從「南方澳大橋」斷橋事件談 建築構造物和橋梁之防蝕

筆者曾在108/11/2技師報,第1195期,發表「南方澳大橋」鋼纜斷落坍塌可能原因剖析[1]一文,時間已隔一年。近期國家運輸安全調查委員會(運安會),在運安會網站上公告:「南方澳大橋」斷裂重大公路事故調查報告。本文詳細摘錄紀載與可能肇因有關之調查發現[2]:

1. 南方澳大橋位於漁港出海口,屬重鹽害、高濕度區域。大橋於使用多年後,吊索系統防水設施逐漸劣化,中央分隔島金屬箱體、與高密度聚乙烯(HDPE)套管之防水接縫封條,發生硬質破壞,雨水沿HDPE套管滲入槽狀之錨定機構而產生積水現象,橋面端錨與鋼絞線,長時間處於具鹽分的積水環境中,造成積水線附近之鋼絞線嚴重銹蝕,致使10、11、12、13號橋面端錨處之數束鋼絞線,於事故發生前陸續銹斷,吊索有效殘餘截面積僅剩約22至27%。

2. 當中油油罐車行經大橋10號吊索附近,11號吊索系統生銹鋼絞線之殘餘強度,因無法承受負載而斷裂,接著相鄰之10、12號吊索、及9、13號吊索系統,橋面端錨處之銹蝕鋼絞線陸續斷裂。後續造成8號錨頭,6號錨頭及7號吊索,4、5號錨頭,3號錨頭,2號錨頭,及1號錨頭等,其他吊索系統之連鎖破壞。

3. 大橋吊索系統開始破壞,橋面大梁鋼構應力,隨著吊索破壞數目之增加而逐漸上升,當吊索全數破壞時,橋面大梁鋼構已產生顯著破壞,導致大橋斷裂崩塌。

4. 南方澳大橋為一雙叉式單拱設計之特殊性橋梁,重要承載構件,如吊索及端錨系統,皆位於拱架、套管、或大橋鋼箱梁等隱蔽處,應依該橋結構力學行為及構件特殊性,定期執行特殊性橋梁檢測,較能掌握橋梁結構之健全度。然,事故發生前,我國橋梁屬性定位、及主管機關相關法規不完整,特殊性橋梁檢測方式及規範指引不完備,且未落實執行,導致該橋於竣工後執行過之7次橋梁檢測,皆為定期目視檢測;且事故前3年7個月間,未有任何橋梁檢測作業。

筆者在1195期技師報,即從「南方澳大橋」實際暴露在臺灣東北邊十分惡劣海洋環境、和材料腐蝕學理,剖析斷橋事件;運安會組成調查團隊,詳細診斷與判斷,抽絲剝繭「南方澳大橋」斷橋事件,結果可能肇因有上述4點,再摘要其中關鍵點敘述如下:

第1點「南方澳大橋」位於台灣環境中屬重鹽害、高濕度區域。大橋橋面端錨與鋼絞線長時間處於具鹽分的積水環境中,造成積水線附近之鋼絞線嚴重銹蝕,致使10、11、12、13號橋面端錨處之數束鋼絞線於事故發生前陸續銹斷,吊索有效殘餘截面積僅剩約22至27%。如1195期技師報所載,在使用高密HDPE聚合物(材質較耐酸耐鹼耐腐蝕)套管之接縫部位,在南方澳夏季炙熱太陽曝曬下,與強勁海風催襲下,極有可能產生劣化(老化)而破損,在含有海鹽的雨水進入HDPE套管內,積水(海鹽水),對端部固定單元與鋼索(絞)線呈現相當嚴重的腐蝕場域(效應),造成端錨處與鋼纜嚴重的腐蝕。

在載重車影響方面,(其他調查發現:消波塊與土方運載車輛;經結構分析軟體模擬,設計車載造成吊索最大拉力,約為極限負載之49.1%;消波塊與土方車載造成吊索最大拉力,約分別為極限負載之43.0 %與41.8 %。顯示消波塊與土方之載運,對吊索與鋼構受力之影響並未超出設計車載之範圍)。至於,超載情況下,對鋼絞線產生疲勞載重效應,雖然報告指出對鋼絞線極限載重約為40-50%左右,但是加上HDPE套管內所積鹹雨水,造成鋼絞線的疲勞腐蝕效應,將會遠低於極限荷重,可能僅是達到40%上下。

