| □林楚儒／亞新工程顧問公司 正工程師 |
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一、前言 自從二次世界大戰結束後，為了儘速修復戰爭時期所受損的橋梁，於是發明了許多新施工方法，在諸多的預力混凝土橋梁工法中，最有名的當數德國的一家叫地克霍夫─維德曼(Dyckerhoff & Widmann)公司所倡導的一個節塊、一個節塊地由現場澆置的懸臂施工法橋梁，不久就有人提出預鑄的懸臂施工法，直到現今兩種施工方式在世界上仍廣泛地流行著，但前者比較常見。剛開始發展懸臂施工法時，中間跨距的中線點皆以鉸鏈方式連結起來，當時並未有混凝土潛變(creep)的體認，以致橋梁中間跨距之中央的鉸接點，隨著時間的變化而越來越下垂，現今由於科技的進步，混凝土潛變及乾縮模式可以數學式子模擬出，而橋梁由於混凝土之黏彈(visco-elastic)效應所產生的撓曲及反應力，也可以合理採取勁度矩陣[1]求出，因此在橋梁的中間跨距之中央點，或尾跨兩端欲合攏處，皆可固接起來，梁近底版處之向上凹起的連續預力鋼腱，可在最後施工階段，於混凝土合攏澆置後，予以佈置並施拉預力，俾能提供該完整梁因重力而產生之正彎矩。 為了能消除未來因混凝土的潛變及乾縮效應所造成的橋梁相當大之下垂量起見，將會在以下章節裏詳細地介紹。懸臂施工法橋梁最長跨距可達200 m，現再也不是新聞了，目前尚未聽說有超級大跨距之預力混凝土橋在撓曲或應力控制方面出現問題。 懸臂施工法橋梁最常見的是平衡懸臂式的，是由橋墩左右兩側的梁節塊完全等長，以等待混凝土澆灌，也幾乎於兩端處同時進行，並且預力亦是同時施拉，但新技術顯現橋墩左右兩側有不平衡梁節塊長度，才可更方便施工，即如圖1所示之橋墩左右兩側的梁節塊，隨時每側都比另一側超出半個節塊之長度，使最不利的翻倒力矩維持在最小邊緣，但如有一端超長一整個節塊長度，便有上述2倍之不利的翻倒力矩，因此不平衡梁節塊施工方式，可使混凝土的澆置比傳統的平衡懸臂式更富彈性，可省下一組工作人員，因澆置一端混凝土的工人在梁節塊澆置完成後，趁著混凝土仍在養護階段，可轉換成另一端節塊的模板工或鋼筋組立工，甚或成為預力施拉及灌漿工。設計抵抗不平衡的翻倒力矩之橋墩要特別小心，如有不足，橋墩左右兩邊的梁底下就要做臨時支撐及拉錨碇於橋墩基礎版內之高拉力鋼棒，仔細檢視圖3、圖4以及以下之章節，不含繪圖之設計及分析3跨懸臂施工法橋梁，於1天之內完成是可做得到的。 二、橋梁佈設之考量 橋梁佈設攸關於成本、功能以及施工上的品質及難易度，不平衡懸臂施工法橋梁的典型節塊安排及鋼腱安置方式係如圖3、圖4所示，圖1之模式具筆者所提倡每一端懸臂梁施工時之所遭遇到不平衡的優勢，此外局部的現場澆置之尾跨，係老早做好以等待左端之工作車往左推進時，藉2 m長之節塊將尾跨予以合攏，因兩端以場撐之兩局部的現場澆置節塊，早就澆灌好，只等工作車來接近，以節省施工時間，面向跨距中央之柱頭版節塊長度為4.5 m，比面向尾跨的懸臂端柱頭版節塊長度為6 m還短，係因為跨距中央之兩橋墩處通常為灌溉圳溝渠、路旁水溝、鐵路路堤或鄉村路邊之路肩等，皆會妨礙跨距中央側的柱頭版節塊澆灌混凝土前之臨時支撐的架設，在節塊的混凝土強度達到f’c的80%程度，此為25C 的正常溫度下之3天的養護期或24小時蒸汽養護所達到之強度，馬上可施拉預力後，工作車即可推到下一節塊處，因此就可允許5天完成一個節塊的週期，大大地減低橋梁的整體施工時間，所謂懸臂樹，即因一根墩柱上頂著左右兩個懸臂，其形狀如樹，故以此謂之。