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研究生： 廖奕翔
I-HSIANG LIAO
論文名稱： 考慮回復性能影響之橋梁補強策略益本比分析
Benefit-cost ratio Analysis of Retrofit Strategies for Bridges Considering the Resilience Effect
指導教授： 邱建國
Chien-Kuo Chiu
口試委員: 劉光晏
Kuang-Yen Liu
廖國偉
Kuo-Wei Liao
楊亦東
I-Tung Yang
邱建國
Chien-Kuo,Chiu
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年： 2018
畢業學年度： 106
語文別： 中文
論文頁數： 151
中文關鍵詞： 橋柱補強 、系統可靠度 、敏感性分析 、回復性能 、益本比 、橋梁
外文關鍵詞： Bridge column retrofit, System reliability, Sensitivity analysis, Resilience, Benefit-cost ratio, Bridge
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    • 本研究將著重於橋柱補強之效益分析，如RC包覆及鋼板包覆補強，引用系統可靠度及回復性能評估來分析各補強方案之效益。評估橋梁補強效益時，須先了解橋梁於災害下之損傷機率，本研究定義損傷等級時，根據國外學者及規範的建議，除原始橋柱耐震性能外，亦加入構件/元件之檢核，如帽梁強度、橋柱穩定性、基礎強度等，故橋梁整體各損傷等級皆由數個檢核項目來決定，並以系統可靠度方法來計算損傷等級發生機率。此外，以可靠度敏感性分析找出橋梁敏感性構件/元件，以此提供補強之配套措施。本研究將矩法與蒙地卡羅模擬之結果進行比較，以此提供給合適之可靠度分析方法。在回復性能評估中，本研究以構件/元件損傷等級所對應之修復天數來建立各損傷等級之回復曲線，結合系統可靠度來建立橋梁整體之功能性曲線並計算回復性能指標，以此反映各補強方案下所引致之交通流量變化而計算所對應之間接成本。最後，本研究將以台北市兩座橋梁為例，以益本比來計算各補強方案之效益，以此提供給決策者執行補強之依據。

    This study focuses on the analysis of the benefits of the bridge column retrofit, such as reinforced concrete jacketing and steel jacketing. A system reliability and resilience assessment are used to analyze the benefit of each retrofitted method. For the benefit evaluation of the retrofit of a bridge, it is necessary to understand the probability of damage of the bridge under the disaster. In addition to the seismic performance of piers, the components/members of cap beams, stability of piers, foundation, etc. are used to define the various damage states of the bridge. Furthermore, the system reliability is used to calculate the probability of occurrence of each damage state. This study also adopts Reliability sensitivity analysis that is used to determine the most influenced component for providing the complementary of retrofit. Additionally, the comparison of reliability method provides engineers with applicability. For the indirect cost within the retrofit, this work combines the system reliability and the recover time corresponding to the repair works of each component under specified damage state to establish functional curve and calculate the resilience index to consider the change of transportation capacity under the retrofit. Finally, this study also presents the analysis of two bridges in Taipei as examples to determine the benefits of each retrofit method to provide decision makers with the retrofit reference.

