国道彰化二四号高架桥.docx

国道彰化二四号高架桥.docx

《国道彰化二四号高架桥.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《国道彰化二四号高架桥.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

国道彰化二四号高架桥

土木水利第二十八卷第四期

民國九十一年二月，第86–95頁

CivilandHydraulicEngineering

Vol.28,No.4,February2002,pp.86–95

橋梁工程

國道彰化二、四號高架橋

大斷面預鑄節塊設計及施工

陳國隆丁介峰

摘要

國道第二高速公路通過彰化縣境部分，受限都市土地開發密集，因此路線沿烏溪南岸採高架橋方式與河堤共構，又為配合河堤旁地方計畫道路之興建，高架橋橋墩設置空間僅餘堤防坡趾處，結構因而必須採雙向共構之單柱橋墩方式。

其中彰化二號高架橋及彰化四號高架橋分別為2,870公尺及2,052公尺，總長4,922公尺，由於橋梁跨度及結構斷面均一，並在考量配合橋梁規模及縮短工期之因素後決定採用預鑄節塊工法施工。

本兩座橋由於橋面寬達32.2公尺，節塊斷面寬度為目前所知國際上以本工法施工之最大斷面，在設計及施工技術亦有其特殊考量之處，本文將對彰化二號及彰化四號高架橋之規劃擬定方案、設計考慮事項、施工研擬對策，作一討論。

一、工程概述

國道第二高速公路（以下簡稱二高）自台中縣大肚鄉跨越烏溪後，進入彰化縣和美鎮，路線改東西走向，並與東西向快速公路彰濱台中線共線，再銜接彰化市東北側快官地區。

彰濱快官段（以下簡稱本路段，並請參見圖1之路線示意圖）因受限都市土地開發密集，為減少用地徵收、環境阻隔以利地方發展，並減少對水鳥保護區及全興工業區旁保安林的環境影響，全線除交流道區位外均採行高架方式設計，並儘量沿烏溪南岸且與河堤共構，又為配合河堤旁地方計畫道路之興建，高架橋橋墩設置空間僅餘堤防坡趾處，結構因而必須採雙向共構之單柱橋墩方式。

為達成儘速改善中部地區運輸路網結構，促進區域發展之目標，本路段預定完工時程必須儘量縮短工期以配合二高其他路段之完工通車時程，又考慮彰化二號高架橋及彰化四號高架橋，橋梁結構型式斷面均一，且橋長分別為2,870公尺及2,052公尺，已達預鑄節塊工法施工之經濟規模，在考量配合橋梁規模及縮短工期之因素後決定選用預鑄節塊工法施工。

本工程於88年8月發包，由啟阜建設工程股份有限公司得標，惟因故於90年6月解約，目前辦理接續工程招標中，預計90年9月重新開標，92年10月完工。

二、工程設計

2.1造型選擇

本路段地處平坦遼闊的烏溪沖積平原，與寬廣的烏溪河床及遠處的大度山及八卦山，以及彰化市的建築體，構成本路段車行景觀，由於路線經過地區均已開發，且地形平坦，採高架橋構築的工程與週遭環境之配合、路線平縱線形之協調、以及優美的橋梁造型，將可塑造一人工景觀。

2.1.1路線設計：

（1）縱面設計：

主線之縱面設計除了滿足淨高之要求外，由於橋面寬度為32.2公尺，最主要的考量為提高路線高程以藉由較高的橋墩以減小高架橋梁在平原所呈現的巨大量體，而對路外景觀產生壓迫感，同時控制高架橋梁底與堤頂間的空間高度大致相同或變化均勻，以塑造人工地景。

圖1國道彰濱快官段路線示意圖

彰化二號高架橋位於彰濱交流道與彰化系統交流道之間，橋面設計高程距地面約19~23公尺，彰化四號高架橋位於彰化系統交流道與快官交流道之間，橋面設計高程距地面約15~20公尺。

