近断层地震对隔震桥梁的影响.doc

近斷層地震對隔震橋梁的影響
南二高嘉南大圳北幹線一號排水橋案例研究

第二結構部
工程師蔡孟豪第二結構部
經理葉銘煌顧問張國鎮

摘要
由於近斷層地震通常具有較長週期的脈衝震波，對結構物的危害往往會比相同規模的遠域地震為大，特别是在近十年來國內外的幾個大地震發生後，近斷層效應的影響更是受到重視。本文以南二高嘉南大圳北幹線一號排水橋為研讨案例，利用現地試驗結果與量測的地震反應，建立其分析模型，以探討近斷層效應對此隔震橋梁的影響。研讨結果顯示，近斷層效應的影響與脈衝震波方式、週期、貢獻量、地表加速度大小和隔震裝置的非線性程度有關。當脈衝震波週期接近隔震橋梁振動週期時，近斷層效應最為嚴重。同時，當隔震裝置進入高度非線性範圍後，近斷層效應將不會再隨地表加速度添加而放大。所以，若能確保隔震裝置於設計地震時已進入高度非線性範圍，則可在設計階段計及隔震橋梁的近斷層效應影響。此外，藉由加裝阻尼器提高支承系統的阻尼比，得以有效地降低近斷層效應的影響。
一、前言
從初期南部第二高速公路的部份橋梁，到1999年921集集地震後遭到破壞的一些公路橋梁重建，隔震技術在國內橋梁工程的應用已將近十年。特别在921集集地震後，隨著隔、減震技術的推廣，最近亦開始有廠辦大樓與醫院等建築物，採用基礎隔震作為其抗震的選擇。位在南二高白河新化段的嘉南大圳北幹線一號排水橋，為國內首次應用隔震技術的橋梁之一[1]。在該隔震橋梁完工之初，即曾經進行現地微振試驗、強迫振動試驗與自在振動試驗，以瞭解該隔震橋梁的實際動力特徵和其在常態載重與中、小地震下的反應[2]。而在現地試驗完成後，中央氣象局在該橋梁工址附近與橋體裝設加速度感測計，以隨時記錄該隔震橋梁的實際地震反應。該隔震橋梁雖然經歷過921集集地震，然而所呈現的地震反應較小，並無法明顯看出隔震的效益。隨後，同年的10月22日，在嘉義市西北方2.5公里處發生規模6.4的地震，從所量測到的地震反應記錄，則明顯呈現出該橋梁的隔震效益[3]，證實隔震裝置能有效降低地震力的輸入。此外，1994年美國加州洛杉磯北嶺地震與1995年日本阪神地震的經驗亦證實，應用隔震裝置可以有效的減低地震的危害，確保人身、財產的安全與結構物的震後功能性[4]。
雖然已有許多證據顯示隔震裝置可以有效降低橋梁的地震力，然而目前尚無實測記錄驗證隔震橋梁在近斷層(Near-fault)地震下的行為。由於近斷層地震具有高地表最大速度(PGV)與最大加速度(PGA)比值、顯著的脈衝(Pulse-type)震波與瞬間能量輸入等特性，對結構物所酿成的危害，往往比普通同規模的遠域(Far-fault)地震嚴重[5~7]。本文擬以嘉南大圳北幹線一號排水橋為研讨案例，利用現地試驗結果與1022嘉義地震的橋梁反應量測記錄，建立隔震橋梁分析模型，採用兩種脈衝震波與實測加速度歷時模擬近斷層地震，以此模型探討近斷層地震對隔震橋梁地震力反應的影響。除了利用不同脈衝貢獻量與脈衝週期，研讨近斷層效應對隔震橋梁最大加速度與最大位移反應的放大效應外，並探討隔震裝置在不同程度的非線性行為下的近斷層效應，建議在隔震設計上的考量方法。此外，則以模擬方式說明，以加裝阻尼器提高支承系統阻尼比對近斷層效應的影響。
二、隔震橋梁特性與分析模型
(一)隔震橋梁介紹
位於南二高白河新化段的嘉南大圳北幹線一號排水橋為國內首先採用隔震設計的九座橋梁其中之一[1]。如圖一所示，該橋為三跨連續變斷面預力箱型梁穿越橋，跨徑配置為40m+65m+40m，橋面淨寬16.1m，梁深變化從1.9m至3.7m，橋面南北向分離且皆採用部份雙向隔震設計。橋梁之隔震系統乃採用鉛心橡膠支承墊(Lead-rubberbearing,LRB)安裝於兩橋墩墩頂上，和人造橡膠支承墊安裝於兩橋台。另外亦在橋台與橋墩上設置剪力鋼棒。橋台上的剪力鋼棒只允許於橋軸方向移動，橋墩上的剪力鋼棒則可任意方向移動，藉此達到部份雙向隔震行為。
(二)隔震橋梁分析模型
本研讨利用SAP2000分析程式進行動力分析。橋梁的梁柱結構採用梁元素模擬，以2.4ton/m3之單位體積分量計算桿件自重，附屬設施分量則是以3.763ton/m計算。LRB模擬方式如圖二(a)所示，採用線性黏滯阻尼元素與雙線性遲滯元素並聯的方式，模擬其在水平方向的動力特性；垂直方向則以一線彈性元素模擬。水平向的線性黏滯阻尼元素，主要是考量LRB在未降伏前的小變形運動，仍具有由橡膠材料所提供的微量阻尼比；橋台上的人造橡膠支承墊模擬方式如圖二(b)所示，採用滑動摩擦元素模擬PTFE支承的水平運動行為，該元素於滑動前的彈性勁度即為人造橡膠支承墊的水平勁度。
此座隔震橋梁在結構體完工時曾由國工局委託台灣營建研讨院進行過一序列的現地試驗[2]，包括微震試驗、強迫振動試驗與自在振動試驗。中央氣象局更於現地試驗完成