    第一章 緒論 1 1.1研究動機 1 1.2研究目的與對象 2 1.3論文架構與流程圖 3 第二章 文獻回顧 6 2.1橋梁耐震能力評估 6 2.1.1上部子結構(橋柱)之耐震性能評估 6 2.1.2基礎子結構之耐震分析評估 17 2.2回復性能(Resilience)於橋梁系統的應用 19 第三章 橋梁補強設計 23 3.1混凝土橋柱補強設計 23 3.1.1 RC包覆補強 23 3.1.2鋼板包覆韌性補強 26 3.2鋼構橋柱補強設計 28 3.2.1混凝土填充工法補強 28 3.2.2鋼板包覆補強 28 3.3橋梁構件/元件補強 30 3.3.1帽梁補強 30 3.3.2防落系統補強 33 3.3.3支承墊補強 35 3.3.4基礎補強 35 第四章 橋梁損傷等級評估 36 4.1非線性靜力側推分析 38 4.2橋梁損傷等級區別與評估 38 4.2.1橋梁損傷等級之構件/元件容量判定 39 4.2.2各檢核項目之易損性曲線 41 4.3系統可靠度 42 4.3.1橋梁構件/元件容量之相關性 43 4.3.2隨機變數轉換至相互獨立之標準常態空間 45 4.3.3蒙地卡羅模擬(MCS) 46 4.3.4矩法(Moments Method) 48 4.4可靠度敏感性分析(Reliability Sensitivity Analysis) 50 4.5地震危害度分析 50 4.5.1機率式地震危害度分析 50 4.5.2有效地表加速度超越機率曲線 51 4.6各損傷等級發生機率 55 第五章 橋梁補強之回復性能評估 56 5.1回復性能之定義 58 5.1.1回復性能 59 5.1.2橋梁之功能性回復曲線 60 5.2橋梁構件/元件之損傷界定 62 5.3橋梁構件/元件各損傷等級之修復天數 65 5.4橋梁之回復性能計算 69 5.5橋梁補強之效益評估 73 5.5.1橋梁之直接成本 74 5.5.2橋梁補強之間接成本 77 5.5.3橋梁補強之總預期成本與補強益本比 80 第六章 案例分析 81 6.1橋梁補強案例分析(一) 82 6.1.1橋梁背景 82 6.1.2材料參數 83 6.1.3既有橋梁之耐震性能評估 84 6.1.4橋梁補強設計 85 6.1.5補強之耐震性能評估 87 6.1.6橋梁構件/元件檢核之可靠度指標 91 6.1.7系統可靠度損傷評估 95 6.1.8損傷等級發生機率 99 6.1.9回復性能評估 101 6.1.10補強效益評估 102 6.2橋梁補強案例分析(二) 106 6.2.1橋梁背景 106 6.2.2材料參數 107 6.2.3既有橋梁之耐震性能評估 108 6.2.4橋梁補強設計 109 6.2.5補強之耐震性能評估 110 6.2.6橋梁構件/元件檢核之可靠度指標 117 6.2.7系統可靠度損傷評估 120 6.2.8損傷等級發生機率 124 6.2.9回復性能評估 126 6.2.10補強效益評估 127 第七章 結論與建議 131 7.1結論 131 7.2建議 134 參考文獻 135 表目錄 表2.1有效地表加速度轉換表[1] 11 表2.2性能狀態A之譜位移與降伏譜位移之比值 12 表2.3性能狀態之非彈性譜位移與非彈性譜位移容量之比值 12 表2.4一般與重要橋梁之性能目標 13 表3.1 補強配筋細節[8] 25 表4.1橋梁構件/元件之損傷等級對照(中英對照) 40 表5.1構件/元件損傷界定值 64 表5.2橋柱各損傷等級之修復工項及天數[3][16] 66 表5.3支承墊各損傷等級之修復工項及天數[3][16] 67 表5.4基樁各損傷等級之修復工項及天數[3][16] 67 表5.5帽梁各損傷等級之修復工項及天數[3][16] 68 表5.6橋梁災後功能性 69 表5.7橋梁整體損傷對應之構件/元件損傷等級 70 表5.8台灣地區一般典型橋梁分類[1] 75 表5.9各類典型橋梁產生各種損壞狀態之損失比[1] 75 表5.10各類典型橋梁單位橋面版之新建成本參考值[1] 76 表6.1重要橋梁(I=1.2)之性能目標 82 表6.2甲橋採用之材料強度 83 表6.3甲橋之各補強方案及細節 86 表6.3甲橋回復性能指標 101 表6.4甲橋補強效益 103 表6.5甲橋各R值之每日間接成本 105 表6.6重要橋梁(I=1.2)之性能目標 106 表6.7乙橋採用之材料強度 107 表6.8乙橋之各補強方案及細節 109 表6.9乙橋帽梁RC包覆強度 120 表6.10乙橋回復性能指標 126 表6.11乙橋補強效益 128 表6.12乙橋各R值之每日間接成本 130   圖目錄 圖2.1容量曲線與容量反應譜曲線 7 圖2.2容量震譜等能量雙線性化[5] 9 圖2.3範例橋梁之功能性曲線[6] 21 圖3.1 RC包覆補強示意圖[8] 24 圖3.2 RC包覆厚度細節[8] 24 圖3.3 RC包覆補強之植筋細節[8] 26 圖3.4鋼板包覆韌性補強示意圖 27 圖3.5鋼柱鋼板包覆補強示意圖[8] 29 圖3.6構架加連接梁降低帽梁內力需求示意圖[1] 31 圖3.7帽梁強度補強示意圖[1] 32 圖3.8防落系統補強示意圖[1] 33 圖3.9增設防落裝置-RC與鋼製止震塊[1] 34 圖3.10增設防落裝置-防落拉桿[1] 34 圖3.11增設防落裝置-PC鋼索、鍵結與拉環形式[1] 34 圖4.1第四章流程架構 37 圖4.2損傷定義方式 39 圖4.3蒙地卡羅模擬(MCS)流程圖 47 圖4.4矩法流程圖 49 圖4.5有效地表加速度超越機率 53 圖4.6有效地表加速度累積機率 53 圖4.7有效地表加速度機率密度函數 54 圖4.8損傷發生機率計算流程圖 55 圖5.1橋梁補強之回復性能評估流程圖 57 圖5.2回復性能之功能性曲線 58 圖5.3回復性能示意圖[3] 59 圖5.4功能性回復曲線 60 圖5.5橋梁之功能性回復曲線 61 圖5.6帽梁損傷等級定義 63 圖5.7修復天數之樹狀分析 71 圖5.8修復天數與功能性曲線之建立 71 圖5.9橋梁整體之功能性曲線 72 圖5.10改道長度的估算方式[13] 78 圖6-1補強效益分析流程圖 81 圖6.1結構分析模型 82 圖6.2甲橋橋墩配筋圖 83 圖6.3甲橋既有橋柱之耐震性能 84 圖6.4橋柱補強示意圖 85 圖6.5甲橋-RC包覆補強(1-1)耐震性能評估 87 圖6.6甲橋-RC包覆補強(2-1)耐震性能評估 88 圖6.7甲橋-鋼板6mm包覆補強耐震性能評估 89 圖6.8甲橋補強方案之耐震性能比較 90 圖6.9甲橋中度損傷之可靠度敏感性分析 91 圖6.10甲橋嚴重損傷之可靠度敏感性分析 92 圖6.11甲橋完全損傷之可靠度敏感性分析 93 圖6.12支承剪力補強示意圖(cm) 94 圖6.13甲橋車行方向之系統可靠度比較 96 圖6.14甲橋垂直車行方向之系統可靠度比較 97 圖6.15甲橋之系統可靠度方法比較 98 圖6.16甲橋服務年限50年損傷機率-敏感性元件補強前 99 圖6.17甲橋服務年限50年損傷機率-敏感性元件補強後 100 圖6.18甲橋未補強車行方向回復性能 101 圖6.19甲橋各補強方案之益本比 104 圖6.20甲橋各R值之每日間接成本曲線 105 圖6.21乙橋分析模型 106 圖6.22乙橋橋墩配筋圖 107 圖6.23乙橋既有橋柱之耐震性能 108 圖6.24乙橋RC包覆(1-1)耐震性能評估 110 圖6.25乙橋RC包覆(1-2)耐震性能評估 111 圖6.26乙橋RC包覆(2-1)耐震性能評估 112 圖6.27乙橋RC包覆(2-2)耐震性能評估 113 圖6.28乙橋鋼板6mm包覆耐震性能評估 114 圖6.29乙橋鋼板12mm包覆耐震性能評估 115 圖6.30乙橋補強方案之耐震性能比較 116 圖6.31乙橋中度損傷之可靠度敏感性分析 117 圖6.32乙橋嚴重損傷之可靠度敏感性分析 118 圖6.33乙橋完全損傷之可靠度敏感性分析 119 圖6.34乙橋帽梁RC包覆補強示意圖 120 圖6.35乙橋車行方向之系統可靠度比較 121 圖6.36乙橋垂直車行方向之系統可靠度比較 122 圖6.37乙橋之系統可靠度方法比較 123 圖6.38乙橋50年損傷機率-敏感性構件補強前 124 圖6.39乙橋50年損傷機率-敏感性構件補強後 125 圖6.40乙橋未補強車行方向回復性能 127 圖6.41乙橋各補強方案之益本比 129 圖6.42乙橋各R值之每日間接成本曲線 130

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