0

0
1

文字

分享

0
0
1

南方澳大橋垮下來:認識懸吊拱橋的結構與斷橋緣由

科學月刊_96
・2019/11/23 ・2869字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 598 ・九年級

  • 文/周中哲|臺灣大學土木工程系教授兼工學院副院長,國震中心組長,美國加州大學聖地牙哥分校結構工程博士。
  • 文/林德宏|臺灣大學土木工程系博士生,國震中心助理研究員。

上(2019年10)月所發生的南方澳斷橋事件造成嚴重災情,而作為懸吊拱橋的南方澳大橋,到底結構如何設計?橋體本身又面臨了什麼樣的損毀與破壞?

橋梁是聯繫河川兩岸交通的主要媒介,因應各地環境的需求,橋梁的造型會有許多變化,相較於常見的梁橋,拱橋、斜張橋與懸吊橋更具美觀與力學巧思規劃。懸吊橋與斜張橋都是利用吊索將橋板及車載重量傳遞到塔柱,例如美國知名的金門大橋(Golden Gate Bridge)、新舊金山奧克蘭海灣大橋(New San Francisco-Oakland Bay Bridge)與臺灣社子大橋;而拱橋除一般傳統拱結構組成外,亦可利用吊索將橋板及車行載重吊掛至拱結構,例如關渡大橋及南方澳大橋等。

美國著名的地標金門大橋,利用吊索將重量傳遞到塔柱。圖/by Free-Photos@Pixabay
斷裂前的南方澳大橋,利用吊索將橋板及車行載重吊掛至拱結構。圖/by玄史生 @ wikimedia CC BY-SA 3.0, 連結

拱結構的力量傳遞

傳統建築結構中,拱為常見的建築型式,用於拱門、拱橋、拱頂與拱壩等,外觀通常上部為圓弧曲線,另可依不同的建築美觀需求設計成優美的弧線。傳統所使用的石材和混凝土等建築材料,雖能承受極高的壓力,但幾乎不能承受拉力,導致當橋梁設計面臨大跨度的需求時並不適用,需透過拱結構的力學傳遞方式加以避免與改善。

拱的結構除了美觀,也是透過設計將承受的力轉成適合材料的承力角度。圖/pixabay

拱的特殊之處在於為純壓力的結構,可將所承受的外部力量轉換為拱結構內各元件的壓應力,因此特別適用於無法承受拉力的材料。使用拱結構的結構體可以有很長的跨度,利用混凝土材料的受壓特性,或採用鋼造的拱減輕重量。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

拱橋的設計:拱肋、橋板、吊索、橋墩

圖/pxhere

拱橋為使用拱結構承重的橋梁,橋中央的部份高起,橋洞呈圓弧形,透過拱肋(即拱的主體)將橋梁和人車的重量,傳遞到兩側的橋墩,拱橋的支座同時要承受垂直及水平方向的力量,因此拱橋對基礎與地基的設計要求較高。

拱橋依橋面在拱肋位置的不同,分為橋面在拱上方的上承式拱橋,與橋面在拱肋中央及下方的中承式拱橋及下承式拱橋。前者的橋面自重及載重直接傳遞至拱肋後至基礎,後兩者則需透過鋼索等拉力桿件將重量吊掛至拱肋再至基礎。

註:橋樑基礎為橋梁最下部的結構,通常位於地基,頂端則連結橋墩。

懸吊拱橋破壞

此外,拱橋又分為單拱橋雙拱橋,兩者差異在於雙拱橋在橋梁兩側都有拱肋,可與橋面板共同抵抗車輛在橋面板單側所造成的力,防止橋面板旋轉掉落,可提供較多的車行空間;單拱橋則僅由橋面板下方箱型主梁抵抗車輛造成的彎矩,適用於車流量較少的位置。設計拱橋時依橋梁設計規範規定,需考慮靜載重、活載重(車載重)、地震力與風力等各項參數,使用的鋼材及吊索均需進行防鏽處理,亦需按時進行檢測作業,必要時更換鋼材及吊索。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

