2 │中│華│技│術│

106 │No.89│ January, 2011

專題報導

S P E C I A L R E P O R T

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專題報導

ABSTRACT摘要

關鍵詞：雙層橋梁、大偏心橋墩、橋柱內置H型鋼

台灣世曦工程顧問股份有限公司／第一結構部／協理／林曜滄 1

台灣世曦工程顧問股份有限公司／第一結構部／副理／陳光輝 2

台灣世曦工程顧問股份有限公司／第一結構部／計畫工程師／王泓文 3

台灣世曦工程顧問股份有限公司／第一結構部／計畫工程師／楊景華 4

台灣世曦工程顧問股份有限公司／第一結構部／工程師／翁新鈞 5

就橋梁整體結構配置及減少道路用地等因素考量，傳統雙層橋梁上下層均儘量重疊

佈設，也因此大多採框架式橋墩配置。惟基於下層採光、視野感受及橋墩外觀造型上之考

量，加上受用地及施工條件限制下，必須採僅局部重疊之雙層高架方式佈設，並以雙層不

同向外懸帽梁之樹狀式單柱及大偏心方式配置橋墩。國道1號五股楊梅段拓寬工程泰山收

費站至林口段即為此種配置之典型案例，該路段位於林口台地爬坡路段，並沿中山高及大

窠坑溪間佈設，因受限於國道1號及大窠坑溪之嚴苛用地限制，上下雙層橋採部分橋面重

疊之大偏心單柱式橋墩配置，導致常時靜載重及活重作用下，即對柱底產生較大的偏心彎

矩，此一不對稱雙層橋之橋墩係有別於以往一般高架橋及規則性雙層橋構架或橋墩之結構

行為。本文將以此為例，首先針對大偏心單柱雙層高架橋作一整體性介紹，並進行動力分

析以了解其在地震力作用下之動力行為。除此外，也針對大偏心單柱橋墩配合柱內H型鋼

和預力施拉作進一步之分析與探討，以提供作為未來工程界相關工程之參考。

大偏心單柱雙層高架橋之設計─國道1號五股楊梅段拓寬工程903標

1 2 3 4 5

壹、前言

順暢的交通與完善的都市規劃是國家發

展與經濟繁榮的基礎，隨著經濟快速成長，也

造成人口都市化現象，用地取得便成為交通建

設的難題之一，因此現今都市建設規劃常以高

架道路取代以往平面道路以減少用地徵收的問

題。此一類型橋梁卻常因路權寬度限制及高交

通量需求須採雙層高架配置，例如台北市水源

快速道路、台北市環東快速道路、東西向八里

新店線中和路段…等，皆屬此種框架式雙層高

架橋墩配置，然而考量下層採光、視野感受及

橋墩外觀造型及施工條件限制下，改採雙層僅

局部重疊方式佈設，並以雙層不同向外懸帽梁

之樹狀式單柱及大偏心方式配置橋墩。

目前國內的重大工程建設「國道１號五股

楊梅段拓寬工程計畫」自泰山收費站至林口段

之橋墩配置即屬此大偏心單柱雙層高架橋。其

工程位置圖如圖1所示；此一工程範圍跨越泰山

收費站後，南行至北上線里程37k+500~40k+150

區間將接近岩屑崩滑高敏感區(37k+400～

39k+100)，以及直接危害可能性之土石流高

危險潛勢區(37k+600、37k+800等兩處)，依環

評承諾路線須迴避，故北上線高架橋於里程

37k+000附近跨越國道1號至南下線側，並與南

下線採雙層共線設置(北上線置於上層)，後於

里程40k+000附近再度跨越國道1號回歸原北上

線側，對於泰山收費站至林口段，大窠坑溪緊

鄰中山高與路線平行，高架橋係沿中山高與大

窠坑溪間狹窄廊帶佈設，如圖2所示，考量大窠

坑溪部份已整治且為多樣生態之自然溪流，橋

梁佈設空間有限，南下線與北上線為並行之雙

層橋梁，長約3,000公尺。為儘量避免橋梁侵入

大窠坑溪與遮蔽日照，路線係採上下層橋面部

分重疊方式佈設，並採雙層不同向外懸帽梁之

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專題報導

三、3H工法之特性

以往高橋墩(High Bridge Piers)設計大都採

用鋼筋混凝土橋墩，其所需鋼筋量往往非常

的大，因此施工時將導致鋼筋綁紮與澆置的

困難，且此路段緊鄰高速公路交通量大之範

圍。基於以上考量，日本發展所謂3H(Hybrid、

Hollow、High Pier)工法[1][2]，其最大的特色在

於中空橋墩內置鋼柱或鋼管，由鋼柱與鋼管取

代大部分橋墩的主筋，如圖3所示，大幅減少鋼

筋綁紮與澆置的困難，進而增加施工便利性與

縮短施工工期，並具有較佳的耐震性能。

四、柱內設置H型鋼

五楊拓寬工程903標雙層高架道路段橋墩

平均高度40m，屬於高橋墩，參考3H工法的構

想，於每座橋墩內設置H型鋼柱，一方面H型

鋼柱可取代部份鋼筋承受荷載，可改善傳統高

橋墩的鋼筋間距過密，導致鋼筋綁紮困難與混

凝土澆置問題，另一方面H型鋼柱可作為模板

設置與鋼筋組立時的支撐構架，避免造成施工

意外之風險。全線共配置53座橋墩，各座橋墩

所對應載重大小不盡相同，若全面採用同一斷

面尺寸，或依據各座橋墩的載重大小設計不同

的斷面尺寸，將不符合經濟效益，故將橋墩斷

面尺寸劃分成六種斷面尺寸，其中垂直行車向

