港灣構造物耐震性能設計架構之 研究(3/4)

102-

MOTC-IOT-102-H1DB006a

港灣構造物耐震性能設計架構之 研究(3/4)

交 通 部 運 輸 研 究 所

中 華 民 國 103 年 2 月

102-

MOTC-IOT-102-H1DB006a

港灣構造物耐震性能設計架構之 研究(3/4)

著 者：賴瑞應、顧承宇、張景鐘、曾韋緐、陳明鈺 余孟勳、蔡勇賢

交 通 部 運 輸 研 究 所

港灣構造物耐震性能設計架構之研究

(3/4)

交通部運輸研究所

102

GPN： ISBN： (全套: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，

港灣構造物耐震性能設計架構之研究(3/4)

著 者：賴瑞應、顧承宇、張景鐘、曾韋緐、陳明鈺、余孟勳、蔡勇賢 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 103 年 2 月 印 刷 者：

版(刷)次冊數：初版一刷 100 冊 本書同時登載於交通部運輸研究所網站 定 價：全套 冊 元

展 售 處：

交通部運輸研究所運輸資訊組•電話：(02)23496880

國家書店松江門市：10485 臺北市中山區松江路 209 號 F1•電話：(02) 25180207 五南文化廣場：40042 臺中市中山路 6 號•電話：(04)22260330

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(3/4) 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 計畫編號 MOTC-IOT- 102-H1DB006a 本所主辦單位：港研中心

主管：林志明

計畫主持人：賴瑞應 聯絡電話：04-26587170 傳真號碼：04-26564418

合作研究單位：國立臺灣海洋大學 計畫主持人：顧承宇

協同主持人：張景鐘

研究人員：曾韋緐、陳明鈺、余孟勳、蔡勇賢 地址：20224 基隆市中正區北寧路 2 號

聯絡電話：(02)24622192

研究期間 自102 年 01 月 至102 年 11 月

關鍵詞：耐震設計、性能設計、板樁式碼頭 摘要：

本研究為第三期研究計畫，主要是板樁式碼頭耐震性能設計案例研究並將依過去兩年 期所得之研究成果，開始著手探討現行碼頭設計基準之研修，藉由第一期計畫所研究之成 果，如港灣構造物耐震性能設計目標、耐震性能規定與耐震性能驗證方法等，建立板樁式 碼頭之耐震性能設計程序，而後經由設計示範例規劃，訂定適當且具代表性的設計條件，

以進行板樁碼頭的耐震性能設計案例實作，另外再針對前述各項研究結果來探討目前建議 之性能設計法的適宜性，最後依過去兩年期所得之研究成果，開始著手探討現行碼頭設計 基準之研修。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

103 年 2 月 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：

□限閱 □機密 □極機密 □絕對機密

（解密【限】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: A Study on Performance-Based Seismic Design Framework of Port Structures (3/4)

ISBN(OR ISSN) ISBN

GOVERNMENT PUBLICATIONS NUMBER

IOT SERIAL NUMBER PROJECT NUMBER MOTC-IOT- 102-H1DB006a DIVISION: Harbor & Marine Technology Center

DIVISION DIRECTOR: Chih-Ming Lin PRINCIPAL INVESTIGATOR: Jui-Ying Lai PHONE: (04) 26587170

FAX: (04) 26564418

PROJECT PERIOD FROM January 2013 TO November 2013

RESEARCH AGENCY: SINOTECH ENGINEERING CONSULTANTS, INC.

PRINCIPAL INVESTIGATOR: Cheng-Yu Ku

Co-PRINCIPAL INVESTIGATOR: Ching-Chung Chang

PROJECT STAFF: Wei-Fan Tseng, Ming-Yu Chen, Meng-Hsun Yu, Yung-Hsien Tsai ADDRESS: 2 Pei-Ning Road, Keelung 20224, Taiwan, R.O.C.

PHONE: (02) 24622192

KEY WORDS: Seismic Design; Performance-Based Design; Sheet-Pile Wharf ABSTRACT:

The third year project focuses on the performance-based seismic design case studies of sheet pile wharves. Based on study results from previous two years, we initiate the revision of Standards for Harbor Structure Design. By means of the research results of the previous phases of the project, such as the performance objectives and corresponding acceptance criteria of damage parameters and analysis methods of wharf structures, the performance-based seismic design procedure for the sheet pile wharves can be established. Then, using the appropriate and representative design conditions, a practical design case study of the sheet pile wharf can be conducted. Furthermore, the discussion of the applicability between the suggested performance-based design and the current design standard is addressed as well. It is expected that the research result can be used to improve domestic design and research standard to catch up with the international technology development.

DATE OF PUBLICATION February 2014

NUMBER OF PAGES PRICE

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(3/4) 目 錄

中文摘要 ... I 英文摘要 ... II 圖目錄 ... VII 表目錄 ... XV 第一章 計畫背景 ... 1-1

1.1 研究緣起 ... 1-1 1.2 研究目的 ... 1-6 1.3 研究範圍與對象 ... 1-6 1.4 研究內容與工作項目 ... 1-6 1.5 研究方法及進行步驟 ... 1-8 第二章 板樁式碼頭設計流程之建立 ... 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 2.2.1 第一階段設計 ... 2-3 2.2.2 第二階段驗證 ... 2-15 2.3 板樁式碼頭耐震性能第一階段設計 ... 2-18 2.3.1 設計範例基本條件 ... 2-18 2.3.2 建立性能可接受標準 ... 2-18 2.3.3 結構系統 ... 2-22 2.3.4 土壤液化評估 ... 2-23 2.3.5 初步設計 ... 2-26

2.4 板樁式碼頭耐震第二階段驗證 ... 2-26 2.4.1 簡化分析法 ... 2-27 2.4.2 簡化動力分析法(滑動塊體分析法) ... 2-32 2.4.3 動力分析法 ... 2-36 第三章 板樁式碼頭設計例實作 ... 3-1 3.1 碼頭概述 ... 3-1 3.1.1 設計目標 ... 3-1 3.1.2 設計基準 ... 3-1 3.1.3 自然條件 ... 3-2 3.2 耐震性能要求與規定 ... 3-3 3.2.1 性能要求 ... 3-3 3.2.2 性能規定 ... 3-3 3.3 構造物系統規劃 ... 3-7 3.4 土壤液化評估 ... 3-7 3.5 初步設計 ... 3-10 3.5.1 地震力係數計算 ... 3-10 3.5.2 碼頭設計斷面與參數表 ... 3-11 3.5.3 安全性檢核 ... 3-12 3.6 驗證分析 ... 3-16 3.6.1 等級 I 地震性能驗證檢核 ... 3-16 3.6.2 等級 II 地震性能驗證檢核 ... 3-20 3.6.3 等級 III 地震性能驗證檢核 ... 3-47 3.7 設計結果說明 ... 3-86 第四章 板樁式碼頭之性能適宜性探討 ... 4-1 4.1 性能設計與地震等級之對應 ... 4-1

