工程實務

台四線大溪外環道崁津大橋主橋之方案

研擬與設計

 

　

　

第二 結構部

正 工 程 師

黃炳勳

第二結構部

組      長

莊文宏

 

　

摘  要

崁津大橋為台四線大溪外環道跨越大漢溪之橋梁，為配合地方民意、提昇區域景觀，其主橋採三跨連續之繫索鋼拱橋設計。本工程主橋跨徑配置為60+150+60=270公尺，全寬為25公尺，以現場支撐吊裝組合工法施工。本文首先介紹服務建議書階段研提之三個大跨徑景觀橋梁方案，再就設計階段依業主意見修正之六個拱橋方案，加以介紹並評估比較，最後再就定案橋型之設計予以重點說明，期能提供橋梁規劃設計者參考。

一、前  言

桃園縣大溪地區附近具優美之山水環境，且適處北台灣多處觀光遊憩區門戶，為省道台三線、台四線及台七線交匯點，由於近年來國民休閒旅遊風氣漸盛，致當地交通量急遽成長，每逢假日沿途車輛壅塞不堪，造成當地居民及外來遊客極大不便。為有效紓解此交通瓶頸，遂有台四線粟子園至內柵大溪外環道之闢建計畫，崁津大橋即為該外環道跨越大漢溪之橋梁。

台四線大溪外環道雙向各設置兩線快車道、一線機慢車道及人行道，其中快車道寬為3.5公尺、機慢車道及人行道寬各為1.5公尺，道路含人行道之淨寬為20公尺。外環道跨越大漢溪橋梁全長為766公尺，公路總局決定配合地方民意，將該橋建造為地標性景觀橋梁，以蓬勃大溪地區之觀光事業，促進地方之繁榮發展，遂廣徵顧問公司研提橋型方案予以評選。本工程司經多次赴現場勘查並蒐集相關資料後，研擬三種景觀橋型參與競標評選，順利得標承辦本橋梁工程之設計工作。

二、橋梁方案之研擬

(一) 服務建議書研擬方案

基於本區風光山色匯聚、文物豐粹、人傑地靈，各項地理、文化條件優越超凡，故本工程主橋之構造型式必須妥善考量，以彰顯區域特性，並特別強調景觀風格，乃能自然塑造成地域標誌，而廣獲宣揚。服務建議書階段所提方案說明如下：

1.   方案A：懸吊橋（雙塔對稱式）（圖一）

·        跨徑配置           120+300+120=540公尺

·        橋塔                   Ｈ型鋼筋混凝土構造

·        橋梁                   鋼床板箱型梁

·        錨碇構造           梯形內崁混凝土體

·        主纜                   高拉力鋼線組合

人類應用懸索建造吊橋的歷史極為久遠，大溪地區原本即有一座吊橋跨越大漢溪，目前已拆除。本案的特點乃在融入地域文化風格，擷取人們心中潛藏對吊橋的思緒，採用現代化的材料及結構力學觀念，創作出優美造型的懸吊橋，以滿足地域景觀的需求及人文長遠思緒的期盼。

2.   方案B：斜張橋（圖二）

·        跨徑配置           120+300+120=540公尺

·        橋塔                   鑽石型鋼筋混凝土構造

·        橋梁                   預力混凝土肋梁版式構造

·        主纜                   高拉力鋼線或鋼索以高密度聚乙烯套管（HDPE）保護

本案是一個三跨連續的雙塔對稱式斜張橋。橋塔為混凝土構造體，其斜柱的配置角度、高度和橋面構造間形成一美妙動人的鑽石形貌；這種橋塔型式必須有良好的高、寬度比例才能配置出優美的外觀，且符合結構力學的功能需求。橋梁體則考量經濟、易施工的條件而選擇預力混凝土肋梁版式構造，配合雙面斜張鋼纜的設計，可結合塔、梁、纜三者成為優良的結構機制，在抗彎、抗扭的特性上，均充分發揮各屬的效益。

3.   方案C：繫索拱橋（圖三）

·         跨徑配置  120+300+120=540公尺

·         橋塔 曲線變斷面鋼骨鋼筋混凝土構造

·         橋梁 預力混凝土肋梁版式構造

·         繫纜        高拉力鋼線或鋼絞索

本案是一個三跨連續的拱橋。主拱設於橋梁兩側、微向內側傾斜，使橫向立面形成一個梯形體。在結構系統方面，主拱體係承受自重及繫索拉力而形成拱軸壓應力；橋面為預力混凝土肋梁版式構造，兩端槽狀縱梁供繫索錨碇及承受軸向預力之用；繫索為單純拉力構件，其內傾角度可提供橋面適量的橫向壓應力。

