防止落橋構造概述-(1)
所有的橋梁震害中,落橋為非常嚴重的橋梁損害。依過去數年間橋梁震害研究與實際經驗顯示,橋梁在遭遇過大的地震侵擾時,其破壞型式大約可分為橋梁大梁與橋墩帽梁間支承處的破壞或橋面版滑落。支承的破壞較易於災後搶修復原,但橋梁上部橋面版的墜落往往會造成重大生命財產的損害,且因其修復時程較久,不利於災後的善後工程進行。橋梁於發生落橋損害之前,支承必先已失去其功能性,從防止落橋的觀點來看,僅依靠支承本身的抗震強度來防止落橋有其困難存在,若加以設置適當的防落橋措施或提供足夠的梁端部防落長度,則可有效降低橋梁因落橋所造成的不便。
於無落橋顧慮的情況下,換裝或修復損壞的支承其工程費用較低且容易施作。大地震時,允許支承破壞是權衡各項損害中較易復原的方案後不得已之做法,且支承的破壞會伴隨著地震能量的消散,減低橋梁下部結構受創的機會。橋梁的震害模式中,橋墩柱的崩塌最為嚴重,其次是落橋的產生,而後才是支承的破壞。有鑑於此,交通部於民國八十四年元月頒佈的「公路橋梁耐震設計規範」中第4.3節即訂定有關防止落橋構造的相關規定。今引述該規定如下:
為防止地震時,大梁由橋梁或橋台頂掉落,於橋梁耐震設計時,對梁端置放於活動支承或固定支承者,梁端防落長度「N」為梁端起至下部支持結構頂端邊緣止之長度,N值不得小於下式所規定長度:N = 50 + 0.25L +1.0H。式中的N值即為最小梁端防落長度,單位為公分。L為橋梁跨徑,單位為公尺。H為自橋梁基面起算之下部結構高度,單位亦為公尺。
由我國規範可知,一橋之防落長度與該橋梁之跨徑與橋墩高度有關,主要的考量依據為橋梁於強震作用下,上部結構與下部結構間有可能產生過大的相對位移,此相對位移與橋梁的動力反應有關,橋梁的跨徑與橋墩高度即決定了橋梁本身自然的動力行為。規範以此兩參數作為最小防落長度的計算根據自是符合力學論立基礎。但規範並未反應出不同的橋梁結構型式需不同的防落長度之特性,亦即規範中並未區隔出結構系統較差者需較長的防落長度。
美日等國亦有最小防落長度的相關規定。日本道路協會之「道路橋示方書•同解說V耐震設計編」對不同的橋梁長度定出不同的最小防落長度。美國ATC規範內亦有類似的規定,但對於橋梁長度的定義上有些許的不同。我國規範的最小防落長度設計值大約介於美日兩國規範之間,且橋長採日本規範的定義,即以跨度代表最小防落長度計算中的「L」值。
1995年日本阪神地震發生後,日本建設省頒佈「兵庫縣南部地震受害道路橋梁復舊辦法」,其中對於具高斜角、高曲度之曲線橋,或具高橋墩長週期與基礎土壤液化使下部結構產生變位之橋梁,重新定義並加大其最小防落長度。另外,日本阪神道路公團「支承設計要領」中,特別強調支承端緣至下部結構頂部緣端之距離,主要目的在於防止強震時,支承因下部結構頂部剪力的破壞而產生掉落的現象。
我國公路橋梁耐震設計規範內有許多防止落橋之權宜措施,當現場環境等因素限制使橋梁無法留有足夠的最小防落長度時,其允許上部結構之間,或上部結構與下部結構之間設置可靠的防落橋設施,以彌補原防落長度的不足。另對於重要橋梁或坡度過大之橋梁,規範建議除橋梁梁端部防落長度需到達設計要求外,應同時設置防落橋裝置。日本「兵庫縣南部地震受害道路橋梁復舊辦法」對於新建橋梁之防落橋設計要求更為嚴格,除基本的防落長度限制外,額外的防落橋裝置亦需裝設於新建橋梁內,以避免任何落橋的情況產生。
我國規範內對於防落橋裝置的相關規定與討論並不多,僅訂定此類裝置設計時所用之地震力大小應以原地震力之兩倍計算。但日本的「兵庫縣南部地震受害道路橋梁復舊辦法」內含有明確且詳細的規定條文,不但有防落橋裝置的空間配設方式圖說,也考慮有此裝置之橋墩耐震能力的提升。對於防落橋裝置本身要求其應能於地震力作用下,提供所需之強度及韌性,且為具吸收衝擊力之構造。下列為日本規範內之防落橋裝置之配置圖示,共分為六種不同的型式: