MODERN/226/由施工者觀點看設計橋樑懸壁施工法篇(一)

一、前言 　　以往營造廠工程師比較缺乏結構設計經驗，對於設計的工程顧問或建築師之單位若有不利於施工上之設計，只有默默承受，此種不合理的事情，短時間可以，長時間下來對國家的競爭力是一種嚴重的傷害，現在營造單位的人員素質比往年提高很多，也比較能夠把設計影響施工，或設計浪費之情事回饋反應給設計單位，但此種情形應予以肯定並擴大落實效果，政府若能扮演輔導者的角色，這實在是國家之福。　　一般產業的工廠，設計單位跟製程單位是平行的，絕沒有設計單位高高在上的老大作風行為，製程單位也絕不會因不合理或窒礙難行之設計，而默默承受下去，必定會回頭請設計單位修改，否則造出來的產品成本過高，受傷害的絕對是公司整體。　　營造業卻跟上述情形略有不同，因涉及公共安全，設計、營造等單位以及政府卻站在微妙的地位上。設計單位因公共安全關係其權威似乎不容挑戰，但經營之神的王永慶曾表示，政府主導的工程，其造價在民營銳意經營之下都可以降得很低。在公共安全的大纛之下，筆者竊以為，在一切過程透明化下，每一次招標，在造形、路線、功能、環境影響不變的前題之下，都可以有替代方案。現雖偶有實施，但須再發揚光大，應擴大為不管工程大小，能省下之經費，都可以部份回饋給政府，其如何實施之大要將在下文討論之。此外替代方案之實績也可以列為承包投標資格之一，則設計者往後必定加強其設計之能力，以免常常被其他方案替代，施工單位也能增進其技術，降低成本，增加收入，使其及早打入國際市場，政府也可減少支出之建設費用，改善國家財政負擔之窘境，實在是個三贏的局面。　　一般傳統產業，可以靠負責人個人努力，在國際市場拼出一條血路子來，但營造業卻須靠政府在其技術與實施辦法上鬆綁，則將來營造業的天空可擴大不少，以下是筆者針對橋樑設計方面，以施工者角度來討論，並不是攻擊工程顧問業者，而是作合理的建議，以節省國家資源的宏觀角度來做最合理的改進。人不會百分之百正確，任何一件工程也絕不會百分之一的合理。我們應有一個健康的心態：設計上偶而不合理也是正常的，多一個人的建議，不是更完善嗎﹖古言有云：愚者千慮，必有一得。公共工程的細部設計通常都是加班趕工，雖然最後總會如期交卷，但在發包之後，如能給予替代方案作為補救之機會，且替代方案也可廣義擴大為任何設計上的數量減少或經費的降低之改善方案，都可從寬認定。並非有替代方案就表示設計者沒有善盡責任之情形，而僅是興利防弊之措施而已。本文僅就規範及設計考慮，並舉三實例證明替代方案的急迫性。本文將將於不定期中，再寫出後續之曲線樑及推進工法篇。 二、連續粱之預力耗損、潛變、乾縮等問題 　　一般連續橋梁，設計者常常會以SAP90〔1〕程式計算，但SAP90不能計算潛變，乾縮問題及預力因上述情形而產生損耗現象，通常設計者都會以AASHTO〔2〕規範所定的2320kg/cm2作為預力損耗的依據，事實上國開公司所研發的三度空間預力橋梁程式TD3F，算出來含短期損耗在內約1900kg/cm2，有的斷面更少

，視潛變乾縮量而定，預力方面可省下約15﹪。潛變乾縮
可以依時間變化求出來，現在已是21世紀末的高科技時代
，照相機都可設計成不用底片，利用電腦計算潛變、乾縮
對梁壓力及位移隨時間做變化有何困難？以下是依CEB-FIP
〔3〕以單自由度對潛變的手算實例，多自由度可如此類推
：

