蔡益超臺灣大學:土木工程學研究所蘇建鴻Su, Jain-HongJain-HongSu2010-06-302018-07-092010-06-302018-07-092008U0001-3007200814503300http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/187628橋樑耐震設計規範規定基面之設定要考慮沖刷，但可以考慮回淤。因此本研究將以橋樑耐震設計規範草案中之靜力分析法進行新建橋樑之設計，並將基面設計在不同裸露深度下，利用容量震譜法進行耐震能力之評估，再進行災損分析，求得一年內最低總支出之基面設計深度。 本研究以容量震譜法求得不同設計深度下之耐震能力，並將地震損壞分為無損壞、輕微損壞、中度損壞、嚴重損壞與完全損壞，並配合耐震能力的變異係數，求出各地表加速度下，發生各級破壞的或然率。並以不同地表加速度對應之年超越機率曲線模擬橋址地震危害度曲線。而各級損壞的修復費用，將以佔結構新建成本的比例，即損失比來處理。再考慮橋樑於一年中的裸露深度亦為隨機變數，因此將建立一完全回淤或然率曲線進行災損分析，並決定最具經濟性之基面設計深度。The Seismic Design Specifications for Highway Bridges provide that design of base plane should be not only consider the scour but the deposit. Therefore, the present study intends to find the lowest total expenditure at different depth of design base plane. The study uses the Capacity Spectrum Analysis (CSA) to determine their aseismatic capability and damage analysis. This study uses the CSA to determine the aseismatic capability at different depth of design base plane then to divided the earthquake damage into no damage, slight damage, moderate damage, extensive damage, and complete damage. Moreover, this study also uses the Coefficient of Variation (CV) of the aseismatic capability to calculate the incidence of each damage levels on Peak Ground Acceleration (PGA). And using the annual excess probability curve correspond the different PGA to simulate the seismic hazard curve based on the location of the bridge. The repair expenses of all levels will be calculated with the percentage of the cost of the new bridge. Finally, it establishes one probability curve in the exposed depth of the location of the bridge to proceed the damage analysis. It considers that the exposed depth in a year as a random variable, and decide the depth of design base plane what is the most economical.目 錄謝................................................ ...............一要................................................................三文摘要............................................................四錄................................................................五目錄..............................................................九目錄............................................................一三一章 緒論..........................................................1 1.1 研究動機與目的...............................................1 1.2 文獻回顧.....................................................3 1.3 本文內容.....................................................4二章 耐震能力評估方法之理論與程序..................................5 2.1 耐震能力評估分析方法之簡介與流程.............................5 2.2 柱底之強度與韌性.............................................5 2.2.1 柱底之彎矩降服強度與其所對應之地表加速度...............5 2.2.2 韌性容量之修正.........................................6 2.2.3 實心柱之剪力強度.......................................8 2.3 基礎之強度與穩定性..........................................10 2.4 等值土壤彈簧................................................10 2.4.1 水平等值土壤彈簧......................................11 2.4.2 垂直等值土壤彈簧......................................11 2.4.3 土壤之極限承載力......................................11 2.5 耐震設計之靜力分析方法......................................13 2.5.1 設計總橫力............................................13 2.5.2 工址短週期與一秒週期水平譜加速度係數..................15 2.5.3 各類地盤工址短週期與一秒週期水平譜加速度係數..........15 2.5.4 工址設計之最大考量水平譜加速度係數....................16 2.5.5 