近断层地震对隔震桥梁的影响

近斷層地震對隔震橋梁的影響南二高嘉南大圳北幹線一號排水橋案例研究第二結構部工程師蔡孟豪第二結構部經理葉銘煌顧問張國鎮摘要由於近斷層地震通常具有較長週期的脈衝震波，對結構物的危害往往會比相同規模的遠域地震為大，尤其是在近十年來國內外的幾個大地震發生後，近斷層效應的影響更是受到重視。本文以南二高嘉南大圳北幹線一號排水橋為研究案例，利用現地試驗結果與量測的地震反應，建立其分析模型，以探討近斷層效應對此隔震橋梁的影響。研究結果顯示，近斷層效應的影響與脈衝震波形式、週期、貢獻量、地表加速度大小以及隔震裝置的非線性程度有關。當脈衝震波週期接近隔震橋梁振動週期時，近斷層效應最為嚴重。同時，當隔震裝置進入高度非線性範圍後，近斷層效應將不會再隨地表加速度增加而放大。所以，若能確保隔震裝置於設計地震時已進入高度非線性範圍，則可在設計階段計及隔震橋梁的近斷層效應影響。此外，藉由加裝阻尼器提高支承系統的阻尼比，得以有效地降低近斷層效應的影響。一、前言從早期南部第二高速公路的部份橋梁，到1999年921集集地震後遭到破壞的一些公路橋梁重建，隔震技術在國內橋梁工程的應用已將近十年。尤其在921集集地震後，隨著隔、減震技術的推廣，最近亦開始有廠辦大樓與醫院等建築物，採用基礎隔震作為其抗震的選擇。位在南二高白河新化段的嘉南大圳北幹線一號排水橋，為國內首次應用隔震技術的橋梁之一[1]。在該隔震橋梁完工之初，即曾經進行現地微振試驗、強迫振動試驗與自由振動試驗，以瞭解該隔震橋梁的實際動力特徵以及其在常態載重與中、小地震下的反應[2]。而在現地試驗完成後，中央氣象局在該橋梁工址附近與橋體裝設加速度感測計，以隨時記錄該隔震橋梁的實際地震反應。該隔震橋梁雖然經歷過921集集地震，然而所呈現的地震反應較小，並無法明顯看出隔震的效益。隨後，同年的10月22日，在嘉義市西北方2.5公里處發生規模6.4的地震，從所量測到的地震反應記錄，則明顯呈現出該橋梁的隔震效益[3]，證實隔震裝置能有效降低地震力的輸入。此外，1994年美國加州洛杉磯北嶺地震與1995年日本阪神地震的經驗亦證實，應用隔震裝置可以有效的減低地震的危害，確保人身、財產的安全與結構物的震後功能性[4]。雖然已有許多證據顯示隔震裝置可以有效降低橋梁的地震力，然而目前尚無實測記錄驗證隔震橋梁在近斷層(Near-fault)地震下的行為。由於近斷層地震具有高地表最大速度(PGV)與最大加速度(PGA)比值、顯著的脈衝(Pulse-type)震波與瞬間能量輸入等特性，對結構物所造成的危害，往往比一般同規模的遠域(Far-fault)地震嚴重[5~7]。本文擬以嘉南大圳北幹線一號排水橋為研究案例，利用現地試驗結果與1022嘉義地震的橋梁反應量測記錄，建立隔震橋梁分析模型，採用兩種脈衝震波與實測加速度歷時模擬近斷層地震，以此模型探討近斷層地震對隔震橋梁地震力反應的影響。除了利用不同脈衝貢獻量與脈衝週期，研究近斷層效應對隔震橋梁最大加速度與最大位移反應的放大效應外，並探討隔震裝置在不同程度的非線性行為下的近斷層效應，建議在隔震設計上的考量方法。此外，則以模擬方式說明，以加裝阻尼器提高支承系統阻尼比對近斷層效應的影響。二、隔震橋梁特性與分析模型(一)隔震橋梁介紹位於南二高白河新化段的嘉南大圳北幹線一號排水橋為國內首先採用隔震設計的九座橋梁其中之一[1]。如圖一所示，該橋為三跨連續變斷面預力箱型梁穿越橋，跨徑配置為40m+65m+40m，橋面淨寬16.1m，梁深變化從1.9m至3.7m，橋面南北向分離且皆採用部份雙向隔震設計。橋梁之隔震系統乃採用鉛心橡膠支承墊(Lead-rubberbearing,LRB)安裝於兩橋墩墩頂上，以及人造橡膠支承墊安裝於兩橋台。另外亦在橋台與橋墩上設置剪力鋼棒。橋台上的剪力鋼棒只允許於橋軸方向移動，橋墩上的剪力鋼棒則可任意方向移動，藉此達到部份雙向隔震行為。(二)隔震橋梁分析模型本研究利用SAP2000分析程式進行動力分析。