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1 國立中興大學土木工程學系 碩士學位論文 脊背橋工法施工中問題及完工後破壞模式探討 Research on Construction Problems and Whole-bridge Failure Modes for Bridge with Extradosed Method 指導教授 : 郭其珍 Cheer Germ Go 研究生 : 謝光智 Kuang Chih Hsieh 中華民國 101 年 7 月

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4 誌謝 時光飛逝, 猶記得當初上榜的興奮, 如今已經完成學位論文, 要離開這個時間短但卻有深刻情感的校園, 這兩年的學習真的是滿載而歸, 感謝這兩年來支持我 陪伴我 教育我的所有人, 有了你們的相助我才能圓滿畢業 首先要感謝我的家人, 感謝你們的付出, 讓我能夠無後顧之憂地在外地求學, 更在我困頓時給予精神的支持, 沒有你們的栽培不會有現在的我 在這兩年的研究所求學過程中, 感謝指導教授郭其珍和黃玉麟博士, 老師不時的討論並指點我正確的方向, 使我在這些年中獲益匪淺 老師對研究的嚴謹更是我學習的典範 更感謝口試時, 郭老師 黃老師及林老師意見與指教, 使得這本論文更臻完善 另外感謝業界國工局張震宇主任 欽成營造 - 嘉文 信嘉 工務段同事 - 裕琦 柏均及朋友 - 益伸 耕輔, 感謝你們的幫助與指導, 使我順利的完成論文 最後要感謝的是陪伴我走過低潮不斷給我鼓勵的慧珊及鳳梨, 謝謝您 無論是文中提及的所有人, 亦或是有所遺漏的貴人, 光智都衷心感謝大家, 謝謝 i

5 摘要 台灣是個叢山峻嶺 河川密集的地方, 且地狹人稠 天災頻繁, 在這特有的地理環境下, 公共建設之推展, 土地的取得不易, 可供徵收之用地實在有限, 為節省用地面積, 新建道路工程常需沿河川堤防興建, 大多以高架橋方式通過, 因此橋梁工程數量急驟增加, 最常使用的是中 大跨度 ( 跨度在 120 ~200 公尺 ) 的橋梁 橋梁之施工法很多, 本文針對國道六號南投支線之脊背橋施工法 ( 或稱斜張式外置預力橋 低塔斜張橋 部分斜張橋 拱背橋 ) 加以研究探討 本文簡要說明 脊背橋工法 之特性施工 作業程序 影響品質因素作一詳細之整理後, 再從中找出施工時易發生的問題點, 最後提出改善對策, 供類似工程施工參考 另外, 本文亦探討此工法建成之橋梁在使用時之可能破壞模式, 並推導出避免各類破壞模式之橋梁尺寸大小應有之限制 關鍵字 : 橋梁 ; 脊背橋工法 ii

6 Abstract There are many high mountains and small rivers in Taiwan. Many people live on the narrow plain land and it would cause a large damage when natural disasters occur here. Because of the particular environment, it is hard to have much land for constructing infrastructures. Thus, many roads have to be built as viaducts. In Taiwan, most of the bridges have middle or large spans ranging from 120 meters to 200. Among many construction methods of bridge, the extradosed bridge design in Nantou Feeder of National Freeway No. 6 is discussed in this study. The study first briefly describes the properties, construction process and affecting factors on qualities about the extradosed bridge design. Then, some potential problems during construction are pointed out. Finally, the solutions and suggestions to the problems are offered in the study. In addition, the potential failure modes and their corresponding loads of the bridge after construction are also studied in the paper. Key words: bridge, extradosed bridge design iii

7 目錄誌謝 i 中文摘要 ii 英文摘要 iii 目錄 iv 表目錄 vi 圖目錄 vii 第一章緒論 一 前言 1 二 研究動機與目的 1 三 橋梁的型式及力學原理 1 四 橋梁的演進 4 五 橋梁的規劃設計 6 六 研究目的及內容 7 第二章相關研究文獻回顧 一 橋梁工法之分類 9 二 各種橋梁施工法的比較與分析 10 第三章脊背橋工法之施工作業程序 施工中問題與對策 ㄧ 前言 20 二 施工作業程序 35 三 施工中易發生之問題與因應對策 49 第四章脊背橋工法橋梁之破壞模式探討 ㄧ 局部挫屈破壞模式 56 二 整體破壞模式 58 第五章結論 61 參考文獻 62 附錄各種橋梁施工法概述 一 預鑄預力 I 型梁吊裝工法 64 二 場撐逐跨工法 66 三 基樁式墩柱橋梁工法 71 四 支撐先進工法 72 五 節塊推進工法 77 iv

8 六 場鑄懸臂工法 84 七 預鑄節塊吊裝工法 90 八 預鑄斜撐板工法 94 九 全跨預鑄吊裝工法 97 十 斜張橋 104 十一 降拱施工法 112 十二 板拉橋施工法 112 十三 鋼管桁架橋梁工法 113 十四 Y 型柱局部支撐預鑄節塊吊裝工法 113 v

9 表目錄表 各種橋梁適用狀況一覽表 12 表 各橋梁施工法優缺點一覽表 13 表 世界各地脊背橋簡介 21 表 斜張橋與脊背橋比較 31 vi

10 圖目錄圖 版橋 2 圖 梁式橋 2 圖 拱橋 3 圖 懸索橋 3 圖 木橋 5 圖 竹橋 5 圖 圬工橋 ( 國姓糯米橋 ) 6 圖 混凝土橋 6 圖 鋼橋 ( 西螺大橋 ) 6 圖 各橋梁工法施工速率的比較 10 圖 橋梁造價比較 - 橋墩高度與跨徑數之關係 11 圖 脊背橋主塔錨碇構造示意圖 26 圖 脊背橋主塔錨碇構造設施 27 圖 脊背橋索面型式示意圖 27 圖 外置鋼絞索型式 29 圖 施工步驟流程圖 38 圖 施工架示意圖 39 圖 捲揚機及滑輪組等施工設施示意圖 40 圖 錨頭組裝設施示意圖 41 圖 第一根鋼絞線吊掛示意圖 42 圖 第一根鋼絞線假固定示意圖 43 圖 鋼絞線牽引示意圖 44 圖 鋼絞線牽引示意圖 44 圖 橋塔掛索牽引示意圖 45 圖 安裝施預力鞍座及單槍千斤頂示意圖 46 圖 鋼絞線施拉順序示意圖 46 圖 整體張拉設備安裝圖 47 圖 預鑄預力 I 型梁吊裝工法 64 圖 預鑄預力 I 型梁作業流程圖 66 圖 場撐逐跨工法 67 圖 場撐逐跨工法作業流程圖 70 vii

11 圖 基樁式墩柱橋梁工法 71 圖 支撐先進工法 72 圖 節塊推進工法 77 圖 節塊推進工法作業流程圖 83 圖 場鑄懸臂施工法 84 圖 場鑄懸臂施工法作業流程圖 89 圖 預鑄節塊吊裝工法 90 圖 預鑄節塊吊裝工法作業流程圖 93 圖 預鑄斜撐板工法 94 圖 預鑄斜撐板工法施工示意圖 96 圖 全跨預鑄吊裝工法 97 圖 全跨預鑄吊裝工法作業流程圖 103 圖 斜張橋 104 圖 降拱施工法 112 圖 板拉橋施工法 112 圖 鋼管桁架橋梁工法 113 圖 Y 型柱局部支撐預鑄節塊吊裝工法 113 viii

12 第一章緒論 一 前言橋梁係跨越溪流或海洋 聯絡兩地或偏遠山區的聯外道路, 因為有橋梁建築, 拉近彼此距離, 讓道路繼續延伸, 行人車輛得以暢行無阻 從最早期人類以伐木跨越溪谷, 隨著都市化及工業化的影響, 所需求的橋梁長度及跨徑愈來愈大, 到現在跨距動輒超越 1000 公尺橫越海峽的大橋已經於世界各地建造, 因應現代都市發展之立體化要求, 橋梁已經成為重要運輸動脈之基本基礎建設, 而且現今的橋梁更成為空間的藝術品, 例如聞名遐邇的美國舊金山金門大橋 澳大利亞雪梨港橋 日本明石海峽大橋等等均成為當地重要之地標,21 世紀的許多重要的橋梁不再只是兩岸交通的管道, 而已經成為一個國家建築工藝與工程技術的重要展示, 因此橋梁結構設計除了安全的考量外, 必將更加重視建築藝術造型, 重視橋梁美學和景觀設計, 重視環境保護, 達到工程技術與人文環境景觀的完美結合 為此, 各種能加速橋梁興建之工法紛紛研發出現, 除了快速施工之外, 亦以減少對環境的影響及衝擊為首要之課題 二 研究動機與目的建設交通網路, 橋梁一直是重要而且數量頻繁建設項目, 從橋梁佔國道主線總長比例來看, 過去中山高速公路約 9%, 北二高約 21%, 到了二高後續計畫中增到 48%, 就是最好的明證 儘管橋梁是如此重要, 與生活是如何密不可分, 但正確之設計與施工方能完成橋梁構造, 橋梁之建造技術雖已相當純熟, 但施工法及建築材料的發明與改良, 施工中錯誤之防範與施工後經驗之回饋仍然非常重要, 應可為工程界之參考, 本文將先就橋梁的形式 使用材料 施工工法加以探討, 並以 脊背橋工法 加以剖析其製程 施工中可能遭的問題及破壞模式 三 橋梁的型式及力學原理橋梁主要的功能在於提供人 車之方便通行, 隨著人類對於橋梁的需求日益增加及橋梁的應用逐日擴大, 橋梁的型式也逐漸改變, 其型式可概分為 : 版橋 (Slab) 梁式橋(Beam) 拱橋(Arch) 懸 1

13 索橋 (Suspension) 等型式, 而一座橋梁也可以是其中一種或兩種以上型式的結合, 依其力學原理概述如下 : ( 一 ) 版橋 : 版狀橋是結構最簡單的橋, 直接以平版橋面橫跨兩岸或兩橋墩之間, 橋面荷重直接由大梁承載, 荷重再由大梁傳至橋墩或橋台, 再傳到基礎 此類橋梁尚可分為版橋及中空版橋 ( 圖 1.3.1) ( 二 ) 梁式橋 : 梁式橋力量傳遞的主要特色是橋梁上部結構的荷重垂直地傳至支承, 再由支承傳至下部結構 此類橋梁尚可分為簡支橋梁 (Simply Supported) 連續式橋梁(Continuous) 以及懸臂式橋梁 (Cantilever) 三類 ( 圖 1.3.2) ( 三 ) 拱橋 : 與梁式橋不同, 拱橋之力量傳遞是斜向的, 主要靠兩岸或橋墩間的拱支撐起橋面的荷重 古代之拱橋多用石塊或礦石構築, 新式的拱橋則通常以鋼筋混凝土 ( 亦可施加預力 ) 或鋼鐵為主要材料, 剛架橋 (Rigid Frame) 亦可視為拱橋的一種類型 ( 圖 1.3.3) ( 四 ) 懸索橋 : 懸索橋之受力狀況與拱橋相反, 其上部結構之索狀構件均為受拉, 例如吊橋 (Suspension) 與斜張橋 (Cable-Stayed) 其中吊橋與斜張橋兩種構造相近, 均有橋塔及纜索懸吊橋面, 不同之處在於主梁承載之力學行為略有不同, 吊橋係採密集式垂直吊索來支撐橋面, 再將橋面荷重傳遞至自然懸垂之主索, 並以未固結的方式搭過橋塔後錨碇於橋端錨座上, 其荷重可經由橋塔或橋台胸牆傳遞到基礎 ( 圖 1.3.4); 斜張橋則是由固著於橋塔之斜撐吊索支撐橋面, 將所有拉力都集中在橋塔上後, 由橋塔來承受載重, 同時主梁另承受軸向預壓力, 類似增加預力效益, 使梁承受外來載重, 因為鋼纜的方向都是斜的, 因此取名斜張橋 圖 版橋圖 梁式橋 2

14 圖 拱橋圖 懸索橋 橋梁之型式, 除上述之型式分類外, 更可依據林樹柱先生於 認識橋梁 2 ㄧ書中之各種不同名稱詳加分類如下: ( ㄧ ) 依用途而分則有 1. 人行橋 2. 公路橋 3. 鐵路橋 4. 水路橋 5. 便橋 ( 二 ) 依形狀而分則有 1. 版橋 2.T 型或 I 型梁橋 3. 箱型梁橋 4. 框架橋 5. 桁架橋 6. 拱橋 7. 懸臂橋 8. 斜索橋 9. 吊橋或斜索吊橋 ( 三 ) 依梁構材組合方式而分則有 1. 簡支梁橋 2. 連續梁橋 3. 框架橋 4. 拱橋 3

15 5. 懸臂式橋 6. 斜索橋 7. 吊橋 ( 四 ) 依跨越型式而分則有 1. 河川橋 2. 跨海橋 3. 跨越橋 4. 穿越橋 5. 高架橋 四 橋梁的演進在古代, 人類就已經會利用身邊容易取得的石 木或藤等天然材料作為渡河的工具, 而後隨著人類智慧的增長, 人類建造橋梁的技術與日俱增, 橋梁建材的種類也不斷地被開發運用, 於是從早期由石塊 木頭或籐蔓所構築之橋, 乃至於今日的鋼筋混凝土橋 預力混凝土橋 鋼橋或鋼索懸吊橋 等 而現今我們常見的大型橋梁大都採用具創意的造型和先進的施工技術, 不僅利用鋼材構造或是採用混合型式的材料來建構橋梁, 在造型上更結合了力與美, 呈現出萬千的氣象, 使得橋梁除具備交通運輸功能外, 還兼具藝術景觀的功能, 依其材料的不同所產生之橋梁名稱如下 : ( ㄧ ) 木橋 : 應該是人類最早採用的築橋材料, 因其材料強度不高, 承載力較低, 因此很少做為道路橋梁, 且因木材容易腐蝕, 耐久性不佳, 因此能完整遺留下來者不多, 目前所見之木橋, 通常都係配合藝術景觀的功能而建造, 僅作為人行橋 ( 圖 1.4.1) ( 二 ) 竹橋 : 因為其材料強度不高, 且耐久性不長, 通常都只作為便橋或人行橋, 有時會配合當地材料之特色來建造 ( 圖 1.4.2) ( 三 ) 圬工橋 : 通常有磚造及石造兩種材料, 因其材料強度及耐久性均較竹 木等材料為佳, 自古以來就是常用的造橋材料, 其規模除了人行橋之外, 亦可為承載車輛之公路或鐵路橋, 這類橋梁常常作成拱狀, 除了利用拱的原理增加承載力之 4

16 外, 亦可作為景觀用途, 其中位於南投縣國姓鄉之北港溪石橋, 係四孔拱型石橋, 石材取自北港村之山區, 每個石塊之尺寸大小依橋之拱狀打造堆砌而成, 因當初在興建這座石橋的時候缺少水泥, 村民們於是用糯米混合黑糖 石灰 等, 作為黏貼石塊的材料, 所以又稱糯米橋 ( 圖 1.4.3) ( 四 ) 混凝土橋 : 十九世紀前半, 結構力學漸次發展, 波特蘭水泥開始發展, 鋼筋混凝土造橋就被廣泛採用, 到了二十世紀, 發明了高拉力鋼線作用於高強度混凝土之預力混凝土之工法及設備後, 預力混凝土橋更迅速發展至今 ( 圖 1.4.4) ( 五 ) 鋼橋 : 十九世紀後半, 開發了近代煉鋼的方法後, 生產出強度大 延展性佳的鋼料, 鋼材為建橋之最優質材料, 可隨著不同功用的交通載重跨徑大小, 建造出不同類型的橋梁, 近年來更由於電腦軟硬體設備之突飛猛進, 加上國外高水準鋼橋技術之引進, 使得鋼橋建造技術邁入新的境界, 各種長跨徑 造型優美的拱橋與斜張橋已巍然聳立於各河川山谷間, 成為代表城鄉文化的景觀地標 ; 在市區為土地高度利用及維持交通順暢之目標, 更因此建造了多層橋面或與他種結構物共構的鋼橋 ( 圖 1.4.5) 圖 木橋圖 竹橋 5

17 圖 圬工橋 ( 國姓糯米橋 ) 圖 混凝土橋 圖 鋼橋 ( 西螺大橋 ) 五 橋梁的規劃設計橋梁設計必須經過技術 經濟比較, 使橋梁在建造時消耗最少量的材料 工具和勞動力, 在使用期間養護維修費用最省, 並且經久耐用 另一方面, 橋梁設計還應滿足快速施工的要求, 縮短工期不僅能降低施工費用, 而且提早通車在運輸上帶來很大的經濟效益, 而這些均需要有詳細的規劃與設計, 方能畢其功而無悔, 這其中包含了路線選擇及地形 用地 交通需求 氣候 地質 洪水量 環境 政治 經濟 人文 等因素的考量, 以及美觀 材質 工程費 力學模式 安全性 耐久性與橋梁型式 等, 橋梁之規劃設計更須考量下列之因素 : ( 一 ) 橋址的自然環境 : 此項工作需要蒐集工程位置之地理資訊與鄰近區域的地理關係, 這些資料可供判斷建造橋梁的位置 高度 跨徑 橋墩型式 等 6

18 ( 二 ) 交通調查 : 本項內容包含橋址連接道路通往的城市, 以及其人口 工商業 文化發展概況分析, 這些資料可提供橋梁車道數目與寬度的決定或供連接道路設計之參考 ( 三 ) 地質調查 : 地質狀況的好壞對於橋梁的安全及耐久有非常重要的影響, 除蒐集橋址附近之地質資料外, 可能尚需進一步的鑽探及試驗, 才能進行橋梁型式評估 ( 四 ) 景觀研究 : 考量的因素包括結構造型 色彩 照明 植栽 等之規劃 ( 五 ) 環境影響評估 : 凡是重大工程, 為避免對環境造成衝擊, 依政府規定須進行環境影響評估 ( 六 ) 擬定設計標準 : 包含橋梁設計依據的規範 材料 載重 等各項條件, 列出後續設計的標準 ( 七 ) 橋型規劃研究 : 綜合各項因素, 接下來便要研擬可以滿足上述條件的各種可能橋型, 再分別就其可行性 技術性 造價 施工性 工期 等因素進行評估, 以便選擇最適合的橋型 ( 八 ) 工程經費及工期預估 : 依所擬定的橋型, 進行工程費及工期之估算, 作為綜合評估之參考 六 研究目的及內容由於近幾年來大部份公共工程皆以道路交通工程為主, 再加上台灣這地狹多山的地理環境, 所以使得橋梁工程在公共工程中佔有不可或缺的地位, 其中於 2009 年通車的國道六號高速公路, 從西到東全長 37.6 公里, 其中橋梁約 26.4 公里, 佔路線全長逾七成 自八 Ο 年代以後, 交通建設含第二高速公路 捷運系統 東西向快速公路 西濱快速公路 高速鐵路 等工程, 已建了數千座之橋梁, 隨著施工技術的進步, 多種橋梁上部特殊結構之施工法陸續被引進, 其中第二高速公路自歐洲引進的節塊推進工法 支撐先進工法以及預鑄斜撐板配合場鑄箱形梁合成橋工法 ; 高速鐵路行經一般路段採制式簡支預力混凝土箱型梁橋為主, 首次引進韓國高鐵採用的全跨預鑄吊裝工法 支撐先進工法與就地支撐工法 等, 另行經山谷 河川及跨越鐵公路路段, 則因應需要採用中長跨徑簡支或多跨連續之預力混凝土箱型橋梁或鋼橋等非制式橋, 其施工方法包括場鑄懸臂工法 節塊 7

19 推進工法 就地支撐與吊裝工法, 本次研究係沿續中興大學許振揚先生 橋梁之施工法及破壞機制淺論 盧泰成先生 預力 I 型橋梁之破壞模式及施工中自動檢查方法 黃巨沛先生 全跨預鑄箱型橋梁之破壞模式概論及自自主檢查表研擬 鄭俞睿 Y 型柱拱橋預鑄節塊局部支撐吊裝工法 張助壽先生 支撐先進工法破壞模式探討及施工中自主檢查表研擬 張志華先生 大跨徑鋼箱型樑全跨吊裝工法之自主檢查表及完成後破壞模式探討 及謝育弘 橋梁節塊推進工法之自主檢查表研擬及完工後破壞模式探討 等橋梁施工一系列之研究, 蒐集補充前人於施工法中不足之資料整理, 並以此次在國道六號高速公路興建過程中採用代表性的脊背橋工法做一探討, 並針對結構行為及各施工階段易產生之破壞機理作一論述, 以提供工程單位作為施工品質之管控及降低工程意外事件的發生 8

20 第二章 相關研究文獻回顧 綜觀橋梁上部結構的施工法, 我國自民國八十年代開始推動國道三號高速公路興建, 至於 2007 年通車的高速鐵路及 2009 年 3 月通車的國道六號高速公路, 都引進相當多國外之橋梁先進施工法, 這些施工法在國外行之多年, 往往有其自動化之施工機具, 具有規格化 模組化的特質 隨著第二高速公路 台北捷運系統 高雄捷運系統 東西向快速公路 西濱快速公路 北宜高速公路 台灣高速鐵路 等工程陸續完工通車, 國內近年有關橋梁施工法的研究及破壞行為的探討等文獻, 也一一的出版, 茲蒐集可供參考之相關文獻資料分析如後述 : ㄧ 橋梁工法之分類 3 ( 一 ) 依支撐情況分類 1. 場撐 : 場撐逐跨工法 基樁式墩柱橋梁工法 2. 非場撐 : 預鑄預力 I 形梁吊裝工法 支撐先進工法 節塊推進工法 場鑄懸臂工法 預鑄節塊吊裝工法 預鑄斜撐板工法 全跨預鑄吊裝工法 降拱施工法 斜張橋工法 脊背橋工法 板拉橋工法 鋼管桁架橋梁工法 ( 二 ) 依鑄造方式分類 1. 預鑄式 : 預鑄預力 I 形梁吊裝工法 節塊推進工法 預鑄節塊吊裝工法 預鑄斜撐板工法 全跨預鑄吊裝工法 斜張橋工法 支撐先進工法 板拉橋工法 2. 場鑄式 : 場撐逐跨工法 基樁式墩柱橋梁工法 支撐先進工法 場鑄懸臂工法 ( 三 ) 依結構型態分類 1. 簡支式 : 預鑄預力 I 形梁吊裝工法 懸臂施工法 脊背橋工法 全跨預鑄吊裝工法 2. 連續式 : 節塊推進工法 降拱施工法 斜張橋工法 板拉橋工法 3. 吊索式 : 斜張橋工法 脊背橋工法 9

21 二 各種橋梁施工法的比較與分析早期的橋梁施工, 由於設計橋梁高度及跨經不大, 且施工環境要求不高, 故大部份橋梁都採用傳統之 I 型梁吊裝工法 地面支撐場鑄箱型梁 等工法施築 爾後由於環保意識提高 勞工短缺 工時昂貴 等社會現象日益嚴重, 再加上橋址條件越趨複雜, 設計橋梁高度 跨徑有增加的趨勢, 使得橋梁施工條件更為艱鉅, 為求節省人工成本與工期, 故而引進高效率 機械化與自動化且能克服地形限制之工法 以下針對各種橋梁工法之成效作比較與分析 ( 一 ) 各橋梁工法施工速率的比較 4 對於縮短橋梁工期有特殊需求時, 雖可以增加施工設備及施工人力的方式來達成, 惟工程造價勢將大幅提高, 此時設計單位可考量選擇施工進度較快的工法來進行設計 有關國道橋梁工法上部結構之施工速率請參考圖 圖 各橋梁工法施工速率的比較 10

