臺灣博碩士論文加值系統

摘 要
本文基於SAP2000有限元素法程式對集鹿斜張橋進行之3D動態分析結果，探討921集集大地震中集鹿斜張橋之動態行為。研究結果顯示集鹿斜張橋本身具有可觀的耐震能力，即使存在一部份未完工之工程，亦未危及該橋。而由進一步探討得知集鹿斜張橋於921集集大地震中之損壞，主要源於地震中橋軸向位移過大，使得斜張橋與相鄰I型預力橋出現對撞現象，主塔因而產生可觀的慣性力，進而在該慣性力產生的彎矩下，主塔與主梁介面因為張應力過大而造成張裂現象。基於上述現象，建議未來斜張橋之設計，除現有規範規定外，應特別重視地震中斜張橋與相鄰橋梁對撞間距之留設，以確保斜張橋耐震設計之功能。
關鍵詞：斜張橋、3D動態分析、對撞。

ABSTRACT
Based on the results obtained from 3D dynamic analyses for the Chi-Lu cable-stayed bridge using SAP2000 finite element program, dynamic behavior of such a bridge subjected to the action of the 911 Chi-Chi Earthquake is investigated in this paper. Results of this research indicate that the Chi-Lu cable-stayed bridge has significant seismic resistant capability such that even if certain part of the structure was not finished, the bridge itself did not endangered by the strong motion of the earthquake. Results from advanced studies show that the major reason for causing damage of Chi-Lu cable-stayed bridge is the collision between two bridges with different styles. Such a collision occurred during the 921 Chi-Chi Earthquake when the displacement for the boxed girder of the cable-stayed bridge along axial direction exceeds the width of the gap between such a bridge and its neighbor I-girder bridge. Significant inertia forces are therefore produced immediately after the collision. The rigidly connected interface between the main tower and the boxed girder of the cable-stayed bridge is opened when too great a tensile stress is caused by the inertia forces. Based on the above phenomenon, besides the currently available design criteria, it is suggested that a sufficient large gap has to be provided between a cable-stayed bridge and its neighbor bridge such that all the functions provided by seismic resistant design can be ensured.
Key Words: Cable-Stayed Bridge, 3D Dynamic Analyses ,collision

目 錄
中文摘要................................................ Ⅰ
英文摘要................................................ Ⅱ
目錄.................................................... Ⅲ
表目錄.................................................. VII
圖目錄.................................................. VIII

第一章 緒論............................................. 1
1-1 研究動機........................................ 1
1-2 研究目的........................................ 4
1-3 研究步驟........................................ 4

第二章 文獻回顧......................................... 6
2-1斜張橋之演變.................................... 6
2-2 弦理論公式...................................... 10
2-3 橋梁耐震評估方法................................ 10
2-4 橋梁基礎地盤反力係數評估方法.................... 11
2-5 Kenji Kosa等人有關集鹿橋損壞之研究………………… 18
2-6　賴立中有關集鹿斜張橋之破壞分析 …………………… 36
2-7吳瑞龍等人有關集鹿斜張橋吊索修復工程之研究……… 69

第三章 研究內容......................................... 90
3-1 集鹿斜張橋3D有限元素分析模型之建立.............. 90
3-1-1 整體橋梁完工後之集鹿斜張橋模型.............. 90
3-1-2 含部分為完工橋版之集鹿斜張橋模型............ 92
3-2 集鹿斜張橋整體之3D靜態與動態分析................ 93
3-2-1 集鹿斜張橋之基本條件........................ 93
3-2-2 各主要構件之有限元素法模擬.................. 96
3-2-2-1 主塔.................................... 96
3-2-2-2 主梁.................................... 97
3-2-2-3 橋面版.................................. 97
3-2-2-4 橋墩.................................... 98
3-2-2-5 帽梁.................................... 98
3-2-2-6 群樁.................................... 99
3-2-2-7 吊索.................................... 100
3-2-3 幾何形狀.................................... 100
3-2-3-1 主塔.................................... 100
3-2-3-2 主梁.................................... 100
3-2-3-3 橋面版.................................. 101
3-2-3-4 橋墩.................................... 101
3-2-3-5 帽梁.................................... 101
3-2-3-6 群樁.................................... 101
3-2-3-7 吊索.................................... 101
3-2-4 材料性質.................................... 102
3-2-4-1 主塔.................................... 102
3-2-4-2 主梁.................................... 103
3-2-4-3 橋面版.................................. 103
3-2-4-4 橋墩.................................... 103
3-2-4-5 帽梁.................................... 103
3-2-4-6 群樁.................................... 103
3-2-4-7 吊索.................................... 104
3-2-4-8 機樁-土壤介面彈簧常數................... 104
3-2-5 載重條件.................................... 104
3-2-5-1 靜載重.................................. 105
3-2-5-1 動態載重................................ 105
3-3 集鹿斜張橋整體之有限元素模擬分析................ 107
3-4 集鹿斜張橋與相鄰I型梁橋對撞之相關分析........... 107

