MOTC-IOT-101-H1DB006a
港灣構造物耐震性能設計架構之 研究(2/4)
交 通 部 運 輸 研 究 所
中 華 民 國 102 年 1 月
MOTC-IOT-101-H1DB006a
港灣構造物耐震性能設計架構之 研究(2/4)
著 者：賴瑞應、張 權、薛 強、顧承宇、曾韋緐 徐偉誌、翁健煌、蔡勇賢
交 通 部 運 輸 研 究 所
GPN：1009500249 ISBN：986-00-4344-2 (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(2/4)
著 者：賴瑞應、張 權、薛 強、顧承宇、曾韋緐、徐偉誌、翁健煌、
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 102 年 1 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 一 冊 320 元
展 售 處：
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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
港灣構造物耐震性能設計架構之研究
(2/4)
交通部運輸研究所
101
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(2/4) 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- 101-H1DB006a 本所主辦單位：港研中心
主管：邱永芳 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：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、顧承宇
研究人員：曾韋緐、徐偉誌、翁健煌、蔡勇賢 地址：10570 台北市南京東路五段 171 號 聯絡電話：(02)27692131
研究期間 自101 年 01 月 至101 年 10 月
關鍵詞：耐震設計、性能設計、棧橋式碼頭、重力式碼頭
摘要：
本研究為第二期研究計畫，主要是碼頭耐震性能設計案例研究，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要求、耐震性能規定與耐震性能驗證方法等，建立棧橋 式碼頭與重力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，以進行棧橋式與重力式碼頭的耐震性能設計案例實作，依據各等級碼頭所對應 的耐震性能要求與其耐震性能等級之定性規定，以臺中港之碼頭為設計目標，進行簡化分析 法、簡化動力分析法與動力分析法之耐震性能設計，另外亦對本案所建議之性能設計法的設 計地震力與現行設計基準做比較探討，最後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。
由設計案例研究結果可知，本研究建議的耐震性能設計流程與分析方法之可行性與適用 性甚佳，其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
102 年 1 月 330 320
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 (2/4)
ISBN(OR ISSN) ISBN
GOVERNMENT PUBLICATIONS NUMBERIOT SERIAL NUMBER PROJECT NUMBER MOTC-IOT- 100-H1DB006a DIVISION: Harbor & Marine Technology Center
DIVISION DIRECTOR: Yung-Fang Chiu PRINCIPAL INVESTIGATOR: Jui-Ying Lai PHONE: (04) 26587170
FAX: (04) 26564418
PROJECT PERIOD
FROM January 2012 TO October 2012
RESEARCH AGENCY: SINOTECH ENGINEERING CONSULTANTS, INC.
PRINCIPAL INVESTIGATOR: Chyuan Chang
Co-PRINCIPAL INVESTIGATOR: Qiang Xue, Cheng-Yu Ku
PROJECT STAFF: Wei-Fan Tseng, Wei-Chih Hsu, Jian-Huang Weng, Yung-Hsien Tsai ADDRESS: 171, NanKing E. RD., Sec. 5, Taipei 10570, Taiwan, R.O.C.
PHONE: (02) 27692131
KEY WORDS: Seismic Design; Performance-Based Design; Pile-Supported Wharves; Gravity Quay Walls ABSTRACT:
This study is the second phase of the research project, and it will focus on the performance-based seismic design case studies of wharf structures. By means of the research results of the first phase of this project, such as the performance objectives and corresponding acceptance criteria of damage parameters and analysis methods of port structures, the performance-based seismic design procedure for the pile-supported wharves and gravity quay walls can be established. Then, the appropriate and representative design conditions of wharves design case can be set by the case planning, and the design case studies of the pile-supported wharves and gravity quay walls will be conducted.
Accordingly, we study the performance-based seismic design framework of wharf using the simplified analysis, the simplified dynamic analysis, and the dynamic analysis for evaluating Taichung Harbor’s wharf. Furthermore, the difference of seismic force between suggested performance-based design and current design standard will be discussed as well. Finally, according to aforementioned research results, the feasibility of applying performance-based design method on port structures can be discussed.
Based on the design case studies results, it is demonstrated that the performance-based seismic design procedure and analysis methods provided are very feasible to design the wharves. The research results will improve domestic design and research standard to catch up with the international technology development accordingly.
