橋梁「警戒值－行動值」養護評估準則

□林正紋／逢甲大學土木工程學系 助理教授

摘要
        本文利用橋梁自由震動量測資料，為橋梁養護提出一個實用的「警戒值－行動值」評估準則，並以南投貓羅溪橋為例。此「警戒值－行動值」準則被建立於防止落橋，當地震震度達到「警戒值－行動值」之標準級別。基於橋梁之震動量測資料可以得知橋梁的現況，例如x、y和z方向的頻率。在建立橋梁模型中，橋梁3個方向的頻率係用於作為判斷的標準。起初的橋梁模型係根據橋梁的建造藍圖所建立，隨之並利用結構分析程式SAP2000處理動態模態分析。此橋梁模型根據橋梁的屬性標準有些許的調整，以符合橋梁3個方向頻率的現況。一旦橋梁3D動態模型被建立並呈現橋梁現況後，數個級別之地震亦隨之被測試。當橋梁位移在某個程度的地震震度下顯示有突然的變化，那麼此地震震度則訂為行動值，此時可提呈給相關工程師進行合適的動作，例如關閉橋梁。而相較於行動值級別的低一個等級，即為警戒值級別之訂定準則。這樣的「警戒值－行動值」判定，有助於預防地震所帶來的相關災害。

一、前言

        由於台灣地震頻繁與基礎建設系統的老化，使得建築物及橋梁的監測與偵查對於公眾的安全問題逐漸變得重要。因此，能夠對結構物提供安全和剩餘使用壽命的準確估計之可靠辨識系統，對於人口稠密區之基礎建設系統的老化現象有其迫切的需要。
        再者對於橋梁耐震行為的探討，常以其設計藍圖為基礎，並利用理論分析推求橋梁在微震力或地震力作用下之反應。由於橋梁的實際行為常因施工品質、材料乾縮老化、車輛超載等原因，而與理論分析結果有所差異，因此在推算結構物受力反應時，若能考慮到實際與理論值之間的差異程度，將會更為準確。要了解結構真實之動力特性，最直接的方式就是進行現地實驗，並以現地實驗之結果做系統辨識，如Fig. 1.來改進現有之理論分析模式，使得分析結果更為準確。
        從養護的觀點來看，未來橋梁，特別是現代長跨距橋梁，還得通過其他外力的考驗，如地震力、砂石車超載等擾動外力；為確認橋梁之長期安全使用性，防範無預警之橋梁災害，實有必要對橋體持續檢測，包括：(1)目視檢測；(2)微震反應檢測(Fig. 1.)；(3)橋面變位：利用速度計規(Fig. 2.)量測。因此，有必要對橋梁進行結構安全檢測，並建立一套「警戒值-行動值」養護準則。

二、工作內容

        貓羅溪橋介於台灣的草屯與南投市之間，橫跨貓羅溪，位於台3線上，里程約208K+484。於民國86年10月竣工，橋梁結構型式為上部連續鋼板梁，下部結構為RC橋墩及8Mφ沈箱基礎，其橋面淨寬度18公尺而長度為950公尺共23跨，全橋分為A~F六個單元(如Fig. 3.)。本橋帽梁、大梁為鋼結構，橋面為連續之曲線橋，主梁與橋墩成斜角排列，帽梁與上部結構採剛接方式。下部結構為RC單柱式橋墩，鋼帽梁置於RC橋墩之上，利用錨碇鋼構及剪力釘錨碇於RC橋墩。
        貓羅溪橋結構檢測工作包括現地檢查、照片拍攝記錄、現地微震量測試驗、總體檢測評鑑建立養護準則、維修補強建議報告。其中，橋面版評估係根據美國州公路與運輸官員協會(AASHTO) [1-4]之定義標準。詳細工作範圍如下：(1) 交通流量觀察與記錄；(2) 鋼構橋梁目視檢測評估；(3)現地微震量測試驗：微震量測是最常用之現地量測方式，利用微震量測儀直接量測結構物在周圍環境擾動影響下，所作的輕微振動反應，因此能夠長期且經常性的檢測橋梁的主要振動頻率。其中試驗之設備規格及佈置示意圖如Fig. 4.所示。
交通流量調查
        交通流量之觀察與記錄是以統計學的簡單隨機取樣（simple random sampling）方式於橋梁不同時段，統計出橋梁交通流量狀況，並估算出每分鐘車流量總載重，且將所有的取樣點推估所得每分鐘車流量總載重，該值可化為橋梁的均佈載重，做為SAP2000橋梁模型之靜態載重分析，可做為危害橋梁安全因素之評估項目。以本橋梁的最大速限60 km/hr做為計算車速之標準，最後可得到車流量的模擬均載值為40.2 kg/m。

