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用积木盖桥墩──颠覆传统的仿生预铸桥墩系统

2020-07-24
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用积木盖桥墩──颠覆传统的仿生预铸桥墩系统

台湾高山林立,山区快速公路经常穿过群山峻岭与急湍深谷,必须兴建高桥墩高架桥。由于这些公路多位于山岳地带及生态保护区域内,在生态保育及施工条件的考量下,「预铸节块桥墩系统」便成了最佳选择。

国家实验研究院地震工程研究中心(国震中心)研发出「新型仿生积木式预铸桥墩系统」,藉由「人体脊椎」与「积木堆叠」概念,开发出模组化、轻便,可快速施工,对环境低冲击性的新型工法,未来可望成为国内桥梁设计、分析及施工的全新里程碑。

用积木盖桥墩──颠覆传统的仿生预铸桥墩系统

传统高桥墩採现场浇注混凝土的施工方式,有施工困难、危险性高、混凝土灌浆作业会对环境造成冲击等问题;因此在环境敏感区,已多建议採用「预铸节块桥墩系统」,即事先在预铸厂中铸造好一块一块的桥墩节块,运至工地后堆叠起来,成为桥墩,并透过穿越节块的钢腱,在桥墩顶部与底部之间施加强大的「预力」,将节块夹紧,以节块之间的摩擦力抵抗地震引致之水平剪力。然而强大的预力会使桥墩在地震未发生时,即长期承受过大压力。

此外,现有的预铸节块系统只能一层堆叠一块节块,为配合桥墩的大断面需求,单一预铸节块之块体容易过大,需仰赖大型机具运送与吊装安置,将节块从预铸场搬运到桥梁工地现场所受到的交通限制也较高。

脊椎型剪力榫,消能减振效果更好

国研院国震中心参考人体脊椎结构,在预铸节块下方加装钢製剪力榫,可插入下面一块节块上方的凹洞中,互相卡住,藉此方法避免地震力的横向剪力造成节块横向错动。如此可以减轻在桥柱顶部与底部之间施加的预力,降低桥墩所承受之压力;此外,由于钢製剪力榫与下方节块的凹洞并非完全卡死,万一发生地震时,节块可稍微开合,因而削减地震力,减轻地震力对桥墩的破坏而提高安全性。地震停止后,预力钢腱又会把各个节块拉回原来的位置。

用积木盖桥墩──颠覆传统的仿生预铸桥墩系统

小尺寸单一规格节块,生产更有效率,紧急救灾施工新利器

然而这种新型预铸桥墩却并未解决块体过大而仍会对环境造成间接破坏的问题,因此,国研院国震中心进一步开发出「积木堆叠」型的新式预铸节块。一般预铸节块是在预铸厂中铸造出与桥墩面积相同的节块,必须依桥墩实际型式与尺寸客製化製造;国研院国震中心研发的「新型仿生积木式预铸桥墩系统」,是製作小尺寸的节块,像积木一样堆叠成大尺寸的桥墩,如此预铸厂仅需製作单一规格之节块,不但可降低製造成本,也可使节块的生产更有效率。且由于设计之预铸节块块体较小,便于运输,可缩减施工便道範围,减少对环境的冲击。此方法还有另一大优点,就是平时即可事先生产一定数量之小尺寸节块,储存于适当场所,当发生灾害时,可立即运至受灾区,用于快速搭建便桥,加快救灾脚步。

用积木盖桥墩──颠覆传统的仿生预铸桥墩系统

具螺纹的剪力榫和节块为分离的构件,所以预铸之节块可保有 6 个平整面,方便平时堆积收存。进行组装前再将剪力榫旋进节块的预留孔,使节块成为下方具两个剪力榫和上方具两个凹洞的积木式节块。

「新型仿生积木式预铸桥墩系统」已完成性能试验,验证其易施工与耐震两大特性。依据实验结果,国震中心开发之预铸桥墩系统可抵抗的地表加速度和传统桥墩相比,可提高为 1.2 倍,以高度 8.5 公尺的桥墩为例,可承受之墩顶位移量增加 17 公分。

用积木盖桥墩──颠覆传统的仿生预铸桥墩系统

已获多国专利,桥梁施工新里程碑

国研院国震中心藉由「人体脊椎」与「积木堆叠」概念,开发出的「新型仿生积木式预铸桥墩系统」,极具前瞻性与创新性,已获得日本、美国与中华民国的发明专利。国震中心未来将把此研究成果编撰成施工準则及分析与设计参考手册,并开发相关设计分析程式,以推广此研究成果至政府及相关工程顾问公司,让国内桥梁设计、分析及施工迈入一个全新的里程碑!