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研究生:陳能鴻
研究生(外文):Neng-Hong Chen
論文名稱:單跨樁基礎橋梁模型之振動台實驗研究
論文名稱(外文):Shaking table study on a single span pile foundation bridge model
指導教授:張國鎮張國鎮引用關係
指導教授(外文):Kuo-Chun, Chang
口試委員:陳正興宋欣泰
口試委員(外文):Cheng-Hsing ChenS. T. Song
口試日期:2013-06-27
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:土木工程學研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:189
中文關鍵詞:多重災害振動台樁基礎沖刷效應土壤結構互制土壤彈簧
外文關鍵詞:Multi-hazardShaking table testPile foundationScouring effectSoil-structure interactionSoil spring
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本研究探討單跨簡支含樁基礎之橋梁受沖刷裸露後之耐震行為,藉由雙砂箱剪力盒與振動台實驗,檢視橋柱與樁基礎之需求容量關係。實驗設計係參考公路橋梁耐震設計規範補充研究完成,提供合理之結構週期與柱、樁彎矩強度比。試體包含I型加勁鋼梁、U形鋼帽梁、構架式圓形鋼管橋墩、方形鋼基礎版、及鋁製空心圓管樁。支承條件採用橡膠支承模擬鉸接端,滾接端則以滾珠支承模擬。實驗規劃分為固定基礎及基礎裸露兩類,固定基礎者係將鋼基礎版鎖固於振動台面,且其下無樁基礎;基礎裸露者乃將鋁樁鎖固於砂箱剪力盒底部,並以相對密度50%之乾性石英砂逐層蓋覆。實驗主要參數以樁徑之倍數代表沖刷深度,符號系統分別以H、R、D說明鉸接端樁基礎、滾接端樁基礎、及樁徑,共計H0D-R0D、H0D-R3D、H3D-R3D、H3D-R6D、H6D-R6D等5組。輸入地表加速度歷時包含El Centro地震、集集地震TCU076測站及與規範反應譜相符之人造地震歷時,最大地表加速度範圍為100gal至350gal。實驗過程主要紀錄結構及土層之加速度與位移反應,並由樁身與柱底之應變計可間接求得其於振動過程中之彎矩與位移曲線函數,提供需求容量比(D/C ratio)之檢核。
實驗結果顯示,固定基礎之橋柱須能承擔較高的彎矩需求容量比,相較於基礎裸露者為一保守的設計條件。隨樁基礎裸露程度增加,結構顯著週期亦增加,大梁加速度則恰成相反,但大梁位移因與反應譜特性相關而無固定趨勢。相同地震作用下,當樁基礎裸露增加後,樁體最大彎矩發生位置越趨朝樁底方向移動,並非位於樁頂。如根據柱、樁彎矩之需求容量比檢討橋梁安全時,樁體彎矩比值之變化較小,但仍受地震特性影響須個案檢討,惟柱身彎矩比均呈現下降。如根據柱、樁之變形檢討橋梁安全時,橋柱相對位移放大趨勢則較樁明顯,應與基礎裸露後基礎版之旋轉貢獻有關。整體而言,當基礎裸露之橋梁受地震作用時,宜整體檢視柱、樁破壞模式轉移現象,尤以樁體彎矩及橋柱相對位移為檢查重點。
本研究另參考公路橋梁耐震評估與補強準則,建構橋梁分析模型探討含土壤彈簧模型之結構週期。初步結果顯示,無基礎裸露者之分析週期與實驗週期相近,但隨裸露程度增加則不盡理想,未來宜針對土壤性質適度模擬,以期許對全橋受震反應獲得合理與準確的評估。


This study investigated the seismic performance and soil-structure interaction of a scoured bridge with exposed pile foundation by dual biaxial laminar shear boxes and shaking table tests. The simply-supported bridge model was comprised of an I-section girder representing the superstructure, and two portal frames with cap-beam and circular tubes as substructure, individually supported by a massive block and single pipe as pile cap and pile foundation. Underneath the girder, two elastomeric rubber pads at left end stand for hinge condition, while a set of three rolling bearings at right end behaved ideal roller. The material for the bent, pile, and soil is steel, aluminum, and dry silica sand with relatively density of 50%, respectively. The pile tip was bolted at the bottom of the shear box. However, the pile is designated to be scoured as a ratio pile diameter (D) at either hinge-end (H) or roller-end (R) Category: H0D-R0D, H0D-R3D, H3D-R3D, H3D-R6D, H6D-R6D. The input ground motions included white noise of 30gal, acceleration records from El Centro, TCU076 station in Chi-Chi earthquake, and one spectrum-compatible time history converted from TCU076. The peak ground acceleration started from 100 gal and achieved 350 gal. Strain gauges and accelerometers were positioned along the height of pile surface. The pile and pier moment can calculate by strain gauges, and check the demand capacity ratio of structure. Both acceleration and displacement at girder, cap-beam , pile cap and frame of shear-box were also measured, the structure responses can be observed.
Based on the experimental results, the general observation demonstrated that the structural period shifted longer as the scoured depth increased, as an evidence to explain why the response of maximum displacement of girder and column is getting larger while the maximum acceleration is getting smaller. Therefore, structural safety issue on the allowable criteria of column ductility and pile strength should be addressed and verified from rigorous analytical simulations.