橋樑振動單元之基本振動週期............................16 2.5.6 台北盆地之工址設計與最大考量水平譜加速度係數..........17 2.5.7 起始降伏地震力放大倍數與結構系統地震力折減係數........17 2.5.8 用途係數..............................................17 2.5.9 地震力之分佈..........................................18 2.5.10 最小水平地震力與最大考量地震之設計地震力.............18 2.6 容量震譜法求結構物之耐震能力................................19 2.6.1 側推分析求結構物之容量曲線............................19 2.6.2 建立結構物的容量譜曲線(Capacity Spectrum) ............19 2.6.3 容量譜曲線上任一性能點之週期與阻尼比..................20 2.6.4 阻尼比異於5％之修正係數...............................22 2.6.5 任一性能點對應地表加速度之計算........................22 2.7 破壞模式的介紹與塑鉸特性的假設..............................23 2.7.1 彎矩塑鉸之介紹........................................23 2.7.2 三種破壞模式的介紹....................................25 2.7.2.1 韌性充分發揮之塑鉸特性..........................25 2.7.2.2 斷面韌性部分發揮後產生剪力破壞時之塑鉸特性......26 2.7.2.3 斷面韌性尚未發揮就產生剪力破壞時之塑鉸特性......27 2.7.3 FEM-273建議之塑鉸特性.................................27三章 災損分析之理論與程序.........................................30 3.1 易損性曲線之概述............................................30 3.1.1 易損性曲線之求取方法..................................30 3.1.2 橋樑分類..............................................32 3.1.3 損壞狀態之定義........................................32 3.1.4 易損性曲線之建立......................................33 3.2 危害度曲線之概述............................................34 3.3 完全回淤或然率曲線之概述....................................35 3.4 總經費計算..................................................35 3.4.1 災損分析金額..........................................35 3.4.2 總經費計算............................................36四章 設計例分析...................................................37 4.1 土壤彈簧假設為完全彈塑性之設計例............................37 4.1.1 基面設計深度0m之設計例................................37 4.1.1.1 設計例橋樑之相關假定參數........................37 4.1.1.2 設計例於商用軟體中之模擬........................38 4.1.1.3 基面設計深度0m之設計例於裸露深度為0m時之結果...38 4.1.1.4 基面設計深度0m之設計例於裸露深度為1.5m時之結果.40 4.1.1.5 基面設計深度0m之設計例於裸露深度為3m時之結果...41 4.1.1.6 基面設計深度0m之設計例於裸露深度為4.5m時之結果.42 4.1.1.7 基面設計深度0m之設計例於裸露深度為6m時之結果...42 4.1.1.8 基面設計深度0m之設計例於裸露深度為7.5m時之結果.42 4.1.1.9 基面設計深度0m之設計例於裸露深度為9m時之結果...42 4.1.1.10 小結...........................................43 4.1.2 基面設計深度1.5m之設計例..............................43 4.1.3 基面設計深度3米以下之設計例...........................44 4.1.3.1 小結............................................44 4.1.4 災損分析計算..........................................45 4.1.4.1 易損性曲線之建立................................45 4.1.4.2 危害度曲線之建立................................45 4.1.4.3 完全回淤或然率曲線之建立........................45 4.1.4.4 災損分析........................................45 4.1.5 新建與修復費用計算....................................45 4.1.5.1 小結.......... ..................................46 4.2 土壤彈簧假設為雙線性之設計例................................47 4.2.1 基面設計深度0m之設計例................................47.2.2 基面設計深度1.5m以下之設計例..........................47.2.3 小結..................................................47.2.4 災損分析計算..........................................48.2.4.1 易損性曲線之建立................................48.2.4.2 危害度曲線之建立................................48.2.4.3 完全回淤或然率曲線之建立........................48.2.4.4 災損分析........................................49 4.2.5 新建與修復費用計算....................................49 4.2.5.1 小結............................................49五章 結論與未來展望...............................................51 5.1 