金門跨海大橋主橋改懸臂預鑄

節塊吊裝工法之施工風險性探討

□林楚儒/技師


一、前言

      依據Youtube上JL尼歐有關金門跨海大橋目前施工的實況報導,整座大橋以目前的狀況而言,工作展開相當順利,可說是如火如荼地進行,請參閱 https://www.youtube.com/watch?v=tNMUKsElXMA 或到Youtube網站以關鍵字『十月上、中旬進度 P48、P46』輸入即可看到該影片的介紹。 就是因為太順利了,往往危機就隱藏在其中,而鮮為人所知,一般說來橋梁在施工狀態下,未注意到不平衡的荷重,而導致上部結構翻覆,也是屢見不鮮,筆者就遇見過不平衡懸臂施工法,在末端因比另一側長10米,設計上有臨時鋼架撐在退回大梁懸臂末端5米處,結果鋼架強度不足而挫曲,導致該側懸臂末端垂到地面,橋墩受不了而於背面產生龜裂。



      
本來本主橋設計並非預鑄方式,而是現場澆注,原本施工方式是由懸臂兩端幾乎同時澆灌混凝土,就算一端澆注太快時,可暫停,好讓另一端續灌混凝土,而達到兩端能接近平衡的狀態,就沒有施工上的危險性,但過去國內懸臂施工法的預鑄節塊方式,最長跨徑不超過100米,但本跨海大橋卻是200米,所以說有可能『智者千慮必有一失』,就是這個道理。
    由照片一所示,有別於傳統的懸臂施工法,橋墩頂上有滑動式的盤式支承,都要用臨時混土塊將盤式支承圍住並頂到梁底,然後前後以臨時預力鋼棒拉住,謹防施工時大梁翻覆下來,俟合攏後,再將臨時鋼棒取出,臨時混凝土墊片移除,好讓橋梁能自行在橋墩頂上滑動,以消除大橋因天氣過熱之膨脹壓力或過冷收縮以及混凝土因潛變、乾縮等產生之過大拉力,但仔細觀看照片一,好像大梁只是放在盤式支承上而已,並無做特別處理,雖有剪力鋼棒防墜,剪力鋼棒可有效防止大梁橫向側移,但施工中橋梁經受地震之縱向力的推動會產生很大的位移量後,就很難推回到原來的位置處。
    本大橋之主跨大梁卻改採預鑄方式,都是一邊先吊裝好後,將船開走,再輪到另一端吊裝,如此就會有翹翹板的作用,以每一節塊大部份是5米長、重約250噸,翹翹板的不平衡彎矩,到完成的98.5米長懸臂時,有將近2萬噸米的不平衡彎矩Me,這個不平衡彎矩並無法由斜張索吸收,最後還是像閃電一樣,一定要接地,最終由Y字型的橋墩上,透過一雙V型分叉枝,將此不平衡彎矩傳到V字體的底部,再合併起來成Me,以傳給V下面的直立柱,接著再傳到基礎上,本來不平衡的吊裝作業,在吊裝快到15個節塊前,都不會發生事故,吊裝到最後幾個節塊時,突然在一個佔0.05的橋總重之輕度縱向地震力下,竟然就使Y字型的橋墩之V型分叉枝中之一枝的內側之鋼筋降伏,於是悲劇就發生了,以下先討論風險的評估後,再詳細計算此不平衡彎矩Me,並敘明微震對橋墩的應力變化之詳細過程。

二、施工風險評估

    懸臂施工法橋梁在雙懸臂尚未合攏前,不管梁上方有無斜張索拉住,都屬靜定(static determinacy) 結構,換句話說,就是無贅力(redundancy)系統,萬一接近支撐點附近的桿件有所損傷,或受力過大時,便無法藉其他桿件之勁度的分擔,將一些額外受力重分配給有贅力系統之其他桿件,所以該靜定結構就很容易倒塌,經詳細計算:最後一個節塊屬最輕之一,其重量有約191噸,對橋墩有18,336t-m之不平衡彎矩,最後傳到基礎時,也是該數值,並不因上面有斜張索,就會減輕柱的不平衡彎矩,因此V型的雙叉枝,以及整個Y型柱都概括承受此彎矩,一分一厘都沒有減免,但幸運的是,金門跨海大橋的橋墩很巨大,配筋量也多,承受到40,000噸米的彎矩並無問題,但V型的雙叉枝相對上較弱,就不能承擔較大之彎矩。
    但在輕震來襲,且又加上不平衡的吊裝作業時,靠不平衡側的V型雙叉枝之那一單枝先垮掉後,雖然直立的主墩安然無恙,但大樑非掉下來不可,這可是吊裝船上的幾條人命,一根192米主梁及橋塔都掉到海底,還要爆破以維持航道暢通,V型的雙叉枝重做,工期損失至少1.5年,所衍生的損失當以10億台幣計。以下便是簡略的計算說明:

三、過大的不平衡彎矩對Y型橋墩的應力之分析


    圖1.為簡化計算,將左右雙懸臂砍掉、橋塔砍掉,桿件3及4為模擬盤式支承連結到大梁的桿件,具相對大面積與勁度之虛擬桿件,重量為零,結構學上有一專門術語叫rigid members(堅固桿件),節點1及3叫rigid joints(堅固節點)。設支承不承受彎矩,節點4為對下部結構而言是滑動接頭,而節點6為鉸接頭。本主橋每個節塊平均重250噸,以吊裝最後一個節塊而言,因梁深最小,所以重量為191噸,但傳到圖2.之最左側時-即節點1,彎矩為17,238.0 t-m,以上考慮吊裝時有10%震動力,大梁平均每節塊重250噸,桿件1及2為均佈自重50 t/m,橋塔粗估1,850噸,平均作用在節點1及 3上,而上部結構粗估為50t/mx187m+1,850=11,200t,以輕震之水平縱向力5%=11,200x5%=560t,作用在節點2上,暫時不計入橋塔在微震時對橋墩的傾倒力矩。為簡明起見也未將直立柱的重量計入,圖3為各桿件的反力圖,以靠不平衡吊裝的懸臂側之V型雙叉的單枝而言,即桿件7,其軸壓力為9,838.6t,彎矩為-18,138t-m(順時鐘),該單叉枝面積A=7.0x4.5=31.5m2,斷面模數(section modulus)S=7x4.52/6=23.625m3。  ……更多文章內容,請參閱-現代營建雜誌 504期;P21~P25