DATE OF PUBLICATION January 2013
NUMBER OF PAGES
330
PRICE 320
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(2/4)
目 錄
中文摘要 ... I 英文摘要 ... II 目錄 ... III 圖目錄 ... IX 表目錄 ... XIX 第一章 計畫背景 ... 1-1 1.1 研究緣起 ... 1-1 1.2 研究目的 ... 1-5 1.3 研究範圍與對象 ... 1-5 1.4 研究內容與工作項目 ... 1-6 1.5 研究方法及進行步驟 ... 1-6 第二章 棧橋式與重力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 ... 2-4 2.2.2 第二階段驗證 ... 2-15 2.3 棧橋式碼頭耐震第一階段設計... 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... 2-24 2.3.4 土壤液化評估 ... 2-26 2.3.5 初步設計... 2-26 2.4 棧橋式碼頭耐震第二階段驗證... 2-27 2.4.1 簡化分析法... 2-27 2.4.2 簡化動力分析-容量震譜法(非線性側推分析) ... 2-30 2.4.3 動力分析法... 2-49 2.5 重力式碼頭耐震第一階段設計... 2-50 2.5.1 設計範例基本條件 ... 2-50 2.5.2 建立性能可接受標準 ... 2-51 2.5.3 結構系統... 2-54 2.5.4 土壤液化評估 ... 2-57 2.5.5 初步設計... 2-58 2.6 重力式碼頭耐震第二階段檢核... 2-59 2.6.1 簡化分析法... 2-59 2.6.2 簡化動力分析法(滑動塊體分析法) ... 2-70 2.6.3 動力分析法... 2-74 第三章 棧橋式碼頭設計實例操作 ... 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 3.2 耐震性能要求與規定 ... 3-2 3.2.1 性能要求... 3-2
3.2.2 性能規定... 3-3 3.3 構造物系統規劃 ... 3-5 3.4 土壤液化評估 ... 3-6 3.5 初步設計 ... 3-9 3.5.1 結構模擬... 3-9 3.5.2 構件斷面設計 ... 3-11 3.5.3 土壤承載力檢核(容許應力設計) ... 3-14 3.6 驗證分析 ... 3-16 3.6.1 等級 I 地震性能驗證檢核 ... 3-17 3.6.2 等級 II 地震性能驗證檢核 ... 3-33 3.6.3 等級 III 地震性能驗證檢核 ... 3-47 3.7 設計結果說明 ... 3-61 第四章 重力式碼頭設計實例操作 ... 4-1 4.1 碼頭概述 ... 4-1 4.1.1 一般性設計考量 ... 4-1 4.1.2 設計目標... 4-4 4.1.3 設計基準... 4-4 4.2 耐震性能要求與規定 ... 4-5 4.2.1 性能要求... 4-5 4.2.2 性能規定... 4-5 4.3 構造物系統規劃 ... 4-9 4.4 土壤液化評估 ... 4-10 4.5 初步設計 ... 4-12
4.5.1 地震力係數計算 ... 4-12 4.5.2 沉箱設計斷面及材料參數 ... 4-13 4.5.3 安全性檢核... 4-15 4.6 驗證分析 ... 4-17 4.6.1 等級 I 地震性能驗證檢核 ... 4-17 4.6.2 等級 II 地震性能驗證檢核 ... 4-19 4.6.3 等級 III 地震性能驗證檢核 ... 4-36 4.7 設計結果說明 ... 4-63 第五章 性能設計與現行基準之設計地震力比較 ... 5-1 5.1 設計地震力說明 ... 5-1 5.2 設計地震力比較 ... 5-1 第六章 探討性能設計法之適宜性 ... 6-1 6.1 棧橋式碼頭耐震性能設計法適宜性探討 ... 6-1 6.1.1 容量震譜法與非線性歷時分析結果之比較 ... 6-1 6.1.2 非線性歷時分析之使用時機 ... 6-2 6.2 重力式碼頭耐震性能設計法適宜性探討 ... 6-3 6.2.1 案例分析方法適宜性探討 ... 6-3 6.2.2 非線性動力分析適宜性探討 ... 6-5 第七章 結論與建議 ... 7-1 7.1 研究目的與問題 ... 7-1 7.2 結論 ... 7-1 7.2.1 耐震性能設計流程之建立 ... 7-1 7.2.2 棧橋式碼頭設計例 ... 7-1
7.2.3 重力式碼頭設計例 ... 7-3 7.2.4 設計地震力比較 ... 7-3 7.2.5 耐震性能設計法之適宜性 ... 7-4 7.3 建議 ... 7-4 參考文獻 ... 參-1 附錄一 FLAC 模型有效應力分布與分析參數 ... 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 神戶地震重力式沉箱碼頭側移滑動破壞 ... 1-2 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 ... 1-3 圖 1.4 集集地震臺中港土壤液化引起破壞 ... 1-3 圖 1.5 集集地震臺中港倉儲輸送設備因土壤液化產生嚴重下陷傾斜 .... 1-4 圖 1.6 研究步驟流程圖 ... 1-7 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 2.3 NCEER 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 棧橋式碼頭之破壞模式 ... 2-19 圖 2.7 棧橋式碼頭之性能參數 ... 2-20 圖 2.8 棧橋式碼頭理想的破壞次序 ... 2-21 圖 2.9 直樁棧橋式碼頭標準斷面示意圖 ... 2-25 圖 2.10 斜樁棧橋式碼頭標準斷面示意圖 ... 2-25 圖 2.11 棧橋式碼頭假想地表面示意圖 ... 2-28 圖 2.12 棧橋式碼頭基樁之特徵長度示意圖 ... 2-29 圖 2.13 容量震譜法分析簡介圖 ... 2-31 圖 2.14 工址彈性反應譜 ... 2-34 圖 2.15 彈性地震需求震譜 ... 2-34
