第五章 美、歐、日性能設計準則比較探討
2. 安全性能評估用地震
以 Caltrans 決定的最大可能地震（Maximum Credible Earthquake, MCE）為考量基準，此等級相當於 1000~2000 年回歸期的地震，
此類地震在橋梁使用期間發生的機率相當低。
於分析方法上，該報告引進非線性靜力分析方法來確定橋梁的倒 塌機制與耐震能力，而針對非線性動力分析僅有定性的條款，沒有實 施細則。對韌性橋柱採用極限強度設計法，其他構件設計細則亦有相 關規定。由以上規定的內涵來看，ATC-32 已初步具有以結構性能為設 計基準的規範雛形。
表 5-1 ATC-32 新設橋梁的設計目標
地震等級 性能水準
普通橋梁 重要橋梁
使用性能評估用 地震
允許產生不影響交通 性能的可修復損傷
允許產生不影響交通 性能的最小限損傷 安全性能評估用
地震
允許產生須限制交通 性能的重大損傷
允許產生不影響交通 性能的可修復損傷
1997 年 ， 美 國 國 家 地 震 工 程 研 究 中 心 （ National Center on Earthquake Engineering Research, NCEER） 與 聯邦高速公路總局
（FHWA）贊助執行的 ATC-18 [ATC-18，1997[21]]成果報告出爐，該報告針 對高速公路橋梁設計，比較國內外設計實務、基準、理念，並建議未 來規範之發展方向，其中亦包括 ATC-32 相關訊息。ATC-18 建議未來 橋梁耐震設計規範朝向性能設計發展，最主要的內容是兩個等級的設 計理念，包括：
1. 區分普通橋梁與重要橋梁於兩等級設計地震下之設計目標（類似表 5-1）。
2. 使用性能評估用地震等級：橋梁使用期間的超越機率為 30〜50%；
安全性能評估用地震等級：橋梁使用期間的超越機率較低，例如，
重要橋梁使用期間 100~250 年內超越機率為 10%。
3. 使用性能評估用地震等級對應之兩性能水準：普通橋梁可能限速限 載通行；重要橋梁（可能於數小時內目視檢測後）幾乎可以立即通 行。
4. 損壞發生於可見位置。
5. 結構系統的兩性能水準對應結構構件之三個性能水準：小損傷、可 修復損傷、嚴重損傷。
6. 建議針對高地震發生區之重要橋梁，採用兩等級設計流程：以低地 震等級下之彈性設計原理，確保無損傷；以高地震等級下基於變形 的非線性靜力側推分析來了解強度與勁度需求。
7. 反應譜：考慮場址效應、高阻尼彈性反應譜、非彈性反應譜。
8. 關鍵構件不允許發生脆性破壞。
9. 兩等級基礎設計：確認兩等級地震下，基礎土壤之反應不會對所支 撐的結構物產生負面影響。此類分析可能包括：土壤液化
（liquefaction）、側向擴展（lateral spreading）以及邊坡失穩（slope instability）潛能；埋設牆體之動土壓力（dynamic earth pressures）； 土壤結構互制（soil-structure interaction）；基礎之上揚（uplift）與 搖擺（rocking）。
1998 年，ATC 與 MCEER（原 NCEER）聯合承攬由 AASHTO 贊 助之計畫 NCHRP（National Cooperative Highway Research Program）
project 12-49，發展一套與 AASHTO 的 LRFD 橋梁設計規範相符之高 速 公 路 橋 梁 耐 震 設 計 新 規 範 條 文 ， 於 2003 年 發 表 成 果 報 告 MCEER/ATC-49 [ATC-49，2003]，主要內容包括：
1. 新的地震危害圖。
2. 新反應譜。
3. 設計地震與性能目標(類似表 5-1)。惟兩等級地震分別對應：使用服 務性地震 50%75，最大考量地震 MCE=3%75，隱含設計使用年限 為 75 年。
4. 液化評估。
5. 鋼橋耐震設計要求。
6. 設計概念。
7. 其他系統與構件使用。
8. 容量震譜法。
9. 位移容量校核分析。
10. 成本比較。
此報告是後續 AASHTO LRFD 橋梁設計規範更新耐震設計相關內 容之重要依據。
AASHTO 制定的公路橋梁標準規範 自從 1931 年頒行第一版以 來，平均每四年修訂一次。到 2002 年已發行到第 17 版，設計觀念及 方法也隨時間演進。從 1931 至 1970 年間，此套標準規範採用的設計 概念是工作應力設計（Working Stress Design, WSD）。自 1970 年開始，
為了在設計考量上能更實質的反應載重之變異性，引進“載重因子法＂
（Load Factor Design, LFD）的設計觀念。1970 年開始至現在事實上是 WSD 與 LFD 並存之規範。除此之外，AASHTO 於 80 年代組織了一 個研究委員會，對其標準規範之設計及理念進行整體檢討，並參酌國 際上相關規範的發展方向後，於 1987 年確定另行發展一套全新的、以 載重及阻抗設計法為基礎的橋梁設計新規範 LRFD。此規範並已於 1994 年發行第一版，之後於 1998、2004、2007、2010 更新，至今，此套 LRFD 的橋梁設計規範已經發行到第五版。
第 17 版的 AASHTO 公路橋梁標準規範以及第三版的 AASHTO LRFD 橋梁設計規範相關耐震設計之條文，雖然對中小地震以及大地 震作用下橋梁的使用性能以及安全性能作了定性的規定，仍均主要沿 用 ATC-6（1981）的研究成果，採用以力為基準之設計方法。由於之 後的耐震設計理念逐漸導向以位移為基準的性能設計法，耐震設計策 略也不再僅限於以橋柱產生塑鉸來消能，根據這些研究，美國已有一 些研究報告或各州獨立發展之橋梁耐震設計規範，針對現行 AASHTO 橋梁耐震設計規範進行大幅改進，如前述 NCHRP12-49，加州的耐震 設計規範（Caltrans Seismic Design Criteria, 2004），南卡羅來納州 SCDOT 的 Seismic Design Specifications for Highway Bridges（2002），
