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17Vol. 38, No. 3 June 2011 土木水利 第三十八卷 第三期
結構健康監測暨損傷診斷專輯
結構常因混凝土老劣化、外力撞擊、地震或基礎
受掏刷而發生損傷，進而影響結構物健康與使用功能，
造成使用者遭遇危害之風險增加。其中混凝土老劣化過
程發展緩慢且漸進，可藉由定期檢測得以了解結構物健
康之狀況並予以處置；地震影響結構物之時間短暫且劇
烈，且因地震所導致結構損傷之表徵較為明顯，可由目
視與專家會勘了解結構物損傷之情形。然而，設置於環
境易於變動、或用以抵抗外力之結構，如橋梁結構、防
波堤等，結構健康情況會因環境改變與外力作用而有劇
烈變化，不易藉由定期檢測得以了解結構健康之變化，
此時監測系統則有其建置之價值。
當結構之環境（邊界條件）或材料發生變化時，
結構系統整體勁度會隨之改變，其自然振動頻率也會
隨之變化。藉由上述之關係與特性，結構健康監測可
利用結構振動頻率變化來做損傷診斷之依據。
文章中將以橋樑健康監測系統作為說明範例，說
明監測系統可以有效且快速地提供結構健康之資訊，
同時作為初步結構損傷之診斷。
振動量測於結構損傷評估之應用 結構系統之動力性質，如基本振動頻率（自然頻
率）、阻尼、與模態振形等，與其質量、勁度與完整性
相關。若藉由各類振動量測試驗來求取結構物之振動
特性，將有助於瞭解結構物是否產生損傷，損傷的嚴
重程度，以及損傷的可能位置。
振動試驗 一般常應用於評估結構特性之振動試驗包括：
▌微振動量測
微振動量測中，振源為環境中隨機產生之微小振
動，涵蓋了各種頻率範圍。藉由量測外界輸入結構系
統之環境微振，及結構體本身相應產生之反應，推求
出結構體之轉換函數（transfer function），便可用來進
行結構物的系統識別。至於在輸入系統之環境微振無
法量測或不易完全掌握之情況下，若假設環境微振可
視為白噪訊號（white noise），則單純藉由系統受環境
微振激發之反應，亦可幫助識別該系統之特性。微振
量測之設備與人力需求較少，且不影響結構物之正常
使用，屬於較容易進行之動態試驗，如呂等人 [1] 利用
微振量測評估鋼筋混凝土建築物之耐震能力。
▌強迫振動試驗 利用人工振源對待測結構施加外力並量測其振動
反應，有助於瞭解在特定振源型式與較大應變下之結
構振動特性。王等人 [2]對國道 1號大安溪橋、大甲溪
橋、與烏溪橋進行常時車流載重引致橋墩振動之現地
量測，藉以識別橋墩自然頻率與模態振形，並探討基
礎裸露對橋墩振動頻率特性之影響。柯等人 [3]利用單
輛重車行車引致之振動對高雄過港隧道進行檢測，以
判斷隧道沈埋管與伸縮縫是否發生瑕疵。國家地震工
程研究中心於 2009年在台南縣關廟國小對校舍試體進
行現地強迫振動試驗 [4]，利用振動產生器對結構施加
單頻簡諧外力，量測各試驗頻率下結構體之振幅與相
位差，藉此求得結構動態反應函數，識別校舍結構之
自然頻率與阻尼比。
振動分析法 振動歷時資料之頻率特性常不易直接判斷，故需
進行頻譜分析，將時域之歷時訊號轉換為頻率域之頻
結構健康監測暨損傷診斷國立臺灣大學土木系博士後研究員
梅興泰／國立臺灣大學土木系博士生李維峰／國立台灣科技大學副教授
陳正興／國立臺灣大學土木系教授
結構健康監測暨損傷診斷專輯
18 Vol. 38, No. 3 June 2011 土木水利 第三十八卷 第三期
譜函數。快速富利葉轉換（faff st Fourier transfoff rm, FFT）
為廣泛應用的頻譜分析法，其利用富利葉轉換式，經
離散化以使其適於程式化，並藉由將資料點數補零至 2
的冪次，利用方陣特性降低所需運算次數。由分析所
