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耐震防災新科技:橋墩結構新工法

近年來各項工程為減少危險的高空人工作業,並提升施工效率,營建自動化逐漸受到重視。鋼骨與鋼筋混凝土複合式橋墩的發展也逐漸以營建自動化為出發點,除考量橋墩柱的耐震性外,也把施工性與施工步驟納入考量。
 
 
 
橋墩是橋梁結構系統中抵抗地震力的主要構件,其設計與施工品質影響整體橋梁耐震性能甚鉅。傳統橋墩多是鋼筋混凝土或鋼結構,前者在耐震設計中為滿足強度及韌性的需求,橋墩須配置足夠的主筋與大量的橫向鋼筋,且規定許多配筋細節,如耐震彎鉤、伸展長度等。然而大量的橫向鋼筋與嚴格的配筋細節容易增加施工複雜度,造成施工品質與施工安全不易掌控,所需工期與造價也隨之大幅增加。

至於後者,雖因鋼材具高強度與韌性,可減少柱斷面尺寸與自重,但它在高軸力下會局部挫屈,因此須在柱內裝設加勁板、角隅連結材,並考量螺栓或電銲接頭所需作業空間等,施工複雜度也頗高。

由此可見,傳統鋼筋混凝土橋墩與鋼橋墩各有優缺點。為使結構耐震系統更有效率,採用鋼骨與鋼筋混凝土複合式橋墩能兼具鋼的高強度、高韌性與混凝土的高承載力、高耐久性的優點,可有效減少繁複的施工作業,有助於提升施工品質與施工效能,並達到營建自動化與提高施工安全的目的。

近年來,逐漸發展出結合傳統的鋼骨及鋼筋混凝土橋墩柱的設計,以達到省時、省工並兼具高性能的複合式橋墩柱的各式新工法,如日本的3H工法和REED工法。

參考3H工法與REED工法的精神,配合國內需求與施工環境,國家地震工程研究中心藉著承辦國道新建工程局的研究計畫,以及交通部鐵路改建工程局中部工程處在台中區的鐵路高架化工程,研發了符合營建自動工法的H鋼與鋼筋混凝土複合式橋墩,並在地震中心試驗大尺寸試體。研究結果證實這複合式橋墩的施工性與耐震性都優於傳統橋墩。

橋墩配置與特色

這項研究的複合式橋墩工法採用H型鋼做為鋼筋或鋼筋籠組裝時的支撐,並以H型鋼取代部分主筋,是鋼骨—鋼筋混凝土橋墩工法。這工法可降低傳統鋼筋籠組裝時的施工風險,也提供了良好的耐震性能。

鋼骨及鋼筋混凝土複合式橋墩的基本構造包含軸向H型鋼、軸向鋼筋、橫向箍筋與混凝土,箍筋的配置位置可以在H型鋼外側(型式A)或內箍於H型鋼內側(型式B)。

型式A外圍以一筆箍箍筋包覆提供圍束,所謂一筆箍是指同一層箍筋由同一根鋼筋彎紮而成。施工時,把橋柱斷面分成六個H型鋼與一筆箍鋼筋籠。首先分別吊裝並固定六個H型鋼,之後再把事先在地面綁紮完成的一筆箍箍筋籠吊裝,並以已組立完成的H型鋼為支撐。如此做法可避免傳統配置橋墩所需的繁複箍筋與繫筋綁紮作業,也可透過H型鋼的支撐降低鋼筋籠吊裝的工安問題,並提升施工效率。

至於型式B,則先分別吊裝並固定六個H型鋼,之後再把事先在地面組裝與綁紮完成的六片鋼筋籠逐片吊裝,並以H型鋼內凹的內緣做為導軌與支撐,把六組鋼筋籠一一吊放至正確位置。如此做法可縮小單一鋼筋籠尺寸,降低大尺寸鋼筋籠吊裝的工安問題,事先組裝好的鋼筋籠也可減少高空鋼筋綁紮作業,降低高空作業風險,並提高施工效率。

此外,為確保H型鋼和周圍混凝土之間有足夠的握裹力,複合式橋墩在H型鋼的適當位置配置剪力連接器。於型式A中,在鋼骨雙側翼板位置焊接剪力釘。型式B則在單側翼板位置焊接剪力釘,另考量型式B混凝土保護層較厚,可在外圍鋪設鋼絲網。

施工流程與紀錄

H型鋼及鋼筋混凝土複合式橋墩因有基礎鋼筋、型鋼、橋柱鋼筋等界面,施工方法與傳統工法略有不同。型式A的施工步驟是先綁紮基礎下層鋼筋,架設鋼構框架在基礎下層鋼筋上方,然後利用鋼構框架,固定下段型鋼,接著把置於箍筋角落處的部分主筋先與箍筋固定成為一牢固的鋼筋籠後,以吊裝方式把鋼筋籠套在型鋼外,

