台灣之地理位置位於歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊交界帶，百萬年來菲律賓海板塊持續往歐亞大陸板塊擠壓，台灣島才得以誕生，但也因此島上地震活動頻繁，根據經濟部中央地質調查所公布之資料[1]，自1901年至2022年間，共發生103次較大災害的地震，其中以1999年921大地震(圖1(a))、2016年高雄美濃大地震(圖1(b))、2018年花蓮大地震(圖1(c))與2022年台東大地震(圖1(d))最為嚴重，在這些大地震的侵襲下，許多公路橋梁產生損壞，特別是位於斷層破裂帶附近的橋梁，且斷層破裂帶附近所測得的地表震動歷時，皆有顯著的近斷層地震特徵。


                                                 圖1 台灣著名地震後受損之橋梁照片

Phan等人[6]利用震動台研究近斷層地震對於傳統RC橋柱耐震行為之影響，測試結果顯示，相較於遠域地震，近斷層地震造成橋柱震後顯著較大的殘餘變位，如圖2(a)所示，圖2(b)與(c)顯示NF-1與NF-2試體於試驗結束後呈現顯著之殘餘變位。橋柱在近斷層地震作用下產生較大的殘餘變位，其原因為近斷層地震含有非對稱之高振幅速度脈衝，如圖3所示，造成橋柱單向較大之甩動，進而造成顯著之殘餘變位。


                         圖2  Phan等人完成近斷層地震對橋柱耐震行為影響之震動台試驗[6]

                                                 
                                                                   圖3 典型近斷層地震歷時[7]

日本橋梁震災的經驗顯示，震後的殘餘變位過大，將導致橋梁難以被修復，需拆除重建，因橋梁往往為兩地交通之樞紐，此將造成對交通運輸極大的衝擊，影響災區的復原以及社會的正常運作。本計畫之目的在於發展對抗近斷層地震的先進橋柱，確保近斷層地震下橋梁之安全性以及控制其殘餘變位(震後自復位)，以維持震後橋梁之服務性。為降低震後橋柱的殘餘變位，本計畫採用的方法為增加橋柱的後降伏勁度比(Kawashima等人[7]提出後降伏勁度比(a)大於5 %時，能有效降低橋柱殘餘位移，以此作為本計畫研究目標)，如圖4(a)所示，以開發新型鋼筋混凝土自復位橋柱(簡稱先進自復位橋柱)。在此橋柱設計中，縱向筋部分除了使用傳統竹節鋼筋之外，另透過配置加入了ASTM 416 Grade 1860 (MPa)之7線高強度鋼絞線，以此作為橋柱的彈性元件，高強度鋼絞線若維持不降伏，可使橋柱在地震力作用下，提供傳統縱向鋼筋降伏後之勁度，降低橋柱震後之殘餘位移，以及提升震後自復位之能力。雖然鋼絞線降伏應力高出傳統竹節鋼筋許多，在柱受大位移時仍可能降伏，因此利用膠帶纏繞鋼絞線，纏繞範圍為柱底向上延伸一段長度，如圖4(b)所示，以避免鋼絞線與混凝土之間產生握裹應力，進而降低鋼絞線之應力。本研究所使用的鋼絞線不施加拉預力，因此在橋柱受側向反覆載重下，鋼絞線會承受反覆之拉壓作用，故其錨定須控制受拉受壓之作動，為此特別開發適用之拉壓錨頭，如圖4(e)、(f)所示，將兩個拉力錨頭以對接形式，固定於擴大鋼板上，擴大鋼板之用途在於輔助混凝土承壓。


                                                        圖4 先進自復位橋柱

本計畫完成了先進自復位橋柱的反覆載重試驗，試驗結果顯示，使用無預力鋼絞線的橋柱試體，可使後降伏勁度比(a)自-0.3 %提升至6.4 %，如圖5所示，滿足了有效降低殘餘位移之標準[7](a>5 %)，說明了無預力鋼絞線的加入，可以有效地提升橋柱強度與後降伏勁度比，藉由後降伏勁度比的提升，來達到震後自復位之手段。預力用鋼絞線為目前市面上有大規模生產的鋼材中，標稱極限強度最高者，其極限應力可達1860 MPa，其相關配套施工方法與夾具皆為工程界所熟悉，因此具備低成本與實務可行性。除此之外，本研究所開發的先進橋柱，不於鋼絞線上施加預拉力，因此不需要施加預拉力所需設備與人工，相較於後拉預力自復位橋柱，可免除施加預力所產生的混凝土潛變問題。

           
                   (a)CCC試體                                             (b)CSC試體
                圖5 傳統橋柱試體與先進自復位橋柱試體之遲滯迴圈曲線

致謝

國科會計畫(編號108-2625-M-002-005-)提供本研究經費之補助，國家地震工程研究中心提供本研究試驗場地與人力支援，在此一併予以誠摯之感謝。

參考文獻

1. 中央氣象局。https://scweb.cwb.gov.tw/zh-tw/page/disaster
2. 林呈、孫洪福，「見證921集集大地震---震害成因與因應對策(上)」，民國八十九年
3. 黃炳勳、蔣啟恆、陳彥豪，「美濃地震台86線24號橋震後災害橋梁橫移復位介紹」，木水利 第四十四卷 第三期，民國一零六年
4. https://www.setn.com/News.aspx?NewsID=1179594
5. Phan, V., Saiidi, M., Anderson, J., & Ghasemi, H. (2004). “An exploratory experimental study of near-fault ground motion effects on reinforced concrete bridge columns.” Research Report.
6. Kalkan, E., & Kunnath, S. K. (2006). "Effects of fling step and forward directivity on seismic response of buildings." Earthquake spectra, 22(2), 367-390.
7. Kawashima, K., MacRae, G. A., Hoshikuma, J., and Nagaya, K. (1998). “Residual displacement response spectrum.” Journal of Structural Engineering, 124(5), 523–530.