4.2 性能規定 ... 4-1 4.3 初步設計之適宜性探討 ... 4-3 4.4 案例分析方法適宜性探討 ... 4-3 4.5 簡化分析與構件檢核之結合 ... 4-5 4.6 等級 I 與等級 II 之非線性動力分析結果與比較 ... 4-7 4.7 非線性動力分析適宜性探討 ... 4-9 第五章 碼頭現行設計基準之耐震設計規定內容研修方向 ... 5-1 5.1 現行耐震設計基準 ... 5-1 5.1.1 耐震性能設計 ... 5-2 5.1.2 可接受標準 ... 5-3 5.1.3 耐震性能設計架構與流程 ... 5-8 5.1.4 非剛性構造物之設計地震力 ... 5-12 5.1.5 譜加速度係數 ... 5-17 5.1.6 韌性設計 ... 5-32 5.2 鋼鐵與混凝土材料之使用性與可修復性標準 ... 5-36 5.2.1 現行規範鋼鐵材料之規定 ... 5-36 5.2.2 現行規範混凝土之規定 ... 5-38 5.3 碼頭工程之碼頭非線性分析方法與破壞機制 ... 5-39 5.3.1 容量震譜法之概念 ... 5-39 5.3.2 碼頭破壞型式 ... 5-49 第六章 結論與建議 ... 6-1 6.1 結論 ... 6-1 6.1.1 耐震性能設計流程之建立 ... 6-1 6.1.2 板樁式碼頭設計例 ... 6-1 6.1.3 現行設計基準內容研修 ... 6-2

6.2 建議 ... 6-3 參考文獻 ... 參 1-1 附錄一 碼頭現行設計基準之耐震設計規定研修內容 ... 附錄 1-1 附錄二 動力分析邊界之分析領域探討 ... 附錄 2-1 附錄三 第一次專家學者座談會議紀錄 ... 附錄 3-1 附錄四 第二次專家學者座談會議紀錄 ... 附錄 4-1 附錄五 期中報告審查意見處理情形表 ... 附錄 5-1 附錄六 期末報告審查意見處理情形表 ... 附錄 6-1 附錄七 期末報告簡報資料 ... 附錄 7-1

圖目錄

圖 1.1 東日本大地震(碼頭的岸壁法線向海側位移) ... 1-2 圖 1.2 東日本大地震(陸海側軌道間岸間下陷) ... 1-2 圖 1.3 東日本大地震(後側地盤差異沉陷) ... 1-3 圖 1.4 東日本大地震(大面積土壤液化) ... 1-3 圖 1.5 東日本大地震(機械設備軌道彎曲變形) ... 1-4 圖 1.6 東日本大地震(鋼板樁式碼頭破壞機制) ... 1-4 圖 1.7 研究步驟流程圖 ... 1-9 圖 2.1 碼頭耐震性能設計基本設計流程 ... 2-3 圖 2.2 現行港灣構造物設計基準土壤粒徑與土壤液化分析圖 ... 2-8 圖 2.3NCEER 土壤液化潛能評估流程 ... 2-10 圖 2.4 土層之有效覆土剪應力比與修正後 SPT-N 值之關係 ... 2-11 圖 2.5 土壤之深度-折減係數關係圖 ... 2-12 圖 2.6 板樁式碼頭之破壞模式 ... 2-21 圖 2.7 板樁式碼頭之性能參數 ... 2-20 圖 2.8 板樁式碼頭標準斷面示意圖 ... 2-23 圖 2.9 板樁式碼頭工址填土可能液化狀態 ... 2-25 圖 2.10 地震時背填土壤未液化板樁式碼頭受力示意圖 ... 2-27 圖 2.11 作用於板樁之水壓力分布示意圖 ... 2-30 圖 2.12 板樁最大彎矩分析模式示意圖 ... 2-31 圖 2.13NEWMARK之滑動塊體分析法的觀念 ... 2-34 圖 2.14 板樁式碼頭簡便動力分析法評估流程圖 ... 2-35

圖 2.15 以 FLAC 程式模擬板樁式碼頭之分析流程圖 ... 2-38 圖 3.1 板樁式碼頭標準斷面圖 ... 3-7 圖 3.2 板樁式碼頭土壤性質分布圖 ... 3-12 圖 3.3 板樁式碼頭等級 II 地震之設計反應譜 ... 3-20 圖 3.4 板樁碼頭等級 II 地震第 1 組南北向人造地震反應譜 ... 3-21 圖 3.5 板樁碼頭等級 II 地震第 1 組南北向人造地震加速度歷時 ... 3-21 圖 3.6 板樁碼頭等級 II 地震第 1 組東西向人造地震反應譜 ... 3-22 圖 3.7 板樁碼頭等級 II 地震第 1 組東西向人造地震加速度歷時 ... 3-22 圖 3.8 板樁碼頭等級 II 地震第 1 組垂直向人造地震反應譜 ... 3-23 圖 3.9 板樁碼頭等級 II 地震第 1 組垂直向人造地震加速度歷時 ... 3-23 圖 3.10 板樁碼頭等級 II 地震第 2 組南北向人造地震反應譜 ... 3-24 圖 3.11 板樁碼頭等級 II 地震第 2 組南北向人造地震加速度歷時 ... 3-24 圖 3.12 板樁碼頭等級 II 地震第 2 組東西向人造地震反應譜 ... 3-25 圖 3.13 板樁碼頭等級 II 地震第 2 組東西向人造地震加速度歷時 ... 3-25 圖 3.14 板樁碼頭等級 II 地震第 2 組垂直向人造地震反應譜 ... 3-26 圖 3.15 板樁碼頭等級 II 地震第 2 組垂直向人造地震加速度歷時 ... 3-26 圖 3.16 板樁碼頭等級 II 地震第 3 組南北向人造地震反應譜 ... 3-27 圖 3.17 板樁碼頭等級 II 地震第 3 組南北向人造地震加速度歷時 ... 3-27 圖 3.18 板樁碼頭等級 II 地震第 3 組東西向人造地震反應譜 ... 3-28 圖 3.19 板樁碼頭等級 II 地震第 3 組東西向人造地震加速度歷時 ... 3-28 圖 3.20 板樁碼頭等級 II 地震第 3 組垂直向人造地震反應譜 ... 3-29 圖 3.21 板樁碼頭等級 II 地震第 3 組垂直向人造地震加速度歷時 ... 3-29 圖 3.22 土壤分層示意圖 ... 3-31