三、現地微震量測

        在橋梁的耐震行為探討中，常以其設計藍圖為基礎，以理論分析推求橋梁在地震作用下之反應。但橋梁結構體由於施工品質、長期使用致使材料發生疲乏及乾縮老化、腐蝕或河床沖刷、車輛超載等原因，而導致實際行為與理論分析結果有所差異；所以在推算結構物地震反應時，若能考慮到實際與理論間的差異程度，將會更為準確。因此，要了解結構物真實之動力特性，最直接的方式就是進行現地實驗，並以現地實驗之結果來改進現有之理論分析模式，使分析結果更為準確。
        在常用的結構動態試驗方法中，由於微震量測試驗不需要激震設備，僅需利用微震量測儀器直接量測結構物在周圍環境擾動影響下，所作的輕微震動反應；雖然微震量測所需的時間較長，因環境振動輸入的能量極小，所以結構物之振幅極小，易受外界雜訊之影響，但在現地動態實驗中仍是最常用之現地量測方式，而且能夠長期且經常性的檢測橋梁的主要振動頻率，並由橋梁主要振動頻率長期性的檢測紀錄值之比較，可以得知頻率是否有突然的變動，而此項變動可能意味著橋梁在量測處受到損傷，所以現階段微震量測的結果可以作為未來微震量測值的比較依據。
        在執行貓羅溪橋現地微震量測試驗中所採用之量測感應子，係為Wilcoxon Research Inc. [5]之731A Seismic Accelerometer(可開關控制選擇量測加速度或速度)，如Fig. 2.所示，其配合訊號擷取器及電腦主機(如Fig. 5.)進行橋梁之速度歷時反應量測，由於目視檢測時並沒有發現橋梁有重大損傷，故於C、D、E、F四段主要橋梁上，每段選取兩個或以上的橋面版共十段橋面版(如Fig. 6.之W-1～W-10)及二十根橋墩柱(如Fig. 7.之W-11～W-30)施做現地微震量測。

微震量測之訊號處理及量測結果
        實驗數據的處理，主要是利用Famous軟體來作業，首先，將量測的速度資料依實驗時間的長短擷取65536筆數據，微震量測所得到的反應訊號經過快速傅立葉轉換(FFT)將時間域轉換到頻率域後，可得各測點的傅立葉頻譜圖。但由於現地施作微震量測時，會夾雜著許多不相干的訊號及往來車輛所產生的震動反應訊號，導致不容易判斷出結構物主要振動頻率，因此可藉由訊號處理來改善上述現象：
        
        其中為能量光譜。假如訊號X和Y是沒有相互關係的，則表示在時之互相影響的能量。
        所以在施測過程中，皆在所挑選的橋梁結構單元(如Fig. 6. and Fig. 7.)同一地點附近施做兩點的微震量測實驗，並藉由兩個訊號沒有互相關聯其能量之特性，應用Eq. (1).可將傅立葉頻譜圖中不相干訊號之尖峰值消去，如此一來就可以很容易地判斷出橋面版及橋墩柱之軸向、橫向及垂直向的主要振動頻率，最後得到的結果如Table 1所示，此數值可做為檢測橋梁損傷依據之一。再利用微震量測所得垂直向的速度歷時反應資料來做積分，可推求橋面垂直方向位移，如Table 2所示。觀察Table 1可以得知，FS2(W-9)及FS3(W-10)之橋橫向與橋垂直向的主要振動頻率稍微偏低。一般而言，橋梁之主要振動頻率是建議在1.5Hz以上，以期能達到橋梁之安全性，因此針對F橋進行SAP2000橋梁模型模擬分析。
表一 微震量測試驗結果

