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2019-10-02

南方澳跨港大橋:多吊索型式橋樑落橋的不可思議

多吊索系統(multi-cable system),不會因為一條吊索的鬆脫,而造成落橋事故。這就是多吊索系統被採用的原因。
理論上,南方澳跨港大橋,採用多吊索系統設計,絕對不至於因為6號吊索的鬆脫,導致8-13號吊索瞬間、連續鬆脫,從而造成落橋事故。
但卻發生了。

請注意,這吊索並沒有「斷掉」,而是錨錠部(anchorage)鬆脫,所以吊索無法承受張力,從而落橋。
但是,吊索為何鬆脫?

吊索承受的是張力,不能承受壓縮力,這是吊索的特性。
但是,橋樑會因為地震、風力、變動負荷live-load等許多原因,而產生瞬間的負向力,對吊索而言,就是承受了壓縮力。

吊索承受壓縮力會怎樣?
1.  假使橋的結構本身具有充分的剛性,則可以承受瞬間的不利狀態。
2.  假使吊索的錨錠部anchorage(就是吊索與結構連接的部分),採用的是夾片設計(wedge-type)則,根據wedge的特性,張力越大其夾力(握裹力、摩擦力)也越大,越安全。反之,張力變小,變0了,則吊索會鬆脫(脫離夾片的拘束)。
反過來說,若是採用夾具型式(grip/swaging-type),則其夾力(握裹力)是因為變形而來,不是因為摩擦力而來,所以非常確實。無論承受張力或壓縮力,都不會造成吊索的鬆脫。

「wedge anchorage」的圖片搜尋結果

由於wedge-type錨錠,是源自預力PC系統,因此,其適合採用在PC鋼線破壞力的2/3位置。而grip/swaging-type錨錠,則源自吊索的垂直hanger,本來就承受上揚力量,便無此限制,其適用預力範圍,可以從0.20.67

PC橋,自重較重,適合採用wedge-type錨錠而鋼橋,自重較輕,則適合採用grip/swaging-type錨錠。

相關圖片

吊索懸吊方式也有問題:
南方澳跨港大橋,吊索的懸吊較為垂直,無法對主樑產生壓縮力。意思是,整個橋體,無法透過吊索懸掛的角度與交叉,而導入額外的剛性(如台北市麥帥橋Nielsen bridge)。所以,整個橋體+吊索,是硬梆梆的,好像網球拍。
南方澳跨港大橋,採取中央懸吊,根本無法發生Nielsen橋的效果。

由於南方澳跨港大橋,採用鋼橋(因為漁船要出入,必須架設方便)設計,若吊索設計無法導入額外的預力,使定著部(錨錠)無法鬆脫,就必須指定grip/swaging-type錨錠。
很可惜,台灣的設計者無法理解兩者在使用上的差別。

好了,回到最後:為何南方澳跨港大橋,吊索定著部wedge會鬆脫?
是因為,承受負向(上揚)的應力。為何會有此現象?
前一晚的颱風風力,有「貢獻」。
但是,最大「貢獻」的應該是當地人是指稱的「肉粽」(消波塊)。
有照片顯示,外灘實施的消波塊工程,卡車所載的消波塊非常巨大,判斷在50-70公噸,要用拖板車載。
當地居民憑藉常識與感覺(橋面震動)而不安。
當巨大拖車經過,橋面線形就是瞬間下垂(假設下垂5-10公分),但是車輛後方與前方,則因為車輛位置的下垂,而上揚。
這上揚,會導致夾片承受壓縮力,甚至在極端狀況,會使得夾片瞬間失去摩擦力(握裹力),然後,再回復一般承受張力的狀態。這樣反覆多次之後,夾片wedge就逐漸鬆脫。
於是,一台油罐車約略載重20公噸以上,加上本體,會到達25公噸。就成為最後一根稻草。

再說一次,鋼拱是非常堅固的構造。只要看落橋之後,鋼拱屹立不搖就知道。
當然,南方澳跨港大橋的採用「反力支承」是非常正確的。我們從照片上,橋台部分的帽樑兩端被扯下一大塊,就知道。
表示設計者有考慮到上揚力。但,只考慮到鋼橋與帽樑的連結的上揚力,卻沒有注意到鋼樑的上揚力所造成的破壞性效果。

總之:
吊索錨錠採用錯誤型式,加上超重卡車,使得吊索(鋼絞索)鬆脫,造成落橋事件。並不是鏽蝕問題(黃國昌已經質詢,檢測報告並無指陳鏽蝕現象)


參考文章:

23 則留言:

  1. 感謝你提供詳盡的資訊與理論...

