安全臨界頻率之水工試驗 .1 試驗目的

本計畫水工試驗的目的計有:

1.量測縮尺模行之臨界頻率並比較橋梁在沖刷前後於帽梁 (墩柱)之頻率變化趨勢。

2.量測樁基礎橋梁之沖刷深度之分佈。

3.量測動水壓之分布並作為後續SAP2000決定需求之參考。

上述試驗目的中，有些是為了瞭解沖刷深度與振動頻率間的 關係(如第一點)，有些則是為了後續分析之需要，例如水流速之 分布 將作為SAP2000側推分析時，計算各橋墩(同一個振動單元) 側向推力之參考。側推分析時(決定耐洪臨界頻率)，需要計算個 橋墩之側向力之分布與橋墩間最大側向力之相對比值，根據規範 規定，動水壓為流速之函式，因此，一旦各橋墩的相對流速值決 定後，其側向推力的相對值也可同時決定。

3.3.2 試驗設計

台 大 水 工 所 之 多 功 能 水 槽 之 操 作 原 則 為 藉 由 控 制 上 游 流 量 與下游的尾水板，調整所需的水位與流速。以100重現期為例，蘭 陽大橋的流量為8500cms，流速為2.27m/s。以下說明試驗相關事 項。

100 年頻率洪水，根據上述原則，蘭陽溪100年重現期之洪峰流量 為8500cms，經適當計算試驗部分之比例後(如1/3)，則於多功能水 槽之流量為0.364 (cms)。本試驗將依上述計算方式，分別針對200、

100與50年重現期洪水之流量進行試驗。

(2) 試驗時之水流速

蘭陽大橋100重現期之平均流速為2.27m/s，則試驗時所對應 的流速為2.27/6=0.378m/s。本試驗將依上述計算方式，分別針對 200、100與50年重現期洪水之流速進行試驗。

(3) 試驗時之水位高

蘭陽大橋100重現期之水位高為9.3公尺，其對應之試驗水深 為約為26公分，如同流量之設計，本試驗將分別針對200、100與 50年重現期之水深進行試驗。

(4) 試驗橋梁模型

目前研究的橋型設定為簡支、單一墩柱與具有樁基礎之橋梁，

試驗所使用的壓克力橋梁如圖3.23所示。

圖 3.23 試驗所使用的壓克力橋梁

(5) 試驗水槽

本 計 畫 租 借 國 立 台 灣 大 學 水 工 試 驗 所 之 多 功 能 水 槽 進 行 試 驗。此水槽長36 m、寬1.0 m、高1.1 m，其上游端為整流池，下游 端的沈砂池，水槽中之水位尾的控制係藉由尾水段末端之百葉式 閘門。試驗時利用抽水機將蓄水池的水傳送至水箱(定水頭)，並 配合水槽上游端之流量控制閥，控制試驗所需的流量(圖3.24所示 為台大水工試驗所之多功能水槽)。

圖 3.24 台灣大學多功能水槽 (6) 量測儀器

<微型攝影機>

雖然亦可使用鉛錘量測沖刷深度，為避免干擾水流，本計畫 使用微型攝影機量測沖刷深度。如同許多文獻的試驗模型，本計 畫同樣地將採用壓克力製作橋梁結構體(中空)，並於樁帽處裝設

圖3.25 微型攝影機裝置示意圖

<速度計>

本 計 畫 將 於 帽 梁(如圖3.26)與橋面板處(如圖3.27)裝設速度 計紀錄橋墩沖刷時橋梁頻率的變化趨勢，做為計算安全臨界頻率 使 用 。 本 研 究 團 隊 目 前 所 有 的 速 度 計 為 東 京 測 振 股 份 有 限 公 司 (Tokyo Sokushin Co., Ltd.)所生產的單向微震伺服速度計VSE-15，

可靈敏感測結構物的振動反應，如圖3.27所示。

圖 3.26 裝置於帽梁之速度計

圖 3.27 本研究團隊之速度計

<水壓計>

動 水 壓 至 少 有 兩 種 量 測 方 式:1.利用水壓計(如圖3.28)或2.以 MEMS進行。未來計畫執行時，本研究團隊將針對上述兩種方式 進行評估。目前假設使用水壓計量測動水壓，為了解動水壓在墩 柱垂直向上的分佈，本計畫擬於墩柱上設置多個儀器以取得相關 資訊(如圖3.29所示)。

圖3.28 一般市售之水壓計

3.3.3 試驗結果

本 計 畫 所 完 成 試 驗 的 時 間 約 為3 小 時 20 分 ， 流 速 平 均 為 35.21(cm/s) ， 平 均 水 深 為 25.58 cm ， 水 槽 寬 為 1m ， 流 量 為 Q=35.21*25.58*100*10^-6=0.09 (m³/s)。圖3.30為四隻不同水壓計 所量測之水壓狀況，由水壓分布的情形可以明確地看出，在縮尺 試驗中，因為流速並不是很大，所得之水壓比較接近靜水壓的分 布，而非動水壓的分布。圖3.31為水深與流速的量測結果，此結 果如預期地顯示出水深與流速呈現一個拋物線的關係。

圖3.30 平均水壓力分佈圖

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0 0.5 1 1.5 2

距 水 面 高( mc

)

水壓力(Kpa)