但是從斷裂鋼絞線,計算出腐蝕(失效)面積只剩下22⁓27%,這種現象表示10、11、12、13號橋面端錨處之數束鋼絞線,有效面積約等於25%四分之一而已,可見嚴厲的腐蝕環境,對有防水措施劣化的HDPE套管系統內鋼絞線腐蝕,更是雪上加霜。

綜上,在腐蝕效應與鋼絞線系統間,載重車與超載車,對「南方澳大橋」,對鋼絞線(無腐蝕完整斷面)所產生拉應力,遠低於其極限應力;但是在嚴重的腐蝕效應中,反覆載種(疲勞載重),由於動態載重,使鋼絞線被拉伸與腐蝕因子(氯離子與水氣)影響加劇(維基百科[3]顯示:腐蝕疲勞(Corrosion fatigue):材料(鋼絞線)疲勞伴隨腐蝕加重,而引起材料在它的一般疲勞極限之下,就可能發生斷裂。要注意區分腐蝕疲勞和應力腐蝕斷裂的區別:腐蝕疲勞,是因為腐蝕且受動態負載(尤其承受反覆載中)而擴展斷裂;應力腐蝕(Stress
corrosion)斷裂,只要求材料受靜態負載)。因此,可以較為確定者,車輛載重、車輛超載、惡劣環境腐蝕場效應,是會產生更為嚴苛的鋼材(絞線)疲勞腐蝕(Corrosion fatigue)破壞。

因此,「南方澳大橋」,在風和日麗條件下產生崩塌,腐蝕損壞原因,已達累積十幾年之久,造成垮橋的中油油罐車,是產生橋毀的最後一根稻草,其所產生應力遠低於鋼絞線的極限應力,「南方澳大橋」,遭受載重車輛反覆應力、與環境場腐蝕作用而加速損壞;以上現象,絕非採用目測檢查可以查得出來。「南方澳大橋」事件,可能是台灣公安問題之冰山一角罷了?值得大家省思!

「南方澳大橋」斷裂已成事實,這是一座鋼橋,硬生生被台灣海洋自然環境腐蝕與維護不當而犧牲的祭品;記得技師報,第731期,筆者針對『現場混凝土材料品質採樣NDT vs DT試驗法』,曾談到「澎湖跨海大橋腐蝕調查研究」的案例[4],由當時行政院科技顧問組,委託港灣技術研究所,會同國內土木營建河海等系所,完整完成該橋腐蝕調查試驗工作,希望藉此機會:喚醒國人對預力與鋼筋混凝土橋樑構造腐蝕損壞的重視。「舊有澎湖跨海大橋」,於1960年代完工,1971年通車,1975年陸續發現橋面腐蝕,1984年基於行車安全,將低橋部位改成路堤,1987完工。高橋部位,以防蝕塗料處理,防止進一步惡化及防蝕效果,最後亦改為路堤。

然而,「舊有澎湖跨海大橋」是預力與鋼筋混凝土構造,有別於「南方澳大橋」鋼骨構造。在澎湖極為惡劣的海洋環境中,設計是用混凝土材料,因為有混凝土保護鋼絞線與鋼筋,只要保護層厚度足夠,混凝土品質良好,是可以耐環境腐蝕作用的。只不過以當時的設計、施工水平、橋梁管理制度,尚不成熟,且嚴重缺乏防蝕防治觀念與改善方策,造成通車至發生腐蝕時間,僅僅4-5年,約10年左右,就不敵環境撲蝕,陸續改為路堤與重建的命運;而今,「南方澳大橋」也只使用約20年左右。當年的規劃設計,臨海橋樑結構物,為何使用鋼骨拱形鋼絞線構造,而非採用預力混凝土?難道只是為造形設計、而不管環境嚴厲侵蝕的副作用嗎?令人不解。

