4.2 初步設計之適宜性探討
1.設計方法
對於初步設計之部分，本研究第二章所提及之建議為按構造物 的耐震性能要求，先以最低之地震等級進行彈性分析及設計，決定 結構斷面尺寸與細部設計。此種方式無論設計工程師慣用何種舊有 設計法，皆可進行初步設計，因此在碼頭的初步設計方法上是較無 限制的。
本研究設計案例為重要度等級 B 之圓筒式碼頭，並選用擬靜力 之簡化分析進行初步設計。依據上述之設計原則，以等級 I 之地震力 進行初步分析，結果顯示符合其所規定之要求，可進行設計尺寸之 採用。反之，若選用重要度等級為 S 之碼頭構造物，則須以等級 II 之地震力進行初步分析，直至符合其所規定之要求，方可停止。
2.相關設計參數之影響
在進行設計時，材料參數之變異影響相當重要，特別是土層參 數，本研究建議可採張德文(2012)所提出之方法，將土層參數 N 值分 別增減 20%以探討其耐震性能分析差異，若差異影響大，則對於土 層參數之設定需特別謹慎。
4.3 案例分析方法適宜性探討
本研究針對 B 級圓筒式碼頭設計所需之簡化分析、簡化動力分 析、與非線性動力分析進行完整之案例分析(詳第三章)，分析結果顯示 以證明本研究耐震性能設計的可行性。唯分析過程中尚有部分細節值 得後續進行研究及討論，分述如下：
1.簡化分析法
在等級 I 地震性能驗證檢核時，使用簡化分析法。簡化分析法根 據國際航海協會港灣構造物耐震設計準則，採用基於力平衡概念的
擬靜力分析法，其基本原理係將構造物與承載土壤視為剛體，計算 結構抵抗實際發生之地震具有之耐震安全係數，故分析結果僅只能 獲得安全係數之值，而無法確切得知性能要求所提及之滑動位移量 及傾角，因此，在等級 I 地震性能驗證檢核時，若安全係數大於 1 時，
將結構物視為穩定故無變位發生。
圓筒式碼頭係由鋼板樁與回填料等組成，除依照國際航海協會 所提及之安全係數分析計算外，本研究建議將國內港灣構造物設計 基準之鋼板樁最大彎矩、鋼板樁貫入深度與鋼板樁間拉力等檢核與 之結合，以提供更為周全之分析計算方式。
2.簡化動力分析法
在等級 II 地震性能驗證檢核時，所使用之簡化動力方法為滑動 塊分析法，本法依據 Newmark（1965）所提出之永久位移量之分析 方法。其永久位移量之決定係以滑動塊(沿破壞面方向延伸所形成之 楔型塊體)受到地震加速度值超過臨界滑動加速度時，其滑動塊將會 產生永久位移量。因此臨界滑動加速度對此法來說，是相當重要之 參數。然而，臨界加速度值對於土層是否液化及其液化之程度影響 相當地大，意即對於圓筒式碼頭來說，其回填土之材料特性將扮演 重要的角色。
而就現階段國際航海協會對圓筒式碼頭訂定之性能可接受標 準，位移檢核有明確的定量規定，但對於構件是否超過韌性容量卻 無法檢核，針對分析方法上確實存在其檢核之難處。另外，亦可將 滑動塊分析與非線性動力分析之分析結果進行比較，這樣的方式可 提供設計者對於設計例之破壞行為的掌握。
3.非線性動力分析法
等級 III 地震性能驗證檢核時，使用非線性動力分析法。本研究 FLAC 程式進行有效應力分析，同時為考量實務上設計可能遭遇之地 層之分層，本研究採用實際鑽探資料進行地層分層，因此分析案例
具有多層不同材料之地層。由於在動態分析時需考慮能量的損失，
故 必 須 給 定 力 學 阻 尼 ， 本 案 例 分 析 時 採 用 雷 利 阻 尼 (Rayleigh damping)，其包含質量阻尼和勁度阻尼。臨界阻尼比對於大地工程材 料已有建議值(一般為 2%~5%之間)，然而共振頻率輸入參數之決 定，對於實務上較複雜之土層，其共振頻率之決定仍為不易，未來 或許可透過參數研究的方式訂定出共振頻率值。
4.4 簡化動力分析對於土壤液化之影響探討
