2011年11月16日 星期三

橋墩結構設計-RC橋柱

鋼筋混凝土(RC)橋墩是極為常見的橋墩類型。
在這裡我們先談橋柱的部分。
[帽梁(cap beam)屬於梁設計或托架(bracket)設計,而橋墩基礎牽涉大地議題比較適合另外討論]

你我都知道,不管哪一類的結構設計,設計(或計算)決不是透過ppt或是網路文章就可以學會
最有效的方法就是科學方法以及自己動手做:
科學方法用於橋墩設計
科學方法 = 確認問題-->蒐集資料-->建立假設-->驗證假設-->解決問題
用在橋柱設計上就是:
問題:如何將橋柱設計的滿足安全性
蒐集:橋墩設計指引、案例計算書、RC書籍、規範、圖說
假設:滿足規範所訂設計準則即可滿足安全
驗證:比對手中規範準則與計算書,並查得書籍瞭解原理,參照圖說如何反應計算書與規範要求,並確認案例已完工並安全無虞
解決問題:列出規範中相關準則,並模仿或檢驗計算書流程,建立屬於自己專案的計算書,並發展符合規範及計算書結果的圖說

關於橋墩設計有用的參考資料():
陳惠發,Bridge Engineering: Substructure Design (Principles and Applications in Engineering)(有簡體版)
公路橋梁設計規範,交通部(可至網站下載)
公路橋梁耐震設計規範,交通部(可至網站下載)
所有RC結構書籍(橋柱設計屬於課本裡"柱"設計的章節)
M.J.N. Priestley,Seismic Design and Retrofit of Bridges (橋梁韌性設計的觀念,推)

計算書、圖:
取得公司已完成案例,或請專案主辦或資深工程師協助提供。

蒐集資料後便是大量的閱讀比較,目的在於建立正確的假設,以便發展結構設計的準則
在這麼多前輩的努力後,關於橋柱設計的準則可以簡單列出幾點:

橋柱設計準則
1.載重效應<=斷面強度
2.耐震設計-->橋墩韌性設計

軸力彎矩合效應、二階效應、斷面之軸力-彎矩強度
橋柱同時承受軸力、彎矩、剪力,先藉由FEM模型分析取得臨界斷面(柱端)的彎矩及軸力;
且須考慮p-delta效應(二階效應)放大設計彎矩(常用彎矩放大法);
橋柱斷面彎矩強度與所受軸力有關(P-M curve),可利用套裝程式輸入斷面資訊後繪出;
經過彎矩放大計算之設計彎矩和軸力座標點應落於P-M curve內為安全,
並藉此作為柱主筋配筋的依據。

橋柱設計剪力、塑鉸區及非塑鉸區剪力強度、塑鉸區圍束鋼筋
為避免橋墩在塑鉸完全發展前產生脆性破壞,橋柱設計剪力必須配合耐震設計方法決定。
橋梁耐震設計現假設設計地震發生時橋墩發生塑鉸並具有足夠韌性以確保消能機制並降低設計地震力。韌性必須透過滿足規範所訂韌性設計細節來達成:包括塑鉸區應配置足夠圍束鋼筋,且整體結構必須以橋墩塑鉸發生時對應之剪力作為設計剪力(sum(Mp)/H)。另塑鉸區之混凝土剪力強度必須依規範公式折減。

所有公式或原理於上述參考資料內都有提及。