表二 橋面垂直向位移

四、「警戒值－行動值」養護準則

        利用SAP2000模擬貓羅溪橋，以F橋為例(如Fig. 8.)，分別遭受0.0008g、0.0025g、0.0082g、0.0255g、0.0816g、0.2549g以及0.4079g最大加速度之地震時所產生的最大位移(橋面變位)；此七項加速度值即為Table 3之地震震度分級表(由交通部中央氣象局於八十九年八月一日所公告) [6]中，各級震度的地動加速度範圍之下限值。而模擬的地震資料是採用距離貓羅溪橋最近，也就是位於草屯國小的TCU075測站，於921大地震時所接收到的地震資料。

表三 地震震度分級表

        經由SAP2000模擬分析後，可得到本橋遭受各級別之地震震度所產生的橋軸向、橋橫向以及橋垂直向之最大位移量(如Fig. 9.)。Figure 9.顯示，橋軸向、橋橫向以及橋垂直向之最大位移在震度4級後，有明顯急遽上升之現象，故判定震度4級為行動值之界線；而下一級震度3級即為警戒值。

        因此，吾人為此橋所設定之警戒值為橋址所在地之震度達3級以上，而行動值則為橋址所在地之震度達4級以上。此套「警戒值－行動值」判斷準則，可作為橋梁是否需進行安全檢測評估工作之依據，以保障人民生活安全。

五、結論

        本橋梁每分鐘平均車流量的模擬均載值約為40.2 kg/m，此數值可做為SAP2000橋梁的靜態載重分析，來做為危害橋梁安全因素之評估項目。在經過目視檢測後得知：(1) 全橋鋼梁皆有油漆剝落、生鏽現象，應儘速除鏽補漆；(2) 部份排水設施有堵塞狀況，應清除淤塞部份；(3) 部份胸牆RC龜裂破損或保護層不足導致鋼筋外露；(4) 橋墩柱CP3、CP4、FP1、FP3橋墩柱體有裂縫產生；(5) 橋墩柱CP2、DP5、DP6 、EP5、EP6、EP7 、FP2橋墩包覆柱體鋼板生鏽、油漆剝落，應儘速除鏽補漆。
        根據現地微震量測的結果，如Table 1所示，得知DP1~DP2(W-4)、EP2~EP3(W-5)與F橋(FP1~FP3：對應Table 1之W-9、W-10)比較具有結構安全的疑慮，因其橋軸向結構頻率皆為1.5Hz。
        選取F橋梁建立靜態與動態模型，得知FS2(W-9)及FS3(W-10)之橋橫向與橋垂直向的主要振動頻率稍微偏低，這表示橋梁結構可能遭受損壞(節點破損或鋼筋斷裂…等等)，因此待補強。至於橋梁結構是否遭受損壞，則需進行一系列之非破壞檢測(例如超音波檢測法、敲擊回音法以及紅外線熱影像檢測法等等)才能得之。
        吾人為此橋所設定之警戒值為橋址所在地之震度達3級以上，而行動值則為橋址所在地之震度達4級以上。此套「警戒值－行動值」判斷準則，可作為橋梁是否需進行安全檢測評估工作之依據，以保障人民生活安全。
        整體而言，貓羅溪橋並無重大安全疑慮，建議例行性維修之外，三年之內完成全面油漆粉刷除鏽暨裂縫補強工程、DP1~DP2、EP2~EP3及FP1~FP3橋墩柱維修補強工程等。此外，實證模型所建立之「警戒值－行動值」，亦為管理養護此橋重要數據。

六、誌謝

        非常感謝交通部公路總局第二區養護工程處南投工務段贊助“台3線208K+484貓羅溪橋結構安全檢測評估工作”以及相關評審委員與工程師提供寶貴意見，一併致謝；另外感謝行政院國家科學委員會贊助 (research grant NSC 97-2221-E-035-045)此篇研究論文。

參考文獻

1. AASHTO, 1994, Manual for Condition Evaluation of Bridges, AASHTO.
2. AASHTO, 1989, Guide Specifications for Strength Evaluation of Existing Steel and Concrete Bridges, AASHTO.
3. AASHTO, 1987, Manual for Bridge Maintenance, AASHTO.
4. U.S. Department of Transportation, 1991, Bridge Inspector’s Training Manual, Federal Highway Adminstration, U.S. Department of Transportation, 1991.
5. http://www.wilcoxon.com/.
6. http://www.cwb.gov.tw/