圖一　單自由度的潛變因束制而產生反力

　　一根桿件若施以P之壓力，如圖一則桿件之壓應力為

，若桿件末端不予以束制，則極限時間變形量以應變而言為

，若桿件在受到彈性力後，不久即予以束制，則變形量只是彈性應變而已，潛變量為零，但是有一阻抗力產生，及即潛變力

，因此極限應變之通式為：

彈性應變為

，如將末端束制，

則

表一　潛變係數表
t: (t,t₀)	t₀ 0.0	t₁ 0.1	t₂ 0.4	t₃ 0.6	t₄ 1.0	t₅ 1.5	t₆ 2.0

將前面所說之公式展開得：

　　令每一階段時間

之

特拉出單位應變，以了解反力大小，以得知單自由度之勁度值：

　　為了能跟

比較起見，令

，且

≒

代入上式，　　得

。　　鬆弛函數

　　齡期期數

　　代入得

，而

與

，僅誤差4.3%，如果將時間切割更細，則精密度更高，但考慮混凝土

值隨時間之增長而變大最終時期為標準28天之1.08倍，則齡期係數法比

法更合理表現混凝土之潛變所產生之應力。　　而乾縮之計算可令　

　　代入則

，與

之誤差為4.34%。　　梁完全束制，則潛變位移量為零，乾縮所產生的位移也為零，預力因兩者所產生的損耗也為零，含預力短期損耗在內不會是2320kg/cm2，任何橋梁之束制皆介於零跟完全束制之間，利用勁度矩陣法，再修以齡期係數非線性變化，便可求得正確之值，則TD3F程式採用之方法，能夠涵蓋

值的變化，應該是比較合理之算法。設計者依規範規定的損耗設計，並沒有錯，只是太過保守，施工者的詳細計算能夠節省鋼腱量15﹪也沒有錯，請給予施工者一個替代設計之機會。在結構力學上，變位量同應力一樣重要，請問您用SAP90如何合理算出潛變、乾縮隨著不同時間而產生位移量？進而調整盤式支承的位移量，盤式支承的旋轉量關係支承費用的最大部份，若能精確算出旋轉量，降低一號尺寸，則可省下一些經費，或進而利用來計算合理之預拱量，尤其是懸臂施工法之預拱最依賴潛變位移之精確計算。 三、合攏後懸臂施工法橋梁的乾縮、潛變之應力與預力組合問題 　　在工作荷重法（Service lood）下，梁之應力組合沒有任何疑義，但在極限荷重組合下，各家設計公司組合皆不同，有的公司連二次預力彎矩都沒加進去，有的公司加進去，卻乘以1.3之係數，有的乘以1.0，但柱的二次預力都沒加進去，但幾乎沒有人將二次剪力放進去（Primary剪力不得加入）。正確的觀念是：二次預力是由預力所產生的，不會因載重的不確定而改變，且結構在極限荷重下產生塑性鉸後，橋梁之二次預力宛如錄影帶畫面停格之效果，不會增加，但初始矩彎（Primary），卻會隨荷重之增加而加大，直至第三塑性鉸產生橋梁崩潰為主，所以極限荷組合應如下：1.3呆重＋1.3潛變＋2.17車輛活載重＋1.0二次預力＋……

圖二預力的二次反應　　至於乾縮壓力在地震合併時不應與潛變應力合併在一起，在規範裏已有明確規定，乾縮應以1.3倍與溫度及呆重各乘以1.3倍後那一組合併，而不必與地震合併，至於潛變應力與呆重同步，應處處與其合併，所乘之係數亦比照呆重。事實上乾縮的不確定因素係隨著潛變係數本身（非潛變力）及乾縮係數而變，以

至2.5而言，2.0是最常見值做為標準，考慮

值大，乾縮係數也大的效應，乾縮變化之區間應為0.8-1.1並不會隨溫度升降及載重變化而變，所以規定合併於溫度之組合實在不合理。雖然規範不合理，但仍需遵守，除非未來規範更改。但是有的公司的程式乾縮跟潛變應力無法分開，所以設計的成果也不盡合理。如果試圖以

分出乾縮，則會發覺乾縮無法因潛變得到和緩之效果，而算出過大之乾縮應力，如以乾縮係數

，企圖分出純粹的潛變壓力，則因預力無乾縮損耗，所得出潛變應力過大，也不是正確值。所以給施工者一個替代方案機會，等於多一道校核之保險手續，進而節省造價。 四、場鑄連續預力粱的施工問題 　　連續梁的施工順利與否，跟設計者有密切之關係，如圖三(a)所示多跨連續梁如果採用全部鷹架支撐才能澆灌混凝土，則嚴重增加工期及尖鋒人力需求，如能改成圖三(b)之二跨二跨鷹架支撐，則可改善施工之成本，所以設計必須修改為添加預力聯結器，使每跨預力不會因過長的鋼腱摩擦而增大損耗，可改用軟性套管，但整體而言施工成本還是下降，並降低工程之風險，因為如圖三(a)鷹架全體架設期間過長，遇到連續暴雨使鷹架沉陷的機會增大，因此給施工者一個替代方案機會，將使造價降低，並減