下圖(a)為懸吊拱橋示意圖,由拱肋、吊索、箱型主梁與橋墩所組成。如下圖(b)中所示,箱型主梁的自重及橋面上人車的重量,藉由多條吊索(如 A點)傳遞至拱肋(如 B點),對拱肋造成壓力,此力量再由拱肋傳遞至兩端的 C點,C點處能承受拱肋傳遞下來力量的構件包含橋面板與橋墩,此處橋墩承受垂直向下載重,箱型主梁承受水平軸拉力,形成自平衡的橋體結構體系。因此若其中一根吊索斷裂或兩端錨碇破壞,吊索便無法繼續將力量從主梁傳遞至拱肋,原先由此吊索所傳遞的力量就必須由其它吊索分擔。

圖:懸吊拱橋力量傳遞及破壞。(A)雙拱橋結構示意圖;(B)力量傳遞路徑;(C)主梁自重變形;(D)主梁斷裂掉落。

當橋梁設計贅餘度(安全度)考量較大時,其它吊索能分擔額外的力量,橋梁只會產生局部塌陷並不會整體崩塌,工程師有機會檢視及更換損毀的吊索或不具穩固功能的錨碇裝置;但當其它吊索無法承受多餘的力量或因時間環境因素(如銹蝕疲勞)造成每根吊索或錨碇強度降低,則會造成一系列破壞連鎖反應,吊索接續斷裂,拱肋因不再承擔吊索垂直力而回彈向上,拱底內縮靠近,箱型主梁因自重產生明顯變形,如上圖(c);但一般長跨度的懸吊拱橋結構體的主梁,在設計上無法承擔結構體本身載重造成的力量及變形,因此最終將如上圖(d)主梁從由最大彎矩處斷裂與拱肋自橋墩上掉落。

造成懸吊系統失敗的原因很多,吊索本身鏽蝕會是其中之一。圖/wikipedia

造成懸吊系統失敗的原因很多,可能來自於端部錨碇裝置的破壞、吊索本身鏽蝕造成的強度減少,或長期承受反覆載重造成的應力集中疲勞斷裂等。吊索本身的防鏽能力,除了施工前需特殊的表面加工處理外,長年使用的過程也必須小心維護。

1967 年時美國一座橫跨俄亥俄州河的鋼造銀橋(Silver Bridge)即因懸吊系統的連接器長期受反覆應力集中及鏽蝕疲勞裂縫,導致連接器破壞而崩塌。而美國的黑爾.博格斯紀念大橋(Hale Boggs Memorial Bridge)也曾在更換鋼索的過程,發現錨座內有大量積水,造成錨座與鋼索嚴重鏽蝕,所幸及時更換而未造成橋塌與傷亡事件。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

另外,位於新北市三芝區的三芝根德吊橋,於 2013 年發生的塌落事件中,發現保護層內部的鋼索已嚴重銹蝕,為防鏽層損壞使雨水與海濱鹽分滲入造成;而近日南方澳大橋的破壞事件,則可能起因於吊索及錨座的鏽蝕疲勞破壞和橋梁設計贅餘度不大所致。

結語

拱橋歷史已數千年,外觀造型美且結構穩定,懸吊拱橋透過巧思的設計,藉由多吊索傳遞載重至拱肋上,再與箱型主梁及橋墩形成自平衡的力學結構體系,而吊索則為橋結構重要力量傳遞構件。

美國官方公路與運輸協會(American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO)在橋梁的檢測手冊明訂吊索與主梁、拱肋同為最重要的上部結構體構件,不僅在施工時需小心保護,完工後亦需定期檢測、維護與保養,在必要時需進行更換作業,避免發生懸吊拱橋或懸吊橋的破壞。

延伸閱讀

  1. C. Chou, C.M. Uang, and F. Seible, Structural Testing of Orthotropic Steel Decks and a Skyway Reinforced Concrete Pier for the New SFOBB. Proceedings of the New San Francisco Oakland Bay Bridge and Taipei SheZi Bridge Seminar, Center for Earthquake Engineering Research, National Taiwan University, 2014.
  2. Mehrabi A., Stay Cable Replacement of the Luling Bridge, Louisiana Transportation Engineering Conference, Baton Rouge, 2009.
  3. AASHTO Publishes New Manual For Bridge Element Inspection, https://reurl.cc/XXLEO7.