得之富氏譜能清楚展現振動訊號之頻率特性，可藉以
進行結構系統識別。例如，由尖峰位置可判斷振動顯
著頻率之所在，其通常即代表結構之自然頻率。
損傷評估
結構系統之性質乃在於：質量、勁度、以及結
構完整性三方面，其對應之其動力特性，為：顯著頻
率、阻尼以及模態振形。當結構系統遭受損傷時，由
於勁度下降，其自然頻率會降低；另由於裂縫增加或
應變增大，導致阻尼增加；此外，因損傷造成系統勁
度重新分配，造成振動模態產生變化。若藉由各類振
動量測試驗來求取結構物之振動特性，將有助於瞭解
結構物是否產生損傷，損傷的嚴重程度，以及損傷的
可能位置，如圖 1所示。
橋梁結構健康監測系統建置
在此以本研究團隊於台 17線西濱大橋所建置之橋
梁健康監測系統作為範例說明。台 17線西濱橋之基本資
料，橋長 2.7 kmkk ，最大跨距 35 m，總橋孔數 78個，大
梁為預力混凝土之 I型梁，最高橋墩高度 7 m，基礎為樁
長 33 m之群樁基礎。左右兩側為擴建之慢車道，橋面寬
9 m，中間快車道橋面寬為 18 m。由初步水文水理分析
結果可知，濁水溪之主要流道常隨時間而改變，目前主
深槽區位於 P23 ~ P28之間，因此選定以位於主深槽區之
P26，及位於主深槽區邊緣之 P21為監測橋墩。
橋梁即時監測系統之規劃原則為：具備完整監測
項目、系統可靠耐用、傳輸效率佳與與具備即時展示
功能，藉此能有效地隨時掌握橋梁之安全性。故整體
橋梁即時監測系統分為：結構監測系統、影像監視系
統、輔助沖刷深度監測系統、沖刷磚替代方案、供電
與備源系統、網路即時展示系統以及警報通報系統等
七大面向，其示意圖如圖 2所示，分別裝置於西濱大
橋 P21墩柱與 P26墩柱上，如圖 3。系統由現場兩個資
料擷取器（Cluster Boses）將資料利用 3G無線傳輸以
及光纖線傳至遠端伺服器以及北岸橋頭之中繼站（作
為常時資料備份），資料收集後立即判斷橋梁安全並適
時發出警報以及即時監控，各配置如表 1所列。
監測成果
監測系統於裝設期間，民國 99年第一號颱風凡那
比過境臺灣（9/18 ~ 9/19），其帶來驚人雨量，溪水亦
隨之暴漲，根據中央氣象局所測中西部濁水溪之水位
示於圖 5，顯示在 9月 19日中午之前溪水暴漲，流速
也急劇加快，之後數天水位才逐漸退去，而監測系統
也同時測得沖刷情況，圖 5為監測系統所測得沖刷歷
時（包含前次已沖刷又回淤的 1.4 m）。
沖刷深度監測成果
▌颱風前沖刷計資料
6為 2010年 5月 14日拍攝，由於濁水溪流
域於（5月 24日）晚上大雨，（5月 25日）經現場目
視，重力桿下沉約 1.40 m（圖 7），其與監測計測得之
沖刷 1.39 m深相同（圖 8）。
圖 1 振動量測與結構相關圖
表 1 儀器種類與數量一覽表
項目別 儀器種類 數量 設置位置 功能
1資料擷取盒（CB）
三軸加速度器 2組 P21與 P26橋墩 攫取振動歷時紀錄
2 傾度儀 2組 P21與 P26橋墩 攫取位移記錄
3 混凝土溫度計 2組 P21與 P26橋墩 攫取溫度記錄
4 非接觸式水位計 1組 P26∼ P27橋兩跨之間，橋面版下。
攫取長期水位資料
5 電波流速計 1組 攫取長期流速資料
6 CCTV監視系統 1套 P21橋面下朝 P26方向照 監控水位與橋墩變化
7 沖刷深度監測計 2套 P21與 P26橋墩 監控河床沖刷現象
8 沖刷磚替代方案 2套 P21與 P26橋墩 求得最大沖刷深度
備註1.包含有線及無線傳輸模組
2.網頁建置與現場即時監控程式
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▌颱風中沖刷計資料
監測過程中主要沖刷現象是集中