新的「南方澳大橋」改建工作,在結案報告中未述明。『他山之石可以攻錯』,以下謹舉出國內外案例供參考。國內部分,以舊有與新建的「澎湖跨海大橋」為例,橫跨於海邊和伸入海中的橋樑結構物,都是以預力混凝土及鋼筋混凝土設計,必須參考國際海洋橋樑設計規範(這是屬於耐久設計的範疇,除要加強鋼筋、鋼索、鋼絞線等耐久性設計外,混凝土設計、保護層厚度、使用材料、施工時等必須建議以具高抗蝕性的高性能混凝土(Anti-corrosion high performance concrete,ACHPC)設計施作)。譬如,經濟部工業局車輛測試中心的彰濱試驗室,因西部彰濱的鹽害,與宜蘭南方澳地區是相同高腐蝕等級。唯一差異處,是彰濱風勢強勁少雨,而南方澳是強風多雨,惟兩個區域因海風吹襲強勁,會將海氣中鹽分吹附於構造物中,有瑕疵部位與品質不良的混凝土,侵蝕情況將特別嚴重。另一個案例,是屏東車城的海洋生物博物館,全部採用混凝土構造,具高抗蝕性的高性能混凝土(ACHPC)設計施工;雖然是屬於臨海建築構造物,但主要臨海,土木與建築構造物,同樣都應具備耐蝕等級設計。

國外方面,有一個頗值得「南方澳大橋」重建借鏡的案例:加拿大之「聯邦大橋(Confederation Bridge)」[5,6],是連接愛德華王子島(Prince Edward Island)與新伯倫瑞克省(New Brunswick)之間的橋樑,如圖1。愛德華王子島,位在加拿大東岸,是加拿大懸於海上的孤島,有「波浪中的搖籃」之名。這座大橋,在1993年動工,1997年完工通車。全長近13公里(8 miles),為兩線道的快速道路,為了減少潮水和風的衝擊力,還設計了3個轉折彎道。該橋為多跨度平衡懸臂橋,具有後拉法預應力混凝土箱樑(深度漸進由14.5 m〜4.5 m,寬度5m(頂部)〜7 m(底部))結構。彎曲的橋樑,大部分位於水上40米(131英尺)處,有船舶航行高度距離為60 m(197 ft),如圖2。該橋有62橋墩,其中44個主要橋墩垮度,相距250m(820英尺),橋寬11m(36 ft)。橋的速度限制為每小時80公里(每小時50英里)。這座橋是採用DBOT合約興建,是連構造體設計、建造、營運、轉移(60年後轉移給聯邦政府)的BOT案。由於太子島位於北半球北端,冬季海面冰封,夏季海浪潮波濤洶湧,是一個典型四季惡劣的海洋環境(冬季受冰封而春季受融冰移動沖刷磨蝕),橋樑檢測與維修(特別是維修)相當不易,為此,聯邦政府一再要求承攬廠商:因該橋所在之處惡劣海象環境中,必須要具有低維修性和維持100年以上的壽命。

加拿大是高性能混凝土發展最成熟的地方,著名的HPC專家P.C. Aïtcin與前CANMET的V.M. Malhotra,在推廣HPC研發與應用,不遺餘力。在聯邦大橋設計上,建議採用拱形橋設計,運用ACHPC設計強度f'c= 69 MPa,水膠比≤0.30,且要添加卜作嵐材料(爐石粉、F級飛灰和矽灰),56天抗氯離子滲透(ASTM C1202)要≤1000庫倫以下,表面電阻值≥50 kΩ-cm,當然要用氯離子擴散試驗(氯離子擴散速度達到鋼筋處的腐蝕濃度在容許範圍內),證明在保護層設計下,橋梁服務壽命,應有達到100年以上時間。

表1為聯邦大橋的ACHPC混凝土設計配方,可分成以下兩種:預力箱型梁(Box girder)與冰盾(Ice shield,與海水接觸潮汐帶部分)。表中該兩種,水膠比(w/cm)在0.30以下,橋墩的冰盾更低達到0.25,雙雙都是約10000 psi(69 MPa)等級以上的ACHPC,平均強度73 MPa及93 MPa;依據P.C. Aïtcin and J.M. Lessard所述[6],加拿大一位Memorial University of Newfoundland 學生,曾進行橋墩防護浮冰磨蝕的冰盾(Ice shields)磨耗試驗,橋墩防護浮冰磨耗(位在潮汐區)10 mm的耐候鋼或100 mm保護層厚度的ACHPC,磨蝕壽命約300年,這是一個令人滿意的結果,如圖3。

