圖/文：設施技術中心

前言：

金門大橋作為連接烈嶼鄉（小金門）與大金門的重要交通紐帶，不僅是區域發展的關鍵里程碑，更是國內橋梁工程技術的卓越體現 。這座全長 5,414 公尺、主橋橫跨千米的六跨連續脊背橋，面臨著複雜的海域環境與長期的結構挑戰 。為了確保其營運後的安全性與結構健康，一套結合高科技傳感與雲端分析的監測系統顯得至關重要 。
本計畫詳盡紀錄了金門大橋如何透過智慧化監測技術，建立起全面的防護體系。從動態索力分析、靜態應變量測到環境氣候追蹤，系統透過 4G 網路與雲端管理平台，實現了數據的即時傳輸與自動化警示 。此外，本報告更深入探討了環境振動量測、鋼纜初始模態檢測及重型載重試驗的實測成果，並透過精密模型校核，確認橋梁的動態特性符合設計預期 。
透過本文的介紹，讀者將能瞭解如何結合「動態、靜態、環境」三大監測面向，為金門大橋量身打造數位化的健康檔案，展現科技守護公共安全的核心價值 。

工程概述
金門大橋連接烈嶼鄉（小金門）與大金門，路線長度約5.414公里，其中橋梁部分長4.77公里，規劃路線，起點於烈嶼鄉（小金門）后頭地區與4-17計畫道路（湖埔路）平面相交，道路縱坡爬升跨越小金門濱海大道後，右轉東行經金門嶼南側礁石區後，直線跨越金門港道，進入大金門端湖下南方，避開現有聚落與慈湖路平面相交。

圖1  金門大橋計畫範圍(資料來源Google map)

金門大橋工程全長5,414.761公尺，其中橋梁段4,770公尺，可區分為主橋、邊橋及引橋三區段。主橋為6跨連續脊背橋，橋跨配置為125+4@200+125=1,050公尺，共3單元。主橋橋塔及各橋段之下部結構橋墩為場鑄鋼筋混凝土構造。基樁型式為150 cm∮、200 cm∮與250 cm∮全套管基樁。

圖2  金門大橋全橋配置圖

監測系統架構說明
金門大橋橋梁監測系統主要包含動態監測系統、靜態監測系統、網路傳輸系統等三大部分，動態監測系統主要目的為監測鋼纜索力變化，靜態監測系統則包含環境監測與結構體監測兩部分，網路傳輸系統則是將動態監測系統與靜態監測系統透過內部網路方式串連成一個封閉網路，讓監測資料可以透過網路傳輸到監測主機進行分析與儲存。

動態監測系統採用單軸向力平衡加速度計進行鋼纜振動資料擷取，並透過動態資料擷取器將鋼纜振動歷時資料暫存於動態資料擷取器本身的記憶卡內部，再由動態監測主機透過網路將動態監測資料轉存到動態監測主機內部的硬碟，並執行頻譜分析後，進行索力即時運算。

靜態監測系統對於結構體監測部分，採用振弦式應變計擷取橋體以及鋼纜混凝土錨定塊的應變反應、橋體的混凝土溫度反應、橋塔的傾斜角度反應、伸縮縫的縱向位移反應、基樁鋼筋應力反應等等，透過靜態資料擷取器將靜態監測資料暫存於靜態資料擷取器本身的記憶體，再由靜態監測主機透過網路將靜態監測資料轉存到靜態監測主機內部的硬碟。

靜態監測系統對於環境監測部分，採用風速風向計擷取橋址處風速變化與風向變化、溫度計擷取大氣溫度變化、箱梁內溫度變化、溼度計擷取大氣濕度變化等等，透過靜態資料擷取器將靜態監測資料暫存於靜態資料擷取器本身的記憶體，再由靜態監測主機透過網路將靜態監測資料轉存到靜態監測主機內部的硬碟。

橋上所有監測資料，最後透過4G行動網路將運算後的鋼纜索力監測資料傳送至遠端的雲端伺服器進行儲存與展示。

監測系統之感測器說明
金門大橋監測系統主要分為動態監測、靜態監測兩個部分。動態監測的感測器為單軸向力平衡加速度計；靜態監測的感測器包含風速風向計、電阻式溫度計、濕度計、拉線式位移計、數位式雙軸向傾斜計、振弦式應變計、鋼筋應力計。
 
圖3  監測系統架構圖

圖4  監測系統安裝位置側視圖

金門大橋即時監測網頁說明
金門大橋即時監測網頁建置在本司自行開發之橋梁監測管理平台，網址為https://shm.ceci.org.tw/bridge/IndexVision，監測平台帳號密碼之申請需由本司平台管理人員設定。 使用前述設定之帳號密碼登入後，會進入到金門大橋的監測網頁展示模組，左側為功能選項區，包含資料轉換儲存、監測資料查詢、感測器(監測點)管理、警示功能、系統管理等五項功能。