    目前唯一看到比較接近的報導:
    至於負責橋樑設計的亞新工程顧問公司,是公建案的熟面孔。亞新副總謝震輝昨接受媒體採訪指出,從影片中研判,應該是鋼索鏽蝕鬆脫、橋面拉力頓失,橋樑才會從中斷裂......

    倒是想請問要是檢測有做好,理論上夾片的鬆脫位移是可以看得到的吧?謝謝你。

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    1. 到錨錠位置,一個一個打開蓋板檢查,有機會看得到是否鬆脫。

      楔形(圓錐)夾片的內側,必然有經過硬化加工的齒狀物以增加摩擦係數。
      相對的,楔形(圓錐)夾片的外側(與定著板空的內側),要實施研磨加工,以期待與相對應的定著板的完整接觸。
      當然,材料也是要加強。

      所以,最後檢視證物時,只要看是否在鋼絞索上有「齒的拉痕」,就知道是否鬆脫。

      假使是鋼絞索斷裂,鋼絞索的長度必然是參差不齊,而且斷面不會是整齊的,而是粗糙的,而且鋼線直徑是變小的。
      很簡單,不容許大官亂講的。

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    2. 謝謝你,長知識,儘管不是理科背景很難真的了解。

      沒辦法,專業人士沒有專業的樣子,到處放話,甚至連個像樣的理論都沒有。相關人士與媒體也是,沒有較確鑿的事證就說了一大堆好像已經確定似的。卸責的話語倒是不少... 這些情況這二十年來愈來愈誇張。

      只是覺得很神奇的是這種結構設計的橋,吊索與連接處竟然沒有列在官方檢測的範圍之中?(覺得很扯) 更不用說所謂的檢測招標最後又被發包出去牟取暴利,還是學術界人士。

      另外東港進德大橋說是用螺栓式錨錠,這樣的設計應該就比較沒有問題了吧?

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    3. 哈哈哈,我也是非理科的人。

      人類的腦筋,差不多。
      理科與非理科,差別在定性與定量而已。
      理科的人,優點是會用公式,求取固定答案(定量)。
      缺點是,被公式綁住,缺乏想像力與完整圖像。(定性)

      當然,這也因人而異。
      越相信課本,越不相信自己的,就越僵化。
      到頭來,還是人性。

      問題不在於錨錠是哪種形式,而是:有沒有考慮到反力(上揚力)的狀況?

      有,而且有針對此的設計,就OK。
      比方說,預先考慮上揚力的場合,先將吊索施加預力到能抵銷上揚力的程度。那就沒問題。
      像Nielsen Arch Bridge,就是這樣。

      吊索的型式也很多,不僅僅只有採用「PC鋼絞索」一種而已。

      好像~
      本橋有檢測吊索的要求,總報告也勾選了OK(D=1)。
      實際上,實地測試的人,卻沒有被委託做吊索這一項。

      預算顯然有編列。
      到底花到哪裡去了??

      前半生、後半生,可能很有啟發性~~

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  2. 已經確定是鬆脫了嗎?
    不管鬆脫或斷裂
    其實當初有做索力監測系統,就沒這些事了
    偏偏台灣這些橋,很少有做監測的
    新北大橋有,二高高屏溪斜張橋也有
    其他就不知道了

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    1. 再說一次,楔形夾片型式錨錠型式,源自PC混凝土結構。
      除非做反力對策的設計(以後有機會再說),否則絕對不適合用在自重較輕的鋼構橋上,因為會遇到顯著的上揚力。

      大大所言的兩條橋,因為自重相當巨大,應該沒問題。

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  3. 監視畫面上鋼索末端瞬間噴開的樣子,較像張力下的斷裂,而不是擠壓下的鬆脫。

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    1. 而且拱樑在鋼索斷掉後還整個上彈「回形」了好一段距離,顯示張力應是足夠的,此外記者事後現場拍攝顯示6號索還有殘餘鋼絲掛著,應屬斷裂跡象。

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    2. 對於「拍攝顯示6號索還有殘餘鋼絲掛著,應屬斷裂跡象」,雲程大的解釋反而是不同。