以及其他相關研究等等。故 AASHTO 橋梁和結構小組委員會（AASHTO Subcommittee on Bridges and Structures ） 乃 委 託 TRC/Imbsen &
Associates, Inc. 整合上述文獻，完成 NCHRP project 20-07/Task 193 之
“Recommended LRFD Guidelines for the Seismic Design of Highway Bridges”，再經工程師試用與開放討論後又進行陸續修正，最後於 2009 年頒布第一版橋梁耐震設計規範 AASHTO Guide Specifications for LRFD Seismic Bridge Design。
除了新設橋梁以外，性能設計理念亦被用於既有橋梁之耐震性能 評估與補強。美國聯邦公路總署 FHWA 於 2006 年出版「Seismic Retrofitting Manual for Highway Structures: Part 1–Bridges」，考慮兩種 地震危害層級（低、高），針對兩種重要性（一般、重要）與三種使 用年限（ASL1、2、3）之橋梁建立性能目標（表 5-2）。其中，四個 性能水準說明如下：
1. 性能水準 0（PL0）：沒有最低限制。
2. 性能水準 1（PL1）：限制通行。地震中結構可能產生嚴重損壞，交 通亦受到影響而中斷，但是必須確保生命安全。橋梁在大地震後可 能需要改建。
3. 性能水準 2（PL2）：檢測通行。地震中結構可能產生輕微損壞，緊
急救災車輛可全線通行。橋梁在不影響或影響交通車流量程度最小 的情況下，應完成修復工作。
4. 性能水準 3（PL3）：全線通行。地震中結構無損傷，所有車輛可立 即通行。橋梁不需要修復。
表 5-2 FHWA 既有橋梁的補強設計目標
地震等級
重要度+預期使用年限（剩餘壽命)
一般 重要
ASL1 (0-15 年)
ASL2 (15-50 年)
ASL3 (>50 年)
ASL1 (0-15 年)
ASL2 (15-50 年)
ASL3 (>50 年) 低等級 50%75
=回歸期 100Y PL0 PL3 PL3 PL0 PL3 PL3 高等級 7%75
=回歸期 1000 Y PL0 PL1 PL1 PL0 PL1 PL2 註：(1)橋梁整個壽命期為 75 年；橋梁如位在良好的氣候環境中，或交通量低則使用年限
也可能超過 75 年；平均橋齡多超過 75 年之長跨橋不在此手冊使用範圍內。
(2)業主得視情況需要調整設計目標，例如：補強費用過高，則可嘗試降低補強標準；
亦可視需求提高標準。
在表 5-2 中，使用年限類別為 ASL3 的橋梁對應之補強設計目標等 同於達到新橋的標準。
將表 5-2 中地震等級由對應之工址設計反應譜量化，以譜加速度係 數之大小劃分為 I~IV 危害等級（Hazard Level，表 5-3），並搭配高等 級地震對應之各性能水準，可建立四種耐震補強設計類別，分別為 A 至 D 如表 5-4 所示，代表耐震補強需求之高低，A 類別為要求最低的 等級，不需要進行監測、評估、補強，D 類別則相反，需要最嚴格的 監測與評估方法及較高等級的補強方式，例如：類別 C 可能需要採用 非線性靜力側推容量震譜法、類別 D 可能需要採用非線性動態歷時分 析。
表 5-3 FHWA 地震危害等級
表 5-4 FHWA 耐震補強設計類別
地震等級
性能水準
PL0 PL1 PL2
I A A B
II A B B
III A B C
IV A C D
5.1.2 美國 AASHTO（2009）Specifications for LRFD Seismic Bridge Design
現階段耐震設計相關研究眾多，耐震設計理念逐漸導向以位移為 基準的性能設計法，耐震設計策略也不再僅限於以橋柱產生塑鉸來消 能，根據這些研究，美國已有一些研究報告或各州獨立發展之橋梁耐 震設計規範，針對現行 AASHTO 橋梁耐震設計規範進行大幅改進，如 TRB（Transportation Research Board）的 NCHRP12-49，加州的耐震設
計規範 Caltrans（2004）, 南卡羅來納州 SCDOT 的 Seismic Design Specifications for Highway Bridges（2002），以及其他相關研究等等。
故 AASHTO 橋 梁和結 構小組委員會（ AASHTO Subcommittee on Bridges and Structures）乃委託 TRC/Imbsen & Associates, Inc. 整合上述 文獻完成 NCHRP project 20-07 之”Recommended LRFD Guidelines for the Seismic Design of Highway Bridges”。該規範草案完成後，經工程師 試用與開放討論後又進行陸續最後修正，最後完整版 AASHTO Guide Specifications for LRFD Seismic Bridge Design 於 2009 年由 AASHTO 頒 布。
1. 性能目標