22 ( 二 ) 各橋梁工法造價與跨徑長度及橋墩高度的關係比較 4 各橋梁工法 ( 特別是機械自動化施工的特殊橋梁工法 ) 在跨徑長度及橋長上皆有其經濟規模的要求, 以避免使用過大的施工設備承載能量或施工設備使用率偏低而造成工程費過高的現象產生 ; 此外, 橋墩高度與跨徑數亦直接影響到橋梁的整體造價 有關橋墩高度與跨徑數之造價關係如圖 圖 橋梁造價比較 - 橋墩高度與跨徑數之關係 11

23 ( 三 ) 各橋梁工法適用狀況之比較因應大量橋梁之興建需要, 目前國內混凝土橋梁工程之施工, 以逐漸將橋梁上部結構斷面標準化 施工設備機械化, 而不由地面支撐, 並採制式化循環施工, 可克服不良地形因素或在不影響地面交通運轉下, 提高工作效率以降低成本, 茲將常用之橋梁施工法, 以其適用狀況做不同工法間之比較 表 各種橋梁適用狀況一覽表 橋梁工法 適合線形適合地形適用橋高經濟橋長適合跨徑施工速度 施工 技術性 安全性 場撐逐跨工法 無線形之限制 受地形影響 低 200 m 以下 50 m 以下慢普通低 不受地形 支撐先進工法 半徑 400m 影響但橋下淨空間 高 800~1200m 30~45 m 快高低 需考量 半徑不可 節塊推進工法 太小, 單純直線或圓曲線較 不受地形影響 高 300~700 m 30~60 m 快高中 適當 場鑄懸臂工法 無太大之限制以 250m 為宜 不受地形影響 高 200~600 m 70~200 m 中高低 平面為曲 不受地形 預鑄節塊 吊裝工法 線或大曲率半徑之 影響但橋下淨空間 高 1000 m 以上 35~120 m 快普通高 曲線 需考量 全跨預鑄 吊裝工法 適合直線 或大曲線 不受地形 影響 高 3000 m 25~40 m 快高中 12

24 ( 四 ) 各橋梁施工法優缺點比較 由於工業化 機械化施工法之盛行, 其工法具有快速施工的優點, 且亦為目前橋梁施工法之主流, 故本節將其優缺點做一比較 表 各橋梁施工法優缺點一覽表 工法適用範圍優點缺點 預鑄預力 適用於需以中大跨度, 1. 施工品質較易控制 橋梁高度及跨徑不 I 型梁 約 m 佈置之 2. 吊裝作業較單純 大, 無景觀美學 吊裝工法 橋梁 3. 不需機械設備購置 成本 場撐逐跨 1. 橋梁離地面低, 架設 1. 技術層面需求低, 1. 橋梁高度愈高, 支 工法 支撐簡單迅速之處 一般專業營造廠即 撐架費用愈高, 建 (CIP) 2. 架設支撐危險性小 可承攬施作 造成本相對提高, 之處 2. 所需機具設備較 愈不具經濟性, 且 3. 無水之河床, 架設支 少, 也無複雜之施 施工安全性也最難 撐方便之處 工技術, 可節省建 掌握 4. 地面平坦, 架設支撐 造成本 2. 受地形條件及天候 穩定之處 3. 可同時展開多個工 影響甚大, 支撐高 5. 使用其他方法較不 作面 度不能太高 經濟之小型或單跨 3. 墩柱間因廣設支撐 徑橋梁 鋼架, 故梁下空間 受限制 4. 施工速度較緩慢 5. 高架作業人數需求 較多 基樁式墩 適用於路塹段之場鑄 可節省上部結構的模 適合之工址很少 柱橋梁工 混凝土跨越橋且墩柱 板支撐費用及免除高 法 高度大於 15 m 以上者 支撐架架設之困擾 支撐先進 1. 適用等斷面之中跨 1. 採機械化 自動化 1. 活動式支撐鋼架 工法 徑預力混凝土橋梁 施工, 每一跨均為 與其系統模板的 2. 就連續雙 T 型橋梁 重覆作業, 故作業 初期成本高 13

25 主跨徑一般在 迅速可節省人 2. 不適用於轉彎半 30-40m, 連續箱形 力 降低成本 縮 徑過小的橋梁 橋梁主跨徑一般在 短工期 3. 工作車拆裝不易 m 範圍內皆 2. 上部結構施工期 且昂貴 有其經濟性, 橋梁 間橋墩間無需架 4. 整座橋梁斷面大 跨數愈多 ( 至少 設臨時支撐設 小須一致, 若有變 800m) 愈經濟 (>25 施, 不影響橋墩間 化將增加模板費 跨 ) 之人車通行, 亦不 用 3. 路線線形之曲率平 受地形 地物之影 徑應大於 400m 響 4. 橋下無法架設支撐 3. 高架作業人數較 處, 如跨越鐵路 場撐工法少, 施工 公路之陸橋 安全性也較高 5. 跨越河川時, 地質 4. 可利用已完成橋 軟弱, 土壤承載力 面作業人機料之 不足, 無法架設支 運輸通道, 減少對 撐處 地面環境之破壞 6. 跨越深谷時, 因橋 與污染 下架設支柱甚高, 5. 可架設蓬架施 支柱容易挫屈變 工, 較不易受天候 形, 安全性低, 而 影響 架設時係高空作業 危險性大, 故不適 合架設支撐 節塊推進 1 適用跨度為 30-90m 1. 無須架設地面支 1. 橋梁之平縱斷面線 工法 單純直線或曲率半 撐, 不受地形地物 形應為單純直線或 徑大之圓曲線之預 之限制, 機械設備 固定半徑之圓曲 力混凝土橋梁 可重複使用 線, 且曲率半徑不 2. 適用於橋台後方需 2. 箱型梁節塊生產地 可太小 有腹地, 作為橋梁節 點固定, 品質與工 2. 上部結構之尺寸及 塊預鑄場之施工場 期容易掌握 梁深須為固定, 因 14

26 所 3. 與其他工法比較, 此不適用於長跨度 3. 橋下無法架設支撐 預拱與幾何線形容 之橋梁 處, 如跨越鐵路 公 易控制 3. 橋台後方需有足夠 路之陸橋 4. 採機械化油壓設備 的施工空間, 以作 4. 跨越河川時, 地質軟 推進施作橋梁, 自 為預鑄場的施工場 弱, 土壤承載力不 動化程度高 所 足, 無法架設支撐處 5. 預鑄場可架設遮雨 5. 跨越深谷時, 因橋下 棚, 施工不受天候 架設支柱甚高, 支柱 影響 容易挫屈變形, 安全 6. 利用工廠化製程生 性低, 而架設時係高 產橋梁節塊, 施工 空作業危險性大, 故 品質與工期易控制 不適合架設支撐 7. 模板支撐系統可重 複使用, 具經濟性 場鑄懸臂 1. 一般使用於預力混 1. 已屬發展成熟之施 1. 下部結構完工前, 工法 凝土箱形梁斷面 工法 上部結構無法動 2. 跨度通常為 100m 左 2. 不須太大之工作場 工, 且每一節塊深 右, 在 m 範圍 地 度不一, 模板需要 內皆有其經濟性 3. 無線形之限制, 適 不斷調整, 通常完 3. 橋下無法架設支撐 合長跨徑變斷面箱 成每節塊須一周, 處, 如跨越鐵路 公 型梁施工 故工期較長 路之陸橋 4. 高架作業人數較場 2. 須在短期內施加預 4. 跨越河川時, 地質軟 撐工法少, 施工安 力, 故混凝土乾縮 弱, 土壤承載力不 全性也較高 及潛變所引起之預 足, 無法架設支撐處 5. 上部結構施工期間 力損失較大而產生 5. 跨越深谷時, 因橋下 橋墩間無需架設臨 之撓度亦較大 架設支柱甚高, 支柱 時支撐設施, 不影 3. 主梁量體較大, 施 容易挫屈變形, 安全 響橋墩間之人車通 工線形控制不易 性低, 而架設時係高 行 4. 柱頭板梁深大, 逐 空作業危險性大, 故 6. 可於工作車上架設 塊施築, 進度緩慢 不適合架設支撐 棚架, 不受天候影 施工品質不易控制 15

27 響, 容易掌控工期 5. 高空作業, 危險性 7. 可提高行車舒適性 大 並減少低噪音 預鑄節塊 1. 適用於橋址附近有 1. 上部結構可分段 1. 須較寬之預鑄場 工法 適當場地可供設置 預先鑄造節塊, 再 地, 且施工時縱坡 預鑄場之施工場所 進行吊裝, 可縮短 較不易調整 2. 預力混凝土梁平及 主要徑時程, 縮短 2. 施工跨徑受限於 立面線形必須為單 工期, 品質控制容 鋼梁桁架之強度 純直線或圓曲線且 易 3. 須增加吊裝機具 曲線半徑不可太小 2. 不受線形限制, 亦 設備 3. 橋下無法架設支撐 可採漸變斷面符 4. 各節塊係先預鑄 處, 如跨越鐵路 合經濟性 定型, 當吊裝後發 公路之陸橋 3. 模板支撐系統可 現有偏差時, 修正 4. 跨越河川時, 地質 重複使用, 具經濟 困難 軟弱, 土壤承載力 性 5. 縱向鋼筋無法連 不足, 無法架設支 4. 上部結構施工 貫, 須依節塊長度 撐處 時, 可同時施作橋 分別銜接, 增加接 5. 跨越深谷時, 因橋 梁下方的地面車 合作業 下架設支柱甚高, 道 排水 交通設 6. 尺寸受吊車能力 支柱容易挫屈變 施等附屬工程, 總 及交通法規限制 形, 安全性低, 而 工期得以縮短 7. 吊裝作業不當, 易 架設時係高空作業 引起施工災害 危險性大, 故不適 合架設支撐 預鑄斜撐 1. 適用於橋址附近有 1. 縮小橋墩柱之斷面 施工較為繁雜, 除考 板工法 適當場地可供設置 尺寸 : 適於市區高 量基地面積受地形地 預鑄場之施工場所 架橋及山谷陡坡之 物限制須縮小墩柱採 2. 橋面寬超過 20m 以 橋墩, 可減少橋墩 用單柱式結構外才使 上且採用單柱橋墩 占用地面車道空間 用 時, 為減輕施工設備 及減少坡面開挖 重量可採單室箱梁 2. 減輕上部結構節塊 16

28 配合預鑄斜撐版設 施工時之重量 計 3. 橋梁外形輕巧美觀 4. 對於橋墩不高之橋 梁, 因梁深較淺, 故較無壓迫感 全跨預鑄 1. 適用於制式的預力 1. 採工廠化方式施 1. 預鑄場之規劃面 吊裝工法 混凝土橋梁 工, 可以降低造 積須相當大, 且規 (FPLM) 2. 適用於橋址附近有 價 縮短工期, 控 劃各項機械之搭 適當場地可供設置 制良好的施工品 配均需考量, 預鑄 預鑄場之施工場所 質 梁由運梁車由預 2. 工人在短期內可 鑄場運至現場, 運 達到技術純熟, 提 輸動線長 高效率 降低工資 2. 橋梁尺寸受卡車 成本 運輸及吊車負荷 3. 採高度機械化之 量之限制 方式生產預鑄 3. 吊車進出需要施 梁, 可大量節省人 工便道 力 4. 採週期性之施工 作業, 進度易於掌 控 5. 機具設備操作程 序明確, 並有良好 之安全監控裝 置, 可減少工安事 件發生 6. 對於吊裝沿線周 圍環境之干擾可 減少 斜張橋 具有大跨距 1. 具結構力學及美 鋼索易鏽蝕 因跨度 ( m), 設計自由 觀 大阻尼低之特質, 故 17

29 度大 2. 相對於大跨距與其它工法較經濟 結構易受風力引起扭轉 顫動等現象 且節省材料 降拱 拱橋結構 較場撐工法減少支撐 工程技術難度較高, 施 工 法 失敗的危險而施工速 施工精度要求高 (Lowering 度較懸臂施工法快速 Method) 板拉橋 適用於需以中大跨度, 1. 剛性拉板代替柔性 外觀較斜張橋及脊背 施工法 約 m 佈置之 拉索, 解決了拉索 橋梁笨重 橋梁 疲勞問題, 節省拉索材料用量 2. 大幅提高主梁剛度, 預應力鋼索應力提高 鋼管桁架橋梁工法 (Space Frame Bridge) 適用地形陡峭施工不易, 需減輕上構重量之橋梁 1. 材料可回收再利用 2. 在結構上, 桁架橋相對其它型式橋梁在地震時有較小之地震力 3. 採用預鑄 預組系統, 不僅可以保證施工品質, 更能降低施工中對於現有環境的影響 4. 開放性斷面, 具有視線與陽光穿越性, 可降低一般高架橋對視覺的衝擊 鋼結構維修及金屬疲勞等問題 Y 型柱拱橋適合跨徑配置受地 1. 上下部結構可同 1. 橋底為曲線需施 18

30 局部支撐 形 橫交道路或排水設 時施工, 可縮短工 以場撐, 受橋梁位 預鑄節塊 施及橋梁線形影響 期 址限制 吊裝工法 2. 橋型優美符合景 2. 結構設計依特別 觀需求 條件考量, 上下構 產生複雜之互制 行為, 施工時需考 量因素多 脊背橋 適用於需以中大跨度, 1. 橋塔高度低, 鋼索 1. 線形曲率較小 工法 約 m 佈置之 數量少, 跨徑比一 者, 支撐架推移不 ( 本文研究 橋梁 般梁式橋長 易, 且上部結構若 主題 ) 2. 無須架設地面支 為非等斷面設計 撐, 不受地形地物 時, 系統模板組裝 之限制, 施工機械 費時, 不符成本效 作業便捷可重複 益 操作, 機械設備可 2. 預力鋼腱易產生 重複使用 鏽蝕的問題 3. 可利用已完成之 橋面作為人員 材 料與機械之運輸 通道, 可減少對鄰 近環境的污染及 衝擊 4. 較斜張橋施工速 度快, 維修容易 5. 方便交維及調和 景觀 19

31 第三章脊背橋工法之施工作業程序 施工中技術 問題與對策 一 前言本文僅就脊背橋之型式 沿革 構造概要特性及其優勢與後續之發展趨勢作一簡述, 並列舉國際上其他著名脊背橋興建實績及構造概要提供參考, 以期國內橋梁工程師, 透過新的橋梁技術之研討剖析, 對國內之橋梁工程設計與施工技術開創新頁, 並朝向塑造大地景觀者之精緻工藝新境界邁進 一般而言, 中大跨度之預力混凝土梁多採用懸臂工法設計施工, 超大跨度 (200 公尺以上 ) 時則採用斜張橋型, 但造價昂貴, 若沒有特殊考量外甚少採用 近年來, 於懸臂工法鋼構架橋與斜張橋兩種不同橋梁結構系統間出現一種折衷形式, 此種橋型稱為脊背橋工法 (Extradosed Bridge) 外觀造型類似斜張橋, 惟其橋塔較斜張橋為矮, 主要結構原理係將傳統箱形梁內置預力鋼腱改配置於箱形梁外部, 結構行為以梁體為主要承載構件, 斜拉預力鋼纜為輔助, 其結構行為較偏向梁式結構, 因此可稱做是介於傳統梁式橋與斜張橋兩種橋梁結構之間的一種新興結構形式, 而兼具斜張橋及梁橋之優點, 預力混凝土箱梁亦可採用複合式斷面 ( 如浪型鋼腹板 ), 厚度亦較傳統梁橋小, 可減少結構重量, 對中長跨徑 ( 公尺 ) 橋梁相當具有經濟效益 本橋型橋梁因其外型類似恐龍之背脊而稱之 脊背橋之設計概念首先應用於日本小田原港橋 (Odawara Blueway Bridge 為世界上第一座完成之脊背橋 (1994 年竣工 ) 5 脊背式橋梁結構形式概念係由法國工程師 Jacgues Mathivat 於 1988 年首先提出, 藉由矮塔偏離安裝外置鋼腱連結於主大梁之上形成一新型之支撐結構系統 就其定義而論, 係介於斜張橋與傳統懸臂工法箱形梁橋兩種不同橋梁結構系統之間的一種折衷形式, 由於配置方式可以提供預力鋼鍵較大偏心而使得梁深較傳統懸臂工法橋梁小, 雖橋梁外型與斜張橋近似, 但橋塔高度遠較斜張橋低, 結構行為亦偏向梁式結構 自 1994 年全世界第一座脊背式橋梁 小田原港橋 (Odawara Blueway Bridge) 於日本竣工通車, 迄今此一橋梁工法已為世界各國 20

32 廣泛地施工應用, 而隨著科技 材料之創新與計算能力之大幅提昇, 橋梁技術亦呈現不同以往傳統之風貌, 最大橋梁跨徑預力混凝土橋已逾 200 公尺, 且各式複合式脊背橋亦蓬勃發展, 其中鋼構脊背橋之主跨徑更已長達 312 公尺 ( 中國蕪湖長江大橋,2000 年竣工, 公 鐵兩用橋梁 ), 目前包括已有不下 50 座同類工法橋梁完工提供服務功能或正在建造施工中, 吸引世人之目光讚賞橋梁之美 表 世界各地脊背橋簡介 橋梁名稱及概要橋梁構造 小田原港橋 (Odawara Blueway Bridge) 世界首座脊背橋所在地 : 日本神奈川縣小田原市竣工 :1994 年 橋長 :270m 最大跨距 :122m 橋淨寬 :9m 斷面形状 : 雙箱室 梁深 :2.2~3.5m 橋淨寬 :16.2m 主塔高度 :10.7m Sunniberg Bridge 由 Christian Menn 所設計主梁為柔性梁, 主塔為剛塔所在地 : 瑞士竣工 :1998 年 橋長 :526m 最大跨距 :140m 橋淨寬 :9m 斷面形状 : 肋板梁梁深 :0.32~0.4m 橋淨寬 :12.378m 主塔最大高度 :77m 衝原橋 (Tsukuhara Bridge) 明石海峡大橋之延伸路線所在地 : 日本兵庫縣神戸市竣工 :1998 年 橋長 :323m 最大跨距 :180 m 跨數 :3 橋淨寬 :9.25 m 斷面形状 : 單箱室 梁深 :3~5.5 m 主塔高度 :16m 揖斐川橋 (Ibi River Bridge) 結世界首座複合式脊背橋 橋長 :1397m 最大跨距 :271.5m 21

33 結構型式 : 五塔六跨連續預力混凝土接鋼箱型梁鋼纜配置 : 中央單塔雙索面扇形配置所在地 : 日本三重縣桑名郡竣工 :2001 年木曽川橋 (Kiso River Bridge) 日本長跨距 PC 鋼複合脊背橋結構型式 : 四塔跨連續預力混凝土接鋼箱型梁鋼纜配置 : 中央單塔式雙索面扇形配置所在地 : 日本三重縣桑名郡竣工 :2001 年日見夢大橋 (Himi Bridge) 世界首座複合式三跨連續波形鋼腹板脊背橋所在地 : 日本長崎縣竣工 :2004 年三戸望郷大橋日本最長跨距之 3 跨連續 PC 脊背橋所在地 : 日本青森縣三戸郡竣工 :2005 年栗東橋 (Rittoh Bridge) 世界首座單箱 3 室之波浪形鋼腹鈑脊背橋所在地 : 日本滋賀縣栗東市竣工 :2007 年 橋淨寬 :28m 梁深 :4~7 m 主塔高度 :30m 橋長 :1145m 最大跨距 :275m 橋淨寬 :28m 梁深 :4~7m 主塔高度 :30m 橋長 :365m 最大跨距 :180m 橋淨寬 :9.75m 斷面形狀 : 單箱室梁深 :4m 主塔高度 :19.8 m 橋長 :400m 最大跨距 :200m 橋淨寬 :10.25m 主塔高度 :25m 上行線橋長 :495 m 下行線橋長 :555 m 最大跨距 :160 m 橋淨寬 :19.5 m 斷面形狀 : 單箱 3 室梁深 :4.5m 主塔高度 :31m 22

34 蕪湖長江大橋世界跨距最長之連續鋼構脊背橋中國最長的公鐵兩用橋所在地 : 中國安徽省蕪湖市竣工 :2000 年荷麻溪特大橋世界跨距最長之 PC 脊背橋所在地 : 中國廣東省珠海市竣工 :2006 年 New Pearl Harbor Memorial Bridge 美國第 1 座脊背橋所在地 : 美國 Connecticut state 2012 年竣工芹苴大橋所在地 : 越南 2010 年竣工愛蘭交流道連絡道南港溪橋臺灣首座脊背橋所在地 : 南投縣 2007 年竣工媽祖大橋所在地 : 雲林縣 2009 年竣工 橋長 :672m 最大跨距 :312m 鋼桁梁主塔高 84.2m 橋長 :480m 最大跨距 :230m 断面形状 :T 型 10 車道大橋橋長 :1443.2m 最大跨距 :157m 橋長 :2750m 最大跨距 :550m 橋淨寬 :23.1m 主塔高度 :39m 橋長 :300m 最大跨距 :140m 橋淨寬 :24.85m 斷面形狀 : 單箱 4 室梁深 :3~5.1m 主塔高度 :20.25m 橋長 :250m 最大跨距 :125m 橋淨寬 :27m 斷面形狀 : 雙室箱型梁深 :2.5~6m 主塔高度 :35.2m 23

35 新旗山橋 所在地 : 高雄市 2010 年竣工 橋長 :535m 最大跨距 :100m 橋淨寬 :22.2m 梁深 :2.8~5m 新豐平橋臺灣第一座三塔式脊背橋所在地 : 花蓮縣工期 :2009 年 ~2012 年 橋長 :904m 最大跨距 :140m 橋淨寬 :28.2m 梁深 :2.65~4.8m 主塔高度 :29m 金門大橋 全球最長跨徑五塔連續脊背橋 工期 :2011 年 ~2016 年 橋長 :4770m 最大跨距 :280m 橋淨寬 :20.4m 梁深 :2.65~4.8m 主塔高度 :91m 脊背橋之構造特性 ( 一 ) 脊背橋之構造概要脊背橋結構之組成構件包含 : 主塔 主梁 外置鋼腱系統 主梁主要承受橋面之垂向載重, 主塔主要承受因外置鋼腱傳遞之軸壓力 外置鋼腱主要承受軸向拉力, 用以支撐橋面並將部分載重傳遞至橋塔 主梁及主塔上設有錨碇裝置, 外置鋼腱兩端由固定於加勁梁及橋塔之錨碇裝置連繫, 但主梁之錨頭可至於梁內, 較美觀整齊 脊背橋主梁為主要的承載構件, 搭配橋塔, 但將主梁內部之預力鋼腱, 部份改配置於類似斜張橋外型之箱梁外部, 故箱梁深度比連續梁橋來得小, 但比斜張橋深 主塔也較斜張橋矮, 且外置鋼腱不需考慮做拉力調整, 此點不同於斜張橋之調整拉索力為主要設計流程之一 ( 二 ) 主塔型式脊背橋之主塔不像斜張橋之主塔為主要承載構件, 和斜張橋主要由風及地震力等水平載重引致之彎矩, 與 P- ( 幾何非線性 ) 效應來決定主塔斷面是截然不同的 脊背橋常依整體造型和景觀來決定主塔, 24

