橋梁耐震補強施工架結構計算

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前言:
橋梁耐震補強工程,施工架搭設作業重點在於上構補強及墩柱補強(如鋼止震裝置、支承更換、剪力榫增設等)。
雖然有些墩位的下構也會補強,但因為橋樑原地面到基礎底的平均開挖深度僅3~4m,人員可以先走到既有基礎後,再用上下爬梯或護籠爬梯到達基礎底板,危險性不高。
上構補強施工架通常須搭設約6m以上,危險度高,所以施工架搭設的風險首重上構補強項目(圖1)。
圖1 上構補強施工架搭設概況
正文:
雖然設計單位大多會提供施工架標準圖及施工規範,但通常還是會在契約內規定:假設工程(例如:施工架、擋土支撐)在施工階段由施工廠商專任工程人員,按照現地預計施作形式檢算強度,並提送計算書後,按照計算書內容繪製施工圖據以施工。
箱梁以下多以帽梁、墩柱搭配基礎、基樁型式組成每墩墩柱淨高不盡相同(圖1)。
為配合橋下淨高限制,施工架依搭設高度不同,將衍生多種形式。
常理推斷,每墩墩柱因為施工架搭設高度不同,都需要提送「獨立結構計算書」,但實務上不太可能達成,因為專任工程人員的作業量會十分龐大。
上構補強的施工架搭設在墩柱周圍四面,又因墩柱平面尺寸差異不大,所以計算書可以依照「搭設高度」進行分類,建議分類標準如下:
  • (Type1)施工架無需設置「壁連桿」。
  • (Type2)施工架需設置「壁連桿」。
  • (Type3)因不同工程項目衍生之「特殊型式」。
施工規範可能考量場鑄混凝土箱樑是高風險施作項目,統一將混凝土「支撐架」標準拉高。
例如:<交通部高速公路局施工技術規範-橋梁工程施工作業安全一般要求>章節內規定,支撐架之靜載重及活載重之和不得低於490kgf/cm2。
再利用鋼材之拉應力、軸向應力、彎曲應力等鋼材設計工作應力,於評估強度時均有嚴格限制(表2)。
如果施工規範內有對「支撐架」強度計算「加強限制」,建議支撐架與施工架獨立分開設置及計算。
因為普通施工架用支撐架所須的強度來計算可能會算不過。所以要將施工架與支撐架聯合設置的時候,需要多加考慮。
每個墩柱可以依照設置高度,來選定適合的計算書套用,再按照計算書內律定的設置邏輯繪製施工圖,所以在計算書內,應該要律定設施的標準及限制,以評估墩柱條件是否符合。
例如:同時站上腳踏板人員數量、壁連桿設置間距。
「Type3」建議回到原本的模式,依照補強型式逐墩提送計算書。
「Type3」的計算原理與「Type1」及「Type2」的計算方式大同小異。

如果施工廠商沒有買結構分析軟體(etabs、sap2000等)給專任工程人員使用,或有細項難以用結構分析軟體建模等情形時,可以參考下列方式進行檢核(以框式施工架為例,用excel或手算皆可):
(一) 「垂直載重」考量:
以「一座施工架」作為單位來計算,除了施工架自重外,加入人員及物料的活載重來計算。
將載重攤提於腳踏板上,自行假設人員上限及載重限制,建議1個人員以100kg(含手工具重量)估算。
最終檢核成果將會是限制「X公斤/X人」同時站上腳踏板(同時限制總重量及人數)。
再來將整個墩柱的施工架定義為「一組施工架」。
為了避免人員集中於同一座施工架的極端行為,建議直接拿「一座施工架」的載重限制,當作「一組施工架」的載重限制。
因為上構補強量體通常不大,這種作法通常還是可以符合施工需求。
如一座施工架限制載重最多「600公斤/6人」,則一組施工架也限制載重也是「600公斤/6人」。
施工架桿件垂直挫曲載重檢核,除了參考《鋼結構設計手冊》外,也可直接請協力廠商提供近期施工架的垂直載重試驗值來進行計算。
(二) 「上下設備」考量:
上下設備可分為與施工架一體計算或獨立計算兩種形式。
獨立計算時,壁連桿問題需要考量,有些上下設備離墩柱較遠,無法設置壁連桿,則須以斜撐方式代替。
上下設備應以安全性及服務性(晃動)為考量,律定同時攀爬之人數,建議以「200公斤/2人」為上限。
(三) 「風力」考量:
如果規範有提供計算方式,建議依照規範計算,較為簡便;如果規範如沒有提供計算方式,則按照<建築物風力設計規範>計算,較為繁瑣。
如果施工架有配置防塵網覆蓋施工架側面,風力計算應該加入「防塵網覆蓋等效面積」,較符合現實並較為保守。
(四) 「地震力」考量:
同風力計算方式,如規範有提供計算方式,建議就按照規範計算,較為簡便;如規範沒有提供計算方式,則按照《建築物耐震設計規範》計算,較為繁瑣。
計算地震力所使用的重量參數(W),除了施工架自重外,可考慮酌量計入人員重量及物料重量較為保守。
另外地震力可視為集中於平台上(傾倒力矩最大,較為保守)。
(五) 「壁連桿」:
依照前面計算出的地震力或風力等側向力,作為「傾倒力矩」。
施工架自重及地面提供的反力,為「抵抗力矩」,以計算是否需設置壁連桿。
不須壁連桿為「Type1」,需要壁連桿為「Type2」。
因橋梁墩柱為四面,所以可以將框式施工架結構分為四個單元(每面一個單元),各自進行傾倒檢核。
如果有任何一面計算不過,則四面應獨立設置壁連桿,除了安全性較高以外,人員走動的搖晃程度也會大幅降低。
壁連桿設置間距,如符合計算成果外應,符合《營造業安全衛生設施標準》垂直向及水平向壁連桿最小設置間距規定(以垂直向間距為主)。
(六) 施工架落地「基腳」考量:
因框式施工架本身的基腳構件尺寸通常不大,以地表土層參數檢核土壤承載力時,可能會不過。
這時候要考慮,是否需要在基腳下方以「木板」或「鐵板」來墊底加大斷面。也可以考慮直接在地表澆置劣質混凝土。
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