圖 3.23 土壤實際主動破壞面示意圖 ... 3-32 圖 3.24 土壤等效主動破壞面示意圖 ... 3-34 圖 3.25 碼頭等級 II 地震第 1 組歷時分析永久水平位移(無液化) ... 3-38 圖 3.26 碼頭等級 II 地震第 1 組歷時分析永久水平位移(25%液化) . 3-38 圖 3.27 碼頭等級 II 地震第 1 組歷時分析永久水平位移(50%液化) . 3-39 圖 3.28 碼頭等級 II 地震第 1 組歷時分析永久水平位移(75%液化) . 3-39 圖 3.29 碼頭等級 II 地震第 1 組歷時分析永久水平位移(全液化) ... 3-40 圖 3.30 碼頭等級 II 地震第 2 組歷時分析永久水平位移(無液化) ... 3-41 圖 3.31 碼頭等級 II 地震第 2 組歷時分析永久水平位移(25%液化) . 3-41 圖 3.32 碼頭等級 II 地震第 2 組歷時分析永久水平位移(50%液化) . 3-42 圖 3.33 碼頭等級 II 地震第 2 組歷時分析永久水平位移(75%液化) . 3-42 圖 3.34 碼頭等級 II 地震第 2 組歷時分析永久水平位移(全液化) ... 3-43 圖 3.35 碼頭等級 II 地震第 3 組歷時分析永久水平位移(無液化) ... 3-44 圖 3.36 碼頭等級 II 地震第 3 組歷時分析永久水平位移(25%液化) . 3-44 圖 3.37 碼頭等級 II 地震第 3 組歷時分析永久水平位移(50%液化) . 3-45 圖 3.38 碼頭等級 II 地震第 3 組歷時分析永久水平位移(75%液化) . 3-45 圖 3.39 碼頭等級 II 地震第 3 組歷時分析永久水平位移(全液化) ... 3-46 圖 3.40 板樁式碼頭等級 III 地震之設計反應譜 ... 3-48 圖 3.41 板樁碼頭等級 III 地震第 1 組南北向人造地震反應譜 ... 3-48 圖 3.42 板樁碼頭等級 III 地震第 1 組南北向人造地震加速度歷時 .. 3-49 圖 3.43 板樁碼頭等級 III 地震第 1 組東西向人造地震反應譜 ... 3-49 圖 3.44 板樁碼頭等級 III 地震第 1 組東西向人造地震加速度歷時 .. 3-50 圖 3.45 板樁碼頭等級 III 地震第 1 組垂直向人造地震反應譜 ... 3-50

圖 3.46 板樁碼頭等級 III 地震第 1 組垂直向人造地震加速度歷時 .. 3-51 圖 3.47 板樁碼頭等級 III 地震第 2 組南北向人造地震反應譜 ... 3-51 圖 3.48 板樁碼頭等級 III 地震第 2 組南北向人造地震加速度歷時 .. 3-52 圖 3.49 板樁碼頭等級 III 地震第 2 組東西向人造地震反應譜 ... 3-52 圖 3.50 板樁碼頭等級 III 地震第 2 組東西向人造地震加速度歷時 .. 3-53 圖 3.51 板樁碼頭等級 III 地震第 2 組垂直向人造地震反應譜 ... 3-53 圖 3.52 板樁碼頭等級 III 地震第 2 組垂直向人造地震加速度歷時 .. 3-54 圖 3.53 板樁碼頭等級 III 地震第 3 組南北向人造地震反應譜 ... 3-54 圖 3.54 板樁碼頭等級 III 地震第 3 組南北向人造地震加速度歷時 .. 3-55 圖 3.55 板樁碼頭等級 III 地震第 3 組東西向人造地震反應譜 ... 3-55 圖 3.56 板樁碼頭等級 III 地震第 3 組東西向人造地震加速度歷時 .. 3-56 圖 3.57 板樁碼頭等級 III 地震第 3 組垂直向人造地震反應譜 ... 3-56 圖 3.58 板樁碼頭等級 III 地震第 3 組垂直向人造地震加速度歷時 .. 3-57 圖 3.59 板樁式碼頭 FLAC 程式網格建置 ... 3-58 圖 3.60 楊氏模數與標準貫入試驗值之關係 ... 3-60 圖 3.61FLAC 程式材料參數分層圖 ... 3-61 圖 3.62FLAC 程式模型之邊界條件 ... 3-62 圖 3.63 板樁式碼頭結構元素與界面元素模型 ... 3-64 圖 3.64 板樁式碼頭達重力平衡之不平衡力 ... 3-64 圖 3.65 板樁式碼頭海水側向力模型建立 ... 3-65 圖 3.66 板樁式碼頭流體計算達平衡之不平衡力 ... 3-65 圖 3.67 板樁式碼頭地下水位面模型建立 ... 3-66 圖 3.68 板樁式碼頭達力學平衡之不平衡力圖示 ... 3-66

圖 3.69 板樁式碼頭孔隙水壓之分布圖示 ... 3-67 圖 3.70FINN模式模型建立 ... 3-68 圖 3.71 不同材料之動力荷載輸入及動態邊界選定示意圖 ... 3-70 圖 3.72 自由場邊界選用示意圖 ... 3-71 圖 3.73FLAC 動態邊界條件 ... 3-71 圖 3.74 板樁式碼頭等級 III 地震第 1 組歷時分析破壞情況 ... 3-74 圖 3.75 板樁式碼頭等級 III 地震第 1 組土層之彈塑性破壞結果 ... 3-75 圖 3.76 板樁式碼頭等級 III 地震第 1 組破壞水平位移圖 ... 3-75 圖 3.77 板樁式碼頭等級 III 地震第 1 組地震歷時之樁頂位移監測 .. 3-76 圖 3.78 板樁式碼頭等級 III 地震第 1 組板樁受力彎矩圖 ... 3-76 圖 3.79 板樁式碼頭等級 III 地震第 1 組最大受力位置歷時-彎矩圖 . 3-77 圖 3.80 板樁式碼頭等級 III 地震第 1 組之歷時分析孔隙水壓 ... 3-77 圖 3.81 板樁式碼頭等級 III 地震第 2 組歷時分析破壞情況 ... 3-78 圖 3.82 板樁式碼頭等級 III 地震第 2 組土層之彈塑性破壞結果 ... 3-78 圖 3.83 板樁式碼頭等級 III 地震第 2 組破壞水平位移圖 ... 3-79 圖 3.84 板樁式碼頭等級 III 地震第 2 組地震歷時之樁頂位移監測 .. 3-79 圖 3.85 板樁式碼頭等級 III 地震第 2 組板樁受力彎矩圖 ... 3-80 圖 3.86 板樁式碼頭等級 III 地震第 2 組板樁受力位置歷時-彎矩圖 . 3-80 圖 3.87 板樁式碼頭等級 III 地震第 2 組之歷時分析孔隙水壓 ... 3-81 圖 3.88 板樁式碼頭等級 III 地震第 3 組歷時分析破壞情況 ... 3-81 圖 3.89 板樁式碼頭等級 III 地震第 3 組土層之彈塑性破壞結果 ... 3-82 圖 3.90 板樁式碼頭等級 III 地震第 3 組破壞水平位移圖 ... 3-82 圖 3.91 板樁式碼頭等級 III 地震第 3 組地震歷時之樁頂位移監測 ... 3-83