貳、大偏心單柱雙層高架橋工程概要

一、大偏心單柱雙層高架橋特性

此種橋型配置以五股楊梅段拓寬工程903

標為例，其上層高度約30m~45m，下層高約為

25m，橋寬均為16.05m，結構動力特性將有二

個明顯的主要振態，且上下層質量中心與縱向

的勁度中心不一致，將有明顯之偏心扭轉行

為，其力學行為複雜，因此亦需進行動力分析

以了解其在地震力作用下之動力行為。另由於

上層高、勁度小，位移量大，梁端間隙及防落

措施須特別考量。

二、上部結構配置

全線上、下層共構長2.857km，上部結構採

較輕量之中跨徑鋼箱型梁橋配置，上、下層各

13單元52跨(配置為52.5+3@55+12-4@55m)，

並因應環評之環境保護對策：「林口北上與南

下共線路段，其北上線兩度跨越中山高平面道

路不落墩，以維護道路景觀品質及減少施工干

擾」之環評承諾，維持較短跨徑，以降低橋梁

量體及工期與經費之考量。二處跨越段曲線半

徑採390m佈設，並以加寬路肩(6.75m~7.15m)之

方式，滿足最短停車視距之規範要求。

地。因此大窠坑溪河中毋須立墩，河道毋須改

道，故無新增用地及建物拆遷之問題。

樹狀式單柱及大偏心方式配置橋墩，使共構橋

柱可立墩於國道1號既有邊坡，避免侵入河道用

圖3 3H工法設計斷面示意圖

圖1 國道1號五股林口段拓寬工程範圍

圖2 雙層高架橋設計斷面示意圖圖2 雙層高架橋設計斷面示意圖

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圖 7-1 第一模態，週期1.82秒

圖 7-2 第二模態，週期1.44秒

圖 7-3 第三模態，週期1.34秒

參、結構動力分析

一、橋梁分析實例

以 四 跨 連 續 雙 層 之 鋼 箱 型 梁 橋 為 例 ，

由大梁、帽梁與橋墩三大部分所組成。大梁

由 鋼 橋 面 版 板 與 多 室 鋼 箱 梁 組 成 ， 跨 徑 為

4@55m=220m，上層橋面寬度16.6m、下層寬度

17.9m。橋面分為上層橋面之GA、GB與GC三根

主梁;以及下層橋面之GD、GE與GF三根主梁。

GB內梁位於左橋面板中央，與GA及GC外梁間距

皆為4.15m。GE內梁位於右橋面板中央，與GD

及GF外梁間距皆為4.8m。鋼箱梁間設有橫梁，

橫梁間距約5.5m。

橋墩採用單柱式橋墩，高度各為46.5m、

47.2m、47.9m、48.2m、48.9m。下層橋面座

落於單柱懸臂側，高度各為34.5m、37.9m、

38.3m、40.27m、40.7m。

分析模型座標原點接近GB內梁軸線與P1

墩交點。所有構件均以梁-柱元素(Beam-column

Element)模擬之，定義各桿件第1軸為沿桿件軸

向、第2軸為斷面深度方向(鉛直軸)、第3軸為斷

面寬度方向(水平軸)。

支承條件，沿行車方向於P1至P5橋墩各

為無變位束制(Roller)、有變位束制(Hinge)、有

變位束制(Hinge)、有變位束制(Hinge)與無變位

束制(Roller)。沿垂直行車方向皆為有變位束制

(Hinge)。

二、動力分析檢核

模態分析結果如圖7-1~圖7-3與表1所示。列

出前10個週期與模態參與質量比。第1模態為行

車向振動，週期為1.82秒、第2模態為垂直行車

向振動，週期為1.44秒、第3模態為扭轉振動，

週期為1.34秒。 圖6 橋墩現場施工照片

寬度有400cm與450cm尺寸，行車向尺寸則有

500cm、540cm與580cm三種變化。

每座橋墩配置6根H型鋼柱，其中四根H型

鋼柱從橋墩基座延伸至上層帽梁，另外2根H型

鋼柱則從橋墩基座延伸至下層帽梁，如圖4(a)、

4(b)所示。

主筋

型鋼

單位:CM

(a) 立面圖 (b) 斷面圖

圖4 橋墩內置H型鋼柱斷面示意圖

五、柱內設置預力鋼腱

因受限於中山高及大窠坑溪之嚴苛用地限

制，上下雙層採部分橋面重疊之大偏心單柱式

橋墩配置，導致常時靜載重及活重作用下，即

對柱底及大懸臂帽梁產生較大的偏心彎矩，此

一彎矩對墩柱及帽梁在常時情況下即可能產生

撓曲裂縫，影響用路人對結構安全性和景觀視

覺上的感受。因此就本路段53支墩柱於常時靜

載重及活重作用下會造成撓曲裂縫者，加以配

置預力鋼腱以消除混凝土開裂之疑慮，配置情

形如圖5所示。圖6為橋墩施工中的情形。

(a) 立面圖

H型鋼

預力鋼腱H型鋼 預力鋼腱

(b) 斷面圖

圖5 橋墩內置預力鋼腱柱斷面示意圖

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(二) 橋柱帽梁斷面應力檢核

分析顯示橋柱斷面配筋主筋最大鋼筋比為

2.5%。墩柱內力與交互影響圖比較結果如圖9所

示，分析結果均屬安全。

(三) 梁端間隙檢核

根據公路橋梁耐震設計規範[4]第8.6節之規

定，檢討行車向地震力EQX作用下，同一橋墩

上之相鄰兩主梁間之梁端間隙SB。最大位移約

