南方澳跨港大橋斷橋遺憾之解析、檢討與避免
□林楚儒／技師 台大土系畢 美國奧克拉荷馬州立大學結構碩士 曾任亞新工程顧問股份有限公司 高鐵員林至雲林段之設計施工審查標 計畫經理
一、
前言
南方澳跨港大橋的造型如照片1所示，為單拱兩端各開雙叉的造型優美之懸吊鋼箱型梁大橋，但遺憾的是108年10月1日發生斷橋事件，筆者在未退休前曾在亞新工程顧問公司服務過，也曾參照此座造型新穎的圖上資料，如照片2、照片3所示設計出世界上僅此一座的雙拱合併成單一拱的仙女鞋造型之鋼拱懸吊鋼箱型梁橋，叫楠梓益群橋，筆者足足花了一個月半時間，詳細研究南方澳跨港大橋細部構造圖，也完全瞭解該橋設計上並無問題，所以細部的結構連接圖可局部應用在益群橋上。類似的鋼拱懸吊箱型鋼梁，單單在汐止就有4座，全台可能有2、3百座，最大的就是目前興建中的金門跨海斜張橋，而大陸好幾千座，全世界總共萬座以上，換句話說不仔細維護的話，都有可能發生落橋意外。因此以下將討論落橋時段的機制、落橋的可能原因、橋崩潰時的結構力學原理、以及最重要的鋼索斷裂防制之措施的建議。
二、
落橋時段的機制、落橋的可能原因
如照片4 所示：於0+00秒時，右邊的油罐車只差一秒鐘就可駛離現場，但拱頂下中間鋼索的右邊第一條頂繃斷。
如照片
5
所示：於
0+1
秒時，接著鄰近的鋼索繃斷好幾條，同時大梁失去有效支撐，而開始在做大彎曲的變形，此時中央部尚未形成塑性鉸。
如照片
6
所示：於
0+2
秒時，失去幾條鋼索支撐的大梁之呆種使主橋大梁中央部形成塑性鉸
(Plastic hinge)
。
如照片
7
所示：於
0+3
秒時，塑性鉸無法再提供比塑性彎矩更大的材料抵抗力，因此塑性鉸擴大旋轉成大
V
字型，並下墜，請注意鋼拱的水平投影長度開始縮短了。
如照片
8
所示：於
0+4
秒時，擴大下墜狀態，開始將鋼拱連同
4
支分叉腳拉下橋墩而跌落兩岸邊地面。
如照片
9
所示：於
0+10
秒時基本上橋梁崩落完成，沒再有結構型態之顯著變化。
本跨港大橋除了從新聞照片得知4支分叉腳往上折彎90度外，但據後來的新聞報導水面下的大梁除了彎曲外並無斷裂，因此鋼拱，拱的此4支分叉腳及主梁的韌性仍然存在，證明設計上並無問題，又據居民談及有送混凝土消波塊的重車經過，更證明設計上並無問題，就算超載50%也在彈性範圍，荷重消失時又彈回原形，如船過水無痕般地而完全無恙，至於說反覆載重會使鋼索疲勞斷掉，那更是無稽之談，蓋鋼索皆能通過連續百萬次不斷重複的加載、去載不停止的疲勞測試，請問運消波塊的重車會連續不斷通過100萬次嗎？至少中午也會停下來吃午餐吧！只要停下來，且不連續的話，就要重新計算，連一天能連續不停而超過200次都不太可能，遑論百萬次不間斷呢？第二天又得從零次起算，鋼索在使用上不容易斷掉，因為規範規定設計高拉力鋼腱不得超過0.4Fs(Fs為極限強度=19.1t/cm2)，而Fy係降伏強度，鋼筋才2.8 t/cm2，普通鋼材2.38 t/cm2，本橋為高拉力耐候性鋼鈑為4.2 t/cm2，所謂耐候性就是一旦鋼材生銹，其銹緊緊裹住鋼材表面成緻密層，以防止空氣再進入繼續氧化，因此鋼索或鋼腱的安全受力(在不超載的情況下)為0.4xFs=0.4x19.1=7.64t/cm2，但鋼索並無耐候性材料，安全係數是為設計應力1.0/0.4=2.5倍，但考量彈性的範圍，只採2.0倍，而鋼構件才只為0.9/0.6=1.5倍(為確保彈性的範圍打9折)，當然受力到Fy時，橋梁也不會垮，只是無法保證車輛駛過後，一定彈回原形而已，鋼材都有良好的韌性，受力超過降伏應力時，鋼材變形量也從降伏時到被拉長大約兩倍才開始斷掉，不過在鋼材變形量還沒到兩倍前，已足夠讓駕車者警覺，可從容地讓人車離去或後車不敢再進入。況且所設計的重車總重雖為42公噸，但依上述所言的鋼索安全係數為2的話，重車超載到84公噸，鋼索還在彈性範圍內，而且橋梁本身的呆重並沒增加兩倍，鋼索怎會被拉斷？又地震或颱風時，對鋼橋所產生的應力甚小，蓋橋梁本身的受風面之面積或質量重心在主大梁上，離橋墩頂甚低，又主拱有分叉之雙腳對抵抗側面風力或地震力也有相當大的幫助。
從照片4 到8 可見鋼索斷掉後，只花4秒鐘，橋梁就掉入海裏，哪有韌性可言？並無韌性的表現這就對了，此為問題所在之處，也唯有鋼索之斷面積某處接近一半或一半以上的材料銹掉，變成三氧化二鐵帶幾個結晶水的鐵銹，才使鋼索變成玻璃的脆性，又正常情況下，僅一條鋼索斷掉，最多只是封橋，並馬上進行維修而已，並無危險性，但請看照片5 到6，兩秒內左右相鄰的幾條鋼索都變玻璃材質而脆斷，可見鋼索全都有銹蝕情形，因此照片4 到6 就是鋼索有銹蝕的最佳證據。……
更多文章內容，請參閱-現代營建雜誌 479；P6~P13。
