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1、高屏溪斜張主橋現場載重試驗成果探討屏東監造工程處工 程 師高 雄 辦 事 處 經 理 蔡同宏 莊輝雄摘要現場載重試驗主要目的在於了解橋梁於試驗荷載下之實際服務性，藉以判定安全承載能力及使用限制條件。另外，對於某些在學理上難以清楚評估之結構行為，亦可透過結構模型試驗及現場載重試驗成果，印證其實際動靜力行為特性。同時，現場載重試驗亦有助於檢核橋梁完竣後之施工品質，並可發掘例行維護檢查作業中較難察覺之潛在弱面。本文旨在闡述國道三號高屏溪斜張主橋現場載重試驗之作業規劃、內容及成果，並配合相關理論分析模式探討斜張主橋之實際結構行為。現場載重試驗成果除可重新檢核斜張主橋結構分析模式與相關設計參數之可靠度外
2、，對於日後從事類似橋梁設計人員，亦可提供其不同之思維。一、概述基於考量工址地形及橋梁縱面特徵，並配合大跨徑橋梁跨越高屏溪主河道之需求，國道三號高屏溪橋主橋採單塔非對稱斜張橋結構型式設計，該橋主跨330公尺為全銲接鋼構箱型梁，西側臨山嶺處180公尺側跨為雙箱室預力混凝土箱型梁；兩側單面混合扇形斜張鋼纜系統則分別錨碇於塔柱及箱型梁中央處；鋼筋混凝土橋塔高183.5公尺，採結構穩定性高之A型設計。由於斜張主橋具長跨徑、重量輕、細長比大等特性，結構系統柔軟度高，且單面鋼纜之支撐設計亦使得該橋具有較柔軟之扭矩振態，故動力行為之變異性亦相對較大。有鑑於此，為求瞭解並檢核工程完竣後，橋梁於實際車行活載下，鋼
3、構箱型梁、預力混凝土箱型梁、橋塔以及斜張鋼纜等結構系統之行為表現，特於斜張主橋監測研究計畫中規劃一現場載重試驗，以為參考依據。本試驗主要由國立成功大學土木系方一匡教授、陳培麟教授及國立台灣科技大學營建系陳生金教授所組成之跨校研究單位與本司二高屏東監造工程處共同負責籌畫執行。整體現場載重試驗內容主要包括斜張主橋載重試驗規劃、結構行為理論分析及試驗成果探討等。二、現場載重試驗規劃2.1試驗規劃斜張主橋現場載重試驗時程規劃係配合工程施工進度於橋梁主體結構全數完竣後進行，相關試驗項目規劃詳表1所示。表1 載重試驗時程規劃載重試驗時程規劃試驗項目第一天第二天第三天第四天靜態載重試驗斜張主橋撓曲試驗斜張主
4、橋扭矩試驗主跨鋼構箱型梁撓曲試驗主跨鋼構箱型梁扭矩試驗側跨預力混凝土梁撓曲試驗側跨預力混凝土梁扭矩試驗動態載重試驗斜張主橋車行試驗斜張主橋衝擊試驗主跨鋼構箱型梁車行試驗主跨鋼構箱型梁衝擊試驗側跨預力混凝土梁車行試驗側跨預力混凝土梁衝擊試驗現場載重試驗目的主要在於確立橋梁之服務性，而非探討橋梁極限承載能力，故僅規劃非破壞性試驗，即以適當數量載重車模擬設計活載外力，並配合已埋設之監測儀器進行資料收集。試驗項目主要分為靜態及動態兩部分，試驗對象則以斜張主橋整體結構系統為主，惟考量上部結構材質之差異性，故再細分主跨鋼構箱型梁及側跨預力混凝土箱型梁兩大主題。此外，考量主跨與側跨之構材性質差異甚大，載重試
5、驗乃分別針對主跨鋼構箱型梁及側跨預力混凝土箱型梁進行靜態撓曲、扭矩試驗及動態車行、衝擊試驗等，本文僅針對靜態載重試驗成果進行探討。2.2試驗標的2.2.1主跨鋼構箱型梁鋼構箱型梁之載重試驗規劃係以測定箱型梁撓曲及扭矩變位為主，亦即模擬載重車單向或雙向對稱佈設於車道時，車行載重對橋面造成之扭矩或彎矩效應(詳圖1及圖2)，並於箱型梁左右兩側紐澤西橋護欄上規劃數處位移監測點，配合主橋下方測站進行測定。圖1 載重車雙向對稱佈設於車道之撓曲載重型式示意圖圖2 載重車單向佈設於車道之扭矩載重型式示意圖2.2.2側跨預力混凝土箱型梁有關藉由載重試驗探討預力混凝土箱型梁之載重分佈情形方面，主要是選取撓曲載重試