（2）橫坡設計：

主線之橫坡設計除了滿足規範相關要求外，尚需配合下段所述橋梁造型方案之選擇，由於此兩座橋選擇預鑄節塊工法施築，路線雙向橋面之橫坡應設為同一平面，以利節塊鑄造。

2.1.2橋梁造型：

此兩座橋之跨度採45公尺標準跨度，為配合現地條件、整體景觀及縮短工期，設計顧問研提三個橋梁造型方案分別為「雙向共構五箱室預鑄預力混凝土箱型梁」、「雙向分離單箱室預鑄預力混凝土箱型梁」、「雙向共構單箱室預鑄預力混凝土箱型梁配合鋼管斜撐預鑄懸伸版」，其方案詳細說明如表1，並示意如圖2。

就景觀、耐久性及施工工期比較項目中，方案一均優於方案二和方案三，方案一之結構支承上舉力雖較方案二為大，但結構性能符合設計規範要求，並無安全之顧慮，此外，造價雖略昂於方案二，但若能及早完成二高通車目標，用路人時間、行車成本效益應可超過此一金額，因此採用方案一之上構及下構型式。

表1橋梁方案比較表

方案

項目

方案一

方案二

方案三

上構結構型式

雙向共構五箱室預鑄預力混凝土箱型梁，懸臂部分為拋物線曲線。

雙向分離單箱室預鑄預力混凝土箱型梁。

雙向共構單箱室預鑄預力混凝土箱型梁核心，鋼管斜撐預鑄懸伸版加寬版面。

上部結構施工方式

預鑄節塊逐跨或懸臂施工。

預鑄節塊逐跨或懸臂施工。

預鑄節塊逐跨或懸臂施工。

橋墩墩柱型式

單柱橋墩，柱頂部分漸變擴大承接上部結構。

Ｔ字型單柱橋墩

單柱橋墩，柱頂部分漸變擴大承接上部結構。

基礎型式

井式基礎或展式基礎

井式基礎或展式基礎

井式基礎或展式基礎

評

比

項

目

結構性

為雙向共構一體成形結構性佳，但單柱橋敦之支承上舉力較大。

雙向分離箱型梁結構性佳，穩定度高，支承上舉力較小。

雙向共構，由於有斜撐鋼管支撐，抗扭力佳，惟單柱橋墩支承上舉力較大。

耐久性

與空氣接觸混凝土面積少。

與空氣接觸混凝土面積最多，帽梁結構性較差。

與空氣接觸混凝土面積最小，但預鑄懸伸版鋼管斜撐養護較不易，耐久性最差。

景觀

簡潔優美，尤其懸臂端拋物線弧線，在背景單純的環境中可突顯橋梁之美感，最佳。

簡潔方正與其他方案比較略嫌單調。

斜撐鋼管的光影效果甚具可觀性，次佳。

施工速度（天/跨）

7

8

9

工程

造價

上構（元/m2）

12,500

12,000

14,000

下構（元/m2）

2,000

2,200

2,000

建議方案

方案一

圖2橋梁方案比較圖

2.2橋梁設計

因為預鑄節塊施工隨節塊斷面寬度的加大更需注意其施工控制，本橋由於節塊斷面寬達32.2公尺，為目前所知國際上以本工法施工之最大斷面，設計時特別須考量施工步驟及細節以利後續施工控制，茲就設計相關內容簡述如下：

2.2.1設計基本資料：

（1）設計準則：

a.代辦東西向快速公路彰濱台中線彰濱快官段橋梁設計準則。

b.交通部「公路橋梁設計規範」，民國76年。

c.交通部「公路橋梁耐震設計規範」，民國84年。

d.交通部台灣區國道新建工程局「橋梁設計注意事項」，民國86年2月。

e.AASHTO,“StandardSpecificationsforHighwayBridges,”1992.

f.AASHTO,“GuideSpecificationsforDesignandConstructionofSegmentalConcreteBridges,”1989.

（2）設計載重：

a.活載重：

依AASHTOHS20-44提高25%設計。

b.地震力：

依交通部民國84年「公路橋梁耐震設計規範」辦理，惟工址水平加速度係數Z修正為0.33（詳2.2.5（5）節說明）。

c.束制力：

束制力包含溫差、乾縮、潛變及差異沉陷之效應，其中整體溫度差以20C計算並考量溫度梯度效應，乾縮潛變效應則依ACI209（1982）相關規定考量，並考量橋墩基礎差異沉陷採10mm之彈性分析值做為設計。