42cm。

表 1 振態分析結果

OutputCase Text

StepType Text

StepNum Unitless

Period Sec

MODAL Mode 1 1.820296

MODAL Mode 2 1.439135

MODAL Mode 3 1.339522

MODAL Mode 4 1.21232

MODAL Mode 5 1.159454

MODAL Mode 6 1.068

MODAL Mode 7 0.969486

MODAL Mode 8 0.820296

MODAL Mode 9 0.822119

MODAL Mode 10 0.77189

MODAL Mode 11 0.698313

MODAL Mode 12 0.674792

三、應力檢核

(一) 主梁斷面應力比檢核

載重組合依「公路橋梁設計規範」

SB ≥ u Se c ø + L A ，us = 1.2 αyRauSe

其中﹕

SB﹕所需梁端間隙 (cm)。

uS﹕設計地震引致之主梁與橋台間相對位移，或

同一橋墩上相鄰兩主梁對地相對位移之大值

(cm)。

uSe﹕長週期上部結構與下部結構間最大相對變位

彈性變位。

c ø﹕與相鄰兩振動單元的基本振動週期有關之調

整係數。

LA﹕上部結構施工誤差所需之梁端間距餘裕

量，其值可取1.5 (cm)。

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

-80000 -60000 -40000 -20000 0 20000 40000 60000 80000

Moment (ton-m)

P (to

n) M3P1

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

-80000 -60000 -40000 -20000 0 20000 40000 60000 80000

Moment (ton-m)

P (to

n) M3P2

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

-80000 -60000 -40000 -20000 0 20000 40000 60000 80000

Moment (ton-m)

P (to

n) M3P3

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

-80000 -60000 -40000 -20000 0 20000 40000 60000 80000

Moment (ton-m)

P (to

n) M3P4

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

-80000 -60000 -40000 -20000 0 20000 40000 60000 80000

Moment (ton-m)

P (to

n) M3P5

P1

P2

P3

P4

P5

P1,P5: 4x5.8m

P2-P4: 4.5x5.8m

圖 9 橋柱P1~P5交互影響圖內力檢核

GD

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 55 110 165 220X (m)

alph

a

alpha1

alpha2

alpha3

GE

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 55 110 165 220

X (m)

alph

a

alpha1

alpha2

alpha3

GF

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 55 110 165 220

X (m)

alph

a

alpha1

alpha2

alpha3

GA

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 55 110 165 220X (m)

alph

a

alpha1

alpha2

alpha3

GB

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 55 110 165 220

X (m)

alph

a

alpha1

alpha2

alpha3

GC

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 55 110 165 220

X (m)

alph

a

alpha1

alpha2

alpha3

圖 8 主梁應力比檢核

[3]之規定加以組合，根據載重組合分析

結果進行主梁斷面應力比檢核，如圖8所

示，結果尚屬安全。主梁斷面應力檢核

公式如下所示﹕

其中:

Cmy=Cnz=0.85

採用0.9

Fa採用0.4Fy=Fa=1400kgf/cm2

Fbx、Fby採用0.5Fy=Fb=1925kgf/cm2

Fv採用0.3Fy=Fv=1155kgf/cm2

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考量墩柱與懸臂帽梁在常時下承受較大的

靜重和活重，因此檢核墩柱常時Dead Load+Live

Load下是否造成開裂，以下式計算開裂彎矩，

P/A-Mcr*y/Ig=-2 Fc'

其中：

P為柱底承受之垂直荷重；A為柱底之斷面

積。

Mcr為墩柱所能承受之開裂彎矩。

y為受拉鋼筋之有效深。

Ig為全斷面慣性矩。

為使橋墩在DL+LL之情況下不產生撓曲裂

縫，因此藉由預力鋼腱之設置提供所需之彎

矩(MDL+LL-Mcr)，求得需求之預力量，本文採用

19T-15.2mm 預力鋼鉸線，預力鋼材極限應力為

Fpu=19000kgf/cm2，並考慮所有預力損失取預力

鋼材服務階段之應力為﹕0.6Fpu，取有效預力量

為11000kgf/cm2，計算需求之鋼腱數。

四、預力鋼腱設計範例

計算案例: P327橋墩

斷面：580cmx450cm。

混凝土強度：f'C=420kgf/cm2。

經過載重組合，斷面設計強度：MD+L=20389tf-m

，PD+L=5958tf。

步驟一： 計算墩柱之開裂彎矩 ，求得需求預力量

依P/A-Mcr*y/Ig=-2 Fc'