結論........................................................51 5.2 未來展望....................................................52考文獻............................................................54 目 錄2.5.1 震區短週期與一秒週期之水平譜加速度係數 與 與最大考量水平 譜加速度係數 與 .....................................582.5.2 反應譜等加速度段之工址放大係數 (線性內插求其值).........592.5.3 反應譜等速度段之工址放大係數 （線性內插求其值）...........592.5.4 工址之設計水平譜加速度係數 .............................592.5.5 工址之最大考量水平譜加速度係數 ........................592.5.6 短週期與一秒週期結構之阻尼比修正係數 與 （線性內插求其 值）......................................................602.5.7 台北盆地之工址之設計水平譜加速度係數 ...................602.5.8 台北盆地之工址之最大考量水平譜加速度係數 ..............602.5.9 結構系統韌性容量R.........................................602.6.1 ATC-40結構型態分類........................................612.6.2 ATC-40有關 之規定........................................612.7.1 table 6-7 of FEMA-273 柱塑鉸特性參數........................623.1.1 Haz-Taiwan橋樑分類........................................633.1.2 橋樑損壞程度之說明........................................643.4.1 各種損壞狀態之修復成本與新建成本之比值....................644.1.1 設計深度0m，裸露0m時之土壤彈簧性質........................654.1.2 柱底塑鉸特性( =0.005rad).................................664.1.3 設計深度0m，裸露1.5m時之土壤彈簧性質......................664.1.4 設計深度0m，裸露1.5m時之各斷面內力值......................674.1.5 設計深度0m，裸露1.5m時之樁頂塑鉸特性( =0.005rad).........674.1.6 設計深度0m，裸露3m時之土壤彈簧性質........................674.1.7 設計深度0m，裸露3m時之各斷面內力值........................684.1.8 設計深度0m，裸露4.5m時之土壤彈簧性質......................684.1.9 設計深度0m，裸露4.5m時之各斷面內力值......................684.1.10 設計深度0m，裸露6m時之土壤彈簧性質........................694.1.11 設計深度0m，裸露6m時之各斷面內力值........................694.1.12 設計深度0m，裸露7.5m時之土壤彈簧性質......................704.1.13 設計深度0m，裸露7.5m時之各斷面內力值......................704.1.14 設計深度0m，裸露9m時之土壤彈簧性質........................714.1.15 設計深度0m，裸露9m時之各斷面內力值........................714.1.16 設計深度0m，各裸露深度下所對應之耐震能力..................724.1.17 設計深度1.5m，柱底、樁頂塑鉸特性( =0.005rad)..............724.1.18 設計深度1.5m，各裸露深度下所對應之耐震能力.................724.1.19 各設計深度下，樁基礎之斷面尺寸與配筋.......................734.1.20 設計深度3m，柱底、樁頂塑鉸特性( =0.005rad)................734.1.21 設計深度6m，柱底、樁頂塑鉸特性( =0.005rad)................734.1.22 設計深度9m，柱底、樁頂塑鉸特性( =0.005rad)................744.1.23 設計深度3m，各裸露深度下所對應之耐震能力..................744.1.24 設計深度6m，各裸露深度下所對應之耐震能力..................744.1.25 設計深度9m，各裸露深度下所對應之耐震能力..................754.1.26 設計深度0m，各損壞狀態對應之地表加速度....................754.1.27 設計深度1.5m，各損壞狀態對應之地表加速度..................754.1.28 設計深度3m，各損壞狀態對應之地表加速度....................764.1.29 設計深度6m，各損壞狀態對應之地表加速度....................764.1.30 設計深度9m，各損壞狀態對應之地表加速度....................764.1.31 各設計深度下，災損分析後之一年內修復比值(完全回淤或然率0.3)774.1.32 各設計深度下，災損分析後之一年內修復比值(完全回淤或然率0.4)774.1.33 各設計深度下，災損分析後之一年內修復比值(完全回淤或然率0.5)774.1.34 各設計深度下，災損分析後之一年內修復比值(完全回淤或然率0.6)784.1.35 各設計深度下，新建成本之計算...............................784.1.36 各設計深度下，一年內總支出之計算(完全回淤或然率0.3).......784.1.37 各設計深度下，一年內總支出之計算(完全回淤或然率0.4).......794.1.38 各設計深度下，一年內總支出之計算(完全回淤或然率0.5).......794.1.39 各設計深度下，一年內總支出之計算(完全回淤或然率0.6).......794.1.40 設計深度0m，各裸露深度下之橋樑破壞點......................804.1.41 設計深度1.5m，各裸露深度下之橋樑破壞點....................804.1.42 設計深度3m，各裸露深度下之橋樑破壞點......................814.1.43 設計深度6m，各裸露深度下之橋樑破壞點......................814.1.44 設計深度9m，各裸露深度下之橋樑破壞點......................824.1.45 設計深度0m下，考量橋樑破壞點之修復費用計算(完全回淤或然率 0.3).....................................................824.1.46 