101-26-7600
MOTC-IOT-100-H1DB006a
港灣構造物耐震性能設計架構 之研究(1/4)
交 通 部 運 輸 研 究 所
中 華 民 國 101 年 3 月
101-26-7600
MOTC-IOT-100-H1DB006a
港灣構造物耐震性能設計架構 之研究(1/4)
著 者：賴瑞應、謝大勇、張 權、薛 強 陳正忠、徐偉誌、石豐銘
交 通 部 運 輸 研 究 所
中 華 民 國 101 年 3 月
GPN： ISBN： (平裝)
著作財產權人：中華民國(代表機關：交通部運輸研究所)
本著作保留所有權利，欲利用本著作全部或部份內容者，須徵求交通部 港灣構造物耐震性能設計架構之研究(1/4)
著 者：賴瑞應、謝大勇、張 權、薛 強、陳正忠、徐偉誌、石豐銘 出版機關：交通部運輸研究所
地 址：10548 臺北市敦化北路 240 號
網 址：www.ihmt.gov.tw (中文版＞中心出版品) 電 話：(04)26587176
出版年月：中華民國 101 年 3 月 印 刷 者：
版(刷)次冊數：初版一刷 90 冊
本書同時登載於交通部運輸研究所網站 定 價：250 元
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101 港灣構造物耐震性能設計架構之研究
(1/4)
交通部運輸研究所
GPN：
定價: 250 元
交通部運輸研究所合作研究計畫出版品摘要表
出版品名稱：港灣構造物耐震性能設計架構之研究(1/4) 國際標準書號（或叢刊號）
ISBN(平裝)
政府出版品統一編號 運輸研究所出版品編號
101-26-7600 計畫編號 100-H1DB006a 本所主辦單位：港研中心
主管：邱永芳 計畫主持人：賴瑞應 研究人員：謝大勇 聯絡電話：04-26587170 傳真號碼：04-26564418
合作研究單位：財團法人中興工程顧問社 計畫主持人：張權
協同主持人：薛強
研究人員：陳正忠、徐偉誌、石豐銘 地址：10570 台北市南京東路 5 段 171 號 聯絡電話：(02)27692131
研究期間 自100 年 02 月 至100 年 12 月
關鍵詞：耐震設計、性能設計、性能目標、港灣構造物
摘要：
性能設計法之目標在於使構造物之設計、評析及營建能確保它在各種規模的荷載作用 時，其性能可滿足業主、使用者與社會的各種需求。本研究首先介紹性能設計法之基本理 念、設計流程及相關內容；接著回顧國內設計基準之概況，比較美國、日本、歐洲性能設 計準則，探討各種港灣構造物之破壞型式，建立各種等級地震危害下所具有之性能等級―
即性能目標(要求)，確定相關性能可接受標準(規定)；然後探討性能設計由簡易到複雜之分 析方法及其適用性；最後對今後相關研究課題提出建議。本研究成果可以提昇國內產官學 研界之相關設計與研究水準，以因應技術發展及國際化之需求。
出版日期 頁數 定價 本 出 版 品 取 得 方 式
101 年 3 月 316 250
凡屬機密性出版品均不對外公開。普通性出版品，公營、公 益機關團體及學校可函洽本所免費贈閱；私人及私營機關團 體可按定價價購。
機密等級：
□密 □機密 □極機密 □絕對機密
（解密條件：□ 年 月 日解密，□公布後解密，□附件抽存後解密，
□工作完成或會議終了時解密，□另行檢討後辦理解密）
▓普通
備註：本研究之結論與建議不代表交通部之意見。
PUBLICATION ABSTRACTS OF RESEARCH PROJECTS INSTITUTE OF TRANSPORTATION
MINISTRY OF TRANSPORTATION AND COMMUNICATIONS
TITLE: Performance-Based Seismic Design Framework of Port Structures (1/4)
ISBN(OR ISSN) ISBN
GOVERNMENT PUBLICATIONS NUMBER IOT SERIAL NUMBER
101-26-7600
PROJECT NUMBER
100-H1DB006a
DIVISION: Harbor & Marine Technology Center DIVISION DIRECTOR: Yung-Fang Chiu PRINCIPAL INVESTIGATOR: Jui-Ying Lai PROJECT STAFF: Da-Yung.Hsieh
PHONE: (04) 26587170 FAX: (04) 26564418
PROJECT PERIOD
FROM：February 2011 TO：December 2011
RESEARCH AGENCY: SINOTECH ENGINEERING CONSULTANTS, INC.
PRINCIPAL INVESTIGATOR: Chyuan Jhang Co-PRINCIPAL INVESTIGATOR: Qiang Xue
PROJECT STAFF: Cheng-Chung Chen, Wei-Chih Hsu, Feng-Ming Shih ADDRESS: 171, NanKing E. RD., Sec. 5, Taipei 10570, Taiwan, R.O.C.
PHONE: (02) 27692131
KEY WORDS: Seismic Design, Performance-Based Design, Performance Objective, Port Structure
ABSTRACT:
The purpose of performance-based design is to ensure that designs, evaluations, and constructions of engineered facilities whose performance under common and extreme earthquake ground motion responds to the diverse needs and objectives of the owners, users and society. In this study, the fundamental methodology, design framework and related subjects of performance-based seismic design were first introduced. Afterward this study reviews the state of the current design code, compare the design guideline of foreign countries such as the USA, Japan and European Union, established the performance objectives and corresponding acceptance criteria of the damage parameters based on the possible damage behavior of port structures under various levels of earthquake ground motions. Then, analysis methods varying with simplified to complicated were investigated. Finally, conclusions were drawn and suggestions for further studies were made. The research results will improve domestic design and research standard to catch up with the international technology development accordingly.
DATE OF PUBLICATION March 2012
NUMBER OF PAGES 316
PRICE 250
CLASSIFICATION
□RESTRICTED □CONFIDENTIAL
□SECRET □TOP SECRET
▓UNCLASSIFIED
The views expressed in this publication are not necessarily those of the Ministry of Transportation and Communications.