橋梁的梁柱結構採用梁元素模擬，以2.4ton/m3之單位體積重量計算桿件自重，附屬設施重量則是以3.763ton/m計算。LRB模擬方式如圖二(a)所示，採用線性黏滯阻尼元素與雙線性遲滯元素並聯的方式，模擬其在水平方向的動力特性；垂直方向則以一線彈性元素模擬。水平向的線性黏滯阻尼元素，主要是考量LRB在未降伏前的小變形運動，仍具有由橡膠材料所提供的微量阻尼比；橋台上的人造橡膠支承墊模擬方式如圖二(b)所示，採用滑動摩擦元素模擬PTFE支承的水平運動行為，該元素於滑動前的彈性勁度即為人造橡膠支承墊的水平勁度。此座隔震橋梁在結構體完工時曾由國工局委託台灣營建研究院進行過一序列的現地試驗[2]，包括微震試驗、強迫振動試驗與自由振動試驗。中央氣象局更於現地試驗完成後，在該橋梁架設了24個加速度測計，用來隨時記錄地震發生時該隔震橋梁與其工址附近的地震反應。經由現地試驗的結果與地震反應記錄，已驗證所建立分析模型之準確性與適當性[8,9]。圖三(a)與圖三(b)分別說明在橋梁中點軸向加速度與位移反應的模擬情形。三、近斷層地震之模擬於2000年10月22日在嘉義市西偏北方2.5公里處發生規模6.4的地震，該地震為該隔震橋完工後首度遭遇的較大地震，從位於橋墩基礎上的記錄顯示，其橋軸向加速度最大值達150gal。圖四(a)與圖四(b)分別為在橋墩基礎上得到的橋軸向加速度歷時，與其對應的反應譜。從加速度歷時記錄與其反應譜觀察，得知此地震並未具有近斷層地震特徵。但是，由於此地震記錄可代表該隔震橋梁的工址特性，若能適當的將近斷層地震特徵加入此地震記錄中，則可得到一兼具工址特性與近斷層特徵的地震記錄。近斷層地震的特徵之一是具有較長週期的脈衝震波。根據不同的脈衝形式，近斷層地震種類大致尚可分成TypeA、TypeB、TypeC-I與TypeC-II四種[7]。本研究利用TypeA與TypeB兩種脈衝波形與1022嘉義地震記錄組合，以模擬發生於該隔震橋梁的近斷層地震。此兩種脈衝震波的地表加速度、速度與位移的示意圖，如圖五(a)與五(b)所示。以數學式來表示，TypeA脈衝震波的加速度)(,tuAg、速度)(,tuAg與位移)(,tuAg分別寫成：)sin()(,tTVtupppAgpTt0(1a)))cos(1(2)(,tVtuppAgpTt0(1b))sin(42)(,tTVtVtuppppAgpTt0(1c)其中pV=最大地表速度，ppT/2=脈衝震波週期。TypeB脈衝震波的加速度)(,tuBg、速度)(,tuBg與位移)(,tuBg則表示成：)cos(2)(,tTVtupppBgpTt0(2a))sin()(,tVtuppBgpTt0(2b)))cos(1(2)(,tTVtupppBgpTt0(2c)本文模擬近斷層地震的方式，是利用上述的脈衝震波速度與1022嘉義地震的地表速度相加，再對疊加的速度歷時微分，得到的加速度歷時即為模擬的近斷層地震記錄。1022嘉義地震的地表速度是從量測的加速度值積分而來。在進行速度歷時疊加時，使脈衝震波的第一個峰值的發生時間，與地震地表速度的峰值發生時間重合；並且經由調整脈衝震波與地震記錄兩者最大速度的比值，以表示不同程度的近斷層效應。因此，合成地表速度歷時可以寫成：TypeA))cos(1(2)()(,taVtutuppgSAg(3a)TypeB)sin()()(,taVtutuppgSBg(3b)其中)(tug=地震地表速度；pV=0.128m/s為地震地表速度最大值；a值表示近斷層脈衝震波的貢獻程度。當a=1、3與9時，分別表示該脈衝震波對合成地表速度有50%、75%與90%的貢獻。以TypeA脈衝震波為例，當脈衝週期pT=1.0且有75%貢獻量時(a=3)，合成得到的近斷層地表加速度與速度歷時分別如圖六(a)與圖六(b)所示。四、近斷層地震下的反應利用上述的模擬方式針對TypeA與TypeB兩種脈衝震波，各製造三組近斷層地表加速度，分別對應50%、75%與90%的近斷層脈衝貢獻量。