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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 ・2871字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 598 ・九年級

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  • 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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為什麼越累越難睡?當大腦想下班,「腸道」卻還在加班!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/30 ・2519字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文與  益福生醫 合作,泛科學企劃執行

昨晚,你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎?這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾,甚至在腦海中數了幾百隻羊,大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程,讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。

皮質醇:你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

要理解失眠,我們得先認識身體的一套精密防衛系統:下視丘-垂體-腎上腺軸(HPA axis) 。這套系統原本是演化給我們的禮物,讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時,能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動,腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙),這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性,讓我們在危機中保持清醒 。

然而,現代人的「劍齒虎」不再是野獸,而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。

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在理想的狀態下,人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後,身體會進入「修復模式」,此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點,讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素(Melatonin)接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號,它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素(Orexin)神經元,幫助大腦順利關閉覺醒開關。

對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態 / 圖片來源:envato

然而,當壓力介入時,這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出,長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化,使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌,更會讓食慾素在深夜裡持續活化,強迫大腦維持在「高覺醒狀態(Hyperarousal)」。 這種令人崩潰的狀態就是,明明你已經累到不行,但大腦卻像停不下來的發電機!

長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升,而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸,分泌更多皮質醇來試圖消炎,高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期(REM),導致睡眠品質變得低弱又破碎,最終形成「壓力-發炎-失眠」的惡行循環。也就是說,你不是在跟睡眠上的意志力作對,而是在跟失控的生理長期鬥爭。

從腸道重啟好眠開關:PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

面對這種煞車失靈的失眠困局,科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系:腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」,而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便,更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話,直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」(Psychobiotics)。

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腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」/圖片來源:益福生醫

在眾多研究菌株中,發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發,累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」(First Night Effect, FNE),也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難,俗稱認床。科學家在進行實驗時發現,補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期(NREM)的睡眠長度,且入睡更快,起床後也更容易清醒。更重要的是,不同於常見的藥物助眠手段(如抗組織胺藥物 DIPH)容易造成快速動眼期(REM)剝奪或導致睡眠破碎化,PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力,它能有效縮短入睡所需的時間,並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。

科學家發現,即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理(Heat-treated),轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」(Postbiotics),其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點,讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。

在臨床實驗中,科學家觀察到一個耐人尋味的現象:當詢問受試者的主觀感受時,往往會遇到強大的「安慰劑效應」,無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人,主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相,讓人分不清是心理作用還是真實效益。

然而,客觀的生理數據(Biomarkers)卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後,實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人(84.6%)出現了夜間褪黑激素分泌增加,且壓力荷爾蒙(皮質醇)顯著下降,這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統,而不僅僅是心理安慰。

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最值得關注的是,對於那些失眠指數較高(ISI ≧ 8)的族群,這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後,不僅生理標記改善,連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間,以及焦慮感也出現了顯著的進步。

了解更多PS150助眠益生菌:https://lihi3.me/KQ4zi

重新定義深層睡眠:構建全方位的深夜修復計畫

睡眠從來就不只是單純的休息,而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠,關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。

這套系統的基石,始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境,到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統,並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現,身體便能更順暢地啟動睡眠開關,回歸自然的運作節律。

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與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持,每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始,為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。

與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通 / 圖片來源 : envato

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肺部為何會「結疤」?揭開比癌症更致命的「菜瓜布肺」,科學家如何找到破解惡性循環的新契機
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/05/08 ・2041字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 肺纖維化(菜瓜布肺)社團衛教 合作,泛科學撰文

在現代醫學的警示清單裡,乳癌、大腸癌這些疾病大家都不陌生;但有一個「隱蔽且致命」的威脅卻常被忽視,那就是「肺纖維化」。其中最常見的類型「特發性肺纖維化」(IPF),其預後往往不太樂觀,確診後的五年存活率甚至比許多常見的癌症還低。

首先,我們得先破解一個迷思:肺纖維化並不是單一疾病,而是許多種間質性肺病的共同表現。當我們聽到「肺纖維化」,腦中常浮現「菜瓜布肺」的形象,患者的肺部外觀充滿一個個空洞與疤痕,像極了乾燥的絲瓜。這精準描繪了肺部組織逐漸硬化、失去彈性的過程。

更重要的是,IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性,一旦形成就很難逆轉。這跟部分 COVID-19 康復者身上、仍有機會復原的肺纖維化,是兩種完全不同的概念。

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IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性,一旦形成就很難逆轉 / 圖示來源:shutterstock

肺部為何會變成「菜瓜布」?