港灣構造物耐震性能設計架構之研究(1/4)
目 錄
中文摘要 ... I 英文摘要 ... II 目 錄 ...III 圖目錄 ...IX 表目錄 ...XIII 第一章 計畫背景 ... 1-1 1.1 研究緣起... 1-1 1.2 研究目的... 1-4 1.3 研究範圍與對象... 1-4 1.4 研究內容與工作項目... 1-5 1.5 研究方法及進行步驟... 1-5 第二章 耐震性能設計法概述 ... 2-1 2.1 耐震性能設計概念... 2-1 2.2 耐震性能設計架構與流程... 2-2 第三章 文獻蒐集與回顧 ... 3-1 第四章 國內設計基準之概況 ... 4-1 4.1 公共工程性能設計準則... 4-1
4.1.1 公共工程性能設計準則之主架構 ... 4-1 4.1.2 建議之下位性能設計規範基本架構 ... 4-2 4.2 本國港灣構造物設計基準... 4-4 4.2.1 性能目標... 4-5 4.2.1.1 地震等級... 4-5 4.2.1.2 性能水準... 4-5 4.2.1.3 重要度分類... 4-6 4.2.2 性能標準... 4-7 4.2.2.1 地震等級量化... 4-7 4.2.2.2 可接受性能標準... 4-8 4.2.3 結構系統... 4-9 4.2.3.1 非剛性結構物... 4-9 4.2.3.2 剛性結構物... 4-9 4.2.4 土體與水體作用力... 4-10 4.2.5 土壤液化...4-11 4.2.6 設計分析方法... 4-13 第五章 美、歐、日性能設計準則比較探討... 5-1 5.1 美國橋梁耐震性能設計規範概況... 5-1 5.1.1 美國橋梁耐震性能設計發展... 5-1 5.1.2 美國 AASHTO（2009）Specifications for LRFD Seismic
Bridge Design ... 5-8
5.1.3 美國 Caltrans（2010）Seismic Design Criteria... 5-23 5.2 日本橋梁耐震性能設計規範概況... 5-29 5.2.1 日本橋梁耐震性能設計發展... 5-29 5.2.2 日本 JRA（2002）道路橋示方書－耐震設計篇 ... 5-30 5.2.3 日本 RTRI（1999）鐵道構造物設計標準．同解說－耐震 設計... 5-41 5.3 歐洲 Eurocode 性能設計準則概況 ... 5-49 5.3.1 Eurocode 之規範架構 ... 5-49 5.3.2 Eurocode 之基本理念 ... 5-51 5.3.3 Eurocode 之設計生命週期 ... 5-52 5.3.4 Eurocode 之設計限度狀態 ... 5-52 5.3.5 Eurocode 之耐震設計性能目標 ... 5-53 5.4 國際航海協會港灣構造物耐震設計準則... 5-54 5.4.1 性能目標... 5-54 5.4.1.1 重要度分類... 5-55 5.4.1.2 地震等級... 5-55 5.4.1.3 性能水準... 5-56 5.4.2 性能標準... 5-56 5.4.3 土壤液化... 5-58 5.4.4 分析方法... 5-60 5.5 日本港灣施設技術基準•同解說 ... 5-62
5.5.1 性能目標... 5-62 5.5.1.1 重要度分類... 5-63 5.5.1.2 地震等級... 5-64 5.5.1.3 性能水準... 5-65 5.5.2 地震等級量化... 5-67 5.5.3 性能標準... 5-67 5.5.3.1 重力式碼頭性能可接受標準值 ... 5-68 5.5.3.2 板樁式碼頭性能可接受標準值 ... 5-69 5.5.3.3 棧橋式碼頭性能可接受標準值 ... 5-71 5.5.4 土壤液化... 5-74 5.5.4.1 液化預測與判斷... 5-74 5.5.4.2 土壤改良策略... 5-77 5.5.5 分析方法... 5-78 5.5.5.1 重力式碼頭... 5-78 5.5.5.2 板樁式碼頭... 5-79 5.5.5.3 棧橋式碼頭... 5-79 5.6 小結 ... 5-81 5.6.1 美日橋梁耐震性能設計規範之綜整比較 ... 5-81 5.6.2 各國規範地震等級與性能水準之探討 ... 5-85 第六章 耐震性能設計要求之探討... 6-1 6.1 碼頭性能目標概述... 6-1
6.2 地震等級、性能水準及重要度分類... 6-3 6.2.1 地震等級... 6-3 6.2.2 性能水準... 6-7 6.2.3 重要度分類... 6-8 6.3 現行規範之性能目標... 6-9 6.4 國內港灣碼頭性能目標制定之建議... 6-12 6.5 現行規範與本研究建議性能目標之差異性探討... 6-16 6.6 土壤液化防治之目標... 6-17 第七章 耐震性能規定探討 ... 7-1 7.1 重力式碼頭性能可接受標準... 7-1 7.2 板樁式碼頭性能可接受標準... 7-4 7.3 圓筒式碼頭性能可接受標準... 7-7 7.4 棧橋式碼頭性能可接受標準... 7-10 7.5 碼頭起重機性能可接受標準... 7-16 第八章 耐震性能驗證方法探討 ... 8-1 8.1 各類驗證方法之應用時機... 8-1 8.2 重力式碼頭耐震性能分析法... 8-5 8.2.1 簡化分析法... 8-5 8.2.2 簡易動力分析... 8-13 8.2.3 動力分析法... 8-17 8.3 板樁式與圓筒式碼頭耐震性能分析法... 8-21
8.3.1 簡化分析法... 8-23 8.3.2 簡化動力分析法... 8-32 8.3.3 動力分析法... 8-33 8.4 棧橋式碼頭耐震性能分析法... 8-34 8.4.1 簡化分析法... 8-35 8.4.2 簡化動力分析-容量震譜法(非線性側推分析) ... 8-38 8.4.3 動力分析法... 8-55 8.5 土壤液化評估... 8-56 8.5.1 概說... 8-57 8.5.2 土壤液化潛能之評估... 8-58 8.5.3 國內港灣構造物設計基準之規定 ... 8-60 8.5.4 耐震性能設計重點... 8-64 第九章 結論與建議 ... 9-1 9.1 研究目的與問題 ... 9-1 9.2 結論 ... 9-1 9.3 建議 ... 9-3 參考文獻 ... 參-1 附錄一 第八章公式符號說明 ... 附錄 1-1 附錄二 期中報告審查意見處理情形表... 附錄 2-1 附錄三 期末報告審查意見處理情形表... 附錄 3-1 附錄四 期末報告簡報資料 ... 附錄 4-1
圖目錄
圖 1.1 神戶地震沉箱側移引起設備破壞... 1-1 圖 1.2 神戶地震沉箱側移引起起重機柱腳降伏彎曲... 1-2 圖 1.3 集集地震臺中港沉箱碼頭沉陷... 1-2 圖 1.4 集集地震臺中港土壤液化引起破壞... 1-3 圖 1.5 研究步驟流程圖 ... 1-6 圖 2.1 耐震性能設計法之設計流程... 2-3 圖 2.2 耐震性能設計法之架構與內容... 2-6 圖 2.3 耐震性能目標劃分示意圖... 2-6 圖 2.4 構造物性能水準示意圖 ... 2-7 圖 4.1 公共工程性能設計準則之架構... 4-2 圖 4.2 性能要求、驗證及規範之階層概略圖... 4-2 圖 4.3 液化潛能分析流程圖 ... 4-12 圖 5.1 SEAOC Vision 2000 結構性能矩陣 ... 5-2 圖 5.2 AASHTO（2009）設計反應譜...5-11 圖 5.3 AASHTO（2009）設計流程 ... 5-17 圖 5.4 Caltrans（2009）設計流程... 5-27 圖 5.5 Caltrans（2009）橋柱之 P-Δ效應 ... 5-29 圖 5.6 JRA（2002）耐震設計流程... 5-39 圖 5.7 RTRI（1999）RC 構件之力與位移關係圖... 5-45 圖 5.8 RTRI（1999）基礎結構之力與位移關係圖... 5-46 圖 5.9 RTRI（1999）土壤參數之折減係數 ... 5-47