第四章 結果之比較與討論................................. 109
4-1 集鹿斜張橋3D靜態分析結果....................... 109
4-1-1 橋面板 應力等值線圖之比較.................
111
4-1-2 橋面板 應力等值線圖之比較................. 112
4-1-3 橋面板 應力等值線圖之比較.................
113
4-2 橋梁3D動態分析結果............................. 114
4-2-1 橋面板最大加速度等值線圖.................... 114
4-2-2 橋面板最大速度等值線圖...................... 119
4-2-3 橋面板最大位移等值線圖...................... 124
4-3 集鹿斜張橋地震中受損原因之探討.................. 126
4-3-1 集鹿斜張橋與相鄰I型梁橋對撞之可能性分析..... 126
4-3-2 主塔慣性力之計算............................ 127
4-3-3 主塔底面作用彎矩之計算...................... 130
4-3-4 張裂面作用之張力及抵抗張力計算.............. 130
4-3-5 張裂面是否可能發生張裂破壞之判定............ 131
4-4 吊索端錨裂斷原因之探討.......................... 131
第五章 結果與建議....................................... 138

第六章 參考文獻......................................... 141

表目錄
表2-1 世界排名十大斜張橋……………………………………... 9
表2-2 橫斷面常數……………………………………………… 20
表2-3 最大反應 ………………………………………………… 28
表2-4 測站基本資料 …………………………………………… 37
表2-5 吊索資料 ………………………………………………… 51
表2-6 在全域座標下結構物主要振動模態 …………………… 53
表2-7 集鹿斜張橋之修復方法 ………………………………… 71
表2-8 吊索條數與錨錠更換數量 ……………………………… 72
表2-9 振動法計算之張力與油壓實拉張力比較 ……………… 86
表3-1 集鹿斜張橋之跨徑配置、結構型式及用途 …………… 95
表3-2 集鹿斜張橋吊索編號及長度 …………………………… 102
表3-3 集鹿斜張橋之基樁-土壤介面彈簧常數………………….. 104
表3-4 集鹿斜張橋吊索編號及預力 …………………………… 105
表3-5 921集集大地震南投縣水里國小測站資料……………… 106
表4-1 橋面版 應力、 應力、 剪應力等值線圖大小之比較…………………………………………………………...
110
表4-2 主塔慣性力及彎矩之計算表……………………………... 129
表4-3 張裂面作用張力之計算表………………………………... 130
表4-4 張裂面混凝土抵抗張力之計算表………………………... 130
表4-5 表層張裂面鋼筋抵抗張力之計算表……………………... 131
表4-6 地震前集集側橋面版路面高差…………………………... 134
表4-7 地震後集集側橋面版路面高差…………………………... 136
圖目錄
圖1-1 集鹿大橋地理位置圖………………………………… 2
圖1-2 集集大地震中集鹿斜張橋鹿谷端橋軸向之土塔與主梁及橋面版介面表層開裂情形................……………………………………..……… 2
圖1-3 921集集大地震中集鹿橋鹿谷端橋軸向之主塔下方橋墩與主梁及橋面版介面之底層開裂情形…………….. 3
圖1-4 鹿谷鄉上游側編號L14吊索端錨裂斷現象………….. 3
圖2-1 溫克模式（Winkler model）………………………….. 12
圖2-2 p-y曲線示意圖………………………………………… 13
圖2-3 沉箱（橋台）與土壤互制結構分析模式…………….. 13
圖2-4 樁基礎與土壤互制結構分析模式…………………….. 14
圖2-5 集鹿斜張橋之受921大地震損壞情形……………… 18
圖2-6 3D框架式模型………………………………………… 19
圖2-7 TCU078測站與集鹿橋及震源關係圖………………… 22
圖2-8 H/V地微振動頻率之比較……………………………… 24
圖2-9 校正後之加速度歷時曲線 …………………………… 25
圖2-10 主塔底部的遲滯迴圈 ………………………………… 26
圖2-11 主塔頂部之遲滯迴圈 ………………………………… 27
圖2-12 主塔與橋墩底部遲滯迴圈 …………………………… 29
圖2-13 主塔及橋墩的彎矩分佈圖 …………………………… 30
圖2-14 對應橋軸水流向的主要模態 ………………………… 31
圖2-15 主塔及橋墩的位移發展 ……………………………… 33
圖2-16 吊索之張力分佈圖 …………………………………… 35
圖2-17 TCU078測站加速度反應譜 …………………………… 39
圖2-17 TCU078測站加速度反應譜(續) ……………………… 40
圖2-18 結構元素模擬及邊界條件 …………………………… 42
圖2-19 結構節點編號 ………………………………………… 42
圖2-20 3D結構模型 …………………………………………… 42
圖2-21 混凝土應力-應變曲線………………………………… 45
圖2-22 鋼筋應力-應變曲線…………………………………… 45
圖2-23 主梁中央箱型斷面彎矩-曲率關係…………………… 48
圖2-24 橋塔斷面彎矩-曲率關係(a) ………………………… 49
