第二章 棧橋式與重力式碼頭設計流程之建立
6. 由性能點之結構反應檢核性能等級要求
2.5 重力式碼頭耐震第一階段設計
2.5.1 設計範例基本條件
以下列出重力式碼頭設計例所需之基本條件，包括一般條件、自 然條件、外力條件、材料條件等。
1. 一般條件
包含：船舶尺寸、碼頭泊船噸位、設計水深、碼頭面高程、繫 船柱能力等。
2. 自然條件
包含：風、波浪、潮位及暴潮位、水流、地質條件等。
3. 外力條件
船舶所產生之外力、作用於浮體之外力及其搖動、地質、地震、
土壓、水壓、自重、載重、摩擦係數、其他必要之設計條件等。
(1)超載：分為「地震時」與「常時」。
(2)耐震設計外力條件：設計地震力、水平與垂直加速度係數、設計 加速度反應譜、動土壓、動水壓等。
4. 材料條件
(1) 土壤基本性質：包含土壤單位重、土壤分類、土壤粒徑、土壤透 水係數等。
(2) 土壤工程性質：彈性常數、壓密特性、土壤之剪力特性、土壤動 態性質土壤 SPT-N 值等。
2.5.2 建立性能可接受標準
重力式碼頭由壁體與背填料組成，這種碼頭屬於剛性結構，水平地 震力比垂直地震力之影響來的大。過去之地震災害中，依照傳統耐震 設計規範設計的此類碼頭，常見破壞型式為：向海側之位移(滑動)、沉 陷與傾倒，當基礎地層較堅硬時，較典型之破壞型式為向海側之位移 與傾倒，若基礎地層較軟弱時，較易發生較大的向海側之位移、傾倒 以及沉陷。值得注意的是：土壤液化可能是導致重力式碼頭破壞的原 因之一，例如：921 集集地震對臺中港 1~4 號碼頭造成嚴重損害，除了 地震力已超過設計震度以外，因土壤液化致使碼頭後線陸地多處開 裂、地層塌陷並形成坑洞、碼頭沉箱與背填陸地龜裂並錯開分離，導 致碼頭沉箱向海側位移及傾倒，並且碼頭上各種相關設施及結構物易 發生傾倒、破壞等。另 2011 年日本 3 月 11 日在日本三陸外海，牡鹿 半島東南束 130 公里附近，深度 24km 為震央，發生規模 M9.0 地震。
此地震在日本亦造成日本沿海諸多港灣設施之破壞，如圖 2.26 小名濱 港 7 號重力式碼頭即受到損壞，其受損原因包含背填土之液化、地震 所致伴隨地殼變動的地盤下、與沉箱滑動及傾斜等。
所以，除了確保基礎具有足夠之承載力，以及避免土壤液化潛能過 高以外，保持這類構造物在背填土壓與水壓下，其抗傾覆與抗滑動之 穩定性，一直是這類構造物之設計指標。考量這類碼頭之破壞與使用 運作之性能，表達性能之參數可由下列變位參數表達，如圖 2.27，壁 體相關參數為：向海側之水平位移或正規化水平位移(=水平位移 d/壁 體高度 H)、向海側不均勻沉陷量或沉陷量差(註：豎向的均勻沉陷不會 引起結構不穩定問題)、向海側傾斜角，岸肩(Apron)變形相關之參數：
碼頭壁體與岸肩(Apron)之沉陷差、岸肩不均勻沉陷量或傾斜角等。
(註：以下文中所謂位移，若未特別說明，均指永久水平位移)。
圖 2.26 日本 311 地震小名濱港 7 號重力式碼頭破壞機制
資料來源：日本 311 東北地震的省思與檢討[29]
壁體向海側水平 位移或沉陷差
壁體向海 側傾斜角
岸肩與壁 體沉陷差
岸肩不均勻沉 陷或傾斜角 d
H
圖 2.27 重力式碼頭之性能參數
資料來源：INA 2001 [11]
國際航海協會所頒布之港灣結構物耐震設計準則[11]中，將各性能
N/A 為「Not Applicable」，設計時不予檢核。
資料來源：INA 2001[11]
最後，由於重力式碼頭典型破壞原因之一來自於土壤液化，所以，
對土壤液化潛能較高之工址進行液化防治處理，可以提高這類型碼頭 之性能；另外，此類碼頭之破壞通常不是結構整體之倒塌損壞，而是 過大變形引起之破壞，其可能之破壞情形可參考圖 2.28，因此以位移 來定義此類碼頭之耐震性能，並以此作為設計之依據可能更顯適宜；
再者，重力式碼頭之耐震性能雖可以如上述由壁體之水平位移、沉陷、
傾斜角與岸肩之沉降量、沉陷差等作表示，但其中部分參數之間具有 相關性，初步設計與耐震性能檢核時，不必同時選擇所有參數，例如 初步設計時，可選擇性能等級第 I 級之性能參數進行設計，第 I 級性能 等級多在結構彈性範圍，因此在分析設計上應有相當之把握，待構造 物初步設計完成後，再以適當之分析方法來進行其他性能等級之可接 受標準值驗證分析，以完成整體耐震設計。上述適當驗證分析方法將 於 2.6 節作詳述。
圖 2.28 重力式碼頭之破壞模式
