NCREE-2013-029
時間 2013-12-01
標題 單跨樁基礎橋梁模型之振動台試驗研究
作者 劉光晏、陳能鴻、張國鎮陳家漢陳正興翁作新
摘要
本研究探討單跨簡支含樁基礎之橋梁受沖刷裸露後之耐震行為,藉由雙砂箱剪力盒與振動台實驗,檢視橋柱與樁基礎之需求容量關係。實驗設計係參考公路橋梁耐震設計規範補充研究完成,提供合理之結構週期與柱、樁彎矩強度比。試體包含I型加勁鋼梁、U形鋼帽梁、構架式圓形鋼管橋墩、方形鋼基礎版、及鋁製空心圓管樁。支承條件採用橡膠支承模擬鉸接端,滾接端則以滾珠支承模擬。實驗規劃分為固定基礎及基礎裸露兩類,固定基礎者係將鋼基礎版鎖固於振動台面,且其下無樁基礎;基礎裸露者乃將鋁樁鎖固於砂箱剪力盒底部,並以相對密度50%之乾性石英砂逐層蓋覆。實驗主要參數以樁徑之倍數代表沖刷深度,符號系統分別以H、R、D說明鉸接端樁基礎、滾接端樁基礎、及樁徑,共計H0D-R0D、H0D-R3D、H3D-R3D、H3D-R6D、H6D-R6D等5組。輸入地表加速度歷時包含El Centro地震、集集地震TCU076測站及與規範反應譜相符之人造地震歷時,最大地表加速度範圍為100gal至350gal。實驗過程主要紀錄結構及土層之加速度與位移反應,並由樁身與柱底之應變計可間接求得其於振動過程中之彎矩與位移曲線函數,提供需求容量比(D/C ratio)之檢核。
實驗結果顯示,固定基礎之橋柱須能承擔較高的彎矩需求容量比,相較於基礎裸露者為一保守的設計條件。隨樁基礎裸露程度增加,結構顯著週期亦增加,大梁加速度則恰成相反,但大梁位移因與反應譜特性相關而無固定趨勢。相同地震作用下,當樁基礎裸露增加後,樁體最大彎矩發生位置越趨朝樁底方向移動,並非位於樁頂。如根據柱、樁彎矩之需求容量比檢討橋梁安全時,樁體彎矩比值之變化較小,但仍受地震特性影響須個案檢討,惟柱身彎矩比均呈現下降。如根據柱、樁之變形檢討橋梁安全時,橋柱相對位移放大趨勢則較樁明顯,應與基礎裸露後基礎版之旋轉貢獻有關。整體而言,當基礎裸露之橋梁受地震作用時,宜整體檢視柱、樁破壞模式轉移現象,尤以樁體彎矩及橋柱相對位移為檢查重點。
本研究另參考公路橋梁耐震評估與補強準則,建構橋梁分析模型探討含土壤彈簧模型之結構週期。初步結果顯示,無基礎裸露者之分析週期與實驗週期相近,但隨裸露程度增加則不盡理想,未來宜針對土壤性質適度模擬,以期許對全橋受震反應獲得合理與準確的評估。
關鍵字 多重災害, 振動台, 樁基礎, 沖刷效應, 土壤結構互制, 土壤彈簧
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