推得Mcr=17885tf-m

需求預力量= MD+L-Mcr=2604tf-m

步驟二： 計算需求之預力鋼鉸線數量

鋼腱之有效預力量為11000kgf/

c m 2，提供軸向預力= 2 6 . 3 5 3 x 11 =

290T，考慮鋼鉸線施作距柱面50cm

，故偏心距為 5.8/2-0.5=2.4m，求得

需求之鋼鉸線數為：2604/290/2.4=3.8

取四支。

步驟二： H型鋼柱轉換等量鋼筋

依據「鋼骨鋼筋混凝土構造設計

規範與解說」中，7.2節 設計強度之

規定，H型鋼柱與鋼筋的楊氏模數相

同，因此將H型鋼柱轉換成等面積之

D36(#11)鋼筋 ( )，

根，採用21根

D36(#11)鋼筋進行設計。

步驟三： 計算橋墩主鋼筋量

依據強度設計法與雙向偏心受壓

矩形柱斷面計算方式(N . V . Nikitin公

式)，計算出所需之主鋼筋用量：

其中：

為雙向偏心受壓之軸力標稱強度。

與 為單向偏心受壓之軸力標稱強

度。

為無偏心受壓之軸力標稱強度。

　　使用D36(#11)鋼筋，鋼筋保護層15

公分，鋼筋均佈在斷面四周，所需288根

D36(#11)鋼筋，鋼筋比為1.2%，主筋與H型

鋼柱配置示意如圖11。

圖11 主筋與H型鋼柱配置示意圖

三、橋墩內置預力鋼腱設計

方式，依據日商大日本工程顧問公司的建議，

將等量的鋼筋均佈在H型鋼柱位置上，如圖10

所示。此外，為符合鋼筋混凝土橋柱之韌性要

求，「公路橋梁耐震設計規範」[4]規定，橋墩

主鋼筋比不得小於1%，亦不得大於4%。

圖10 H型鋼柱轉換等量鋼筋示意圖

由於H型鋼柱與混凝土的黏結力不如鋼筋

與混凝土的黏結力，若無配置剪力連接物，將

產生剪力破壞而非彎矩破壞，進而降低橋墩斷

面韌性，因此在H型鋼柱的一定部位，如塑性區

或者梁柱接頭範圍內加設剪力釘。剪力釘應符

合：栓釘直徑一般為19mm，長度不宜小於4 倍

栓釘直徑，間距不宜小於6倍栓釘直徑，焊接品

質應滿足「鋼結構設計規範」[7]要求的規定。

H型鋼柱埋入橋墩基座深度不應小於3 倍型鋼柱

截面高度，在柱腳部位和柱腳向上一層的範圍

內，鋼骨柱翼緣外側設置栓釘，栓釘直徑不小

於19mm，間距不大於20cm，且栓釘至翼緣板邊

緣的距離大於5cm。

二、橋墩內置H型鋼設計範例

計算案例：P320橋墩

斷面：540cm x 450cm。

混凝土強度：f'C=420kgf/cm2。

經過載重組合，斷面設計強度：Mux=27105tf-m，

Muy=21400tf-m，Pu=8482tf 。

步驟一： 鋼 筋 混 凝 土 內 置 H 型 鋼 柱 ( 6 根

H400x400x13x21鋼柱，fy=3500kgf/cm2

。)

肆、橋墩內置H型鋼及預力鋼腱設計

一、橋墩內置H型鋼設計要領

「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」

[5]提到，耐震設計時，一般SRC構造較少採用

降伏強度Fys大於3,520 kgf/cm2 (50 ksi) 的鋼

材，主要係Fys 大於3,520 kgf/cm2的鋼材通常極

限應變較小，韌性相對降低，故H型鋼柱採用

A572 (Grade 50)鋼材。本標中的H型鋼柱的目的

在於提供施工方便性，而非完全取代主筋，因

此H型鋼柱所採用的尺寸為 ，

所對應的鋼筋比約0.5% (即6根H型鋼柱之總斷

面積除以橋墩斷面積)。關於H型鋼柱配置於橋

墩內的位置，依據「鋼骨鋼筋混凝土構造設計

規範與解說」[5]之規定：當鋼骨鋼筋混凝土構

材之主筋為D22(#7)以上時，鋼骨之混凝土保護

層須為12.5 cm以上;主筋與鋼骨板面平行時，其

淨間距應保持2.5 cm以上，且不得小於粗骨材最

大粒徑之1.25倍。並考量主鋼筋配置所需空間，

因此設置H型鋼柱距面層50cm與60cm。一般鋼

構件在設計時需檢核整體挫屈與局部挫屈，本

標橋墩的H型鋼柱設置於鋼筋混凝土內，鋼筋混

凝土可以提供H型鋼柱良好的圍束，防止H型鋼

柱發生整體與局部挫屈的情形，針對此問題亦

與日商大日本工程顧問公司反覆討論獲得相同

之結果。

計算橋墩斷面主筋量可依據「鋼骨鋼筋混

凝土構造設計規範與解說」[5]，設計強度可以

依據內政部所頒布之「混凝土工程設計規範與

解說」[6]中的設計，該法主要是將SRC構材中

之鋼骨視為等量的鋼筋來設計(依ACI-318規範

訂定)，並假設鋼骨與RC之介面無相對滑動發

生，亦即屬於完全合成作用 (Fully Composite)

之狀況。其中關於鋼骨視為等量的鋼筋的配置

1213400H400

207.10 cmAs

7.2107.10/7.218

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參考文獻

1. Michio, O.; Jiro, F.; Takuya, A.; Moriyuki, O.;

Yasuyuki, K. Development of New High Bridge

Piers Containing Spiral Reinforcement, NIST

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2. T. Kato, and Y. Takahashi, Earthquake Design

and Construction of Tall Composite Bridge

Piers.

3. 交通部(2009)，「公路橋梁設計規範」，台

北。

4. 交通部(2008)，「公路橋梁耐震設計規

範」，台北。

5. 內政部營建署(2004)，「鋼骨鋼筋混凝土構

造設計規範與解說」，台北。

6. 內政部營建署(2002)，「混凝土工程設計規

範與解說」，台北。

7. 內政部營建署(2007)，「鋼構造建築物鋼結

構設計技術規範」，台北。

結論與展望

台灣地狹人口稠，以致橋梁工程常常囿

於用地限制，本案考量下層採光及視野感受採

用一不對稱雙層不同向外懸帽梁之樹狀式單柱

及大偏心之橋墩，減少用地使用、減少徵收範

圍，並考量施工安全以避免干擾高速公路行

車 ， 故配置柱內H型鋼和預力鋼腱之橋墩柱。

期望此一配置型式得以滿足用地及施工上之考

量，提供作為未來相關工程之參考。

誌謝

本橋在分析與設計過程中，台北科技大學

宋裕祺教授、國家地震中心洪曉慧博士及大日

本工程顧問株式會社對本設計提供相關參考資

料及許多寶貴意見，謹此一併致謝。