圖 5.10 RTRI（1999）性能檢核流程 ... 5-48 圖 5.11 Eurocode 章節之相互關係... 5-50 圖 5.12 INA 液化整治的基礎策略... 5-59 圖 5.13 INA 液化整治的標準程序... 5-59 圖 5.14 INA 耐震性能評估的流程圖... 5-62 圖 5.15 日本港灣性能層次的定位和性能驗證... 5-63 圖 5.16 日本港灣性能水準的分類... 5-65 圖 5.17 日本港灣作用力年超越機率與損壞程度... 5-66 圖 5.18 日本港灣等級二地震的計算程序... 5-67 圖 5.19 日本港灣構造物土壤液化可能性範圍[55] ... 5-75 圖 5.20 日本港灣等效 N 值的計算圖 ... 5-75 圖 5.21 日本港灣等效 N 值與等效加速度土層區分... 5-76 圖 5.22 日本港灣等級一(Level 1)的地震之驗證流程 ... 5-80 圖 5.23 日本港灣等級二(Level 2)的地震之驗證流程 ... 5-81 圖 5.24 美日橋梁耐震性能設計流程綜整比較... 5-84 圖 6.1 四港區平均地震危害度曲線... 6-5 圖 6.2 國內現行規範的耐震性能目標區域圖... 6-12 圖 6.3 本研究建議的港灣碼頭耐震性能目標區域圖... 6-15 圖 6.4 研究建議與現行規範之港灣碼頭耐震性能目標區域比較... 6-17 圖 7.1 重力式碼頭之性能參數 ... 7-2 圖 7.2 重力式碼頭之破壞模式 ... 7-4 圖 7.3 板樁式碼頭之破壞模式 ... 7-5 圖 7.4 板樁式碼頭之性能參數 ... 7-6
圖 7.5 圓筒式碼頭之破壞模式 ... 7-8 圖 7.6 圓筒斷面變形之破壞模式 ... 7-8 圖 7.7 圓筒式碼頭之性能參數 ... 7-9 圖 7.8 棧橋式碼頭之破壞模式 ...7-11 圖 7.9 棧橋式碼頭之性能參數 ... 7-12 圖 7.10 棧橋式碼頭理想的破壞次序... 7-13 圖 7.11 橋式起重機的圖例說明 ... 7-17 圖 7.12 橋式起重機的破壞模式... 7-18 圖 7.13 橋式起重機的性能參數... 7-19 圖 8.1 本研究建議之碼頭耐震性能驗證流程... 8-4 圖 8.2 背填土壤未液化之重力式碼頭示意圖... 8-6 圖 8.3 背填土未液化之重力式碼頭受力示意圖... 8-7 圖 8.4 重力式碼頭受震傾覆穩定性分析示意圖... 8-9 圖 8.5 重力式碼頭工址土壤可能液化狀態... 8-12 圖 8.6 Newmark 之滑動塊體分析法的觀念 ... 8-13 圖 8.7 重力式碼頭簡便動力分析(滑動塊體分析法)評估流程圖 ... 8-14 圖 8.8 以 FLAC 程式模擬重力式碼頭之分析流程圖... 8-19 圖 8.9 板樁式碼頭示意圖 ... 8-22 圖 8.10 鋼板樁圓筒式碼頭示意圖... 8-23 圖 8.11 地震時背填土壤未液化板樁式碼頭受力示意圖... 8-24 圖 8.12 作用於版樁之水壓力分布示意圖... 8-26 圖 8.13 板樁最大彎矩分析模式示意圖... 8-28 圖 8.14 板樁式碼頭工址填土可能液化狀態... 8-29
圖 8.15 地震時背填土壤未液化鋼版樁圓筒式碼頭受力示意圖... 8-30 圖 8.16 圓筒式碼頭平面應變分析模式等值拉桿計算示意圖... 8-31 圖 8.17 假想地表面示意圖 ... 8-36 圖 8.18 棧橋基樁之特徵長度示意圖... 8-37 圖 8.19 容量震譜法分析簡介圖... 8-39 圖 8.20 等位移法則示意圖 ... 8-43 圖 8.21 等能量法則示意圖 ... 8-44 圖 8.22 工址彈性反應譜 ... 8-44 圖 8.23 彈性地震需求震譜 ... 8-45 圖 8.24 非彈性地震需求震譜... 8-45 圖 8.25 ATC-40 等效阻尼比折減法 ... 8-46 圖 8.26 雙線性模式之遲滯迴圈... 8-48 圖 8.27 ATC-40 彈性需求震譜之折減示意圖 ... 8-50 圖 8.28 棧橋式碼頭基底剪力與頂層位移關係圖... 8-52 圖 8.29 棧橋式碼頭結構容量震譜(Capacity spectrum) ... 8-52 圖 8.30 ATC-40 迭代計算性能點流程圖 ... 8-53 圖 8.31 ATC-40 疊代計算性能點示意圖 ... 8-54 圖 8.32 R-T-μ修正法疊代計算性能點流程圖 ... 8-55 圖 8.33 現行港灣構造物設計基準土壤粒徑與土壤液化分析圖... 8-61 圖 8.34 液化潛能分析流程圖... 8-64
表目錄
表 4-1 港灣結構物設計基準之用途係數... 4-6 表 4-2 各型碼頭在 475 年回歸期地震作用下損壞程度最大容許值 .. 4-9 表 5-1 ATC-32 新設橋梁的設計目標... 5-3 表 5-2 FHWA 既有橋梁的補強設計目標 ... 5-7 表 5-3 FHWA 地震危害等級 ... 5-8 表 5-4 FHWA 耐震補強設計類別 ... 5-8 表 5-5 AASHTO（2009）耐震性能水準所對應各構件之可接受狀態
... 5-10 表 5-6 AASHTO（2009）下部結構消能系統所對應之性能標準 ... 5-12 表 5-7 AASHTO（2009）上部結構消能系統所對應之性能標準 ... 5-12 表 5-8 AASHTO（2009）耐震設計種類（SDC）之定義... 5-16 表 5-9 AASHTO（2009）耐震設計種類之設計要求 ... 5-16 表 5-10 AASHTO（2009）需求分析法... 5-18 表 5-11 Caltrans（2009）耐震性能標準 ... 5-24 表 5-12 Caltrans（2009）建議橋梁可採用之元件形式 ... 5-26 表 5-13 JRA（2002）耐震性能目標 ... 5-30 表 5-14 JRA（2002）橋梁結構性能水準 ... 5-31 表 5-15 RA（2002）耐震性能水準一對應各構件之可接受狀態... 5-31 表 5-16 JRA（2002）耐震性能水準二對應各構件之可接受狀態 .... 5-32 表 5-17 JRA（2002）耐震性能水準三對應各構件之可接受狀態 .... 5-33 表 5-18 JRA（2002）耐震性能一對應之性能標準 ... 5-34
表 5-19 JRA（2002）耐震性能二對應之性能標準 ... 5-35 表 5-20 JRA（2002）耐震性能三對應之性能標準 ... 5-35 表 5-21 JRA（2002）土壤參數之折減係數 DE ... 5-36 表 5-22 JRA（2002）檢核用分析方法之選擇 ... 5-40 表 5-23 RTRI（1999）耐震性能目標... 5-42 表 5-24 RTRI（1999）構件及基礎之性能水準—單柱式橋柱 ... 5-43 表 5-25 RTRI（1999）構件及基礎之性能水準—連續高架橋 ... 5-44 表 5-26 RTRI（1999）構件及基礎之性能水準—橋台... 5-44 表 5-27 RTRI（1999）構件破壞等級可接受標準... 5-45 表 5-28 Eurocode 之章節架構 ... 5-51 表 5-29 Eurocode 對結構物設計生命週期之定義 ... 5-52 表 5-30 INA 各等級耐震構造物之性能目標 ... 5-55 表 5-31 INA 國際航海協會構造物等級 ... 5-55 表 5-32 INA 各級性能水準之描述 ... 5-56 表 5-33 INA 重力式碼頭性能可接受標準 ... 5-56 表 5-34 INA 棧橋式碼頭性能可接受標準 ... 5-57 表 5-35 INA 板樁式碼頭性能可接受標準 ... 5-57 表 5-36 INA 各類分析法之應用時機 ... 5-60 表 5-37 INA 結構分析方法彙整... 5-61 表 5-38 日本港灣性能目標分類表... 5-63 表 5-39 日本港灣耐震強化設施分類表... 5-64 表 5-40 日本港灣重力式碼頭性能可接受標準值 ... 5-68 表 5-41 日本港灣板樁式碼頭性能可接受標準值 ... 5-70