36 因而可創造出地標性景觀, 而且塔高較斜張橋低, 可減少壓迫感 脊背橋主塔型式一般可區分為單柱 雙柱 多柱等類型, 其形狀與結構尺寸比例大小, 對橋梁整體造型及景觀具有很大之影響 茲舉日本栗東橋為例 本橋設置地點位於自然公園內, 為融合當地橋塔側面造型採單頂鶴意象設計, 以表現出其獨特的造型 5 基本主塔型式可區分為單柱 雙柱及多柱式等系列, 茲分別說明如下 : 6 1. 單柱單柱式為使用於主梁抗扭剛度較大之單索面或雙索面系統, 可採矩形柱 菱形柱 雙橢圓柱等實心或中空斷面, 目前單柱式皆採用垂直式的造型 單柱式應用於豎琴式單索面系統, 在軸向須提供較大撓曲剛度, 造型長為上小下大之變斷面矩形柱 2. 雙柱雙柱式可使用於單索面或雙索面系統, 可採矩形柱 菱形柱 雙橢圓柱等實心或中空斷面, 橫向剛度較大, 目前雙柱式皆採用雙柱型的造型 3. 多柱多柱則為雙柱式之衍生變化體, 在橋軸向及橫向剛度都很大, 較適合扇型或混合式, 並不合適豎琴式 ( 三 ) 錨碇構造主塔主要承受軸壓力及剪力, 整個力係的傳遞在主塔應檢核其集中應力效應, 貫穿式力系傳遞效益較差 ; 外置鋼腱端錨錨錠於主塔及主梁, 考量施工預力之便利性, 原則主塔為固定端, 主梁為施力端, 錨碇部位構造與外置鋼腱配置形狀及塔柱構造有關, 並須考慮設計 施工 養護維修及更換方式, 不論什麼形式錨碇位置應與分析設計情況ㄧ致, 避免產生額外偏心應力, 依錨碇不同的方式, 列表說明如下 25

37 固定方式 分離式固定 貫穿式固定 型式 連結錨碇 分離錨碇 交錯錨碇 鞍座錨碇 立面示意圖 斷面 示意圖 圖 脊背橋主塔錨碇構造示意圖 說明錨碇構造 交錯 錨碇 26

38 分離 錨碇 鞍座 錨碇 圖 脊背橋主塔錨碇構造設施 5 ( 四 ) 脊背橋索面型式脊背橋外置鋼腱之配置, 須配合主塔造型考量整體造型 景觀 交通及結構勁度等因素配置, 依平行橋軸方向一般區分為單索面與雙索面系統 無論單或雙索面從側視普遍可細分為豎琴式 (Harp), 混合式 (Mixed) 及扇型 (Fan) 三種型式 : 圖 脊背橋索面型式示意圖 1. 豎琴式 (Harp) 豎琴式的配置如豎琴形狀, 其優點為側視景觀最好, 每股拉索成平行排列錨錠於塔柱, 簡化了塔柱及主梁端錨細部設計及施工, 27

39 並使安裝外置鋼腱及日後維修抽換更為簡易, 但衍生的缺點為結構力學效益較差 2. 扇型 (Fan) 外置鋼腱斜度越陡, 則長度越短, 垂直分力較大, 其結構力學效益也較佳 扇狀式的外置鋼腱配置, 可使主塔應力改善, 另一方面亦節省整體造價 3. 混合式 (Mixed) 混合式為介於豎琴式與扇型之型式, 雖介兩種形式之間, 但由於脊背橋之橋塔較矮, 若採用扇型或混合式會使外置鋼腱較集中於橋塔頂端部分, 使配置的空間較不充裕 無論就設計和施工上而言較為不利, 目前較多採用豎琴式的外置鋼腱型式以避免上述之問題 ( 五 ) 鋼鍵構造 1. 脊背橋之外置鋼腱系統特點如下 : 7 (1) 施工較連續梁橋單純簡易, 外置預力不需要預埋套管 ( 包括放樣 ) 穿線 清洗 灌漿等工作 (2) 預力損失最小, 由於外置鋼腱幾乎直線, 僅於錨錠處鋼導管近端錨附近有局部摩擦造成預力損失 (3) 外置鋼腱之預力鋼絞索及錨碇設施通常可直接目視檢測, 檢測維修較連續梁橋困難度低 (4) 外置鋼腱之預力鋼絞索不像連續梁橋由混凝土握裹, 理論上其內力值均一致 (5) 塔身較低, 外置鋼腱長度短, 索的垂度小, 振動等引起次應力變動小 (6) 大部份設計規範規定斜張橋之拉索容許應力為 0.45, 脊背橋因其活載重應力較小, 外置鋼腱容許應力可採用斜張橋規範之規定 但其活載重應力不大於 1000kgf/cm 2 時, 可放寬至 外置鋼腱的基本功能需求應包含 : (1) 提供足夠的保護以抵擋氣候變化及車輛意外事故撞擊 (2) 在橋梁使用壽命期間容許重新調整拉索張力 (3) 容許抽換拉索且不至影響橋梁之結構穩定性 28

40 種類鋼絞索 型式 平行 ( 半平行 ) 鋼線平行七線鋼絞索 圖 外置鋼絞索型式 3. 目前所選用之類型為鋼絞索 平行 ( 半平行 ) 鋼線及平行七線鋼絞索等三種, 考慮到長跨徑橋梁疲勞強度要求高, 一般以平行 ( 半平行 ) 鋼線及平行七線鋼絞索為使用的較多 6 (1) 鋼絞索 (Bridge Strands) 疲勞強度低, 只能施拉預力至極限強度 GUTS 之 55% 用於預力混凝土結構, 可減輕拉索重量 可在工廠製作, 其處理的第一道防線為鍍鋅, 鍍鋅溫度高達攝氏 425~500 時會使強度下降 5 %, 但防蝕效果好 (2) 平行 ( 半平行 ) 鋼線 (Parallel or Semi-Parallel Wire Cables) 其材質須滿足 ASTM A421 之規定, 通常使用於預力混凝土結構, 可分為下列三種 : 1 光亮平行鋼線 2 鍍鋅平行鋼線 3 長置鍍鋅平行鋼線 (3) 平行七線鋼絞索 (Parallel Sev`n Wire Strands) 常運用於預力混凝土結構, 若鋼絞索以鍍鋅處理, 則極限強度會些微降低 ( 六 ) 脊背橋撓度脊背橋撓度受主梁撓度 鋼索的彈性變形引起之位移 主塔轉動引起之垂直變位及橋塔彈性壓縮 ( 此部分較小可忽略 ) 等因素影響 要減小脊背橋中跨之撓度, 有下述三種途徑 增加斜拉鋼索之尺寸 增加橋塔之剛度 增加主梁之剛度 5 29

41 脊背橋與斜張橋之區別脊背橋的構造和受力介於連續梁和斜拉橋之間, 斜拉鋼索集中在橋塔頂部通過, 以取得斜拉鋼索垂直分力之最大效果, 其適用於多塔多跨和塔高受限制的情形, 從剛度和疲勞考慮, 具有施工單純簡易 預力損失較小 檢測維修困難度較低 應力分佈均勻 可減少落墩數等特性 脊背橋與一般梁橋 斜張橋比較, 其構造概要特徵概述如下 : ( 一 ) 橋梁造型與斜張橋類似, 惟橋塔高度較斜張橋低, 因此斜張鋼纜提供的水平預力較大, 效果相當於混凝土橋內加的組合鋼材, 可降低橋梁的彎曲變形幅度, 結構行為偏向梁式結構 受力特性接近梁式橋脊背橋在結構力學上之受力特性係介於斜張橋與連續梁橋之間, 但更接近於配設有外置預力鋼腱之連續梁橋 因其外置預力鋼腱應力變動幅度小, 因此鋼絞索之容許應力與安全係數可取與連續梁橋相同 ( 二 ) 主梁梁深較普通的箱形梁橋為小, 且為一體成型的構造物, 鋼纜力為整體結構系統的內力, 結構自重較一般輕 ( 三 ) 配合低橋塔的設置將傳統置於箱梁內部之預力鋼腱改配置於類似斜張橋外型之箱梁外部, 在結構上視為外置預力 ( 四 ) 由於配置方式可以提供預力鋼腱較大偏心而使得箱梁厚度較傳統梁橋小 ( 五 ) 對鋼索依賴程度小, 應力變動可大幅減小, 提高鋼索之抗疲勞能力, 實際施工亦比斜張橋簡單, 工程造價也低於斜張橋 另外, 跨越河道橋墩數目少, 對水流影響也較小 ( 六 ) 風力穩定性高一般斜張橋之橋面結構 (Deck structure) 剛度 ( 撓曲剛度 扭轉剛度 ) 較小易與風力共掁產生風力不穩定現象 因此, 斜張橋設計成果除作數值分析模擬其受風行為外 ; 常需藉風洞試驗以確認其風力穩定性 脊背橋則因其大梁剛度大, 故臨界風速亦高, 一般均不致有風力不穩現象發生 30

42 表 斜張橋與脊背橋比較 項 項目 斜張橋 脊背橋 次 (Cable-stayed Bridge) (Extradosed Bridge) 1 主要原理 斜射狀主鋼索直接把橋面重量及載重傳遞至橋塔來支撐大部分荷重, 屬拉索式橋梁 結構以梁體為主要承載構件, 斜拉鋼纜為輔助, 結構行為兼具斜張橋及梁橋之優點, 偏向梁式結構 2 橋塔高度 較高 h=l/4~l/5( 雙塔三跨式 ) 較低 h=l/8~l/15 h=l/3( 單塔雙跨式 ) 3 梁深與跨度比值 較薄, 撓曲剛度小, 偏向橋面板系統 較厚, 撓曲剛度相對較大 1/25~1/35 (H/L) 1/100~1/200 (2.0~2.5m) 4 邊跨與主跨比值 L1/L=0.4~0.5 ( 多數為 0.4) L1/L=0.5~0.6 ( 多數為 0.6) 5 塔高與跨徑 1/3~1/5 1/9~1/15 比值 6 端錨索 有 無 7 疲乏效應 大 小 8 斜拉鋼索在 較長 較短 橋面區段 9 鋼索之容許應力 0.45f's(Δσ> 1000kg/cm 2 ) 0.6f's(Δσ 1000kg/cm 2 ) 0.6f's ( 梁橋之外置預力 : 0.72f's) 10 鋼索之應力變化 應力變化達 80%,Δσ (Δσ 2000kg/cm 2 ) 應力變動富度較小, 一孺約為斜張橋之 1/3, Δσ=σmax-σ min Δσ/3 ( 類似梁橋之外置預力 ) 31

43 11 風力穩定分析 需要考慮風力, 剛度較小, 易與風力共掁產生風 不需要, 剛度大, 故臨界風速亦高 力不穩定現象 12 預力損失 大 小, 僅於錨碇處鋼導管近端錨附近, 因灌漿而有局部磨擦造成預力損失外, 其它部位均無, 預力效率高 13 構造概要特徵 14 結構系統 複雜, 纜索自重造成之懸垂效應及彈性模數理論上為其應力之函數, 勁度則為其應力與初形 (Initial shape) 之函數, 因此, 其分析較為複雜 簡化, 因斜張外置預力鋼腱之水平投影長度不大 ( 最長約 56m), 其懸垂度 (Sag) 亦小修正纜索彈性模數及相應勁度, 自動作迭代分析, 使得計算工作大幅簡化 15 施工性 施工時需考慮施工環境, 程序上較複雜 單純簡易, 外置預力不需預埋套管 ( 包括放樣固定 ) 穿線 清洗 灌漿等工作 16 工程造價 8 萬 /m 2 4 萬以上 /m 2 17 檢測維修 內置式預力則檢測不易, 既使嚴重銹蝕亦難發現, 且補強作業施工複雜性亦高 困難度低, 置預力之鋼絞索及錨碇設施均可直接目視檢測, 如發現異常, 亦可輕易抽換 ( 設計時須預留抽換作業空間 ) 備註 :H 梁深 ;L 橋長 ;h 主塔高 32

44 脊背橋之發展趨勢 5 茲就脊背橋設計與施工之優勢, 以及近年來其發展趨勢方向探討如下 : ( 一 ) 設計與施工之優勢 1. 與 PC 連續箱梁橋相較 : (1) 梁深較小, 可減輕下部結構的負擔 其前後引線區段結構物亦可做得較小 結構予人之視覺印象較為輕巧 (2) 具有主塔可創造出標誌性景觀, 相當引人注目, 而且塔高不似斜張橋的塔高, 可減少壓迫感, 適合作為塑造區域特性景觀 2. 與斜張橋相較 : (1) 梁的剛度較大, 結構上對斜索的依賴程度較少, 斜索拉力變動對梁的影響較小, 施工中及完工後不必調整斜拉鋼索拉力, 較一般斜張橋需要再張拉的斜拉索體系具有優勢 (2) 斜索應力變化可大幅度減小, 抗疲勞性能提高 (3) 塔高降低, 斜索長度短, 索的垂度小, 振動等引起次應力變動小 (4) 斜索的錨頭可放在梁內, 外觀較整潔 (5) 撓度管理及施工性較容易 3. 經濟性比較 : 脊背橋之造價較同等規模之 PC 連續剛構稍高 ( 約高 10%) 但較斜張橋則便宜甚多 ( 約為斜張橋之 1/3~1/2), 綜合景觀及結構等特色考量, 該橋型在經濟上仍有其相當優勢 ( 二 ) 脊背橋後續發展趨勢由脊背橋近期建設實績可歸納出以下四大發展方向 : 1. 主梁結構多元化 脊背橋肇始以剛性梁為主柔性索為輔, 主梁結構除了早期之 PC 連續結構外, 目前已發展出混凝土和鋼梁 波形鋼腹板相結合之複合式橋梁以及鋼構橋等 2. 主梁結構輕薄化 脊背橋主梁之受力可用斜拉鋼索來進行分攤調整, 不若連續 PC 梁橋係取決於跨徑大小, 因此主梁尺寸之靈活度較高, 除可減少上部結構自重以及傳遞至下部結構之地震力外, 亦可收顯現輕巧之景觀, 符合一般大眾審美觀點之效能 33

45 3. 跨徑不斷地增長 脊背橋較傳統 PC 連續梁橋梁深較低, 適用跨徑原即較 PC 連續梁橋為長, 隨主梁結構多元化及輕薄化之發展, 亦將本工法橋梁跨徑不斷地往前推展 4. 索 塔錨碇構造多樣化 斜張橋的拉索一般採用在主塔上裝設錨具直接錨固, 而脊背橋另外可採用鞍座固定鋼索 ( 三 ) 脊背橋外置預力有以下特點 : 1. 施工單純簡易外置預力不需預埋套管 ( 包括放樣 ) 穿線 清洗 灌漿等工作, 施工相對簡易 2. 預力損失小由於預力外置且幾近直線, 僅於錨碇處鋼導管近端錨附近有局部磨擦造成預力損失, 其它部位均無 磨擦損失量遠較內置預力為小 3. 檢測維修較容易外置預力之預力鋼絞索及錨碇設施均可直接目視檢測 ; 如發現異常, 亦可輕易抽換, 品質較易掌握 內置式預力則檢測不易, 即使嚴重銹蝕亦難發現, 且補強作業施工複雜性亦高 4. 應力分佈均勻外置預力之預力鋼絞索因不與混凝土粘結, 因此除自重之細微影響外, 理論上其內應力為均一值 5. 預力量大小可以調整因混凝土之乾縮 潛變等非彈性行為將導致內置預力鋼絞索之預力損失, 因此預力之估算有一定程度之不確定性 外置預力因非粘結系統, 可隨時調整其預力量大小 ; 因此, 脊背橋之外置預力系統施於橋梁結構之力量得以確定, 並可隨時調整符合需要 6. 疲乏影響較大因外置預力不與混凝土粘結, 故端靠預力錨碇系統固定 對公路交通活載重等高頻率低應力之反覆應力所形成之疲乏效應較為敏感 此外, 地震時之低頻率高應力對錨碇系統有較不利之影響, 值得設計時多予考慮 34

46 二 施工作業程序 8 ( 一 ) 本工法以愛蘭交流道聯絡道南港溪橋為例, 全長共 300 公尺 脊背式橋梁造型與斜張橋類似, 惟橋塔較低, 結構量體不致龐大 ; 其外置預力鋼腱結構上視為外置預力, 應力變動幅度較低, 可提高鋼腱之抗疲勞能力, 施工亦較斜張橋簡單, 適用於中大跨度 ( 約 120~200 公尺 ) 佈置之橋梁 本案採 公尺跨度配置, 斷面為雙向共構設計 施工步驟簡要說明如下 : 1. 基樁 基礎及墩柱施作 2. 柱頭節塊完成後, 安裝懸臂工作車 3. 依節塊編號次序進行上構節塊懸臂式施工, 施作時依一般場鑄懸臂工法作業, 每一節塊完成經養生後, 施拉頂板內置縱向及橫向預力 當依序完成 3 對節塊並推進工作車後, 橋塔位置處已有足夠之作業空間, 即可進行橋塔昇層作業 35

47 4. 當完成箱梁第 9 對節塊 ( 即節塊編號 17,18) 並完成工作車推進後, 開始施拉第 7 對節塊處 ( 即節塊編號 13,14) 之第 1 對外置預力 橋塔昇層則接續施作 5. 依序施作箱梁節塊並保持 2 個節塊間隔施作外置預力之程序, 逐一完成斜張式外置預力段箱梁施工 36

48 6. 懸臂節塊完成後, 以場撐工法進行邊跨箱梁施作 7. 邊跨箱梁完成後, 以懸臂工作車完成中央閉合節塊施作 8. 工作車拆除, 結構體全部完成 37

49 ( 二 ) 本工法施工, 可分為基礎與橋墩 主梁 橋塔 吊索, 橋墩基礎採擴展基腳與全套管基樁兩類, 因為一般性的基礎施工, 本文不加以贅述, 只針對斜張式外置預力鋼纜結構施工步驟討論 : 外置預力鋼纜組立與施拉作業主要需配合橋梁平衡懸臂節塊施工順序施作, 施作流程如圖 所示 施工平台 錨具安裝 HDPE 外套管安裝 HDPE 外套管熱熔對接 絞線逐根安裝及施拉 整體調索 梁體結構全部完成後 索箍 減震器安裝 聚氨酯 ( 發泡劑 ) 灌注 過渡管 防水罩安裝 安裝錨頭保護罩及注油 防鬆裝置安裝固定 圖 施工步驟流程圖 38

50 施工步驟 1. 準備工作 : (1) 橋塔內搭設爬梯及施工架供人員上下及進行各項作業 人員上下橋塔及塔外工作則以高空作業車方式進行 塔內爬梯及施工架 圖 施工架示意圖 (2) 外置預力鋼腱安裝是以單根絞索現場穿線方式施作, 故於橋 塔處裝設捲揚機並配合滑輪組做為牽引設施 相關施工設施 示意圖如圖 4-2 所示 39

51 圖 捲揚機及滑輪組等施工設施示意圖 (3)HDPE 外護管安裝特製夾具臨時固定, 另外單根絞線牽引亦配有切割砂輪機 心線擠壓器 ( 打鈍頭 ) 及特製續接固定器等等 (4) 將整捲帶 PE 護套之鋼絞線放置橋面上, 留出足夠空間供絞線攤開, 並裁好供單根穿索之用 (5.1)OVM250 拉索錨頭組裝 PE 預埋導管捆紮定位 : 1 如圖所示, 在組裝平臺上, 將各錨具零部件就位, 在錨具外表面明顯處按索號及預埋管號進行編號並標示清楚 2 PE 預留管上端用 80mm 長的熱收縮套套入 40mm, 並將該段 40mm 先用電熱吹風機加熱收縮, 使之與 PE 預留管粘結, 另一端沒有套入段待拉索單根張拉完成後, 再作加熱收縮 3 PE 預留管裝入錨板對應位置後, 在鋼導管出口位置將 PE 預留管收攏緊湊, 不能交叉錯位, 用膠帶將其捆紮成束定位 40

52 4 本工程錨孔爲未滿索之六邊形排佈, 在安裝減振器的位置, 將加入六根長約 300mm 的 PE 預留管假索, 以塑造成正六邊形 5 套入鋼導管並定位, 使 PE 預留管束對中, 並用輔助定位支架定心, 確保 PE 預留管邊緣距離鋼導管內壁均勻, 誤差控制在 1mm 以內 (5.2) 灌漿固結 : 1 從鋼導管上端由上往下進行灌漿 2 注意漿體到達鋼導管上端面即停止灌漿, 避免漿體流入錨板孔及螺紋處, 表面如有殘留漿液將及時清理乾淨 3 待水泥漿固結並達到 30MPa 的強度後, 方可移動錨具 (5.3) 防護措施 : 組裝過程中要求保證錨具各部零件的清潔,PE 預留管端頭及錨孔採取防護措施, 避免雜物落入管內或孔內, 錨具加強防潮及防撞, 以避免造成損傷 熱縮套 PE 預留管 水泥漿與鋼導管口 持平時停止灌漿間隔器及膠帶 PE 預留管 O 型密封圈 導向套錨頭 灌漿用台座 圖 錨頭組裝設施示意圖 41

53 2. 錨具及外護管安裝 : (1) 將預裝完成之固定端錨具安裝於橋塔端, 施拉端錨具安裝於橋面端箱梁內, 並以簡易夾具臨時固定 ( 孔位上下對應 ) (2)HDPE 外套管於橋面上一段一段將對接管口切平後, 以熱熔機逐段接續妥當 (3) 在橋面上, 將接好的 HDPE 外套管在輸送台車上擺放好以備起吊, 然後在外套管內穿入一根輔助鋼絞線, 同時在 HDPE 外套管兩端安裝臨時管夾 利用吊車將外套管和輔助鋼絞線一起吊起, 到達預定高度後, 將輔助鋼絞線穿入塔端錨具錨孔內, 並裝入夾片固定 下端亦將輔助鋼絞線穿入相對應錨具錨孔內, 並以夾片固定 捲揚機及滑輪組 HDPE 外套管 第一根鋼絞線 圖 第一根鋼絞線吊掛示意圖 (4) 將預留之輔助鋼絞線兩端, 各穿入橋塔上固定端及箱梁內施拉端錨頭內, 裝上夾片後施加力量, 外套管藉此伸直成為索體管道, 以進行後續逐根穿索作業 ( 兩端過渡管處留下穿索作業空間 ) 42

54 HDPE 外套管 第一根鋼絞線 圖 第一根鋼絞線假固定示意圖 3. 外置預力鋼腱單根掛索及施預力 : (1) 於橋面上預裁好足夠長度之帶 PE 護套之鍍鋅鋼絞線, 兩端剝除約 120 公分 PE 護層, 牽引端再切除七線絞索之外圍六線約 30 公分, 中央心線鈍頭處理 (2) 將橋塔上捲揚機纜索與配重之掛索牽引裝置由 HDPE 外套管內向下放線, 放至橋面過渡管作業空間處拉出 43