圖 3.92 板樁式碼頭等級 III 地震第 3 組板樁受力彎矩圖 ... 3-83 圖 3.93 板樁式碼頭等級 III 地震第 3 組板樁受力位置歷時-彎矩圖 . 3-84 圖 3.94 板樁式碼頭等級 III 地震第 3 組之歷時分析孔隙水壓 ... 3-84 圖 4.1 板樁式碼頭等級 I 地震破壞水平位移圖 ... 4-7 圖 4.2 板樁式碼頭等級 I 地震樁頂地震之歷時分析水平位移監測 ... 4-8 圖 5.1 重力式碼頭之性能參數 ... 5-3 圖 5.2 圓筒式碼頭之性能參數 ... 5-4 圖 5.3 棧橋式碼頭之性能參數 ... 5-5 圖 5.4 橋式起重機的性能參數 ... 5-6 圖 5.5 四港區平均地震危害度曲線 ... 5-15 圖 5.6 震區短週期設計水平譜加速度係數(S_S^II)分布圖 ... 5-28 圖 5.7 震區一秒週期設計水平譜加速度係數(S₁^II)分布圖 ... 5-29 圖 5.8 震區短週期最大考量水平譜加速度係數(S_S^III)分布圖 ... 5-29 圖 5.9 震區一秒週期最大考量水平譜加速度係數(S₁^III)分布圖 ... 5-30 圖 5.10 臺北盆地設計地震微分區圖 ... 5-31 圖 5.11 容量震譜法分析簡介圖 ... 5-40 圖 5.12 工址彈性反應譜 ... 5-43 圖 5.13 彈性地震需求震譜 ... 5-43 圖 5.14 非彈性地震需求震譜 ... 5-44 圖 5.15ATC-40 等效阻尼比折減法 ... 5-45 圖 5.16 雙線性模式之遲滯迴圈 ... 5-46 圖 5.17ATC-40 彈性需求震譜之折減示意圖 ... 5-48 圖 5.18 重力式碼頭之破壞模式 ... 5-51

圖 5.19 圓筒式碼頭之破壞模式 ... 5-51 圖 5.20 圓筒斷面變形之破壞模式 ... 5-52 圖 5.21 棧橋式碼頭之破壞模式 ... 5-52 圖 5.22 橋式起重機的破壞模式 ... 5-53

表目錄

表 2-1 本研究建議之各等級碼頭所對應的耐震性能要求 ... 2-4 表 2-2 各重要度等級之碼頭特性 ... 2-5 表 2-3 碼頭性能設計三等級地震力 ... 2-5 表 2-4 耐震性能等級定性規定之建議 ... 2-6 表 2-5 各類驗證分析法之應用時機 ... 2-17 表 2-6 板樁式碼頭性能可接受標準 ... 2-21 表 2-7 非液化工址板樁式碼頭變位參數與安全係數之關係 ... 2-24 表 2-8 板樁式碼頭結構之性能驗證分析法 ... 2-26 表 3-1 碼頭之特性等級 ... 3-3 表 3-2 板樁式 B 級碼頭之耐震性能要求 ... 3-4 表 3-3 板樁式碼頭性能設計三等級地震力 ... 3-5 表 3-4 板樁式碼頭性能可接受標準 ... 3-6 表 3-5 板樁式碼頭工址土層鑽探資料表 ... 3-8 表 3-6 板樁式碼頭等級 I 地震土壤液化潛能評估結果 ... 3-9 表 3-7 板樁式碼頭等級 II 地震土壤液化潛能評估結果 ... 3-9 表 3-8 板樁式碼頭等級 III 地震土壤液化潛能評估結果 ... 3-9 表 3-9 板樁式碼頭設計參數表 ... 3-11 表 3-10 板樁式碼頭之各土層主動土壓力係數 ... 3-13 表 3-11 板樁式碼頭之各土層主動土壓力 ... 3-13 表 3-12 板樁式碼頭之各土層被動土壓力係數 ... 3-14 表 3-13 板樁式碼頭之各土層被動土壓力 ... 3-14

表 3-14 板樁式碼頭地震時之動態水壓力 ... 3-14 表 3-15 板樁式碼頭殘留水壓力 ... 3-15 表 3-16 各層之被動土壓力之力矩計算結果 ... 3-15 表 3-17 各層之主動土壓力之力矩計算結果 ... 3-15 表 3-18 動水壓與殘留水壓之力矩計算結果 ... 3-16 表 3-19 板樁式碼頭之各土層主動土壓力 ... 3-17 表 3-20 板樁式碼頭地震時之動態水壓力 ... 3-17 表 3-21 板樁式碼頭殘留水壓力 ... 3-18 表 3-22 各層之主動土壓力之力矩計算結果 ... 3-18 表 3-23 各潮位之動水壓與殘留水壓之合力矩計算結果 ... 3-18 表 3-24 板樁式碼頭等級 I 地震時之性能規定檢核 ... 3-19 表 3-25 實際主動破壞面夾角及對應體積 ... 3-33 表 3-26 滑動塊體總重 ... 3-33 表 3-27 超額孔隙水壓 ... 3-36 表 3-28 臨界滑動震度係數 ... 3-36 表 3-29 臨界滑動加速度 ... 3-37 表 3-30 板樁式碼頭等級 II 地震第 1 組歷時分析 ... 3-37 表 3-31 板樁式碼頭等級 II 地震第 2 組歷時分析 ... 3-40 表 3-32 板樁式碼頭等級 II 地震第 3 組歷時分析 ... 3-43 表 3-33 板樁式碼頭等級 II 地震歷時分析比較 ... 3-46 表 3-34 板樁式碼頭等級 II 地震時之性能規定檢核 ... 3-47 表 3-35 包松比選用參考（KULHAWY AND MAYNE,1990） ... 3-59 表 3-36 摩擦角選用參考 ... 3-60