表 5-42 日本港灣棧橋式碼頭性能可接受標準值 ... 5-71 表 5-43 日本港灣棧橋式碼頭基樁之性能可接受標準值 ... 5-72 表 5-44 日本港灣棧橋式碼頭渡板之性能可接受標準值 ... 5-73 表 5-45 日本港灣棧橋式碼頭結構補強材料之性能可接受標準值 .. 5-73 表 5-46 日本港灣液化預測和液化判斷... 5-77 表 5-47 日本港灣各類碼頭之分析方法... 5-80 表 5-48 美國 AASHTO 與 Caltrans 耐震性能設計規範綜整... 5-82 表 5-49 日本 JRA 與 RTRI 耐震性能設計規範綜整 ... 5-83 表 5-50 各國耐震規範地震等級之大小... 5-86 表 6-1 國內港灣構造物設計基準之三等級設計地震力 ... 6-4 表 6-2 國內建築及橋梁之中度地震所對應的回歸期概略值 ... 6-6 表 6-3 橋梁耐震設計規範之三等級地震力... 6-7 表 6-4 耐震性能水準定性規定之建議... 6-8 表 6-5 各重要度等級之碼頭特性... 6-9 表 6-6 國內現行港灣構造物設計基準之性能目標 ... 6-10 表 6-7 本研究建議之各等級碼頭所對應的耐震性能目標 ... 6-14 表 7-1 重力式碼頭性能可接受標準... 7-3 表 7-2 板樁式碼頭性能可接受標準... 7-7 表 7-3 圓筒式碼頭性能可接受標準... 7-10 表 7-4 棧橋式碼頭性能可接受標準... 7-13 表 7-5 棧橋式碼頭第 I、II 及性能水準之材料應變上限值 ... 7-15 表 7-6 起重機性能可接受標準... 7-20 表 7-7 日本貨櫃起重機之各參數容許偏差... 7-21
表 8-1 各類設計方法之應用時機... 8-2 表 8-2 結構分析方法彙整... 8-3 表 8-3 非液化工址重力式碼頭變位與安全係數之相關性 ... 8-12 表 8-4 非液化工址版樁式碼頭變位參數與安全係數之關係 ... 8-29 表 8-5 結構物分類及所屬型式... 8-49 表 8-6 阻尼修正因子κ... 8-49 表 8-7 最小容許 SRA 及 SRV... 8-50 表 8-8 各類土壤液化評估方法之應用時機... 8-66
第一章 計畫背景
1.1 研究緣起
臺灣位於環太平洋地震帶，加上海島性之氣候與海象條件，使得 臺灣之港灣構造物在其壽命中的安全性受到地震、海潮流、波浪、海 嘯、土壤液化、鹽分腐蝕等之影響，因此，如何考量構造物整個壽命 期之經濟性，據以提出合理的耐震設計規範，使所設計之港灣構造物 能滿足預期之安全度一直是目前熱門的研究課題，特別是過去之十年 內，全球發生了多次強烈地震，如 1994 年美國加州北嶺地震、1995 年日本神戶地震以及 1999 年臺灣 921 集集大地震等，均導致人員傷 亡、房屋、橋梁、道路、大壩、港灣構造物(圖 1.1~圖 1.4)、非結構構 件及設備等的倒塌與破壞，迫使先進國家之工程界針對現行耐震設計 規範重新加以檢討，以確保構造物之性能滿足使用、運作、安全、經 濟等目標。
圖 1.1 神戶地震沉箱側移引起設備破壞
圖 1.2 神戶地震沉箱側移引起起重機柱腳降伏彎曲
圖 1.3 集集地震臺中港沉箱碼頭沉陷
圖 1.4 集集地震臺中港土壤液化引起破壞
「性能工程(Performance-Based Engineering)」是一種全新的工程觀 念，它包含工程構造物之設計、施工、維護及監測的全過程，以滿足 構造物之預估性能目標，其目的在使工程構造物之設計、評析及施工，
均能保證在各種規模的荷載作用時，它們的性能特性可滿足業主和社 會之各種安全、經濟、文化、歷史需求，且對構造物整個壽命期之性 能特性的評估具有一定可靠性。「性能地震工程」(Performance-Based Earthquake Engineering 簡稱 PBEE)是「性能工程」之一支，著重於構 造物之整體系統、結構和非結構構件以及附屬設備在整個壽命期各階 段之耐震性能，並以構造物整個壽命期之耐震性能和經濟性(包括設計 費、建造費、維護費及可能之損失和修復費用)為主要設計目標，PBEE 涉及地球物理或地震學、大地工程、建築工程、結構與一般土木工程、
營建工程、社會經濟學等領域，被喻為二十一世紀耐震設計規範所遵 循之方向。
鑒於美國、歐洲、日本等國已經著手於性能設計之研究，而臺灣 也已著手推動橋梁及建築物之耐震性能設計法，交通部運輸研究所港 灣技術研究中心(簡稱「運研所」)也考慮將構造物性能設計方法應用在 港灣構造物，俾提升國內港灣工程技術之水準，使本國與國際上之工
程技術接軌，以便將來進一步建立臺灣之港灣構造物性能設計規範，
使國內之港灣工程界採用合理之工程設計，故擬與國內具港灣研究、
設計實務經驗之相關研究機構、顧問公司合作研究，以使本研究之成 果能落實及充分應用於國內之港灣工程界。
過去十數年來，性能設計理念已是國際工程界研訂技術規範的重 要議題，發展至今，歐洲與日本皆已參採用其精神與內涵，納為編訂 新世紀技術規範之基本架構，包括歐洲的 Eurocode 7、Eurocode 8 及 日本的 Geocode 21。同時於美洲及亞洲地區之韓國、新加坡、馬來西 亞、香港及中國大陸等地區，亦將此項議題納為國家規範之主要項目。
此股國際規範研究發展趨勢，更是國內公共工程未來發展不可忽視之 重要課題。為順應此國際潮流，行政院公共工程委員會自 2008 年開始 推動國內公共工程設計規範性能設計化之研究，已於 2009 年 6 月完成 適用於國內之公共工程性能設計準則，可為未來國內公共工程相關設 計規範朝性能化發展所依循。
1.2 研究目的
本計畫主要是依據 2010 年度交通部年度施政目標中第十項、提升 研發量能，並就主管法規進行檢討訂修，以推動法規鬆綁為基礎，在 順應國際潮流，並參照公共工程委員會所提出之公共工程性能設計準 則架構下，對港灣構造物耐震設計之性能化進行研究，期能提升港灣 構造物耐震設計方面之技術，並研擬出港灣構造物之耐震性能設計架 構，提供未來制訂性能設計基準之參考。
1.3 研究範圍與對象
本研究以碼頭結構物為研究對象，探討耐震性能設計之架構。
1.4 研究內容與工作項目
本研究目的為發展一港灣構造物耐震性能設計架構，與國際工程 規範之潮流接軌，供日後港灣構造物耐震設計之用。工作重點包含現 行港灣結構物設計基準耐震設計之檢討與國外相關規範之研析，對於 港灣構造物耐震性能設計要求、耐震性能規定與耐震性能驗證方法等 方面進行港灣構造物耐震性能設計準則架構之研擬。再根據前述耐震 性能設計準則架構為基礎，針對各種類型之港灣碼頭構造物耐震性能 設計與檢核方法進行研究，包含沉箱式碼頭、板樁式碼頭與棧橋式碼 頭耐震性能設計程序之研擬，未來建立此三大類型港灣碼頭構造物之 設計檢核示範例，供工程師設計參考之用。主要工作項目如下：
1. 國內設計基準之概況
2. 美、歐、日性能設計準則之比較探討 3. 耐震性能設計要求之探討
4. 耐震性能規定探討 5. 耐震性能驗證方法探討
1.5 研究方法及進行步驟
本研究係藉由文獻資料蒐集與彙整分析，以及與港研中心合作之 方式，分析國內設計基準概況，分析比較國外性能設計準則，並依據 國內耐震性能設計準則之架構，探討港灣構造物耐震性能設計要求、
耐震性能規定與耐震性能驗證方法等，提出港灣構造物耐震性能設計 準則架構之研擬。再根據前述耐震性能設計準則架構為基礎，針對各 種類型之港灣碼頭構造物耐震性能設計與檢核方法進行研究，包含沉 箱式碼頭、板樁式碼頭與棧橋式碼頭耐震性能設計程序之研擬，並分 期中、期末提送成果。
採用之步驟如圖 1.5 所示。