2.5.3 結構系統
重力式碼頭是由壁體與背填料所組成，壁體是構成重力式碼頭之 主要的部份，所以必須要有充分之強度，足以抵抗外力的作用。而壁 體的製造除可採用場鑄混凝土外，一般設計均採用預鑄混凝土，如方 塊、沉箱、Ｌ型塊…等。就背填料的部分來說，若採用良好的石塊、
碎石或礫石作為背填石料時，可使作用於碼頭壁體之土壓力強度降 低。背填石料宜採用形狀相互配合之級配石料以增加其效果，易於風 化之石料則不可作為背填石料。
重力式碼頭是係屬於剛性結構，易受水平地震力而產生位移。由 過去之震害中可發現，按傳統耐震設計規範所設計的重力式碼頭，常 見破壞模式為：向海側之位移(滑動)、沉陷與傾倒。
進行重力式碼頭設計前應先將所設計之碼頭結構形式及配置定義 清楚，如沉箱式、方塊式、Ｌ型塊式、空心方塊式、場鑄混凝土式等，
標準斷面示意圖分別如圖 2.29、圖 2.30、圖 2.31、圖 2.32。
圖 2.29 沉箱重力式碼頭標準斷面示意圖
資料來源：港灣構造物設計基準修訂 [21]
圖 2.30 L 型塊重力式碼頭斷面示意圖
資料來源：港灣構造物設計基準修訂 [21]
圖 2.31 方塊重力式碼頭斷面示意圖
資料來源：港灣構造物設計基準修訂 [21]
圖 2.32 空心方塊重力式碼頭斷面示意圖
資料來源：港灣構造物設計基準修訂[21]
2.5.4 土壤液化評估
港灣構造物性能設計法所採用之簡化分析法與傳統設計所採用之 分析方法類似，但設計原理完全不同，傳統設計法將地震力以一等效 之靜態側向力施加於結構主體上，以確保結構主體在所考量之設計外 力作用下，具有一定安全餘裕(以安全係數FS 表示)之安定計算(壁體滑 移、壁體傾倒、圓弧滑動及沉陷等分析，基礎足夠承載力之保證)來確 定結構之細部設計；性能設計法雖然在具體設計階段採用類似擬靜力 分析方法，但其設計原理是以確保在各等級地震力作用下，結構主體 之反應滿足預期之性能要求，即計算所得之性能參數值不超過預定性 能可接受標準值。例如：若以壁體位移或沉陷量等作為性能參數，在 性能設計法中，需要計算壁體位移或沉陷量，並與所建立之性能可接 受標準做比較，以確定所預期之性能是否滿足標準。一些研究已根據 統計數據之迴歸分析，建立了位移指標與傳統設計法中安定計算的安 全係數間之相關性經驗公式，如表 2-13 適用於非液化工址之重力式碼 頭。由表 2-13 可知，線性迴歸公式中，水平位移相關參數(d與d H) 之線性迴歸相關係數均較小；而標準偏差顯示，對d H之線性迴歸與d
相 比 較 為 準 確 。 對 於 該 類 碼 頭 在 具 有 液 化 潛 能 工 址 之 位 移 量 ，
「Iai,S.1999」[10]對日本既有碼頭之案例分析統計指出：在規範設計地 震力作用下，對非液化、僅背填土液化、背填土與基礎土壤均液化等 三類工址(如圖 2.33 所示)，正規化位移d H分別為 0~5%、5~10%、
10~20%；在 1.5~2.0 倍規範設計地震力作用下，三類工址正規化位移
H
d 分別為 5~10%、10~20%、20~40%，這些參數可用於設計時粗略估 算水平位移之大小範圍。其中FSKt / Ke，當Kh為臨界值時，Kh Kt，
Ke為設計地震力Kh。
表 2-13 非液化工址重力式碼頭變位與安全係數之相關性
變位參數 經驗公式 相關係數 標準偏差
最大水平位移 d(cm) d74.298.2(1/FS) 0.34 130 沉陷量 s(cm) s16.532.9(1/FS) 0.50 30 正規化水平位移 d H (% ) d/H 7.010.9(1/FS) 0.38 13 資料來源： Uwabe, T. 1983 [4]
拋石
填石 拋石
填石
非液化土壤
非液化土壤
非液化土壤填土
(b) 僅背填土液化 (a) 非液化工址
(c) 背填土與基礎土壤均液化 液化土壤
拋石
填石
液化土壤
液化土壤
圖 2.33 重力式碼頭工址土壤可能液化狀態
資料來源：INA 2001 [11]
2.5.5 初步設計
重力式碼頭之初步設計可採等級 I 地震之性能要求做設計標準，依 據重力式碼頭在等級 I 地震作用下所須滿足的性能可接受標準，按表 2-13 經驗公式反算得到的安全係數 FS值，再用傳統之靜力設計法進行 穩性分析，即先前所述之簡化分析，目的是先將沉箱尺寸與配重算得
一初步的結果，方可進行後續的性能驗證檢核；關於簡化分析法的詳