表 3-37 土壤滲透係數（DAS,2010） ... 3-61 表 3-38 板樁式碼頭材料參數表 ... 3-61 表 3-39 板樁式碼頭結構元素參數 ... 3-63 表 3-40 板樁式碼頭界面元素參數 ... 3-63 表 3-41 板樁式碼頭等級 III 地震時之性能規定檢核 ... 3-85 表 4-1 重力式碼頭性能可接受標準 ... 4-2 表 4-2 板樁碼頭設計例滑動塊與動力分析之位移反應比較 ... 4-9 表 5-1 圓筒式碼頭性能可接受標準 ... 5-7 表 5-2 棧橋式碼頭性能可接受標準 ... 5-8 表 5-3 起重機性能可接受標準 ... 5-8 表 5-4 各類驗證分析法之應用時機 ... 5-11 表 5-5 分析方法彙整 ... 5-12 表 5-6 各國耐震規範地震等級之大小 ... 5-14 表 5-7 國內建築及橋梁之中度地震所對應的回歸期概略值 ... 5-16 表 5-8 國內港灣構造物設計基準之三等級設計地震力 ... 5-16 表 5-9 橋梁耐震設計規範之三等級地震力 ... 5-16 表 5-10 臨海鄉鎮之S_S^II、S₁^II、S_S^III與S₁^III值 ... 5-17 表 5-11 臨海且鄰近斷層鄉鎮之S_S^II、S₁^II、S_S^III與S₁^III值 ... 5-21 表 5-12 中央地質調查所調查第一類活動斷層性質表* ... 5-23 表 5-13 近車籠埔、梅山、大尖山-觸口、新化、花東縱谷、獅潭、屯子 腳、彰化、大甲、鐵砧山、大茅埔-雙冬等斷層之 475 年設計 地震近斷層調整因子(N_A) ... 5-24 表 5-14 近新城、三義、六甲、旗山等斷層之 475 年設計地震近斷層調 整因子(NA) ... 5-25

表 5-15 近車籠埔、梅山、大尖山-觸口、新化、花東縱谷、獅潭、屯子 腳、彰化、大甲、鐵砧山、大茅埔-雙冬等斷層之 475 年設計 地震近斷層調整因子(N_V) ... 5-25 表 5-16 近新城、三義、六甲、旗山等斷層之 475 年設計地震近斷層調 整因子(N_V) ... 5-26 表 5-17 近車籠埔、梅山、大尖山-觸口、新化、花東縱谷、獅潭、屯子

腳、彰化、大甲、鐵砧山、大茅埔-雙冬等斷層之 2500 年最大 考量地震近斷層調整因子(NA) ... 5-26 表 5-18 近新城、三義、六甲、旗山等斷層之 2500 年最大考量地震近

斷層調整因子(NA) ... 5-27 表 5-19 近車籠埔、梅山、大尖山-觸口、新化、花東縱谷、獅潭、屯子 腳、彰化、大甲、鐵砧山、大茅埔-雙冬等斷層之 2500 年最大 考量地震近斷層調整因子(NV) ... 5-27 表 5-20 近新城、三義、六甲、旗山等斷層之 2500 年最大考量地震近

斷層調整因子(NV) ... 5-28 表 5-21 新北市屬臺北盆地臨海微分區劃分表 ... 5-32 表 5-22 新北市屬一般震區臨海之里其震區短週期與一秒週期之 475 年 回歸期水平譜加速度係數(S_S^II)與(S₁^II)，與 2500 年回歸期水平譜 加速度係數(S_S^III)與(S₁^III) ... 5-32 表 5-23 細長比參數限制 ... 5-35 表 5-24 第 I、II 級性能等級之材料應變上限值 ... 5-37 表 5-25 第 I、II 級性能等級之材料應變上限值 ... 5-38 表 5-26 結構物分類及所屬型式 ... 5-47 表 5-27 阻尼修正因子Κ ... 5-47 表 5-28 最小容許 SR_A 及 SR_V ... 5-48

第一章 計畫背景

1.1 研究緣起

臺灣位於環太平洋地震帶，加上海島型之氣候與海象條件，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，以使所設計之構造物能 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、1999 年臺灣 921 集集大地震以及 2011 年東日本大地 震等，均導致人員傷亡、房屋、橋梁、道路、大壩、港口、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，以確保構造物能之性能滿足使用、運作、安全、

經濟等目標。

一般碼頭結構物可分為四大類，分別為板樁式碼頭、重力式碼頭、

棧橋式碼頭及其他形式之碼頭。針對港灣地區，過去曾發生了許多擋 土設施受震破壞之案例，使得港灣功能完全癱瘓，而其損失與復原工 作所需費用與時間則難以估計。就板樁式碼頭而言，容易引致嚴重的 地震災害，原因可能為：(1)錨碇板樁被動土壓區土壤液化，使錨碇板 樁產生傾斜、位移或斷裂，岸肩土壤液化、下陷(2)板樁背填區、主動 土壓區土壤液化，使板樁產生傾斜、位移或斷裂(3)因錨碇板樁或板樁 破壞使拉桿鬆垮或斷裂(4)因土壤液化，使岸肩產生龜裂或下陷。而 2011 年東日本的 311 地震，小名浜港 3 號碼頭之鋼板樁式碼頭的岸壁法線 向海側位移約達一百六十公分(如圖 1.1)，陸、海側軌道間之舖面板下 線約三十公分(如圖 1.2)，陸側軌道後側約有一公尺左右之高低差(如圖 1.3）、後線大面積液化(如圖 1.4)、地面設備軌道彎曲變形（如圖 1.5）。

而鋼板樁式碼頭破壞機制推定為鋼板樁式碼頭承受超過設計值以上地 震荷重作用，伴隨背後土壤液化，後土壓力又大增，因此造成鋼板樁 往海側傾斜之現象，其破壞機制如圖 1.6 所示。

圖 1.1 東日本大地震(碼頭的岸壁法線向海側位移)

圖 1.2 東日本大地震(陸海側軌道間岸間下陷)

圖 1.3 東日本大地震(後側地盤差異沉陷)

圖 1.4 東日本大地震(大面積土壤液化)

圖 1.5 東日本大地震(機械設備軌道彎曲變形)

圖 1.6 東日本大地震(鋼板樁式碼頭破壞機制)

「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，其目的在使構造物之設計及施工，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具 有一定的可靠性。「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之耐震性能，並以構造物之耐 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，鑒於美國、日本等國對於性能設計已有相當之研 究成果，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」)也考慮將構造物耐震 性能設計方法應用在港灣構造物，俾提升國內之港灣工程技術水準，

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 造物耐震性能設計規範，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。

