交通部 技正 江明益、技監 夏明勝、運研所研究員 胡啟文
中華顧問工程司 主任 王瑞麟
一、前言
交通部於民國99年,頒布鐵路鋼結構橋梁之檢測及補強規範,之後,考量鐵路鋼筋混凝土橋梁檢測及補強作業需求,爰於104年該規範修訂作業時,新增鐵路鋼筋混凝土結構橋梁之檢測及補強相關內容,以符鐵路橋梁檢測維修作業實際需求,並將規範名稱修正更名為「鐵路橋梁之檢測及補強規範」(以下簡稱本規範),並於108年1月14日頒布施行。
二、研究動機
本規範在前言中已揭櫫,規範解說為輔助使用者了解主文涵義,屬參考性質不具強制性;如解說所列之劣化類型、評等、損傷示意圖,及附錄所提供資料等均僅供參考,各鐵路機構或捷運主管機關,得於其養護手冊或橋梁檢測手冊中提供參考圖說,供檢測人員評等使用。然頒布後,外界一直存有諸多疑義,特別是在定期檢測解說,引用之附錄「參考資料」表R-6S(簡要版)、R-6D(詳細版)內,列出許多細微且量化的劣化描述,例如在混凝土裂縫部分,要求RC結構物裂縫寬度:介於0.2mm(含)~0.3mm(未滿);PC結構物裂縫寬度介於0.1mm(含)~0.2mm(未滿),且間隔小於50cm;RC結構物裂縫寬度大於0.3mm(含),PC結構物裂縫寬度大於0.2mm(含),且間隔大於50cm。此種量化標準,過於細微且不符實際,無疑增加檢測員執行困難度。
考量近年來橋梁檢測大部分已採平板操作,大幅提升現場操作效率,以及減少室內資料處理時間。針對肉眼不可及之橋梁構件裂縫判別,若能輔以AI影像識別技術,或能有所助益。因此,在本規範重新檢討前,筆者嘗試提出圖像化評判應用方式,結合智慧橋檢作業,希望能提升規範之執行性。
首先,鐵路橋梁整體構件種類,如圖1所示;依本規範規定,鐵路橋梁檢測項目,大致可分為20項,如表1所示。而其中可作為混凝土構件者,依序為橋台基礎、橋台、翼牆/擋土牆、擋碴牆、人行道板、欄杆及護牆、避車台、橋墩基礎、橋墩墩體/帽梁、主要構件(大梁)、次要構件(橫隔梁)及橋面板等12項。
圖1 鐵路橋梁各構件示意圖
表1 鐵路橋樑檢測構件項目表
項次 |
構件 |
項次 |
構件 |
1 |
引道路堤 |
11 |
橋墩/橋基保護設施 |
2 |
河道 |
12 |
橋墩基礎* |
3 |
橋台基礎* |
13 |
橋墩墩體/帽梁* |
4 |
橋台* |
14 |
支承/支承墊 |
5 |
翼牆/擋土牆* |
15 |
防落設施 |
6 |
擋碴牆/無道碴床* |
16 |
伸縮縫 |
7 |
橋面排水設施 |
17 |
主要構件(大梁)* |
8 |
人行道板* |
18 |
次要構件(橫隔梁)* |
9 |
欄杆及護牆* |
19 |
橋面板* |
10 |
避車台* |
20 |
其他附屬設施 |
*:為混凝土構件者
規範在定期檢測階段,係採DERU評定方式,依序為劣化程度(Degree)、劣化範圍(Extent)、劣化情況對整體橋梁結構安全性與使用性之影響度(Relevancy)、劣化構件需維修之急迫性(Urgency),評等準則,如表2。而針對混凝土結構物裂縫部分,大致以三要素為評定依據,分別係「裂縫寬度」、「裂縫間距」及「損傷位置」等三項,前兩項作為D值及U值之判定,後項則作為R值之判定。
表2 鐵路橋梁定期檢測評等準則
評分 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
劣化程度(D) |
無此項目 |
良好 |
尚可 |
差 |
嚴重損害 |
劣化範圍(E) |
無法檢測 |
0~10% |
10%~30% |
30%~60% |
60%~100% |
劣化情況對整體橋梁結構安全性與使用性之影響度(R) |
無法判定重要性 |
微 |
小 |
中 |
大 |
劣化構件需維修之急迫性(U) |
無法判定急迫性 |
例行維護及追蹤 |
1~2年內維護 |
緊急處理維護 |
三、D與U值圖像化之表現
執行混凝土裂縫D值判定過程中,依規範規定,劣化程度2級至4級間,各有明確之判斷標準,如下表3所示,由該表顯示,混凝土結構物裂縫之劣化程度,係以定量方式提供檢測員判讀,其中裂縫寬度分別以「RC:0.3mm、0.2mm」及「PC:0.2mm、0.1mm」作為界線,同時搭配裂縫間距「50cm」作為分水嶺,因此我們嘗試以二維平面方式,設定X軸為裂縫寬度(W),Y軸為裂縫間距(S),將其劃分為6區塊,各區塊相應之D值,如圖2所示。