圖 2.16 非彈性地震需求震譜 ... 2-35 圖 2.17 ATC-40 等效阻尼比折減法 ... 2-36 圖 2.18 雙線性模式之遲滯迴圈 ... 2-37 圖 2.19 ATC-40 彈性需求震譜之折減示意圖 ... 2-39 圖 2.20 軸向土壤彈簧力-位移曲線 ... 2-43 圖 2.21 土壤彈簧與塑性鉸設定位置示意圖 ... 2-44 圖 2.22 N值與橫向抵抗常數 kS 之關係 ... 2-46 圖 2.23 N 值與橫向抵抗常數 kc 之關係 ... 2-46 圖 2.24 橫向土壤彈簧力-位移曲線 ... 2-47 圖 2.25 鋼管樁及 RC 構件彎矩-曲率關係曲線 ... 2-48 圖 2.26 日本 311 地震小名濱港 7 號重力式碼頭破壞機制 ... 2-52 圖 2.27 重力式碼頭之性能參數 ... 2-52 圖 2.28 重力式碼頭之破壞模式 ... 2-54 圖 2.29 沉箱重力式碼頭標準斷面示意圖 ... 2-55 圖 2.30 L 型塊重力式碼頭斷面示意圖 ... 2-55 圖 2.31 方塊重力式碼頭斷面示意圖 ... 2-56 圖 2.32 空心方塊重力式碼頭斷面示意圖 ... 2-56 圖 2.33 重力式碼頭工址土壤可能液化狀態 ... 2-58 圖 2.34 背填土壤未液化之重力式碼頭示意圖 ... 2-60 圖 2.35 背填土未液化之重力式碼頭受力示意圖 ... 2-61 圖 2.36 背填土壤全液化之重力式碼頭示意圖 ... 2-63 圖 2.37 背填土全液化之重力式碼頭受力示意圖 ... 2-64 圖 2.38 背填土壤部分液化之重力式碼頭示意圖 ... 2-65
圖 2.39 背填土部分液化之重力式碼頭受力示意圖 ... 2-66 圖 2.40 重力式碼頭受震傾覆穩定性分析示意圖 ... 2-68 圖 2.41 Newmark 之滑動塊體分析法的觀念 ... 2-70 圖 2.42 重力式碼頭簡便動力分析(滑動塊體分析法)評估流程圖 ... 2-71 圖 2.43 FLAC 程式模擬重力式碼頭之分析流程圖 ... 2-78 圖 3.1 棧橋式碼頭標準斷面圖 ... 3-5 圖 3.2 棧橋式碼頭標準平面配置圖 ... 3-6 圖 3.3 棧橋式碼頭基樁假想固定法模型(初步設計) ... 3-10 圖 3.4 棧橋式碼頭鋼管樁斷面尺寸 ... 3-11 圖 3.5 棧橋式碼頭鋼管樁分析所得最大應力比 ... 3-12 圖 3.6 棧橋式碼頭上部結構最大縱向鋼筋比 ... 3-12 圖 3.7 棧橋式碼頭上部結構最大剪力鋼筋比 ... 3-13 圖 3.8 棧橋式碼頭上部結構斷面配筋圖 ... 3-13 圖 3.9 棧橋式碼頭驗證分析模型 ... 3-25 圖 3.10 棧橋式碼頭軸向(平行法線)之側推曲線 ... 3-25 圖 3.11 棧橋式碼頭橫向(垂直法線)之側推曲線 ... 3-26 圖 3.12 棧橋式碼頭軸向(平行法線)等級 I 地震之性能點... 3-26 圖 3.13 棧橋式碼頭橫向(垂直法線)等級 I 地震之性能點... 3-27 圖 3.14 棧橋式碼頭軸向(平行法線)等級 II 地震之性能點 ... 3-27 圖 3.15 棧橋式碼頭軸向等級 II 地震之性能點塑鉸發展情形 ... 3-28 圖 3.16 棧橋式碼頭橫向(垂直法線)等級 II 地震之性能點 ... 3-28 圖 3.17 棧橋式碼頭橫向等級 II 地震之性能點塑鉸發展情形 ... 3-29 圖 3.18 棧橋式碼頭軸向(平行法線)等級 III 地震之性能點 ... 3-29
圖 3.19 棧橋式碼頭軸向等級 III 地震之性能點塑鉸發展情形 ... 3-30 圖 3.20 棧橋式碼頭橫向(垂直法線)等級 III 地震之性能點 ... 3-30 圖 3.21 棧橋式碼頭橫向等級 III 地震之性能點塑鉸發展情形 ... 3-30 圖 3.22 棧橋式碼頭軸向(平行法線)塑性鉸產生次序 ... 3-31 圖 3.23 棧橋式碼頭橫向(垂直法線)塑性鉸產生次序 ... 3-32 圖 3.24 棧橋式碼頭等級 II 地震之設計反應譜 ... 3-34 圖 3.25 棧橋碼頭等級 II 地震第 1 組南北向人造地震反應譜 ... 3-34 圖 3.26 棧橋碼頭等級 II 地震第 1 組南北向人造地震加速度歷時 ... 3-35 圖 3.27 棧橋碼頭等級 II 地震第 1 組東西向人造地震反應譜 ... 3-35 圖 3.28 棧橋碼頭等級 II 地震第 1 組東西向人造地震加速度歷時 ... 3-36 圖 3.29 棧橋碼頭等級 II 地震第 1 組垂直向人造地震反應譜 ... 3-36 圖 3.30 棧橋碼頭等級 II 地震第 1 組垂直向人造地震加速度歷時 ... 3-37 圖 3.31 棧橋碼頭等級 II 地震第 2 組南北向人造地震反應譜 ... 3-37 圖 3.32 棧橋碼頭等級 II 地震第 2 組南北向人造地震加速度歷時 ... 3-38 圖 3.33 棧橋碼頭等級 II 地震第 2 組東西向人造地震反應譜 ... 3-38 圖 3.34 棧橋碼頭等級 II 地震第 2 組東西向人造地震加速度歷時 ... 3-39 圖 3.35 棧橋碼頭等級 II 地震第 2 組垂直向人造地震反應譜 ... 3-39 圖 3.36 棧橋碼頭等級 II 地震第 2 組垂直向人造地震加速度歷時 ... 3-40 圖 3.37 棧橋碼頭等級 II 地震第 3 組南北向人造地震反應譜 ... 3-40 圖 3.38 棧橋碼頭等級 II 地震第 3 組南北向人造地震加速度歷時 ... 3-41 圖 3.39 棧橋碼頭等級 II 地震第 3 組東西向人造地震反應譜 ... 3-41 圖 3.40 棧橋碼頭等級 II 地震第 3 組東西向人造地震加速度歷時 ... 3-42 圖 3.41 棧橋碼頭等級 II 地震第 3 組垂直向人造地震反應譜 ... 3-42