過去數十年來，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，美國、歐洲與日本皆已採用其精神與內涵，納為 編訂技術規範之基本架構；為順應此國際潮流，行政院公共工程委員 會自民國 97 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 98 年 6 月完成適用於國內之「公共工程性能設計準則」^[29]，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。

為使港灣結構之耐震設計朝性能化發展，除重新檢討現行基準耐 震設計相關內容外，亦應對耐震性能設計之架構進行完整研究，並研 擬配套之設計分析方法，才能使新訂的設計基準確實可行。目前本計 畫已執行至第三期，第一期計畫已針對各類碼頭結構之性能目標、性 能可接受標準及驗證方法作詳細之探討與說明，並做出明確之定義，

而第二期則已建立棧橋式碼頭與重力式碼頭之設計例實作，以驗證第

一期計畫成果之可行性，第三期將接續第二期之設計例實作之建立，

針對板樁式碼頭作耐震性能設計實例探討，以驗證第一期計畫成果之 可行性，並將前兩期所得之研究成果，逐步探討現行碼頭設計基準之 研修。

1.2 研究目的

本計畫主要是依據 99 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，目前第三期計畫主要是進行板 樁式碼頭之設計例實作，並將過去兩年期所得之研究成果，開始著手 探討現行碼頭設計基準之研修。

1.4 研究內容與工作項目

國內設計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。

本研究計畫第一年( 100 年)完成基準及美、歐、日性能設計準則 探討，並針對國內基準未來朝耐震性能設計修訂，如何制訂性能要求、

性能目標與相關分析方法做初步的探討。第二年( 101 年)則基於第一期 的研究成果，針對棧橋式碼頭與重力式碼頭做性能設計實例探討，以 建立詳細設計流程，並探討棧橋式碼頭與重力式碼頭性能設計法的適 宜性。第三年( 102 年)亦基於前二年的研究成果，針對板樁式碼頭做性 能設計實例探討，以建立詳細設計流程，並探討板樁式碼頭耐震性能 設計法的適宜性。另外，將依過去兩年期所得之研究成果，開始著手 探討現行碼頭設計基準之研修。故本年度(第三年)主要工作內容如下：

1. 板樁式碼頭耐震性能要求與規定 2. 板樁式碼頭耐震性能設計流程之建立 3. 板樁式碼頭耐震性能設計例實作

(1)設計範例資料蒐集 (2)耐震性能要求與規定 (3)土壤液化評估

(4)初步設計 (5)驗證分析 (6)設計結果說明

4. 探討板樁式碼頭耐震性能設計法之適宜性

5. 針對碼頭現行基準探討其耐震性能設計之相關規定與要求 6. 探討碼頭現行設計之耐震設計規定內容研修方向

(1)設計條件之耐震設計規定 (2)設計條件之砂質土壤液化規定

(3)鋼鐵與混凝土材料之使用性與可修復性標準

(4)基礎非線性模擬與參數計算方式

(5)碼頭工程之碼頭非線性分析方法與破壞機制

1.5 研究方法及進行步驟

本研究係藉由設計案例蒐集與設計分析，以及與港研中心合作之 方式，進行板樁式碼頭的耐震性能設計案例實作探討，參考本計畫第 一期所研究之成果^[27]、日本港灣構造物設計相關規範^{[20][ 21]}、國際航海 協會港灣構造物設計規範^[8]等相關資料，建立板樁式碼頭耐震性能設計 程序，之後經由過去設計案例資料規劃本案設計範例，訂定適當且具 代表性的設計條件，進行板樁式碼頭的耐震性能設計實作，並依研究 之結果來探討目前建議之性能設計法的適宜性，另外，將依過去兩年 期所得之研究成果，開始著手探討現行碼頭設計基準之研修，本案並 分期中、期末提送研究成果。

採用之研究步驟如圖 1.7 所示。

本計畫第一期報告：

提送期中報告 研究開始

規劃設計範例

案例蒐集 ^性能目標

可接受標準 驗證方法

板樁式碼頭設計流程之建立

板樁式碼頭設計例實作

探討性能設計法之適宜性

現行設計基準之耐震性能設計相關規定與要求之探討

現行設計基準之耐震性能設計規定之內容研修

提送期末報告

本計畫第一期報告：

提送期中報告 研究開始

規劃設計範例

案例蒐集 ^性能目標

可接受標準 驗證方法

板樁式碼頭設計流程之建立

板樁式碼頭設計例實作

探討性能設計法之適宜性

現行設計基準之耐震性能設計相關規定與要求之探討

現行設計基準之耐震性能設計規定之內容研修

提送期末報告

圖 1.7 研究步驟流程圖

第二章 板樁式碼頭設計流程之建立

2.1 耐震性能設計概念

耐震性能設計法(seismic performance design)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，此種設計方法較難控制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，性能設計法增加了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 由目標導向出發；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。本研究第二期計畫之耐震性能設計法的設計 流程內容如圖2.1 所示。上述整體耐震性能設計流程之內容詳細說明如 下。

依業主對構造物的建造目的選擇性能要求

性能要求

地震等級:等級I地震等級II地震

等級III地震 性能等級:完好無損小修可用

生命安全結構崩塌

性能規定

地震等級:明確的地震回歸期定義

地震公式計算 性能等級:性能可接受標準

(1)構造物系統規劃 (2)土壤液化評估 (等級一地震下工址土壤不可液化)

系統規劃與液化評估 結果是否接受

初步設計 尺寸細部設計

驗證分析

採用適當的驗證分析方法分析

各等級設計地震作用下構造物之內力、變形、沉陷 再檢核確保其小於或等於

性能可接受標準

滿足可接受標準 若超過可接受標準

變更設計後再驗證分析

設計完成 否

是

第 一 階 段 設 計

第 二 階 段 驗 證 依業主對構造物的建造目的選擇性能要求

性能要求

地震等級:等級I地震等級II地震

等級III地震 性能等級:完好無損小修可用

生命安全結構崩塌

性能規定

地震等級:明確的地震回歸期定義

地震公式計算 性能等級:性能可接受標準

(1)構造物系統規劃 (2)土壤液化評估 (等級一地震下工址土壤不可液化)

系統規劃與液化評估 結果是否接受 系統規劃與液化評估

結果是否接受

初步設計 尺寸細部設計

驗證分析

採用適當的驗證分析方法分析

各等級設計地震作用下構造物之內力、變形、沉陷 再檢核確保其小於或等於

性能可接受標準 驗證分析

採用適當的驗證分析方法分析

各等級設計地震作用下構造物之內力、變形、沉陷 再檢核確保其小於或等於

性能可接受標準

滿足可接受標準 若超過可接受標準

變更設計後再驗證分析

設計完成 否

是

第 一 階 段 設 計

第 二 階 段 驗 證

圖 2.1 碼頭耐震性能設計基本設計流程

2.2.1 第一階段設計 1. 選擇性能要求

第一階段設計首先要建立性能要求及性能規定，性能要求是以

「定性」的描述方式訂立結構物設計目標，而性能規定是將結構物 之性能要求轉化成「定量」的方式來表示。上述之性能要求與規定 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