值得注意的是,針對「裂縫寬度小於0.2mm且裂縫間距達於50cm」這部分(即圖2左上角區塊),雖然規範中未明確敘明,惟從D值分四級來看(1~4),我們可進一步解釋該區塊就是代表D=1之情況。
表3 鐵路橋梁混凝土結構物裂縫D值綜整表
劣化程度 |
結構物 |
裂縫寬度(W) |
裂縫間距(S) |
D=2 |
RC |
W < 0.2mm |
S ≦ 50cm |
0.2mm ≦ W < 0.3mm |
S > 50cm |
||
PC |
W < 0.1mm |
S ≦ 50cm |
|
0.1mm ≦ W < 0.2mm |
S > 50cm |
||
D=3 |
RC |
0.2mm ≦ W < 0.3mm |
S ≦ 50cm |
W ≧ 0.3mm |
S > 50cm |
||
PC |
0.1mm ≦ W < 0.2mm |
S ≦ 50cm |
|
W ≧ 0.2mm |
S > 50cm |
||
D=4 |
RC |
W ≧ 0.3mm |
S ≦ 50cm |
PC |
W ≧ 0.2mm |
S ≦ 50cm |
圖2 鐵路橋梁混凝土結構物裂縫之D值圖像化
至於劣化構件需維修之急迫性U值部分,同樣仍以裂縫寬度、裂縫間距為準則,惟按構件部位之承載功能性,RC結構物判定,包含全構件;PC結構物判定,僅含主要構件(大梁)及次要構件(橫隔梁)。綜整如表4、表5所示,另以圖3呈現其圖像化。
表4顯示,大梁構件在「裂縫寬度小於0.2mm且裂縫間距達於50cm」,這部分規範並未說明(如圖3左上區塊),不過我們仍可從表5橫隔梁得知,合理認定該區塊即意謂U值為1。
表4 鐵路橋梁混凝土結構物裂縫U值綜整表(大梁)
劣化構件需維修之急迫性 |
結構物 |
裂縫寬度(W) |
裂縫間距(S) |
U=1~2 |
RC |
W < 0.2mm |
S ≦ 50cm |
0.2mm ≦ W < 0.3mm |
S > 50cm |
||
PC |
W < 0.1mm |
S ≦ 50cm |
|
0.1mm ≦ W < 0.2mm |
S > 50cm |
||
U=2~3 |
RC |
0.2mm ≦ W < 0.3mm |
S ≦ 50cm |
W ≧ 0.3mm |
S > 50cm |
||
PC |
0.1mm ≦ W < 0.2mm |
S ≦ 50cm |
|
W ≧ 0.2mm |
S > 50cm |
||
U=3~4 |
RC |
W ≧ 0.3mm |
S ≦ 50cm |
PC |
W ≧ 0.2mm |
S ≦ 50cm |
表5 鐵路橋梁混凝土結構物裂縫U值綜整表(橫隔梁)
劣化構件需維修之急迫性 |
結構物 |
裂縫寬度(W) |
裂縫間距(S) |
U=1 |
RC |
W < 0.2mm |
S > 50cm |
PC |
W < 0.1mm |
S > 50cm |
|
U=1~2 |
RC |
W < 0.2mm |
S ≦ 50cm |
0.2mm ≦ W < 0.3mm |
S > 50cm |
||
PC |
W < 0.1mm |
S ≦ 50cm |
|
0.1mm ≦ W < 0.2mm |
S > 50cm |
||
U=2~3 |
RC |
0.2mm ≦ W < 0.3mm |
S ≦ 50cm |
W ≧ 0.3mm |
S > 50cm |
||
PC |
0.1mm ≦ W < 0.2mm |
S ≦ 50cm |
|
W ≧ 0.2mm |
S > 50cm |
||
U=3~4 |
RC |
W ≧ 0.3mm |
S ≦ 50cm |
PC |
W ≧ 0.2mm |
S ≦ 50cm |
圖3 鐵路橋梁混凝土結構物裂縫之U值圖像化(大梁及橫隔梁)
至於非屬大梁及橫隔梁之構件,共計10項,且均屬RC結構物,經檢視該等構件在規範內,劣化現象之敘述方式較不一致,經本研究比對研析後,仍可進一步歸納成五小類:「橋台基礎」、「橋台」、「翼牆/擋土牆、擋碴牆/無道碴床、橋墩基礎及橋墩墩體/帽梁」、「人行道板、欄杆及護牆」、「避車台及橋面板」。上述各小類綜整表,如表6至10所示,其相應之圖像化圖像,如圖4至8所示。