耐震性能規定探討
美、歐、日性能設計準則之比較探討
國外性能準則 國內設計基準
資料蒐集與彙整 國內設計基準之概況分析 國內、外研究報告
提送期末報告 耐震性能設計要求之探討
提送期中報告
研究結束 研究開始
耐震性能驗證方法探討
圖 1.5 研究步驟流程圖
第二章 耐震性能設計法概述
2.1 耐震性能設計概念
結構性能係指在外力作用下，其所遭受之破壞及這些破壞對國家 社會所造成之影響，包括對生命安全之威脅、正常功能之喪失或工作 中斷對業主及國家社會所造成之損失、須維修或補強所耗費之時間與 費用、對社會環境或歷史文化之影響等。耐震性能設計法 (Seismic Performance Design)即是以控制構造物在地震力作用下之破壞程度為 標的，該方法之基本理念在強調構造物在強烈地震力作用下之非線性 變形行為，注重構造物及附屬設施之耐震性能，並以構造物整個生命 週期之耐震性能和經濟性(包括設計費、建造費、維護費及可能之損失 和修復費用)為主要設計目標，以保證構造物能在各種不同規模的地震 力作用下，其耐震性能可滿足業主與國家社會的各種安全、經濟、文 化與歷史需求，此法為現今結構耐震設計規範所遵循之方向。
傳統之耐震設計方法係以強度的供需關係為基礎，並以構造物承 受單一特定地震力作用下之人命安全為唯一設計目標。雖此一假設使 設計方法大為簡化，但若遭遇不同頻率或強度之地震，則難以得知所 設計的構造物是否能滿足預期之結構性能及變形行為。儘管傳統之耐 震設計方法允許構造物在大地震力作用下之非彈性破壞，但這種非線 性變形僅隱含地根據構造物預期之韌性來折減設計地震力，其結構分 析方式只限於彈性範圍，此種分析方法較難反映構造物受地震力作用 之降伏消能機制及塑性行為。
另外，傳統耐震設計係要求構造物在使用年限內，有足夠的能力 抵抗某一可能發生之大地震而不造成生命損失，但結構設計及建造過 程之誤差及未來遭遇地震力大小的不確定性，使得這種耐震能力要求 仍受到威脅。以往由美國、日本與臺灣等各地所發生的震害顯示，除 人命安全外，更多的經濟損失來自於構造物或其附屬設施之損壞所帶 來的維修、補強，以及正常營運中斷等。為滿足構造物整個使用年限
之綜合經濟利益考量，性能設計法增加構造物破壞控制的耐震目標，
讓設計者及使用者均能瞭解構造物在遭遇不同強度的地震時之結構反 應及其所具有的耐震能力。
以往耐震設計規範係要求構造物設計須滿足「小震不壞」、「中 震可修」、「大震不倒」的原則，因而耐震設計規範採用構造物之重 要性係數 I 來間接表達其預期性能，該耐震要求僅定性地隱含在傳統的 強度設計法中，並未明確地加以量化，然而性能設計法則要求以直接 且透明之參數來表達構造物之破壞狀態或性能，使設計者、業主及使 用者等能充分瞭解未來在不同等級地震作用時，構造物可能產生的損 失程度及破壞狀況與使用性。性能設計法同時考量結構整體、構件與 附 屬 設 施 在 不 同 等 級 的 地 震 危 害 下 之 多 等 級 耐 震 性 能 目 標 (Performance Objectives)，並將構造物在某一設計地震危害下被期望具 有的耐震性能加以量化，以建立容許限制值(即性能標準 Performance Criteria)，如此構造物之耐震性能即可採用『在各等級設計地震作用下 分析構造物之內力、變形、能量或其他破壞指標 ≤ 性能可接受標準』
的方式進行檢核。
2.2 耐震性能設計架構與流程
結構物的耐震性能，是指其在各級地震作用下所產生的狀態，以 及這些狀態所造成的影響或後果，包括安全性、服務性、修復性等。
耐震性能設計法即是以控制結構耐震性能為標的，以符合相關安全 性、服務性與修復性等需求之耐震設計方法。該方法之基本理念主要 包括：結構物於不同等級地震危害下之耐震設計目標直觀透明；設計 由目標導向；強調結構物在強大地震作用下之非線性變形行為；注重 結構物整體系統、結構構材和非結構構材以及附屬設備在整個生命週 期各階段之耐震性能；確保結構物滿足設計目標具有滿意的可靠度或 可接受震害之風險。一般國際間之耐震性能設計法的設計流程與架構 內容如圖 2.1 及圖 2.2 所示，本研究亦以該架構為主軸，後續將分別探 討「耐震性能要求」、「耐震性能規定」、「性能驗證方法」，前述
性能要求、性能規定、驗證方法係採國內「公共工程性能設計基準」
之 詞 彙 ， 其 中 性 能 要 求 即 為 國 際 間 通 稱 的 性 能 目 標 (Performance Objectives)，性能規定則為性能標準(Performance Criteria)，驗證方法即 分析方法(Analysis)，因國內外相關性能規範皆採用相同慣用之性能設 計法專有名詞，故後續報告撰寫所用之專有名詞仍依國際慣用者為 佳，較易使讀者了解，未來在進行規範修訂時可再視專家學者之建議 編訂。上述整體性能設計架構內容之詳細說明如下。
圖 2.1 耐震性能設計法之設計流程
1. 概念設計階段 (1) 選擇性能目標
概念設計階段首先要建立性能目標及性能標準，性能目標 是以「定性」的描述方式訂立結構物性能要求，而性能標準是 將結構物之性能目標轉化成「定量」的性能規定來表示。上述 之性能目標與標準之內容則包括地震等級之定性劃分與地震 力定量表達方式，以及所對應性能水準之定性劃分與定量表 達。
(2) 工址可建性
工址可建性分析除了了解工址所在地區之環境敏感特性 以外，主要需明確分析工址地盤土壤特性，包括：地質、地形、
週遭地震活動狀況及其他潛在危害(如斷層破裂、土壤液化、
海嘯等)，例如：對港灣構造物所在位置土壤液化潛能之分析，
了解該工址土壤液化之可能性，確定耐震性能目標是否可以達 到，否則應經由 a. 地盤改良或變更基礎設計； b. 遷移工址；
c. 修改設計性能目標等方式進行調整，以保證所選定之工址、
設計及營造方法最終能使構造物滿足業主及規範之性能要求。
(3) 系統規劃
不經由具體設計而確定構造物形狀、結構系統、結構佈 置、基礎、非結構構材以及材料，需設計者的經驗、直覺和判 斷，主要目的在於減小因結構分析或不確定因素所造成分析結 果與結構之真實行為之間的差異。
2. 具體設計階段
概念設計階段結束後，方能進行實體設計，即經由數值分析計 算出設計地震力作用下之相關地震力反應參數(如應力或應變、韌性 比、變形、能量或其他破壞指標等)，並與概念設計階段所建立之性
能目標參數之標準值或可接受值比較，以『在各地震危害等級下，
分析所得之結構量化反應(如應力或應變、韌性比、變形或其他破壞 指標)<=性能標準值』為結構性能之可接受標準。
初步設計可以經由兩種方式進行，其一為採用傳統之設計方 法，例如，對非剛性結構之棧橋式碼頭，以地震譜加速度係數確定 設計強度，再擬定構造物之細部尺寸；其二為根據既定之性能目 標，以特別之分析方法計算其滿足性能目標所需之設計強度，再確 定構造物之細部尺寸，例如以“位移”作為性能指標來進行設計；而 前者被稱為間接位移設計法，該方法從力著手，重點在於「如何確 保結構在設計地震力作用下之位移小於所定之目標位移」；後者被 稱為直接位移設計法，該方法從目標位移著手，重點在於「尋找結 構在設計地震力作用下要滿足目標位移時所需之結構設計強度」。
初步設計擬定了細部尺寸後，需再根據性能目標之高低，選用合理 的數值分析方法，計算設計地震力作用下之相關反應參數，並與性 能標準值比較來校核性能目標是否達到，若計算所得構造物之性能 未能滿足設計性能目標之要求，則須修改原設計，再以同樣的方式 校核，直到滿足既定之設計性能目標，才完成最終設計。所以，性 能設計流程是一「設計+檢核」之循環過程，一般考量設計與計算 效率，則可採用少量性能目標進行初步設計，而以較多性能目標進 行檢核之方式完成最終設計。
3. 實施階段
沒有營造品質保證，再好的設計都將無效，所以，性能設計法 強調優良的營造品質是構造物達到耐震設計所預期性能目標之保 證，結構物使用期間良好的維護和檢監測，亦是保持其預期耐震性 能之必要措施。因此，建立既有港灣構造物維護管理監測系統之重 要性不可忽略，但相關性能設計法實施階段之具體細則非本研究工 作內容，故在此不詳述。