圖2-24 橋塔斷面彎矩-曲率關係(b)續 ……………………… 50
圖2-25 主梁臨界斷面雙向彎矩需求與容量關係 …………… 55
圖2-26 主塔臨界斷面雙向彎矩需求與容量關係 …………… 55
圖2-27 橋柱臨界斷面雙向彎矩需求與容量關係 …………… 56
圖2-28 非線性元素NL-Beam 1弱軸彎矩-轉角關係 ………… 57
圖2-29 非線性元素NL-Beam 1強軸彎矩-轉角關係 ………… 57
圖2-30 非線性元素NL-Beam 2弱軸彎矩-轉角關係 ………… 58
圖2-31 非線性元素NL-Beam 2強軸彎矩-轉角關係 ………… 58
圖2-32 非線性元素NL-Pylon 1弱軸彎矩-轉角關係………… 59
圖2-33 非線性元素NL-Pylon1強軸彎矩-轉角關係………… 59
圖2-34 主梁臨界斷面雙向剪力需求與容量關係 …………… 61
圖2-35 主塔臨界斷面雙向剪力需求與容量關係 …………… 61
圖2-36 橋柱臨界斷面雙向剪力關係 ………………………… 62
圖2-37 編號1號吊索軸力歷時變化 ………………………… 63
圖2-38 編號14L號吊索之軸力歷時曲線…………………… 63
圖2-39 編號32號吊索之軸力歷時曲線……………………… 63
圖2-40 地震力作用下節點5之位移歷時曲線 ……………… 64
圖2-41 地震力作用下節點30之位移歷時曲線……………… 64
圖2-42 地震力作用下節點41之位移歷時曲線……………… 65
圖2-43 地震力作用下節點66之位移歷時曲線……………… 65
圖2-44 第6模態 ……………………………………………… 66
圖2-45 破壞區域之示意圖 …………………………………… 68
圖2-46 錨錠破壞處與振動 …………………………………… 70
圖2-47 同股數吊索更換之說明 ……………………………… 73
圖2-48 錨錠構造圖 …………………………………………… 74
圖2-49 錨錠吊索製造順序 …………………………………… 76
圖2-50 拆除吊索 ……………………………………………… 77
圖2-51 切斷吊索 ……………………………………………… 77
圖2-52 插入錨錠定著盤 ……………………………………… 77
圖2-53 錨錠部插入完成 ……………………………………… 77
圖2-54 APS壓夾環壓夾作業…………………………………… 77
圖2-55 APS壓夾環夾完成……………………………………… 77
圖2-56 定著盤組裝完成 ……………………………………… 78
圖2-57 錨錠零件組裝完成 …………………………………… 78
圖2-58 APS樹脂灌鑄作業 …………………………………… 78
圖2-59 HPDE被覆再裝設 ……………………………………… 78
圖2-60 熱收縮管作業 ………………………………………… 78
圖2-61 錨錠組裝完成 ………………………………………… 78
圖2-62 吊索張力計算模型(a)………………………………… 80
圖2-62 吊索張力計算模型(b)……………………………… 81
圖2-63 單線模型 ……………………………………………… 82
圖2-64 橡膠減振塊與振動距離 ……………………………… 85
圖2-65 橋面高度之分佈情形 ………………………………… 88
圖2-66 吊索張力 L側(a)……………………………………… 89
圖2-66 吊索張力 R側(b)……………………………………… 89
圖3-1 整體橋梁完工後之集鹿斜張橋模型………………….. 90
圖3-2 含部份未完工橋面版之集鹿斜張橋模型(a)………… 92
圖3-2 含部份未完工橋面版之集鹿斜張橋模型(b)………… 93
圖3-3 集鹿斜張橋立面圖…………………………………….. 94
圖3-4 組合型箱型主梁剖面圖……………………………….. 95
圖3-5 橋墩、樁帽及群樁剖面圖……………………………… 95
圖3-6 主塔之有限元素模組………………………………….. 96
圖3-7 主梁之有限元素模組………………………………….. 97
圖3-8 殼元素………………………………………………….. 97
圖3-9 橋墩柱元素…………………………………………….. 98
圖3-10 帽梁殼元素…………………………………………….. 98
圖3-11 基樁梁元素…………………………………………….. 99
圖3-12 吊索之有限元素模組 …………………………….… 100
圖3-13 本論文採用之地震加速度歷時曲線(a)……………… 106
圖3-13 本論文採用之地震加速度歷時曲線(b)……………… 106
圖3-13 本論文採用之地震加速度歷時曲線(c)……………… 107
圖4-1 橋面版 應力等值線圖………………………………
111
圖4-2 橋面版 應力等值線圖………………………………
112
圖4-3 橋面版 剪應力等值線圖…………………………….
113
圖4-4 橋面版X向之最大加速度等值線圖…………………... 115
圖4-5 橋面版Y向之最大加速度等值線圖…………………... 116
圖4-6 橋面版Z向之最大加速度等值線圖………………….. 117
圖4-7 橋面版X向之最大速度等值線圖…………………….. 118
圖4-8 橋面版Y向之最大速度等值線圖…………………….. 120
圖4-9 橋面版Z向之最大速度等值線圖……………………... 121
圖4-10 橋面版X向之最大位移等值線圖……………………... 122
圖4-11 橋面版Y向之最大位移等值線圖…………………….. 123
圖4-12 橋面版Z向之最大位移等值線圖…………………….. 125
圖4-13 主梁端點之位移歷時曲線圖………………………….. 126
圖4-14 斜張橋與鄰橋I型梁對撞產生慣性力作用示意圖….. 128
圖4-15 主梁預拱下垂量之分佈圖…………………………….. 132