55 配重之掛索牽引裝置 (3) 利用掛索牽引裝置, 將帶 PE 護套之鍍鋅鋼絞線與捲揚機纜 索連接妥當 圖 鋼絞線牽引示意圖 牽引裝置 PE 鋼絞線 圖 鋼絞線牽引示意圖 (4) 啟動塔上捲揚機, 將帶 PE 護套之鍍鋅鋼絞線經由外套管內往橋塔端牽引, 當掛索牽引裝置至橋塔上過渡管作業空間處時停止 (5) 於橋塔上, 以臨時固定裝置將鋼絞線抓住, 拆除與掛索牽引裝置之連結, 改由橋塔另一側捲揚機之纜索及單絲續接器, 經由相對應之錨孔穿入 PE 預留管內, 並與鋼絞線連接妥當, 啟動捲揚機將鋼絞線拉出錨孔外, 裝上夾片, 拆除單絲續接器 44

56 圖 橋塔鋼絞線牽引示意圖 (6) 於橋面端將鋼絞線穿入相對應錨孔之 PE 預留管內, 於箱梁內錨頭處穿出適當長度後, 裝上夾片 (7) 於塔端固定端錨處安裝施預力鞍座及單槍千斤頂, 施拉第一根鋼絞線預力 (8) 鋼絞線逐根穿索及施拉預力時, 先前之鋼絞線應力會逐步降低, 為使整束索體內每根鋼絞線之應力相當, 將裝設荷重儀來確認 方法是於第一根鋼絞線安裝一組單孔臨時錨具及荷重儀 (Load cell), 後續每根鋼絞線施拉力量均以荷重儀所顯示之力量施拉, 如此整束索體內之鋼絞線即維持相同之應力 荷重儀顯示器 臨時單根錨具 45

57 單槍千斤頂 圖 安裝施預力鞍座及單槍千斤頂示意圖 (9) 絞線穿索及施拉順序如圖 數字順序施作, 主要目的為留下下部空間做為穿索通道 當絞線牽引至定位後, 上下端即穿入相對應之錨孔內, 如此作業完成後, 確保此鋼腱內之絞線為完全平行狀態 圖 鋼絞線施拉順序示意圖 46

58 (10) 於結構體全部完成後, 如有需要調整索力, 可於箱梁內再 以大型千斤頂整束施拉至設計所需力量 ( 請參考圖 所示 ) 圖 整體張拉設備安裝圖 (11) 本工程每座 36 束共有 72 束外置預力鋼腱, 前後成對, 編號從 C1 至 C36, 分 18 個階段施拉 ; 另外為使在施拉期間橋塔不至於產生過大之縱向彎矩, 單根掛索及施加預力以橋塔兩側同高程之 X 對稱索同步作業 ( 如 C1 對 C19 對 ) (12) 關於外置預力之施拉時機, 橋塔二側工作車均前進至含外置預力節塊之下二節塊時, 端跨側及主跨側開始依序同時施拉 2 對外置預力, 例如施作 18 節塊時, 施拉 13 與 14 節塊之外置預力, 以此類推 (13) 外置預力鋼腱安裝及預力施拉順序如下 : 1 第 18 節塊完成 C1 對 C19 對 2 第 20 節塊完成 C20 對 C2 對 3 第 22 節塊完成 C3 對 C21 對 4 第 24 節塊完成 C22 對 C4 對 5 第 26 節塊完成 C5 對 C23 對 6 後續以此類推 4. 外置預力鋼腱整體調索 : (1) 橋梁鋪面施工完成後, 如有需要將進行整體鋼腱拉力調整之作業, 索力及張拉順序經詳細計算, 施拉作業以整束方式進 47

59 行 (2) 整束施拉作業為安裝整體施拉支架及大型千斤頂進行 利用錨碇鈑 ( 錨頭 ) 上螺紋及連接施拉桿, 將外置預力鋼腱整束拉出, 通過調節錨具螺母固定之 (3) 本工程為脊背式橋 ( 矮塔斜張橋 ), 因外置預力為橋體結構之部份預力, 且橋體屬剛性結構, 故調索作業無法改變橋形或高程, 調索作業主要為確定所有鋼纜之應力值是否在允許範圍內, 故以單槍千斤頂對每束鋼纜進行約 3~5 根絞線之試拉即可 5. 管內填充材灌注 (1) 本工程 HDPE 外套管內防蝕填充材採用聚氨酯 ( 發泡劑 ) 灌注 (2) 聚氨酯灌注為整體調索作業完成後進行 (3) 灌注方式為由下至上順序進行,HDPE 管上每 10M 鑽設約 10mm 直徑小孔, 旋入灌注小管作為聚氨酯灌注入口 (4) 整束灌注完成後, 抽出灌注小管, 再以同批剩餘管材加工車出之小圓柱體, 以樹脂確實將孔口封死 6. 外置預力鋼腱防護措施 (1) 外置預力鋼腱錨具內鋼絞線補油 錨具內鋼絞線由於掛索 張拉需要, 兩端 PE 將剝除, 剝除段鋼絞線進行之有效防護, 是在錨具錨孔內灌注防蝕油脂 注油設備採用空壓機帶動之活塞式注漿泵, 待整體施拉後, 用該泵把防蝕油脂壓進錨具錨孔內 (2) 錨碇鈑防鬆裝置安裝, 此裝置為低應力狀態下工作夾片錨固可靠性保證措施 (3) 外置預力鋼腱錨具外防護, 包含錨碇鈑端面 夾片 外露鋼絞線的防蝕 1 一方面為了整體防蝕, 一方面為了方便螺母旋動, 在錨具安裝時預先在支承筒外螺牙上塗上防蝕油脂 2 整體施拉後, 支承筒外露部分 錨板 夾片等都塗上防蝕油脂, 而且支承筒外露部分錨板用封箱帶纏繞密封 3 調索結束後, 在錨具外安裝保護罩, 罩內注油對裸露鋼絞線 夾片 錨板等進行防護 48

60 (4) 塔端及梁端預埋鋼管內預設防水 防潮措施, 下端承壓鈑設 有排水槽 三 施工中易發生之問題與因應對策脊背橋結構系統複雜, 預供值差異會直接影響纜索索力大小, 每條纜索之索力值能符合原設計, 設計符合實際施工, 更能使纜索壽命 潛變 鬆弛 情形符合預期, 以符合日後更換纜索時機 ( 一 ) 模板組立及拆除問題一 : 橋塔模版系統採用 EFCO( 美商艾福克公司 ) 系統模板, 因應橋塔於車行方向為漸變, 因滑模屬特殊性產品及施工方式, 在使用過程是否有其特別應注意的問題及處理方式? 對策 : 此系統模板有一微調機制, 可調整 SUPER STUD 配合模板面以符合所需之曲率半徑, 由於橋塔外型係為三向度變化, 每一升層之鋼筋 模板均無法系統化, 故利用 3D 製圖以求得模板設計尺寸以及模板開孔位置, 施工難度甚高 問題二 : 於混凝土澆置中可能產生之有關模板之事故, 有由於混凝土側壓之破壞, 模板浮昇, 直線性偏移, 由側模接縫之水泥糊漏出, 隅角部之鼓脹等 對策 : 模板組立上, 應採混凝土澆置中得以確保模板於正確位置, 尺寸之措施外, 應隨時檢查 ( 二 ) 混凝土澆置問題一 : 混凝土澆置時, 發生局部骨材析離與表面氣孔過多 對策 : 若混凝土為高強度易發生骨材析離, 故坍度取用較小, 若未採用高性能混凝土, 需加強搗實並於外模加設外模振動機, 避免氣孔過多 49

61 問題二 : 混凝土產生蜂窩現象 對策 : 混凝土坍流度必須控制在設計規定範圍內 (48cm~51cm), 過大會造成混凝土反湧現象發生, 過小則會造成施工性較差 可於外模腹板及底板之外側, 設置一排外模振動機, 配合高 低波振動棒, 以利振動搗實, 但主要還是應以一般之手持振動棒達到混凝土振動搗實之目的 問題三 : 混凝土產生冷接縫現象 對策 : 注意混凝土交接面之澆注方向 時間及順序 問題四 : 混凝土工作度不足, 無法流至底板 對策 : 調整混凝土配比並由內模頂板預留孔處灌入 問題五 : 水泥漿流度不良灌漿困難 對策 : 以流度計檢查流度並確認水溫 水灰比並檢查水泥是否 放置過久, 有結塊使拌合不均勻 問題六 : 套管及灌漿帽密封不良 對策 : 灌漿前以壓力水試之 問題七 : 預力套管漏漿, 使後續之預力施拉及套管灌漿無法進行 對策 : 預力套管接頭應以防水膠布確實包紮, 混凝土澆置後一小時, 混凝土初凝前, 需將保護管來回抽動, 檢查是否漏漿, 如果只有少量水泥塊可以用工具將混凝土塊拉出, 否則要在塞管處敲除, 將套管調整後填補混凝土再進行穿線施加預力 ( 三 ) 鋼索及鋼腱預力問題一 : 鋼索放置及保護措施不良 對策 : 鋼索採用成圈包裝 吊索運至工地現場後, 放索盤在橋下, 然後將成圈吊索放置在放索盤內, 用捲揚機或吊車引使鋼索展開, 爲保護纜索外層的 HDPE, 必須每隔 3~4 50

62 米左右放置一托架滾輪, 避免鋼索與地面摩擦損壞, 托 架滾輪可以採取臨時固定在地面, 也可以採取移動式, 但皆需使托架滾輪和吊索間不産生相對位移 問題二 : 鋼索之斷裂問題? 如何防止斷裂? 對策 : 斜張橋的設計索力僅 0.45fs', 即使脊背橋通常也不會超過 0.6fs', 以此應力狀況只要品管得宜, 斷裂的情形不會發生 反覆載重對錨碇系統及鋼索而言, 疲勞應力 (fatigue) 的影響才是關鍵課題, 因此需做 200 萬次的疲勞試驗 問題三 : 鋼腱之儲存場所不當, 造成鋼腱損傷 對策 : 所有進場材料應存放於倉庫或適當場所, 且以帆布覆蓋並做適當之防蝕及防損傷措施, 並嚴禁鋼腱通過通電之電線上方, 以防止減低預力鋼腱之弛度 問題四 : 磅表讀數異常 對策 : 磅表或油壓系統故障, 應確認其校正日期及其各電路 油路 問題五 : 伸長量不符預定的計算值 對策 : 這是工地常困擾的問題, 規範規定要在 5% 的差異允許值內 當摩擦力太大, 無法達到允許差異的伸長量時, 可以用水溶性的減摩劑或肥皂水注入套管, 或是鋼腱前後作 2~3 次移動另予解決 ; 如果是用減摩劑的方式, 在施完預力後要立刻注入清水將套管內的減摩劑完全除去, 所有方法要經過工程師同意才能進行 問題六 : 鋼絞線固定不良或內部摩擦力過於集中, 造成滑線或斷 線 51

63 對策 : 有可能為內部摩擦力集中於某點, 使每段之伸長量差異 性過大或夾片固定不良, 此時須於鬆線後重新安裝, 重 施預力 問題七 : 施拉預力作業時, 如果施加之強度超出預力鋼索之極限強度, 鋼索被拉斷時可能自套管射出, 則可能傷及施加預力人員 對策 : 作業前需檢視壓力表是否正常, 施加預力時隨時注意壓力表讀數, 絕對不逾規定預力值, 操作人員要站在台座側面油泵外側面進行工作, 不要位於預力鋼腱正前方, 另外可採單根絞線逐根施拉, 分數階段循環施拉, 以確保施預力量可符合設計要求且各股受力平均 ; 解拉時亦以單根絞線分階段逐次解壓, 最後完全解壓時因殘餘應力已低, 不會產生射出的情形, 仍需謹慎小心 問題八 : 預力增加造成塔底不平衡彎矩 對策 : 施工階段橋塔二側需同時施拉兩成對鋼鍵, 以消除單側 預力施工時引起塔底不平衡彎矩 ( 四 ) 其他問題一 : 材料仰賴國外進口, 如纜索 石材等, 致使進場時機難掌控 對策 : 如工期較緊迫者, 應於開工後立即完成材料送審, 並於材料加工生產後報請查驗, 進口前須提前 1~2 個月報請經濟部國際貿易局同意進口, 因報請流程較繁複須提前辦理, 以利後續材料進場 問題二 : 施工所使用之工作車倒塌 對策 : 工作車應於施作前應進行試車 組立 推進移動與拆除 時應依據相關作業規定執行 ( 如移動速度控制等 ) 問題三 : 主體結構與吊索介面協調不佳, 致鋼套管 加勁版 承 52

64 壓版位置衝突 對策 : 應於施工前召開分包商工程界面協調會, 並繪製施工圖, 再套繪成施工界面整合圖, 定期召開施工協調會, 整合各專業分包商之材料尺寸及配合施工期程, 避免日後修正及成本損失 問題四 : 如何避免錨碇局部集中應力破壞 對策 : 錨錠於預力混凝土箱型梁藉由加勁隔梁或斜撐傳遞外置鋼腱拉力, 配置足夠強度的橫向或垂直向鋼腱及鋼筋, 以抵抗張力及剪力, 避免錨碇局部集中應力之破壞, 一般鋼筋混凝土構造抗剪力能力較弱, 橋版突穿及撓曲抗剪力強度尤須加強檢核 問題五 : 脊背橋通常為大跨距及高空作業, 如何顧及日後保養及監控作業安全? 另科技日新月異, 橋梁監控方法亦逐日進步, 監控系統選擇及配套如何考量? 對策 : 於施工過程中先行埋設監測儀器 ( 如 EM sensor 應變計... 等 ), 可透過線路及網路將結構與索力的狀況作即時的監控 53

65 第四章脊背橋工法橋梁之破壞模式探討 橋梁橋面板採用箱形梁可增加其抗扭性, 依橋寬又可設計為單箱室 雙箱室 三箱室 等不同斷面型式, 一般橋梁於完工後之破壞模式, 大致可分為上部結構與下部結構兩部份, 下部結構大部分之破壞係因地震或河道沖刷所導致橋基的損壞, 至於上部結構之破壞有可能因地震造成盤式支承破壞或預力箱型梁本身強度不足所產生的彎矩及剪力破壞 本文不討論下部結構所引起之破壞模式, 僅探討上部結構之箱型梁破壞模式, 並基於下列六點假設進行推導 1. 變形變位均屬微小 2. 預力梁無預力損失 3. 無施工不良引起之結構缺陷及構件瑕疵 4. 載重為單一之均佈載重 5. 橋梁通往河道中心部分先壞, 往路基部分不壞 6. 脊索先壞 採用脊背橋工法施工之橋梁, 須由支撐鋼架及模板之兩者配合作機械化之循環施工, 因此上部結構須採用等斷面設計, 其斷面型式, 一般可有連續雙 T 型 連續箱型梁及配合預鑄斜撐版等三種型式, 本文以箱型梁作上部結構破壞模式之探討 該工法其上下構間之束制條件係為連續梁形式, 此梁之可能破壞型式可分局部破壞及整體破壞兩種, 梁局部破壞又可分為梁翼板破壞 梁頂板破壞及梁腹板破壞三類, 而梁整體破壞又可分為彎矩破壞 剪力破壞兩類, 分別討論其破壞模式如下 : 54

66 符號說明 : b f b wt b f tf h d tb hw t t b wb t w1 t w2 t w2 h: 箱型梁高度 bf: 箱型梁翼板寬度 bwt: 箱型梁頂板寬度 hw: 箱型梁腹板高度 bwb: 箱型梁底板寬度 tf: 箱型梁翼板厚度 tt: 箱型梁頂板厚度 tw1: 箱型梁腹板厚度 tw2: 箱型梁腹板厚度 tb: 箱型梁腹底板厚度 ν: 混凝土波森比 = ,26 2 E: 根據 ACI 318 code 混凝土彈性模數 f 'c (kgf/cm ) 55

67 一 局部挫屈破壞模式 (Local failure) 控制局部挫屈的參數包含彈性模數 (E), 卜森比 ( ), 及寬厚比 (b/t), 其中, 又以構件斷面的寬厚比 (b/t) 影響最為重要, 因為結構構件斷面能否達到一定的韌性, 深受其寬厚比的影響梁的跨深比為梁之淨跨距與有效梁深的比值 比值越大, 發生彎矩降伏的機會越大, 結構體較具韌性亦耐震力較佳 ( 一 ) 梁翼板的破壞 b 梁翼板由寬厚比 ( f t f ) 控制下, 應力不可超過下式, 否則會產 生局部挫屈現象, 1.09E 1 ( c 2 t f b )2 27 f 根據 ACI 318 code 混凝土性質 E 依公路橋梁設計規範之建議 σc 取 0.4f 'c 前式可整理得 b t f f b t f f b t 1 f 2 f 41815(f 'c) f 'c, =0.15 以目前常用之混凝土強度 f 'c =420kg/cm 2, 可求得寬厚比 45.17, 20 考慮較安全情況, 本文建議梁兩側外伸翼板之寬厚比 b ( t f f ) 應小於 20, 且懸臂版長 b f 宜控制在 3.5 公尺以下, 厚 度 t f 由懸臂版緣之 20 公分 取小者控制 56

68 ( 二 ) 梁頂板的破壞 b 梁頂板之寬厚比 ( wt t 部挫屈現象, b 寬厚比 t wt t 30, 版厚 t t 20 公分 t ), 應力不可超過下式, 否則會產生局 取小者控制 如箱式橫向淨長大於 4.6 公尺時, 版厚至少大於 20 公分 ( 三 ) 梁腹板的破壞 h 梁腹板之高寬比 ( t 部挫屈現象, 5.73E t 1 h w w ), 應力不可超過下式, 否則會產生局 w 2 ( ) c 27 2 w 根據 ACI 318 code 混凝土性質 E=15000 f 'c, =0.15 依公路橋梁設計規範之建議 σc 取 0.4f 'c 前式可整理得 h t 1 w 2 w (f 'c) 以目前常用之混凝土強度 f 'c =420kg/cm2, 可求得 高寬比 h t w w 103.6, 版厚 t 30 w 公分 取小者控制 通常腹板之版厚尚需考慮符合所採用預力系統之鋼腱配置規定 及橋梁跨度限制, 建議最小不得少於 30 公分 57

69 二 整體破壞模式 (Overall failure) 依塑性分析原理之虛功法, 推求梁彎矩破壞荷重 (Wp)M 作用下之塑性彎矩 Mp 及剪力破壞荷重 (Wp)V 作用下之塑性剪力 Vp, 惟斷面不可發生上述 Local failure 之現象 繩索經由等值轉換成一條繩索 此結構左右對稱, 故取一半結構分析, 破壞機構為 T p M p1 M p2 V p 因兩側跨通常較短, 取中間跨度之梁機構破壞模式予以分析 58

70 符號說明 : Tp: 繩索拉力 Mp1: 鉸接點塑鉸彎矩 Mp2: 固定端塑鉸彎矩 Vp: 固定端塑鉸剪力 (Wp)M: 梁彎矩破壞荷重 (Vp)M: 梁剪力破壞荷重 α: 繩索與橋面版之間夾角 θ: 原橋面版與小位移 ( 虛位移 ) 後橋面版之間夾角 ( 一 ) 彎矩破壞模式 根據虛功法求得梁彎矩破壞荷重 (W ) 如下 : p M p1 p2 sin L sin L 1 1 外功 (W ) L (W ) L L p M p M 2 2 內功 M M Tp L sin 外功 = 內功 1 (W p ) M L L M p1 M p2 T p L sin 2 1 (W ) L L M M T p L sin p M p1 p2 2 59

71 (W ) 2(M M Tp sin L) p1 p2 L 2(M M ) p1 p2 2Tp = sin 2 L L p M 2 ( 二 ) 剪力破壞模式 根據虛功法求得梁剪力破壞荷重 (W P ) V 如下 : 右側剪力鉸形成 (A) M =0 CL L (W ) L V L P V P 2 VP (W ) P V 2 (B) ( 三 ) 整體破壞模式討論 剪力破壞模式屬於瞬間脆性破壞模式, 應盡量避免結構發生 剪力破壞模式, 故整體破壞模式應由彎矩破壞模式控制如下 : (W ) (W ) P M P V 2(M M ) 2Tp V sin p1 p2 P 2 L L 2 (M M ) Tp L L p1 p2 V 4[ sin ] P 2 建議安全係數至少為 1.7, 則 (M M ) Tp L p1 p2 V 6. 8[ sin ] P 2 L (C) 60

72 第五章 結論 本文以脊背橋工法為研究標的, 主要研究內容有二, 其一為施工 中易發生之問題與因應對策之探討, 其二為完工後橋梁可能破壞模式 及破壞荷重探討 研究結果結論如下 : 一 施工中問題與對策 : 本文先對脊背橋之施工程序進行深入聊瞭後, 從模板組立及拆 除 混凝土澆置 鋼索及施加鋼腱預力 其他等 4 部分, 探討其施工 中易發生之問題, 並提出因應對策, 期能及早發覺施工中之缺失並予 以矯正處理, 以利施工作業順利進行 二 完工後可能之破壞模式及破壞荷重探討 : 一般橋梁於完工後之破壞模式, 大致可分為上部結構與下部結構 兩部份, 本文僅探討上部結構之可能破壞模式, 上部結構之破壞模式 又可分為局部破壞及整體破壞模式, 局部破壞由各局部板塊之寬厚比 控制, 本文已建議多項板塊寬厚比於文內以避免發生局部破壞現象 至於整體破壞之模式及其對應之破壞荷重敘述如下 : 1. 連續箱型梁彎矩破壞模式, 其破壞荷重為 2(M M ) 2Tp L L p1 p2 (W ) sin p M 2 2. 連續箱型梁剪力破壞模式, 其破壞荷重為 (W ) P V VP 2 3. 連續箱型梁剪力破壞模式屬於瞬間脆性破壞模式, 應盡量避免, 故 整體破壞模式應由彎矩破壞模式控制 : (W ) (W ) P M P V (M M ) Tp L L p1 p2 V 4[ sin ] P 2 建議安全係數至少為 1.7, 則 (M M ) Tp L p1 p2 V 6. 8[ sin ] P 2 L 61