對應性能等級之定性劃分與定量表達。

本研究第一期計畫已針對碼頭之耐震設計性能要求作探討，研 究日本港灣設施技術上基準同解說^[21]與國際航海協會港灣構造物 設計規範^[8]之性能要求的訂立方式及理念，並與國內「港灣構造物 設計基準」之耐震設計要求作差異性討論，以提出適合國內設計實 務的耐震性能設計要求，如表 2-1；工程師可依據環境條件與業主 對功能之要求來選擇合適的碼頭等級，再依據該等級碼頭所對應之 性能要求進行設計、分析與檢核。

表 2-1 本研究建議之各等級碼頭所對應的耐震性能要求 性能等級

地震等級 第Ⅰ級 第Ⅱ級 第Ⅲ級 第Ⅳ級

等級I (50 年回歸期地震)

A 級

B 級 C 級 － － 等級II

(475 年回歸期地震) 特定級 A 級 B 級 C 級 等級III

(2500 年回歸期地震) － 特定級 A 級 B 級

本研究所提之碼頭耐震性能要求中，地震等級之建議更以港灣 技術研究中心過去對各港區的地震危害度曲線分析結果進行研 究，並參考國外規範訂定之地震等級，提出適合國內碼頭設計的地 震等級修正建議；另外，亦針對國內「公共工程性能設計準則」^[29]

三等級設計地震力的要求，探討在不同性能要求下各地震等級所應 對應的性能等級，以滿足國內工程設計環境。以下將就性能要求中 之碼頭重要度分類、地震力等級、性能等級做進一步說明。

(1)重要度分類：

為維持業主及工程師既有的設計習慣，本研究建議採用國 內現行規範4 種重要度等級碼頭分類，依序為「特定級、A 級、

B 級與 C 級」，其分類內容如表 2-2。

表 2-2 各重要度等級之碼頭特性 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重大損失者。

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。

(2)地震等級：

本研究第一期計畫建議之三等級地震力如表2-3。

表 2-3 碼頭性能設計三等級地震力

地震等級 地震力計算公式

等級I 地震 中度地震 ^{V S W}

y II a I 3.25

 ,

等級II 地震 475 年回歸期地震 ^W

F V S

u m II a y

II 

 



  ^,

2 . 1

1



等級III 地震 2500 年回歸期地震 ^W

F V S

III m u

III a y

III 









 

, ,

2 . 1

1



註：剛性結構F_u或F_u,III為1.0

(3)性能等級：

本研究第一期計畫中依各國性能規範之慣例，從構造物之

「使用性」、「修復性」、「安全性」三方面考量，並參考國 內現行「港灣構造物設計基準」之性能等級定義，建議國內港 灣碼頭耐震性能設計之性能等級。由於國內碼頭結構設計之重 要度分類為 4 種(特定、A 級、B 級、C 級)，此與國際規範相同；

再者，「公共工程性能設計準則」中亦說明，耐震性能設計的 基本概念主要是採用構造物的非線性行為分析進行設計，故應 將「用途係數」轉換於耐震性能等級的要求上面，而非用於設 計地震力的放大；因此欲區分 4 種不同重要度構造物之性能等 級，即須具有 4 等級性能等級之制定，如表 2-4。

表 2-4 耐震性能等級定性規定之建議

損壞等級 使用性 修復性 安全性

第Ⅰ等級 功能正常 不需修復 結構保持彈性

第Ⅱ等級 短期功能喪失 可快速修復 損壞輕微

第Ⅲ等級 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) 第Ⅳ等級 無法恢復營運 須拆除重建 結構崩塌

(超過韌性容量)

2. 構造物系統規劃

在進行細部設計前先確定構造物形狀、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。

3. 土壤液化評估

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，確定耐震性能要求是否可以達到，否則應經由 (1) 地盤改良或變更基礎設計； (2)遷移工址； (3)修改設計性能要求等

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。

土壤液化潛能的評估方式在本國規範及國外相關規範均已有 較成熟的方法，因此土壤液化評估方法理論對於耐震性能設計法而 言並非重點，但值得注意的是，對於板樁式碼頭，土壤液化極可能 為導致其破壞的原因，如 2011 年日本 311 地震對小名浜港碼頭造 成嚴重損壞，除地震力已超過設計震度外，尚因土壤液化致使碼頭 後線產生不均勻沉陷、坍塌，碼頭錨碇設施位移，而導致碼頭板樁 向海側位移及傾倒，碼頭上部各種相關設施及結構物產生破壞。

而由本研究第一期計畫探討各國規範對土壤液化的防治規定 可知，其設計目標皆立基於須避免構造物基礎土壤產生液化現象，

倘若評估出基礎有液化之可能性，則必須施予土壤改良或作深基礎 之設計，因此對於土壤液化之設計要求相當清楚，即單一要求為「不 可因土壤液化而造成碼頭應有性能喪失」；另外，本案第一期研究 建議在等級 I 地震下，工址土壤不允許發生液化。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，則土壤改良的 處理費用可能所費不貲，故規定容許液化發生，但必要時須降低基 面，並以折減後之土壤參數求算基礎等值勁度，重新分析檢核其安 全性；而「日本港灣設施基準同解說」亦有相同之規定。

以下說明國內現行「港灣構造物設計基準」的土壤液化潛能評 估法，該法與日本現行規範及國際航海協會規範相同，可用於各等 級地震的土壤液化評估：

一般地質調查土層若符合以下條件之一時，則土層可能發生液 化潛能，需參照規範所建議之液化評估方式作進一步之分析，(1) 地表下 20m 以內之沖積土層且地下水位在地表下 10 m 以內；(2)過

#200 篩細料含量 FC(%)在 35%以下；(3)FC(%)在 35%以上，但黏土 含量 PC(%)在 12 %以下；(4)塑性指數 PI(%)在 15 %以下。

國內港灣構造物設計基準之規定有關砂土層液化分析，可採取 下列三種方法。

(1)簡易判斷法

簡易判斷法液化之預測及判定，是依據土壤粒徑分佈進行 土壤分類。利用均勻係數 Uc=D₆₀/D₁₀=3.5 為基準作為分野之依 憑，由圖2.2 判別之。

圖 2.2 現行港灣構造物設計基準土壤粒徑與土壤液化分析圖 資料來源：參考文獻^[21][24]