圖 3.42 棧橋碼頭等級 II 地震第 3 組垂直向人造地震加速度歷時 ... 3-43 圖 3.43 棧橋式碼頭等級 II 地震第 1 組歷時分析橋面位移軌跡 ... 3-44 圖 3.44 棧橋式碼頭等級 II 地震第 2 組歷時分析橋面位移軌跡 ... 3-44 圖 3.45 棧橋式碼頭等級 II 地震第 3 組歷時分析橋面位移軌跡 ... 3-45 圖 3.46 棧橋碼頭等級 II 地震第 1 組歷時分析之塑性鉸分佈 ... 3-45 圖 3.47 棧橋碼頭等級 II 地震歷時分析鋼管樁最大塑鉸遲滯迴圈 ... 3-46 圖 3.48 棧橋碼頭等級 II 地震歷時最大位移對應之韌性容量 ... 3-46 圖 3.49 棧橋式碼頭鋼管樁塑性轉角與鋼材壓應變對照值... 3-47 圖 3.50 棧橋式碼頭等級 III 地震之設計反應譜 ... 3-48 圖 3.51 棧橋碼頭等級 III 地震第 1 組南北向人造地震反應譜 ... 3-48 圖 3.52 棧橋碼頭等級 III 地震第 1 組南北向人造地震加速度歷時 . 3-49 圖 3.53 棧橋碼頭等級 III 地震第 1 組東西向人造地震反應譜 ... 3-49 圖 3.54 棧橋碼頭等級 III 地震第 1 組東西向人造地震加速度歷時 . 3-50 圖 3.55 棧橋碼頭等級 III 地震第 1 組垂直向人造地震反應譜 ... 3-50 圖 3.56 棧橋碼頭等級 III 地震第 1 組垂直向人造地震加速度歷時 . 3-51 圖 3.57 棧橋碼頭等級 III 地震第 2 組南北向人造地震反應譜 ... 3-51 圖 3.58 棧橋碼頭等級 III 地震第 2 組南北向人造地震加速度歷時 . 3-52 圖 3.59 棧橋碼頭等級 III 地震第 2 組東西向人造地震反應譜 ... 3-52 圖 3.60 棧橋碼頭等級 III 地震第 2 組東西向人造地震加速度歷時 . 3-53 圖 3.61 棧橋碼頭等級 III 地震第 2 組垂直向人造地震反應譜 ... 3-53 圖 3.62 棧橋碼頭等級 III 地震第 2 組垂直向人造地震加速度歷時 . 3-54 圖 3.63 棧橋碼頭等級 III 地震第 3 組南北向人造地震反應譜 ... 3-54 圖 3.64 棧橋碼頭等級 III 地震第 3 組南北向人造地震加速度歷時 . 3-55
圖 3.65 棧橋碼頭等級 III 地震第 3 組東西向人造地震反應譜 ... 3-55 圖 3.66 棧橋碼頭等級 III 地震第 3 組東西向人造地震加速度歷時 . 3-56 圖 3.67 棧橋碼頭等級 III 地震第 3 組垂直向人造地震反應譜 ... 3-56 圖 3.68 棧橋碼頭等級 III 地震第 3 組垂直向人造地震加速度歷時 . 3-57 圖 3.69 棧橋式碼頭等級 III 地震第 1 組歷時分析橋面位移軌跡 ... 3-58 圖 3.70 棧橋式碼頭等級 III 地震第 2 組歷時分析橋面位移軌跡 ... 3-58 圖 3.71 棧橋式碼頭等級 III 地震第 3 組歷時分析橋面位移軌跡 ... 3-58 圖 3.72 棧橋碼頭等級 III 地震第 2 組歷時分析之塑性鉸分佈 ... 3-59 圖 3.73 棧橋碼頭等級 III 地震歷時分析鋼管樁最大塑鉸遲滯迴圈 . 3-59 圖 3.74 棧橋碼頭等級 III 地震歷時最大位移對應之韌性容量 ... 3-60 圖 4.1 重力式碼頭標準斷面圖 ... 4-9 圖 4.2 重力式碼頭標準平面配置圖 ... 4-9 圖 4.3 重力式碼頭沉箱斷面尺寸 ... 4-14 圖 4.4 重力式碼頭等級 II 地震之設計反應譜 ... 4-20 圖 4.5 重力碼頭等級 II 地震第 1 組南北向人造地震反應譜 ... 4-20 圖 4.6 重力碼頭等級 II 地震第 1 組南北向人造地震加速度歷時 ... 4-21 圖 4.7 重力碼頭等級 II 地震第 1 組東西向人造地震反應譜 ... 4-21 圖 4.8 重力碼頭等級 II 地震第 1 組東西向人造地震加速度歷時 ... 4-22 圖 4.9 重力碼頭等級 II 地震第 1 組垂直向人造地震反應譜 ... 4-22 圖 4.10 重力碼頭等級 II 地震第 1 組垂直向人造地震加速度歷時 ... 4-23 圖 4.11 重力碼頭等級 II 地震第 2 組南北向人造地震反應譜 ... 4-23 圖 4.12 重力碼頭等級 II 地震第 2 組南北向人造地震加速度歷時 ... 4-24 圖 4.13 重力碼頭等級 II 地震第 2 組東西向人造地震反應譜 ... 4-24
圖 4.14 重力碼頭等級 II 地震第 2 組東西向人造地震加速度歷時 ... 4-25 圖 4.15 重力碼頭等級 II 地震第 2 組垂直向人造地震反應譜 ... 4-25 圖 4.16 重力碼頭等級 II 地震第 2 組垂直向人造地震加速度歷時 ... 4-26 圖 4.17 重力碼頭等級 II 地震第 3 組南北向人造地震反應譜 ... 4-26 圖 4.18 重力碼頭等級 II 地震第 3 組南北向人造地震加速度歷時 ... 4-27 圖 4.19 重力碼頭等級 II 地震第 3 組東西向人造地震反應譜 ... 4-27 圖 4.20 重力碼頭等級 II 地震第 3 組東西向人造地震加速度歷時 ... 4-28 圖 4.21 重力碼頭等級 II 地震第 3 組垂直向人造地震反應譜 ... 4-28 圖 4.22 重力碼頭等級 II 地震第 3 組垂直向人造地震加速度歷時 ... 4-29 圖 4.23 重力碼頭等級 II 地震第 1 組人造加速度歷時與臨界加速度 ... 4-30 圖 4.24 重力碼頭等級 II 地震第 2 組人造加速度歷時與臨界加速度 ... 4-30 圖 4.25 重力碼頭等級 II 地震第 3 組人造加速度歷時與臨界加速度 .... 4-31 圖 4.26 重力碼頭等級 II 地震第 1 組歷時分析速度及位移變化量 ... 4-32 圖 4.27 重力碼頭等級 II 地震第 1 組歷時分析永久水平位移 ... 4-33 圖 4.28 重力碼頭等級 II 地震第 2 組歷時分析速度及位移變化量 ... 4-33 圖 4.29 重力碼頭等級 II 地震第 2 組歷時分析永久水平位移 ... 4-34 圖 4.30 重力碼頭等級 II 地震第 3 組歷時分析速度及位移變化量 ... 4-34 圖 4.31 重力碼頭等級 II 地震第 3 組歷時分析永久水平位移 ... 4-35 圖 4.32 重力式碼頭等級 III 地震之設計反應譜 ... 4-36 圖 4.33 重力碼頭等級 III 地震第 1 組南北向人造地震反應譜 ... 4-36 圖 4.34 重力碼頭等級 III 地震第 1 組南北向人造地震加速度歷時 . 4-37 圖 4.35 重力碼頭等級 III 地震第 1 組東西向人造地震反應譜 ... 4-37 圖 4.36 重力碼頭等級 III 地震第 1 組東西向人造地震加速度歷時 . 4-38