73 參考文獻 1. 余炳盛 曹永德 王玉瑞, 台灣的橋梁, 遠足文化事業股份有限公司, 民國 96 年 2. 林樹柱, 認識橋梁, 財團法人中興工程科技研究發展基金會, 民國 94 年 3. 許振揚, 橋梁之施工法及破壞機制淺論, 國立中興大學土木工程學系碩士論文, 民國 92 年 4. 鄭文隆, 第二高速公路興建專輯, 交通部台灣區國道新建工程局, 民國 93 年 5. 陳國隆, 脊背橋理念介紹, 交通部台灣區國道新建工程局 6. 蔣賢鈞, 雙塔柱脊背橋之研究與分析, 中原大學碩士論文, 民國 96 年 7. 王正中, 愛蘭交流道聯絡南港溪橋之設計, 中興顧問股份有限公司 8. 張志浩, 愛蘭交流道聯絡南港溪橋之施工, 中興顧問股份有限公司 9. 許榮漢 黃鴻毅 王正中 謝宜衞 黃馳, 愛蘭交流道聯絡南港溪橋, 交通部臺灣區國道新建工程局, 民國 98 年 10. 何煖軒, 高速鐵路土建工程橋梁其他工法概述, 交通部高速鐵路工程局, 民國 95 年 11. 林楚儒, 節塊施工的連續預力梁之分析與設計, 民國 84 年 12. 交通部臺灣區國道新建工程局, 國道工程之回顧與展望-- 十週年局慶學術研討會, 民國 89 年 13. 丁介峰, 第二高速公路特殊橋梁專輯, 交通部臺灣區國道新建工程局, 民國 88 年 14. 交通部, 公路橋梁設計規範, 民國 89 年 15. 盧泰成, 預力 I 型橋梁之破壞模式及施工中自動檢查方法, 國立中興大學土木工程學系碩士論文, 民國 95 年 16. 徐耀賜, 橋梁結構之基本功能, 民國 86 年 17. 劉達中, 斜張式外置預力橋梁分析設計簡介, 交通部臺灣區國道新建工程局 18. 黎祖華, 小田原港橋的施工, 民國 84 年 62

74 19. 陳從春 周海智 肖汝誠, 矮塔斜拉橋研究的新進展, 民國 95 年 20. 方文志 陳國隆, 台灣高速公路橋梁的過去與未來, 民國 91 年 21. 鄭文隆, 高屏溪橋, 交通部台灣區國道新建工程局, 民國 90 年 22. 邱琳濱, 橋梁工法施工影集簡冊, 交通部台灣區國道新建工程局, 民國 94 年 23. 張荻薇, 台灣的橋梁建設, 台北市土木技師公會三十週年紀念特刊, 民國 95 年 24. 交通部, 公路橋梁耐震設計規範, 民國 84 年 25. 內政部, 混凝土工程設計規範與解說, 中國土木水利學會, 民國 96 年 26.ACI Committee 318, 2002, Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI ),American Concrete Institute, Detroit USA 27. Roark.Young, Formulas for Stress and Strain,Fifth Edition, 虹橋 28. 林金面, 土木施工學, 文笙書局, 民國 85 年 63

75 附錄 各種橋梁施工法概述一 預鑄預力 I 型梁吊裝工法預鑄預力 I 型梁吊裝工法 (Precast Prestressed Method)( 圖 6.1.1) 向來為橋梁工程使用最普遍之工法, 早期橋梁之施工, 如中山高速公路及一般小跨徑之橋梁大都採用此種工法施工, 結構係屬簡支梁橋, 配以三 ~ 四孔連續絞接橋面板, 預鑄梁之吊裝一般採用移動式吊車直接吊裝, 若橋梁規模較大時亦有採用門形吊架吊裝或其他起重設備, 因該工法之技術層次較低且不需先進之設備, 因此常使用於跨越重要鐵 公路的橋梁 圖 預鑄預力 I 型梁吊裝工法 ( 一 ) 工法概要本工法之設計理念係利用施加的預力中和橫向力量產生之彎曲應力, 藉以達到提高橫向載重 增加跨距之目的 ( 二 ) 工法優點 1. 施工品質較易控制 2. 大梁製程工期短, 較不受天候影響 3. 吊裝作業較單純 4. 不需機械設備購置成本, 可減少建造成本 ( 三 ) 適用性橋梁設計高度及跨徑不大, 在無景觀需求且橋高及跨徑可配合之情形之下採用, 通常簡支跨度 20~50m, 橋面淨寬 9~15m ( 四 ) 施工設備 1. 系統模板 64

76 2. 預力施加設備 3. 移動式起重機 ( 五 ) 作業流程 1. 底床整理及底床模安裝 2. 紮筋並配合預力套管安裝 3. 側模組立 4. 澆置混凝土 5. 混凝土養護 6. 側模拆除 7. 穿鋼腱 8. 施預力 9. 灌漿 封頭 10. 運送及吊裝 11. 橫隔梁施工及澆置混凝土 12. 施作橋面板 13. 附屬工程 ( 護欄 附掛管線 鋪面 伸縮縫 ) 施工 ( 六 ) 設計及施工注意事項 1. 預鑄預力梁梁頭底模之地面, 須以混凝土澆置, 避免施預力時產生不當之沉陷 2. 預鑄預力梁吊裝後, 因其處於較不穩定之狀態, 應先施以假固定並立即進行橋面板 懸臂板及端 中隔梁之施築, 一般常使用清水模板或金屬免拆模板 65

77 整體施工計畫 下部結構施工 預鑄梁施工 橋柱基樁施工 基礎開挖 底床整理及底床模安裝 紮筋並配合預力套管安裝 橋柱基礎施工 側模組立 橋柱施工 澆置混凝土 帽梁施工 - 支承座施工 混凝土養護 側模拆除 穿鋼腱 施預力 灌漿 封頭 運送及吊裝 橫隔梁施工及澆置混凝土 施作橋面板 附屬工程 ( 護欄 附掛管 線 鋪面 伸縮縫 ) 施工 圖 預鑄預力 I 型梁作業流程圖 二 場撐逐跨工法 66

78 場撐逐跨工法 (Full Staging Method)( 圖 6.1.3) 亦稱就地支撐工法, 是國內採行甚久的橋梁工法, 早期跨徑較大之橋梁多用此法施工, 本工法係在現場豎立施工架支撐模板, 並以現場澆置混凝土的方式施工, 此工法施工快速, 外觀線條整齊, 可使橋梁外觀具整體性, 但施工安全性最難掌握, 國內發生幾次重大工安事故皆是支撐架倒塌所引起, 因此對於支撐架之施工需特別注意及謹慎, 以免釀成事故, 造成人員傷亡 財物損失及工期之延誤 圖 場撐逐跨工法 ( 一 ) 工法概要本工法之設計理念係逐跨施工, 於完成下部基礎結構後, 於工址現地架設型鋼或鋼管施工架等支撐, 再於其上進行模板鋪設 鋼筋綁紮 預力套管配置 混凝土澆置 養治 等作業, 俟混凝土施拉預力完成後, 則將支撐架等拆除並移至下一工作面繼續重複作業, 直到橋面全部完成 ( 二 ) 工法優點 1. 技術層面需求低, 一般專業營造廠即可承攬施作 2. 所需機具設備較少, 也無複雜之施工技術, 可節省建造成本 3. 可同時展開多個工作面 4. 斷面適應力高, 對於變化段僅需修改模板即可施作 5. 承包商常因趕工需要而將原擬定之施工法改為場撐逐跨工法來施工, 俾增加工作面 例如北宜高速公路彭山一號高架橋, 原規劃設計以脊背橋工法施工, 其南下線部份, 承商即改以場撐逐跨工法代替 ( 三 ) 適用性 67

79 場撐逐跨工法因模板寬度可配合橋面調整, 故適用於橋梁斷面寬度漸變 平面曲率較大 縱坡較大 規模較小之橋梁, 例如交流道區橋面寬度變化之主線橋梁 長度規模較小 縱坡大之匝道橋梁, 惟橋梁高度越高, 支撐架費用愈高, 建造成本亦相對提高 ( 四 ) 施工設備 1. 主要支撐系統 : 係傳遞加工階段所有荷重之系統, 常見類型如下 : (1) 第 1 類 : 鋼管鷹架系統支撐, 橋梁工程以採系統型為主, 連接器則以插銷式最適合 (2) 第 2 類 : 鋁合金鷹架系統支撐, 其與鋼管鷹架系統支持之主要差異為材質之不同 (3) 第 3 類 : 重型型鋼支撐, 以重型 H 型鋼為支柱, 並以水平支撐及斜撐為輔助支撐系統 (4) 第 4 類 : 輕型型剛支撐, 與重型型鋼支撐類似, 惟以斷面較小之型鋼為支撐構件 (5) 第 5 類 : 船型桁架型鋼支撐, 以支柱承載數個類似船型之水平桁架承載輕型型鋼支撐, 可減少支柱數量及基礎處理面積 (6) 第 6 類 : 貨櫃式鋼箱堆疊支撐, 為減少受風面積可將貨櫃表皮拆除成透空, 最下層貨櫃設置軌道以便支撐架移至下一跨 2. 次要支撐系統 : 係局部支撐系統, 將荷重傳至主要支撐系統, 例如承載箱形梁懸臂板即屬之, 常見類型如下 : (1) 第 1 類 : 鋼管支撐, 以鋼管為支撐材 (2) 第 2 類 : 鋁合金支撐, 以鋁合金為支撐材 (3) 第 3 類 : 木支撐, 以圓杉木或角材為支撐材 3. 輔助支撐系統 : 通常指斜撐材 繫材 斜拉桿 等, 係輔助主支撐系統發揮支撐強度 ( 五 ) 作業流程 1. 整地 架設底撐材 68

80 2. 架設調整支撐材 3. 舖設支撐橫梁 4. 組立箱形梁底 腹板之模板 5. 組立底 腹板之鋼筋及預力套管埋設 6. 澆置底 腹板之混凝土 7. 組立內模及頂模 8. 頂板鋼筋組立及檢測高程 9. 頂板混凝土澆置 10. 混凝土養護 11. 預力施拉 12. 拆除模板及支撐架前移至下一跨 ( 六 ) 設計及施工注意事項本工法係將支撐架直接座落於地面上, 因此極易受到地形條件之限制及天候之影響, 如需大量支撐材料 支撐高度受限, 支撐材料不良 支撐方法不當時, 往往於混凝土澆置作業過程中, 因荷重之增加而造成模板 支撐架等倒塌之災害事故, 又本工法施作時間較長, 須特別考量交通衝擊之影響 69

81 整體施工計畫 下部結構施工 橋柱基樁施工 基礎開挖 整地 架設底撐材 架設調整支撐材 橋柱基礎施工 橋柱施工 舖設支撐橫梁 帽梁施工 - 支承座施工 組立箱形梁底 腹板之模板 組立底 腹板之鋼筋及預力套管 澆置底 腹板之混凝土 組立內模及頂模 頂板鋼筋組立及檢測高程 頂板混凝土澆置 混凝土養護 預力施拉 拆除模板及支撐架前移至下 附屬工程 ( 護欄 附掛管線 鋪面 伸縮縫 ) 施工 圖 場撐逐跨工法作業流程圖 70

82 三 基樁式墩柱橋梁工法 ( 一 ) 工法概要本工法之設計理念係於橋址原地面先完成跨越橋的基樁, 並將基樁做為跨越橋的橋墩及基礎, 其上部結構的施工可於路塹開挖前施工, 待施工橋面完成後, 再將橋體下之土層開挖至橋下設計路面或預定高程, 外露之基樁經表面修飾後即為橋墩柱之使用 ( 圖 6.1.5) 圖 基樁式墩柱橋梁工法 ( 二 ) 工法優點 1. 可縮短工期 2. 可節省上部結構的模板支撐費用, 且可免除高橋墩支撐架設之困難及危險性 ( 三 ) 適用性適用於路塹段之場鑄混凝土跨越橋且墩柱高度大於 15 公尺以上者, 可避免開挖後再施築橋梁, 例如北二高內環線懷生基地機場清除區跨越橋, 橋址位於開挖路段內, 地面上橋墩高約 18 公尺, 為克服傳統支撐工法之缺點, 特以此工法施工 ( 四 ) 施工設備 1. 基樁施工機具 2. 就地支撐工法所需設備 3. 開挖機具 ( 五 ) 作業流程 1. 先將橋址原地面開挖至梁下深 2~3 公尺左右 2. 基樁施工並澆鑄混凝土 71

83 3. 採用就地支撐工法進行上部結構施工 4. 分次將橋體下之土層開挖至橋下路面設計高程, 並於開挖過程中把基樁清理乾淨 5. 將露出地面之基樁佈設箍筋圍束作為墩柱使用 四 支撐先進工法支撐先進工法 (Advancing Shoring Method) ( 圖 6.1.6) 係 1955 年首次用於德國 9 號公路 Andernach 附近之 kettinger Hang 橋, 國內則於民國八十年引進建造北二高桃園內環線之大湳高架橋, 隨後即在二高後續工程 北宜高速公路 東西向快速公路 高速鐵路 等工程皆大量使用, 尤其是台灣高鐵之橋梁工程, 該工法即佔全部橋梁工程之 27.6%( 約 70 公里 ), 儼然已成為台灣橋梁工程之主流工法 圖 支撐先進工法 ( 一 ) 工法概要本工法之設計理念係在橋跨間設置可移動與重復循環使用之支撐鋼架系統 ( 支撐先進工作台車 ), 並將模板系統組立於活動支撐鋼架上, 俟整跨橋梁澆鑄完成後, 拆除外模放下支撐鋼架, 推動移置至下一跨之墩柱上 ; 移動內模至定位並澆置混凝土, 將系統模板組立於支撐鋼架上, 進行底 腹模板鋼筋彎紮與配置鋼腱套管及頂板鋼筋彎紮, 於完成一橋孔之混凝土澆置並施拉預力後, 將支撐鋼架系統當跨預力箱梁, 將整組支撐鋼架及模板推移至下一橋孔, 再構築整跨徑之橋孔, 如此逐孔重複施築, 直至全部橋孔施築完成為止 72

84 ( 二 ) 工法優點 1. 因支撐架以懸吊或架設於已完成之橋墩上, 施工期間不受地形 地物限制, 亦不至影響橋下空間或交通運轉, 適合河川深谷及都市等地區施工 2. 施工機械作業便捷, 可重複操作, 節省人力 減低成本 縮短工期 3. 橋梁長度增加可使工程成本相對降低 4. 可利用已完成之橋面作為人員 材料與機械之運輸通道, 可減少對鄰近環境的污染及衝擊 5. 可架設棚架, 俾施工不受天候影響, 工期容易掌握 6. 採此工法完成之橋面為多孔連續且伸縮縫少, 行車舒適性高, 亦可減低噪音與震動, 減少對鄰近環境的衝擊 ( 三 ) 適用性 1. 本工法依結構觀點而言, 一般可採用於中跨徑之簡支或連續之橋梁結構 其所適用之簡支梁跨徑, 以 30 至 35 公尺較具經濟價值, 連續梁跨徑則以 40 至 45 公尺較具經濟價值 2. 採用本工法施工橋梁, 其上部結構之斷面型式, 一般可有雙 T 型梁 箱型梁 預鑄斜撐板箱型梁等三種型式, 其斷面型式通用原則如下 : (1) 雙 T 型結構斷面, 適用於跨徑 30 公尺以下之橋梁 (2) 箱型梁結構斷面, 適用於簡支梁跨徑在 35 公尺以下, 連續梁跨徑則在 40 至 45 公尺之間, 邊跨應為主跨徑之 0.6~1.0 倍 通常每單元橋之結構跨數以 5~8 跨連續為最佳選擇 ; 遇有跨徑大於 50 公尺, 則須架設臨時支撐 (3) 預鑄斜撐板箱型梁, 適用於橋寬 l6 公尺以上 3. 本工法因施工設備金額較大, 雖初期投資成本較傳統就地支撐工法高, 但因其設備可循環使用且施工人力成本低, 所以橋梁規模較大或橋梁長度越長時, 其施工費用相對降低, 通常橋梁長度在 800 公尺以上時, 其經濟性即符合採用本工法, 若能達 1,200 公尺以上則更具經濟性 4. 平面曲率較小者 ( 曲率半徑小於 400 公尺者 ) 之曲線橋, 折線將較為明顯且支撐鋼架推移不易, 較不適宜 73

85 5. 跨徑配置盡量以等跨徑為原則, 機具設備規模考量滿足標準跨徑即可, 若有少數跨徑較長者, 可個案設置臨時支撐以降低設備費用 ( 四 ) 施工設備支撐模板之主鋼梁置於橋體上方或下方而言, 可分為支撐型 (support type) 與懸吊型 (hanger type) 兩種 支撐型係將工作車主鋼梁支撐在橋梁下方之橋墩兩側臨時支撐托架上, 用以承載上部結構橋體及模板重量者稱之 ; 懸吊型係利用置於箱型梁上方之工作車主桁架懸吊模板系統者稱之 這兩種型式之設備都是將支撐之主梁跨過二個跨距而由橋墩支撐, 藉此利用主梁支持模板系統及混凝土重量, 再由每一跨距依序重覆施工, 對於機具設備選用支撐型或懸吊型, 主要係考量施工環境地形 施工空間及經濟性 等, 如結構體下有足夠空間可設置支撐系統者, 選擇支撐型設備較為經濟 便捷, 否則宜採用懸吊型之設備, 概因懸吊型與支撐型最大差別, 懸吊型係主梁提高至上部結構橋面以上, 模板及結構以懸吊方式擔負載重荷重, 無需顧慮機具設備會因地形影響而無法順利推進, 且比支撐型更能應用於峽谷 山區或跨越河川 道路之施工, 惟懸吊型機具設備較複雜, 其設備成本亦高, 除非有地形之特別限制, 通常基於經濟性之考量採用支撐型機具較多 以下針對箱型梁橋支撐先進工法常採用之支撐型主要機具設備作一簡要介紹 : 1. 主梁 (Main Girders) 箱型梁橋之主梁一般設有兩支, 分置橋墩之左 右兩側, 結構為板梁結構或桁架, 其長度視橋梁跨長而定, 製造時將主梁分成數段, 便於運送, 組合時再以高拉力螺栓將各段結合連接 2. 鼻梁 (Nose) 鼻梁係延伸裝設於主梁前後兩端, 作為支撐設備向前一跨推時使用, 其結構常用桁架方式, 亦可以變斷面之板梁結構, 與主梁結合方式以螺栓連結 3. 支撐橫梁系統 (Transverse Beams) 一般在垂直主梁方向大約間隔 4~6 公尺, 裝設支撐橫梁系統, 主要將結構體 模板等荷重傳遞至主梁 支撐橫梁結構可採懸臂式桁架或懸臂梁方式與主梁結合, 與主梁結合又可採活動式 74

86 或固定式, 視主梁推進空間而做選擇 ; 左 右對稱之支撐橫梁於箱型梁製作時即橫移至箱型梁結構體下方中間處結合, 形成一支連續支撐橫梁, 當箱型梁結構體完成預力及脫模後, 將橫梁結合放鬆移除, 並向外橫移至橋墩外後併同主梁向前推移 4. 推進工作車 (Launching Wagon) 此系統一般包括有控制主梁前進的轉動輪及控制主梁或支撐橫梁可水平方向橫移之滑動裝置 此機構之設計考量推進工作在移動主梁時, 才承受移動設備之載重 5. 支撐托架 (Supporting Bracket) 支撐托架係裝置於橋墩上或橋墩周圍之塔架, 於結構體澆置或設備移動時, 使用之支撐托架支持主梁, 通常須準備三套托架設備, 其中兩套是施工跨前後橋墩裝設, 另一套則在移動時, 需於下一橋墩上再裝一套托架 6. 內外模板 (Formwork) 外模板包含底模 腹板模 懸臂板模 等, 整跨距之外模系統, 配合機具推移需要, 以縱軸中心線分割成左 右側對稱構造, 經過橋墩部分模板為特殊構造外, 其餘每單元標準模板大約以 4 ~6 公尺長材料組成 內模包括頂模 腹板模 支撐桿件機構 模板移動工作車 軌道 等, 一般內模亦配合前進移動之需要, 沿著箱梁縱軸分割成左 右兩對稱構件, 每一單元內模長約 4~6 公尺 頂模 腹板模及模板移動工作車三者以支撐連桿構件結合一起, 脫模時, 先將頂模下降少許, 然後頂模與腹板模向中央內縮, 再利用模板工作車將整組內模系統推移至下一跨 7. 懸吊錨碇橫梁架 (Suspension Gallows) 在澆置混凝土時, 橋跨後方支撐設備係以橫梁架懸吊錨碇於箱型梁懸臂端, 這個橫梁架系統包括一組橫梁架及一組預力鋼棒及油壓千斤頂 油壓千斤頂於箱梁腹板位置上, 其支承頂緊橫梁架, 而預力鋼棒貫穿箱梁頂底板預留孔連結橫梁架與主梁 這個機構主要目的係控制連續梁前後銜接面之變位一致, 以期達到施工縫混凝土面之平整 8. 工作平台及爬梯 (Platforms & Ladders) 75

87 主梁頂板處以加設翼板並以欄桿圈圍組成工作平台, 並於橋墩外模處設置進出爬梯 位於底模下面支撐橫梁上之通道, 係用來調整模板及放鬆或鎖緊預力鋼棒之工作台 ( 五 ) 作業流程 1. 拆卸前跨支撐架移置於推進工作車之上 2. 將主鋼梁自支撐架移置推進工作車之上 3. 主鋼梁藉由推進工作車移置下一跨, 縱向主梁及鼻梁安置於三套臨時支撐上 4. 將主鋼梁繼續推進, 後鼻梁離開上一橋墩之臨時支撐, 固定於臨時支撐架上 5. 推至定位後, 鋼模及橫梁合攏並校準主鋼梁 外模於固定位置, 調整路線之線型及拱度 ( 利用油壓千斤頂 ) 6. 底 腹板鋼筋彎紮及配置預力鋼腱 7. 將前跨內模移置定位並組裝 8. 底板 腹板及頂板鋼筋彎紮及配置預力鋼腱後澆鑄混凝土 9. 混凝土養護至足夠的強度後施拉預力, 並拆模準備推進至下一跨 10. 內模拆除後, 中隔梁配筋及澆置混凝土 11. 於完成之橋面, 施做中間及兩側之護欄 12. 重複上述施工步驟至支撐先進各跨施工完成 ( 六 ) 設計及施工注意事項 1. 結構分析須依相關規定考慮混凝土重, 澆置混凝土時之動載重 側向風力及地震力之影響 2. 因模板及支撐架系統為重複使用之設備, 故必須考慮多次使用後之變形及密合度, 不應以一般假設工程之設計標準設計 3. 主梁設計時除考慮正壓力所產生之向下變形量外, 應考慮扭力所造成之影響, 此扭力變形量應於設計時使其盡量減少 4. 主梁因跨度長且中間無任何支點, 故其自由變形量為無可避免, 故對主梁斷面之 I 值應力求精確, 使其理論變位量接近實際變位量 5. 若底模左 右兩側僅利用絞接方式結合, 則澆鑄混凝土時對此結構會產生之變位量亦應列入考慮 76

88 6. 柱頭之底模與側模應特別考慮其結合方式, 使其拆裝快速, 並結合安全 7. 與前跨已完成之 L/5 新舊混凝土相接處, 應考慮主梁變位時對模板與已完成混凝土面所產生之夾縫量 8. 鋼腱配置避免全部均於施工縫處續接, 以防應力過於集中, 並可避免因續接器須有足夠設置空間而採用較厚之腹板 9. 橋梁規模甚大時 ( 單元橋數量多 ), 為考量施工程序 工期及機具設備之配合, 可於適當單元橋之最後一跨之預力採倒拉方式設計 10. 基於經濟之考量, 本工法跨徑配置盡量以等跨距為原則, 則機具設備規模亦考量能滿足標準跨距即可, 全橋若有少數跨距過長時, 可依個案設置臨時支撐 11. 活動式支撐鋼架與其系統模板初期成本高, 不適用於轉彎半徑過小的橋梁, 基於成本考量, 橋梁斷面宜維持一致 五 節塊推進工法節塊推進工法 (Incremental Launching Method)( 圖 6.1.7) 係德國 Leonhardt and Andra 顧問公司於 1962 年首次採用在委瑞內瑞拉之 Rio Caroni 河川橋, 國內於民國 78 年由交通部國道新建工程局於北二高頭前溪橋及鳳山溪橋首次引進, 其後台灣高速鐵路也有四座多跨連續橋採用本工法, 此為國內鐵路首次採用此工法構築 圖 節塊推進工法 77