圖5  監測管理平台首頁
 

圖6  金門大橋監測網頁

環境振動量測說明
本司於111年10月24~25日執行環境振動量測，並依據現地狀況適時調整速度計位置。量測時將5顆速度計佈設於於中央分隔島處，採用取樣率1k Hz進行資料擷取，並持續記錄15分鐘，分別於S44跨~S49跨進行逐跨量測。試驗進行時，分別於各跨配置5個速度計記錄各跨橋面環境振動量測之垂直向微振動速度歷時訊號。將速度歷時訊號進行頻譜分析後，得到各跨橋面垂直向速度頻譜圖，透過模態分析取得各跨橋面垂直向頻率與正規化模態振型。

速度歷時曲線
 

速度頻譜圖
 

模態振型圖

圖7  環境振動量測之垂直向速度歷時曲線、頻譜與振型圖

鋼纜初始振動模態檢測試驗
金門大橋外置預力斜拉鋼纜系統為柳州歐維母機械股份有限公司(OVM)，產品規格為OVM250-43T及55T兩種尺寸規格，分別代表43股及55股7心鋼絞線組成的鋼纜，7心鋼絞線是以標稱直徑15.2 mm的7線低鬆弛鍍鋅鋼絞線外覆油脂及HDPE保護管所組成，單股標稱強度為1,860 MPa。

鋼纜初始振動模態檢測，其目的為取得鋼纜之有效振動長度、鋼纜頻率值及建立鋼纜索力初始值。由鋼纜初始振動模態檢測試驗取得鋼纜振型後，透過振型擬合的方式取得鋼纜有效振動長度，再配合頻率與鋼纜單位長度質量，透過等效簡支拉力梁法的索力計算公式，求取鋼纜索力初始值。量測方式是分110次於單一鋼纜同時裝設5個感測器固定於鋼纜上，同步量測該鋼纜5個感測器響應的振動歷時訊號。

圖8  鋼纜索力檢測分析流程圖

43T鋼纜極限抗拉強度為1,132噸，55T鋼纜極限抗拉強度(fu)為1,448噸。各鋼纜量測索力曲線線形與設計索力曲線線形一致。檢視極限應力比狀況，各鋼纜應力比多介於0.3fu~0.45fu之間。檢視設計索力應力比，各鋼纜應力比多介於0.65~0.85之間。
 

圖9  P46橋塔鋼纜各鋼纜之極限、設計與量測索力曲線

靜態載重試驗說明
本團隊於112年4月19~22日進行靜態載重試驗，採用2輛、6輛、10輛載重車進行試驗，於各跨跨中處加載，執行靜態載重試驗時同時進行斷面應變量測與水準高程量測。


圖10  靜態載重試驗照片

水準高程測量與斷面應變量測說明
為配合載重試驗之進行，靜態載重試驗分為3個階段，分別採用2輛、6輛、10輛砂石車進行加載，作業時段均為晚間10點至隔日清晨6點，分3日進行，每日水準高程量測均以起始柱位之橋面高程為基準(即P43橋墩、P45橋墩、P47橋墩)。同時進行斷面應變量測，分別於主梁左箱室與右箱室頂板、腹板、底板安裝電阻式應變計，於靜態載重試驗過程中即時記錄斷面應變變化。


圖11  靜態載重試驗時主橋段撓度曲線圖


圖12  靜態載重試驗時斷面應變變化

結構分析模型
金門大橋主橋段上部結構為六跨連續預鑄箱型梁所組成。六座橋塔高度皆為31.5m，而下部結構之橋墩高度P44及P48為33.83m、P45及P47為38.07m、P46為39.95m。支承配置於P43、P44、P48及P49為雙向可動式盤式支承(M)，P45、P46及P47則為固接型式(R)。

圖13  金門大橋結構分析模型構件資訊

透過執行自由振動分析所得的各跨頻譜圖，S44及S49跨徑較短的跨段，主控頻率為1.001 Hz；S45及S48為邊界條件不對稱之跨段，頻譜特徵有三個峰值，當中能量最高的頻率峰值為0.806 Hz，接下來依序為0.708 Hz及1.001 Hz；S46及S47為邊界對稱跨段，主控頻率為0.806 Hz。且分析結果可對應到模態分析振型圖中振幅程度，故經模型調校後，已可反應橋梁實際之動態特性。
 

圖14  模型自由振動分析之頻譜圖