性能目標(定性) 性能標準(量化)
工址可建性 系統規劃
設計審查、施工品保、維管
(使用期檢監測、系統識別、防救災-地震速報、地震災損、地震保險、緊急應變、體制建立) 生命
週期 經濟 性
流程 概念 關鍵內容
地震等級
性能水準
工址特性 整體設計要求
耐震能力>耐震需求 (Capacity>Demand)
等級劃分 表達方式 確定方法 地盤特性 特殊效應 等級劃分 定性表述 性能參數
量化性能可接受標準 工址可建性(如土壤液化潛能) 基本準則
提高耐震能力 破壞或降伏機制
數值分析模型(材料、構才行為)
各種設計方法(強度、位移、能量、破壞指標、容量設計等) 數值分析方法(線性/非線性靜力或動力分析)選擇應用時機 性能評估方法(e.g.容量震譜、位移係數法、歷時分析) 補強方法(系統、構材)
主動﹑被動及混合控制、
隔震、消能減震、 特殊材 料、性能監測
實體設計
定值法 機率法 工址特定地震力
一般 特定 概念
設 計
具體 設計 實施
地震危害 度分析
圖 2.2 耐震性能設計法之架構與內容
如上所述可知，構造物的性能設計法研究之首要任務即是根據構 造物之重要性及發生破壞後可能引發之危害度，去建立各等級之耐震 性能設計目標，如圖 2.3 及圖 2.4，包括各地震等級與對應的性能水準。
圖 2.3 耐震性能目標劃分示意圖
地 震 力
變形量
彈性階段 完好無損
破壞控制 小修可用
結構不倒
生命安全 結構崩塌
圖 2.4 構造物性能水準示意圖
第三章 文獻蒐集與回顧
1. 美國：
自 1989 年 Loma Prieta 地震後，為兼顧基礎設施的使用機能、
可修復性、安全性與經濟性，從既有基礎設施評估補強到新建設施 設計，美國開始引進耐震性能設計法。特別自 1992 年起，美國由 聯邦危機災害管理局（ Federal Emergency Management Agency, FEMA）贊助，經由如應用技術委員會（Applied Technology Council, ATC）或各大學地震工程研究中心等其他機構執行，針對既有建築 物之防災、新建建築物之耐震設計，引進耐震性能設計理念。1995 年 Vision 2000 [SEAOC 1995[16]]性能設計初步架構提出至今，相關 性能設計理念之架構、設計方法、評估方式等研究報告[ATC-32 1996[17]、ATC-40 1996[18]、FEMA-273 1997[22]、FEMA-350 2000[30]、 FEMA-356 2000[31]、FEMA-368 2000[32]、NCHRP 2001[34]、MCEER 2001[35]、ATC-49 2003[43]、FEMA-450 2003[44]、FEMA-440 2004[45]、 IAEE 2004[47]]紛紛出爐，這些研究報告為其後續規範或設計指針 [SEAOC 1999[27]、IBC 2000[33]、IBC 2003[42]]之研擬奠定了基礎。例 如 美 國 聯 邦 高 速 公 路 總 局 （ Federal HighWay Administration, FHWA）針對既有橋梁之耐震補強設計，依據服務年限以及重要 度，建立不同橋梁在兩等級地震下的耐震設計性能目標，並結合工 址設計反應譜劃分為不同耐震設計類別，分別選用適宜的分析方法 來設計，其中，特別強調能夠反應結構非線性行為之非線性靜力分 析與容量震譜法。美國高速公路橋梁 LRFD（Load and Resistance Factor Design）耐震設計指針中，就特別強調性能目標、系統與構 件 之 規 劃 、 容 量 震 譜 法 。 美 國 州 公 路 及 運 輸 協 會 （ American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO）
之「Guide Specifications for LRFD Seismic Bridge Design」[AASHTO 2009[51]]亦採用性能目標結合工址設計反應譜定義不同耐震設計類 別，再選用適宜之分析方法來檢核整體與構件之耐震性能。為完善
與落實耐震性能設計法於工程實務中，相關研究仍在持續進行。
2. 日本：
1995 年 Kobe (Hyogoken-Nanbu)地震後，日本特別對結構構件 以及非結構構件所造成的嚴重災害提出今後耐震設計須考量兩個 等級之地震危害，亦即是現行規範引進性能設計法之核心[日本土木 學會 2000[61]]，同時還需探討工址地盤的特性以及構造物之變形行 為。例如日本道路橋示方書耐震設計篇[日本道路協會 2002[72]]考量 兩等級設計地震，建立不同重要度橋梁之耐震設計目標，以使用 性、可修復性與安全性作為設計原則，強調耐震性能檢核之程序、
分析評估方法與檢核內容。日本鐵道構造物等設計標準．同解說- 耐震設計[日本鐵道综合技術研究所 2002[74]]同樣針對不同重要度 橋梁，考慮兩等級設計地震訂定性能目標，強調結構韌性、破壞控 制、結構不倒，性能由可修復性來定性表述，並與構件損傷等級、
基礎穩定性等級相關，性能目標之量化標準非常明確，同樣強調以 耐震性能檢核方式來滿足性能設計目標。
3. 港灣構造物：
在港灣構造物規範訂立方面，日本港灣設施之耐震設計規範自 1951 年建立以來也經歷了多次變革，除了 1979 年首次明確指出要 評 估 土壤 液 化之潛 能 以外 ， 均以採 用 耐震 係 數或震 度 (Seismic Coefficient)之擬靜力分析方法；1999 年「港灣設施技術上基準、同 解說」[55]在既有以擬靜態地震側向力分析之基礎上修改耐震係數及 構造物之重要性係數(Importance Factor)，除了考量地盤之影響外，
採用兩個等級地震危害，並對一般構造物以及特定構造物相應之性 能提出具體要求，並力求量化；2007 年「港灣設施技術上基準、同 解說」[99]將碼頭按重要度依序分為「耐震強化碼頭」與「一般碼頭」
兩種，而耐震強化碼頭又依使用性分為「緊急」、「主要」、「標 準」三種，再依據「地震等級」與所期望的「損害情形」將碼頭耐 震性能目標作定義，並以破壞機率與變形量限制作性能可接受標
準。2001 年國際航海協會(International Navigation Association，原 名 Permanent International Association for Navigation Congresses) [INA 2001[36]]所頒布之港灣構造物耐震設計準則為第一本國際性準 則，由包括阿爾及利亞、加拿大、丹麥、德國、希臘、義大利、日 本、荷蘭、西班牙、英國及美國等 11 個國家之專家共同研擬，該 準則除了比較各國規範之特色，同時也反應了各種港灣構造物之不 同性能，指出現行在某一等級設計地震下基於力量之設計方法，可 能無法滿足構造物在遭遇其他等級地震力下之性能，特別強調高危 害度或特別重要之構造物在烈震下也需維持其使用性。
4. 臺灣：
臺灣地處環太平洋地震帶，受歐亞大陸板塊與菲律賓板塊碰撞 擠壓影響，臺灣每年發生地震（含有感與無感地震）的次數平均不 下一萬次，島上結構物隨時有遭受地震襲擊的可能。民國 88 年 9 月 21 日臺灣地區發生了規模 7.3 的南投縣集集大地震，造成許多橋 梁發生落橋、橋柱剪力破壞、撓曲破壞、撓剪破壞，接合錨碇處破 壞、大梁位移、橋墩傾斜或斷裂等。為因應技術發展及國際化需求，
國內開始進行耐震性能設計相關研究，包括耐震性能設計理念及設 計方法[張國鎮等 2001[67]、薛強 2002[75]、廖文義等 2003[79]、蔡克銓 等 2003[80]、宋裕祺與蔡益超 2004[82]、鄧崇任等 2004[83]、薛強與吳 嘉偉 2004[84]、王仲宇與李明山 2005[91]、鄧崇任等 2009[103]]，以提 升理論方法至國際水準。大約從 2003 年開始，某些業主要求採用 耐震性能設計理念來評估既有基礎設施之耐震能力，但工程師們卻 因國內缺乏本土規範或設計指針，對於如何進行耐震性能設計或評 估感受到很大挑戰。工程實務中，國內亦從工址微分震區設計地震 反應譜、考慮近斷層及土壤特性、考慮多等級地震之耐震設計，到 採用非線性分析方法等，於近期更新之建築物[內政部營建署建築研 究所 2005[92]]、鐵路橋梁[交通部 2007[97]]與公路橋梁[交通部 2008[100]] 耐震設計規範中引進部分耐震性能設計理念。另外，亦提出建築物 耐震性能設計規範草案[蕭江碧等 2004[85]、薛強等 2005[93,94]、鄧崇