口試委員會審定書..............................................i
誌謝......................................................ii
中文摘要..................................................iii
英文摘要(Abstract).........................................iv
目錄.......................................................v
表目錄...................................................viii
圖目錄.....................................................xi
第一章 緒論.................................................1
1.1 研究背景............................................1
1.2 研究動機............................................1
1.3 研究目的與內容.......................................2
第二章 文獻回顧..............................................5
2.1 土壤-樁結構互制之結構反應實驗研究.......................5
2.1.1 國外相關實驗研究......................................5
2.1.2 國內相關實驗研究......................................5
2.2 土壤與樁基礎互制反應分析研究............................7
2.3 樁分析理論..........................................8
2.4 規範應用...........................................10
2.4.1 公路橋梁耐震設計規範之補充研究.........................10
2.4.2 日本道路橋示方書.....................................12
第三章 振動台實驗規劃與準備...................................30
3.1 實驗設備介紹........................................30
3.2 實驗規劃...........................................30
3.2.1 試體設計及理念......................................30
3.2.2 結構材料及尺寸......................................31
3.2.3 砂土試體...........................................32
3.2.4 量測儀器...........................................33
3.2.5 輸入地震...........................................35
3.2.6 實驗組別...........................................35
3.3 振動台實驗流程......................................36
3.3.1 試體組裝...........................................36
3.3.2 實驗流程...........................................37
第四章 固定基礎橋梁模型實驗成果................................63
4.1 結構動力特性系統識別.................................63
4.1.1 結構頻率...........................................63
4.1.2 結構阻尼比.........................................63
4.2 結構最大反應比較.....................................64
4.2.1 大梁加速度及位移.....................................64
4.2.2 支承墊之位移反應.....................................65
4.2.3 帽梁加速度及位移.....................................65
4.2.4 橋柱彎矩...........................................66
4.2.5 橋柱位移...........................................66
4.3 遲滯迴圈...........................................68
4.4 結構反應譜反應......................................68
第五章 樁基礎橋梁裸露模型實驗成果..............................94
5.1 結構動力特性系統識別.................................94
5.1.1 結構頻率...........................................94
5.1.2 結構阻比...........................................95
5.2 土層放大效應及基樁加速度反應...........................95
5.3 基礎裸露深度與結構反應關係............................96
5.3.1 大梁加速度與位移.....................................96
5.3.2 支承位移...........................................98
5.3.3 帽梁、基礎板加速度與位移..............................98
5.3.4 橋柱及基樁彎矩.....................................100
5.3.5 基樁位移..........................................101
5.4 遲滯迴圈..........................................102
5.5 結構反應譜反應.....................................103
5.6 樁基礎結構與固定基礎結構之比較........................104
5.7 小結.............................................106
第六章 橋梁結構之數值模擬....................................163
6.1 固定基礎橋梁結構模擬................................163
6.1.1 模型之建立........................................163
6.1.2 結構週期..........................................163
6.1.3 地震歷時..........................................164
6.2 基礎裸露之橋梁結構模擬...............................164
6.2.1 模型之建立........................................165
6.2.2 土壤彈簧計算.......................................165
6.2.3 結構週期..........................................167
6.2.4 地震歷時..........................................168
6.3 小結.............................................169
第七章 結論與建議..........................................185
7.1 結論.............................................185
7.2 建議.............................................186
參考文獻..................................................187


[1]吳瑞龍,詹永振,汪令堯(2002)「台一線溪州大橋橋基保固工程施工報告」,台灣公路工程,第二十九卷,第六期,民國九十一年十二月。
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[4]翁作新、陳家漢、彭立先、李偉誠「大型振動台剪力盒土壤液化試驗(II)- 大型砂試體之準備與振動台初期試驗」國家地震工程研究中心研究報告(報告編號:NCREE-03-042),民國92年12月。
[5]翁作新、陳家漢、程漢瑋、吳繼偉「大型振動台剪力盒土壤液化試驗(III)--飽和越南砂試體受震沉陷之探討」國家地震工程研究中心研究報告(報告編號:NCREE-06-019),民國95年12月。
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[12]Designation:D422-63,「Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils」(1998) ,ASTM.
[13]Designation:D4253-00,「Standard Test Methods for Maximum Index Density and Unit Weight of Soils Using a Vibratory Table」,ASTM.
[14]Designation:D4254-00,「 Standard Test Methods for Minimum Index Density and Unit Weight of Soils and Calculation of Relative Density」,ASTM.
[15]Meei-Ling Lin, Tsan-Hwei Huang,. (1996),「 The effects of frequency on damping properties of sand.」Soil Dynamics and Earthquake Engineering 15 pp269-278.
[16]Computers&Engineering:SAP2000
網址:http://www.comp-engineering.com/products/SAP2000/sap2000.html
[17]周贊翔,「樁基礎沖刷橋梁模型之樁土互制研究」,台灣大學土木工程學研究所碩士論文,民國101年6月


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