工程譯述

道路橋鋼筋混凝土橋墩之耐震性能

與配筋構造 編譯

Seismic Performance and Reinforcement Detail of Highway Bridge Columns

前  言

本文主要係譯自日本「橋梁與基礎」期刊第99-8期內，有關「道路橋鋼筋混凝土橋墩之耐震性能與配筋構造」一文，介紹世界主要國家，如日本、美國、歐洲、紐西蘭等國家之耐震設計規範內與其有關之規定，並將我國交通部於84年1月9日頒布之「公路橋梁耐震設計規範」內相關之規定摘附於文章內，供大家參考。

日本道路橋設計基準之「道路橋示方書」，經由平成7年1月兵庫縣南部地震之重大災害之經驗，於平成8年12月予以改訂。在修訂之「道路橋示方書」內，新加規定對於大規模地震須為能適切吸收且能抵抗地震能量之富於韌性之強韌構造之必要性。

為實現富於韌性之鋼筋混凝土橋墩，最重要的是一般須使能確實誘導為強韌破壞模式之彎曲破壞型之損傷。為使能誘導為如此之強韌損傷模式，墩柱配筋須防止軸向鋼筋之挫曲外，並須能適切地圍束構材內部之混凝土。因而須設置圍束構材之箍筋或防止箍筋向外膨出之中間箍筋，並須將箍筋端部充分錨碇，以便即使在混凝土保護層剝離之狀態下，箍筋或中間箍筋亦能圍束混凝土核塊。因此與傳統設計相比，鋼筋混凝土構材之鋼筋配置在量與質上將增加外，錨碇彎鉤之形狀亦相當重要。為滿足這些要求，在另一方面，有時會有現場之施工性較傳統有降低等等之情況，因此今後確保結構物必要之耐震性能，並能實現更合理之配筋構造是很重要的。

在本文中，針對道路橋鋼筋混凝土橋墩之耐震性能與配筋構造，將世界各國有關耐震基準所規定必要之耐震性能與實現此耐震性能之相關配筋構造之考量加以比較整理介紹。為發展未來之新合理性配筋構造，又由這些整理結果，試將須檢討之事項加以綜整。

1.耐震性能與配筋構造之現況

首先，為了解耐震性能與配筋構造之現況，比較世界各國道路橋之相關基準。在本文中比較了台灣公路橋梁耐震設計規範、日本道路橋示方書V•耐震設計編、Eurocode 8、 ATC-32、 AASHTO LRFD Bridge Design Specifications、 New Zealand TRANSIT Bridge Manual。其次不僅限以道路橋為對象，更進一步地比較了日本土木學會混凝土標準示方書耐震設計編。關於日本、美國、歐洲、紐西蘭之耐震設計基準之國際間比較，由日本土木學會混凝土委員會於平成11年4月舉辦之「混凝土構造物之耐震設計相關之國際研討會」時，各國之相關人士曾有綜整直接而非常詳細之比較結果。在本文之整理內亦參考相關文獻，因參考文獻內多有省略記述之細節，故乃再次研讀原標準之規定而予以重新整理。對於美國之基準而言，為比較地震危險度高之加州與聯邦兩者所用之基準，因此如上所述同時比較ATC-32與AASHTO。

(1) 耐震性能之理念

表1所示為各國之耐震設計標準所規定之設計地震與構造物之耐震性能之比較結果。表內主要項目為設計地震、耐震性能、構造設計理念。

關於耐震性能之基本理念各國均相同，對於比較會發生之中小地震與稀少發生之大規模地震，均有規定相應於各類地震規模能確保必要之機能，並設定有防止崩塌之限界狀態。但在具體性之設計校查時，則可分類為如日本之對於2階段之地震影響做具體校查性能之情況，與僅對大規模地震施行校查之情況。又關於構造物之重要度，大概可區分為2種至3種，重要度之定義多少有差異性，本質上各國均以對於2次災害之影響或基於該構造物之社會性重要度予以設定。

關於這種對應地震及重要度之耐震性能，在各國均基於使用性、安全性、復舊性等之要求性能，設定確保緊急輸送等服務標準與防制於彈性範圍內不致崩塌之損傷標準。這在各國之表現雖多少有相異，關於本質性之耐震要求性能略可視為相同之理念。又關於構造設計觀念，對於大規模地震，以檢查、維修或能量吸收之觀點，在適當位置確實誘導成塑鉸，以求實現韌性構造。有關這種對於大規模地震之基本理念，世界各國均可視為同樣之構造設計理念。