      請看雲程大下一篇中的名詞解釋:
      6號吊索脫落但還留有一條鋼絞索,證明:是吊索的鋼絞索從錨錠部的定著板處鬆脫。那就是夾片wedge的問題。

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    3. 因為是採用wedge-type,所以,在吊索承受反力時,鋼絞索會個別鬆脫。
      所以,留下一根鋼絞索,很合理。

      PC鋼絞索的力量多大呢?
      一根15.2mm直徑的PC鋼絞索,由7條5mm的PC鋼線組成,而每一條5mm直徑的PC「鋼線」可以吊起一台大型自用車(破壞應力3250公斤或3公噸以上)。
      換言之,以小一點的吊索19條鋼絞索組成,可以承受3*19*17=969公噸以上才會破壞。
      而這條橋,有13根吊索,意思是根本可以10000萬公噸以上的結構,才會破壞。
      本橋大概只有2700-3000公噸(包括拱肋與橋桁),支撐本橋,安全率在3以上,綽綽有餘。

      假使,是吊索的PC鋼絞索斷掉,斷裂處會出現在吊索中段(最弱處)。
      從影片看,顯然不是這樣。

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    4. 雲程大的推論是合理可能的
      有點像右手捏住橡皮筋,左手拉橡皮筋
      左手放開後橡皮筋會反彈打到右手一樣
      當橋面板超荷重時,橋面板會有一定的沉陷量
      等到荷重移除,橋面板反彈回覆到原高程
      這個反力會從橋面板的錨頭藉由鋼索傳遞到上拱樑的錨頭,由下而上的反力就有機會將夾片推擠出一些,在這反覆推擠的過程,就會造成夾片牙齒跟鋼絞線的磨損,從而導致脫落
      但我懷疑的是,當夾片被擠出,單根鋼絞線預力減少,力量還是會傳遞到其他根去
      亦或是全部鋼索力量都減少,那應當是鋼索預力損失撐不住鋼橋導致斷裂的機會,會大過脫落的機率

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  4. 我思考過,是不是其實每一束鋼索裡的鋼絞線的鋼絲或多或少都已經有斷裂了,因為生鏽造成斷面積減少,應力變大
    所以每束鋼索裡的鋼絞線的鋼絲都斷了幾根或者開裂,同時每束的荷重也增加了一些,等到海端第六根鋼索斷裂後,力量分攤到其他根就造成力量大過設計的安全係數

    會做這樣的推論有兩點
    1.我所得知的訊息,當年用的staycable,不像今日外層有緊密包覆一層PE,同時在鍍鋅鋼絞線與PE間還有油脂填充,當年只是鍍鋅鋼絞線而已
    2.氯離子濃度高的地方,容易加速鋅離子自鍍鋅層剝落

    坦白說,整束鋼索在鋼絞線部分有HDPE管保護,在錨頭部分有帽蓋保護,想單憑肉眼去看鋼索的狀況,很難,基本上還是只能靠索力監測系統,去瞭解索力的增減來判斷鋼索目前的情況,有無鬆脫或斷裂

    小弟從事斜張橋10多年,一點小小心得

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    1. 就事論事:

      前面有回覆過,本橋鋼構重量在2700-3000公噸之譜(橋面1600公噸),而吊索的抗張力負荷,約10000公噸。
      https://ctee.com.tw/news/policy/152759.html

      意思是,安全率在3或以上,不會造成鋼絞索的斷裂。(除非採用當時的中國產品之類)
      意思是,鋼絞索要斷到2/3根以上,吊索才會「斷裂」。
      顯然不可能。

      有關PC鋼絞索,在南方澳橋應該是早就有PE包覆與油脂的規範了。
      假使是「熱鍍鋅」鋼絞索,耐腐蝕能力應該更高,至少一樣吧。
      這裡要注意,是「熱鍍鋅」,不是「電鍍鋅」。
      熱鍍鋅,耐腐蝕百年,應該沒問題。(你看過交通號誌或路燈燈桿生鏽嗎?)

      另外,鋼絞索有HDPE外管(紅色)包覆,功夫一點的話,裡面會灌發泡PU(但鋼絞索若有「熱鍍鋅」或PE披覆層,也不必)
      尤其處在在鋼箱桁內部,完工後,應該都有塗上防鏽材料:防鏽底漆、GREASE、PU、瀝青等等都可以。
      所以,不會生鏽的啦!!!!