表6 鐵路橋梁混凝土結構物裂縫U值綜整表(橋台基礎)
劣化構件需維修之急迫性 |
結構物 |
裂縫寬度(W) |
裂縫間距(S) |
U=2 |
RC |
W < 0.2mm |
S ≦ 50cm |
0.2mm ≦ W < 0.3mm |
S > 50cm |
||
U=3 |
RC |
0.2mm ≦ W < 0.3mm |
S ≦ 50cm |
W ≧ 0.3mm |
S > 50cm |
||
U=4 |
RC |
W ≧ 0.3mm |
S ≦ 50cm |
圖4 鐵路橋梁混凝土結構物裂縫之U值圖像化(橋台基礎)
表7 鐵路橋梁混凝土結構物裂縫U值綜整表(橋台)
劣化構件需維修之急迫性 |
結構物 |
裂縫寬度(W) |
裂縫間距(S) |
U=2 |
RC |
W < 0.2mm |
S ≦ 50cm |
0.2mm ≦ W < 0.3mm |
S > 50cm |
||
U=2~3 |
RC |
0.2mm ≦ W < 0.3mm |
S ≦ 50cm |
W ≧ 0.3mm |
S > 50cm |
||
U=3~4 |
RC |
W ≧ 0.3mm |
S ≦ 50cm |
圖5 鐵路橋梁混凝土結構物裂縫之U值圖像化(橋台)
表8 鐵路橋梁混凝土結構物裂縫U值綜整表(翼/擋土牆等4項)
劣化構件需維修之急迫性 |
結構物 |
裂縫寬度(W) |
裂縫間距(S) |
U=1~2 |
RC |
W < 0.2mm |
S ≦ 50cm |
0.2mm ≦ W < 0.3mm |
S > 50cm |
||
U=2~3 |
RC |
0.2mm ≦ W < 0.3mm |
S ≦ 50cm |
W ≧ 0.3mm |
S > 50cm |
||
U=3~4 |
RC |
W ≧ 0.3mm |
S ≦ 50cm |
註:含翼牆/擋土牆、擋碴牆/無道碴床、橋墩基礎及橋墩墩體/帽梁等構件
圖6 鐵路橋梁混凝土結構物裂縫之U值圖像化(翼/擋土牆等4項)
表9 鐵路橋梁混凝土結構物裂縫U值綜整表(人行道板等2項)
劣化構件需維修之急迫性 |
結構物 |
裂縫寬度(W) |
裂縫間距(S) |
U=2 |
RC |
0.2mm ≦ W < 0.3mm |
S ≦ 50cm |
W ≧ 0.3mm |
S > 50cm |
||
U=3 |
RC |
W ≧ 0.3mm |
S ≦ 50cm |
註:含人行道板、欄杆及護欄等構件
圖7 鐵路橋梁混凝土結構物裂縫之U值圖像化(人行道板等2項)
表10 鐵路橋梁混凝土結構物裂縫U值綜整表(避車台等2項)
劣化構件需維修之急迫性 |
結構物 |
裂縫寬度(W) |
裂縫間距(S) |
U=1~2 |
RC |
W < 0.2mm,部分W ≧ 0.2mm。 裂縫方向成格子狀 |
S > 50cm |
U=2~3 |
RC |
W ≧ 0.2mm,且產生部分剝落。 裂縫方向成棋盤狀 |
20cm<S ≦ 50cm |
U=3~4 |
RC |
W ≧ 0.2mm,且多處產生剝落。 裂縫方向成棋盤狀 |
S ≦ 20cm |
註:含避車台、橋面板等構件
圖8 鐵路橋梁混凝土結構物裂縫之U值圖像化(避車台等2項)
四、結論與建議
現行規範對於混凝土裂縫之劣化描述,存在許多細微的量化標準,實務執行上確實操作不易。茲在規範進行修訂之前,筆者提出前述創新之圖像化方法,希望能大幅改善現場檢測員執行效率。
另,規範對於混凝土裂縫U值評定標準,仍存在諸多模糊空間。例如圖3大梁及橫隔梁、圖6翼牆/擋土牆、圖8避車台等等,部分區塊顯示U介於3~4或U介於2~3等,實務應用上較難判斷,尤其在U=3或U=4二擇一之模糊空間,涉及是否要緊急處置之行為(目前規定U=4須立即處置)。因此,建議在建置此類圖像化模組前,橋梁養護管理機關或養護單位,偕同系統開發商,可針對橋齡、功能定位、環境等因素,客製化確立各U值,以簡化現場檢測員之判斷作業。
參考資料
1.鐵路橋梁之檢測及補強規範,交通部,108年1月14日。
2.鐵路橋梁檢測作業手冊,交通部臺灣鐵路管理局,110年2月3日。
【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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