〈本文選自《科學月刊》2019年11月號〉

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

 

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
科學月刊_96
249 篇文章 ・ 3700 位粉絲
非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

0

2
0

文字

分享

0
2
0
地震之島的生存法則!921地震教育園區揭開台灣的防災祕密
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/20 ・4553字 ・閱讀時間約 9 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

為什麼台灣會像坐在搖搖椅上,總是時不時地晃動?這個問題或許有些令人不安,但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計,台灣每年有 40,000 次以上的地震,其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日,花蓮的大地震發生後,台灣就經歷了超過 1,000 次餘震,這些數據被視覺化後形成的圖像,宛如台北101大樓般高聳穿雲,再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。

地震發生後,許多外國媒體擔心半導體產業會受影響,但更讓他們稱奇的是,台灣竟然能在這麼大的地震之下,將傷害降到這麼低,並迅速恢復。不禁讓人想問,自從 25 年前的 921大地震以來,台灣經歷了哪些改變?哪些地方可能再發生大地震?如果只是遲早,我們該如何做好更萬全的準備?

要找到這些問題的答案,最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館:國立自然科學博物館的 921地震教育園區。

圖:跑道捕捉了地震的瞬間 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

下一個大地震在哪、何時?先聽斷層說了什麼

1999年9月21日凌晨1點47分,台灣發生了一場規模7.3的大地震,震央在南投縣集集鎮,全台 5 萬棟房子遭震垮,罹難人數超過 2,400 人。其中,台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過,地面隆起2.6公尺,多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區,保留這段震撼人心的歷史,並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

車籠埔斷層保存館建於原操場位置,為了保存地表破裂及巨大抬升,所以整體設計不採用樑柱結構,而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成,外觀為曲線造型,技術難度極高,屬國內外首見,並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍,讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力,進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館,透過互動展示,讓參觀者親手操作,學習地震工程相關知識。

國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示,面積上,台灣是一個狹長的小島,卻擁有高達近4000公尺的山脈,彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史,從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震,到1999年的921大地震,都發生在台灣西部,與西部的活動斷層有密切關聯,震源位於淺層,加上人口密度較高,因此對台灣西部造成了嚴重的災情。

而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域,地震震源分佈更廣。與西部相比,雖然東部地震更頻繁,但由於人口密度相對較低,災情相對較少。此外,台灣東北部和外海也是地震多發區,尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶,至沖繩海槽向北延伸,甚至可能影響到台北下方,發生直下型地震,這種地震因震源位於城市正下方,危害特別大,加上台北市房屋非常老舊,若發生直下型地震,災情將非常嚴重。

除了台北市,蔣正興博士指出在台灣西部,我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響,該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外,我們也需要留意西南部的地震風險,如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部,因為存在眾多活動斷層,當然也需要持續注意。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

我們之所以擔心某些斷層,是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量,一旦達到臨界點,就會釋放,進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘,尋找過去地震的證據,如受構造擾動沉積物的變化,然後透過定年技術來確定地震發生的時間點,估算出斷層的地震週期,然而,這些數字的計算過程非常複雜,需要綜合大量數據。

挑戰在於,有些斷層的活動時間非常久遠,要找到活動證據並不容易。例如,1906年的梅山地震,即使不算久遠,但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難,更不用說那些數百年才活動一次的斷層,如台北的山腳斷層,因為上頭覆蓋了大量沉積物,要找到並研究這些斷層更加困難。

儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動,我們仍然可以預先對這些構造做風險評估,從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區,就是那個可以發現應變之道的地方。