d.其他載重與載重組合詳設計準則。

（3）材料規格：

a.混凝土：

預力混凝土fc＝420kg/cm2

橋墩fc＝350kg/cm2

橋墩基腳fc＝280kg/cm2

b.鋼筋：

D10以下fy＝2800kg/cm2

D13以上fy＝4200kg/cm2

c.預力鋼腱：

ASTMA416Gr270低鬆弛鋼絞索

極限拉力強度fs＝190kg/mm2

降伏強度fy＝171kg/mm2

彈性模數Es＝1.97104kg/mm2

d.預力套管：

剛性套管（內置預力）

高密度聚乙烯（HDPE）套管（外置預力）

曲線摩擦係數＝0.25

波浪影響摩擦係數k≦0.0007/m

2.2.2地質及基礎工程：

本路段所在之烏溪沖積平原為現代沖積層，其組成材料以未膠結之礫石及砂為主，彼此間呈犬牙交錯，橋梁所在地層表面為一淺層表土覆蓋層，其下之厚層沖積卵礫石層即能提供橋基足夠的承載力，惟水利單位要求與堤防共線段之橋墩配置和破堤施工應受河防安全之規範，並建議需考量潰堤風險對橋梁基礎影響，基於節省經費及縮短工期，並考量施工中防汛及交通維持問題，橋梁基礎儘量採擴展基腳設計，有特殊考量之橋梁基礎則採沉箱基礎設計。

2.2.3橋梁外型及結構系統：

此兩座橋為雙向六車道路段之高架橋，橋面寬為32.2公尺，採雙向共構五箱室預力混凝土箱型梁，因高出地面15~23公尺之高架橋，將成為通過地區視覺景觀的焦點，為減少大量體之視覺感受，下部結構之單柱橋墩，於六角形之墩柱表面施作圓弧凹槽，並且柱頂漸變擴大承接上部結構，以增加墩柱外型之活潑性，上部結構懸臂部分為拋物線曲面，外型詳圖3之標準斷面圖及圖8、圖9之透視圖，其標準結構單元採6@45公尺佈設，結構系統之配置請參閱圖2之立面圖。

圖3橋梁標準斷面圖

2.2.4節塊尺寸設計：

（1）節塊長度決定：

本工程由於橋面寬度大，節塊長度較長時，恐節塊重量過大影響吊裝設備成本，在兼計節塊吊裝重量及節塊鑄造時可能之側向變形量，本工程設計階段採用2公尺為一標準節塊長度。

（2）節塊橋面版橫坡決定：

本工程為雙向共構橋面，一般而言橋面版應採雙向橫坡，惟為利32.2公尺寬之節塊鑄造，橋面版採同一橫坡進行設計（參見2.1.1

（2）節說明）。

2.2.5結構分析及設計：

（1）縱向應力分析：

本橋係採用預鑄節塊懸臂施工方式施築，其分析計算方式與一般採懸臂工法施築之橋梁並無太大差異，本橋縱向應力以STDS及STAADIII程式進行分析，依設計準則考量各種載重型式，並分別計算各節塊於不同齡期之應力變化及應力校核（含混凝土乾縮、潛變及所需預力量、預力損失等），由於懸臂施工階段假設橋墩柱與上部結構為固接方式施築，因此必須在柱頭處架設臨時支撐架來支撐施工載重。

本橋下部結構為單柱橋墩，墩柱上方支承位置之距離與橋面寬度之比例和一般斷面較小之橋梁不同，於彎矩計算時橋面寬度取一較橋面全寬為小之有效結構斷面參數值（本橋係採中央16.2公尺部分為有效斷面寬度）作為計算並兼顧剪力遲滯效應。

又因本橋上部結構為預鑄節塊構築，完工後各節塊間鋼筋並不連續，僅塗以環氧樹脂（EPOXY）接著，各節塊間在各載重組合下以沒有拉應力的情形進行設計。

（2）箱型梁橫斷面應力分析：

箱型梁橫斷面分析在於設計斷面橫向配筋，因為箱型梁斷面為一雙向共構五箱室之大斷面（詳圖3之標準斷面圖），車輛載重之應力分佈行為較不易掌握，因此以STAADIII程式採用三度空間模型模擬輪重應力分佈，以求取較精確的分析結果，其所使用模擬箱型梁三度空間之分析模型詳見圖4。