89 ( 一 ) 工法概要該工法係將橋梁之上部結構分成若干個長度為跨徑一半之節塊, 並於橋台後方臨時設置之預鑄場鑄造預力混凝土箱型梁節塊 ( 約為橋跨徑之半 ), 待混凝土養護至規定強度後, 拆除外側模板, 並於箱型梁上 下板施拉縱向預力後, 將節塊自橋台向橋中心方向推進, 隨即於空出之預鑄場鑄造下一節塊並施拉預力使前後節塊相結合, 並利用推進系統 ( 拉進千斤頂 反力橋台 拉進鋼索 拉進梁 ), 將新橋梁節塊與之前已完成之橋梁節塊, 一同由橋台往中心方向推出, 繼續向前推進, 依此順序重複施築與推進橋梁節塊直至全部橋梁上部結構完成, 最後澆鑄橫隔梁混凝土, 再施拉腹板之連續預力並換裝永久支承墊, 即完成全橋之施工 ( 二 ) 工法優點 1. 無須架設地面支撐及無重機械吊裝作業, 並於跨越道路時不影響地面交通, 跨深谷與河川時不受地勢及水流限制, 適合都會區或跨越橋梁 道路 鐵路 河川 深谷等採用, 施工安全性高, 利用推進方式於高空中直接施作, 對周圍環境衝擊小 2. 固定於預鑄床內生產箱型梁節塊, 生產過程屬循環作業方式, 品質容易控制 3. 預鑄場占地小, 可架設遮雨棚, 節塊生產不受天候影響, 工期容易掌控 4. 推進設備成本低且操作便捷 5. 外模係利用同步千斤頂升降, 組模及脫模快速 6. 施工機械設備及模板重複使用, 可降低施工成本 7. 採此工法完成之橋面為多孔連續且伸縮縫少, 行車舒適性高, 亦可減低噪音與震動 ( 三 ) 適用性 1. 本工法一般採用於中跨徑連續梁之結構, 其適用跨徑,3 跨連續梁通常為 35 公尺左右, 多跨連續梁通常為 45 公尺左右, 標準跨距為 30~60 公尺之間 2. 適用於平面線形為直線或單一曲線路段, 縱面線形為直線坡段或圓曲線路段之橋梁, 且曲率半徑不可太小 78

90 3. 梁深須為固定, 並依較經濟之跨徑決定其高度, 其 梁深 / 跨徑 之比值較一般工法大, 約在 1/12~1/15 間, 如為配合工址條件而有特別大之跨徑, 則可考量施工時於跨徑間設置臨時橋墩, 避免因配合少數大跨徑而使梁深過大 4. 每一預鑄床施工橋梁長度於 400 至 800 公尺之間較具經濟性 5. 橋梁長度超過 800 公尺時, 通常以規劃兩處預鑄床較佳 6. 橋台後方需有足夠的施工空間, 以作為預鑄場的施工場所 ( 四 ) 施工設備節塊推進工法依推進設備不同, 可分為推進式 拉進式 頂推式 夾進式 等四種推進方式, 國內均有使用, 北二高頭前溪橋採用推進式, 北二高鳳山溪橋採用拉進式, 北二高樟樹里高架橋採用頂進式作業, 南二高高雄支線燕巢高架橋則採用夾進式, 上述四種推進方式, 以推進式較普遍被採用, 台灣高速鐵路所採用之節塊推進方式亦為推進式, 以下敘述均以推進式為主 1. 預鑄床一般置於橋台後方, 以混凝土或鋼梁架設預鑄床以支撐系統模板及反力導軌, 為求順利作業預鑄床的沉陷量不得大於 1 mm 2. 系統模板可分為外模及內模兩部分 外模包括底模 腹板外模 翼板模及支撐桿件機構等組成之系統模板 內模包括腹板內模 頂板模及支撐桿件機構等組成之系統模板 其作用在使箱型梁能依設計圖型式成形, 模板之尺寸必須精確, 模板與混凝土接觸面應平整, 支撐應牢固, 並具有足夠強度能耐外模振動器之振動, 而不致變形或漏漿 3. 側制導架為引導推進路線不致偏離設計之軸線, 並承受橫坡度 地震力 風力 等所產生的橫向力, 故須於每一墩柱上裝設側制導架 4. 滑動支承推進中為減少摩擦力, 須於墩頂裝設臨時性的滑動支承, 於推進過程中循環塞入鐵弗龍墊片以降低其接觸面摩擦力 滑動支承位置須設置於箱梁腹板下方, 以便直接承受結構體重量, 並須考慮是否有足夠之承壓面積 79

91 5. 鼻梁為節塊推進時之臨時支撐設備, 設置於節塊前端的鋼製鼻梁其長度約為跨徑之 60%, 係利用鋼材重量輕 勁度大之特性以減輕節塊在推進至下一墩柱前呈懸臂狀態下承受過大的負彎矩及撓度, 並藉其與下一橋墩取得部分支持以減少撓曲應力 鼻梁通常為 2 支 H 型鋼以桁架連結組成, 再利用高拉力鋼棒與節塊結合成一體 6. 推進千斤頂為本工法主要機具, 須備二組, 其中一組供推進已鑄造完成之節塊使用 ; 另一組供換裝永久支承座及臨時支承之用 7. 推進臨時橋墩於橋台前先架設臨時橋墩以作為鼻梁安裝及拆卸的臨時支撐, 構築材料採用鋼架或混凝土結構物, 易於拆除者, 該臨時橋墩亦可供作大跨徑間使用 8. 安全制動設施推進作業過程中為防止節塊自行下滑, 須採用剎車千斤頂俾供拉力, 於需要時可將節塊即刻拉住, 以免發生意外 ( 五 ) 作業流程 1. 預鑄場整地 預鑄床設置 2. 組裝系統模板 ( 含內外模 ) 推進與制動設備組裝 3. 臨時橋墩及鼻梁組裝 4. 檢視預鑄場高程 清潔外模 放置滑動墊片於軌道, 依設計圖調整外模高程並使其貼近軌道 5. 於底模上綁紮底板鋼筋 預力套管安裝及穿設預力鋼腱, 並於腹板外模內側綁紮腹板鋼筋及連續預力鋼腱, 俟底 腹板鋼筋綁紮完成後, 再組立腹板內模 6. 進行底 腹板混凝土澆置, 左右腹板澆置高程應保持一致, 以避免模板移位 7. 拆卸腹板內模及頂板模組立 8. 頂板鋼筋綁紮 預力套管安裝及穿設預力鋼腱, 完成後澆置頂板混凝土, 完成第一節塊澆置 9. 混凝土養護並於混凝土達設計強度後施預力 80

92 10. 利用推進千斤頂前端頂住節塊底板, 後端抵住推進導軌之齒形反力座, 以每衝程 30 至 50 公分的距離, 將節塊漸次推進, 同時在臨時滑動墊座插進鐵弗龍墊片, 以減少推進摩擦力, 直到節塊推出預鑄床 推進時利用側制導架導正節塊推進方向, 避免偏離橋梁中心線 11. 與第一節塊密接鑄造第二節塊, 施預力後推出 12. 如上重複鑄造推出至全部節塊推進定位後, 開始施拉連續預力 連續預力由兩端千斤頂同時對拉, 施拉順序應左右對稱, 同一側鋼腱採跳島式施拉 13. 拆卸鼻梁, 澆鑄隔梁 14. 全部節塊推定至定位後, 將臨時支承換裝成永久盤式支承 在需換裝永久盤式支承之帽梁及前後跨帽梁上設置千斤頂, 將箱型梁頂起以利置換 其中永久盤式支承之上承板與箱型梁底部之預埋鋼板焊接, 下承板與混凝土墊座間灌注無收縮水泥砂漿, 俟達要求強度後再降下千斤頂將箱型梁定位 15. 橋面欄杆施築 16. 橋面 AC 施築 17. 安裝橋面伸縮縫 -- 採後裝法施工 ( 六 ) 設計及施工注意事項 1. 本工法適合跨距在 30 至 60 公尺間, 橋長在 300 至 800 公尺間 2. 本工法之橋梁其平面及縱面線型宜為單純直線或圓曲線, 因推進的曲線受限於推進機具的能量, 但平面線形與縱面線形可不必為相同形式 當橋梁位於複曲線上時, 如直線接緩和曲線或緩和曲線接圓曲線或直線接曲線時, 亦可以圓曲線模擬施工 3. 橋梁長度過長時, 本工法可考量配置為兩個單元橋, 分別由二端預鑄場往中央推進施工 4. 本工法推進設備之型式, 目前常用者有推進式 拉進式 頂起推進式及夾推式, 可視工程情況選用, 另推進設備應設有制動設施 ( 剎車或防滑移系統 ) 5. 本工法在推進施工時, 對於方向及高程之修正較不易, 故施工作業之精度宜作嚴格控制, 於推進作業中隨時觀測調整 81

93 6. 預鑄場選定, 應考慮基礎承載問題, 避免有沈陷發生而影響結構體推進作業, 一般在預鑄場模板下方設置千斤頂以控制預鑄場沈陷問題 7. 本工法在推進作業時, 各橋墩應裝設監測設備, 當推進時橋墩頂部變位過大或推力超過估計值時, 均應停止推進, 檢討問題原因及修正 8. 全橋梁若有少數跨徑過長時, 應考量設置臨時橋墩, 以避免梁深或鼻梁須為少數跨徑而增大, 造成不經濟之設計 9. 本工法於推進時採用臨時支承, 於推進至定位後再換永久支承, 各橋墩 ( 台 ) 換裝支承時, 須將箱型梁頂起約 10 公厘, 故設計時應考量相鄰二座橋墩 ( 台 ) 間至少須有 10 公厘之差異沈陷 10. 施工時因混凝土受溫差 潛變 乾縮及預力等之影響, 節塊長度隨時在變, 故鑄造最後一節塊時應調整節塊長度 82

94 預鑄場整地 預鑄床設置 完成節塊推出預鑄床 組裝系統模板 ( 含內外模 ) 臨時橋墩及鼻梁組裝 與第一節塊密接鑄造第二 節塊, 施預力後推出 放置滑動墊片於軌道, 調整外 模高程並使其貼近軌道 重複鑄造 推出至全部節 塊推進至定位後, 開始施 拉連續預力 綁紮鋼筋 預力套管安裝及穿 設預力鋼腱, 組立腹板內模 拆卸鼻梁, 澆鑄隔梁 底 腹板混凝土澆置 拆卸腹板內模及頂板模組立 臨時支承換裝成永久盤式 支承 頂板鋼筋綁紮 預力套管安裝 及穿設預力鋼腱, 並完成澆置 頂板混凝土 橋面欄杆施築 橋面 AC 施築 混凝土達設計強度後施預力 橋面伸縮縫施工 圖 節塊推進工法作業流程圖 83

95 六 場鑄懸臂工法場鑄懸臂工法 (Balanced Cantilever Method) ( 圖 6.1.9) 係 1928 年由法國 Freyssinet 公司的工程師 Eugene Freyssinet 運用懸臂工法之概念建造 Plougastel 橋, 惟當時預力概念尚不成熟, 直至 1950 年, 德國 DIWIDAG 公司之 Ulrich Finsterwalder 首次成功應用平衡懸臂預力結構建造 Balduinstein 及 Neckarrews 兩座橋梁 國內則於民國 55 年在花蓮長虹橋首次採此先進技術後, 續在中山高速公路圓山橋 北二高關西大橋及南二高高屏溪橋亦採此工法 圖 場鑄懸臂施工法 ( 一 ) 工法概要本工法係先於橋墩旁架設支撐架以施築柱頭節塊 ( 柱頭板 ) 作為工作車安裝與出發之地點, 隨後於柱頭兩側架設工作車於柱頭, 於工作車上施築第一節橋梁節塊 ( 每節 2.5 至 5 公尺長之懸臂節塊 ), 待第一節橋梁節塊施築完成並施拉預力後, 工作車即往前移動並於其上施築下一節橋梁節塊, 如此逐節施作及推進至跨徑中央或邊跨, 直至最後一橋梁節塊完成閉合, 施作閉合節塊與施拉連續鋼腱預力, 完成橋面接合之施工方式, 稱為場鑄懸臂工法 ( 二 ) 工法優點 1. 無須架設地面支撐, 跨越河流 深谷或地質軟弱之橋址以及都市街道交通流量較大處之橋梁 2. 逐節循環施工, 作業程序固定, 工人反覆操作易於熟練, 可達到標準極高之品質與效率 84

96 3. 以工作車作業, 施工場地集中, 節塊依序推進, 故管理與監督均較方便, 可提高效率及施工品質, 混凝土之養治較容易 4. 藉由懸臂端工作車之載重及預力, 可探知混凝土之品質及預力之大小, 故在施工過程中, 具檢核之效果 5. 模板可反覆使用, 發揮類似活動模板之功能, 可達到施工快速及高經濟效益 6. 工作車可加設施工棚架, 使得施工受天候之影響較少 7. 倘橋梁結構採連續剛構設計, 可避免因橋梁中央之絞接而產生過大的相對曲率, 增加行車的舒適性 8. 施工時, 縱坡線型之調整較為容易 9. 適合長跨徑變斷面箱型梁施工 無線形限制, 可減少落墩數目, 曲線橋亦可採本工法施工 ( 三 ) 適用性 1. 本工法是用工作車將橋梁的整個上部結構於現埸澆置完成, 由於工作車所澆置的每一節塊長度可視橋梁跨徑大小及節塊重量予以配置約 2.5~5.0 公尺左右, 所以用此工法所建造之橋梁, 其平面曲率半徑可較小, 一般可低達 250 公尺左右, 亦有小至 150 公尺的例子, 惟曲率半徑若在 250 公尺以下, 則因工作車偏角過大而需以特殊方法輔助錨碇作業 2. 本工法在垂直坡度上的限制約在 6.8% 左右, 即傾角約 3.9 度, 由於橋梁兩端皆有工作車, 若橋面縱向坡度超過限制, 則兩端工作車在推移時可能發生倒退或前滑的情形, 所以就安全上的考量, 垂直傾角以不超過此角為宜 3. 適用的橋梁跨徑應在 60 公尺以上, 一般跨徑長度都在 70 公尺以上到 200 公尺, 最大可達 250 公尺左右較具有其經濟性 ( 四 ) 施工設備場鑄懸臂工法自引進台灣至今, 歷經三十餘年之演進與改良, 已有多家廠商研發設計出不同形式之懸臂工作車, 每家公司工作車之設備皆有不同, 目前工作車可依支撐載重方式之不同分為壓重式與錨定式兩種, 其中壓重式工作車係以後方壓重方式平衡工作車承載的模板及混凝土重量, 此類工作車本身之穩定性較高, 橋面亦無須設置太多預留孔, 且組裝 拆卸及移動作業均較簡單 ; 惟此種工 85

97 作車由於自重甚大, 所以在施工階段將使得各斷面應力增大許多, 尤其對於較長之橋跨更為不利, 因此近年來施築之懸臂工法橋梁中, 幾乎已看不到採用壓重式工作車的案例了 錨碇式工作車承載之模板 構架及混凝土重量是以高拉力鋼棒錨碇於已完成之混凝土大梁上, 故澆置節塊時須於橋面預留錨旋孔, 且施工操作較為複雜, 惟因其不須壓重故工作車重量較輕, 對於施工中應力的影響較小 隨著現今採用懸臂工法橋梁的跨距要求越來越大, 因此絕大多數懸臂工法橋梁皆已改採錨碇式工作車施築, 以下敘述均以錨碇式為主 1. 主構架 : 每部工作車有兩組主構架, 係由簡單穩定之三角形組合鋼架, 平行架設於軌道上方, 用以支撐施工中之載重 2. 桁架 : 桁架分前 後桁架, 分別垂直連接兩組主構架之前端及中間立柱, 與主構架結合成為一結構體, 其長度略大於橋面板寬度 前桁架以長鋼棒懸吊底板 翼板及頂板之前端, 後桁架亦以長鋼棒懸吊底板及翼板之後端, 其作用係支撐施工荷重並傳遞至主構架上 3. 水平支撐桿件 : 連接主鋼架及前後 桁架, 並傳遞工作載重, 保持工作車穩定 4. 懸吊系統 : 將工作平台及模板連接至工作車之主鋼構及桁架支撐系統, 可稱為吊桿或吊架, 整台工作車之側面及底部亦藉由懸吊系統支撐 5. 頂板 翼板和底板支撐鋼架 : 支撐各類樓板及所澆置混擬土之重量 6. 前 後滾輪腳架 : 推進工作車時用以輔助工作車之前進 7. 軌道連結器 : 位於錨碇千斤頂上, 於軌道推進時將軌道連結於工作車 8. 軌道 : 導引工作車前進方向, 並於工作車推進時提供工作車後輪抗拉拔力避免工作車於推移過程中向前翻覆 9. 工作平台 : 提供施工人員施工時作業空間 10. 千斤頂 : 計有主千斤頂 推進千斤頂 錨碇千斤頂 11. 錨碇鋼棒 : 主錨碇鋼棒錨碇於工作車末端, 另於軌道四周及主鋼架 頂模 底模亦設有錨碇鋼棒 ( 五 ) 作業流程 86

98 懸臂工法施工方法可分為平衡式施工 不平衡式施工及單邊懸臂式施工三種 : 1. 平衡式施工 : 以兩部工作車分別懸吊於柱頭節塊之兩側, 依作業程序組立模板 彎紮鋼筋 澆鑄混凝土 施預力後, 同時將兩工作車推移, 如此作業兩部工作車同時配置, 需較長之柱頭板, 人力 機具調配較受限制, 缺乏彈性 2. 不平衡式施工 : 於柱頭塊先組立單側之工作車, 待施築一節塊後將該工作車推移置下一節塊位置時, 再於柱頭節塊組立另一側之工作車, 如此一左一右交錯施築, 因考量施工時作業人力與機具調配度均較靈活, 符合經濟效益 3. 單邊懸臂式施工 : 一般使用於多跨連續梁, 其兩端邊跨較短且做為平衡錨碇節塊作用時, 先採場鑄工法施作邊跨完成後, 中間跨再以懸臂工法施工, 高鐵工程 C250 標跨越國道一號南屯交流道, 即採用此單邊懸臂式工法施工 本工法作業程序計下列五大步驟 : 1. 柱頭節塊施工 : 柱頭節塊係上部結構施作之開端, 並為施工初期工作車組立之基地, 且係以就地支撐方式施工或於柱頂設置支撐托架 2. 工作車組立 : 吊裝軌道 軌道錨碇 吊設主鋼架 吊設前 後橫桁架 安裝拉桿及斜撐 安裝懸吊系統 工作平台組裝架設於工作車上 箱形梁底模架設 箱形梁腹板模板架設 吊設左右側工作平台 翼板底模架設 內底板軌道架設 鋼筋綁紮後再架設頂板底模 腹板內模 3. 混凝土澆置及養護 : 混凝土澆置前須檢測及調整模板高程, 澆置時係由底板 腹板 頂板依序澆置並須以振動棒搗實, 惟振動時應避免振動棒觸及套管而使套管偏移 4. 施加預力 : 先將鋼絞線穿入套管內 修齊鋼絞線端部 安裝錨碇板及錨碇夾片 安裝千斤頂並連接油壓機 操作千斤頂施預力 詳實紀錄伸長量之變化 錨碇 解壓 退千斤頂 5. 工作車推進 : 軌道前進 模板降低 解除主鋼架處之錨碇鋼棒 工作車推進 固定主鋼架處之錨碇鋼棒 利用千斤頂頂起工 87

99 作車及固定模板 工作車推進完成後, 重複節塊之鑄造步驟, 直至節塊閉合 6. 閉合節塊施作 : 閉合節塊係兩端懸臂梁之最後一節塊, 利用兩端已完成之懸臂梁為支撐架設工作平台並於其上完成所有施工作業 ( 六 ) 設計及施工注意事項 1. 工作車推進 : 錨碇式懸臂工作車成本高, 自推進作業起至定位作業, 每一步驟應按操作手冊規定嚴格要求, 軌道錨碇須一直維持, 以策安全 2. 預拱計算及控制 : 在每個單元橋懸臂施工開始前, 由承包商依據施工順序 方法及進度並考慮預力損失及潛變等因素, 計算每一個施工步驟之預拱資料, 經送監造單位審核同意後施工 3. 懸臂梁穩定 : 懸臂節塊施工中, 在尚未閉合前, 其懸臂梁係屬靜定結構 兩端懸臂節塊交錯施工造成墩柱兩端不平衡彎矩係由墩柱承受, 因此在施工中應隨時核算結構穩定, 尤其一邊拆下工作車, 或一邊加抗重塊或工作車千斤頂加壓等情況 4. 以往懸臂工法之跨徑中央接合處係採絞接方式, 完工後由於混凝土之乾縮 潛變及預力鋼腱鬆弛之影響, 於絞接處產生較大之垂下, 影響結構外觀及行車之舒適性 目前該工法橋梁設計於中央部分採連續性之剛性接合方式, 可使橋面平整, 並增進行車之舒適性 5. 以懸臂工法設計之長跨徑長橋目前均以多跨連續方式設計, 致使混凝土之乾縮及長期潛變對橋墩產生較大之彎矩, 為改善此種情況, 必要時並於圖說上規定節塊閉合之時機及天候限制, 或採結構預頂方式施工 6. 多跨連續之橋梁, 為減低混凝土乾縮 潛變對橋墩產生過大之彎矩, 橋墩與上部結構為絞接或滾承時, 則須考慮於節塊施工中加設臨時固定設施使橋墩與上部結構剛接, 以維持施工中之結構平衡, 臨時固定設施可為臨時橋墩或橋墩頂上設置預力鋼棒 7. 長跨度配合短柱時, 溫度 潛變 乾縮對墩柱影響很大, 一般可由設置滾動支承而減緩, 或於施作閉合節塊前, 於多跨多製 88

100 作一個平衡節塊, 以期墩柱先行外彎, 以平衡閉合後之墩柱受 上部橋梁軸向縮短之彎矩 柱頭節塊施工 工作車組立 混凝土澆置及養護 施加預力 工作車推進 : 工作車推進完成 後, 重複節塊之鑄造步驟, 直至 節塊閉合 閉合節塊施作 圖 場鑄懸臂工法作業流程圖 89

