公共工程結構物面臨的挑戰

近年在報章雜誌媒體大家可能常看到「極端氣候」這個名詞。在土木工程方面我們到底要將結構物設計到多強壯才夠？當結構設計得太強壯可能太花費材料與金錢，設計得不夠強壯又怕遇到考驗時結構太弱無法防禦，故會在耐震、防洪及防風設計考量上會採用「回歸週期」做法，也就是以機率模式考量結構的設計力。若以降雨為例，在統計一段時間內發生的降雨狀況後，相較於在500年內發生與100年內發生的所有降雨規模數據，仔細想想，很明顯平均起來，應該是500年內統計的降雨強度相對於100年內發生的降雨強度還要大，因為這種規模500年才會遇到，會比較不常見，這也是所謂的「重現期距」，也就是500年一遇的降雨強度其規模會比100年一遇的降雨強度要來得高。目前全球氣候變遷，會發現原本在100年回歸周期才發生的事件，可能在幾年內再重現一次，前面所提到的極端氣候指的是非正常、嚴重、季節性，或超出歷史平均數值的天氣，可能是颱風、豪雨、熱浪、乾旱、土石流、地層下陷、海水倒灌、海平面上昇、空氣惡化…..等極端氣候因子，或是前述因子複合下造成的惡化。

臺灣由於本身的地理特性，在極端氣候之挑戰下，災害風險遠高於其他地區，未來氣候變遷帶來的最大衝擊與挑戰就是原本常態性的災害，包括地震、水災、土石流、旱災等，將會巨大化，很可能形成巨災進而造成更嚴重的損害。既有之公共工程結構物在面對極端氣候因子挑戰侵襲後，其結構之安全性即為一個隱憂，例如強降雨作用下，易造成邊坡滑動崩塌的威脅，造成山區公路、鐵路、橋梁、房屋結構的損害，水利設施系統亦因洪水量增強、水位上升、土砂、洪水淘刷與衝擊力增強、波浪衝擊力增加狀況下導致河堤、海堤、抽水站與水門等水利設施遭受到更強之衝擊與淘刷。而當災害事件已過去，對公共工程結構物而言其損傷的狀況就是後續管理單位所需了解與重視。如下圖1，當公共工程結構體出現問題後其後續所因應之措施與手段簡而言之可分為三步驟，依序為損傷發生原因、損傷範圍與後續因應對策。損傷發生後，目視檢測方法將是所有非破壞性檢測方法之第一步，先以受損結構物之外顯損傷狀況進行初步分析，然而針對結構損傷之範圍與嚴重程度，在目視不及處通常會希望採用非破壞性檢測方法進行損傷進行調查以避免調查作業對結構體造成二次損傷，在藉由檢測成果之評估藉以了解損傷之範圍與擬定後續設施管理維護對策，但必須注意的是需使用合適之檢測技術進行，不同檢測技術間有其特性與使用限制，後續就針對目前在公共工程構健康狀況診斷分析常用之非破壞檢測技術進行概略說明。

公共工程結構物安全評估方法與非破壞性檢測技術

如上圖1，當結構有損傷狀況發生需先迅速釐清的是，哪裡發生損傷、損傷狀況如何、後續策略要如何因應擬定，在目視檢測作業階段須將損壞程度分級與定性化記載，在目視調查不及處(結構內部目視看不到的地方)可再導入非破壞性檢測技術進行檢測，而若是已見到損害也可使用非破壞性檢測技術了解其損傷狀況，例如在結構表面目視看到的裂縫只能看到裂縫走勢，裂縫在結構體內部延伸狀況進一步代表著結構的損害狀況，此時可進一步檢測以了解裂縫在結構體的延伸狀況，最後再蒐集所有檢測訊息進行最後綜整評估結構狀況再擬定因應策略，若後續評估結構須再補強的狀況，則可在補強後再進行相關檢測，以確認結構補強之品質。

