第二章 既有橋梁之耐震能力評估
2.4 橋梁耐震能力評估方法與流程說明
2.4.1國內常見之橋梁耐震評估方法
進行橋梁耐震評估作業時，必須依據最新的耐震設計規範。目前國內 所廣泛使用之橋梁耐震能力評估 主要有下列三種方法：
1﹒FHWA容量和需求比值法(C/D比值法)
ATC在八○年代中期提出容量/需求比分析法，其中以橋梁結構在不 同部位的彈性反應所對應之內力（需求）與結構強度（容量）之比，作 為該部位的安全評估指標，基本上需求/容量比大於 1即表示結構耐震 能力不足。但 ATC-6-2中亦容許當桿件韌性能確保時，需求/容量比可 達到 2~3。在此方法中，斷面的彎矩需求/容量比，即為該斷面的韌性需 求，但此斷面韌性需求並不等同於整體結構的韌性需求。同時，在桿件 強度及韌性的評估中，容量/需求比分析法不能準確計算出地震引致之軸 力，故由彈性反應所得之軸力直接計算桿件的抗彎能力及韌性 容量並不 合適，因為彈性反應的軸力與地震力引致的軸力是一個 須經迭代的過程
，並非單純的一次彈性反應分析 所能得到。
2﹒電信與運輸系統之耐震安全評估與補強準則
交通部於民國八十五年一月完成之 「電信與運輸系統之耐震安全評 估與補強準則」[3]，其耐震能力是以橋梁受地震作用下破壞時所對應的 地表加速度來表示，並認為橋梁結構係以其強度與韌性來抵抗地震 力，
故一般而言在柱底先達降伏彎矩進而產生塑鉸。塑鉸產生後，橋柱繼而 以韌性來消散更大的地震能量。當韌性用盡時，其所對應之地表加速度 即代表橋柱的耐震能力 。但上述情況為一般橋柱抵抗地震力的理想狀 況，即塑鉸完全發揮，並用盡其韌性容量而產生撓曲破壞 。然而實際上 許多橋梁之耐震行為，並非具有韌性之撓曲破壞，橋柱本身若無具有足 夠的剪力強度，亦可能產生脆性的剪力破壞 ，或在剪力與彎矩共同作用 下產生撓剪破壞。因此，以撓曲破壞為前提之評估結果未必可信 。 3﹒非線性側推評估法(Push-Over Method)
公路總局於九十三年「橋梁耐震能力評估準則」及國道高速公路局 於九十三年「橋梁結構性能耐震能力評估法 」[4] 均採用非線性側推評 估法，上述之規範尚屬草案並未正式公布實施。由於彈性分析不能準確 預測單獨桿件之非線性特性，因而非線性崩塌機構側推分析（Push-over）
的方法颇為工程師所接受。Push-over法係將兩相鄰伸縮縫間的結構 (振動單元)當作獨立空間框架來考慮，分別在橫向及軸向作側推分析，
隨著位移的逐步增加，在結構局部區域產生塑鉸、導致抗剪強度降低、
節點退化及塑角轉動現象，追蹤由使用狀態至倒塌狀態各階段的力學行 為。其基本步驟係先將每座橋墩的橫向力—變形特性確定，把整體橋墩 的剛度模擬成非線性彈簧，計算整體構架系統初始剛度中心、橫向剛度、
轉動剛度及質心處的有效剛度 ，再將橋墩的位移及轉動分量與每座橋墩 的降伏及極限位移容量相比較 ，以決定最危險的橋墩及其破壞模式。當 然， Push-over法亦有其限制，當相鄰構架的剛度相差過大 或伸縮縫間
有相當程度的連結時，獨立振動單元的分析方式對柔性構架的反應會高 估，對剛性較大之則會低估，非線性動力反應分析對構架之扭轉反應會 高估，同時無法估算上部結構的變形反應 。例如在單柱式曲線橋中，
Push-over分析將獨立振動單元計算所得的剛度視為整體構架之剛度並 不合宜。
2.4.2橋梁耐震評估流程說明
耐震評估分析的目的在於正確推估既有橋梁在地震作用下之結構行為。進 行橋梁詳細耐震評估作業之前，必須先取得橋梁下部結構及上部結構之斷面特 性與材料性質等資料，據以求得其在地震作用下之行為，包括破壞時所對應的 地表加速度及可能發生的破壞模式 。耐震評估分析如下：
1.橋柱之耐震性能評估
早期建造的橋梁中主筋在柱底搭接的現象很多，如圖 2.1所示。後來的設 計中已避免此種情況，以防止發生搭接破壞，降低橋柱的韌性。雖然足夠的搭 接長度可代主筋發展出降伏強度，但是在地震力往復作用下，會使搭接處的斷 面撓曲強度降低，導致提前破壞而不能傳遞任何應力；同時搭接段的箍筋在保 護層剝落後會失去圍束作用。
對於無縱向主筋搭接的斷面，吾人可計算其塑鉸的轉動能力，進而計算其 有效剛度（ EIP）。整個塑鉸之轉動能力與主筋的配筋率、軸壓比、斷面形狀 有關，可用塑性轉角（ θP）來描述，圖2.2所表示為一簡化之雙線性彎矩與 曲率關係。
圖2.1 早期建造橋梁之橋柱主筋搭接於柱底 [9]
圖2.2 橋柱斷面之簡化雙線性彎矩曲率關係[9]
（1）極限彎矩容量