101 七 預鑄節塊吊裝工法預鑄節塊吊裝工法 (Precast Segmental Construction Method) ( 圖 ) 於 1944 年在法國巴黎 Marne 河之 Luzancy 橋首次採用, 初期採用混凝土接縫, 直至 1962 年於法國賽納河之 Croisy Ie Roi 橋採用環氧樹脂接縫, 國內較大規模之採用直至 1992 年於板橋之特一號道路高架橋及南二高高雄支線都市高架橋中採用, 而國道三號高速公路彰濱快官段彰化二號及四號高架橋之預鑄節塊寬度達 32.1 公尺, 節塊長度 2 公尺, 更是國內採用此工法之最寬斷面預鑄節塊 圖 預鑄節塊吊裝工法 ( 一 ) 工法概要本工法係預鑄場先行鑄造橋梁之節塊, 再逐塊運輸至現場, 並以懸臂或逐跨方式吊裝至預定位置後, 再施拉預力將節塊予以連結, 最後各跨中央或兩側以吊模澆鑄混凝土方式閉合完成橋梁之建造 ( 二 ) 工法優點 1. 無需架設就地支撐架, 可節省支撐架拆裝時間, 減少鄰近環境之破壞及干擾 2. 節塊鑄造時可同時進行下部結節之施工作業, 縮短整體工期 3. 施工週期性循環, 工人熟練度高, 施工進度快 4. 預鑄場內設置棚架, 節塊鑄造不受天候影響, 品質與工期容易控制 5. 節塊於預鑄場可獲得足夠養生及材齡, 混凝土之乾縮及潛變較小, 提高施工精度 6. 現場吊裝對工區附近之噪音污染最小, 適合對噪音品質要求較高之區域施工 7. 施工設備之裝卸相當便捷, 且能重複使用, 可節省大量之人力 降低成本 90

102 8. 預鑄節塊懸臂工法施工不受線形限制, 適合長跨徑之橋梁, 亦可採漸變斷面, 景觀效果佳 ( 三 ) 適用性 1. 橋長應為 500 公尺以上, 經濟橋長 1600 公尺以上 2. 跨徑範圍約 35~180 公尺, 經濟跨徑約為 35~120 公尺 3. 跨徑比梁深約為 18~20 4. 平面為曲線或大曲率半徑之曲線 ( 四 ) 施工設備 1. 節塊預鑄場 : 主要設施如下, 其規劃攸關節塊之生產效率, 品質掌控及運輸動線 (1) 鋼筋加工區 : 鋼筋籠製作樣架 鋼筋材料堆置區 鋼筋裁切彎曲製作區及機具 (2) 節塊鑄造床 : 分為長線鑄造床及短線鑄造床 長線鑄造床長度為一跨徑之長, 並於預鑄床上調整各節塊線形後再依序逐塊鑄造, 俟完成一整跨後再移至儲存場, 其生產快速 曲線一次調整完成 線形較易控制 ; 短線鑄造床長度僅為二個節塊長度, 於預鑄床上以前一個已完成之節塊為端模鑄造下一個節塊, 完成後前一前塊則移至儲存場, 新完成之節塊移位後作下一節塊端模, 其所需之預鑄場空間小 線形需精準控制 (3) 蒸氣養護設備 : 含蒸氣鍋爐 配管及包覆帆布, 用以提高混凝土之早期強度 (4) 節塊儲存區 : 節塊須留置 28 天以上, 以 3 點支承存放, 高度以 2 層為宜 (5) 通道 : 供節塊運輸及混凝土澆置之用 2. 節塊運輸設備 : 以吊車將節塊自儲存場吊至拖板車, 再利用平面道路或已完成之橋面運至現場 3. 節塊吊裝設備 : 依節塊吊裝工作車之支撐方式可分為下承式吊裝桁架及懸吊式吊裝桁架 下承式吊裝桁架係利用設於節塊下方之桁架支撐節塊及吊裝 ; 懸吊式吊裝桁架係以懸吊方式運送及吊裝節塊 ( 五 ) 作業流程 91

103 1. 預鑄場設置 : 預鑄場之規劃攸關節塊生產效率及品質控制, 而位置的選擇關係節塊運輸動線 橋跨吊裝順序安排及吊裝桁架組裝次數, 因此須考量用地取得 地基沉陷 生產及運輸動線 節塊儲存面積等因素 2. 節塊鑄造 : 節塊生產採接合鑄造, 分為一般節塊和柱頭節塊 (1) 一般節塊的鑄造 1 長線鑄造法 : 本法係於預鑄模板開放端連接一甚長之節塊試裝基床, 將鑄造完成之節塊依序密合排列以隨時校核完成之橋體幾何尺寸是否合乎要求, 並即於次一節塊之鑄造中調整修正誤差, 此種鑄造法之基床通常須可容納一個跨徑以上之橋體節塊拼裝使用, 可有效控制鑄造精密度而減少累積誤差與橋體短期乾縮變形量估計值誤差, 對於橋梁幾何條件較複雜者極為適宜 其作業流程為, 以鑄造床上之水平及垂直調整裝置調整全跨之曲線 頂 腹 底板之外模定位 清潔及調整 吊放鋼筋籠 套管 錨座及預埋件之安裝 內模和端模組立 澆置混凝土 蒸氣養護 脫模 吊離節塊至儲存場 2 短線鑄造法 : 本法一般係採用於較小之預鑄場, 於預鑄模板端只要至少有一銜接節塊之餘裕空間及車輛或吊放機具操作通道即可, 此種鑄造法須有極嚴密之精度控制程序, 於鑄造後應有較高頻率之平整度與幾何尺寸測量校核作業, 並在鑄造完成後一段時間內繼續追蹤記錄, 以利後續節塊製作時之調整作業應用, 及供整體精度控制作業之參考 其作業流程為, 以底板外模置於新節塊之澆置位置 調整節塊線形及高程 外模定位 清潔及調整 吊放鋼筋籠 套管 錨座及預埋件之安裝 內模和端模組立 澆置混凝土 蒸氣養護 脫模 吊離節塊至儲存場 (2) 柱頭節塊的鑄造 1 場鑄 : 在橋墩柱頭上組裝澆置 以橋墩帽梁為支撐, 組裝模板, 紮筋及預埋套管後現場澆置而成 2 預鑄 : 將柱頭節塊於預鑄場預鑄, 再運至現場吊裝 3. 節塊運輸 92

104 (1) 預鑄場設置在工程現場附近, 節塊完成後直接以吊車, 吊至工地現場施作 (2) 預鑄場設置於適合地點, 待節塊完成後, 以拖板車運送到現場 4. 節塊組裝 : 節塊之組裝須經由節塊端面契合及施預力連接後, 始能發揮整體承受荷重之功能 一般節塊組裝方法可分為以下三種吊裝工法 預鑄場設置 節塊鑄造 節塊運輸 節塊組裝並施加預力 圖 預鑄節塊吊裝工法作業流程圖 (1) 逐跨架設工法 (Span by Span Construction): 此工法適用於跨徑 35~60 公尺之橋梁, 施工時以一跨為單位, 將鑄造完成之節塊逐塊吊放於支撐桁架上, 並於上構接近橋墩且彎矩較小處預留一側或兩側寬約 20 公分之閉合接縫, 待該跨吊裝完成且線形調整至定位後即可於閉合接縫內灌注混凝土並施拉永久預力, 例如國道三號高速公路 C336 標南投高架橋 C376 標田寮二號高架橋 (2) 平衡懸臂工法 (Balanced Cantilever Construction): 以柱頭節塊為中心於兩側依序各吊一節塊逐步完成一跨徑之施築方式, 適合用於較長跨徑之橋梁, 其流程為吊裝桁架或工作車定位 吊放柱頭節塊及相鄰之節塊 調整定位 塗抹環氧樹脂 施拉預力 吊裝閉合節塊 濕接頭澆置 移動吊裝桁架至下一跨, 例如 C 國道三號高速公路 393Z 標都市高架橋 C310 93

105 標西湖溪橋 C327 標彰化二號及四號高架橋 C383A 標及 C383B 標之屏東一號及二號高架橋 等 (3) 漸進式工法 (Progressive Placement Construction): 其施工方式不同於傳統工法須先完成基礎及橋墩再施做上部結構, 而必須先逐跨構築上部結構, 再利用完成之上部結構作為施工道路及吊放機具至預定位置, 其後施築下一跨之基礎及橋墩, 另上部結構施作時當節塊吊裝長度超過跨徑 1/3 時, 須以臨時斜張鋼纜或臨時橋墩支撐, 此工法適用於高山深谷施工機具不易到達處或環保需求不允許開闢施工便道者 ( 六 ) 設計及施工注意事項節塊吊裝, 需增加吊裝機具設備, 並受限於吊裝機具的能量, 高空吊裝作業, 較易產生勞安問題, 另外, 須注意撓度及頂拱量之控制, 應依計算所得之預拱值吊放節塊, 並於施預力後檢測結構體高程, 俾確認是否與計算值相符或須調整, 且適時將拱度等誤差反應回預鑄場以期於節塊製造時將誤差減至最小, 使全橋能依原設計線形建造完成 八 預鑄斜撐板工法通常橋面板寬超過 20 公尺之橋梁多採用多室箱型梁施工, 為考量基地面積因受地形地物之限制, 常須縮小墩柱而採用單柱式結構橋墩時, 為減輕施工設備重量可採單室箱型梁配合預鑄斜撐板撐開至 20 餘公尺, 即先行施作中央箱型梁部分, 再吊裝預鑄斜撐板 ( 圖 ) 圖 預鑄斜撐板工法 94

106 ( 一 ) 工法概要係以支撐先進工法 懸臂工法或就地支撐工法, 先施築中央箱型梁, 於完成箱型梁場鑄箱體並施拉第一階段縱向預力後, 再於主梁兩側以支撐鋼棒接續進行吊裝箱型梁外側預鑄斜撐板, 再逐跨澆鑄兩翼混凝土以完成二次橋面板, 經施拉橋面板橫向預力, 最後施拉箱型梁第二階段縱向預力, 以完成高架橋連續結構構築 ( 二 ) 工法優點 1. 縮小橋墩柱之斷面尺寸 : 適於市區高架橋及山谷陡坡之橋墩, 可減少橋墩占用地面車道空間及減少坡面開挖 2. 減輕上部結構節塊施工時之重量 3. 橋梁外形輕巧美觀 4. 對於橋墩不高之橋梁, 因梁深較淺, 故較無壓迫感 ( 三 ) 適用性 1. 為景觀需求採用單柱橋墩而其橋面寬超過 20 公尺, 例如北二高汐止系統交流道即以節塊推進工法設箱型後採預鑄節塊工法將橋面寬撐開為 20.9 公尺, 首先中央箱型梁先以節塊推進工法推進完成, 並於頂板預留鋼棒及續接器, 然後以支撐鋼棒臨時支撐架設預鑄斜撐板, 再於其中架設懸臂板之模板並澆鑄混凝土, 施拉橫向預力, 拆模後再施拉縱向與立即完成箱型梁之施工 2. 高架橋平行於平面道路, 為增加地面車道寬度高架橋橋墩必須採用單柱式橋墩, 例如南二高高雄環線即以預鑄斜撐板與預鑄底板之箱型梁以逐跨架設施工法施工, 先架設支撐後安裝外模, 然後吊裝預鑄斜撐板及預鑄底板 ( 斜撐板係每塊連續擺設, 而底板則每塊間留有約 40 公分間距, 於現場澆鑄 ) 外模拉桿施拉預力後在三預鑄板上架設內模, 配置鋼筋 預力鋼腱, 整個類似雙 T 形斷面一次澆鑄混凝土, 施拉橫向及縱向預力後, 放鬆模板及支撐後移至下一孔 澆鑄隔梁後, 完成一孔箱型梁, 重複上述步驟至所有單元完成 3. 沿山谷陡坡或深谷通過之高架橋, 為減少下部結構之工程費及減少坡面基礎開挖以減輕對環境之衝擊, 採用單柱橋墩雙向車道合併橋面板施工, 例如北宜高速公路南港頭城段橋梁上構施 95

107 工, 均為雙向共構採預力箱型梁設計, 預力箱型梁分二階段施工, 第一階段以脊背橋工法 ( 部分採場撐工法 ) 完成 8 3.5m 之中央箱梁, 第二階段架設預鑄斜撐板 澆鑄懸伸板, 再施以橫向預力完成上部結構, 其橋面板寬達 24.6 公尺 ( 四 ) 施工設備 1. 箱型梁施工設備及機具 2. 預力施加設備 3. 起重機吊裝設備 ( 五 ) 作業流程 圖 預鑄斜撐板工法施工示意圖 96

108 ( 六 ) 設計及施工注意事項橋梁墩柱 柱頭塊 預鑄斜撐板部分區域鋼筋 ( 箍筋 鋼筋搭接 ) 佈置甚多過密, 造成混凝土澆置困難, 粒料析離之現象偶有發生, 建議設計鋼筋之佈置尺寸應多考量 九 全跨預鑄吊裝工法全跨預鑄吊裝工法 (Full-span Pre-cast Launching Method, 簡稱 FPLM)( 圖 ) 係 1963 年首次應用在義大利一座長達 3 公里的公路橋梁, 當時是採用跨徑 32 公尺之簡支梁, 橋寬 13 公尺, 每跨重約 500 噸, 預鑄梁採用蒸氣養生的方式生產, 並已達到每天一跨的生產速度, 後來並逐漸發展及推廣至高速鐵路橋梁 連續性公路橋梁等各種應用範圍, 最大跨度並曾應用在 42 公尺之跨徑 900 噸重的連續梁橋, 尤其台灣高速鐵路全長 345 公里, 除北部部分多山地段有隧道 路堤工程外, 其餘約 251 公里全為高架橋梁工程, 而其中 ( 如 C260 標 ) 採全跨預鑄吊裝工法施工之橋梁約佔 135 公里, 為高鐵土建工程各類橋梁施工法之最主要工法 圖 全跨預鑄吊裝工法 ( 一 ) 工法概要本工法係將橋梁上部結構分為預鑄場製梁 ( 製作整跨箱梁 ) 與現場吊裝兩大部份, 於橋梁沿線設置一座預鑄場, 待預鑄場生產製作完成整跨箱梁後, 以運梁車載運整跨箱梁至吊裝地點, 再以吊梁工作車進行吊裝箱梁, 待吊裝完成後, 運梁車駛回預鑄場載運下一跨箱梁, 重復進行吊裝作業 此種方式主要好處為上部結構的施工不影響地區的交通, 在下部結構完成後, 一切工作均在橋上進行, 同時施工速度快, 97

109 若施工規劃良好, 平均每組機具每天可吊裝一跨預鑄梁, 惟因預鑄場及吊裝設備投資頗大, 必須有足夠長度才符合經濟效益 ( 二 ) 工法優點 1. 採用預鑄構件之工廠化的施工方式生產, 可簡化施工機具及物料管理, 縮短工期且可以有效率的運用人力, 降低施工成本 2. 在既成橋面上運輸, 不需地面道路, 上部結構施工時, 對地面之環境幾無干擾及污染 3. 本工法上部結構吊裝作業係由吊梁工作車座落於橋墩上完成, 無須架設地面上及橋墩旁之臨時支撐, 施工快速 4. 現場吊裝工作容易, 所須之工人數目及素質均較少 5. 採用整跨吊裝現場, 品質較佳且不受天候影響, 無須箱型梁儲存場, 工期較易掌握 ( 三 ) 適用性 1. 經濟橋長 3000 公尺以上 2. 適合跨徑約為 25~40 公尺, 中小跨徑預鑄預力箱型梁橋 3. 適合直線或大曲線 4. 橋址附近並須有足夠之場地設置預鑄場, 以及完整的預鑄節塊生產設備 成品儲存場 吊裝設備及運輸動線 ( 四 ) 施工設備 1. 預鑄場設備 : 配合用地取得難易程度 合約工期要求 合適之場址位置選擇 施工路線總長度與工作面規劃不同 設備配置成本與動線調度 箱型梁設計理念及人力資源分配等因素, 所設置之預鑄場規模大小與功能配置皆不盡相同, 其設備分有預拌廠區 鋼筋加工廠區 箱型梁生產區及儲存區 等 2. 底模 : 主要提供鋼筋綁紮平台, 分為固定式底模及移動式底模兩種 固定式底模即底模與外模固定不動, 箱型梁澆置完成後並吊離時, 底模仍留在原地 ; 移動式底模即箱型梁澆置完成後, 與底模一起推離 3. 內模 : 98

110 為一種系統模組, 定位反脫模皆使用油壓系統, 於鋼筋籠綁紮完成後, 採用推進式或吊放式放入鋼筋籠內部 推進式係於頂板鋼筋綁紮完成後, 利用油壓推進內模 ; 吊放式係於底腹板鋼筋綁紮完成後吊入內模, 再進行頂板鋼筋綁紮 4. 外模 : 預鑄模床須將整根箱型梁重量均勻傳遞至地面基礎上而不能夠有容許值外的變形, 因此其強度及勁度均需詳細檢核, 此外預鑄床的基礎應考慮每日生產反覆的載重, 是否會造成基礎的沉陷, 基礎的設計除夯實之外, 必要時亦可加以地盤改良以增強基礎的承載力, 以免基礎因地盤的沉陷因而影響到預鑄梁的精度及使用性 在端隔梁部分, 因採外露式, 預鑄梁在承受先前先拉預力斷線時所傳遞的預力, 將造成預鑄梁的上拱作用, 故端隔梁底部如採固定式將造成局部混凝土的坍壞, 此一側模應採活動式或以橡膠墊吸收此項收縮量 5. 端模 : 內 外模及鋼筋籠綁紮完成後, 用於箱型梁兩端封摸, 可分為整片式 上下兩片式及上中下三片式等三種 6. 預力設備 : 本工法所採用之預力作業方式有先拉法預力 後拉法預力 先拉法與後拉法合併使用 先拉法預力設備係於端模外設置反力座, 直線型鋼絞線以連接器銜接至反力座上, 以套筒夾片固定, 再使用單槍千斤頂逐股施拉預力, 若鋼絞線為曲折配置, 則曲折點需安裝曲折器, 該曲折器伸出底模外, 與混凝土固定座連接 ; 後拉法預力設備包括剛性套管 喇叭管 錨座 錨頭 夾片 油壓千斤頂及灌漿機等 7. 預鑄混凝土設備 : 為使預鑄生產能維持週期性作業, 混凝土須確保供應正常, 於預鑄場內設置拌合設備較為妥當, 除隨時可掌握需求時程之外, 對品質得掌握亦較有控制, 其能量計算以一支預鑄梁單點澆置計算, 每小時以能供應 60m 3 以上, 目前國內之拌合廠每小時產量可達 180m 3 以上, 混凝土之供應不成問題, 此外, 混凝土的輸送 99

111 一般以輸送管輸送, 灌漿時如能從大梁內梁端往內澆置, 可較單向澆置節省一半的時間 8. 養護設備 : 本工法於澆置混凝土後 12 小時即切斷鋼絞索, 此時混凝土強度至少達到 0.8fc, 故須借鍋爐採蒸氣養護方式加速混凝土強度之增加, 蒸氣養護以鍋爐 水箱及蒸氣管為主, 且須有自動控制及自動監測設備, 以確保蒸氣的供應足供養護需求 9. 門型吊車及高架天車 : 主要使用於將鋼筋籠吊放置預鑄床, 由於本工法每跨長度約為 30 公尺, 鋼筋籠的吊放須前後兩門型吊車同步前進, 此外部分蒸氣養生鋼架 內模或其他零星材料 設備亦可借助此天車移動 10. 箱型梁運送設備 : 藉由儲存區或暫存區之重型門型吊車將橋面板下之箱型梁, 吊運至橋面運梁車上, 再運至吊梁工作車之吊放現場 11. 箱型梁吊裝設備 : 主要設備為吊梁工作車, 部分設備並具有前進導梁 主要利用吊梁工作車將箱型梁吊置, 並定位於已完成墩帽上, 再藉由已吊置完成之橋面將吊梁工作車推進至下一跨, 形成一個工作循環 ( 五 ) 作業流程全跨預鑄吊裝工法施工流程可區分為三個階段, 第一階段為預鑄廠房內進行箱型梁生產, 並于養護完成後運至儲存區或暫存區, 第二階段將箱型梁由儲存區或暫存區吊至橋面上運梁車, 再由運梁車載運至吊梁工作車前待吊位置, 第三階段由吊梁工作車進行箱型梁吊裝及定位作業 1. 箱型梁之預鑄 : 箱型梁之預鑄流程依預鑄廠的規劃而有所不同, 其以預力系統可分為全部採用先拉法 全部採用後拉法 先拉法與後拉法合併使用 等三種 內模系統吊放方式及生產線之動線規劃等不同的概念, 影響其施工順序, 但其主要工作項目不外乎鋼筋彎紮 預力系統施工 內模吊放 混凝土澆置與養護等, 茲將預力系統採先拉法與後拉法合併使用之箱型梁預鑄流程說明如下 : 100

112 (1) 依工作圖鋼筋表完成鋼筋裁剪加工及端隔梁鋼筋籠綁紮組立 (2) 底模整理 固定支承墊上盤及吊放底模 (3) 底 腹板鋼筋綁紮及端隔梁鋼筋籠吊放 (4) 下端模安裝 (5) 後拉法預力套管安裝 (6) 內模整理及吊放 (7) 頂板鋼筋綁紮 後拉法預力端錨安裝 上端模安裝及先拉法預力鋼絞線穿線 (8) 外模整理及鋼筋籠連同底模拉至混凝土澆置區 (9) 安裝先拉法預力反力座及施拉預力 (10) 完成預埋件埋設後, 進行混凝土澆置, 以整平機整出表面坡度 (11) 混凝土澆置完成後進行約 12~14 小時蒸汽養護 (12) 養護完成後, 先移除端模及退出內模, 再將預力鋼絞線切斷 (13) 後拉法預力鋼絞線穿線及施拉預力 (14) 移除預力反力座後, 利用爬行千斤頂將箱型梁拉進儲存區 (15) 封端錨及預力套管灌漿 2. 箱型梁之運送 : 箱型梁運送方式有兩種, 其一為吊放與運送一體的運吊梁工作車直接吊起箱型梁, 再經由臨時爬坡道行走至橋面上進行逐跨吊裝方式 ; 其二為直接由重型門型吊車將箱型梁從地面吊起放至橋面上運梁車, 續由運梁車載運箱型梁行駛至吊梁工作車前待吊位置 3. 箱型梁之吊裝 : 以台灣高鐵橋梁工程之吊裝為例, 箱型梁吊梁工作車計有三種不同之類型, 其一為運吊梁工作車, 其吊裝作業係由運梁車直接伶著箱型梁配合前進導梁向前移位完成吊裝 ; 其二為自走式吊梁工作車, 其吊裝作業係吊梁工作車以自走移機方式進行吊裝箱型梁 ; 其三為前導式吊梁工作車, 其吊裝作業係採前進導梁往前推進移機方式進行吊梁 茲將運吊梁工作車之吊裝方式分述如下 : 101