再放置橋柱第一昇層其餘主筋,最後完成基礎鋼筋綁紮與基礎混凝土澆置。橋柱混凝土部分則與傳統工法施工方式相同,先架設施工架,組裝模板,混凝土澆置、養生,模板及施工架拆除,反覆這些步驟至橋柱頂部。

型式B基礎的施工與H型鋼的組裝步驟和型式A類似,但鋼筋籠吊放流程完全不同,步驟如下:先綁紮基礎下層鋼筋,並固定H型鋼於正確位置後,以H型鋼內凹側為導槽與支撐,先逐片吊放事先綁紮完成的中間鋼筋籠,再吊放角落鋼筋籠,接著綁紮其餘繫筋,然後插入U型鋼筋,以強化各獨立鋼筋籠之間與鋼筋籠和H型鋼之間的連接。

為探討所研發工法的施工性,國家地震工程研究中心實際施工完成了型式A和型式B複合式橋柱各一座縮尺試體,兩座試體斷面尺寸都是1.2公尺 × 1.8公尺,試體總高度都是10.5公尺。兩座試體施作時都全程記錄、照相和錄影,並以依傳統RC方式施作的橋柱為對照組,比較施工工率。

以型式A試體為例,依紀錄,複合式橋柱的工率是傳統橋柱的93.6%,顯示所發展的複合橋柱在施工效率上確實優於傳統做法,可用於改善營造業勞工短缺及工人素質不穩定的問題。

試體的性能試驗與比較

為驗證鋼骨與鋼筋混凝土複合式橋柱的耐震性能,兩組試體在完工後都在實驗室內試驗其性能,並與傳統配置橋墩比較。傳統橋柱在位移比(代表柱頂側推位移和柱高的比率)是5%時就會破壞,複合式橋墩則可維持強度至9%的位移比。

此外,傳統橋柱箍筋發生一般矩形RC柱常見的破壞模式,即直線排列箍筋明顯外鼓,繫筋彎勾脫離,因此其箍筋圍束效果完全喪失,主筋嚴重挫曲斷裂。反觀複合柱的圍束箍筋沒有明顯外凸情形,仍保持在其原始位置,可見複合柱的圍束效果和耐震性能都優於傳統RC橋柱。

由實際試體施工工率的計算,已證實複合橋柱工法的施工性優於傳統橋柱,另依性能試驗結果也證實複合橋柱的耐震性能優於傳統橋柱。但橋柱工法的選擇除了考量施工性與耐震性外,經濟性也是決定因素,因此也比較複合橋柱試體與傳統試體的造價。數據顯示複合式橋柱的總成本是傳統柱的129%,主要原因是鋼骨的費用高於鋼筋混凝土。

工法應用與檢討

箍筋綁紮是橋柱施工時最為繁雜的工項之一,這項研究所開發的鋼骨與鋼筋混凝土複合式橋柱工法主要藉由箍筋加工組裝的自動化,達到營建自動化的目的,並透過以鋼骨取代部分主筋做為主筋與箍筋籠組裝時的支撐,降低鋼筋組立時的施工風險與主筋過度緊密排列時綁紮的困難。

經實際施工驗證這工法在施工效率上的確優於傳統做法,可用於改善營造業勞工短缺及工人素質不穩定的問題。此外,性能試驗證實開發的複合橋柱耐震性能不僅可達到傳統橋柱的標準,其韌性更高於傳統橋柱。但在成本上由於鋼骨的材料費用高於鋼筋混凝土,因此複合式橋柱試體的造價仍高於傳統橋柱。這研究也完成H型鋼與鋼筋混凝土複合式橋柱的設計及施工手冊,可做為後續複合式橋柱相關工程應用的參考。

在實際工程應用上,開發的型式B複合式橋墩已成功應用於台中鐵路高架計畫,這計畫由於須在現有鐵路旁施工,施工工安問題更顯得重要,因此採用複合橋柱施工法。施工的情形是:依型式B複合式橋柱施工流程,先行組立H型鋼後就可把事先在工址旁綁紮完成的鋼筋籠逐片吊裝,降低大尺寸鋼筋籠吊放時易發生的工安問題,也減少現場高空鋼筋綁紮的作業。

而型式A複合式橋柱的類似概念,也已應用於五楊拓寬計畫的單柱雙層高架橋。該橋的橋墩以H型鋼取代部分鋼筋,可降低混凝土澆置難度,並減少模板設置與鋼筋組裝時的施工風險。
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