6、驗項目進行輪重分佈研析，亦即模擬載重車雙向對稱佈設於車道時，車行載重對橋面板造成之彎矩效應。換言之，即利用預埋應變計量測載重車分別加載於主側跨車道時，對預力混凝土箱型梁頂板、腹板、橫隔梁及底板所造成之應變。2.2.3斜張鋼纜系統探討斜張鋼纜因活載改變造成索力變化時，主要是規劃數組靜態載重試驗項目檢核鋼纜之應力行為。試驗進行時，側跨預力混凝土箱型梁端係選擇編號B113、B111、B108、B107、B106、B103及最接近A1橋台之B101鋼纜進行自然振動試驗；而主跨鋼構箱型梁方面，考量對稱配置及探討於相同載重情形下，相對應鋼纜之索力變化關係，亦同時選擇編號F113、F111、F108、F10
7、7、F106、F103及F101等鋼纜進行試驗。2.2.4橋塔橋塔載重試驗規劃主要以測定橋塔變位及其相關控制點位之應力量測為主，其變位測定包括三軸向位移及轉角變位兩項，此兩項量測資料亦可互為校核。軸向位移係以設置於主橋邊坡上監測室之變位計進行塔頂及橫梁處控制點位測定；轉角測定則採用安裝於橋塔內各控制升層斷面之傾斜儀進行量測。另有關橋塔應力測定部分，主要是利用預埋於橋塔各控制斷面升層內之鋼筋計、混凝土應變計進行綜合測定。2.3載重分析及型式由於斜張主橋跨徑相當大，因此所受之剪力及彎矩主要由車道載重(Lane load)控制【1】。本橋結構系統係以AASHTO HS20-44標準載重車加25%進行
8、活載重設計，考量車道數、折減係數及衝擊係數等計算參數，其各項活載設計檢核值詳如表2。表2 各項活載設計檢核值主跨鋼構箱型梁側跨預力混凝土箱型梁均佈載重74.3KN/m76.33KN/m剪力分析之集中力637.1KN654.2KN彎矩分析之集中力927.6KN945.3KN另為模擬橋梁受設計活載重之真實狀況，並滿足動靜態載重試驗之需求，同時考量外載重來源及調配之便捷性，本橋採用當地砂石車(設計總重32.23噸)進行加載，其標準軸重應力配置詳圖3所示【2】。圖3 加載砂石車之應力配置示意載重試驗主要目的在於探討結構動靜力特性係數及推估全橋之服務載重，其試驗外載重並不須以最大設計活載重為考量對象，可
9、適度地折減，唯須確認外載重足以引起可供判讀之量測值。有鑑於此，現場載重試驗係以不同載重情況所形成之彎矩或扭矩效應來量測斜張主橋之應變與變位，故規劃以30部砂石車供試驗加載之用。再者，靜態載重係規劃數部載重車依各單項試驗目的分別佈設於單向或雙向車道定點位置，藉由觀測橋梁受撓曲及扭矩之變形行為及受力狀況，進而評估全橋設計載重之可靠性及探求結構靜力特性係數。載重車定點位置係於試驗前利用黃色警示帶標示於中央橋護欄之金屬欄杆上，試驗進行時工作人員再將黃色警示帶分別拉至南北兩側金屬欄杆之相對應點位，如此則可管控各車道之載重車均能整齊對稱佈設於規劃位置【2】。2.4資料蒐集資料蒐集的對象包含監測計畫所規劃之
10、全部預埋式監測儀器及配合載重試驗特殊需求所配置之外加式量測儀器，預埋式監測儀器資料均由一組工作人員配合儀器供應商收錄於監測室之中央集錄系統；外加式量測儀器則依試驗項目需求進行規劃，約可概分成靜態資料收集及動態資料收集兩部分。靜態資料收集之量測對象主要為箱型梁變位量，依據規劃分別於主側跨箱梁兩側紐澤西橋護欄上各規劃五處位移監測點，並於橋梁下方配置四組測站，測量人員按各項載重試驗項目之規劃，收集相關變形資料。動態資料主要為蒐集箱型梁加速度資料，外加式加速度計分別於主側跨橋面上各安裝5組，資料收集站則設置於橋塔附近。除此之外，斜張鋼纜振動資料收錄於中央分隔帶之臨時集錄系統，外加式鋼構箱型梁應變計及鋼