由於第三章之土壤液化評估結果，於等級 II 地震下已有部分土層產 生液化，在進行簡化動力分析時，應考慮土壤液化之影響，故本研究依 據公路橋樑耐震設計規範，判定可能產生液化之土壤應將其土壤參數進 行折減，而有無考慮土壤液化影響之重要性，由表 4-2 可以觀察出兩結 果差異甚大，故進行簡化動力分析時，必須考慮液化土層之影響。
表 4-2 設計例簡化動力分析有無考慮液化影響之比較
等級 II 地震 考慮土層液化影響 無考慮土層液化影響
臨界加速度 0.034g 0.142g
第 1 組歷時分析
永久水平位移 60.4 cm 1 cm
第 2 組歷時分析
永久水平位移 102.9 cm 0.2 cm 第 3 組歷時分析
永久水平位移 47.6 cm 1.9 cm
4.5 滑動塊體法與非線性動力分析結果之比較
由表 4-3 可知，三組非線性歷時分析的最大位移反應，等級 II 地 震之分析結果位移量為 139~142cm，其位移量約較滑動塊體法所得結 果高，換言之，若採用非線性歷時分析結果作碼頭性能驗證是較為嚴 格的；而單就結構構件之檢核的分析方法上，目前亦僅能以非線性動
力分析之結果為檢核之依據。
在遭受同一等級地震力之情況下，其破壞位移量並非相同，此一 現象顯示，雖然三組人造地震之尖峰加速度相同，但地震歷時波的特 性隱含不同的能量大小，因而有不同的分析結果產生。
表 4-3 圓筒式碼頭設計例滑動塊與動力分析之位移反應比較
等級 II 地震 Newmark 滑動塊體法 非線性動力分析 第 1 組
碼頭面永久水平位移 60.4 cm 142 cm 第 2 組
碼頭面永久水平位移 102.9 cm 139 cm 第 3 組
碼頭面永久水平位移 47.6 cm 139 cm
4.6 非線性動力分析適宜性探討
圓筒式碼頭其功能為承受碼頭之加載載重，抵抗背後之土壓力、
內外之水壓力及船舶之撞擊力、拉力等。在地震作用時，為了更精確 探討圓筒式碼頭之鋼板樁、內填料和背填土壤受地震加速度作用下之 影響，多利用數值分析法模擬土壤-結構等結構互制的非線性動力行 為。目前數值分析法對土壤材料力學行為模擬大致可分為二種，分述 如下：
1.總應力分析法
總應力分析法考慮土壤之材料組合律係建立於總應力與應變之 間的關係，因此，若土體內發生應變改變只會改變總應力，卻不能描 述土體內有效應力的改變；既然不能描述地震過程中土體內有效應力 的改變，自然亦不能計算地震過程中孔隙水壓的變化。
2.有效應力分析法
有效應力分析法考慮在動態剪應力作用下，土壤材料孔隙水壓
隨地震動態剪應力作用下之提昇，土壤在反覆剪應力作用下有收縮 之趨勢，但在飽和同時不排水條件下，體積因為受到限制無法改變，
間接造成孔隙水受壓因而水壓上昇。倘若土壤之材料組合律建立於 有效應力與應變之間的關係，在動態剪應力作用下，有效應力之變 化也意味著土體內孔隙水壓的變化。因此，若能在數值應力分析中 納入以有效應力為基礎之組合律，則可望在有效應力動態分析中得 知碼頭土體內孔隙水壓分佈、有效應力分佈與變形分佈等。
由於土壤內之有效應力代表土體所承擔之平均應力，加上飽和 土體內部孔隙水所承擔之孔隙水壓，一起承擔土體所承受之總應 力。然而因為孔隙水不能承受剪應力，因此土壤之力學行為受有效 應力有絕對影響。因此圓筒式碼頭非線性動力分析若應考慮有效應 力和孔隙水壓力，故有效應力分析法較能符合實際情形。
本研究於非線性動力分析採用美國 Itasca 公司所發展之 Fast Lagrangian Analysis of Continua,FLAC2D程式。FLAC2D程式也是目前 業界廣泛使用之程式之一，因此在實務上以 FLAC 程式進行圓筒式 碼頭耐震性能設計應無窒礙難行之處。唯有效應力分析法需考慮孔 隙水壓力激發模式，而本研究採用 FLAC2D程式內嵌之 Finn 模式。
由於分析模式均需輸入合理且適宜之參數，在調查、規劃、初步設 計與詳細設計階段時，受限於分析參數之可取得性，對於分析結果 可能會有影響，因此對於分析參數之訂定方式若有更明確之規範依 據，則有效應力分析法之分析結果則可更具一致之代表性。