113 (1) 運吊梁工作車運梁至起吊位置, 跨上前進導梁承載盤上千斤頂, 頂昇前輪離開橋面, 千斤頂扣上安全護套 (2) 啟動承載盤及運吊梁工作車後輪動力, 運吊梁工作車運吊箱型梁, 沿前進導梁方向推進 (3) 箱型梁推進定位後, 鬆開前進導梁後支架, 利用自主動力向前移動 (4) 運吊梁工作車進行吊放箱型梁, 並由墩帽上千斤頂臨時支撐 (5) 前進導梁後退約 8 公尺至後支架固定於墩帽上 (6) 運吊梁工作車沿前進導梁, 後退至已吊放完成之橋面上 (7) 降下前進導梁承載盤上千斤頂, 運吊梁工作車前輪降回橋面 (8) 運吊梁工作車駛返預鑄廠 (9) 重複前述之運吊梁工作車吊裝步驟, 進行下一跨吊裝作業 ( 六 ) 設計及施工注意事項 1. 預鑄場宜及早規劃 取得用地及興建 2. 進口機具設備及材料應及早採購 3. 施工設備選擇應考慮操作方便及安全性 4. 相關工作面應詳細規劃, 以免影響吊梁前進通路 5. 建立健全之工作介面協調機制 如需跨越河川及鐵公路之施工, 宜配合相關法規儘早提出申請, 以免延誤工期 6 節塊預鑄時, 即需考量橋梁之平 豎曲線形 超高及預拱量 等 7. 工法設備應先行架設完成, 並進行試推, 以確保可行 8. 預拱量計算需考慮預力造成之拱度, 日後混凝土乾縮潛變及預力鬆弛等效應, 作反向之調整 9. 起重或吊裝設備能量及數量估算, 以及吊具設備配置位置之施工性 穩定性與人員安全 10. 安裝位置之座標與高程量測是否已核對確認 11. 推進過程中, 充裕之施工人員及監控設備, 隨時回報各工作點之狀況, 俾利判斷應變 102

114 1. 箱型梁之預鑄 鋼筋籠綁紮組立 底模整理 吊放 底 腹板鋼筋綁紮及端隔梁 後拉法預力套管安裝 內模整理及吊放 頂板鋼筋綁紮 後拉法預力端錨安裝 上端模安裝及先拉法預力鋼絞線穿線 此部份工項循環施作 外模整理及鋼筋籠至定位 先拉法預力反力座及施拉預力 預埋件埋設 混凝土澆置 蒸汽養護 移除端模及退出內模, 先拉鋼絞線切斷 後拉法預力鋼絞線穿線及施拉預力 封端錨及預力套管灌漿 2. 箱型梁之運送 3. 箱型梁之吊裝 圖 全跨預鑄吊裝工法作業流程圖 103

115 十 斜張橋斜張橋亦可稱為斜拉橋 ( 圖 ), 在橋梁工程界與懸索橋一樣, 均被定位為長跨距橋梁, 惟其理論適用跨距仍比懸索橋短, 比拱橋或桁架橋稍長 其工程設計觀念主要起源於第二次世界大戰後之德國, 由於當時建築材料之短缺, 用較少之材料建成跨距較長之橋梁乃是斜張橋應運而生之主因 1958 年德國完成了世界首座長跨距斜張橋 North Bridge 橫跨萊茵河 (Rhine River), 主跨距為 260m, 其工程費比替選方案之拱橋節省近 22% 由於經濟及美觀之優勢, 至此長跨距斜張橋便陸續出現在歐 美及日本等國 台灣早期完成的斜張橋有台北的光復橋及重陽橋, 其中國道三號高速公路之高屏溪橋則為國內第一座單塔兩跨不對稱單面吊纜複合式斜張橋, 橋塔高達 公尺, 橋主跨徑 330 公尺, 側跨徑 180 公尺, 全長 510 公尺, 若以全世界單塔斜張橋而論, 其跨徑長度排名第二, 僅次於位在歐洲德國跨越萊茵河橋 圖 斜張橋 ( 一 ) 工法概要斜張橋之上部結構由橋塔 斜拉鋼索 縱向加勁大梁 ( 含橋面板 ) 三大部份組成, 一般主塔常用爬模工法或節塊組裝工法, 主梁常用懸臂工法 場鑄工法 推進工法 平移工法或逐一跨徑法 ( 二 ) 工法優點 1. 吊索配置與橋塔形狀等型態較多樣化, 設計自由度較大 2. 跨距的適用範圍很寬廣, 較不受跨距比例的限制 3. 經吊索張力調整橋塔及主桁的應力, 能有較經濟的設計 4. 可利用臨時吊索完成橋體懸臂架設, 能配合合理的設計 104

116 5. 吊索 橋塔 主桁具有景觀機能, 較符合現代感 ( 三 ) 適用性適合大跨徑橋梁 (200~900 公尺 ), 可採用混凝土或鋼構或複合式 ( 四 ) 施工設備 1.MHL(Masago Hydraulic Long Arm Bucket) 抓斗式挖掘機 2. 爬升模系統 3. 塔吊系統 4. 預力系統 ( 五 ) 作業流程斜張橋施工方法及管理攸關工程品質 造價及工期, 目前趨勢以簡化施工程度採大構件組裝方式, 並朝向以模組化設計 減少場鑄施工部份, 利用預鑄或鋼構組裝為最先施工法理念, 可達控制品質及縮短工期之優點 針對斜張橋施工為保留施工彈性, 一般設計顧問於設計圖所列施工法僅供參考, 承包商可依其施工能力或機具設備, 在不增加工程總造價前提下, 重新研提施工法, 並提出相關結構應力計算書, 經過原設計顧問公司核可後得予採用 承包商在施工階段應考慮地震力及風力, 檢討結構之穩定性及應力, 並提出相對應安全措施, 以確保施工安全 ; 了解大跨徑橋梁吊索的非線性特性, 修正其彈性模數及初始預拉力 ; 考量溫度效應, 以掌控主塔及主梁之變形 ; 評估混凝土乾縮潛變的影響, 以確保主梁閉合及變形控制 以下將配合國道三號高速公路高屏溪斜張橋之作業流程, 並分成基礎 主塔 主桁 吊索 等部份逐一介紹 高屏溪斜張橋之施工程序, 首先分別施築 Pl 橋塔 Al 橋台及 P2 橋墩, 同時間於中國鋼鐵公司之鋼構廠進行主跨鋼箱型梁節塊之製作, 然後自 Al 橋台向 Pl 橋塔以就地支撐鋼架配合脊背橋工法施築側跨預力箱型梁, 俟側跨完成後, 再自 Pl 橋塔向 P2 橋墩以懸臂工法進行主跨鋼箱梁節塊吊裝焊接施工並配合安裝主 側跨之斜張鋼纜, 將製作完成之斜張鋼纜, 一端先假固定於橋面板錨碇座, 另一端固定於橋塔, 並於主 側跨兩側平衡施加預力而完成鋼纜之架 105

117 設, 如此重複鋼箱梁節塊吊裝及安裝主 側跨斜張鋼纜之作業直至全橋完成 1. 基礎 : 由於主橋橋台及橋塔基礎需承受主橋上部結構系統所傳遞之巨大承載力, 需具有較大之勁度以減少因外力 ( 地震力 ) 對結構系統產生之二次效應, 其次, 為避免高屏溪行水區之沖積造成結構不穩定現象, 並為配合現址地盤特性及施工經濟性等諸多因素考量下, 採隔牆箱壁式基礎, 因該基礎之結構斷面尺寸較小, 但卻可提供較大剛度, 並可減少工程材料及用地之浪費, 有助於結構系統之穩定性 再者, 預力地錨的配置則可與地盤形成巨積土體, 除可承載因外力造成之龐大主動土壓力外, 亦可增加整體結構之勁度 由於隔牆箱壁式基礎之施工步驟與一般連續壁類似, 施工時以履帶式桁架吊車掛裝 MHL 抓斗式挖掘機進行挖掘作業, 削掘機前端以油壓控制之蛤式抓斗, 利用強力油壓系統操作抓斗開合挖掘取土, 以達連續壁開挖之目的 2. 橋塔 : 斜張橋橋塔的型式對於整座斜張橋的外觀有著極大的影響 今日隨著國民所得的提高, 許多公共建設在設計時不僅要考慮到使用性, 同時也要兼顧外型的美觀及對周遭環境所造成的衝擊 因此, 在規劃設計中, 橋塔型式的選定除了要從技術層面去考量, 同時也要從美學的角度去考慮, 兩者須同時兼顧 斜張橋之橋塔種類在橋梁工程界常採用者約有下列數種 1, 即 : (1) 門架塔式 : 門架塔式橋塔之基本造型有如門架式之剛架結構 (Frame Structure), 為維持其結構穩定性, 其上方通常有橫向橫件 (Cross Member) (2) 雙柱塔式 : 雙柱塔式橋塔顧名思義乃是指橋塔由兩根直立柱組成, 為顧及整座橋塔之結構穩定性, 雙柱之間可能有橫向加勁之構件, 構成剛性甚強之剛架結構 ( 工程界亦有人將此外型之橋塔以 H 型橋塔稱之 ) 橫向構件之高度通常在橋面板上方車輛通過垂直淨高 ( Vertical Clearance) 以上某一距離, 無絕對之標準, 依實際之設計巧思而定 106

118 (3) 鑽石塔式 : 鑽石塔式橋塔意指其橋塔類似鑽石之形狀 如將橋梁上之雙向交通完全分開, 以雙座橋梁處理, 則亦可考慮採用雙鑽石式 (Twin-Diamond) 橋塔 (4) 單柱塔式 : 單柱塔式橋塔主要由一根勁度甚大之柱構成 如配合柱下方之橋墩, 其外型有可能類似一個上下顛倒之 Y 字, 此種橋塔亦有人以 倒 Y 型橋塔 稱之 (5)A 型剛架塔式 :A 型橋塔之外形類似英文之 A 字, 最著名之例子為法國跨越塞納河之諾曼第大橋 ( 於 1994 年完工通車 ) (6) 多柱塔式 : 此類型之橋塔由三或四根以上之柱組成, 無特定之外型 高屏溪斜張橋橋塔位於台 21 線與高屏溪主河道之間, 採變斷面 A 型設計, 塔腳為雙斜柱變斷面混凝土空心結構, 斜向上延伸 1lO 公尺高後閉合, 閉合後以單柱鋼筋混凝土實心結構垂直向上延伸至塔頂燈室, 全高約 公尺 塔柱東西兩側外覆ㄇ字型鋼板補強, 以承載斜張鋼纜錨碇裝置, 其後焊有剪力釘, 以充分固接錨碇鋼板與混凝土 兩斜向塔腳間設有一橫梁, 以作為上部結構箱型梁之中間支撐, 距地面約 38 公尺 另為抵抗斜向塔腳傳遞至基礎之側向水平力, 兩塔腳基礎間以預力地梁相連接 本橋塔工程之爬昇模板係採用 PERI 自動爬昇模板系統, 面板為塗佈酚樹脂之合板, 每一層之箱型節塊高 4.2 公尺, 在斷面形狀變化處, 如橫梁 閉合端及塔頂燈室等, 因系統爬昇模板無法使用, 必須使用現場支撐模板施工 其中橫梁係採用重型支撐架以組立模板, 塔頂燈室則待節塊完成後, 以爬昇模板作為工作台, 於塔頂位址現場支撐模板施作燈室 配合爬升模板逐層節塊施工時鋼筋續接之施工性及避免搭接造成鋼筋間隔過密而影響混凝土澆鑄, 橋塔柱體主筋係逐層採用續接器接續 有關混凝土粒料之輸送, 為避免高揚程之泵送造成之骨料分離及泵送落差過大造成骨料分離, 於第一到第七節塊利用泵送車將混凝土壓送至澆灌節塊當中, 第八節塊以上則利用塔式吊車及吊桶 ( 每只 3m 3 ) 輸送混凝土 3. 主梁 : 107

119 可分為預力混凝土 鋼構及複合梁等三種構造 針對預力混凝土主梁施工, 可分場鑄及預鑄兩種方式, 須考慮混凝土乾縮潛變對預拱之影響與吊索施拉預力之損失, 施工過程藉由測量嚴控其變位 ; 預鑄節塊可依吊裝設備能力及運輸條件, 再將主梁區分為箱梁及肋板 ( 條 ) 兩部份 鋼構造主梁節塊長度可依吊裝設備能力及運輸條件決定, 若主梁為鋼梁配合鋼床鈑, 一般現場接頭常採螺栓接合方式, 為求節省整體鋼重及鋼床鈑防水層之鋪裝平順, 以全焊接工法替代為較佳之方式 ( 如高屏溪斜張橋 ); 若採現場焊接, 則須嚴格控制現場焊接的品質, 施工重點在厚鋼鈑及焊接衍生之變形, 並檢討其疲勞應力之影響 鋼節塊製作完成後, 在工廠應先行假安裝為確保鋼構件節塊密接之重要程序 複合梁為鋼梁配合場鑄或預鑄之鋼筋混凝土板, 預鑄鋼筋混凝土板施工快速, 品質控制良好, 惟須注意混凝土板間閉合接縫易發生龜裂問題, 一般以控制混凝土施工品質, 加強配筋細節或以臨時預力預拱方式來克服 茲就主梁施工方式說明如下 : (1) 就地支撐場鑄或吊裝工法 : 在工址施工環境條件許可下, 主梁採就地支撐場鑄 ( 預力混凝土構造 ) 或現場吊裝工法 ( 鋼構造或預鑄節塊 ), 為較經濟可行施工方式, 主要優點對控制幾何形狀及路線縱坡較為精確, 特別適合於橋下淨空小, 且就地鋼支撐不會影響行車交通之情況 日本 Toyosato-Ohhashi Bridge 主梁為鋼床鈑梁構造, 即採用本工法施工 (2) 懸臂工法 : 為目前斜張橋最常使用施工方式, 可適合預力混凝土及鋼構造 對預力混凝土主梁施工, 可分場鑄及預鑄兩種節塊施工法 以台灣地區現有連續梁懸臂工法施工案例, 每一節塊施工速率, 場鑄節塊工法約 5~12 天, 預鑄節塊吊裝工法約 3~5 天 施工階段得視抗風需要, 增配 TMD 確保穩定及安全 為配合懸臂逐步施工方式, 單位鋼腱及鋼筋配置量常較其他方式為高, 採用本工法不受周遭環境限制, 且不影響區域道路的交通, 除跨越區域道路需注意橋下淨空外, 適合所有工址環境, 尤其跨海大橋若採就地支撐成本過鉅且困難度高, 勢必得採用本工 108

120 法 香港 Ting Kau Bridge 主梁為鋼鈑梁結合預鑄混凝土板構造, 即採用本工法施工 (3) 頂推工法 : 常應用在歐洲區域的公路橋施工, 當橋下淨空不夠適合採用懸臂工法時, 使用本工法為最佳選擇方式, 可概分為節塊推進工法 ( 縱移 ) 及平移工法 ( 橫移 ) 兩種, 須配合加設主梁臨時預力及中間臨時支撐, 以減少主梁推進階段之應力 施工可由單側橋台往另一端推進, 如德國 Julicher Strasse Bridge 主梁為鋼床鈑梁構造, 即採用本工法施工 ; 或分別由兩端橋台往中央推進, 線形及縱坡限制同一般節塊推進工法, 適合直線及單曲線 以台灣地區現有連續梁節塊推進工法施工案例, 每一節塊施工速率約 7~14 天 平移工法則較適合於維持既有老橋之交通, 施工方式為在老橋旁構築臨時橋墩及新橋後, 轉移區域道路交通後, 拆除老橋構築新橋墩, 再以千斤頂平移主梁推至定位, 如德國 Oberkassel Bridge 主梁為鋼床鈑梁構造, 即採用本工法施工, 平移時之速率為 3.6m/hr, 約花 13 小時平移 47.5m 至定位 (4) 纜索懸吊工法 : 本工法以纜索系統架設橋梁, 其施工方式為先構築基礎 墩柱及主塔, 利用主塔作為臨時錨碇構件, 在主塔頂架設施工主索道後, 才逐步組裝主梁節塊, 爾後安裝斜拉吊索, 調整吊索施拉預力, 閉合節塊完工後才撤除施工纜索, 一般較常使用於地錨式斜張橋或吊橋之施工方式 (5) 平轉法 : 本工法適用在跨徑不大且周遭施工環境特殊之情況, 一般在橋址兩端完成整段或兩半段之橋梁, 再以平面旋轉方式將橋對接完成閉合狀態, 其設計及施工要點為主塔轉盤支座構造, 應確保高承載力, 主塔後側加設導牆作為第二支承點, 與旋轉時能保持穩定及低摩擦阻力 ; 奧地利 Danube Bridge 主梁為預力混凝土梁構造, 即採用本工法施工 (6) 逐一跨徑或支撐先進工法 : 109

121 本工法施工可由單側橋台往另一端推進, 或由主塔往兩側施工, 須配合主梁及吊索臨時預力與中間臨時支撐, 以減少主梁推進階段之應力, 適合橋下空間不高之施工環境 以台灣地區現有連續梁逐一跨徑工法施工案例, 每一跨施工速率約 9~15 天 南投集鹿大橋主梁為預力混凝土梁構造, 即採用本工法施工, 每次施作單元長度為 12m 4. 吊索 : 應用在長跨徑斜張橋上的鋼纜是尖端科技下的產物, 它必須是高強度 耐久性良好 安裝容易且符合經濟性, 同時要兼顧日後維修時的簡易性 方便調整預力及更換鋼索 一般斜張橋之斜拉索排列型式有下列四種, 即 : (1) 輻射狀排列 : 此排列型式使得斜拉索與主梁所形成之夾角甚大, 故在主梁軸向方向之分力甚小, 因之傳遞至主梁之軸力較小 由於斜拉索集中於橋塔頂部, 對橋塔產生極大的剪力和彎矩作用, 對錨碇亦可能造成施工上之困難, 因此成本有增加之趨勢 (2) 豎琴狀或平行式排列 : 豎琴狀排列需使用較多之纜索, 但是對橋面板而言, 因纜索與主梁夾角較小, 傳遞至主梁之軸力較大 ; 對橋塔而言, 由於斜拉索不像輻射狀一樣集中在橋塔頂部, 故施於橋塔之彎矩較小, 可使用較小之橋塔斷面 ; 另外, 由於此排列型式較簡潔, 使得駕駛人不因纜索的存在而阻礙視覺, 因此, 豎琴式排列較具美學觀念, 視覺亦較佳 (3) 扇形排列 : 此一型式可說是綜合豎琴狀及輻射狀排列之折衷型式, 同時具有二者之優點, 也是近年來最常用斜拉索的排列型式 (4) 星形排列 : 唯一的一座星形排列的斜張橋是 North Elbe Bridge, 位於德國的 Hamburg, 主跨有 172m, 兩邊跨皆為 64m, 為一單索面星形排列, 由 Stahlverwendung 及 Odenhousen 於 1962 年設計完成 就力學行為而言, 星形是較不佳的排列型式, 因為纜索在主梁上的錨定僅集中在一處, 並不能使得主梁有連續支承的優 110

122 點, 如此一來就不能有效地減少主梁深度, 而且纜索集中於一 點的錨碇工作也是相當困難 如依斜拉索之空間佈置方式, 其可分為兩大類, 即 : (1) 單索面 : 通常用於單柱式橋塔, 其美學效果甚佳, 但因單索面佈置, 其索力傳至主梁比雙索面大許多, 因此, 主梁與錨碇之尺寸均較大 (2) 雙索面 : 雙索面佈置之斜拉索之錨碇通常在橋面板之外, 因此, 其橋面板淨寬較大, 比單索面佈置易於車道安排 其缺點在於索力於主梁造成之剪力與彎矩較大, 因此, 主梁需有較大之勁度 雙索面之佈置通常用於門架式, 雙柱式與 A 型橋塔 斜張鋼纜之施工係配合鋼箱梁節塊逐塊吊裝焊接完成後, 吊拉安裝主 側跨之斜張鋼纜 ; 橋塔端 ( 固定端 ) 之斜張鋼纜安裝, 係利用塔式吊車將製作完成之鋼纜施力端吊起, 控制並調整鋼纜之角度以便置入保護套管內 俟端錨穿過橋塔後, 以錨碇螺帽固定鋼纜於橋塔上 橋面板端 ( 施力端 ) 之斜張鋼纜安裝, 係利用輪式吊車並配合牽引機將端錨穿過保護套管, 並以螺帽固定, 基於安全因素, 安裝的環境設定在風速小於 5O km /hr 時 ( 六 ) 設計及施工注意事項一般而言, 對於跨距在千米以下之橋梁, 斜張橋比懸索橋合適 由於此類長跨距的結構常使用高強度且質輕的材料構築, 使得橋梁成為具有較低阻尼的柔軟結構, 雖然此現象對橋梁的抗震能力有一定程度之提昇, 但卻相對地助長了因受風力作用而造成之不穩定現象, 例如扭轉的不穩定 顫動等氣動力不穩定的現象 由於斜張橋的柔度較高, 導致系統自然頻率的降低, 並造成較低振態的藕合, 如側向撓曲和扭轉振態藕合, 此即為顫動效應, 也因為如此, 使得系統的靜態和動態行為更趨複雜 111

123 十一 降拱施工法拱橋的施工方法傳統上採用懸臂工法 拱撐工法, 近年來亦有採用降拱工法施作, 本工法將左右兩半拱體, 先以直立位置採爬昇模施工, 並於基座放置支承轉軸, 拱體澆鑄完成後, 將拱體旋轉下降使中央拱體接合 ( 圖 ) 圖 降拱施工法 國工局網站 十二 板拉橋施工法板拉橋是在斜張橋的基礎上演化成的一種新橋型, 它用剛性拉板代替柔性拉索, 解決了拉索疲勞問題, 提高拉索使用應力, 從而節省材料 同斜張橋相比, 板拉橋的優勢有以下幾點 : 1. 剛性拉板代替柔性拉索, 解決了拉索疲勞問題, 節省拉索材料用量 2. 大幅提高主梁剛度, 預應力鋼索應力提高, 可進一步降低拉板同水平面夾角, 從而降低塔的高度, 簡化施工步驟, 降低工程造, 已建成的 2 65m 板拉橋, 主塔高度只有 20 公尺 ( 圖 ) 圖 板拉橋施工法 112

124 十三 鋼管桁架橋梁工法鋼管桁架橋梁結構, 由場鑄或預鑄混凝土橋面板與鋼管桁架橋梁組合而成, 此合成結構為開放性斷面具有視線及陽光穿透性, 可降低一般高架橋對視覺的衝擊 在結構上, 鋼管桁架橋梁相對於其他形式之橋梁在地震時有較小之地震力 又圓形鋼管配合焊接接頭使斷面具有高耐久性與抗腐蝕之平滑表面, 進而降低日後之維修費用, 另外由於採預鑄 預組系統, 不僅可以保證施工品質, 更能降低施工中對於現有環境的影響 ( 圖 ) 圖 鋼管桁架橋梁工法 國工局網站 十四 Y 型柱局部支撐預鑄節塊吊裝工法此工法為預鑄節塊工法之一種, 其差別為墩柱設計成 Y 型柱並為連續拱橋, 由於拱橋結構受力後有外伸變直趨勢需有足夠水平反力以保持結構安全穩定, 也因此拱結構可得較為經濟之結構斷面, 因本工法橋梁節塊為預鑄, 橋墩柱為場鑄, 上部結構與下部結構可同時施工, 混凝土材料強度足夠後依施工需要設立支撐架, 進行橋梁節塊吊裝至支撐架上並進行預力鋼鍵穿線並施拉預力, 因上部結構與下部結構可同時進行施工可縮短工期, 上部結構預鑄節塊在平面製作, 品質管控容易, 因上部結構吊裝施工時間短可避開河道汛期 ( 圖 ) 圖 Y 型柱局部支撐預鑄節塊吊裝工法 113

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