就景觀功能而言，拱體頂、底緣均為曲線變化配置，頂緣為中央凸出的弧形，滑降至兩側的反向凹形曲線，起伏柔順、極富美感；其曲面陰影效果與圓形橫梁相互拱托，特別能強化景觀性視覺效果，同時也巧妙地融入大溪老街巴洛克式建築的意象。

上述三個橋型方案經公路總局召開地方說明會，決議採行方案C：繫索拱橋，惟本方案於初步設計審查會中，業主認為本橋主跨徑長達300公尺，拱高達50公尺，以國內廠商之施工技術恐無法承作如此大型混凝土拱橋，為降低此一重大工程之風險，決定再由本工程司對於相同之橋型研議跨徑較小之橋型方案，並將鋼構造或部分鋼構造橋梁納入考量，予以評估比較，以供橋型方案之裁核。

(二) 初步設計審查會後修正方案

本工程司於初步設計審查會之後，隨即展開資料蒐集，並進行方案之研擬，依審查會會議結論提出下列六個橋型方案：

1.方案一：鋼筋混凝土繫索拱橋（Ａ案）（圖四）

·       跨徑配置      90+200+90=380公尺

·       上部結構      鋼筋混凝土拱體以繫索懸吊混凝土梁體

·       下部結構      壁式橋墩

·       工程造價      約新台幣6.1億元

·       施工工期      約30個月

·       工法技術     

(1) 混凝土拱圈為三度空間曲線造型，其模板、支撐系統及混凝土澆注施工較具挑戰性，需由經驗豐富之廠商施作。

(2) 梁體為大斷面之節塊推進工法，施工技術需求較高。

(3) 臨時橋墩及節塊預鑄場於施工期間應考量洪水影響。

2.方案二：鋼骨鋼筋混凝土繫索拱橋（Ａ案）（圖五）

·          跨徑配置     90+200+90=380公尺

·          上部結構     鋼骨鋼筋混凝土拱體以繫索懸吊鋼結構梁體

·          下部結構     壁式橋墩

·          工程造價     約新台幣6.4億元

·          施工工期     約24個月

·          工法技術    

(1) 拱架鋼骨由工廠製造運至橋址組裝。

(2) 主拱圈被覆之混凝土澆注由已完成之主拱鋼骨支撐。

(3) 梁體鋼床板採全斷面焊接，施工技術需求高，國內廠商已有類似施工經驗。

3.方案三：複合鋼構造繫索拱橋（圖六）

·       跨徑配置       90+200+90=380公尺

·       上部結構       邊跨鋼骨鋼筋混凝土、主跨鋼結構體以繫索懸吊鋼結構梁體

·       下部結構       壁式橋墩

·       工程造價       約新台幣6.8億元

·       施工工期       約24個月

·       工法技術      

(1) 邊跨鋼骨及主跨鋼拱結構由工廠製造運至橋址組裝。

(2) 梁體鋼床板採全斷面焊接，施工技術需求高，國內廠商已有類似施工經驗。

4.方案四：鋼桁架繫索拱橋（圖七）

·        跨徑配置       90+200+90=380公尺

·        上部結構       鋼桁架拱體以繫索吊設鋼結構梁體

·        下部結構       框架式橋墩

·        工程造價       約新台幣6.9億元

·        施工工期       約24個月

·        工法技術      

(1) 鋼桁架構材由工廠製造運至橋址組裝。

(2) 鋼桁架構材數量龐大，組裝工作較為繁複，施工精度要求較高。

5.方案五：鋼筋混凝土繫索拱橋（Ｂ案）（圖八）

·         跨徑配置       60+150+60=270公尺

·         上部結構       鋼筋混凝土拱體以繫索懸吊混凝土梁體

·         下部結構       壁式橋墩

·         工程造價       約新台幣4.3億元

·         施工工期       約28個月

·         工法技術       同方案一  

6.方案六：鋼骨鋼筋混凝土繫索拱橋（Ｂ案）（圖九）

·         跨徑配置        60+150+60=270公尺

·         上部結構        鋼骨鋼筋混凝土拱體以繫索懸吊鋼結構梁體

·         下部結構        壁式橋墩

·         工程造價        約新台幣4.5億元

·         施工工期        約24個月

·         工法技術        同方案二

上述方案一至方案四主跨徑200公尺，橋梁全長380公尺，四個方案評估比較如表1；方案五及方案六主跨徑150公尺，橋梁全長270公尺，評估比較如表2。六個修正方案經向業主簡報後裁定採方案六橋型，惟鋼骨鋼筋混凝土結構改為鋼結構。至此，崁津大橋主橋橋型定案，並進入細部設計階段。

三、主橋設計說明

(一) 主橋結構型式

修正定案之主橋結構型式為三跨連續之鋼結構繫索拱橋，全長270公尺，跨徑配置為60公尺＋150公尺＋60公尺，拱高30公尺，兩側主體結構距離21.4公尺，總寬度為25公尺，結構尺寸詳見圖十、圖十一、圖十二。