非破壞性檢測方法就是以不破壞受測物之方式檢測受測物，通常是採以聲、光、電、磁等方法透過間接之方式而得知受測物欲知之相關訊息，在不同方法間使用不同的物理量進行檢測，須了解檢測技術的使用限制，方能將檢測技術有效利用。以孔隙為主的瑕疵適合用為應力波為基底之檢測技術進行檢測，其應用範圍為結構物裂縫深度檢測、內部瑕疵檢測、鋼筋握裹力評估、複合材料黏結狀況檢測，而紅外線熱影像法是以受測物表面之溫差差異而顯影其下方之瑕疵且可一次大面積掃描，若應用於纖維補強構件，可很清楚地對碳纖維貼片下方之脫層瑕疵顯影。檢測方法應用時機點除了了解結構損傷範圍外，亦可應於結構於修補方案擬定後之進行結構修補品質之檢驗，以確保結構體維修補強作業之可靠性。

目視檢測

目視檢測為所有結構非破壞性檢測方法的第一步，其目的為初步與快速了解結構的損傷範圍與狀況，以最常使用的鋼筋混凝土構造物而言，外顯的損傷最常看到為裂縫、混凝土剝落、鋼筋外露鏽蝕等損傷樣態，就針對裂縫而言，裂縫的開口寬度大小，走勢、位置、密度都有其損傷代表意義，故在檢測上會希望針對損傷程度分級與定性化紀載，例如目前國內在橋梁檢測之車行橋評估系統使用的是DER&U系統(劣化程度（Degree，D）、劣化範圍（Extent，E）、劣化情況對橋梁結構安全性與服務性之影響度(Relevancy，R）、劣化構件需維修之急迫性（Urgency，U）)，其目的就是藉著損害程度分級方式去有效管理國內的橋梁，以利後續的管理維護作業。

反彈衝錘法

反彈衝錘法（Rebound Hammer Method）又稱為反彈錘法，利用司密特衝錘（Schmidt Hammer or Swiss Hammer）撞擊混凝土表面後，以其反彈數（Rebound Number）來求得混凝土表面的硬度，並來推測其抗壓強度，為目前較常用於測定混泥土強度的表面硬度法，且此法已被列入CNS國家標準（CNS 10732 硬化混凝土反彈數試驗法）中。

衝鎚的構造如圖2所示，其主要構件有四部份：（1）外殼；（2）衝擊桿；（3）鎚塊；（4）彈簧。實際檢測強度時，將突出儀器外面的衝擊桿與混凝土表面接觸，當衝擊桿還是突出儀器外面時，其內部的鎚塊將會被卡損固定在桿頂端，此時把儀器外殼推向混凝土表面，使連接儀器外殼與鎚塊的彈簧伸長，當外殼推到與桿頂接觸時，卡損將放開鎚塊，使其衝向混凝土，而撞擊到衝擊桿上的突肩部分，並反彈回去。衝鎚塊將會帶動指針，以顯示反彈的距離。反彈距離的刻度數字由10到100 之間， 稱為反彈數。在衝鎚法的檢測中，只有與衝桿接觸的混凝土部分影響反彈數，例如若接觸到硬石塊，會產生較高的反彈數；相反地，若接觸到空洞或較軟石塊將會產生較低的反彈數。所以同一塊混凝土會因取樣點的不同而有不同的數據。檢測結果可作為相對強度的均勻性參考，是大面積混凝土結構物快速初步判斷其品質之好方法。為求得衝錘正確的反彈值（R值），因此在操作的過程中必須注意以下要點(引用CNS規範)：

• 衝錘和打擊面要保持垂直。
• 檢測面要平滑，混凝土表面的灰漿、加工層或塗物應塗去。
• 檢測面上的凹凸部份，如有硬塊、空洞、不良灌漿位置，不宜當作測試點。
• 混凝土構造之檢測部位厚度應有10 cm以上（厚度不足衝擊會使能量逸散）。
• 檢測混凝土構造物時，要避免樑柱的角落。取柱的柱頭、柱腳和中央位置，樑的頂端部和中央的兩側面，壁的靠近柱樑、地面部位。
• 記錄打擊角度，以廠商所附角度校正值對照表來校正混凝土強度值。