任等 2007[98]]、鐵路橋梁耐震性能設計法研究成果[張國鎮與劉光晏 2004[86]]以及公路橋梁耐震能力評估及補強準則[張國鎮、蔡益超、
宋裕祺等 2009[104]]。以上國內外規範回顧之詳細內容將於後續第四 章、第五章作說明。
性能設計理念發展至今，以美國、歐洲、日本為主的許多國家皆 已採用其精神與內涵，納為編訂新世紀技術規範之基本架構。亞洲土 木工程聯盟（Asian Civil Engineering Coordinating Council, ACECC）現 以日本土木工程學會（Japan Society of Civil Engineers, JSCE）為主導，
持續推動亞洲區域規範之整合（Asian Code Harmonization），並於 2007 年 6 月 臺 北 舉 辦 之 第 四 屆 亞 洲 土 木 工 程 會 議 （ The Fourth Civil Engineering Conference in the Asian Region, 4th CECAR）上，通過成立 以「亞洲區域規範整合」為主題之技術委員會，確認以性能設計及限 度設計等設計準則，為未來制訂設計規範之基礎，並著手發展相關研 究。目前在亞洲地區，除了日本已經在相關領域有了具體之成果外，
韓國、新加坡、馬來西亞、香港及中國大陸等地區，亦已陸續啟動相 關研究機制。此股國際規範研究發展趨勢，受到行政院公共工程委員 會的重視，於 2009 年推出「公共工程性能設計準則」[國家地震工程研 究中心 2009[105]]，並希望各部會配合落實，研議推動本土化之性能設 計規範。
第四章 國內設計基準之概況
4.1 公共工程性能設計準則
4.1.1 公共工程性能設計準則之主架構
公共工程委員會提出上位「公共工程性能設計準則」之主架構如 圖 4.1，針對下位性能設計規範之主要規定如下：
1. 編訂下位性能設計規範時，應遵守下列規定：
(1) 應參照本總括設計規範。
(2) 應尊重相關之國際規範或準則。
2. 編訂下位性能設計規範時，應力求實踐下列基本方針：
(1) 呈現性能設計法之基本考量與設計規範體系、架構及格式。
(2) 促進結構設計相關人員積極地交流溝通資訊，獎勵合理的設 計。
(3) 獎勵因應環境與價值觀變遷以及科技進步所發展之新技術。
(4) 與國際性能設計規範趨勢進行整合。
(5) 逐步地改善傳統設計方法。
3. 編訂下位性能設計規範時，應涵括下列事項：
(1) 規定結構物性能要求之方法。
(2) 針對所指定的性能要求，結構物設計時需驗證之事項。
(3) 可接受之驗證方法（含驗證審查制度與機構）。
(4) 定義結構物設計與設計規範之用語。
PBD1 公共工程 基本載重定義篇 載重定義篇
性能要求階層
PBD0 公共工程 總括性能設計規範 用語定義＋總論
＋目的階層
PBD2 建築物 性能設計規範
各特定性能設計規範 PBD2-1, 2-2,
特定性能基準 驗證程序B&A
PBD3 大地工程 性能設計規範
各特定性能設計規範 PBD3-1, 3-2,
特定性能基準 驗證程序B&A
PBD4 □ □ □ 性能設計規範
各特定性能設計規範 PBD4-1, 4-2,
特定性能基準 驗證程序B&A 性能基準階層
特定性能 要求階層
驗證程序階層
PBD1 公共工程 基本載重定義篇 載重定義篇
性能要求階層
PBD0 公共工程 總括性能設計規範 用語定義＋總論
＋目的階層
PBD2 建築物 性能設計規範
各特定性能設計規範 PBD2-1, 2-2,
特定性能基準 驗證程序B&A
PBD3 大地工程 性能設計規範
各特定性能設計規範 PBD3-1, 3-2,
特定性能基準 驗證程序B&A
PBD4 □ □ □ 性能設計規範
各特定性能設計規範 PBD4-1, 4-2,
特定性能基準 驗證程序B&A 性能基準階層
特定性能 要求階層
驗證程序階層
圖 4.1 公共工程性能設計準則之架構
4.1.2 建議之下位性能設計規範基本架構
「公共工程性能設計準則」所建議之下位性能設計規範基本架構 如圖 4.2 所示。其中，目的係指建造目的，性能要求即為性能目標，性 能規定即為性能標準，要求以定量方式加以驗證。
目的
性能要求
性能規定
驗證方式 A 驗證方式 B
特定性能設計規範 基本性能設計準則
性 能 需 求
驗 證
圖 4.2 性能要求、驗證及規範之階層概略圖
1. 性能要求
即性能目標，說明在達成建造目的之前提下，結構物應具備之 性能，例如房屋在災難地震時不致倒塌。結構性能要求甚廣，耐震 能力僅為其中一部份，一般而言其包括安全性、使用性、施工性與 經濟性。
2. 性能規定
(1) 性能規定由結構限度狀態指標的最大值、最小值規定。
(2) 在設定性能規定時應考量結構物之重要性。
(3) 設定性能規定時，性能要求與性能規定所設定內容之間的關 係，應該透明化，並讓設計者清楚地瞭解。
(4) 對於可能發生人員傷亡之結構物，應詳細說明安全方面之性能 規定。
(5) 對於無法導出性能規定可供驗證之性能要求項目，在設計時宜 充分地加以考量。
3. 性能驗證
在有關性能設計之性能驗證方式方面，圖 4.1 所示之架構採取 兼容並蓄的策略，提出如圖 4.2 所示之不同的結構性能驗證方式，
驗證法 A 與 B 等二種，以使既有之特定性能設計規範藉由驗證方 法得以和性能規定銜接。
以驗證方式 A 為範例，性能設計驗證程序中，設計者僅知道結 構物的性能要求，在給定這些要求下，設計者需驗證其設計，並將 結果呈送主管機關審核。在設計檢核層面，性能規定僅針對各類構 造物（例如：基礎、擋土牆等地工構造）所需檢核之項目，提列參 考基本公式，目的是使主管機關方便整理檢查列項，以為審查設計 者所提設計成果之依據，故可使設計方式有相當大之彈性。
驗證方式 B 則在設計檢核時根據特定設計規範（例如交通部道 路規範等）訂定的程序進行驗證。
4.2 本國港灣構造物設計基準
國內現有設計規範多為各事業主管機構以及各學會各自訂定，諸 如內政部營建署的建築技術規則、建築物耐震設計規範、鋼筋混凝土 構造設計規範、鋼構造建築物鋼構設計規範、建築物基礎構造設計規 範、交通部的公路橋梁設計規範、鐵路橋梁設計規範、港灣構造物設 計基準，以及其他各事業主管機構的設計或施工規範等等，各規範間 雖有很多重疊的部分，但各規範的設計準則與方法間亦存在相當多的 差異。
過去港灣構造物設計基準，分成兩部，為民國 85 年版「防波堤設 計基準及說明」與民國 86 年版「碼頭設計基準及說明」，期間交通部 曾於八十九年因應九二一地震修訂部份條文，交通部運輸研究所亦曾 於九十一年度進行「耐震設計修訂」之研究[56,60,76]。
隨著建築物耐震設計由震區係數改進為譜加速度係數，因此交通 部運輸研究所於民國 94 年對『防波堤設計基準及說明』及『碼頭設計 基準及說明』基準之內容及編排方式進行檢討改編，除將設計地震力 按建築物耐震設計規範將原震區係數改為譜加速度係數的方式，並將 原先之「基準」及「基準說明」合併以便閱讀，以及「碼頭」與「防 波堤」兩部份合併而不再各印單行本，另又增加「第四篇—預鑄混凝 土構件」及「第六篇—水域設施」，使我國港灣基準規範能符合當時 國內規劃設計所需[87]。
以下各小節將針對現行規範，依「性能目標」、「性能標準」、
「結構系統」、「土體與水體作用力」、「土壤液化」、「設計分析 方法」六大項進行分類回顧討論。
4.2.1 性能目標
於耐震設計基本要求中規定：確保設計之碼頭結構體在中度地震 時能維持原有功能；設計地震時容許產生損傷，但可修復；最大考量 地震時避免產生崩塌。該基本設計要求是針對一般性碼頭而言，對於 重要度高之碼頭，由調整用途係數提高設計地震力來間接提高其設計 目標。