比較表1，本質上各國之理念最大差異可舉以下兩點說明。

j地震與重要度之理念

如表1所示，對應不同之重要度規定其必要之耐震性能，如日本或ATC-32等將重要度之不同反應於不同耐震性能之理念，與如Eurocode 8、 AASHTO及紐西蘭規定等考慮於設計地震力中之理念。例如在Eurocode 8，係以475年再現期之地震為設計地震，於設計中依結構重要性採用設計地震之1.3倍或0.7倍等不同之重要度，而所要求之耐震性能均為一樣之理念。AASHTO則更為明確，對於重要之橋梁，設計地震以再現期475年，對於重要度特高之橋梁設計地震之再現期取為2500年，相同於Eurocode 8對於兩種地震期待相同之耐震性能。

關於這樣之理念，可考量難予評估何者較為合理，因地震本身為差散性大且不確定性高，對於重要度高之橋梁要求更長之再現期或對於安全性要求更高之信賴性應為合理之理念。又重要度高之橋梁考慮其供使用期間長時，以更長期間來設定地震應能更明確地理解。另外，對不確定性高之地震未能有必要之信賴度可予以設定之資料情況時，將過去特定之地震規模確實地予以預估，此種方式非常易於理解的，對以如此方式設定之地震之耐震性能，依重要度之不同予以變化之方法應為合理。

k容量設計(Capacify Design)

依各國之基準，對於大規模地震，均考慮在檢查、維修或能量吸收之觀點上，在結構物適切位置確實誘導成塑鉸，以實現韌性構造。為使這種韌性行為確實，以考慮材料之強度超逾或應答增幅之影響等而施行構材耐力之階層化之設計法稱為容量設計(Capacity Design)。在Eurocode 8或紐西蘭規定，明確記述有這種容量設計之理念。另外，在日本雖有明確規定容量設計之理念，惟在具體之設計計算內，如強度超逾係數之形態，未必有明確予以定義。

(2) 配筋構造

表2係為能確實把握耐震設計最重要之韌性行為而被考慮之各國之配筋構造加以整理比較。表內主要對於橫向圍束筋之配筋構造為重點，整理包含詳細內容相關之主要規定。尚而，這裡所整理著，主要有塑鉸區域之定義或錨碇彎鉤構造之配筋細節。其他尚有對於必要剪斷耐力、彎曲耐力與韌性性能等所規定之條件及常時之設計條件所定出之鋼筋量。

對於韌性行為必要之塑鉸區域與其以外之塑鉸區域予以分別配置橫向圍束筋或軸向鋼筋，在任一基準均為同樣，列舉各國之配筋構造之理念特徵如下。

j構造設計

日本雖多採用矩形斷面，惟依ATC-32圓形斷面因橫向圍束筋之圍束效果高，其韌性性能亦會高，一般均以圓形斷面採用螺旋筋或圓形環筋，而僅於現實上無法採用這種構造時，才採用有箍筋及中間箍筋之矩形斷面。在美國有斷面寬不大之矩形斷面亦多有採用以幾個圓形配筋予以交差之Interlocking式之橋墩事例。由於圓形斷面之軸向鋼筋以圓形配置，因於於強度上與具有同程度之斷面與軸向鋼筋數之矩形斷面相比較為不利，惟在韌性之觀點上卻較為有利。如此為要確保耐震性能，因著重於耐力或韌性需求而其設計之考量有差異，ATC-32著重於韌性需求，基本上採用圓形構造。

k塑鉸區域

在任一基準均將力矩較大之橋墩基礎等部份之某一範圍做為塑鉸區域，在此塑鉸區內配置超逾降伏時仍可確保韌性行為之配筋細節。對於塑鉸區長度有數種理念，在Eurocode 8 、 Atc-32與紐西蘭規定，依作用於構材之軸力比求得塑鉸區長度。例如Eurocode 8規定之軸力比（即斷面之軸向強度與其軸力之比值）在0.3（即對其於30N/mm²之設計基準強度為9N/mm²軸應力度）以下，塑鉸長度為其斷面寬度或彎曲力矩低減至20%範圍之兩者取其大者。軸力增大時為其寬度之1.5倍。在日本一般道路橋之情況軸力比較小，依Eurocode 8，塑鉸區大概相當於其斷面寬度。

在紐西蘭規定，軸力更大情況之塑鉸區長度亦有規定，軸力比大於0.5時，塑鉸區域為其斷面寬度3倍之範圍或彎曲力矩低減至40%時斷面之範圍之兩者取其大者。

如此，相應於以較小斷面承受較大軸力之國外構造特性與以較大斷面承受較小軸力之日本構造特性之不同來設定塑鉸區域。

l軸向鋼筋之段落

日本特殊之配筋構造有軸向鋼筋之段落，在新版日本道路橋示方書，原則上不採用軸向鋼筋之段落。在日本以外地區可看到搭接在塑鉸區外採用之案例，惟軸向鋼筋之段落一般不採用。但若考慮當作用強度超過或變形增大而需將塑鉸區確實誘導於預定之處時，應可考量採用以求得合理性之配筋。

m彎鉤構造

鋼筋之標準彎鉤採用有半圓形彎鉤、135度（銳角）彎鉤及90度（直角）彎鉤，在塑鉸區域內規定，雖保護層混凝土剝離，仍能確保確實之圍束所必要之錨碇構造。在任一基準均規定，有橫向圍束筋之搭接端部須確實錨碇於混凝土核心塊內。有此特徵性者為在AASHTO，採用於塑鉸區域之彎鉤，定義為「地震彎鉤」。地震彎鉤為135度彎鉤與設有鋼筋直徑之10倍或6英吋（15cm）以上之錨碇長。在AASHTO所規定之地震彎鉤之錨碇長度與日本道路橋示方書、Eurocode 8及ATC-32所規定之錨碇長度相同。

n橫向圍束筋：重疊閉合箍筋(Overlap Hoop)

在矩形斷面時，有採用重疊閉合箍筋之情形，在日本不一定為一般性之規定，然而在Eurocode 8及紐西蘭規定內有所規定。在日本，矩形斷面時圍束軸向鋼筋而配設箍筋，以中間箍筋與外圍箍筋將軸向鋼筋之膨出給以圍束，乃為一般性之構造。另外，依Eurocode 8及 AASHTO或紐西蘭規定，為提高防止軸向鋼筋座屈之圍束為目的，如圖一所示之重疊閉合箍筋(Overlap Hoop)構造為典型性之構造。一般重疊閉合箍筋之配置間距須為200mm或斷面寬1/4之較大值為其最小之間距。

現在依日本之基準亦須配設多量中間箍筋，如依國外之基準，中間箍筋或重疊閉合箍筋須在斷面內以35cm之間距大量加以配設。但此為以較小之斷面承受較大軸力之海外構造特性與以較大之斷面承受較小軸力之日本以外構造特性之差異，應考量要有充分予以考慮之必要。

o橫向圍束筋：防止座屈之觀點

由箍筋與中間箍筋構成之橫向圍束筋，做為防止軸向鋼筋之座屈為目的，在任何基準均為一致。在這種基準，其垂直向之最小間距在塑鉸區域設定為軸向鋼筋直徑的6倍。當鋼筋直徑為D25時，最小間距為150mm而與日本規定之垂直向之最小箍筋間距相同。若採用比D25較小之軸向鋼筋時，最小箍筋間距將較減小。

2. 鋼筋混凝土橋墩耐震設計之配筋構造需求性能

由上述各國耐震基準內有關耐震性能與配筋細節之比較可知，各規範為滿足必要之耐震性能，均規定必要之配筋細節。將此耐震性能與配筋構造之流程簡單，予以整理如圖二。

結構物之設計重要之考量為能確保達到之必要機能（使用性、安全性、修復性等）所需要之損傷模式、損傷部位，及須為確實誘導預定損傷之各部材所要求之耐力性能外，更應確保結構物為必要韌性行為之變形能力。為此，將塑鉸區域與塑鉸區域以外等部份，明確其配筋構造應為重要。以如此觀點為實現符合必要耐震性能之合理性配筋構造，原作者認為必要檢討之研究項目分類如下。

(1)由耐震性能評價法之高度化及合理化

對從來未闡明著考慮在安全方面之配筋，使為必要最小限度之配筋量，評價法高精度化之研究。

(2)配筋之合理化

可將配筋為簡便化、簡略化之新配筋方法、配筋工具之研究。

(3)新構造之開發

不拘於傳統之鋼筋混凝土構造，可發揮必要耐力或韌性之新構造之研究。

以此觀點，考量為今後必要之研究事項如表3所示。不拘於傳統構造，期待開發出使高耐震性、經濟性及合理性之新構造。

後  記

本文內，就道路橋之鋼筋混凝土橋墩之耐震性能與配筋構造，比較整理世界各國之耐震基準所規定必要之耐震性能及為其實現之配筋構造。又藉此整理結果，試將未來之新合理性配筋構造所必要檢討之事項予以整理。相信今後繼續有更新技術開發之必要。

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