圖:北棟教室毀損區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

921 後的 25 年

在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員,常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後,台灣進行的六大改革。制定災害防救法,取代了總統緊急命令。修訂了建築法規,推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍,在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產,增設了歷史建築類別,確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

最後,則是推行防災教育。黃英哲表示,除了在學校定期進行防災演練,提升防災意識外,更建立了921地震教育園區,不僅作為教育場所,也是跨部門合作的平台,例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作,進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址,讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力,最具可看性;然而除此之外,園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地,為未來的地震研究提供了寶貴的資源。

堪稱園區元老,在園區服務將近 19 年,主要負責日語解說工作的陳婉茹認為,園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化,如抬升的操場和毀壞的教室場景,讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力,尤其是對於年輕的小朋友,即使他們沒有親身經歷過,也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。

陳婉茹回憶,之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀,原本小朋友並不認真聽講,到處跑來跑去,但當他看到隆起的操場,立刻大聲說這他在課本看過,後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。

圖:陳婉茹在第一線負責解說工作 / 圖片來源:921地震教育園區

除了每看必震撼的地景,園區也透過持續更新策展,邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到,去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生,當時她儘管驚恐,依舊背著腿軟的學姊下樓,讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在地震體驗平臺的設計中,黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力,更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作,一樓展示區採用了時光機的概念,運用輕鬆、童趣的風格,希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片,讓遊客真實感受921地震的情境。她強調,這次展覽的目標是全民,設計上避免了血腥和悲傷的元素,旨在讓觀眾帶著正向的感受離開,並重視防災意識。

圖:地震體驗劇場 / 圖片來源:921地震教育園區

籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始,九月完成,為了迅速而有效地與設計師溝通,黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具,來加快與設計師溝通的過程。

圖:黃惠瑛與設計師於文件中討論設計/ 圖片來源:921地震教育園區

蔣正興博士說,當初學界建議在此設立地震教育園區,其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生,這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後,安朔葉教授立刻趕到台灣,認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點,建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年,在斷層館的展示更新中,便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。

此外,作為 20 週年的相關活動,今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄(MOU),強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀,感謝他不遺餘力,長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
右圖:法國巴黎居禮大學安朔葉教授。左圖:兵庫縣立人與自然博物館主任研究員加藤茂弘
/ 圖片來源:921地震教育園區

前事不忘,後事之師

盡力保存斷層跟受創校舍,只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示,921地震發生在車籠埔斷層,其錯動形式成為全球地質研究的典範,尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示,距離車籠埔斷層約100公尺內,住在上盤的罹難率約為1%,而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近,特別是上盤,是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動,這一數據清楚告訴我們,在上盤區域建設居住區應特別小心。

2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。

在921地震後,政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長,全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性,但台灣不同,斷層活動十分頻繁。例如 1951 年,米崙斷層造成縱谷地震,規模達 7.3,僅隔 67 年後,在 2018 年再次發生花蓮地震,這在全球是罕見的,也因此 2016 年劃設的地質敏感區,在 2018 年的地震中便發現,的確更容易發生地表破裂與建築受損,驗證了地質敏感區劃設的有效性。

圖:黃英哲表示曾來園區參訪的兒童寄來的問候信,是他認真工作的動力 / 圖片來源:921地震教育園區

在過去的20年裡,921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步,也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡,每一項展示,都在默默提醒我們,那段傷痛歷史並未走遠。然而,我們對抗自然的力量,並非源自恐懼,而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區,感受那因地震而隆起的操場,或是走過曾經遭受重創的教室,你會發現,這不僅僅是歷史的展示,更是我們每一個人的責任與使命。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

來吧,今年九月,走進921地震教育園區,一起在這裡找尋對未來的啓示,為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。

圖:今年九月,走進921地震教育園區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

延伸閱讀:
高風險? 家踩「斷層帶、地質敏感區」買房留意
「我摸到台灣的心臟!」法國地質學家安朔葉讓「池上斷層」揚名國際
百年驚奇-霧峰九二一地震教育園區|天下雜誌

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
208 篇文章 ・ 312 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia