高性能混凝土桥梁设计中二高乌日交流道连络道穿越桥

前瞻橋梁工程新技術研討會

高性能混凝土橋梁設計─中二高烏日交流道連絡道穿越橋

葉銘煌* 游文慧**

中華顧問工程司 *副總工程師 **工程師

高性能混凝土可兼具高流動性、高強度、高彈性模數或高水密性之特質，對結構之安全性與耐久性有重要助益。故世界各國皆長期積極從事高性能混凝土之研究發展，且實際應用於超高層建築、高速公路路面與橋梁等之建造。近年來，國內亦將高性能混凝土研究列為重點，進行研究與應用推廣，以期提昇國內混凝土材料技術與營建工程水準。

中華顧問工程司配合國工局於民國八十四年，於二高後續計畫設計了國內第一座高性能混凝土橋--烏日交流道連絡道穿越橋，以高強度及高工作性為其特色，希藉此一橋梁之設計與施工經驗，作為高性能混凝土應用之參考。本橋於八十八年開始施工，除滿足高強度及高流動性外，更以混凝土具自充填性不須經振動搗實即能完全填充於構件內部為目標，以達兼具節省施工人力及免除振動噪音之優點。

一、 前言

近年來，國內混凝土構造物之耐震性及耐久性要求在設計上雖已受重視，然所導致配筋過多過密，卻使混凝土澆築困難，影響構造物原設計功能；考量工程品質、耐久性、施工效率並改善施工環境品質，若採用高性能混凝土，以高強度兼具高流動性之特點，完全填充構件內之鋼筋間、鋼筋與模板間，除發揮混凝土應有之強度，並能充分發展與鋼筋之握裹行為，達成前述之目標。

國內目前已有多起高性能混凝土的生產紀錄，在生產上應已掌握新拌混凝土特性，惟在其硬固後之力學與變形特性如彈性模數、潛變係數及乾縮係數等，是否會因配比特性而與一般混凝土對構件產生不同的影響，則有加以了解及探討之必要。本文將首先介紹烏日交流道連絡道穿越橋之結構設計；其次說明本橋高性能混凝土所須具備之自充填性其流動性品質規格及測定法；再依烏日穿越橋初步獲得的詴驗結果，加以探討自充填混凝土之彈性模數、潛變係數及乾縮係數對其之影響做一檢討。

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二、 高性能混凝土之定義

高性能混凝土（High Performance Concrete、HPC）迄今尚無一普遍認同之定義。日本東京大學教授岡村甫（Okamura）給高性能混凝土下了一個概念性的定義[1]：

1. 工作度良好，澆置時不必使用振動器，可流動填滿模板內每個角落。 2. 初凝期因水泥水化熱導致的裂縫少，乾縮和潛變少。 3. 後期強度高，耐久性好、抵抗劣化的能力強。

美國混凝土學會對高性能混凝土所下的最新定義[2]中指稱高性能混凝土為能滿足使用傳統混凝土材料及一般的拌合、澆置及養護的方法所無法達成的特殊性能及均質性的要求之混凝土。

高性能混凝土是一種具有多種特性的混凝土，而這些特性是為了滿足特殊環境或工程應用需求所發展出來的。其可能具有的特性包括下列幾點：

? 容易澆置

? 混凝土充填時沒有析離的現象 ? 早期強度 ? 長期力學性質 ? 透水性 ? 密度 ? 水化熱 ? 韌性 ? 體積穩定性

? 在惡劣環境中之耐久性

因為高性能混凝土的多特性是彼此相互影響的，所以通常一種特性的變化將會導致其他一種或多重性質的變化，因此必須針對工程所要求混凝土的幾種特性加以考慮，而這幾種特性都必須在合約書中加以說明、標示。

三、 設計準則探討比較

目前高性能混凝土尚無頒訂之規範，相關之設計準則為交通部台灣區國道新建工程局發行之〝高性能混凝土設計準則之研訂\年11月)。該準則係以交通部頒佈之「公路橋梁設計規範」之第五至第六章為藍本，針對混凝土改用強度f'c 為420 kg/cm2至560 kg/cm2之高性能混凝土時作必要及適當之修正，並參考〝Standard Specifications for Highway Bridges\及ACI

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318-89兩相關規範，以為準則研訂之依據，根據〝高性能混凝土設計準則之研訂〞所彙整ACI 363報告之綜合摘要可得下列重要結論[3]： 1. 高強度混凝土在構材性能上，有下列特性應加注意：

(1) 高強度混凝土之實際彈性模數低於依據一般強度混凝土推算公式所得

者。

(2) 柏松比（Poisson Ratio）之推測值仍在預期之範圍。

(3) 高強度混凝土之破裂模數（modulus of rupture）高於預期值。 (4) 拉力開裂強度則顯示與一般強度混凝土相近。

(5) 單位重、比熱、熱傳、與熱膨脹係數大部分落於一般強度混凝土之範圍。 (6) 高強度混凝土之早期強度發展高於一般強度混凝土，但後期此現象即不

顯著。

(7) 高強度混凝土之乾縮特性與一般強度混凝土相近，而潛變則遠低於一般

強度混凝土。

2. 依據以往之研究成果發現，在結構設計方面須注意下列要點：

(1) 承受軸向載重之高強度混凝土柱，可按一般強度混凝土柱之方法設計。 (2) 由於具較高之彈性模數與較低之潛變係數，高強度混凝土柱在載重作用

下，將產生較小之縮短量。

(3) 梁若為低配筋構材（under-reinforced concrete member），採傳統之等值矩

形應力分佈之設計，可以獲得相當滿意之結果。 (4) 以0.003為壓應變之上限是可接受的。

(5) 現行規範之最低鋼筋比、破裂模數、彈性模數、剪力強度、及伸展長度

規定值，須有適當之修正。

(6) 梁之長期撓度計算亦須適當之修正。

比較〝高性能混凝土設計準則之研訂〞與〝公路橋梁設計規範〞之規定，在鋼筋標準彎鉤、伸展長度與續接長度等，因混凝土強度不同，如搭配較大號鋼筋時，須有額外之規定。

就彈性模數而言，一般混凝土可用Ec=15100fc?，而高性能混凝土其配比對其彈性模數Ec有甚大之影響，故於設計前應將實際使用之混凝土進行詴驗，以求取實際之彈性模數Ec值，其詴驗方法應按ASTM 469（Standard Test Method for Static Modulus of Elasticity and Poisson’s Ratio of Concrete in Compression）之規定進行。

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拱度計算及撓度控制均須採用實際之混凝土彈性模數Ec，如不易求得，可先採用公式計算：Ec =10628fc?+70310(kg/cm2)，但於其後應儘早進行混凝土詴驗，求取正確數值並作修正。

其他之設計應用參數，二者大致相同，至於預力損失計算部分，高性能混凝土之計算方法與一般混凝土亦相同。

四、 (一)

橋梁構造與分析設計 橋梁型式

烏日交流道連絡道穿越橋位於中部第二高速公路快官草屯段烏日交流道，起迄里程為107K+222～107K+312。該橋跨越烏日連絡道，為一座三孔連續等斷面預力箱型梁橋，採地面支撐就地澆注工法施作；其結構平、立面如圖一所示。

本橋全長90公尺，跨徑配置為25+40+25公尺；南北雙向採分離式橋面配置，橋寬各為16.25公尺，中央處南北雙向橋護欄邊緣相距1.5m，配置有懸伸版。上部結構為單室預力混凝土箱型梁，梁深2.2公尺；其中北上線部分之上部結構與橋墩（含基礎），採f'c=560kg/cm2之高強度高性能混凝土構築，南下線部分則採，並於兩向橋面相對應斷面埋置儀器實施於施工f'c=350kg/cm2之一般強度混凝土

中與完工後之監測，俾作為高性能混凝土橋梁性能之研究比較。

(二) 分析與設計

1. 設計準則

(1) 設計規範

A. 交通部台灣區國道新建工程局，\橋梁設計注意事項\。

B. 交通部 …… 此处隐藏：2687字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……