11、纜錨碇處應變計資料則收錄於箱型梁內部三組臨時資料收集器，其相關配置詳圖4【2】。圖4 各測站、測點示意圖三、結構行為與分析模式本橋斜張鋼纜系統係沿橋軸方向呈單一平面佈設之單索面型式，此配置將不利於橋梁結構抵抗側向力對橋面板所造成之扭矩，故橋面板採中空箱型梁斷面設計，用以增加橋面板之斷面抗扭性質。根據日本道路協會”道路橋示方書”【3】之規定，單索面斜張橋箱型梁可視為由中央腹板、橫隔梁與外側腹板所組成之格子梁模式；斜張鋼纜錨碇於中央腹板，橫隔梁與外側腹板則以懸臂方式與中央腹板相連結。當外載重作用時，應力傳遞至中央腹板、橫隔梁與外側腹板等處，此時作用於橫隔梁與外側腹板之荷載亦經由橫隔板而傳遞至中央腹
12、板處，最後再由斜張鋼纜系統傳至橋塔。本文目的主要藉由現場載重試驗計畫之執行，探討斜張主橋箱型梁與斜張鋼纜系統相關結構設計分析模式與實際應力行為之差異比較，從而研析橋梁之結構行為與服務性，茲現分就各結構系統概述如下：3.1上部結構3.1.1主跨鋼構箱型梁斜張橋主梁撓曲變位檢核為橋梁後續維護作業之重點工作，然目前相關橋梁設計規範中，卻無明確訂定其容許撓曲變位之檢核準則。另言之，在AASHTO橋梁設計規範中，撓曲變形檢核僅針對跨徑小於150m以下之中長跨徑一般結構型式橋梁，並無論及斜張橋之撓曲變位檢核。本橋主跨(採箱型梁結構型式配置，跨徑為330公尺)於設計車道載重下最大容許撓曲變位約為74cm(即
13、設計容許撓曲變位與跨徑比約為1/446)，遠較現行AASHTO(1996年版)橋梁設計規範中所訂之一般結構型式同跨徑長橋(因容許撓曲變位與跨徑比為1/800，故推得其最大跨徑約為336公尺)之最大限制撓曲變位量42cm為大。另根據Brockenbrough R. L.與Merritt F. S歸納相關文獻資料之經驗值顯示，當斜張橋容許撓曲變位與跨徑比為1/4001/500時，其設計最大容許撓曲變位量約在83cm66cm間【4】，本橋主跨之最大設計容許撓曲變位量則恰位於上述二容許撓曲變位範圍內。綜上所述，現場載重試驗特別規劃以SAP 2000分析軟體之三維有限元素Shell model及二維有限
14、元素beam model來探討當不同載重型式加載於主橋時，主跨鋼構箱型梁之載重分佈及撓曲變化情形，並將試驗結果與理論分析模式進行綜合比對，藉以檢核其應力承載特性。二維有限元素beam model 係以線彈性剛架構件(linear elastic frame element) 模擬橋塔、斜張鋼纜及箱型梁結構行為；橋塔及箱型梁採全斷面性質進行模擬(gross cross-sectional properties)，另橋塔邊界條件則假設固接於基礎上，且不考慮承載土體與橋梁主體間之交互作用力。三維有限元素Shell model則以等效斷面性質(equivalent section properties
15、) 將箱型梁模擬成雙箱室殼元素；而橋塔與斜張鋼纜系統之假設條件則與二維有限元素beam model完全一致，詳圖5【4】。圖5 三維Shell model與二維beam model之模擬比較3.1.2側跨預力混凝土箱型梁當進行預力混凝土箱型梁載重分析時，根據Hambly與Pennells等人之建議【5】，可將車行方向斷面視為內外腹板沿同一中性軸變形，並將整個箱型梁分割成I型梁與L型梁進行彈性分析。箱型梁頂板與底板可分別視為I型梁與L型梁之翼板，而橫斷面則將頂板與底板視為變形一致之I型梁翼板，橫隔梁則為I型梁腹板；惟考量箱型梁亦受剪力作用而產生扭矩變形(distortion)，因此整個斷面並非沿同一中性軸變形之彈性梁行為，導致進行結構分析時所採用之斷面性質並非箱型梁之實際斷面性質。有鑑於此，本文所介紹之載重分析係以剪力遲滯效應(shear lag effect)來探求箱型梁之各分割斷面性質【6】。剪
