1. 橋梁概述
本文案例橋梁為單拱肋之鋼索橋，橋址位於臺灣花蓮，為單跨鋼拱橋設計。橋梁上部結構主要由拱肋、主梁、橋面板、橫梁與鋼纜所組成，其支承型式採用盤式支承，搭配側向人造橡膠防震板及車行向阻尼器。下部結構為兩側橋台，其立面及平面圖，如圖1所示。全橋橋長為110 m，橋面全寬為9.5 m，拱肋高為26.91 m。本橋採用的鋼纜共有22束，有兩種規格，分別為10股與12股15.2mmψ之7線低鬆弛預力鋼絞索所組成，固定於橫梁處。

結構健康監測系統量測項目有鋼纜索力、橋面撓度、拱肋雙向傾角及拱肋底部斷面應變、兩端伸縮縫位移，以及環境溫度與風速等項目，相關感測器配置如圖1所示。各項目監測數據經4G網路回傳至雲端資料庫與監控平台，使用者可透過遠端監控系統網頁登入檢視即時監測數據與橋況，一旦有感測設備或數據異常，系統將自動發布警訊給相關維管人員，以盡速排除異常或故障事件，確保系統持續穩定運作。
 

                                                                                     圖1 監測儀器配置示意圖
 

2. 結構健康診斷程序
2.1 結構模型建置與校正
首先參考橋梁設計及施工資料，建置鋼索橋有限元素初始模型。為確保模型能精確反映橋梁於成橋狀態下之實際結構行為，採用現地試驗數據作為模型校正之依據，試驗包含：靜態車輛載重試驗、微振動試驗及鋼纜索力量測。

在車載試驗部分，於橋梁上分別執行多種加載案，並於試驗後進行模型比對與調校。經初步比對，發現主梁鄰近A1支承處的撓度與水準測量成果存在較明顯的差異。經研判，主因應為該處位於主梁曲線段，受摩擦力影響產生額外的轉角束制。透過調整支承抗撓勁度，分析結果已能與水準測量數據高度吻合，證實調校後模型已能掌握橋梁靜態變形反應，如圖2所示。
 

(a) 初始模型                                                     

(b)校正後模型
                                                                                   圖2 車載試驗比對結果

針對橋梁動態特性，本研究執行橋體微振動試驗，量測環境振動下之結構反應以識別模態參數。圖3展示了數值模型的橋梁重力向(Z向)之前三階模態，由表 1 之比對結果顯示，模型分析頻率與試驗量測頻率呈現良好的一致性，顯示模型在整體勁度上掌握了相當程度的橋梁特性。
 

圖3 橋梁結構模型重力向模態                                                         

Table 1. 橋梁模態比對結果

在完成整體勁度校正後，模型進一步依據鋼纜模態試驗取得的索力值進行索力調校。校正後的鋼纜索力分析值與量測值十分吻合，全橋總索力誤差僅為 1.2%，顯示模型之索力分佈已符合現況。數值模型經過前述各項試驗的調校比對後，分析的結果確實已與橋梁現況吻合。

3.七級地震震後即時診斷
3.1 橋梁震後損傷說明
台灣地區時間2024年4月3日上午07時58分於花蓮縣政府南南西14.9公里處，發生芮氏規模7.2的強震，花蓮秀林鄉震度達6強，造成花蓮地區災情嚴重，特別是太魯閣國家公園，邊坡土石崩落、道路中斷，以及部分老舊橋梁倒塌損毀。本案例鋼索橋也因地震產生局部損壞，經維管機關及檢測人員立即啟動特別檢測後發現，主要為A2橋台左側之固定式盤式支承，在地震過程中抗拉拔裝置損壞，支承錨定螺栓斷裂，造成支承底座鋼盆脫離錯位。由於此固定支承為本橋唯一縱向束制的支承，且A1、A2橋台間具高程差(如圖4)，因此支承損壞後造成整體橋面往A2橋台方向橫移並產生殘餘位移，間接造成A1橋台處伸縮縫間距過大，A2橋台處伸縮縫擠壓且具微小高程差。