      吊索張力檢測,實用上至少有兩種方式
      1. 直接放壓力墊片load cell在頂壓板上。
      2. 採用振動法,透過FFT得知。

      就本橋的狀態而言,因為靜力方面無問題,問題應該出現在振動與其後果,很難透過靜力檢測得知。

      我是認為:主要是錨錠的型式,不適合用在輕量的鋼構上。要不然就是要有防鬆脫設計。

      恰巧,小弟在21世紀來臨前,從事吊索與鋼橋的技術協調10多年,出過4本相關書籍。
      對橋的評論,特別是吊索錨錠的細部構造,多數設計者不會通曉
      ,也是一點小小心得。
      哈哈哈



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  5. 雲大,我提供一些訊息給你
    你一直敘述的楔形夾片系統不適用這樣的橋
    除非做反力設計
    事實上,在全球前三大的預力系統公司
    VSL以及法西奈
    都有反力的設計
    我們會在預力施拉完,切斷鋼絞線後,再放一塊擋板,這塊擋板本身有多個小洞,剛好對應鋼絞線的位置,大小也只容許鋼絞線通過,最後擋板會鎖在錨頭上,把夾片壓制在擋板下
    法西奈的設計,在夾片與擋板中間還有彈簧,利用擋板鎖固的壓力把夾片頂住
    南方澳有沒有這樣做,我不清楚
    但這樣的系統設計,就我所知VSL跟法西奈,3,40年前就有了
    就算沒有擋板,坦白說在預力作用部份抵消的情形下
    我不認為那樣的反力有足夠的力量把夾片推擠出錨頭

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    1. 沒錯,Freyssinet, Vorspann Technik, VSL, Dywidag等等,為因應上揚(反力),他們都有做過補充設計。
      有些是鎖上蓋板(使鋼絞索端部與蓋板間沒有軸向間隙),有些是雙層Wedge,也可以灌注Mortar或其他增加摩擦力的填充材等,不一而足。
      這些設計是有效的。
      我本來會接著說,大大先說了,可見得也是專家與業內。

      基本上,問題是來自於吊索產生軸向反力,原因是鋼構自重過輕。

      我說是鋼絞索鬆脫,是因為看影片,沒看見錨錠(大大的一塊)飛出。
      另外一種可能性,是頂壓板或調整板沒有固定(電焊等),所以在出現反力時,板子掉下來,這時候,吊索就射出去。
      但是,這樣一來,吊索還是「一條」,不匯市「鋼絞索」的狀態(鬚鬚狀)。
      是這樣判斷的。

      總之,要看證據。但我不相信是鏽蝕。

      在主桁內(箱桁的話)灌注混凝土,作為壓重或配重。
      或者,加裝剛性H beam或box girder,抑制主桁上揚。
      或者,主桁(箱桁的話),內部加裝PC,以增加剛性(但Box girder會變粗,內部也要進行軸向補強)。
      或者,在恰當的地方加裝制振的cable。

      觸發原因、直接原因、間接原因等等要去分清楚。
      我現在懷疑:「肉粽」要負很大責任。
      以上

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    2. 看完全部文章與留言,似乎鋼鉸索鏽蝕的可能性不大,但因設計與技術不成熟而鬆脫也是難以想象的,那麼,有沒有可能是一開始施工方面的不確實或偷工減料造成的?

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    3. 這,我們「局外人」就不知道了~~
      我的感覺是:國道、省道,施工與監工的SOP,應該品質都很顧到。
      再下去的層級,就不知道了。

      偷工,可能性比偷料大一點,但也不能亂說,一切要看證據。

      工程技術是進化的,假使能夠透過這事件「證明」:某些使用條件、環境條件不能使用在這種橋型上,也是黑色的貢獻。
      總之,要去看證據。
      證據不能被少數人內部人把持!

      現在,就會知道:「政府資訊公開法」,對於民主政治,以及國民的生命財產有多重要@@

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    4. 我透過自己的人脈去追
      有追到當初用的staycable系統
      你說的,呃…還真的很有可能
      不過不能多說
      是說沒到現場看,沒辦法知道實際真實情況
      但我瞭解到的東西,跟你的理論,是可以兜的起來

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    5. 多謝,非常感謝!
      我曾很用心的鑽研過吊索與錨錠的種種。

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  6. 嗨,請問可否轉貼您的文章到我個人的臉書跟群組呢

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  7. 我認為這個理論蠻合理的,但是建議建立分析模型來看模擬失效後的狀況是否與現實的類似,可以就此判斷是否為可能的主因。

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請網友務必留下一致且可辨識的稱謂
顧及閱讀舒適性,段與段間請空一行