捷運高架車站結構設計概要(三)

本文接續介紹捷運高架車站結構設計之載重及載重組合 (2/2)。

(3)風力載重W

任何結構物不論為整體或局部之設計，均需能承受由各方向來之均佈風壓力。風力應假設作用於任何一方向，且風力大小不因鄰近結構物之擋風效應而減少。風力設計中之各項参數(如回歸期、風速分佈、地況等)，需依工址位置及現況加以詳細考量。

一般作用於高架車站之風力考量，可包含水平風力及傾覆力。

1）承載電聯車載重之主體結構桿件

承載電聯車載重之主體結構桿件(軌道大梁、軌道層帽梁、橋墩)，所受風載重應為水平作用且垂直於橋軸方向，應包含橋上無列車之風力(W1)、及橋上有列車之風力(W2)，依據「鐵路橋梁設計規範」計算並考慮傾覆力，其大小規定如下：

a）列車不在橋梁上通行時

水平風力：

主體結構桿件之垂直受風面 3.9 kN /m2

傾覆力：

基本風速為210km/hr ： 1.6 kN/m2

為一向上力，其作用點為靠近上部結構受風側，距受風面1/4橫向寬度處。

b）列車在橋梁上通行時

水平風力：

主體結構桿件之垂直受風面 1.5 kN /m2

列車之垂直受風面 1.5 kN /m2

列車與橋梁重疊的受風面之面積不計，列車之風載重作用範圍應為軌頂至列車上方。

傾覆力：

基本風速為136km/hr ： 0.7 kN/m2

為一向上力，其作用點為靠近上部結構受風側，距受風面1/4橫向寬度處。

2）其餘結構桿件（含屋頂構架）

承受之均佈風壓力，可依據「鐵路橋梁設計規範」計算、或依據「建築物耐風設計規範與解說」之規定，計算水平風力及風

昇力。

(4)地震力EQ

車站整體結構(包含承受電聯車載重之主體結構、屋頂結構及其他附屬結構物)，需依據交通部於民國96年1月頒佈之「鐵路

橋梁耐震設計規範」進行地震力之靜(動)力分析。

1)靜力分析

a)最小設計水平地震力VD：

VD= ( I/ 1.2αy ) ( SaD/ FuD )m ( W+LE)

LE：地震時列車載重，採計一列車重量。

W：橋梁振動單元靜載重；包括該振動單元上部結構之靜載重、該振動單元所有橋墩重量。

I：用途係數，捷運高架車站橋梁屬於重要橋梁，依規定I = 1.2。

ay：起始降伏地震力放大倍數，視橋梁之構材材料種類及設計方法而定，可依規範規定或依詳細分析結果設定之。

SaD：設計水平反應譜之加速度係數

SaD= SDS ( 0.4+3 T / T0D ) ; T≦0.2 T0D

SDS; 0.2 T0D ≦T ≦ T0D

SD1/ T ; T0D ≦ T ≦ 2.5 T0D

0.4 SDS ; 2.5T0D ≦ T

FuD：水平地震力折減係數

FuD= √(2Ra -1) + [ √(2Ra - 1) - 1] x [ (T- 0.2 T0D)/ 0.2 T0D ] ; T ≦0.2 T0D

√(2Ra -1) ; 0.2 T0D≦ T ≦0.6 T0D

√(2Ra -1) + [ Ra -√(2Ra- 1) ] x [(T- 0.6 T0D) /0.4 T0D]; 0.6 T0D ≦ T ≦T0D

Ra ;T0D≦ T

R：結構系統韌性容量

修正係數 (SaD / FuD )m如下，

(SaD/ FuD )m = SaD / FuD ; SaD/ FuD ≦ 0.3

0.2 SaD/ FuD + 0.24 ; 0.3 <SaD / FuD <0.8

0.5 SaD / FuD; 0.8 ≦SaD / FuD

工址種類：

台北盆地區域

工址短週期設計水平譜加速度係數 SDS = 0.6

設計水平譜加速度係數短週期與中週期的分界 T0D = 1.32 sec

工址一秒週期設計水平譜加速度係數SD1 = SDS T0D= 0.792

容許韌性容量 Ra = 1 + (R-1) /2.0

一般工址區域

震區短週期與一秒週期之設計水平譜加速度係數SDs與SD1

工址短週期設計水平譜加速度係數 SDS = Fa SDs

工址一秒週期設計水平譜加速度係數SD1 = Fv SD1

設計水平譜加速度係數短週期與中週期的分界T0D = ( SD1 / SDS)