於 9月 19日上午 10:00至下午 20:00之
間，監測系統測得的累積沖刷深共計
2.0 m深（本次約沖刷 0.6 m），若對照
9月 19日上午 0:00水位逐漸上漲（9
月 19日中午 12:00急速上漲）至下午
20:00達最高峰水位，之後維持最高水
位數天，及至 9月 20日之後溪水之水
位並未即刻下降（流速變緩）情況，可
以瞭解，本溪流之沖刷特性主因應是流
速瞬間改變（加速度增強），而非水位
高低變化。
智慧型結構監測模組監測成果
9/18 颱風登陸前，研究人員赴
西濱大橋橋址檢視，確認監測系統運
作正常，系統正常紀錄至 9/19 12:00
（GMT）時，之後因電力中斷而停止記
錄。於監測過程中，各項監測儀器均完
整記錄到詳細的動態歷時資料，由於記
錄資料眾多，本文僅摘錄凡那比颱風期
間 P26監測部分成果如后：圖 4 沖刷深度即時監測系統配置示意圖
圖 2 全系統架構配置示意圖
圖 3 結構監測系統現場配置圖
圖 5 台灣中西濁水溪出海口水位變化圖
圖 6 2010/5/14重力桿位置 圖 7 2010/5/25重力桿位置
圖 8 2010/5/25由 3G無線傳輸所傳送之沖刷監測計資料
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▌水位 (WL)記錄如圖 10所示，9/18開始記錄起，水位 (WL)平均
值在 15:00時約為在 0.02 m左右，開始緩慢上升之現
象，至 18:00上升至 0.15 m；隨後大約持平，至 21:00
又開始上升，至 24:00時上升至 0.25 m；而後仍持續緩
慢上升，至 9/19 03:21開始則水位上升現象較明顯，
於 04:16時水位達 0.95 m左右；其後水位持平，直至
07:50時，水位達 1.25 m左右；隨後仍持續上升，於
11:20時，水位達 1.30 m左右，而於 12:00以後因電力
中斷而停止記錄。
▌流速 (FV)記錄如圖 11所示。自 9/18開始記錄起，流速（FV）
即維持在 0.30 m/s左右，而於 16:20開始有緩慢上升之
現象；至 17:00時，流速約達 0.60 m/s左右；隨後流速
變化不大；而於 23:21後水流速又開始增加，於 24:00
時，流速達 0.80 m/s左右；隨後，流速記錄值呈上下
小幅變動，而於 9/19 03:21後開始有流速明顯增加之現
象，於 04:16時，流速達 1.6 m/s左右；其後流速稍有
增加而後有漸減，於 07:50時流速仍在 1.6 m/s左右；
而後於 11:20後，流速快速增加至 2.5 m/s左右。
▌P26傾斜儀 (TX, TY) 記錄如圖 12所示。TX傾斜儀代表沿水流方向之傾斜
度。自 9/18開始記錄後，P26之 TX傾斜儀平均值大約
在 0.02度左右，直至 17:00後開始緩慢增加，至 21:00
圖 9 監測系統所測得西濱大橋之沖刷歷時情況
圖 10 P26之 9/18水位記錄
圖 11 P26之 9/18流速記錄
圖 12 P26之 9/18傾斜計記錄
圖 13 P26之 9/18加速度計記錄
(c) Z方向
(b) Y方向
(a) X方向
圖 14 98/12/15西濱大橋 P26橋墩完全裸露↑
圖 15 99/09/02西濱大橋 P26橋墩部分裸露→
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時增加達超過 0.06度；而後稍微減小，維持在 0.06度
左右，直至 23:20後開始呈較明顯的增加；隨後則緩慢
減小至 0.05度左右，直至 9/19 03:21後又開始增加，
約於 03:46達 0.08度；隨後則緩慢減小，至 08:20時開