少工程之風險，施工者也可以減少保
險費，使業主減少支出（工程險由預
算編列），此外橋墩頂若有鉸接，除
最靠近外圍採用輥接以消除部份之溫
度、乾縮等壓力外，其餘皆應改為固
接以節省盤式支承造價。

圖三連續鷹架可改善為臨時僅兩跨支撐

五、懸臂施工法，預力鋼腱配置問題 　　一般設計者喜歡將懸臂施工法橋梁中間跨距之連續預力錨碇點放在腹版內側之腰部，但懸臂節塊向

前推出，內模底部必須鋸掉或拆掉如圖
四(c)中斜線面積之部份，才能向前推到
前面節塊去，假使預力錨碇點放在內中
央，則此內模到下一節塊時已無多模少
利用價值，所以給施工者一個替代方案
，則等於給國家一個競爭力。

圖四錨碇儘量靠近底版以利內模再利用

六、已有雙臂施工法橋梁，替代方案改善實例一 　　有一建造完成之懸臂施工法橋梁如圖五所示，在尾跨合攏前，靠中央跨距這一端懸臂長度較大，則合攏時線形如圖六所示，在懸臂梁上揚，合攏點高程控制恐怕多耗費一些施工費，例如在左端加水箱強制左懸臂降低。又如圖七所示中間合攏節塊5m太長，混凝土澆灌時，梁會產生如虛線所示之旋轉及下垂變形，如此的設計不知施工者如何執行，施工者並非萬能，只有替代方案才能讓施工者有翻案機會，如圖八，施工者提出一個替代方案：尾跨 2.2m，懸出橋墩 1m之尾跨梁模版，以Ｈ型鋼用預力鋼棒鎖在橋墩頂附近支撐著並考慮一米空間懸出讓工作車底版Ｈ型鋼可以伸入，免去鋸掉昂貴設備之危機，且可以免去昂貴的地面鷹架支撐，尾跨合攏節塊(斜線所示)，考慮施工裕度，採用最小長度1.5m，尾跨合攏後，再將第11節塊(不平衡節塊)推出，使中間跨距合攏長度降至2.0m，頂端以略短於2米之H型鋼支撐，兩端塞以非收縮水泥砂槳以確保完全密切與兩懸臂尾端接觸。在底版處選擇兩腹版各一套管預力鋼腱，在澆灌混凝土前預先施拉 5預力，可單邊施拉，隨著混凝土澆灌量大小，徐徐加大施拉預力量，預力量由 0.5%緩慢拉至 20%或更小，需由合攏節塊中央的底版應變計決定之，只要應變計維持零度位即可，此節塊可添加早強劑，但勿過度加大其預力，此由兩位領班或資深工人輪流監視24小時即可。三天後混凝土試體達到施拉預力之抗壓的標準，再將未拉至滿額之預力拉完成。本替代方案採用較大之節塊，乃充份利用工作車之工作能量，並縮短工期，因此改成左邊橋墩一對之懸臂先作完，在將工作車移至右邊橋墩的另一對懸背，以節省另一部工作車之租金，因採用單部之故，此作業可能位在 CPM上(要徑分析法)，可提前先整出作業場所來，預先做好樁基礎，則省下工作車租金約80萬，本方案鋼腱量省下 60%，原設計本來鋼腱就已超量設計，懸臂鋼腱超量會引致高潛變應力，需更多的連續鋼腱來解決合攏之正彎矩，可見替代方案可以找出超量之設計，約省下 92噸鋼腱量，連同省下之套管及錨錠裝置，約可省下200萬。樁、基礎及橋墩都可再省，則本方案至少可省290萬，南北兩向橋可省下580萬，雖然不多，但這麼多的橋梁工程都能節省，則可為國家省下5億至10億台幣，對國家的實力不無小補。

圖五 90m長之原方案之懸臂施工法橋

圖六原方案之不平衡節塊尾跨合攏之情形圖七中間跨過長，合攏之變形情況

圖八減少節塊之改善設計圖九有效的解決合攏變形之方法

<未完待續>　　