各設計深度下，考量橋樑破壞點之一年內總支出（萬元）..........824.2.1 各設計深度下，樁基礎之斷面尺寸與配筋.......................834.2.2 設計深度0m，柱底、樁頂塑鉸特性( =0.005rad)...............834.2.3 設計深度0m，各裸露深度下所對應之耐震能力..................834.2.4 設計深度1.5m，柱底、樁頂塑鉸特性( =0.005rad).............844.2.5 設計深度3m，柱底、樁頂塑鉸特性( =0.005rad)...............844.2.6 設計深度6m，柱底、樁頂塑鉸特性( =0.005rad)...............844.2.7 設計深度9m，柱底、樁頂塑鉸特性( =0.005rad)...............854.2.8 設計深度1.5m，各裸露深度下所對應之耐震能力.................854.2.9 設計深度3m，各裸露深度下所對應之耐震能力..................854.2.10 設計深度6m，各裸露深度下所對應之耐震能力..................864.2.11 設計深度9m，各裸露深度下所對應之耐震能力..................864.2.12 設計深度0m，各損壞狀態對應之地表加速度....................864.2.13 設計深度1.5m，各損壞狀態對應之地表加速度..................874.2.14 設計深度3m，各損壞狀態對應之地表加速度....................874.2.15 設計深度6m，各損壞狀態對應之地表加速度....................874.2.16 設計深度9m，各損壞狀態對應之地表加速度....................884.2.17 各設計深度下，災損分析後之一年內修復比值(完全回淤或然率0.3)884.2.18 各設計深度下，災損分析後之一年內修復比值(完全回淤或然率0.4)884.2.19 各設計深度下，災損分析後之一年內修復比值(完全回淤或然率0.5)894.2.20 各設計深度下，災損分析後之一年內修復比值(完全回淤或然率0.6)894.2.21 各設計深度下，新建成本之計算...............................894.2.22 各設計深度下，一年內總支出之計算(完全回淤或然率0.3).......904.2.23 各設計深度下，一年內總支出之計算(完全回淤或然率0.4).......904.2.24 各設計深度下，一年內總支出之計算(完全回淤或然率0.5).......904.2.25 各設計深度下，一年內總支出之計算(完全回淤或然率0.6).......914.2.26 設計深度0m，各裸露深度下之橋樑破壞點......................914.2.27 設計深度1.5m，各裸露深度下之橋樑破壞點....................914.2.28 設計深度3m，各裸露深度下之橋樑破壞點......................924.2.29 設計深度6m，各裸露深度下之橋樑破壞點......................924.2.30 設計深度9m，各裸露深度下之橋樑破壞點......................924.2.31 各設計深度下，考量橋樑破壞點之一年內總支出（萬元）..........93 目 錄2.1.1 分析流程圖................................................942.2.1 軸力彎矩交互引響圖........................................952.2.2 塑鉸區的剪力強度..........................................952.6.1 容量曲線與容量反應譜曲線..................................962.6.2 計算遲滯能 .............................................962.7.1 韌性完全發揮之塑鉸特性曲線................................972.7.2 韌性部分發揮後產生剪力破壞之塑鉸特性曲線..................972.7.3 韌性尚未發揮的剪力破壞之塑鉸特性曲線......................982.7.4 FEMA-273所建議之塑鉸特性..................................983.1.1 易損性曲線................................................993.2.1 危害度曲線................................................993.3.1 裸露或然率分布曲線.......................................1004.1.1 基面設計深度與裸露深度示意圖.............................1014.1.2 橋樑示意圖...............................................1024.1.3 箱型梁斷面形狀及尺寸.....................................1024.1.4 柱斷面及配筋圖...........................................1034.1.5 樁斷面及配筋圖...........................................1044.1.6 結構的模擬圖與SAP2000中的實際模擬.......................1054.1.7 樁位的編號...............................................1054.1.8 橋柱之軸力與彎矩交互影響圖...............................1064.1.9 樁基礎子結構模擬圖.......................................1064.1.10 設計深度0m，樁之軸力與彎矩交互影響圖.....................1074.1.11 柱底之塑鉸特性( =0.005rad)..............................1074.1.12 設計深度0m，裸露0m時之容量曲線...........................1084.1.13 設計深度0m，裸露0m時之容量譜曲線........................1084.1.14 設計深度0m樁頂之塑鉸特性( =0.005rad)...................1094.1.15 設計深度0m，裸露1.5m時之容量曲線........................1094.1.16 設計深度0m，裸露1.5m時之容量譜曲線......................1104.1.17 設計深度0m，裸露3m時之容量曲線..........................1104.1.18 設計深度0m，裸露3m時之容量譜曲線........................1114.1.19 設計深度0m，裸露4.5m時之容量曲線........................1114.1.20 設計深度0m，裸露4.5m時之容量譜曲線.......................1124.1.21 設計深度0m，裸露6m時之容量曲線..........................1124.1.22 