上述配比,採用是混合水泥再添加F級飛灰。混合水泥,是指Type I水泥加上細磨的爐石粉,或Type I水泥加上矽灰而成兩相水泥,再加上F級飛灰,變成三相膠結料,聯邦大橋可說是極具綠色與永續使用的構造典範。配比中,有一極大特色是拌合水量非常低,即使拌合水加上所有液體摻劑只有150 kg/m³,屬於低的液體用量,倘若在扣除液體內的固含量,實際拌合用水約在147 kg/m³以下,而且有添加輸氣劑(AE劑),含氣量5%進入ACHPC內,在惡劣海象環境下,是相當耐久的組合設計。

表1加拿大連接太子島的聯邦大橋高性能混凝土設計配方[6]

項   目

海洋環境預力箱型樑

(Box   girder)

橋墩-防浮冰磨蝕冰盾

(Ice   shield)

水膠比(w/cm)

混合水泥(kg/m³)

F級飛灰(kg/m³)

粗粒料(kg/m³)

細粒料(kg/m³)

水(kg/m³)

輸氣劑(L/m³),輸氣5%

一般減水劑(L/m³)

緩凝劑(L/m³)

強塑劑(L/m³)

平均強度(MPa)

0.30

430

45

1030

705

145

0.18

1.8

-

3.2

73

0.25

520

60

1100

562

142

0.35

1.6

0.58

6.0

93

 

1258-2-1

圖1 加拿大聯邦大橋,(A)橋梁整體外觀(B)橋墩的冰盾被冰封閉[5]

 

1258-2-2

圖2 加拿大聯邦大橋,左圖:冰封橋梁,右圖:船舶航行通過橋梁[5]

 

1258-2-3

圖3 加拿大聯邦大橋,高達93 MPa的ACHPC橋墩冰盾歷經10年浮冰磨蝕僅有微少量剝落[6]

運安會的「南方澳大橋」斷裂重大公路事故調查報告出爐,如同筆者預測,是起因於最典型的海象環境腐蝕、與使用不當和管理不良所致。新橋設計,應類同圖4-新北市新店區新店溪上國道3號碧潭橋般的預力混凝土拱形造型設計為尙,同時參考國內外的ACHPC抗蝕高性能混凝土應用,並以加拿大聯邦大橋做為參考對象,鋼筋保護層一定要足夠,而且採低維修性能設計才能增長使用年限。

1258-2-4

圖4 「新店碧潭北二高鋼筋混凝土橋」外觀造型[2]

參考資料

1. 湛淵源(108.11.2)。「南方澳大橋」鋼纜斷落坍塌可能原因剖析。技師報,第1195期,臺灣省土木技師公會,新北市。

2. 國家運輸安全調查委員會(109.11.25)。https://www.ttsb.gov.tw/

3. https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E8%85%90%E8%9A%80%E7%96%B2%E5%8A%B3 ,維基百科網站,109.11.27。

4. 湛淵源(99.12.11)。現場混凝土材料品質採樣NDT vs DT試驗法-舊有「澎湖跨海大橋腐蝕調查研究」的案例。技師報,第731期,台灣省土木技師公會,新北市。

5. 加拿大本土與太子島連結橋梁(Confederation bridge) https://www.google.com/search?q=CANADA+confederation+bridge+photos&tbm=isch&source=iu&ictx=1&fir=lXPl0kDQahdbZM%252CNQ1X4ejNGM-T7M%252C_&vet=1&usg=AI4_-kQfYYM7ngFkfV5eoW11--KxWN1puw&sa=X&ved=2ahUKEwiHk9GpqqztAhXay4sBHRSJBdIQ9QF6BAgFEC8#imgrc=AdMX854QfYb0tM

6. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/confederation-bridge

 

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】

 


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