(二) 結構系統

主橋結構組成元素包含拱圈、主梁、拱肋橫撐、拱肋斜撐，主梁橫梁、鋼床板及吊索等，其支承則採用人造橡膠支承墊，搭配側向止震塊成為橫向固定之縱向彈性支承，其特點在於主橋為三跨連續之鋼拱橋，利用彈性支承之縱向變形可有效降低溫度升降時產生之縱向反力，而地震時所有支承則皆可承擔地震水平力，提供主橋整體結構良好之結構行為。

1. 拱圈

拱圈主要是承受軸壓力、彎矩及剪力，採用寬、高皆為1,800mm之箱梁斷面，軸心曲線採圓型線型配置，中央主跨拱圈為上凸圓曲線，曲線半徑108.75公尺，邊跨拱圈為下凹圓曲線，曲線半徑為290.457公尺，順接至主跨拱圈上，形成優美的弧線外觀，其翼鈑厚度為15∼38mm，腹鈑厚度為20mm。

2. 主梁

主梁主要是承受軸拉力、彎矩及剪力，採用寬、高皆為1,800mm之箱梁斷面，其功能為傳遞鋼床板上之車道載重及自重至吊索再傳遞至拱圈，同時也承受整體結構由拱圈傳遞之水平反力，上翼鈑厚度為14mm，下翼鈑厚度為16∼44mm，腹鈑厚度為20mm。

3. 吊索

本工程吊索採用15.2mmφ 7線低鬆弛預力鋼絞索，單根鋼絞索以1.5∼2.0mm厚之高密度聚乙烯（HDPE）套管包覆，並灌注防蝕油脂，再將數條單根鋼索組合後以HDPE鋼索外套管保護。

4. 鋼床板及主梁橫梁

本工程主橋橋面版採用鋼床板，鋼板厚度14mm，橋面全寬內共設32個縱向Ｕ型肋條，沿車行方向每2.05公尺設小橫梁，每8.2公尺於主梁配置吊索處設大橫梁，橫梁兩端銜接主梁，負責傳遞載重，並為主梁之側向支撐。斷面為Ｉ型梁，小橫梁深度為1,000mm，腹鈑厚度為9mm，下翼鈑厚度為 12mm；大橫梁深度為1,800mm，腹鈑厚度為15mm，下翼鈑厚度除兩端支承處為30mm，內支承處為49mm外，其餘皆為45mm 。

5. 拱肋橫撐及斜撐

拱肋橫撐及斜撐主要作為拱圈之側向支撐，斷面為Ｉ型梁，其中橫撐深度為1,000mm，腹鈑厚度為9mm，翼鈑厚度為11mm；斜撐深度為1,000mm，腹鈑厚度為10mm，翼鈑厚度為16mm。

6. 防止落橋裝置

本工程主橋支承全部採用人造橡膠支承，屬橫向固定之縱向彈性支承，支承之人造橡膠墊藉由上、下支承鋼板固定於上、下結構。雖於設計時已考量地震水平力之影響，然為確保主橋於地震時不致發生落橋，仍於主橋中央跨徑兩端橋墩處設置縱向防止落橋裝置，其設計係於橋墩頂設置止震塊，於拱橋主梁底部設置楔形鋼板，止震塊與楔形鋼板間可能之接觸面以人造橡膠墊被覆，以降低其碰撞時可能產生之撞擊力。

(三) 鋼床板舖面

由於本工程主跨徑長達150公尺，且橋面係以吊索懸繫於主拱上，因此鋼床板受到車輛載重作用時容易產生較大的局部變形，一般瀝青舖面將無法承受其變形量而導致龜裂破壞。此外，雨水的滲透也會使鋼床板產生銹蝕，因此鋼床板舖面設計須考量鋼床板之變形特性、防水需求、耐久性及行車舒適性等等。

基於上述考量，本工程鋼床板舖面底層採用GUSS瀝青混合物，而表層則採用改質瀝清混合物，兩層舖面結構厚度各為4公分，其材料說明如下：

1. GUSS瀝青混合物

GUSS瀝青混合物乃是在以直餾瀝青為主，調合天然瀝青為輔的硬質瀝青中加入粗骨材、細骨材及充填料之後在拌合廠拌合，然後交由熱拌裝置（Cooker）利用高溫拌攪而成的特殊瀝青混合物。骨材用量應依規範所訂級配將粗骨材、細骨材及充填料適量配合，而瀝青含量則以使用混合物總重的7∼10％的範圍為標準。GUSS瀝青混合物具不透水性，可有效提供鋼床板防蝕需求。

