統對橋梁地震反應之參數研究本章探討公路橋梁含支承系統之非線性動力行為。根據公路總局橋梁標準圖集選定一簡支型式之標準橋梁，假設橋址位於第二類地盤，於給定符合中度地震、設計地震與最大考量地震反應譜的地震歷時下進行分析，分析變數包含止震塊間距、止震塊剪力強度、上部結構連續化、上部結構重量分佈與材料強度等。分析結果顯示，對於一般既有PCI簡支橋梁，建議上部結構採連續化，並搭配橡膠支承滑動磨擦機制，可使上部結構引致的慣性力有效分散於各橋柱，降低整體橋梁損害程度。另外，上部結構於三種地震等級下並無發生落橋，顯示依據既有橋梁工程標準圖所設計之橋梁能滿足規範所規定之防落長度；其次，混凝土止震塊與大梁間之間距建議適度放寬，或降低混凝土止震塊剪力強度，允許止震塊損壞後讓滑動磨擦機制得以順利發揮，但橋柱韌性設計仍需確保，避免在近斷層地震下橋柱崩塌的可能。五、功能性支承系統之位移評估本章提出橋梁含橡膠支承磨擦滑動之耐震性能評估方法。根據ATC40分析流程，本研究建議合適的等效遲滯阻尼比預測公式，求取橋梁在一般地震與近斷層地震中，因磨擦滑動所產生的最大位移需求。非線性動力歷時分析係針對一規則性簡支型式的預力混凝土橋梁，採用增量動力歷時方式，統計各PGA下橋面版最大位移、橋柱最大位移、橋柱最大彎矩與剪力，並取其平均值作為ATC40分析的比較標準。此外，將非線性動力歷時分析結果予以無因次化，比較支承位移、橋柱位移、彎矩與剪力之需求容量關係。分析結果顯示，橋梁行車向發生落橋的機會並不高，橋柱在設計地震與最大考量地震仍屬安全；橋梁橫向位移因有止震塊不會發生落橋，但較小的止震塊間距將使橋柱在設計地震與最大考量地震有倒塌之虞，建議可適度放寬，有助於改變橋柱損壞模式。容量震譜法之分析結果，對於一般地震在設計地震與最大考量地震時的位移預測效果，無論是行車向或橫向反應，其誤差值約低於5%，明顯較近斷層地震時佳，可能原因是近斷層地震下結構因短期荷重下無法產生有效的阻尼效用，使得預估的位移量偏高，亦顯示對於近斷層效應的地震反應，應採去較保守的評估方式。六、功能性支承系統易損性曲線之初步分析本章以第五章之分析結果為基礎，參考模糊理論之歸屬度函數，建立橋梁易損性曲線。易損性曲線之損害因子以防落長度需求與橋柱位移韌性為指標，提供相似橋梁快速損害預估的工具。分析結果經與921集集大地震橋梁震害資料比較，PGA接近230gal之橋梁，評估結果與實際損壞等級接近。對於PGA接近330gal之橋梁則有明顯差別，此項差異可推測相似的既有橋梁於規範設計地震等級下仍保有適當的耐震能力，若需更近一歩探討則有賴詳細耐震能力評估以性能觀點檢核之。七、結論與建議本研究主要探討支承系統對於公路橋梁耐震性能之影響。有鑒於國內橋梁在集集地震下的破壞模式，配合國內財政狀況採用新的觀念，賦予支承系統適當功能性後，找出適合國內公路橋梁的耐震特性的評估與補強辦法。國內現存的簡支型式橋梁，由於耐震設計規範的演進，若需滿足現行規範之要求將有可能昂貴的補強工程。在少數已完成補強個案中，因其補強經費龐大，若對於為數眾多的既有橋梁，在國家財政困難之際行全面實施恐有困難之處，所以本文研究以功能性支承的觀念，希望以較經濟的方式完成補強作業，並兼顧耐震的安全要求。本文根據921集集大地震橋梁損害類別，以簡支型式的鋼筋混凝土混凝土橋為主進行多項非線性動力歷時分析，建議未來可增加分析項目與參數，如：斜橋、曲橋、相鄰振動單元週期差異性大之橋梁、基礎裸露、橋台碰撞等，並參考國家地震工程研究中心相關整合型計畫實驗研究成果，建立合理的橋梁構件分析模式，以了解複雜的橋梁動力行為。此外，本文透過容量震譜法提出功能性支承系統的耐震評估方法，其中有關支承磨擦滑動之阻尼比，因地震中並無法產生飽滿之遲滯迴圈，雖分析結果尚屬合理，但對於阻尼比的計算以及與橋柱串聯後之效應，有進一步修正之必要。另外，分析重要參數為大梁的位移需求與橋柱位移韌性。有鑒於近年來結構設計已朝向以位移為主的設計方式，建議未來可應以此法為基礎，發展出新建橋梁含支承的位移設計法。