敲擊回音應力波方法檢測

敲擊回音法為應力波體系之檢測技術，利用機械性敲擊測試物體表面使產生暫態應力波動，該應力波動內含之縱波(P-wave)及剪力波(S-wave)會以球狀的波形方式向物體內部傳動，當遇到反射介面時，如版內部的裂縫及孔隙或版的底部時，將被反射回去；當這些反射波回到敲擊面時，則產生表面的位移。利用表面放置的接收器可監測到此位移反應，如果接收器被安排在靠近敲擊點時，則監測到的位移主要是因為縱波所造成。當反射波到達敲擊面後，將再被反射回版內部。因此敲擊激發之應力波會在版的頂面及反射界面間來回傳動，每次應力波到達版的頂面時，將引起一向下的位移反應，使得此一位移波形是有週期性的。對靠近敲擊位置的點而言，應力波來回一趟行經的路徑為反射介面深度的兩倍。經由快速傅利葉轉換(FFT)，可得此位移波形之頻率(f)，則反射界面的深度可依下列式計算而得：

(1)

式中Cp,plate為縱波在版狀結構物內傳播的視波速，此視波速為在無限體內之波速(C_p)之96%。因此式(1)可改寫成：

(2)

當應力波遭遇混凝土內部鋼筋(深度為ds)時，其反射現象如圖2所示，由於鋼筋的聲阻係數較大，應力波重覆造成頂面向上的位移反應所需行經的路徑為版厚的兩倍，故位移波形的頻率與式(1)內部孔隙瑕疵所產生反射的頻率相差約1倍。用來評估鋼筋位置的式如下：

(3)

式中ζ為修正係數，其值為ζ= – 0.6(D_s/d_s)+1.5，其中D_s 為鋼筋直徑，d_s為鋼筋埋置深度。鋼筋偵測適用於D_s/d_s值大於0.3。

混凝土澆置過程中若是搗實振動不佳，再加上鋼筋配置過於密集，將可能在施工過程之中產生蜂窩或是孔隙，在敲擊回音試驗檢測時，這些孔隙將形成較顯著之反射界面，應力波在孔隙與頂面間來回反射傳動會形成共振之訊號，故在頻譜上會出現較明顯對應到孔隙深度頻率之高振幅尖峰，藉以判斷其深度。

電磁波透地雷達GPR

透地雷達(Ground Penetrating Radar；簡稱GPR)技術係以雷達波(高頻電磁波)為波源之檢測方法，利用物質間的介電常數不同，使用雷達波探測，可以應用在混凝土裂縫調查、鋼筋混凝構造體之鋼筋位置調查、地下管線、空洞、等位置與大小之探測與調查。

由於透地雷達具有非破壞性、儀器攜帶方便、探測結果解析度高、施測迅速及資料儲存與處理方便等多項優點，故已被廣泛地應用在各種領域之探查，如土木結構、環保監測、交通運輸、大地工程及考古應用等，其應用於土木工程結構之非破壞檢測及礦坑探測亦有相當之成效。在運用於公路方面，主要為檢測鋪面厚度、孔洞狀況、路面下空洞及管線檢測，在機場跑道鋪面檢測上亦有一些成功之案例，例如可測出跑道鋪面不同材料之介面厚度與位置，跑道板塊下方之積水狀況，地面下管線分佈位置等，此方法經實驗與現地試驗後發現亦非常適合於堤防內部孔洞檢測。

透地雷達相關的應用範圍十分廣泛，大致上可歸納為以下五大領域。1.土木工程類：地下管線和孔洞調查、樓版鋼筋探測、橋面版品質調查及混凝土構造物和道路品質調查；2.環境工程類：化學沈積物調查、地下掩埋場探測、海域探測及地下儲存槽滲漏檢測；3.地質環境類：地下水位深度、地層構造調查、水壩及隧道裂隙調查；4.軍事用途類：搜尋偵測地雷及機場跑道之完整性檢查；5.考古調查類：地下陵墓及古物調查。

參照之前的研究文獻茲舉出下列比較成功之應用實例：

透地雷達(Ground Penetrating Radar)簡稱GPR，主要是以電磁波為傳播之方式，將電磁波傳遞在受測物上，藉由受測物內部介電常數之差異，訊號皆會產生反射、折射及繞射等現象。再經由地表上之接收天線接收訊號，當資料經過處理後，可呈現地底下之概況及異常物之位置。