2. 改質瀝青混合物

將粗骨材、細骨材及充填料以一定比例加以配合使其符合改質瀝青混合物骨材級配規定，而瀝青用量則以使用混合物總重的5∼7％為標準。其舖面對於鋼床板的局部變形具備相當優越的迎合性、穩定度與耐流動性，可有效提昇舖面之耐久性。

(四) 施工方法

本工程主橋全部位於大漢溪河道範圍內，其上游為石門水庫，除汛期水庫洩洪外，常時河道之水流並不大，故本工程考量工址現況、施工環境、費用經濟性及國內施工技術等因素，施工方法採現場支撐吊裝組合工法施工（照片一、照片二）。

四、結構分析

(一) 規計規範

1.   交通部〝公路路線設計規範〞（民國75年12月公佈）

2.   交通部〝公路橋梁設計規範〞（民國76年1月公佈）。

3.   交通部〝公路橋梁耐震設計規範〞（民國84年1月公佈）

4.   經濟部水利處〝跨河構造物設施設置審議規範（試行辦法）〞

5.    美國公路及運輸官員協會AASHTO STANDARD SPECIFICATIONS FOR HIGHWAY BRIDGES （1992）

6.    美國公路及運輸官員協會AASHTO STANDARD SPECIFICATIONS FOR WELDING OF STRUCTURAL STEEL HIGHWAY BRIDGES（1981）

7.    美國土木工程師協會（ASCE）GUIDELINES FOR THE DESIGN OF CABLE-STAYED BRDIGES（1992）

8.   日本道路協會道路示方書，同解說Ⅱ鋼橋編（1994）

9.   美國電銲協會（AWS）STRUCTURAL WELDING CODE（D1.1-90）

(二) 設計標準

1.   設計活載重：HS 20-44，上部結構之活載重再增加30％，三車道以上不折減

2.   設計地震水平係數：依據交通部84.1公佈之「公路橋梁耐震設計規範」規定

3.   設計溫度變化範圍：±25℃

4.   設計風壓：考慮60M/SEC風速

(三) 材枓規格

1.   結構鋼料：ASTM A36 或ASTM A572 Grade 50

2.   強力螺栓：ASTM A490 TypeＩ摩擦式螺栓

3.   吊索：15.2mmφ低鬆弛7線預力鋼絞索，符合ASTM A416-90a，Grade 270，Low Relaxation之需求，fs¢=190kg/cm2。

(四) 結構分析程式

主橋結構分析採用SAP 2000進行三維靜力及動力分析，圖十三、圖十四所示為三維之縱向及橫向結構動力分析模式，設計時考慮靜載重、活載重、風力、地震力、溫度變化及施工步驟等組合載重，分析其產生之應力以決定構材斷面尺寸。

五、景觀工程設計

本工程除主橋造型特別配合地方需求，設計為三跨連續之拱橋外，於設計期間也針對橋欄杆、燈柱造型及人行道舖面研擬多項方案，向業主及地方政府簡報說明，並配合各方意見研議修正，使橋梁之大部及細部景觀元素相互輝映，烘托出具地方人文特色之景觀性橋梁。圖十五及圖十六為模擬於主橋及引道上觀賞橋欄杆、燈柱及人行道舖面之完工景象，其設計說明如下：

(一) 橋欄杆

仿大溪鎮傳統建築型式之欄杆，有柱頭及望柱，隔以地伏、欄板及尋仗，整個造型融入大溪鎮傳統建築之意象，充分反映當地人文特色，欄板部份弧型拱圈同時反應了拱橋之造型及大溪鎮傳統建築之圓拱型式，材質以鋼筋混凝土為主，面貼窯燒花崗磚。另引道欄杆亦由橋欄杆型式加以簡化，使大溪外環道全線欄杆呈現一致的造型風格。

(二) 燈柱造型

仿中國傳統建築之柱梁型式，用於燈柱之設計上，並以雀替做為裝飾，材質採用熱浸鍍鋅鋼管。

(三) 人行道舖面

舖以20CM×20CM暗紅色地磚，1CM勾縫，仿中國傳統建築之舖面型式及材質，塑造屬於當地人文特色之外貌。

六、結  語

崁津大橋之主橋為國內第一座三跨連續之繫索鋼拱橋，本主橋工程歷經服務建議書階段研提三種大跨徑特殊橋型，於大溪地方說明會中擇採繫索拱橋。復於設計階段重新研議縮小跨徑之相同橋型，並將鋼構造或部分鋼構造橋梁納入考量，最後決定為施工中的現有橋型。為提昇橋梁之視覺景觀效果，除橋梁整體外型優美流暢外，對於照明燈桿、橋護欄造型及人行道舖面之材質花樣，皆特別考慮融入大溪地方文化風格，以彰顯地域特色。目前崁津大橋即將完工通車，橋梁完工景象模擬示意圖如圖十七、圖十八所示，預料崁津大橋日後將成為大溪地區醒目的新地標。

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