(2)經驗準則法

經驗準則法土壤液化潛能預測及判定方式，是採用現地試 驗參數標準貫入試驗打擊數(SPT-N 值)及細料含量作為砂土抗 液化強度之預測。國內現行港灣構造物設計基準係參考美國

「Seed 液化評估法」^[12]作為液化之判定基礎，說明如下。

其液化潛能分析基本上可分為兩部分的計算：第一部份是 利用未來在土層中可能(或已發生)最大地表加速度配合地震規 模，以半經驗之簡易公式估計現地土層在遭遇地震時所受之反 覆剪應力比(Cyclic Stress Ratio, CSR)；第二部份則是由各種調查 試 驗 資 料 估 計 土 層 之 液 化 阻 抗 比(Cyclic Resistance Ratio, CRR)，而由比較兩者推算出土壤液化之安全係數值(FL)，並根 據港灣構造物設計規範建議，當地動資料趨於保守時，FL 大於 1 即可。

根 據 美 國 國 家 地 震 工 程 研 究 中 心(National Center For Earthquake Engineering Resrarch,NCEER)Robertson 與 Wride 於 1997 年對 Seed 法所提出之修正方法。

1986 年 Skempton 建議採用標準貫入試驗 N 值做為土層之 液化阻抗比(CRR)時，應先使用式(2.1)予以修正。

N C C C C C

N₁)₆₀  _{N E B R S}

( ... (2.1) 式中，

CN：有效覆土應力修正因數

CE：能量修正因數

CB：鑽孔尺寸修正因數

CR：桿長修正因數

CS：取樣管型式修正因數

60 1)

(N ：鑽桿打擊能量為 60 %標準落錘能量之修正 SPT-N 值。

依上述參數進行液化分析，分析流程如圖2.3。

圖 2.3 NCEER 土壤液化潛能評估流程 資料來源：參考文獻 ^[12]

當地震發生時，土層之液化潛能分析評估流程如圖2.3，其 計算步驟與公式如下：

a.反覆剪應力比(Cyclic Stress Ratio,CSR) )

( 65

.

0 ^max _' r z g

CSR A _d

v v





 

 ... (2.2)

其中，CSR為地震引致的反覆剪應力比，r_d(z)為深度折減係 數，A_max為地表最大加速度，_v _v^' 為覆土總應力與有效覆 土應力之比值，g 為重力加速度。CSR與_v _v^' 之關係如圖 2.4。

圖 2.4 土層之有效覆土剪應力比與修正後 SPT-N 值之關係 資料來源：Seed et al. 1985 ^[12]

而深度折減係數(如圖 2.5 所示)其公式如下：

z m 30

5 . 0 r

m 30 z m 23 z 008

. 0 744 . 0 r

m 23 z m 15 . 9 z 00267

. 0 174 . 1 r

m 15 . 9 z z 00765

. 0 0 . 1 r

d d d d



























，

，

，

，

圖 2.5 土壤之深度-折減係數關係圖 b.液化阻抗比(Cyclic Resistance Ratio, CRR)

以細粒料含量修正現地量測之SPT-N 值如下式：

60 1 60

1) ( )

(N _CS  N ... (2.3) 其中，

FC 35%

， 1.2 β

35%

FC 5%

， 1000

0.99 FC β

5%

FC ， 1.0 β

FC 35%

， 5.0 α

35%

FC 5%

， FC

1.76 190 exp α

5%

C ， 0 α

1.5 2







 



 



 













 

 

 







而土層抗液化強度CRR_7.5公式為：

1 ^{2 3 4} 30

3 2 5

7 













  x

hx fx dx bx

gx ex cx

CRR _. a ... (2.4)

其中，CRR_7.5為地震規模 M=7.5 之臨界土壤液化阻抗 比，x ( N₁)_60CS為經修正後之 SPT-N 值，a=0.048，b=0.125，

c=0.00472 ， d=0.00958 ， e=0.000614 ， f=0.000329 ， g=0.0000167，h=0.00000371。

c. 土壤液化之安全係數值(FL)

CSR MSF

F_L CRR^7.5  ... (2.5)

其中，MSF為地震規模修正因子，

5 . 7

M

CRR MSF CRR 。 (3)試驗分析法

依據土壤粒徑與SPT-N 值檢討地盤是否會液化，其結果無 法確實判定，或重要度高的港灣結構物工程時，建議採用試驗 分析法進行液化之預測及判定。

試驗分析法土壤液化預測及判定方式，首先應進行地盤之 地震反應解析，求得地震時土壤內之剪應力，以及採用現地不 擾動土樣進行動力三軸試驗，求得地盤之動態抗剪強度，比較 二者之大小，進行地盤液化之預測及判定，以確保港灣工程結 構物之安全。其液化潛能分析評估步驟如下：

a.建立地下土層資料

使用本分析法所需各土層之資料包括地下水位深度、每 一土層之厚度、SPT-N 值、取樣位置、土壤比重、孔隙比和 含水量。

b.建立土層設計地震資料

分析所需之地震資料主要有土層液化評估地區之地震 規模及水平地震最大地表加速度。

c.地震引致反覆剪應力比計算

對於地盤之地震反應解析，可使用地盤反應解析程式，考 慮設計地震及地盤特性，估計不同深度地盤所承受地震作用引 致的反覆剪應力比及等值反覆作用次數。

d.土壤抗液化強度之剪應力比

對於地盤之抗液化強度應採用現地高品質不擾動土樣進 行動力三軸試驗，求取不同深度土壤抗液化強度曲線。另由不 同地震規模可概略估算轉換為等值反覆作用循環數，評估不同 深度地盤土壤抗液化強度之剪應力比 _t

c dc )

' (2



 。

考慮動力三軸試驗與現地土壤應力狀況之差異及土壤試 體之擾動等因素，動力三軸試驗所得土壤抗液化強度之剪應 力比，可以下式修正為現地土壤抗液化強度之剪應力比。

t c dc r f V

C )

' (2 ' )

( ¹







  ... (2.6)

Cr： 修正係數，考慮試體之應力情況與試驗過程等綜合 影響，認為C_r值隨土壤相對密度而變化。

'V

 ： 垂直有效覆土壓力(kN/m²)。

dc： 動力三軸試驗所施加之反覆應力(kN/m²)。

'c

 ： 動力三軸試驗所施加之有效圍壓(kN/m²)。

e.液化之預測及判定

比較地震時地層產生之剪應力比與土層本身抗液化強度 之剪應力比，即可進行地盤液化之預測及判定。

f.綜合研判

地盤之液化潛能，需依各土層液化之預測及判定結果，

綜合研判之。