容許韌性容量 Ra = 1+ (R-1) / 1.5

活動斷層近域

震區短週期與一秒週期之設計水平譜加速度係數SDs NA與SD1 NV

工址堅實地盤短週期設計水平譜加速度係數 SDS = Fa ( SDs NA )

工址堅實地盤一秒週期設計水平譜加速度係數SD1 = Fv ( SD1 NV )

設計水平譜加速度係數短週期與中週期的分界T0D = ( SD1 / SDS)

b)最大考量水平地震力VM：

VM = (I / 1.2αy ) ( SaM / FuM )m ( W + LE)

c)中度地震水平地震力Vmed：

Vmed =( I Samed / αy ) ( W+LE )

d)設計垂直地震力：

設計地震下VDV：

VDV = (αv I SaD / αy )Wsup + ( αvI (0.4SDS ) / αy) Wsub

最大考量地震下VMV：

VMV = (αv I SaM / αy )Wsup + ( αvI (0.4SMS ) / αy) Wsub

中度地震下VmedV：

VmedV = (αv I Samed / αy )Wsup + ( αvI (0.4SmedS ) / αy) Wsub2)
動力分析

依據「鐵路橋梁耐震設計規範」之規動：形狀規則之橋梁，得採用靜力分析，但具有下述任一情況之橋梁，必須進行動力分析：

a) 多跨度連續式橋梁，因橋墩形式、高度、勁度及尺寸等之差異，或土層情況變異性大，致使橋梁各個部位之振動特性有顯著不同之橋梁。

b) 長週期（1.5秒以上）或高橋墩（30公尺以上）之橋梁。

c) 曲率半徑小之橋梁。

d) 跨度差異大，或質量分布不均勻之橋梁。

e) 未曾受強烈地震考驗之新型橋梁。

f) 架橋地點之土層屬位於極軟弱土層。

g) 支承線方向與橋軸方向間之夾角小於70度之多跨度斜橋。

h) 其他在地震時，結構反應行為複雜之橋梁。

3)耐震設計

a)承受電聯車載重之主體結構

承受電聯車載重之主體結構，需依據交通部於民國96年1月頒佈之「鐵路橋梁耐震設計規範」，進行耐震設計。

b)屋頂結構及其他附屬結構物

屋頂結構及其他附屬結構物建議進行耐震設計。

(5)溫度載重T

設計溫度變化範圍：

混凝土結構：溫度 ±20 ℃

鋼結構：溫度 ±30 ℃

(6)乾縮及潛變R

混凝土之乾縮及潛變隨時間之變化，可依歐洲CEB -FIP規範、ACI -209R規範之規定計算，或由測試結果求得。

(7)鋼軌縱向力(RF)