為什麼好端端的肺會變成菜瓜布?這其實是一場身體修復機制失控的結果。

「纖維化」的組織,就是肺部間質組織(interstitium)的疤痕化。間質是圍繞在肺泡周圍,包含血管與支持肺部結構的結締組織。在正常情況下,肺部損傷後會啟動修復機制,並再生健康組織。但在肺纖維化的患者體內,這套修復機制卻「當機」了。

身體會不斷地發出訊號,導致負責修復工作的「纖維母細胞」(fibroblasts)被過度活化,進而失控地沉積膠原蛋白疤痕組織,最終在肺部形成永久性的纖維化。

科學家發現,這個過程之所以棘手,在於它是一個「惡性循環」,肺部同時存在著「發炎反應」與「纖維化」這兩條路徑 ,它們相互加乘,演變成難以阻斷的強大破壞力。

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雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ,但已知某些特定族群的風險更高。例如抽菸,特定年齡與性別(50歲以上男性)、長期暴露於粉塵環境的工作者(農業、畜牧業、採礦業…)、胃食道逆流者。此外,患有自體免疫疾病(如類風濕性關節炎、乾燥症、硬皮症、皮肌炎/多發性肌炎,)的患者,他們併發肺纖維化的機率遠高於一般人,必須特別警覺。

雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ,但已知某些特定族群的風險更高。/ 圖示來源:shutterstock

打斷惡性循環的挑戰,為何只對抗「纖維化」還不夠?

面對這個不可逆的疾病,醫學界長年束手無策,直到 2014 年才迎來一道曙光。美國 FDA 批准了兩種機制不同的新藥:Nintedanib 和 Pirfenidone。這兩種藥物的出現是治療史上的分水嶺,首度被證實能夠「延緩」IPF 患者肺功能的惡化速度。

然而,這場戰役尚未結束。現有的治療雖然帶來了希望,卻也凸顯了「未被滿足的醫療需求」。從機制上來看,這些藥物主要抑制的是「纖維化路徑」。

這讓科學界開始思考這個未被滿足的棘手問題:既然疾病的本質是「發炎」與「纖維化」的雙重打擊,那麼,我們是否能找到「同時抑制」這兩條路徑的全新策略,從而更有效地打斷這個惡性循環?

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找到同時調控「發炎」與「纖維化」的新靶點

為了解決難題,科學家將目光鎖定在一個細胞內的酵素:磷酸二酯酶 4B(PDE4B)

為什麼鎖定它?讓我們看看它的「雙重作用」機制:

  1. 關鍵位置: PDE4B 同時存在於免疫細胞(與發炎有關)與纖維母細胞(與纖維化有關)當中。
  2. 作用機制: PDE4B 的主要工作是降解細胞內一種叫 cAMP(環磷酸腺苷) 的訊號分子。cAMP 可以被視為細胞內的「穩定信號」。
  3. 雙重抑制: 當我們使用藥物抑制了 PDE4B 的活性,細胞內的 cAMP 就不會被分解,濃度會隨之升高。高濃度的 cAMP 能穩定免疫細胞和纖維母細胞,同時產生抗發炎抗纖維化的雙重效應。

簡單來說,鎖定並抑制 PDE4B,就像是同時抑制了免疫風暴與纖維化的工程,有望從雙從抑制打擊這個惡性循環。

全球臨床試驗帶來的新希望

近十年來,全球在肺纖維化領域投入了大量的臨床試驗,我們相信,在科學家逐步破解肺纖維化惡性循環的複雜難題後,期盼未來能為無數患者爭取到更安全、健康的生活與未來。

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最後,我們必須再次提醒,特發性肺纖維化(IPF)與漸進性肺纖維化(PPF)是極具破壞性、且不可逆的疾病。面對這個比癌症更致命的對手,雖然現有的治療手段能延緩惡化,但無法逆轉已經形成的肺部疤痕組織,因此「早期診斷、早期治療」仍是對抗肺纖維化最重要的黃金時刻。

必須再次提醒,特發性肺纖維化(IPF)與漸進性肺纖維化(PPF)是極具破壞性、且不可逆的疾病。/ 圖示來源:


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