在柱底斷面因縱向主筋搭接使橋柱之撓曲強度在 往復運動下從初始 強度 MS退減至殘餘強度 Mr，當欲在達到標稱強度 Mn後才發生搭接 破壞時需有更高韌性曲率能達到殘餘強度。Seible and Priestley建議 一種描述不同類型塑性鉸彎矩 -曲率的關係模式(如圖2.3所示)，在相同 開裂斷面下線，表具有相對良好的束制斷面 ，線無束制具塑鉸且無
搭接的橋柱，線表示橋柱主筋搭接達到標稱強度後再退減的橋柱 ，線
表示主筋搭接橋柱在未達標稱強度即退減的橋柱 ，這些都是評估橋柱 耐震能力的重要依據。
圖2.3 不同配筋細節之橋柱斷面彎矩-曲率關係模式[9]
（2）極限剪力容量
在橋柱剪力容量評估方面，可依據(圖2.4)所示之抗剪強度與曲率韌 性關係來表示，並與撓曲強度-韌性的關係來比較。線表示在最大主筋 含量，因橋墩撓曲需求產生之剪力大於標稱剪力強度，所以產生脆性剪 力破壞。線代表中等主筋量下伴著韌性的發展所增加的剪力需求與下 降的抗剪能力相交時產生韌性剪力破壞 。線表示在最小主筋配筋量 下，可以達到全韌性剪力，因此不發生剪力破壞直到撓曲韌性達到 極限 時才破壞。
彎 矩
矩
搭接 無圍束 圍束
8+μ3 μ1
μ2 μ3 8
1 Mf
Mu
Ms
Mn
曲率韌性μψ
圖2.4 橋柱之抗剪強度與曲率韌性關係 [8]
2.帽梁極限設計容量
在帽梁與橋柱連接處，底部之正彎矩鋼筋量與頂部之負彎矩鋼筋量相差很 大是常見的，如圖2.5所表示。這種情況下，若採用極限壓應變εcu= 0.005將 會導致非常大之曲率，使鋼筋的拉應變超過極限拉應變，所以在評估時鋼筋的 壓應變應限制在 εc= 0.004以下，如此方能降低底部鋼筋受壓引起鋼筋塑性 應變挫屈的可能性。新設計的橋梁不允許在帽梁中產生塑性鉸，但是既有橋梁 因為配筋量的差異所引致之可能況狀仍要列入評估的項目。
圖2.5 帽梁與橋柱連接處底部與頂部配筋差異 [9]
μ∮f
剪力強度包絡線
韌性極限 塑剪破壞
韌性極限
韌性極限
塑鉸區剪力 矩
剪力破壞
μ∮s
Vl
Vi
曲率韌性係數μψ
3.基礎極限設計容量評估
由於基礎的加固費用龐大，所以基礎的詳細評估多花些時間是值得的 。除 非是土壤液化或斜坡面滑動所引起 ，否則極少有基礎破壞的情況發生 。在基礎 的穩定性考量不必太過保守，以折減係數 ψ =1.0來驗算其穩定性即可，如 果穩定性仍不足，再考慮擴大基礎或加設抗拉拔基樁 。基礎設計亦可考慮在無 嚴重損壞下容許晃動，如此可以減低墩柱及上部結構的損傷 。
在撓曲強度的評估上，可考慮增加有效寬度，斜向的彎剪裂縫會導致P-Δ 效應，在樁和橋柱之間斜壓機構傳遞基礎中的剪力要靠基礎面鋼筋的錨固 。在 校核撓曲能力，採用折減係數ψf= 1.0，塑鉸區的最大曲率韌性與塑性轉動 能力，採用混凝土壓應變εc= 0.005、鋼筋拉應變 εs= 0.04，塑鉸的最大 有效塑性位移可依塑性轉動能力 θp的50%計算，所以對於基礎的抗彎強度應依 墩柱及基礎受壓反應間形成斜壓傳力機構來承擔。
可接受的基礎破壞程度，是基礎發生破壞時中央區域必需能夠支撐由墩柱 中傳來的全部載重。如果加固的費用或修復的費用接近重建費用 ，在進行整體 評估柱剪力時，不能依基礎塑鉸計算，應以塑鉸發生前之剪力來計算，否則會 作出不需對橋柱抗剪能力補強誤判。欲確保在橋柱與基礎結合處傳遞剪力及 彎 矩的能力，建議(如圖2.6)之細部進行設計。剪力的傳遞係經過剪切摩擦傳遞 ， 因此柱底抗剪能力為
) ( sv ya
sf P A f
V （2.1）
式中， Vsf ：柱底抗剪能力 P：柱軸力
Asv：剪力鋼筋量 fya：鋼筋容許應力
基礎與橋柱如係一起灌注則採μ=1.4，如不同時灌注則採μ=1.0。
在評估基樁的橫向強度時，應考慮樁的撓曲和基礎端部提供的橫向抵抗能 力，樁的彎矩分配應考慮土壤與結構互制作用 ，評估重點在於整個樁群系統是 否具備足夠強度使塑鉸產生於橋柱中，或是鉸接處能否承受柱底的剪力 。樁之 彎矩計算需考慮基礎—樁連結之細部構造，在分析時常取鉸接、部份固接、完 全固結方式，應儘量符合實際情況模擬細部，每根基樁的分佈剪力可採平均分 配法做初核。此外，如果在樁中產生塑鉸時，則應以彈簧來模擬土壤。在基礎 底部可能因分析時未設束制而產生較低之韌性 ，實際上由於土壓力之額外束 制，即使沒有橫向箍筋的束制亦可有較佳之韌性 ，而達到到較大的極限壓應變 量。
圖2.6 橋柱與基礎結合細節[9]
4.橋台耐震能力評估
評估橋台既有之耐震能力時要確定橋台與上部結構連接的強度及剛度，承
評估橋台既有之耐震能力時要確定橋台與上部結構連接的強度及剛度，承