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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。

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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。

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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。

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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〉

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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