圖4 橋梁震後損傷說明
 

3.2震後監測數據變化
(1)伸縮縫位移
由地震後的監測數據也發現，兩端伸縮縫位移計確實可觀測到橋面有縱向殘餘位移的情形，如圖5所示。A1橋台處伸縮縫被拉開4公分之位移量，A2橋台處伸縮縫則有推擠5公分的殘餘位移。
 

圖5 橋台(A1、A2)處伸縮縫位移計監測數據
 

(2)鋼纜索力
本橋屬橋面與拱肋分離之鋼索系統，受橋面縱向殘餘位移影響，兩扇反對稱配置之索面發生明顯拉伸或縮短。監測顯示（如圖6），左側CA1~CA8與右側CA12~CA14索力因位移縮短而下降；其餘鋼纜則因伸長導致索力上升，最大變化達35%，惟仍處於容許應力範圍。此外，拱頂傾角與拱底應變亦隨之產生相應變化。
 

(a)左側鋼纜
 

(b)右側鋼纜

圖6 地震前、後鋼纜監測索力變化情形
 

(3)拱肋傾角與應變
監測結果顯示，震後拱肋向 +x 及 -y 向偏移，尤以右側（-y）傾倒最為顯著。此現象主因鋼纜索力重分配，右側索力增加而左側減少，不平衡力牽引拱肋向右傾斜。同時，A2 拱底A-A斷面（Str1、Str2）壓應力隨之增加。綜上，拱底應變與拱肋傾倒趨勢具物理一致性，證實監測數據能準確反映橋梁受損後的實際受力狀態。
 

圖7 拱頂傾角與拱底應變震前震後監測數據
 

3.3數值模型逆向診斷分析
為評估橋梁震後安全性並確保營運功能，本研究運用前述已校正之數值模型進行逆向診斷。首先，將鄰近橋址之測站所記錄的地震歷時資料輸入模型進行動力分析。分析結果顯示，地震期間A2 橋台左側支承處之縱向剪力峰值已超過其設計強度，因此該處為地震作用下之關鍵構件，此分析結果與現地勘查發現的支承損壞位置完全一致。
為了模擬橋梁支承損壞情況，將A2L的固定支承變更為活動支承(圖8)，釋放其縱向及橫向束制後重新進行靜力分析。模擬結果顯示，在無額外水平外力且僅受自重作用下，橋面版即產生向A2 橋台方向4公分的縱向位移量，如圖9所示。與監測系統位移計測得的位移量相當吻合。
 

圖8 震後橋面殘餘位移分析

此外，在橋面存在上述殘餘位移之狀態下，提取模型中各鋼纜之索力變化量進行比對。如圖9所示，模型分析之索力變化分佈與監測所得之變化量高度吻合。同時，拱肋之側向傾角與拱底應變之分析值，亦呈現與現地監測數據一致的變化趨勢（如圖 10所示）。
 

圖9 地震後監測值與數值模型鋼纜索力變化
 

   
圖10 模擬支承失效後拱肋傾斜狀況
 

經由本節模擬分析與監測數據的比對結果，除了證實本監測數據之合理性，同時也驗證了調校後的數值模型，能準確模擬災後橋梁的力學行為，因此後續進行橋梁構件應力檢核，以及容許變位檢核等相關結果，將具較高的可信度，可供養管機關決策參考與支援。

4. 結語
本文以 2024年花蓮地震後的鋼索拱橋應變處置為例，探討擬真有限元素模型於災後診斷之成效。研究成果顯示，數值模擬可準確分析橋面縱向殘餘位移與鋼纜索力變化，模擬結果與監測數據高度一致，不僅驗證監測資料的合理性，也證實擬真的模型具備即時診斷災後橋況之能力，為橋梁管理單位提供重要決策依據。
 

致謝
本文感謝交通部公路局東區養護工程分局計畫經費支持，太魯閣工務段指導及合作團隊協助。