設計深度0m，裸露6m時之容量譜曲線........................1134.1.23 設計深度0m，裸露7.5m時之容量曲線........................1134.1.24 設計深度0m，裸露7.5m時之容量譜曲線......................1144.1.25 設計深度0m，裸露9m時之容量曲線..........................1144.1.26 設計深度0m，裸露9m時之容量譜曲線........................1154.1.27 設計深度0m，各裸露深度下容量譜曲線之比較.................1154.1.28 設計深度0m，各裸露深度下耐震能力之比較...................1164.1.29 設計深度1.5m，樁之軸力與彎矩交互影響圖...................1164.1.30 設計深度1.5m樁頂之塑鉸特性( =0.005rad).................1174.1.31 設計深度1.5m，各裸露深度下容量曲線之比較.................1174.1.32 設計深度1.5m，各裸露深度下容量譜曲線之比較...............1184.1.33 設計深度1.5m，各裸露深度下耐震能力之比較.................1184.1.34 設計深度3m，樁之軸力與彎矩交互影響圖.....................1194.1.35 設計深度6m，樁之軸力與彎矩交互影響圖.....................1194.1.36 設計深度9m，樁之軸力與彎矩交互影響圖.....................1204.1.37 設計深度3m樁頂之塑鉸特性( =0.005rad)...................1204.1.38 設計深度6m樁頂之塑鉸特性( =0.005rad)...................1214.1.39 設計深度9m樁頂之塑鉸特性( =0.005rad)...................1214.1.40 設計深度3m，各裸露深度下容量曲線之比較...................1224.1.41 設計深度3m，各裸露深度下容量譜曲線之比較.................1224.1.42 設計深度6m，各裸露深度下容量曲線之比較...................1234.1.43 設計深度6m，各裸露深度下容量譜曲線之比較.................1234.1.44 設計深度9m，各裸露深度下容量曲線之比較...................1244.1.45 設計深度9m，各裸露深度下容量譜曲線之比較.................1244.1.46 設計深度3m，各裸露深度下耐震能力之比較...................1254.1.47 設計深度6m，各裸露深度下耐震能力之比較...................1254.1.48 設計深度9m，各裸露深度下耐震能力之比較...................1264.1.49 各設計深度下，不同裸露深度之降伏地表加速度比較............1264.1.50 各設計深度下，不同裸露深度之崩塌地表加速度比較............1274.1.51 設計深度0m，裸露0m之易損性曲線..........................1274.1.52 各設計深度下之一年內總支出比較...........................1284.1.53 各設計深度下用橋樑破壞點計算之一年內總支出比較...........1294.2.1 設計深度0m，樁之軸力與彎矩交互影響圖.....................1304.2.2 設計深度0m樁頂之塑鉸特性( =0.005rad)...................1304.2.3 設計深度0m，各裸露深度下容量曲線之比較...................1314.2.4 設計深度0m，各裸露深度下容量譜曲線之比較.................1314.2.5 設計深度0m，各裸露深度下耐震能力之比較...................1324.2.6 設計深度1.5m，樁之軸力與彎矩交互影響圖...................1324.2.7 設計深度3m，樁之軸力與彎矩交互影響圖.....................1334.2.8 設計深度6m，樁之軸力與彎矩交互影響圖.....................1334.2.9 設計深度9m，樁之軸力與彎矩交互影響圖.....................1344.2.10 設計深度1.5m樁頂之塑鉸特性( =0.005rad).................1344.2.11 設計深度3m樁頂之塑鉸特性( =0.005rad)...................1354.2.12 設計深度6m樁頂之塑鉸特性( =0.005rad)...................1354.2.13 設計深度9m樁頂之塑鉸特性( =0.005rad)...................1364.2.14 設計深度1.5m，各裸露深度下容量曲線之比較.................1364.2.15 設計深度1.5m，各裸露深度下容量譜曲線之比較...............1374.2.16 設計深度3m，各裸露深度下容量曲線之比較...................1374.2.17 設計深度3m，各裸露深度下容量譜曲線之比較.................1384.2.18 設計深度6m，各裸露深度下容量曲線之比較...................1384.2.19 設計深度6m，各裸露深度下容量譜曲線之比較.................1394.2.20 設計深度9m，各裸露深度下容量曲線之比較...................1394.2.21 設計深度9m，各裸露深度下容量譜曲線之比較.................1404.2.22 設計深度1.5m，各裸露深度下耐震能力之比較.................1404.2.23 設計深度3m，各裸露深度下耐震能力之比較...................1414.2.24 設計深度6m，各裸露深度下耐震能力之比較...................1414.2.25 設計深度9m，各裸露深度下耐震能力之比較...................1424.2.26 各設計深度下，不同裸露深度之降伏地表加速度比較...........1424.2.27 各設計深度下，不同裸露深度之崩塌地表加速度比較...........1434.2.28 設計深度0m，裸露0m之易損性曲線..........................1434.2.29 各設計深度下之一年內總支出比較...........................144圖4.2.30 各設計深度下用橋樑破壞點計算之一年內總支出比較...........1451881047 bytesapplication/pdfen-US沖刷回淤耐震能力容量震譜法危害度曲線裸露災損分析scourdepositaseismatic capabilitycapacity spectrum analysishazard curveexposeddamage analysisthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/187628/1/ntu-97-R95521216-1.pdf