「南方澳大橋」鋼纜斷落坍塌可能原因剖析

宜蘭南方澳鋼拱大橋(照片1至照片6),於10月1日(二)上午9:30發生鋼纜斷落倒塌事件,事隔三個多禮拜,從媒體網路不斷報導倒塌與日後預防措施,特別是日後預防補救措施,學界與技師公會都大肆報導提出改善補救方法。技師報1192期,特別在社論刊載「免除斷橋恐懼 催生土木工程法
勢在必行」。本文想藉由斷橋因果關係,以一個土木建築技術從業人員與學者角度,從網路、台灣特殊橋樑使用頻率和環境暴露條件,分析可能斷橋原因。

回憶當日,事發地點天氣良好,恰巧有一部大型油罐車(已經卸油的專車),行經「南方澳大橋」時,在接近橋與陸地接觸處,大橋橋面版與鋼拱橋吊纜(鋼索),中央主鋼索緊旁的前第二鋼索突然斷裂(如照片2),接下是主鋼索緊旁的後第二鋼索斷裂,然後瞬間整體鋼索大部分斷裂,引致拱橋與橋面板整體垮掉,橫躺在漁港出海口中。

從斷橋事件發生開始,筆者內心一直存疑:當日因颱風過後,是屬於晴朗好天氣,況且橋面交通量非常少,對橋樑負載荷重並非十分顯著。換言之,在這種載重與天候環境下,絕不可能發生斷橋。

探索思考因果關係:由文獻[1]可以看出,宜蘭南方澳氣候是屬於台灣氣候區的第I區,特徵是東北季風強勁、終年多雨,9-11月雨量多,冬季無乾旱,特徵是雨量多、濕度大、日照少(圖1與表1)。另外從台灣地區環境與ISO腐蝕分類對照表,北宜區是位於C4-C5的都市、海洋區,是屬於重鹽害及酸雨區(C4是屬於輕度鹽害及酸雨區);離海岸10公里內為C5區,尤其是「南方澳大橋」是位在C5區,剛好是漁港出海口緊臨太平洋的重鹽害、高濕度區域,這對鋼材金屬是屬於嚴重腐蝕區域(圖2、圖3與表2);「南方澳大橋」為鋼索拱吊橋,且有大型施工重車頻繁出入,所產生對橋面版與鋼索頻繁振動與反覆疲勞拉伸行為,是否符合設計載重?負責檢測與維修單位,是否有檢測與維修疏漏問題?

記得在甫發生斷橋事件時,初步判斷斷橋原因,可能是橋面板因重車反覆載重,引起鋼索疲勞破壞所致,甚至技師團體與專家群體提出「重興建輕維修」的註解。綜合上述論點,所言都是事實,一座橋梁要發生斷橋事件,跟原先規劃與暴露環境分析、設計規範考量、興建施工條件、營運使用狀況、長期維修制度執行等,都有密切關連性,也就是思索橋梁生命週期,一併審慎評估才是。

由google map街景得知,橋梁結構型式是採用單拱鋼橋,鋼索套管是有嚴防海風鹽分侵蝕與多濕多雨水氣附著,惟若鋼索套管有破洞或頂部連結部位鬆脫或無密閉時,因水氣、雨水、夾帶鹽分濕氣進入鋼索套管內,會形成一個充滿濕氣鹽分的腐蝕環境,在承受橋面版上因行車(尤其是重型車)反覆載重行為,若是有超載也是有瞬間不穩,只是載重移除迅速恢復彈性原貌,但是在橋梁結構上,因重型載重車超載,對鋼索與其端部連結器具設施,產生反覆疲勞腐蝕荷重,造成鋼索或與連結部分,因鋼料微觀結構差排(Dislocation)效用,發生劣化的小瑕疵,此會有局部脆化現象,加上南方澳地區,又是屬於ISO之C5鹽害與重濕度的極不利環境條件,引起鋼索與連結處,受海洋與潮溼環境激烈侵蝕,這時候如果有疲勞腐蝕(Fatigue corrosion)之檢測與維修工作,應該可以避免此一不幸事件。

事實上,「南方澳大橋」鋼索懸吊橋面版的設計,迄今約有21年,歷經港務局及宜蘭縣政府檢測維修,惟僅是目視檢測。在所有結構外加荷重和腐蝕成因過程中,最嚴重者就是鋼材受反覆荷重條件下,再加上嚴重腐蝕環境(C5區),將會更加速疲勞腐蝕破壞速度,而且是瞬間致命性破壞。

新北市新店區新店溪上的「陽光橋」(照片7~9),外型類似「南方澳大橋」;「陽光橋」是屬偏心流線設計造型,亦是當地的地標性工程。但兩座橋最大不同之處,乃在「陽光橋」僅有河流水氣,而且限制僅供行人徒步,與腳踏車運動通行,偶爾有摩托車及有小型施工維修車輛通行,是一座設計給車行而實際也是一座觀光橋梁。此外兩座橋梁設計理念完全迥異,檢測與維修制度也不同。「陽光橋」至今通車約10年時間,有定期檢測則能確保用路人安全。總之,對於沿海區域使用鋼橋、鋼拱橋等特殊造型橋,是否適當?仍然有歧見。

國道第二高速公路,橫跨新店溪的拱型混凝土橋,造型也相當特殊(照片10),而且也是單跨拱橋,只不過單價較貴,先期建造成本高,但維修與耐久性是優於鋼橋,防蝕性能較佳,是設計施工可行的選項;「南方澳大橋」若依所處環境,當初若選擇預力鋼筋混凝土橋,採拱橋造型,對南方澳地區除增加一處景點外,或許也可以免除鋼骨反負荷重腐蝕的疑慮呀!