始呈較大幅度增加，而於 09:10左右達最大值，平均約
0.17度左右。其後則緩慢漸減，而於 11:20後又開始增
加，於 12:46時達 0.32度；隨後即因電力中斷而停止
記錄。TY傾斜儀代表沿車行方向之傾斜度，因此較不
受水流之影響。自 9/18開始記錄後，P26之 TY傾斜儀
之平均值大約在 0.02度左右，並沒有明顯之變化，顯
見水流對橋柱沿車行方向傾斜度（TY）之影響不顯著。
▌P26加速度計 (AX, AY, AZ)記錄如圖 13所示。由於西濱大橋橋址處之水位與流
速在凡那比颱風期間變化不大，故對加速度之影響不
大。P26 AYAA 與 AZ二方向之加速度值約在 19:21之後稍
微變大，而於 21:21之後稍微較大；至於 AX加速度之
值，則約在 21:21之後才開始稍微變大。基本上，三方
面加速度值均變化不大。
振動量測於橋梁損傷診斷之實際案例－橋墩基礎沖刷評估
因土壤 ~結構系統之變化，可直接反映在結構體
振動反應特性的改變，故利用橋梁上部結構之振動監
測記錄，能有助於評估橋墩基礎受沖刷裸露之情況。
案例說明
針對欲進行監測之橋梁，須先行進行振動量測，獲
得其結構振動頻率與模態等初始振動資訊，以作為後續
進行長期監測的基準點，並可作為建立橋梁結構模型之
參考，在後續檢測中，如發現橋梁振動特性相對於初始
值有所變化，便有助於判斷當時之橋梁健康狀況。
此外，由於進行即時監測時，各種不同振源造成
之振動反應均會被記錄下來，故初始振動量測亦有助
於先行瞭解各種特定振源所造成振動特性之差異，以
及其反應基礎裸露狀態之效能，藉此建立資料擷取與
篩選之機制，並評估需啟動緊急應變機制之警戒值。
此處針對已建置橋梁健康監測系統之西濱大橋 P26
橋墩，探討目前已完成之初始振動檢測相關成果。
▌橋梁結構與河道變化資料
2009年 12月 15號橋墩狀況如圖 14所示，P26樁
帽露。在 2010年 05月 31號亦進行量測，量測前有連
續一週之大雨，量測時大水尚未退去，橋墩有掏刷情
況。2010年 09月 02號橋墩狀況如圖 15所示，P26部
分樁帽露出。2010年 09月 23號橋墩狀況如圖 16所
示，P26樁帽部分露出，P25回淤至樁帽頂。另外，
2011年 03月 24號橋墩狀況如圖 17所示，P26樁帽部
分露出，P25回淤至樁帽頂。
圖 16 99/09/23西濱大橋 P26橋墩部分裸
圖 17 100/03/24西濱大橋 P26橋墩部分裸露
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▌振動量測規劃與配置
本研究已對 P26橋墩進行五次振動量測，其中包含
一次 P23-P26完整振動單元之振動量測，與一次針對 P26
橋墩帽梁進行之振動量測。各次量測中，係採用速度計
量測三方向之振動，包含水平車行方向（HL）、水平橫
向（HT）、及鉛垂向（Z）。取樣率採 200Hz，於正常車
流情況下持續量測。P26橋墩振動量測配置如圖 18(a)所
示，測點 1將速度計置於帽梁上，如圖 18(b)所示，測點
2則將速度計置於橋面版伸縮縫位置，如圖 18(c)所示。
量測時間長度設定為 20 min。P23 ~ P26振動單元振動量
測之測點配置如圖 19所示，五個測點分別在振動單元邊
上之帽梁（P26），及四個在橋面版上與橋柱連接處，量
測時間長度設定為 10 min，藉此次完整振動單元之振動
量測，能更清楚掌握橋梁之振動特性。針對 P26橋墩帽
梁之振動量測配置如圖 20所示，三個測點如圖 22中紅
點所示，分別在帽梁兩側，及橋面版伸縮縫位置，量測
時間長度設定為 10 min，藉由帽梁振動之量測與分析，
