北科大團隊「新型仿生積木式預鑄橋墩系統」論文,榮獲「美國土木工程師學會林同棪獎」,也是華人團隊首度獲獎

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北科大團隊首獲「美國土木工程師學會林同棪獎」

台北科技大學於2020年5月7日表示,工程學院院長宋裕祺的研究團隊以「新型仿生積木式預鑄墩系統」論文,榮獲「美國土木工程師學會林同棪獎」,也是華人團隊首度獲獎。

美國土木工程師學會林同棪獎是美國科技史上首度以華人名字命名的科學獎項,每年精選對預力混凝土研究領域深具影響力的文章,得獎者皆為對國家工程具卓越貢獻者;受疫情影響,原訂今年4月舉行的頒獎典禮取消,獎牌已送到2019年獲獎者宋裕祺等團隊成員手上。

傳統高墩施工方式採用現場澆注混凝土,不僅施工困難、危險性高,混凝土灌漿作業也會對環境造成問題,宋裕祺率領研究團隊,於2013年開始投入「新型仿生積木式預鑄墩系統」研究,藉由「人體脊椎」與「積木堆疊」概念,透過具脊椎關節的剪力榫接合、節塊開合,達到消散地震力量的效果。

經過兩年的理論推導與規劃,2015年起在國家地震工程研究中心進行一系列大尺寸墩試體的測試實驗,結果顯示,新型墩可抵抗之地表加速度為傳統墩者的1.2倍,所開發的模組化墩適合預鑄、產品品質容易掌控、製作精度高、能快速組立降低施工期間對環境衝擊,同時兼具快速生產與便於保存等優點,適用於新建及緊急救災工程,此新型墩工法已取得美國日本和臺灣的發明專利。

宋裕祺表示,此獎是對研究團隊多年嘔心研究的肯定,感謝團隊從發想、構思、規劃、試驗、分析、討論、文章擬稿、投稿、回覆到刊登,終獲美國權威學會ASCE表彰。

宋裕祺現為中國土木水利工程學會理事長,曾參與臺二線及臺五線公路橋梁臺北市市民大道高架、麥帥一、高屏溪斜張等重要橋梁工程設計。他曾任中華民國結構工程學會理事長、行政院公共工程委員會委員、國家地震工程研究中心組長,為我國編訂重要工程設計規範,更開發「鋼筋混凝土建築物耐震能力評估平臺」,為內政部營建署採用為危老建物評估耐震能力,同時作為政府大數據分析及防災政策擬定之依據。

因研究與產學合作成果豐碩,宋裕祺曾獲中國工程師學會「傑出工程教授獎」、「詹天佑論文獎」與「工程論文獎」,並於2013至2018年連續獲得國內各重要工程學會之年度論文獎。

「新型仿生積木式預鑄橋墩系統」藉由「人體脊椎」與「積木堆疊」概念,開發出模組化、輕便,可快速施工,對環境低衝擊性的新型工法,未來可望成為橋梁設計、分析及施工的全新里程碑。
「新型仿生積木式預鑄墩系統」藉由「人體脊椎」與「積木堆疊」概念,開發出模組化、輕便,可快速施工,對環境低衝擊性的新型工法,未來可望成為橋梁設計、分析及施工的全新里程碑。

預鑄施工 降低橋梁施工對環境衝擊

傳統高墩採現場澆注混凝土的施工方式,有施工困難、危險性高、混凝土灌漿作業會對環境造成衝擊等問題;因此在環境敏感區,已多建議採用「預鑄節塊墩系統」,即事先在預鑄廠中鑄造好一塊一塊的墩節塊,運至工地後堆疊起來,成為墩,並透過穿越節塊的鋼腱,在墩的頂部與底部之間施加強大的「預力」,將節塊夾緊,以節塊之間的摩擦力抵抗地震引致之水平剪力。然而強大的預力會使墩在地震未發生時,即長期承受過大的壓力。

此外,現有的預鑄節塊系統只能一層堆疊一塊節塊,為配合墩的大斷面需求,單一預鑄節塊之塊體容易過大,需仰賴大型機具運送與吊裝安置,將節塊從預鑄場搬運到橋梁工地現場所受到的交通限制也較高。
脊椎型剪力榫 消能減振效果更好

國研院國震中心參考人體脊椎結構,在預鑄節塊下方加裝鋼製剪力榫,可插入下面一塊節塊上方的凹洞中,互相卡住,藉此方法避免地震力的橫向剪力造成節塊橫向錯動。如此可以減輕在柱頂部與底部之間施加的預力,降低墩所承受之壓力;此外,由於鋼製剪力榫與下方節塊的凹洞並非完全卡死,萬一發生地震時,節塊可稍微開合,因而削減地震力,減輕地震力對墩的破壞而提高安全性。地震停止後,預力鋼腱又會把各個節塊拉回原來的位置。

小尺寸單一規格節塊 生產更有效率 緊急救災施工新利器

然而這種新型預鑄墩卻並未解決塊體過大而仍會對環境造成間接破壞的問題,因此,國研院國震中心進一步開發出「積木堆疊」型的新式預鑄節塊。一般預鑄節塊是在預鑄廠中鑄造出與墩面積相同的節塊,必須依墩實際型式與尺寸客製化製造;國研院國震中心研發之「新型仿生積木式預鑄墩系統」,係製作小尺寸之節塊,像積木一樣堆疊成大尺寸的墩,如此預鑄廠僅需製作單一規格之節塊,不但可降低製造成本,也可使節塊的生產更有效率。且由於設計之預鑄節塊塊體較小,便於運輸,可縮減施工便道範圍,減少對環境的衝擊。此方法還有另一大優點,就是平時即可事先生產一定數量之小尺寸節塊,儲存於適當場所,當發生災害時,可立即運至受災區,用於快速搭建便,加快救災腳步。

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