圖 4.37 重力碼頭等級 III 地震第 1 組垂直向人造地震反應譜 ... 4-38 圖 4.38 重力碼頭等級 III 地震第 1 組垂直向人造地震加速度歷時 . 4-39 圖 4.39 重力碼頭等級 III 地震第 2 組南北向人造地震反應譜 ... 4-39 圖 4.40 重力碼頭等級 III 地震第 2 組南北向人造地震加速度歷時 . 4-40 圖 4.41 重力碼頭等級 III 地震第 2 組東西向人造地震反應譜 ... 4-40 圖 4.42 重力碼頭等級 III 地震第 2 組東西向人造地震加速度歷時 . 4-41 圖 4.43 重力碼頭等級 III 地震第 2 組垂直向人造地震反應譜 ... 4-41 圖 4.44 重力碼頭等級 III 地震第 2 組垂直向人造地震加速度歷時 . 4-42 圖 4.45 重力碼頭等級 III 地震第 3 組南北向人造地震反應譜 ... 4-42 圖 4.46 重力碼頭等級 III 地震第 3 組南北向人造地震加速度歷時 . 4-43 圖 4.47 重力碼頭等級 III 地震第 3 組東西向人造地震反應譜 ... 4-43 圖 4.48 重力碼頭等級 III 地震第 3 組東西向人造地震加速度歷時 . 4-44 圖 4.49 重力碼頭等級 III 地震第 3 組垂直向人造地震反應譜 ... 4-44 圖 4.50 重力碼頭等級 III 地震第 3 組垂直向人造地震加速度歷時 . 4-44 圖 4.51 重力式碼頭 FLAC 程式網格建置 ... 4-46 圖 4.52 楊氏模數與標準貫入試驗值之關係 ... 4-48 圖 4.53 FLAC 程式材料參數分層圖 ... 4-49 圖 4.54 FLAC 程式模型之邊界條件 ... 4-50 圖 4.55 界面元素模型 ... 4-51 圖 4.56 海水側向力模型建立 ... 4-52 圖 4.57 地下水位面模型建立 ... 4-52 圖 4.58 Finn 模式模型建立 ... 4-53 圖 4.59 FLAC 動態邊界條件 ... 4-54
圖 4.60 FLAC 第 1 組人造地震加速度歷輸入 ... 4-56 圖 4.61 FLAC 第 2 組人造地震加速度歷輸入 ... 4-56 圖 4.62 FLAC 第 3 組人造地震加速度歷輸入 ... 4-57 圖 4.63 重力式碼頭等級 III 地震第 1 組歷時分析破壞情況 ... 4-58 圖 4.64 重力式碼頭等級 III 地震第 1 組歷時分析水平位移 ... 4-58 圖 4.65 重力式碼頭等級 III 地震第 1 組歷時分析孔隙水壓 ... 4-59 圖 4.66 重力式碼頭等級 III 地震第 2 組歷時分析破壞情況 ... 4-59 圖 4.67 重力式碼頭等級 III 地震第 2 組歷時分析水平位移 ... 4-60 圖 4.68 重力式碼頭等級 III 地震第 2 組歷時分析孔隙水壓 ... 4-60 圖 4.69 重力式碼頭等級 III 地震第 3 組歷時分析破壞情況 ... 4-61 圖 4.70 重力式碼頭等級 III 地震第 3 組歷時分析水平位移 ... 4-61 圖 4.71 重力式碼頭等級 III 地震第 3 組歷時分析孔隙水壓 ... 4-62 圖 5.1 基隆港、高雄港設計地震力係數與週期關係圖 ... 5-2 圖 5.2 臺中港設計地震力係數與週期關係圖 ... 5-3 圖 5.3 蘇澳港設計地震力係數與週期關係圖 ... 5-3 圖 5.4 臺北港設計地震力係數與週期關係圖 ... 5-4
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 棧橋式碼頭性能可接受標準 ... 2-21 表 2-7 棧橋式碼頭第 I、II 及性能等級之材料應變上限值 ... 2-23 表 2-8 棧橋式碼頭結構之性能驗證分析法 ... 2-27 表 2-9 結構物分類及所屬型式 ... 2-38 表 2-10 阻尼修正因子κ... 2-38 表 2-11 最小容許 SRA 及 SRV ... 2-39 表 2-12 重力式碼頭性能可接受標準 ... 2-53 表 2-13 非液化工址重力式碼頭變位與安全係數之相關性 ... 2-57 表 2-14 重力式碼頭結構之性能驗證分析法 ... 2-59 表 3-1 棧橋式 A 級碼頭特性 ... 3-2 表 3-2 棧橋式 A 級碼頭之耐震性能要求 ... 3-3 表 3-3 棧橋式碼頭性能設計三等級地震力 ... 3-3 表 3-4 棧橋式碼頭性能可接受標準 ... 3-4 表 3-5 棧橋式碼頭工址土層鑽探資料表 ... 3-7 表 3-6 棧橋式碼頭等級 I 地震土壤液化潛能評估結果 ... 3-7 表 3-7 棧橋式碼頭等級 II 地震土壤液化潛能評估結果... 3-8
表 3-8 棧橋式碼頭等級 III 地震土壤液化潛能評估結果 ... 3-8 表 3-9 棧橋式碼頭構件內力檢核之載重因子 ... 3-10 表 3-10 棧橋式碼頭基樁土壤承載力檢核之載重因子 ... 3-11 表 3-11 棧橋式碼頭各載重組合之基樁軸向內力 (Unit: kgf) ... 3-14 表 3-12 棧橋式碼頭基樁軸向土壤彈簧勁度計算 ... 3-17 表 3-13 棧橋式碼頭基樁軸向非線性土壤彈簧設定 ... 3-18 表 3-14 棧橋式碼頭基樁各深度橫向非線性土壤彈簧設定 ... 3-19 表 3-15 棧橋式碼頭 B1 大梁塑性鉸曲線 ... 3-21 表 3-16 棧橋式碼頭 B2 大梁塑性鉸曲線 ... 3-22 表 3-17 棧橋式碼頭 G1 大梁塑性鉸曲線 ... 3-22 表 3-18 棧橋式碼頭 G2 大梁塑性鉸曲線 ... 3-23 表 3-19 棧橋式碼頭 G3 大梁塑性鉸曲線 ... 3-23 表 3-20 棧橋式碼頭鋼管樁直樁塑性鉸曲線 ... 3-24 表 3-21 棧橋式碼頭鋼管樁斜樁塑性鉸曲線 ... 3-24 表 3-22 棧橋式碼頭等級 I 地震時之性能規定檢核 ... 3-33 表 3-23 棧橋式碼頭等級 II 地震時之性能規定檢核 ... 3-47 表 3-24 棧橋式碼頭等級 III 地震時之性能規定檢核 ... 3-71 表 4-1 碼頭之特性等級... 4-6 表 4-2 重力式 B 級碼頭之耐震性能要求 ... 4-6 表 4-3 重力式碼頭性能設計三等級地震力 ... 4-7 表 4-4 重力式碼頭性能可接受標準 ... 4-8 表 4-5 重力式碼頭工址地層鑽探資料表 ... 4-10 表 4-6 重力式碼頭等級 I 地震土壤液化潛能評估結果 ... 4-11