可與前次完整振動單元之量測與分析相驗證。
上述各次振動量測，為符合橋梁即時振動監測之
實際狀況，量測期間均不進行交通管制，各種不同振源
造成之振動反應均會被量測並記錄下來，包括車行引致
振動、水流引致振動、與環境微振。由於進行橋梁監測
時，現場實際環境狀況難以完整瞭解，且各類振源特性
圖 18 西濱大橋 P26橋墩振動量測配置
(c) 測點 2示意圖
(b) 測點 1示意圖
(a) 速度計配置情況示意圖
圖 19 西濱大橋 P23-P26完整振動單元振動量測配置
(a)速度計配置情況示意圖
圖 20 西濱大橋 P26橋墩帽梁振動量測
(d)測點 3示意圖
(c)測點 2示意圖
(b)測點 1示意圖
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難以掌握，使得不同時空環境下之振動量測資料不易直
接比較。利用這些初始橋梁振動檢測，歸納釐清各類振
源之特性，將可作為振動資料分析與判釋之參考依據，
以及即時監測時自動化擷取與篩選資料之判斷依據。
量測成果與分析
針對濁水溪流域之台 17線西濱大橋，已對 P26進
行五次之微震動量測，其中包含一次完整震動單元之
微振動量測，初步分析結果如下。
▌P26振動單元分析圖 21顯示帽梁上 HT向振動之歷時記錄，量測過
程中車行不斷，偶有重型車輛通過，量測記錄顯示在
200秒、400秒及 500秒至 600秒之間有較大之振動動
量，振動延時約75秒，此乃重型車輛通過引致之振動。
各測點 HT向之富立葉轉換頻譜結果比較如圖 22
所示。由頻譜圖中挑選具有顯著震幅之頻率繪製模態
圖，藉以確認與判斷結構振動模態。圖 23顯示由試驗
結果得到之側向結構振動模態，第一個模態振動頻率
約為 1.7 Hz，為橋體同向側移；第二個模態振動頻率約
為 2.4 Hz，為橋體反向側移；第三個模態振動頻率約為
3.0 Hz，為橋體兩側與中央反向側移。
▌P26帽梁震動特性微振量測圖 24顯示帽梁上 HT向振動之歷時記錄，量測過
程中車行不斷，偶有重型車輛通過，量測記錄顯示在
50秒、150秒至 200秒、400秒及 500秒至 600秒之間
有較大之振動動量，此乃重型車輛通過引致之振動。
分析分兩個部分，一為安靜時刻，另為車行時
刻，同時可藉此了解車行所引致之振動特性。
安靜時刻為 250秒至 350秒之間，測點各方向之頻
譜與相位角圖如圖 25至圖 27所示。HL方向 1.7 Hz顯
著頻率為 HL向旋轉所引致，所以在 HL方向上 P1、P2
相位角相反，在 HT方向皆同相，而在 Z方向為反向。
同樣的情況也出現在 2.5 Hz與 3.14與 3.26 Hz。HL方向
顯著頻率 3.75 Hz為橋面板之平移，因在 HT與 Z方向之
反應很小，僅在 HL方向橋面板上有較大反應，同時也
可由轉換函數圖 29得到 HL向在 3.75Hz有較大的值。
圖 23 試驗結果得到之側向結構振動模態
圖 22 各測點頻譜圖比較
圖 21 帽梁上 HT向之振動歷時
圖 24 帽梁 HT向歷時紀錄
圖 25 HL向頻譜與向角圖
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車行時刻為 350秒至 450秒之間，測點各方向之
頻譜與相位角圖 29如圖 31所示。安靜時刻因 HL向旋
轉所引致之 HL方向之顯著頻率變得不明顯，而 HL方
向之 2.15 Hz與 3.75 Hz變得顯著。安靜時刻 HT向之
1.7 Hz顯著頻率變得不明顯，而 1.9 Hz變得明顯。轉
換函數圖 32在 HL向在 3.75 Hz有較大的值；HT向在
1.9 Hz、3.3 Hz與 3.4 Hz有較大之值。
綜合上述頻譜分析結果，可以得到以下初步結