透地雷達是利用發射源發射一個短歷時脈衝的電磁波，該脈衝會穿透下面材料，當遭遇到相異材料所構成的介面時，部份的能量會反射回發射源(antenna)，由發射源接收脈衝的反射，再輸出訊號，所以脈衝的釋放及回音的傳回之間的歷時可以量測得知，而電磁波在該種材料內的波傳速度已知的情形下，便可反推求出介面所在的深度位置，如圖5所示。

在透地雷達施測過程中，依照現場施測之需要來選擇天線頻率(Antenna Frequency)其中軟體可支援的天線包含有遮蔽式天線(100MHz、250MHz、500 MHz、1000 MHz)一般來說較高的天線頻率會有較小的探測深度與較高的解析度，反之頻率較低的天線頻率會有較大的探測深度及較低的解析度。然後再選定搭配天線所使用之測距輪。另一重要設定為時間視窗(Time Window)，為透地雷達接收天線接受訊號之時間間隔，其時間零點以接收天線開始接收雷達波算起，即時間視窗如果愈大，使接收天線接受訊號的時間愈長，則所得之訊號可達到探測體較深的部分；反之，若時間視窗開的愈小，使接收天線接受訊號的時間愈短，則所得之訊號只達到探測體較淺的部分，但值得需要注意的是在現地作業進行時，雷達可探測之深度除與選擇頻率高低有關外，現地實際可探測深度亦與探測區域之土壤條件與性質有關。

紅外線熱影像

所有的物體均會以紅外線輻射的方式釋放能量，其特點是不見得需要可見光的照射，也能在紅外線的波段內以儀器偵測或成像，目前在土木工程方面的運用十分廣泛，包括建築物絕熱與濕氣的偵測、瓷磚檢測、石材檢測、修補材料的檢測、補強材料檢測、混凝土構件的檢測、橋面版或道面檢測等。紅外線熱影像術比其他的非破壞檢測法發展還要晚，不過由於方便、迅速等優點讓此技術能夠很快的受到大家的重視。其優點包括快速的表面檢測、容易架設、單面檢測、安全(無有害的放射線)、能簡單的將溫度數值化、熱影像容易解釋、對試體不會造成影響、無物理性接觸、可做大面積的檢測、可檢測到閉合的裂縫等。

紅外線熱影像法的原理，是以一種類似攝影機的紅外線掃瞄器來量測物體的表面溫度，並以掃瞄結果繪製影像，影像中以不同的顏色來表示溫度。紅外線系統一般由紅外線光學系統、紅外線探測器、信號放大器和處理、顯示記錄系統等組成。紅外線光學系統把目標的紅外線輻射集聚到紅外線探測器上，能以光譜和空間濾波方式抑制背景干擾。紅外線探測器將集聚的輻射能轉換成電信號。微弱的電信號經放大處理後，傳送給控制和跟蹤執行機構或送往顯示記錄裝置。依照蒲朗克的輻射理論，熱能由加熱後的物體表面，以電磁波輻射的方式向四面八方傳送，此類輻射的波長與溫度成反比稱為 Wien’s displacement law。一般所謂的紅外線為波長約略0.78μm 到 1000μm 間之電磁波，而熱輻射是指波長介於紅外線與可見光之間的波段，主要分布於0.78－12 μm見圖6。

由於接近物體表面的熱波會逐漸衰減、且具有不同的頻率，最先開始研究的有法國的數學家Fourier及瑞典物理學家Angstrõm，利用熱波可以產生紅外線熱影像，並用來做遠距離的探測。當待測物中有瑕疵的存在時，會影響待測物內部的熱傳導，導致表面溫度的不均勻，如果在熱流導入混凝土時測試，空隙、開裂、或是粉化混凝土等密度小的瑕疵因熱傳導性差，所以在瑕疵面上方的溫度會較兩旁為高，形成熱點。如果是利用混凝土釋出熱流時測試，在熱流通過瑕疵時由於不易傳導至另外一面，使得該瑕疵的上方形成一個冷點。因此，藉冷點或是熱點的偵測，便可定出瑕疵的位置。