（3）縱向預力鋼腱配置：

懸臂施工階段因只產生負彎矩，預力鋼腱僅需配置於箱型梁頂版位置，而懸臂節塊閉合後，橋梁變為一連續結構，於中間跨度箱型梁底部需配置正彎矩鋼腱，為減少橋梁斷面積以減輕橋梁靜載重，因此提供懸臂施工之負彎矩鋼腱採內置鋼腱佈設，提供連續結構之正彎矩鋼腱則採外置鋼腱佈設，外置鋼腱數量並經增加檢核符合1999年AASHTO節塊橋梁設計規範預力外置鋼腱之佈設不得超過後拉法預力鋼腱數量之50%的耐震要求。

（4）箱型梁橫向預力鋼腱配置：

本橋由於橋面寬達32.2公尺，經分析於橋面版處須配設橫向預力，為利箱型梁橋面橫向拱度之施工控制，設計顧問研提橋梁橫向預力採兩段施拉之構想，第一階段於預鑄場施拉50%節塊橫向鋼腱，使能承受施工載重，第二階段為待節塊縱向鋼腱施拉後，再施拉剩餘50%之橫向鋼腱。

圖4橫斷面分析之模型圖

另一般預力鋼腱施拉方式，可概分為先拉法及後拉法，因節塊橫向預力第二階段將於施工現場施作，僅可選用後拉法施工，而節塊橫向預力第一階段於預鑄場內施拉部分，若採先拉法施工，則節塊預鑄床將設置預力鋼腱固定台，預鑄床設備會較龐大，且由於高拉力鋼腱與混凝土間之粘著力可否長期不變，尚待時間之考驗，因此於兩階段之橫向預力鋼腱施拉均選用後拉法施作。

（5）九二一集集大地震因應措施：

民國88年9月21日凌晨，台灣中部發生芮氏規模7.3之強烈地震，造成台灣百年史上最嚴重的天災與傷亡，本橋橋址根據交通部「公路橋梁耐震設計規範」屬地震二區，工址水平加速度係數（Z）為0.23，但經此次大地震後，重新調整地震分區為Z=0.33，依當時之工作進度，本工程已細設完成並發包，惟尚未開始施工，在為橋梁未來安全性之考量，乃辦理工址水平加速度係數修正之變更設計工作，由於地震力係數約提高1.45倍，各部位之尺寸及配筋都會相對增加，根據計算結果，變更設計後之橋梁造價增加約5%。

2.2.6節塊施工方式之設計考量：

（1）節塊吊裝方式：

設計顧問於研提橋梁造型方案時，對於上部結構預鑄節塊之施工方式提出採用逐跨或懸臂方式施工（詳見表1之橋梁方案比較表），後於細部設計時，因吊裝方式將影響鋼腱佈設，因此必須評估決定，主要考量為若採逐跨工法施築因推進吊裝需負荷整跨橋梁之節塊重量，其設備將會非常龐大，因此採用懸臂施工方式施築，可降低設備所需之規模及重量。

另為加快施工進度，考慮採用長度約為跨度2.5倍之推進吊架，以配合下段所述以橋面作為運輸道路並兼顧平衡吊裝需求，本工程以2公尺為一節塊單位，推進吊架只需負荷一個約95公噸的節塊重量，經初步估算推進吊架高約5公尺，不含移動設備之重量約150公噸，如計入吊裝及其控制設備和導引跨，總重量約250公噸。

（2）預鑄場地配置及預鑄節塊運輸方式：

彰化二號及彰化四號高架橋工址間之中山高速公路（參見圖1，即彰化系統交流道之工區範圍）將此兩座橋梁分隔兩地聯絡不易，又兩座橋梁橋長分別為2,870公尺及2,052公尺均已達預鑄節塊工法施工之經濟規模，因此於設計階段係考量分設兩處獨立之預鑄場地。

至於節塊運輸路線方面，由於工址附近都市土地開發密集，預鑄節塊若利用地區道路運輸將會對交通造成影響，並且彰化四號高架橋將跨越台鐵縱貫線鐵路及台一省道，若由地面道路運輸預鑄節塊並不容易，故考量利用已完成之橋面做為節塊運輸道路。

