研究緣起與背景

由 於 近 代 橋 梁 構 築 技 術 之 進 步 使 得 長 跨 度 橋 梁 與 日 俱 增，如 懸 索 式 橋 梁 與 斜 張 橋 等，其 較 為 柔 軟 的 特 性 提 供 了 較 佳 之 抗 震 性，但 在 抗 風 設 計 方 面 則 顯 得 相 對 重 要。長 跨 度 橋 梁 除 了 有 施 工 對 環 境 衝 擊 較 小 之 優 點 外，亦 具 壯 觀 之 地 標 性，已 成 為 目 前 國 際 間 長 跨 度 橋 梁 之 首 選 橋 型。相 對 於 一 般 橋 梁，懸 索 橋 或 斜 張 橋 有 著 輕 軟 之 結 構 特 性，儘 管 其 上 部 結 構 較 具 抗 震 性，然 在 抗 風 方 面 確 實 存 在 著 敏 感 的 氣 動 力 穩 定 性 問 題，而 這 些 問 題 則 依 橋 梁 斷 面 幾 何 形 狀 等 因 素 呈 現 有 同 之 氣 動 力 行 為。在 強 風 下 發 生 倒 塌 的 實 例 以 1836 年英國的 Brighton Chain Pier Bridge 與 1940 年美國的 Tacoma Narrows Bridge 為最典型，其原因皆 是 因 為 輕 軟 橋 體 在 強 風 中 發 生 了 顯 著 之 振 動，繼 而 因 互 制 作 用 產 生 之 氣 彈 力(aeroelastic)效應所致。

台 灣 位 於 颱 風 頻 繁 的 地 帶 ， 平 均 每 年 受 多 次 颱 風 的 侵 襲 。 因 此 ， 長 跨 度 橋 梁 的 受 風 效 應 是 無 法 避 免 的。基 於 結 構 的 安 全 性 和 使 用 上 舒 適 性 的 考 量，工 程 師 必 須 將 氣 動 力 理 論 融 入 懸 索 橋 橋 梁 設 計 中，亦 須 對 風 的 效 應 有 進 一 步 的 瞭 解，才 能 避 免 由 於 風 的 效 應 造 成 橋 梁 不 穩 定 現 象 的 發 生 。

懸 索 式 橋 梁 對 風 力 所 產 生 之 反 應 頗 為 敏 感，在 風 力 設 計 上 包 括 靜 態 與 動 態 載 重 之 考 量 ， 除 須 考 慮 以 現 地 風 速 資 料 估 算 之 平 均 風 載 重 外 ， 結 構 受 風 吹 襲 產 生 之 氣 動 力 效 應(aerodynamic effect)亦 為 考 量 之 重 點。當 結 構 受 風 力 作 用 而 產 生 振 動 時，會 因 其 互 制 作 用(interaction) 導 致 橋 體 發 生 氣 彈 力(aeroelastic)效應。為確保這些懸索式橋梁的安全

性 ， 目 前 則 須 藉 由 風 洞 試 驗 與 數 值 理 論 方 法 檢 核 之 。 二 、 背 景

自 二 次 大 戰 以 後，懸 索 式 橋 梁 由 於 具 有 經 濟 與 美 學 的 價 值，歐 美 各 地 出 現 相 當 多 此 類 橋 梁。近 二 十 年 來 亞 洲 國 家 中，特 別 是 日 本 與 中 國 大 陸 等，亦 建 造 了 為 數 不 少 世 界 級 規 模 的 懸 索 式 橋 梁。日 本 在1998 年 完 成 的 明 石 大 橋(Akashi-Kaikyo Bridge)主跨徑有1990公尺，為目前 世 界 最 長 之 吊 橋。在20世紀中葉時期，橋梁工程大舉採用新材料與新 工 法，除 了 加 速 了 世 界 級 橋 梁 的 建 造 成 長 速 度，同 時 也 刺 激 了 全 世 界 在 長 跨 度 橋 梁 的 競 爭 景 象，其 中 尤 以 斜 張 橋 的 進 展 最 為 明 顯。1995年 法 國 完 成 主 跨 徑 達856公尺的諾曼地大橋(Normandie Bridge)後，1999 年 日 本 相 繼 完 成 多 多 羅 大 橋(Tatara Bridge)之主跨徑達890公尺，2008 年 中 國 大 陸 完 成 蘇 通 大 橋 之 主 跨 徑 超 過 千 米，成 為 世 界 第 一 長 跨 徑 斜 張 橋。此 外，蘇 通 大 橋 也 突 破 四 個 世 界 第 一，包 括 目 前 世 界 最 長 之 斜 張 橋(1088公 尺 )、 最 高 橋 塔 (306公 尺 )、 最 大 深 基 礎 (113.75公 尺 ×48.1 公 尺)， 以 及 最 長 的 斜 拉 索 (576公 尺 )。 若 以 諾 曼 地 大 橋 為 準 ， 建 構 之 斜 張 橋 在 短 短15年內其主跨徑增加25%，如此驚人的演進方式確實也 為 橋 梁 工 程 界 帶 來 許 多 新 的 問 題 與 契 機 。 自 美 國Tacoma Narrow Bridge在1940年 受 風 破 壞 後 ， 於 橋 梁 工 程 界 歷 經70年 努 力 的 今 日 ， 橋 梁 風 洞 試 驗 技 術 與 橋 梁 氣 彈 分 析 理 論 也 邁 前 了 一 大 步，而 研 究 橋 梁 氣 動 力 的 學 者 專 家 也 為 懸 索 式 橋 梁 找 到 了 增 進 整 體 橋 梁 氣 動 力 穩 定 性 的 方 法 。