1. 吳瑞龍、謝哲雄、馬昆平、久保元生、谷岸淳一、小川久志，“集鹿大橋吊索修復工程”，臺灣公路工程，第31卷第11期，pp.492~508(2005)。
2.蔡俊鐿，斜張橋，科技圖書（1999）。
3.「921集集大地震集鹿大橋修復工程斜張橋主橋部份」，交通部公路局第二區工程處竣工報告書，林同棪顧問工程顧問股份有限公司（2001）。
4.「南投縣集鹿大橋地質鑽探工程」，交通部公路局第二區工程處工程報告書，林同棪顧問工程顧問股份有限公司（1995）。
5.「南投縣集鹿大橋新建工程」交通部公路局第二區工程處橋梁工程細部設計圖，林同棪顧問工程顧問股份有限公司（1995）。
6.「集鹿大橋新建工程」交通部公路局第二區工程處結構計算書（第一次修正版），長虹工程股份有限公司（1999）。
7.楊森閔，「由現地基樁試驗資料歸納土壤p-y曲線」，國立台灣大學土木工程研究所碩士論文（2002）。
8.陳正興，建築技術規則建築構造編基礎構造設計規範（含解說），內政部建築研究所（1998）。
9.姚義久，日本公路橋規範及解說（V耐震設計篇），財團法人中興工程科技研究發展基金會，翻譯自日本道路協會「道路橋示方書（V耐震設計編）•同解說」（2004）。
10.Kenji Kosa and Kenji Tasaki, “Detailed Investigation of PC Cable-stayed Bridge Damaged in the 1999 Taiwan Earthquake,” paper to be published (2005)。
11.賴立中，「集鹿斜張橋受921集集地震作用之破壞分析」，國立成功大學土木工程學系研究所碩士論文(2000)。