高屏溪斜张主桥现场载重试验成果探讨

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1、高屏溪斜張主橋現場載重試驗成果探討屏東監造工程處工程師高雄辦事處經理蔡同宏莊輝雄摘要現場載重試驗主要目的在於了解橋梁於試驗荷載下之實際服務性，藉以判定安全承載能力及使用限制條件。另外，對於某些在學理上難以清楚評估之結構行為，亦可透過結構模型試驗及現場載重試驗成果，印證其實際動靜力行為特性。同時，現場載重試驗亦有助於檢核橋梁完竣後之施工品質，並可發掘例行維護檢查作業中較難察覺之潛在弱面。本文旨在闡述國道三號高屏溪斜張主橋現場載重試驗之作業規劃、內容及成果，並配合相關理論分析模式探討斜張主橋之實際結構行為。現場載重試驗成果除可重新檢核斜張主橋結構分析模式與相關設計參數之可靠度外，對

2、於日後從事類似橋梁設計人員，亦可提供其不同之思維。一、概述基於考量工址地形及橋梁縱面特徵，並配合大跨徑橋梁跨越高屏溪主河道之需求，國道三號高屏溪橋主橋採單塔非對稱斜張橋結構型式設計，該橋主跨330公尺為全銲接鋼構箱型梁，西側臨山嶺處180公尺側跨為雙箱室預力混凝土箱型梁；兩側單面混合扇形斜張鋼纜系統則分別錨碇於塔柱及箱型梁中央處；鋼筋混凝土橋塔高183.5公尺，採結構穩定性高之A型設計。由於斜張主橋具長跨徑、重量輕、細長比大等特性，結構系統柔軟度高，且單面鋼纜之支撐設計亦使得該橋具有較柔軟之扭矩振態，故動力行為之變異性亦相對較大。有鑑於此，為求瞭解並檢核工程完竣後，橋梁於實際車

3、行活載下，鋼構箱型梁、預力混凝土箱型梁、橋塔以及斜張鋼纜等結構系統之行為表現，特於斜張主橋監測研究計畫中規劃一現場載重試驗，以為參考依據。本試驗主要由國立成功大學土木系方一匡教授、陳培麟教授及國立台灣科技大學營建系陳生金教授所組成之跨校研究單位與本司二高屏東監造工程處共同負責籌畫執行。整體現場載重試驗內容主要包括斜張主橋載重試驗規劃、結構行為理論分析及試驗成果探討等。二、現場載重試驗規劃212.1試驗規劃斜張主橋現場載重試驗時程規劃係配合工程施工進度於橋梁主體結構全數完竣後進行，相關試驗項目規劃詳表1所示。表1載重試驗時程規劃載重試驗時程規劃試驗項目第一天第二天第三天第四天靜態

4、載重試驗斜張主橋撓曲試驗ˇˇ斜張主橋扭矩試驗ˇˇ主跨鋼構箱型梁撓曲試驗ˇˇ主跨鋼構箱型梁扭矩試驗ˇˇ側跨預力混凝土梁撓曲試驗ˇˇ側跨預力混凝土梁扭矩試驗ˇˇ動態載重試驗斜張主橋車行試驗ˇ斜張主橋衝擊試驗ˇ主跨鋼構箱型梁車行試驗ˇˇ主跨鋼構箱型梁衝擊試驗ˇˇ側跨預力混凝土梁車行試驗ˇ側跨預力混凝土梁衝擊試驗ˇ現場載重試驗目的主要在於確立橋梁之服務性，而非探討橋梁極限承載能力，故僅規劃非破壞性試驗，即以適當數量載重車模擬設計活載外力，並配合已埋設之監測儀器進行資料收集。試驗項目主要分為靜態及動態兩部分，試驗對象則以斜張主橋整體結構系統為主，惟考量上部結構材質之差異性，故再細分主跨鋼

5、構箱型梁及側跨預力混凝土箱型梁兩大主題。此外，考量主跨與側跨之構材性質差異甚大，載重試驗乃分別針對主跨鋼構箱型梁及側跨預力混凝土箱型梁進行靜態撓曲、扭矩試驗及動態車行、衝擊試驗等，本文僅針對靜態載重試驗成果進行探討。2.2試驗標的2.2.1主跨鋼構箱型梁鋼構箱型梁之載重試驗規劃係以測定箱型梁撓曲及扭矩變位為主，亦即模擬載重車單向或雙向對稱佈設於車道時，車行載重對橋面造成之扭矩或彎矩效應(詳圖1及圖2)，並於箱型梁左右兩側紐澤西橋護欄上規劃數處位移監測點，配合主橋下方測站進行測定。21圖1載重車雙向對稱佈設於車道之撓曲載重型式示意圖圖2載重車單向佈設於車道之扭矩載重型式示意圖2.

6、2.2側跨預力混凝土箱型梁有關藉由載重試驗探討預力混凝土箱型梁之載重分佈情形方面，主要是選取撓曲載重試驗項目進行輪重分佈研析，亦即模擬載重車雙向對稱佈設於車道時，車行載重對橋面板造成之彎矩效應。換言之，即利用預埋應變計量測載重車分別加載於主側跨車道時，對預力混凝土箱型梁頂板、腹板、橫隔梁及底板所造成之應變。2.2.3斜張鋼纜系統探討斜張鋼纜因活載改變造成索力變化時，主要是規劃數組靜態載重試驗項目檢核鋼纜之應力行為。試驗進行時，側跨預力混凝土箱型梁端係選擇編號B113、B111、B108、B107、B106、B103及最接近A1橋台之B101鋼纜進行自然振動試驗；而主跨鋼構箱型梁

7、方面，考量對稱配置及探討於相同載重情形下，相對應鋼纜之索力變化關係，亦同時選擇編號F113、F111、F108、F107、F106、F103及F101等鋼纜進行試驗。2.2.4橋塔橋塔載重試驗規劃主要以測定橋塔變位及其相關控制點位之應力量測為主，其變位測定包括三軸向位移及轉角變位兩項，此兩項量測資料亦可互為校核。軸向位移係以設置於主橋邊坡上監測室之變位計進行塔頂及橫梁處控制點位測定；轉角測定則採用安裝於橋塔內各控制升層斷面之傾斜儀進行量測。另有關橋塔應力測定部分，主要是利用預埋於橋塔各控制斷