在 台 灣 本 島，懸 索 式 橋 梁 的 建 造 在 近 十 年 來 也 相 當 熱 絡，如 南 二 高 的 高 屏 溪 斜 張 橋、台 北 市 新 地 標 的 釣 竿 式 大 直 斜 張 橋、南 投 的 貓 羅 溪 鋼 拱 塔 斜 張 橋 以 及 新 北 市 新 北 橋 等，這 些 實 績 都 足 以 顯 示 本 國 橋 梁 工 程 的 發 展 與 進 步 。

三 、 計 畫 之 重 要 性

目 前 本 國 橋 梁 設 計 規 範 中 尚 無 長 跨 度 橋 梁 耐 風 設 計 之 相 關 規 定，而 台 灣 的 懸 索 式 橋 梁 發 展 愈 來 愈 多 之 趨 勢 已 不 容 忽 視。另 外，未 來 政 府 將 在 新 店 溪、淡 水 河 規 劃 興 建 至 少 四 座 大 型 斜 張 橋，而 這 些 橋 梁 的 安 全 性 皆 須 藉 由 大 型 風 洞 試 驗 進 行 橋 體 受 風 特 性 與 動 態 反 應 之 評 估 以 確 保 其 氣 動 力 穩 定 性。再 者，對 建 研 所 而 言，儘 管 其 風 洞 設 施 頗 具 規 模，然 而 在 橋 梁 氣 動 力 分 析 方 面 之 風 洞 試 驗 量 測 技 術 經 驗 與 分 析 方 法 則 有 待 更 進 一 步 的 技 術 精 進 與 服 務 能 量 提 升。因 此，藉 由 本 計 畫 之 執 行，除 了 可 以 增 益 建 研 所 在 長 跨 度 橋 梁 風 力 分 析 之 技 術 與 經 驗 外，更 能 擴 展 其 對 工 程 界 與 產 業 界 之 服 務 範 疇 與 能 量，除 可 以 協 助 工 程 界 解 決 此 類 橋 梁 設 計 與 建 造 問 題 外，經 驗 技 術 與 理 論 方 法 更 可 作 為 國 內 研 究 此 類 橋 梁 規 範 之 參 考 。

在 101 年的前期計畫中已針對矩形、梯形與六角形等三種斷面形

狀 橋 體 與 兩 個 典 型 的 寬 深 比(8 與 15)，藉由風洞斷面模型試驗之執行 初 步 建 立 了 相 關 的 試 驗 標 準 作 業 流 程，並 建 議 了 探 討 橋 體 斷 面 模 型 試 驗 技 術 與 識 別 氣 動 力 參 數 的 分 析 方 法。由 於 橋 梁 之 氣 動 力 穩 定 性 與 橋 體 斷 面 之 形 狀 與 尺 度 息 息 相 關，繼 續 增 加 橋 體 模 型 之 形 狀 與 寬 深 比 進 而 建 立 更 為 完 整 之 氣 動 力 資 料 庫 以 供 工 程 與 產 業 界 之 應 用 則 勢 在 必 行。此 外，長 跨 橋 梁 外 型 設 計 變 化 頗 多，若 能 建 立 常 用 斷 面 之 氣 動 力 資 料 庫，可 使 業 界 在 此 類 橋 梁 初 步 設 計 階 段 中 能 有 精 準 的 設 計 參 數 以 為 分 析 之 重 要 依 據 ， 並 可 作 為 日 後 風 洞 試 驗 結 果 比 較 之 基 礎 。

四 、 計 畫 目 的

本 計 畫 擬 針 對 懸 索 式 橋 梁，以 風 洞 試 驗 探 討 其 橋 體 斷 面 模 型 試 驗 技 術 與 識 別 氣 動 力 參 數 ， 並 建 立 相 關 的 風 洞 試 驗 氣 動 力 參 數 資 料 庫 ， 期 在 實 際 應 用 上 獲 得 更 佳 的 試 驗 結 果 與 快 速 應 用 能 力。在 成 果 與 效 益 上 除 了 可 以 精 進 建 研 所 在 橋 梁 風 力 分 析 之 實 驗 技 術 與 擴 展 服 務 能 量 外 ， 更 能 協 助 業 界 在 橋 梁 規 劃 與 設 計 階 段 能 有 較 為 精 準 的 設 計 參 數 ，

提 昇 後 續 細 部 設 計 之 可 行 性 與 施 工 之 安 全 性 。

本 計 畫 兼 具 實 驗 探 討、理 論 分 析 與 實 務 應 用 之 成 效，以 達 到 如 後 三 個 目 標 ：

1、探討橋梁氣動力穩定性行為，增進細部分析之考量。

2、針對一般工程應用範圍，建立更為完整之風洞試驗資料庫。

3、擴展建研所風洞試驗室在懸索式橋梁風力分析之服務範疇，並提 昇 其 服 務 能 量 。

第二節 研究方法