4.2.1.1 地震等級
現行碼頭結構就其結構特性而言，可分為剛性結構物與非剛性結 構物兩種，前者如重力式碼頭，後者如棧橋式碼頭。碼頭結構設計依 結構物之用途、功能要求及不同地震之回歸週期，其耐震設計目標可 區分為下列三部份：
1. 中度地震：
為回歸期約 30 年的地震，其 50 年超越機率約為 80%左右。
2. 設計地震：
為回歸期 475 年之地震，其 50 年超越機率為 10%左右。
3. 最大考量地震：
為回歸期 2500 年之地震，其 50 年超越機率為 2%左右。
4.2.1.2 性能水準
以基本設計要求所考量之一般碼頭為準，所考慮之三個地震等 級，亦對應有三個性能水準，分別為「維持原有功能」、「損傷可修 復」、「避免崩塌」。重要碼頭之性能水準則以用途係數間接提高。
1. 中度地震：
因為結構在此使用年限中遭遇中小度地震的機率甚高，因此要
求結構物在此地震水平下結構物維持在彈性限度內，地震過後，結 構物主體沒有任何損壞。對剛性結構物如重力式碼頭而言，在 30 年 回歸期之地震發生時，不得產生滑動、傾覆，亦不得產生結構體強 度與基礎承載力不足之任何破壞。
2. 設計地震：
在此地震等級下結構物不得產生嚴重損壞，造成嚴重的人命及 財產損失，且必須可以修復；具韌性材料之構造物，其結構物產生 的韌性比不得超過其容許韌性容量。
3. 最大考量地震：
設計目標為在此強烈地震下結構主體不致產生崩塌，在此設計 目標下韌性結構物允許使用之韌性可達到其韌性容量。在配合動力 分析的情況下，針對特殊耐震與高重要性碼頭結構，其在 2500 年 回歸期之地震作用下，最大容許破壞值不得高於上述 475 年回歸期 地震作用下之設計水準。
4.2.1.3 重要度分類
於用途係數部份，在計算設計地震力時，為提高重要性結構物的 耐震標準，或降低不重要結構物的耐震標準，港灣結構物設計基準乃 依據結構物之特性將其用途係數值加以區分為「特定」、「A 級」、
「B 級」、「C 級」等四種類別。
表 4-1 港灣結構物設計基準之用途係數
等 級 碼 頭 之 特 性 用途係數 特 定 明顯具有 A 級結構物之特性 1 至 3 項之情形者 1.5
A 級
1.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
1.25
等 級 碼 頭 之 特 性 用途係數 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 級 凡不屬於特定、A 級、C 級者 1.0
C 級 特定及 A 級以外之小規模結構物，復舊作業容易者 0.8
4.2.2 性能標準
可分為「地震等級量化」與「可接受性能標準」兩部份。
4.2.2.1 地震等級量化 1. 反應譜
提供 30 年回歸期中度地震、475 年回歸期設計地震、2500 年 回歸期最大考量地震對應之反應譜。
地震等級 地震力計算公式
30 年回歸期： W
F S V IF
u m aD y
u
2 . 4
*
475 年回歸期： W
F S V I
u m aD y
4 . 1
2500 年回歸期： W
F S V I
uM m aM y
M
4 . 1
特別針對強地動特性、微震區之劃分、近斷層特性以及地盤特 性等加以考量，將舊規範中工址水平加速度係數 Z 與工址正規化水 平加速度反應譜係數 C 之乘積改為工址設計水平譜加速度係數 SaD，此係數與震區堅實地盤短週期與一秒週期之設計水平譜加速度 係數SSD與S1D有關，各鄉鎮市區之此二數值依地震危害度分析提供 之。此外，再根據地盤種類增列反應譜等加速度段之工址放大係數
Fa及反應譜等速度段之工址放大係數 Fv修正之。如屬近斷層區域之 工址，則再增列近斷層調整因子 NA與 NV。第一類斷層近域之調整 因子係由鄉鎮市區所鄰近之斷層進行查表獲得。
另外為提升結構物抵抗垂直向地震之能力，垂直地震力應做適 當之考量，尤應注意水平構材的垂直地震效應。垂直向之設計譜加 速度係數 SaD,V可藉由水平向之設計譜加速度係數 SaD定義如下。
一般震區：SaDV SaD 2 1
,
近斷層區域：SaDV SaD 3 2
,
在垂直地震力的考量上，剛性結構物相較於非剛性結構物而 言，其主要差別乃在於結構物之基本震動週期，是以在垂直地震力 的設計方面和非剛性結構物之設計並無多大差異性，只將原水平向 之設計譜加速度係數 SaD 改以工址短週期水平譜加速度係數 SDS 替代之。
2. 加速度歷時
(1) 每一方向至少三組與設計反應譜相符之歷時記錄；
(2) 5%阻尼比之譜加速度值在 0.2T 至 1.5T 週期範圍內不得低於 設計反應譜加速度值之 90%，且其平均值不得低於設計反應譜 加速度值之平均值；
(3) 近斷層水平地震記錄應能反應其近斷層地震特性，且應轉換為 垂直於斷層方向之平面主方向。
4.2.2.2 可接受性能標準
各類碼頭在回歸期 475 年之地震發生時，在不影響主要使用功能 且其損壞得以在短時間內修護的前提下，其容許損壞程度表示如表 4-2。
表 4-2 各型碼頭在 475 年回歸期地震作用下損壞程度最大容許值
重力式 及 板樁式
壁體 正規化水平位移角或位移 d/H<1.5% 或 d<30cm 向海側傾斜角 <3o
岸肩
不均勻沉陷量 <10cm 岸肩與後線陸地之沉陷差 <50cm 向海側傾斜角 <3o
棧橋式 鋼管基樁 容許韌性比 1.25+62.5(t/D)
4.2.3 結構系統
4.2.3.1 非剛性結構物
非剛性結構物，如棧橋式碼頭等，其設計地震力應考慮結構物因 週期不同，加速度之放大或縮小而使用不同地盤的工址設計水平譜加 速度係數。此等結構物必須設計為具有韌性，因此可使用結構系統地 震力折減係數 Fu 。
4.2.3.2 剛性結構物
在設計地震力的分析方面，對於剛性結構物而言，主要是針對基 本振動週期低於 0.06 秒之剛性結構物而訂，除了所屬震區之基本考量 外，亦可同時納入鄰近工址斷層之評估，對設計地震力作一較為細部 的估算。其先行求出結構位址之設計震度 Kh，而後再乘以結構本體之 靜載重即可求得當地之設計地震力。公式如下所示：
當結構基本週期趨近於零，則 SaD=0.4SDS;
W K IW W S
I
V S h
y DS y
aD
h
3
2 . 1
其中 Vh 為設計地震力﹔I 為用途係數﹔W 為結構物全部之靜載 重﹔αy為 921 震後所修正之起始降伏地震力放大倍數；SDS則為在考量 工址地盤特性、可能斷層與震源距離等相關因素分析下所得之工址短
週期水平譜加速度係數。SaD為工址設計水平譜加速度係數，為工址水 平向之設計譜加速度與重力加速度 g 之比值。工址設計水平譜加速度 係數 SaD，隨結構基本震動週期 T 與工址短週期與一秒周期之設計水 平譜加速度係數 SDS與 SD1而改變。
4.2.4 土體與水體作用力 1. 土體作用力
對剛性結構物，如重力式碼頭與板樁式碼頭等，當進行耐震設 計時，除須考慮因壁體質量所產生的慣性力外，尚須考慮與壁體接 觸土壤在地震時作用在壁體上之動土壓。
就重力式碼頭與板樁式碼頭等而言，地震時容許其向外位移，
可使用主動動土壓，且計算動土壓的公式中，震度 K 可取設計震度 Kh，即下列公式。
y aD h
I K S
2 .
1 或
y DSI S
3
2. 水體作用力
對棧橋式碼頭等非剛性水中結構物於地震時，水體作用之力主 要為拖曳力及附加質量效應。作用於樁上之曳力與樁體地震時的絕 對速度的平方成正比，附加質量則與樁體排開水的質量有關。考慮 曳力作用時，曳力效應會稍微降低結構物地震時之反應，但結構運 動之控制方程式會變為非線性而不易求解，因此曳力對棧橋式碼頭 地震反應影響不大，在分析時若忽略曳力之作用，並不至於過度高 估結構之反應，但可使得運動方程式簡化為線性。另考慮附加質量 較應對結構物的地震反應影響較為顯著，不宜忽略，因此建議僅考 慮附加質量效應，在水中樁體的節點加上附加質量，其值為樁體排 開水的質量乘以附加質量係數 Cm，一般可取為 1.0。
對剛性結構物，如重力式碼頭與板樁式碼頭等，當進行耐震設
