第四章 重力式碼頭設計實例操作
4. 設計地震
地震係數計算(EQ)係依據「港灣構造物耐震性能設計架構研究 (第一期)」計算地震力，先以等級 I 地震作初步設計，近屯子腳、
彰化、大甲、鐵砧山斷層，工址之 SSD=0.7、S1
D=0.4、SS
M=0.9、S1
M=0.5 (SSD、S1D、SSM、S1M 之值請查閱現行設計規範[21])，地盤為第二類 地盤(普通地盤)，依其周期分別計算相對之地震力。
4.2 耐震性能要求與規定
4.2.1 性能要求
以「定性」的描述方式訂立構造物性能要求，碼頭之特性等級 共分為特定級、A 級、B 級與 C 級，本研究之設計例設定為 B 級重 力式碼頭，其特性定義詳表 4-1。
而 B 級碼頭之耐震性能要求則依據地震等級 I、II、與 III 三級 地震對應至耐震性能之要求，如表 4-2 所示。
4.2.2 性能規定
性能規定是將結構物定性的性能要求轉化為「定量」的方式來表 示，因此依上述之性能要求可分為地震等級之定量表達，以及所對應 性能等級之定量表達，如下所述。
1. 地震等級
重力式碼頭性能設計之地震等級可分為等級 I 之地震(50 年回 歸期地震)、等級 II 之地震(475 年回歸期地震)、等級 III 之地震(2500 年回歸期地震)，本研究所採用之 B 級重力式碼頭之三等級地震力 如表 4-3 所示。
表 4-1 碼頭之特性等級
等 級 碼 頭 之 特 性 特 定 明顯具有 A 級結構物之特性 1 至 3 項之情形者
A 1. 結構物在遭受地震災害時，將有可能造成多數人命 及財產之損失者。
2. 負有震災後復建工作之重要任務者。
3. 儲存有害或危險物品之結構物，在遭受地震災害 時，將可能造成人命或財產之動大損失者。
4. 結構物在遭受地震災害時，對於相關區域之經濟與 社會活動將造成重大影響者。
5. 結構物在遭受地震災害時，其復舊作業經預測將相 當困難者。
B 凡不屬於特定、A 級、C 級者
C 特定及 A 級以外之小規模結構物復舊作業容易者。
表 4-2 重力式 B 級碼頭之耐震性能要求
地震等級 對應之性能等級描述
等級數 使用性描述 修復性描述 安全性描述 等級 I
(50 年回歸期地震) 第Ⅰ級 功能正常 不需修復 結構保持彈性 等級 II
(475 年回歸期地震) 第 III 級 長期功能喪失 修復非常困難
結構不倒以維持 生命安全 (未超過韌性容量) 等級 III
(2500 年回歸期地震) 第 IV 級 無法恢復營運 須拆除重建 結構崩塌 (超過韌性容量)
表 4-3 重力式碼頭性能設計三等級地震力
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 T (sec)
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 T (sec)
等級性能、第 II 等級性能及第 III 等級性能亦有量化限制，分別為 小於 3o、5o~8o及大於 8o；而岸肩不均勻沉陷、岸肩與後線陸地之 沉陷差、及岸肩向海側傾斜角僅對第 I 等級性能有量化限制，分別 為 3cm~10cm、30cm~70cm 及小於 2o~3o，重力式碼頭性能可接受 標準如表 4-4 所示。
表 4-4 重力式碼頭性能可接受標準
性能等級
參數 第Ⅰ級 第 III 級 第 IV 級
殘 餘 變 位
壁體 正規化水平位移 d/H <1.5% 或 d<30cm 5%~10% >10%
向海側傾斜角 <3o 5o~8o >8o
岸肩
不均勻沉陷量 3cm~10cm N/A N/A 岸肩與後線陸地之沉
陷差 30cm~70cm N/A N/A
向海側傾斜角 <2o~3o N/A N/A 註：d 為壁頂的殘餘水平變位
N/A 為「Not Applicable」，設計時不予檢核。
資料來源：INA 2001 [11]
後續具體設計階段之驗證分析將以上述的性能可接受標準值 進行檢核，確保所設計之重力式碼頭耐震性能滿足性能要求。
4.3 構造物系統規劃
本案例係以重要度中等之 B 級碼頭為例，並假設以載運散雜貨為 主，本案例碼頭採用沉箱重力式碼頭。一般碼頭向海延伸之寬度與設 計水深以業主之需求決定，本案例碼頭規劃之標準斷面及平面配置假 設如圖 4.1 及圖 4.2 所示。碼頭結構主要為一剛性結構物，標準單元長 度為 15.6 m，高度為 16.2 m，土層鑽探深度為 40 m，得到上述之碼頭 結構系統規劃後即可繼續下一步土壤液化評估檢核。
圖 4.1 重力式碼頭標準斷面圖
圖 4.2 重力式碼頭標準平面配置圖
4.4 土壤液化評估
本案例重力式碼頭之工址地層鑽探資料如表 4-5 所示，遵照 2.2.1 節中，土壤液化評估之經驗準則法之流程。
本研究建議在等級 I 地震下，工址土壤不允許發生液化，因此概念 設計階段即須先進行等級 I 地震的土壤液化潛能評估。在等級 II 與等 級 III 地震下，液化的機會大增，若硬性規定不得液化，土質改良的處 理費用可能所費不貲，故規定容許液化發生。現行港灣構造物設計基 準對地盤有液化潛能的重要港灣結構物耐震設計，其要求應對土壤參 數進行折減，但折減方式係由工程師應進行相關試驗研究分析後決定。
三等級地震下之土壤液化潛能評估結果詳表 4-6、表 4-7，因臺中 港臨近彰化、大甲、鐵砧山斷層，以及次近之車籠埔斷層，其有紀錄 之最大地震規模皆為 7.3，所以土壤液化評估之地震規模設定值為 7.3，
而液化潛能評估之尖峰地表加速度 PGA 設定值以三等級地震之設計 PGA 作輸入，分別為等級 I 地震 PGA=0.4SDS/3.25=0.1 g，等級 II 地震 PGA=0.4 SDS=0.322 g，等級 III 地震 PGA=0.4SMS=0.407 g。
表 4-5 重力式碼頭工址地層鑽探資料表
表 4-6 重力式碼頭等級 I 地震土壤液化潛能評估結果
表 4-7 重力式碼頭等級 II 地震土壤液化潛能評估結果
表 4-8 重力式碼頭等級 III 地震土壤液化潛能評估結果
由表 4-6 可知在等級 I 地震作用下，工址所有土層皆不會產生液化 (FL值皆大於 1.0)，符合等級 I 地震土壤液化的性能要求；由表 4-7 可 知在等級 II 地震作用下，深度 13.9 m 至深度 21.9 m 之土層 FL小於 1.0，
表示可能會發生液化，故在分析等級 II 地震作用下，必須考慮土層液 化之影響；由表 4-8 可知在等級 III 地震作用下，深度 11.9 m 至深度 21.9 m 之土層 FL為小於 1.0，表示可能會發生液化。
4.5 初步設計
4.5.1 地震力係數計算
使用不同的分析方法時，將依其方法輸入不同所需設計震度參 數，若其所需之設計震度參數為地震力係數，則進行分析計算時，需 將設計震度轉換為地震力係數，方可進行方析，轉換公式如下：