連續且固接的橋梁，通常設計為部份預力，以容許梁頂或梁底混凝土纖維有容許拉應力，此容許拉應力由鋼筋承受，假使為了混凝土耐久性的考量，或預鑄節塊不允許混凝土任何斷面處有拉應力的狀況下，就須採全預力設計，但也招致如圖2所示之問題。  圖1 不平衡懸臂梁節塊展示每一端交換式的施預力方式之懸臂樹結構  圖2(a)為現場澆置的3跨連續梁，其中間兩根固接之橋墩極短，將使梁施拉預力時，相當不容易，因短柱對預力的抵抗很大，且基礎也將因施拉預力時或潛變及乾縮效應下承受大彎矩及高剪力，使施工費用也提高，但有兩種方法可改善，即圖2(b)中將其中一根內柱的基礎降低3~4 m使該墩柱之撓性增加，或如圖2(c)中，於任一根內柱的墩頂按放滑動支承連接到上部結構，使其能自由滑動。 雖然如此，但以上的改善仍有缺點：將基礎降低，須打鋼板樁以支撐基礎開挖；而安裝滑動支承卻使在懸臂施工階段維持結構的穩定性之困難度增加，因稍不小心，箱型梁即翻倒，且本來固接的改成滑動支承，代表墩柱在極限強度設計下的延展性降低，此在地震國家內特為真實，因3跨距之4根柱子只有一根用來抵抗橋梁縱向的地震力，圖2(a)之極矮橋墩的全預力觀念(在任何狀況下的任一混凝土纖維都不得有張力)常常需設計大量的預力鋼腱，以致箱梁內無足夠空間擺進去，只有將其中一根內柱之墩頂上安裝滑動支承一途了，由過去幾年來的經驗得知：混凝土有時會由於不明的荷重而產生裂縫，但混凝土的確可抵抗至0.1f’c的拉應力，由混凝土的剪應力強度，或對鋼筋產生裹握力的情形看來，皆是混凝土有抗拉力的強度，以摩爾圈(Mohr’s circle)的混凝土元素之某一角度確實需傳遞拉應力，如果我們不過份強調全預力，那麼施加部份預力的混凝土也一樣可表現出耐久性，因過去的年代裏不清楚的潛變及乾縮效應，如今都可清楚地定性及定量分析出來[1]，而不再是神秘的現象。  圖3 不平衡懸臂施工法橋梁之預力鋼腱佈設(一)  圖4 不平衡懸臂施工法橋梁之預力鋼腱佈設(二) 如同圖2，4跨以上之長的懸臂施工法橋梁到底需解除多少墩頂上的固接?改成滑動支承是需要電腦分析後決定，但要特別小心在懸臂施工階段，該墩柱須暫時固接，以維持結構的穩定性，以免不平衡而翻倒，從圖1的懸臂樹仔細檢視每一節塊的施工階段，都會輪流在每一側產生翻倒力矩，最典型的解決辦法是：拉力由高拉力鋼棒拉住，壓力就由柱頂臨時的混凝土墊承擔，這些都要經過詳細計算，以保證施工時的安全。 (三)分成兩座懸臂施工法的橋梁 對於很長之橋梁，懸臂施工法橋梁如圖6要儘可能分成兩座才好，這有個好處，是允許3個自由滑動的節點來釋放基礎、墩柱及箱梁在施拉預力、溫度膨脹或收縮以及混凝土的潛變、乾縮之材料特性下所引起之高應力，而兩座懸臂施工法橋梁為兩個獨立橋梁結構不會互相干擾。 (四)脊背式的懸臂施工法橋梁 脊背式的懸臂施工法橋梁揉合了部份斜張橋及混凝土節塊的混合懸臂施工法，在地震盛行的國家裏，跨徑長度超過150 m的純懸臂施工法橋梁就不太適當，因為側向的地震力反應引起相當大的側向彎矩及梁之扭力，也產生了基礎及墩柱之側向傾倒力矩，過長之跨度需要更大之梁深而致使梁身過重，此為惡性循環，為了要抵抗地震力，墩柱及基礎的造價也大增，使得更長、更野心的懸臂施工法橋梁變得更行不通了！   三、懸臂工作車 懸臂施工法以圖10示意是最簡明不過了，每個節塊都藉工作車上的系統模版支撐以灌滿混凝土，簡易的概念圖顯示在圖12及13上。150 m的最長跨矩之懸臂施工法橋梁上工作車如圖14，即將在跨距之中央合攏成完全結構。橋面版的寬度有兩車道之一座工作車的空重為60噸；三車道為80噸；而四車道就為100噸。  
如圖16所示，工作車係以軌道引導而往前推進，利用錨碇於H型鋼上之軌道，拉在橋面版上，使在推進時，施工安全便得以維持住，軌道翼鈑扣住環鉤來防止向上拉拔情形。圖17示出箱型梁內模支撐系統，活塞及千斤頂系統可做為板模支撐或內模的拆卸機制，螺栓可調整以便鎖緊或釋放此支撐系統，圖18之螺栓可用來組裝或拆卸底版之模板，一旦工作車往前推進，上述之螺栓須事先予以鬆開，以便頂版及底版之鋼模板可自動脫落而節省人工。 請注意圖18之U型螺栓為簡易的鎖緊零件，用來暫時連結木梁到H型結構鋼，雖簡單但有效。       四、預拱控制 懸臂施工法結構的垂直向撓曲非常可怕，因當懸臂長度一再成長後，就會形成不好看的過度下垂情形，儘管如此，撓曲量是可合理預估到並受到控制，因此在柱頭版節塊澆置混凝土前，預拱的分析就要先定出，雖有法國人叫馬梯維(Mathivat)[5]可用來做預拱控制之參考，但筆者仍要推薦一個實務上的方法，可應用到每個懸臂節塊在澆置混凝土前，包括工作車下沉時於其上佈設高程在內，以期能事先做好預拱控制。現場澆置的橋梁之預拱處理則相當簡單，即只要將各節點全部撓曲量加起來後，再把方向倒過來即可，但對於懸臂施工法橋梁就沒如此簡單，有許多因素諸如潛變、乾縮等放大之位移量，不斷於後面的施工階段才冒出，還有工作車本身即會在懸臂末端下沉，連工作車的鋼梁在澆灌混凝土時也產生撓曲等等，預拱控制量  cam的公式為：cam = p - e + s - u 此處： p為所有因每個施工階段之自重、預力、預力損耗和潛變及乾縮效應所造成的下沉量加起來之和，再倒個負號使變正，如圖20之金字塔底端數字所示。e為工作車的H型鋼梁在澆灌混凝土時所產生的撓曲量，正負符號則向下為負。s為工作車在某端推進時，本身即會在懸臂末端下沉，但拆除後此下沉量即會彈回，此須計入以作為本節塊測量高程之重要參考，符號則下沉為負。u為最後節塊合攏的混凝土自重所產生的不可撤回之撓曲量，即與未合攏前下垂量在合攏後因結構改變而完全不一樣，符號則向上為正。支撐工作車的H型鋼梁在澆灌混凝土時所彎成的撓曲量，是在該新節塊尚未硬化及預力未施拉完成前，所以此新節塊要視為不存在，但預拱的補償量要預先給，在澆灌混凝土端之工作車的下沉量須予以計入，因在調整工作車的預拱高程，係在工作車上測量並放樣，此下沉量僅供調整用，並非為真正的預拱量，工作車拆除後，橋面即可完全彈回。 如圖19因最後節塊合攏的混凝土自重所產生的不可撤回之撓曲量，即未合攏前的下垂量，在合攏後因結構改變而完全不一樣，此時須有必要的預防措施，因為工作車若往前接進以支撐起最後一次混凝土澆灌時，本懸臂端的節塊前端就會如圖23被該端之工作車所壓下一個下垂量，合攏且拆卸後卻彈不太回去，以恢復未下垂前之原狀。 (一)預拱控制前之撓曲歷程 圖25~28(375期)回復一個階段、一個階段的撓曲歷程以做為橋梁的預拱控制之校核，所謂預拱就是補償如呆重、預力潛變及乾縮所引起的永久垂直下垂量，但臨時的下垂須考量周遭環境的變化，例如懸臂工作車在懸臂梁末端下沉，一旦工作車移除掉後，該懸臂梁末端即會自動彈回至原本的位置，請注意到每當懸臂梁一端澆灌混凝土時，該端便會被壓下去，而另一端卻會翹起，到最後一個階段把工作車拆卸掉、附加載重放上去、潛變及乾縮也作用到橋梁，此時橋面版就變平直了，以保證橋梁的交通平順之功能，這便是懸臂施工法橋梁一個節塊、一個節塊澆灌前之預拱控制的主要目的。 仍然有如圖23所示之施工載重須考量於預拱計算，雖然最後一個節塊澆築合攏後，把工作車拆卸掉，還會彈回一些下沉量，但所彈回的遠遠小於處在前一個懸臂梁狀態下的節塊末端，係因為現今結構已幾乎合攏成完全橋梁，較堅勁之故，所以可忽略補償量。圖23的斜線範圍就是要做預拱，儘量使虛線所繪的工作車平坦化，以使合攏時連結平順，因此假想的工作車往上之彈力從此須永久存在，以模擬將懸臂梁狀態的工作車在合攏後，予以拆卸後之往上的虛擬彈力以平衡先前之向下的自重。 預拱資料如何落實在懸臂梁裏的箱型梁上每一點把高程澆置出來，此為相當實際的課題，所以圖24的數值須納入沿橋軸方向之橫斷面上每一點之超高─Off (舖面地面線PGL之距中心線距離─offset)，以及橋面版的變寬度等等，橋梁橫斷面上的幾個控制點須以桿子做出高程記號，以便在澆置混凝土時，能灌出正確的表面高程。 預拱控制看起來相當容易，但很多施工上的細節都要落實，以免忽略某重要之細節。上述之撓曲變位的歷程是重要的書面資料，係符合實際施工的情形，一有與該變位的歷程不相吻合，就得小心校正下節塊之預拱量，以免使未來幾個節塊的下垂加劇，致無法合攏。很有趣的是：預拱資料在懸臂樹的表現像翹翹板一樣，如表1及表2(375期)所示，係因不平衡懸臂梁施工之故，由圖27中施工階段14和15便很容易看出，澆置一端混凝土，本端下沉而另一端就翹起，如果是平衡式的，就不會有翹翹板的跳動情形， 圖25中節點28有一個不尋常的向上跳點；而鄰近的節點29卻相當低，此係因為節點29的工作車下沉之故，而本橋墩2之工作車因可與對岸的橋墩1之懸臂梁上的節點26相搭接，以分攤工作車的自重，故下沉量相當小。此外，橋墩2之懸臂端的右側之工作車於施工階段14即已拆卸完畢，因此使左側的節點29上之工作車下沉更多，圖27中施工階段14的節點50之工作車撓曲量為零，因它在由施工架支撐的現場澆置之尾跨上，準備與右懸臂梁相合攏，故上面無工作車。 撓曲變位歷程是相當饒富趣味，也忠實且鉅細靡遺地紀錄上部結構上發生的事實，讀者應好好花費時間，仔細研讀表1及表2的施工步驟和圖21跟22，並對照圖25到28的撓曲變位歷程。值得注意的是預力對減少因重力所產生之下垂量幫助有限， 所以本文許多圖上因施拉預力所產生變位量幾乎與澆置混凝土時相重疊。   圖21 右懸臂樹之施工步驟 表1 左懸臂樹之撓曲金字塔(mm)  表2 右懸臂樹之撓曲金字塔(mm)     圖24 懸臂施工法箱型梁之每一處預拱高程控制點 |
