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2017.11.21

用積木蓋橋墩—顛覆傳統的仿生預鑄橋墩系統

台灣高山林立,山區快速公路經常穿過群山峻嶺與急湍深谷,必須興建高橋墩高架橋。由於這些公路多位於山岳地帶及生態保護區域內,在生態保育及施工條件的考量下,「預鑄節塊橋墩系統」便成了最佳選擇。


國家實驗研究院地震工程研究中心(國震中心)研發出「新型仿生積木式預鑄橋墩系統」,藉由「人體脊椎」與「積木堆疊」概念,開發出模組化、輕便,可快速施工,對環境低衝擊性的新型工法,未來可望成為國內橋梁設計、分析及施工的全新里程碑。

【圖1】新一代預鑄節塊橋墩

預鑄施工 降低橋梁施工對環境衝擊

傳統高橋墩採現場澆注混凝土的施工方式,有施工困難、危險性高、混凝土灌漿作業會對環境造成衝擊等問題;因此在環境敏感區,已多建議採用「預鑄節塊橋墩系統」,即事先在預鑄廠中鑄造好一塊一塊的橋墩節塊,運至工地後堆疊起來,成為橋墩,並透過穿越節塊的鋼腱,在橋墩的頂部與底部之間施加強大的「預力」,將節塊夾緊,以節塊之間的摩擦力抵抗地震引致之水平剪力。然而強大的預力會使橋墩在地震未發生時,即長期承受過大的壓力。

此外,現有的預鑄節塊系統只能一層堆疊一塊節塊,為配合橋墩的大斷面需求,單一預鑄節塊之塊體容易過大,需仰賴大型機具運送與吊裝安置,將節塊從預鑄場搬運到橋梁工地現場所受到的交通限制也較高。

脊椎型剪力榫 消能減振效果更好

國研院國震中心參考人體脊椎結構,在預鑄節塊下方加裝鋼製剪力榫,可插入下面一塊節塊上方的凹洞中,互相卡住,藉此方法避免地震力的橫向剪力造成節塊橫向錯動。如此可以減輕在橋柱頂部與底部之間施加的預力,降低橋墩所承受之壓力;此外,由於鋼製剪力榫與下方節塊的凹洞並非完全卡死,萬一發生地震時,節塊可稍微開合,因而削減地震力,減輕地震力對橋墩的破壞而提高安全性。地震停止後,預力鋼腱又會把各個節塊拉回原來的位置。

【圖2】小尺寸單一規格節塊 生產更有效率 緊急救災施工新利器

小尺寸單一規格節塊 生產更有效率 緊急救災施工新利器

然而這種新型預鑄橋墩卻並未解決塊體過大而仍會對環境造成間接破壞的問題,因此,國研院國震中心進一步開發出「積木堆疊」型的新式預鑄節塊。一般預鑄節塊是在預鑄廠中鑄造出與橋墩面積相同的節塊,必須依橋墩實際型式與尺寸客製化製造;國研院國震中心研發之「新型仿生積木式預鑄橋墩系統」,係製作小尺寸之節塊,像積木一樣堆疊成大尺寸的橋墩,如此預鑄廠僅需製作單一規格之節塊,不但可降低製造成本,也可使節塊的生產更有效率。且由於設計之預鑄節塊塊體較小,便於運輸,可縮減施工便道範圍,減少對環境的衝擊。此方法還有另一大優點,就是平時即可事先生產一定數量之小尺寸節塊,儲存於適當場所,當發生災害時,可立即運至受災區,用於快速搭建便橋,加快救災腳步。

【圖3】具螺紋的剪力榫和節塊為分離的構件,所以預鑄之節塊可保有六個平整面,方便平時堆積收存。進行組裝前再將剪力榫旋進節塊之預留孔,使節塊成為下方具兩個剪力榫和上方具兩個凹洞的積木式節塊。

「新型仿生積木式預鑄橋墩系統」已完成性能試驗,驗證其易施工與耐震兩大特性。依據實驗結果,國震中心開發之預鑄橋墩系統可抵抗之地表加速度和傳統橋墩相比,可提高為1.2倍,以高度8.5公尺的橋墩為例,可承受之墩頂位移量增加17公分。

【圖4】試驗結果比較

已獲多國專利 橋梁施工新里程碑

國研院國震中心藉由「人體脊椎」與「積木堆疊」概念,開發出的「新型仿生積木式預鑄橋墩系統」,極具前瞻性與創新性,已獲得日本、美國與中華民國的發明專利。國震中心未來將把此研究成果編撰成施工準則及分析與設計參考手冊,並開發相關設計分析程式,以推廣此研究成果至政府及相關工程顧問公司,讓國內橋梁設計、分析及施工邁入一個全新的里程碑!

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