表 4-7 重力式碼頭等級 II 地震土壤液化潛能評估結果... 4-11 表 4-8 重力式碼頭等級 III 地震土壤液化潛能評估結果 ... 4-12 表 4-9 重力式碼頭參數表 ... 4-14 表 4-10 重力式碼頭等級 I 地震滑動穩定性分析檢核 ... 4-15 表 4-11 重力式碼頭等級 I 地震傾覆穩定性分析檢核 ... 4-16 表 4-12 重力式碼頭等級 I 地震時之性能規定檢核 ... 4-18 表 4-13 重力式碼頭等級 II 地震臨界加速度值 ... 4-31 表 4-14 重力式碼頭等級 II 地震時之性能規定檢核 ... 4-35 表 4-15 包松比選用參考（Kulhawy and Mayne, 1990） ... 4-47 表 4-16 摩擦角選用參考... 4-48 表 4-17 土壤滲透係數（Das, 2010） ... 4-49 表 4-18 界面參數 ... 4-51 表 4-19 重力式碼頭等級 III 地震時之性能規定檢核 ... 4-62 表 5-1 性能設計與現行基準之設計地震力公式 ... 5-1 表 6-1 棧橋碼頭設計例容量震譜與歷時分析之最大位移反應比較 ... 6-2
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，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。
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，而 且，通常是沿著碼頭法線同時發生（長達數十或是數百公尺），因此 造成港灣功能完全癱瘓，而其損失與復原工作所需費用與時間則難以 估計。關於港灣擋土結構容易引致嚴重的地震災害，原因可能為：(1) 側向土壓力的增加；(2)水側水壓力的減少；(3)背填土壤的強度喪失或 是液化。而 1995 年日本的神戶地震，重力式沈箱碼頭的滑動位移平均 達 3 公尺之多，外傾角約 4 度(如圖 1.1、圖 1.2)。至於臺灣地區，於 1999 年遭受集集地震之災害，造成臺中港受損，引致臺中港區之重力 式沈箱碼頭最大外傾位移量高達 170 公分（圖 1.3），以及碼頭後方區 域土壤液化(圖 1.4)；另外，臺中港倉儲輸送設備也因回填砂發生土壤 液化而產生嚴重下陷及傾斜（圖 1.5）。
圖 1.1 神戶地震重力式沉箱碼頭側移滑動破壞
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
圖 1.5 集集地震臺中港倉儲輸送設備因土壤液化產生嚴重下陷傾斜
「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要求，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，本所 也考慮將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，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」[28]，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。
要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 畫已執行至第二期，第一期計畫已針對各類碼頭結構之性能要求、性 能規定及驗證方法作詳細之探討與說明，並做出明確之定義，因此第 二期將進入設計例實作之階段，以驗證第一期計畫成果之可行性，未 來可將設計例實作結果反饋進行規範修訂。
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，目前第二期計畫主要是進行棧 橋式碼頭與重力式碼頭之設計例實作。
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。
本研究計畫第一期(100 年)完成國內設計基準及美、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、性能規定與相關分析方法做初步的探討。第二期(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，以瞭解設計流程與結果跟現行基準之差異，並探討性能設計的 適宜性。故第二期主要工作內容如下：
1. 棧橋式與重力式碼頭設計流程之建立 2. 棧橋式碼頭設計例實作
3. 重力式碼頭設計例實作
4. 性能設計與現行基準之設計地震力比較 5. 探討性能設計法之適宜性
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，進行棧橋式碼頭與重力式碼頭的耐震性能設計案例實作探討，
採用本計畫第一期所研究之成果，如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，建立棧橋式碼頭與重力式碼頭
研究開始
規劃設計範例
案例蒐集
本計畫第一期報告 性能要求 性能規定 驗證方法
棧橋式與重力式碼頭設計流程之建立
棧橋式碼頭設計例實作
重力式碼頭設計例實作
性能設計與現行基準之設計地震力比較
探討性能設計法之適宜性 提送期中報告
提送期末報告
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，進行棧橋式與重力式碼頭的耐震性 能設計實作，另外亦對本案所建議之性能設計法的設計地震力與現行 設計基準做比較探討，最後再針對前述各項研究之結果來探討目前建 議之性能設計法的適宜性，本案並分期中、期末提送研究成果。