綜上,筆者初以網路、google map資料,從學理與實務分析與看法,概如下述:

1. 「南方澳大橋」與「新店陽光橋」設計荷重與限制不一樣:「南方澳大橋」允許重型卡車通行,「陽光橋」僅用於腳踏車人行步橋用,載重似較輕微。

2. 橋梁位址所處暴露環境迥異:「南方澳大橋」位於C5高度重鹽害濕度腐蝕區,「新店陽光橋」則是於C4-C3區域輕度鹽害與濕度區,兩座橋設計環境差異甚大。鋼索套管與拱橋端連結處,「新店陽光橋」較「南方澳大橋」端部較密實(照片5與照片9)。

3. 「南方澳大橋」通車21年,「新店陽光橋」將近十年,兩座橋均屬於當地觀光橋梁。「南方澳大橋」損壞原因推估是反覆疲勞載重,加上鋼索或接頭處有些輕微瑕疵,海風鹽分與水氣侵蝕,在鋼索套管內腐蝕加劇,造成橋梁鋼索劣化加速。

4. 全臺鋼製橋梁管制或者限制車行載重,勢在必行(特別是地方政府所轄的觀光橋梁),同時大型拖車與重型施工車輛,應限制行經這些橋梁,確保用路人安全。

又,「南方澳大橋」斷橋崩塌事件,檢方與專職單位正調查中,真正事故原因有待專家鑑識結果,深深期待有一個令大眾信服的報告出爐。

參考文獻

1. 黃兆龍,高性能混凝土理論與實務(第捌章耐久性設計實務)出版,詹氏書局,台北市,2003.4。

2. Google map 街景搜尋電腦螢幕翻拍照片: https://www.google.com.tw/maps/@24.8052669,121.704784,9z?hl=zh-TW(108.10.23)。

1195-3-1

圖1台灣地區氣候分區位置圖 [1]

 

1195-3-2
圖2台灣各地區鹽分附著量最高值分布圖 [1]

 

1195-3-3
圖3台灣各地區環境監測pH酸鹼值 [1]

1台灣地區氣候分區特徵[1]

I

位於本省東北角,包括新北市及宜蘭縣一部分。面海背山,受東北季風影響,終年多雨,尤以9-11月最多,冬季無乾旱。特徵為濕度大、雨量多,日照少。

II

包括新北市之西北部與桃園、新竹、苗栗等縣市大部分及台中市一部分山區,平原少氣後特徵為東北區與西南區過渡性質面臨大陸之冷氣團南下衝擊,冬季氣溫較低;新竹、桃園沿海冬季季風強。

III

包括西南部大安溪以南之所有平原季東側之丘陵地帶,氣候特徵為年雨量少,雨水集中夏季,冬季乾旱,本區地勢平坦,日照充足。

IV

本區在本島最南端之恆春半島,氣溫較高,90%雨量集中在夏季,冬季乾旱持續性大,多風稱為「過山風」。

V

本區是中央山脈東側之狹長地帶,地勢陡峭,北段花蓮氣候與東北區相似,南投(台東)氣候近似南部,日照時數較同緯度之西部平原少。

VI

本區包括全部中央山脈,海拔高度多在1000公尺以上,雨量較四周平地多。

VII

本區是屬於西部海岸之中間部分,由台中市大甲區至嘉義縣市,東路,亦即在大安溪口與北港溪口之間,地勢平坦、為本島與量最少第區,冬季風大、乾旱農作物受風沙影響及鹽霧危害。

 

 

2台灣省第區環境與ISO腐蝕分區之對照表[1]

  

ISO分類

暴露環境

區分

  

基隆

C4 - C5

都市,海洋

離海岸10公里內為C5

C5+:

惡劣腐蝕環境

C5:

惡劣腐蝕環境

C4:

高度腐蝕環境

C3:

中度腐蝕環境

C2:

低度腐蝕環境

C1:

輕微腐蝕環境

新北宜蘭

C4 - C5

都市,海洋

離海岸10公里內為C5

桃園、台北、新竹

C3 – C4

都市,鄉村

 

新竹、苗栗

、台中

C5

海洋

 

彰化、雲林、嘉義、南投、花蓮

C3

鄉村,都市

 

台南、高雄

C3

都市,鄉村

台南、高雄環境C4

屏東、台東

C3

鄉村

林邊C5

 

1195-3-4

照片1「南方澳大橋」鳥瞰圖A

 

1195-3-5

照片2「南方澳大橋」側面圖A

 

1195-3-6

照片3「南方澳大橋」橋面版上A

 

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照片4「南方澳大橋」支座圖A

 

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照片5「南方澳大橋」鋼纜外包鋼 管拱橋端部連結有縫隙A

 

1195-3-9

照片6「南方澳大橋」橋板底端支承箱涵梁焊接部位鏽蝕痕跡A

 

1195-3-10

照片7「新店陽光橋」鳥瞰圖A

 

1195-3-11

照片8「新店陽光橋」橋面圖A

 

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照片9「新店陽光橋」鋼纜外包鋼索套管拱橋端連結緊密A

 

1195-3-13

照片10「新店碧潭北二高鋼筋混凝土 橋」外觀造型A

 

A: 照片自google map街景功能[2](時間:2017.5-2018.5)自電腦螢幕以PrtScrn Sys Rq功能鍵擷取翻拍,轉貼至words檔。

 

【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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