論：橋面板 HL向振動頻率為 3.75 Hz；HT向顯著頻率
主要是因側向擺動所引致，其主要頻率為 1.7 Hz；車行
所引致之振動頻率約為 1.9 Hz。
▌P26 帽梁之振動反應比較五次 P26橋墩振動量測中，帽梁處 HT向之頻譜圖
如圖 33所示，第一個顯著頻率在 1.7 Hz至 1.5 Hz之間。
2009年 12月 15日第一次量測（091215），第一個 HT向
顯著頻率為 1.65Hz，此時橋墩有明顯裸露；第二次量測
在 2010年 05月 31日（100531），連續一周大雨後進行量
測，此時大水未退，橋墩明顯沖刷，其橋墩顯著頻率為
1.56 Hz；第三次量測在 2010年 09月 02日（100902），
顯著頻率為 1.64 Hz，此時橋墩部分裸露；第四次量測在
2010年 09月 23日（100923），顯著頻率為 1.66 Hz，此
時為莫拉克颱風剛過，大水已退，橋墩被回填；第五次
圖 27 Z向頻譜與向角圖
圖 28 帽梁與橋面版間轉換函數圖
圖 29 HL向頻譜與向角圖
圖 30 HT向頻譜與向角圖
圖 31 Z向頻譜與向角圖
圖 32 帽梁與橋面版間轉換函數圖
圖 26 HT向頻譜與向角圖
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圖 33 P26帽梁之 HT向振動頻譜圖
測在 2011年 03月 24日（100324），顯著頻率為 1.69
Hz，此時為河床乾涸，橋墩被回填置樁帽頂。
由五次試驗結果綜合比較可以得知，100531之顯
著頻率皆小於其他時刻之試驗結果。同時比較試驗當
時之條件可以發現，在 100531時仍有大水未退，此時
基礎應有掏刷，且回淤情況尚未發生。因此，根據上
述分析結果可知，於帽梁上部結構進行之振動量測，
能有效反應基礎受掏刷之情況。
參考文獻
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量測評估鋼筋混凝土建築物之耐震
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嘉佑、林嘉欣，「交通部台灣區國
道 1 號中山高速公路大安溪橋、大
甲溪橋及烏溪橋動力特性及沖刷監
測系統規劃期末報告」，國立中央
一、 會員：凡大專院校土木水利或相關科系畢業，曾從事
土木水利事業或研究工作二年以上，經會員二人之介
紹者。
二、 初級會員：凡大專院校土木水利或相關科系在學學
生，或前述科系畢業曾從事土木水利事業或研究工作
不滿二年，經會員二人之介紹者。
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四、 國際會員：凡不具中華民國國籍，但符合本會會員資
格經會員二人之介紹者。
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工程、交通管理、都市計畫、測量工程、運輸工程與
管理、水土保持、河海、營建工程、海洋環境、軍
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六、 凡經政府所舉辦之高等考試或乙等特種考試相關類科
及格者，均視同大專以上程度。
七、 高級職業學校相關科組畢業經前述考試及格，或經政
府銓敘審定為土木水利技術人員且服務滿二年以上
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大學橋梁工程研究中心報告，CBER-2006-P-001，
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