因第一期研究案已對重要文獻進行詳細完整的回顧，則本案第二 期研究將不再作文獻回顧探討，直接按第一期研究成果[30]、日本港灣 構造物設計相關規範[24][25]與國際航海協會港灣構造物設計規範[11]等相 關資料接續進行棧橋式與重力式碼頭設計流程之建立，以及設計示範 例之耐震性能設計實作，並對其實作結果作討論。
採用之研究步驟如圖 16 所示。
圖 1.6 研究步驟流程圖
第二章 棧橋式與重力式碼頭設計流程之建立
2.1 耐震性能設計概念
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要求。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 時的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 要 求
(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(即性能規定 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要求直觀透明；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要求具有滿意的可靠 度或可接受震害之風險。本研究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 性能規定
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
地震等級 明確的地震回歸期定義 地震力公式計算 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I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 否
初步設計 尺寸細部設計
是
若超過可接受標準 變更設計後再驗證分析
設計完成 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
第 二 階 段 檢 核 第 一 階 段 設 計
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
概念設計階段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[24]與國際航海協會港灣構造物設 計規範[11]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、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 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」[28]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。
(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 50 年回歸期地震 V S W
y aD I 3.25
等級 II 地震 475 年回歸期地震 W
F V S
uD m aD y
II
2 . 1
1
等級 III 地震 2500 年回歸期地震 W
F V S
uM m aM y
III
2 . 1
1
註：剛性結構 FuD或 FuM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
性能等級 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，對於重力式碼頭，土壤液化極可能為 導致其破壞的原因，如 921 地震對臺中港碼頭造成嚴重損壞，除地 震力已超過設計震度，因土壤液化致使碼頭後線陸地多處開裂、塌 陷，碼頭沉箱與背填陸地錯開分離，導致碼頭沉箱向海側位移及傾 倒，碼頭上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。
以下將說明國內現行「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 10m 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。
(a)
(b)
均勻係數小之土壤
均勻係數大之土壤
通過百分率
粒徑
粘土 粉土 砂 礫
有可能產生液化
極可能產生液化
0.074
極可能產生液化
有可能產生液化
粒徑
粘土 粉土 砂 礫
通過百分率
0.074
(mm)
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[24][21]
(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。
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。
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。
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 ) N
( 1 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)
) z ( g r
65 A . 0
CSR ' d
v v
max
... (2.2)
其中，CSR為地震引致的反覆剪應力比，rd(z)為深度折減係 數，Amax 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 [5]
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 CS
60
1) (N )
N
( ... (2.3) 其中，
FC
， 35%
β 1.2
35%
FC
， 5%
1000
0.99 FC β
5%
， FC β 1.0
FC 35%
， α 5.0
35%
FC 5%
， FC
1.76 190 α exp
5%
， FC α 0
1.5 2
而土層抗液化強度CRR7.5公式為：
30 x hx
fx dx bx 1
gx ex cx
CRR a 2 3 4
3 2 5
.
