國工局一區處中壢工務所/撰稿及圖片提供
為確認國道1號五股至楊梅段拓寬工程計畫第C907標橋梁結構安全，於102年3月委託國家地震工程研究中心(國震中心)辦理C907標北上線P19N~P20N、南下線P21S~P22S與南下線P31S~P32S橋梁載重試驗，量測不同載重作用下橋梁撓度變化，並依據載重試驗量測所得之撓度與原設計之撓度相比較，以確認橋梁是否符合設計規範需求。圖1為試驗過程與量測過程之照片。
載重試驗結果：
1、半載與滿載試驗，均顯示橋體呈現線彈性反應。
2、滿載試驗之中點變位，均小於「公路橋梁設計規範」中，對上部結構撓度1/800跨徑之限制規定。
3、三跨滿載試驗的中點變位與結構分析數值均相近，符合相關設計規範安全性要求。
惟為確認該橋梁結構安全並維護橋梁結構長期耐久性，故於103年2月再委託國震中心辦理為期2年之橋梁安全檢監測工作。本案檢監測工作，係採用國震中心自行研發之光纖水準儀進行監測作業，以下介紹該儀器之應用，供國內橋梁管理工作參考應用。
一、光纖水準儀介紹
高架橋開放通車後，難以再採用圖1的人力測繪作業方式觀測大梁中點撓度，本檢監測系統係於中空梁內布設感測器，連接橋下電腦設備，由遠處得知觀測結果，完全無需測繪人員於橋梁現場操作。本案所採用之光纖水準儀，解析度達1mm以內，布設距離能達數公里遠而不會影響觀測值 (遠優於電子式感測裝置)，可同步測量眾多水準點位，示意如圖2。
「光纖水準測量」是連通管原理應用（如圖3），當任一水筒抬升或沉下(亦即橋梁發生垂直變位)，水面高度改變，水由高處流向低處，引致布拉格光纖光柵(FBG)產生應變，由光柵應變數據可計算得知橋墩沉陷或大梁撓度變化。
其原理如圖3，採用的是最基礎的物理原理：連通管原理、浮力原理、虎克定律。
本計畫所使用的布拉格光纖光柵(FBG)，如圖4示，依光柵柵距區分，我們稱為1500nm系列(1nm=10-9m)，亦稱為C-band系列。圖5所示為「光纖感測掃描儀」，英文名稱Optical Sensing Interrogator，掃描儀對光柵的解析度可達1pm(1pm=10-3nm)。
圖6表示以連通管相連的一組光纖水準儀，其中圖6(a)表示未受拉力前，光柵原始狀態；圖6(b)表示構成儀器後，光柵承受預力的狀態；圖6(c)表示高程落差後，光柵受力再改變，柵距又再改變。
從圖6(b)狀態改變至圖6(c)狀態 ，光柵讀數改變量，一共為2nm(一正一負)，也就是2000pm，而垂直變位量是4cm，因此解析度是0.002cm/pm，或可表示成0.02mm/pm。圖6三個過程可彙整成表1中狀態1、狀態2、狀態3之連續變化。
二、感測儀器布設施工
(1)P19N~P20N及(2)P21S~P22S、(3)P31S~P32S之「光纖水準測量」點位，示如圖7，目的在監測大梁撓度變化。布設施工與觀測設備之建置，如圖8與圖9。
圖10標示(1)P19N~P20N及(2)P21S~P22S、(3)P31S~P32S，光纖水準儀的布設。每一跨橋梁布設三組水準儀；其中的兩組監測大梁的撓度(柱頭到大梁中點)，另一組則監測大梁的轉動角度。儀器的規格如同圖6及表1，解析度是0.002cm/pm，或可表示成0.02mm/pm。
三、結構基準線訂定與?度撓度推估
附加說明的是，本監測系統並未安裝溫度計，原因是溫度隨橋體位置而異，而氣象局大氣環境溫度觀測資料，可供參考。
結構受日照與環境溫度影響而產生變形，所以為結構訂定基準線(baseline)，最好要有長時間穩定環境溫度。2014年7月23日、24日兩日，中度颱風麥德姆襲台，正好提供本橋長時間穩定的25℃環境溫度(圖11)，本監測將颱風過後的橋梁狀態，設定基準線。
藉著長時間穩定的25℃環境之橋梁基準線，觀察大梁撓度隨大氣環境溫度而變化的情形。圖12是103年7月13日連續48小時觀測撓度變化情形 (Y軸，正號表示下陷，負號表示上拱)。從圖12可得三跨橋梁溫度撓度係數如表2，再依據桃園縣各月份日夜均溫資料，可推估各月份日夜合理的溫度撓度。
四、警戒值與行動值設定
已從圖12發現，大氣環境溫度對撓度影響頗重要，設定警戒值與行動值需要加以考量。另外，五楊高架橋只允許小客車和遊覽車使用，禁止砂石車、拖板車等重車使用，故發生半載、滿載之載重撓度的機會可說是微乎其微，甚至可說萬一發生是屬不正常現象(此判讀原則已得原設計單位台灣世曦工程顧問公司認同合理)。因此，關於警戒值與行動值的設定，只要當觀測撓度滿足方程式(1)與方程式(2)，便可認定橋梁行為正常：
觀測撓度≦半載重撓度+溫度撓度=警戒撓度 (1)
觀測撓度≦滿載重撓度+溫度撓度=行動撓度 (2)
五、結論
1、依102年3月車載試驗數據，引用作為設定本監測警戒值與行動值之依據：警戒撓度=半載重撓度+溫度撓度；行動撓度=滿載重撓度+溫度撓度。日後假若觀測撓度超出警戒撓度或行動撓度，監測單位將立即通知主辦單位核處。
2、現有數據顯示，光纖水準儀能靈敏反應撓度變化，解析度達1mm以內，充分反映光纖水準儀可替代傳統人力測繪作業，有效率監控橋梁撓度。
3、監測系統自103年6月18日建置完成以來，目前該三跨橋梁撓度均顯示正常，系統將持續監測記錄至105年2月止。
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圖1 五楊高架橋載重試驗與水準測量作業
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圖2 光纖水準測量 |
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圖3 應用連通管原理與浮力原理之「光纖水準測量」 |
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圖4 光纖光柵示意圖(取自維基百科) |
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圖5 光纖感測掃描儀(照片取自梁春財教授課程講義) |
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(a)未受力拉前，光柵原始狀態 |
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(b)構成儀器後，光柵承受預力，柵距改變 |
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(c)高程落差後，光柵承受力量再改變，柵距再改變 |
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表1 一組光纖水準儀，光纖光柵讀數代表之物理意義
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圖7(1)P19N∼P20N、(2)P21S∼P22S、(3)P31S∼P32S監測點位
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圖8 光纖監測布設施工 |
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圖9 橋柱下的觀測箱與觀測設備
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圖10 五楊高架橋光纖水準儀現地布設(上視圖) |
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圖11 中度颱風麥德行徑與台灣本島溫度分布
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圖12 2014年7月13日連續48小時撓度變化，相對於25度C橋梁基準線 |
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表2 溫度撓度係數
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