三、工程施工

3.1施工概述

此兩座橋於規劃時，雖同屬預鑄節塊懸臂吊裝工法，但中間隔著彰化系統交流道（參見圖1之路線示意圖），工區分屬無法互通之兩工地，在考慮工期限制、施工規模彼此相當且分別均達使用預鑄節塊吊裝工法之經濟規模，故施工規劃上，兩橋分設獨立之預鑄場、施工機具及運輸道路，使其不因上述因素而影響兩橋施工。

又為縮短此兩座橋施工開始時之學習曲線，藉以累積施工經驗，上構作業可由二號高架橋先行施作，操作上無太大困難或能掌握時，四號高架橋則可積極投入，因此規劃時即將此兩座橋併在同一標工程發包。

3.2預鑄場地及節塊生產

本工程預鑄節塊之標準節塊長2公尺，各式節塊數量列如表2，因本標工期僅900日曆天，按每個月製作90個節塊及7天吊裝1跨距45公尺（即平均每天吊裝約3.5個節塊）之進度計算，預鑄場地之規劃及節塊生產設備之套數配置說明如下，其預鑄場地分別參見圖5及圖6。

表2彰化二、四號高架橋各式節塊數量統計表

節塊型式

橋梁名稱

標準節塊

柱頭、

伸縮縫節塊

合計

彰化二號

高架橋

1,382

75

1,457

彰化四號

高架橋

988

54

1,042

（1）彰化二號高架橋：

本橋預鑄場設置於主線P24~P31南側，佔地長約300m寬約160m，其中設置預鑄節塊生產設備7套（計有：

生產伸縮縫節塊設備1套，專職生產標準節塊設備3套，生產標準節塊及柱頭節塊設備3套），節塊儲存區之儲存能量為206塊（雙層堆疊）。

（2）彰化四號高架橋：

本橋預鑄場設置於主線P28~P35南側，佔地長約300m寬約150m，其中設置預鑄節塊生產設備7套（設備數量同彰化二號高架橋），節塊儲存區之儲存能量為213塊（雙層堆疊）。

對於節塊橫向預力分次施拉之設計構想，承包商考慮施拉節塊縱向鋼腱後再施拉第二階段橫向預力鋼腱之施作不易，並經計算拱度尚可控制，於是提出預鑄節塊移放節塊儲存區前就先將節塊橫向預力鋼腱施拉完成之方式施作，就目前已施作節塊的量測結果，其橋面橫向拱度尚在施工規範所容許之誤差範圍內，惟後續部分將視接續工程承包商決定其施作方式。

圖5彰化二號高架橋節塊預鑄場

圖6彰化四號高架橋節塊預鑄場

3.3節塊吊裝

本工程標準節塊於行車方向長度為2公尺（約95公噸），節塊吊裝之施工分為十個階段，各階段之作業項目詳見圖7。

本工程因目前尚未吊裝預鑄節塊，其施工透視圖參見圖8，完工透視圖如圖9。

四、結語

彰化二號及彰化四號高架橋，為目前所知國際上最大斷面之預鑄節塊工法橋梁，由於此兩座橋目前尚正施工中，本篇僅就現有之資料，對規劃、設計及施工做一簡要說明，期能提供橋梁工程一些新的思考方向。

圖7施工程序示意圖

圖8彰化二號高架橋節塊吊裝施工透視圖

圖9彰化四號高架橋完工透視圖

參考文獻

1.交通部台灣區國道新建工程局，「代辦『東西向快速公路彰濱台中線彰濱快官段工程設計』第C327標工程（彰化二號及彰化四號高架橋工程）細部設計圖」，4月（1999）。

2.中興工程顧問股份有限公司，「代辦『東西向快速公路彰濱台中線彰濱快官段工程設計』細部設計報告」，交通部台灣區國道新建工程局，3月（2000）。

3.啟阜建設工程股份有限公司，「代辦『東西向快速公路彰濱台中線彰濱快官段工程設計』，第C327標工程彰化二號及彰化四號高架橋工程－預鑄節塊施工計劃」，交通部台灣區國道新建工程局，2月（2001）。

4.何臺生，「彰化二號及四號高架橋預鑄節塊懸臂吊裝工法橋梁設計」，中興工程第七十期，中興工程顧問社，1月（2001）。