7
... (2.4)
其中，CRR7.5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)
56 . 2
24 . 2 5 . 7
) (
10 ) (
M CSR FL CRR
... (2.5)
(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；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Cr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。
等級 I 地震作用下，工址土壤須經土壤液化評估確定不會發生 液化，方可進行具體設計階段，而等級 II、III 地震作用下，若評估 結果為土壤有液化之可能，則具體設計時必須保守模擬液化土層對 構造物之影響，以確實檢核構造物受震反應是否滿足性能規定。若 液化後之結構反應超過可接受標準值時，應即進行土層液化防治與 處理，以維持應有的耐震性能等級。
地盤產生液化的過程及結構物之反應均很複雜，故應同時考量 液化與不液化二種狀況，並取較為嚴格的分析結果作為設計之依 據，一般而言土壤液化評估方法的選用，應按碼頭之重要度及設計 地震等級而定，本研究參考國內現行港灣構造物設計基準，並對應 國際航海協會耐震性能設計規範[11]之規定。
4. 初步設計
對於初步設計本研究建議可按構造物的耐震性能要求，先以最 低之地震等級進行彈性分析及設計，決定結構斷面尺寸與細部設 計，此種方式無論設計工程師慣用何種舊有設計法，皆可進行初步 設計，因此在碼頭的初步設計方法上是較無限制的；在決定構造物 細部尺寸後，即可依所設計的構件斷面建立詳細分析模型，以進行 耐震能力與結構變形量分析，進而進入第二階段之性能驗證。
2.2.2 第二階段驗證 1. 內容概述
第一階段設計結束後，方能進行第二階段驗證，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
建立之性能要求參數之可接受標準比較，以「在各地震等級危害下，
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)<=性能可接受標準值」作為結構設計條件。工程師可依結構重 要度所要求的驗證分析方法，去驗證各地震等級作用下之結構行為 是否滿足對應的性能等級要求，若計算所得構造物之性能未能滿足 設計性能要求，則須修改原設計，再以同樣的方式校核，直到滿足 既定之設計性能要求，才完成最終設計。耐震性能設計以「第一階 段設計+第二階段驗證」之循環過程完成最終設計是目前最簡單的一 種設計流程。
2. 驗證分析方法說明
針對耐震能力驗證分析方法可分為二維或三維之線性與非線性 (包括幾何非線性與材料非線性)之靜力與動力分析。有關幾何非線性 之分析法主要為考量大變形或大位移之結構行為，一般為簡化設計 而僅考量 效應，材料非線性主要考量結構之彈性與塑性行為。對於 非剛性結構物，傳統之分析方法通常將地震力轉換為等效之側向作 用力，再考量結構可能之塑性行為加以折減，以彈性分析之方法計 算結構物在隨時間變動之地震力作用下之動態行為，對於規則結 構，採用彈性靜力分析法，對於不規則結構，則採用屬於彈性動力 分析之多振態疊加法，僅特殊情況下進行非線性動力歷時分析。性 能設計法強調韌性結構物在大地震作用下之塑性行為，但因非線性 動力歷時分析之複雜與計算耗時，對於重要度較低或規則之結構 物，可借助容量震譜法(非線性靜力側推分析)來估算結構在設計地震 力下之變形行為。
在性能設計流程之具體設計階段，結構物之性能是否滿足設計 要求通常需要經由數值分析來檢核：性能參數計算值≦性能等級之 可接受標準，以保證設計者能準確地掌握結構之行為，即通過數值 分析預測結構之真實行為，要求所採用的分析方法要合理、可靠，
因此必須根據構造物不同之結構型式及性能要求之高低，來選用不
同的分析工具，原則上，性能要求越高者所對應之分析工具就可能 越複雜。
本研究將分析碼頭結構物耐震行為之分析方法由簡到繁分為簡 化 分 析 (Simplified Analysis) 、 簡 化 動 力 分 析 (Simplified Dynamic Analysis)以及動力分析(Dynamic Analysis)三類，選用這三種不同複 雜與精確度等級之分析方法，除了與碼頭重要度等級之高低相關以 外，還與所作用的地震等級相關，如表 2-5 所示；由於性能要求中 在最低等級地震作用下之性能等級要求多需保持結構在彈性狀態，
因此一般實務設計上多採最低等級地震作用下先進行彈性分析做初 步設計，而初步設計之分析方法並不限制採用何種精確度的驗證分 析法，甚至可依過去經驗初步假設一合理的結構斷面亦可，而在得 到初步設計的結構尺寸後，接著再按規定之各等級地震作用下所要 求的性能等級進行驗證分析檢核，此時則必須按表 2-5 規定的驗證 方法，依性能要求所要求的所有地震等級皆進行驗證，若不滿足可 接受標準則重新進行初步設計後再驗證檢核，直到滿足所有性能要 求為止。
表 2-5 各類驗證分析法之應用時機
碼頭重要度
地震等級 特定級 A 級 B 級 C 級
等級 I
(50 年回歸期) －
簡化分析 或 簡化動力分析
或 動力分析
簡化分析 或 簡化動力分析
或 動力分析
簡化分析 或 簡化動力分析
或 動力分析
等級 II
(475 年回歸期) 動力分析 動力分析
簡化動力分析 或 動力分析
簡化分析 或 簡化動力分析
或 動力分析 等級 III
(2500 年回歸期) 動力分析 動力分析
簡化動力分析 或 動力分析
－