橋梁設計時應將鋼軌縱向力之影響納入考量。

(8)道路車輛撞擊力

道路中央之橋墩應考慮道路車輛之撞擊力。

(9)基礎差異沉陷

高架車站結構設計時，需考量連續梁相鄰二跨基礎產生差異沉陷之應力。

(10)其他載重

其他未條列之載重，如步道活載重、施工期間載重、土壓力、水壓力等，依相關規範規定計算。

(11)載重組合

結構設計載重組合，需依據相關規範之規定，高架車站之承載電聯車載重之橋梁載重組合，將依交通部頒布之「鐵路橋梁設計規範」辦理。各類載重之符號定義如下：

D：靜載重 LF：煞車力及起動力

LFE：對應於LE之縱向作用力

L：活載重 F：活動支承之縱向摩擦力

I：衝擊力 IE：對應於LE之衝擊載重

EE：地震時動態土壓力

SFE：地震時之水流力

CF：離心力

SF：水壓力 E：土壓力

B：浮力
EQ：地震力

W1：橋上無列車之風力 W2：橋上有列車之風力

OF：乾縮及潛變、溫度載重、車輛側向力及車輪衡壓力、鋼軌縱向力、道路車輛撞擊力、基礎差異沉陷力、其他載重。

1)容許應力設計法

容許應力可

提高百分比

Group I D+ L + I + CF + E + B + S F-

Group II D+ E + B + SF + W1  25%

Group III Group I + W2 + LF + F 25%

Group IV Group I + OF 25%

Group V Group II + OF  40%

Group VI Group III + OF  40%

GroupVII 1.2D + LE + IE + LFE + B + EE + SFE + (EQ)med  33%

2)強度設計法

Group I
1.4( D + 1.7( L + I) + CF + E + B + SF )

Group IA
1.8( D + L + I + CF + E + B + SF )

Group II
1.4(D + E + B + SF + W1 )

Group III
1.4( D + L + I + CF + E + B + SF + W2 + LF + F )

Group IV
1.4( D + L + I + CF + E + B + SF + OF )

Group V
Group II + 1.4 OF

Group VI
Group III + 1.4 OF

GroupVII 1.2D+ LE + IE + LFE + B + EE + SFE+ EQ

GroupVIII 0.9D + B + EE + SFE + EQ

其餘附屬結構物鋼筋混凝土結構，以極限強度法設計；鋼結構以容許應力設計法或極限設計法設計。於設計時皆須考慮：各桿件造成最不利影響之載重組合。

結語

利用三篇文章初步概述捷運高架車站結構設計之原則及載重，但無法鉅細靡遺，仍需要設計者自身之研析，以求熟悉規範之規定及要求。期許對有興趣進行高架車站結構設計之工程師有所助益，或許未來可以針對車站各部桿件之設計，進行較為詳細之說明，甚至提供設計案例之解說。

參考文獻

(1) 中華民國國家標準(CNS)。

(2) 捷運系統建設技術標準規範，交通部，2006。

(3) 鐵路橋梁設計規範，交通部，2004。

(4) 鐵路橋梁耐震設計規範，交通部，2006。

(5) 建築技術規則，內政部，2016。

(6) 建築物耐震設計規範與解說，內政部，2011。

(7) 建築物耐風設計規範與解說，內政部，2007。

(8) 鋼構造建築物鋼結構設計技術規範，內政部，2010。

(9) 混凝土結構設計規範，內政部，2011。

(10) 建築物基礎構造設計規範，內政部，2003。

(11) 土木工程設計手冊，台北市捷運工程局，第11版。

(12) 公路橋梁設計規範，交通部，2001。

(13) 公路橋梁耐震設計規範，交通部，2009。

(14) 美國混凝土學會（American Concrete Institute, ACI）編訂之「鋼筋混凝土建築規範」（Building Code Requirements for Reinforced Concrete）。

(15) 美國鋼結構學會（American Institute of Steel Construction, AISC）編訂之「鋼結構建築之設計、製造與施工規範」（Specifications for the Design, Fabrication and Erection of Structural Steel for Buildings）及「鋼結構建築與橋梁規範」（Code of Practice for Steel Buildings and Bridges）。

(16) 美國銲接學會（American Welding Society, AWS）編訂之「鋼結構銲接規範」（Structural Welding Code - Steel）、「鋼筋銲接規範」（Structural Welding Code –Reinforcing Steel）及「橋梁銲接規範」（Bridge Welding Code）。

(17) 國際規範協會（International Code Council）編訂之「國際建築規範」（International Building Code，IBC）。

(18) 美國材料與試驗學會（American Society for Testing and Materials, ASTM）。

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