每一組包括8個加速度歷時，分別對應到pT=0.2、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0與7.0秒的脈衝震波週期。所有地震歷時的最大地表加速度，皆等於1022嘉義地震所量測到的橋墩基礎最大加速度值，也就是0.153g。採用SAP2000分析程式對此隔震橋梁進行地震力反應動力分析，主要探討橋梁上部結構中點的最大加速度Amax、最大位移Dmax、地震總輸入能量Ei、LRB隔震系統消散能量Ed與前兩者的比值等反應。表1至表6列出此隔震橋梁在各模擬近斷層地震下的反應。(一)加速度與位移反應如同表1所示，該隔震橋梁在1022嘉義地震下的最大加速度與最大位移分析值分別為0.171g與3.30cm。圖七(a)與七(b)分別為結構在模擬近斷層地震下，最大加速度與最大位移反應對1022嘉義地震下的反應之比值。從圖中顯示，當脈衝震波週期在1.0秒附近時，結構的加速度與位移有顯著的放大。在50%TypeA地震的最大加速度與最大位移各增加了24%與28%；當TypeA脈衝震波貢獻增加到75%時，則放大到51%與57%。在50%TypeB與75%TypeB的最大加速度與最大位移則分別增加了22%、24%與49%、53%。而當脈衝震波貢獻量增加到90%時，結構的最大加速度與最大位移則約接近原來的兩倍。由此可見，不同程度的脈衝震波貢獻、脈衝震波的週期與形式，對隔震橋梁的近斷層反應會有不同的影響。再者，從1022嘉義地震的量測記錄分析得知，在該地震下隔震橋梁的振動週期約為1秒。所以當脈衝震波的週期接近1.0秒時，絕大部份的脈衝震波能量全都進入橋梁結構，以致其近斷層效應最為嚴重。對TypeA脈衝而言，此類型近斷層地震對本隔震橋梁反應的放大效應，主要是在1秒附近。隨著脈衝週期的增加，此近斷層效應會降低到最小，在此情形下的動力反應會與1022嘉義地震的反應接近。至於TypeB脈衝的影響範圍，則比TypeA來得廣泛，以本研究所考量的情形，只有當TypeB貢獻量為50%時，其影響變化較為接近TypeA。當TypeB貢獻量增加到75%或90%時，其近斷層效應隨著脈衝震波週期增加的衰減程度較為緩慢，甚至在4~5秒的週期附近，此近斷層效應還會有死灰復燃的情形，直到脈衝週期大於6秒之後。此效應才會近於消失。TypeB脈衝波這種現象，主要是因為其加速度波形(圖五(b))起始點為突然性的跳躍(jump)，導致其長週期震波反應的衰減較為緩慢。(二)能量比與PGV/PGA比值PGV/PGA比值往往也是作為判斷近斷層地震的指標之一，一般而言，近斷層地震通常具有較高的PGV/PGA比值。從1022嘉義地震記錄所獲得的資料得知，該地震的PGV/PGA比值為0.085。圖八(a)為本文中所產生的近斷層地震的PGV/PGA值變化情形。從圖中顯示，PGV/PGA比值變化與近斷層脈衝貢獻量有關。除了90%貢獻量的情形外，該比值的變化在脈衝震波週期漸增時會逐漸緩和。從式3(a)或3(b)可以很容易的得知，以本研究的合成近斷層地震而言，其PGV/PGA比值可以表示成：)()1(/ppFFpaVPGAVaPGAPGV(4)其中FFPGA為1022嘉義地震的PGA值。從上式不難瞭解，對固定比例貢獻的近斷層震波，其PGV/PGA比值會隨著震波週期增加而遞增。然而，若是其貢獻量對應之a值不大，則此PGV/PGA比值隨震波週期的遞增趨勢，會很快就減緩而趨向一定值。這也就是圖八(a)中50%、75%與90%脈衝震波之間的差異來源。另外，值得注意的是，即使在高PGV/PGA值的情形下，若脈衝震波週期明顯大於此隔震橋梁在該地震下的主要振動週期，其近斷層效應並不明顯。由此可知，近斷層地震對本隔震橋梁的影響程度，並無法單從PGV/PGA比值來判斷，必須配合脈衝震波的主要週期與隔震橋梁在地震下的主要振動週期比值，方可確定。在地震輸入能量方面，