結構耐震補強 外加構架樓板剪力傳遞之驗證

工程師於結構耐震補強時,常使用擴柱補強、翼牆補強及剪力牆補強工法,以提升建築物之耐震能力。惟上述三種補強工法,於施工過程中均會損壞或影響既有建築物,較難運用於補強過程中運作功能不得受影響之建築物 (如:醫院),因此本文建議可採外加構架補強工法,進行結構耐震補強;該工法乃於建築物弱向兩側,各新增一面構架進行補強 (圖1),於補強過程中將不致於影響既有建築物之運作。外加構架與既有建築物間,可採混凝土傳力塊、樓板、鋼材等進行連接,並藉此將地震力由既有建築物傳遞至外加構架;若外加構架與既有建築物採用樓板進行連接 (圖2),亦即於既有建築物之邊梁外側,植入短向板鋼筋,則此樓板必須有足夠剪力容量,將地震力由既有建築物傳遞至外加構架,方可達到補強效果,讓外加構架與既有結構共同抵抗地震力。混凝土工程設計規範之應用[1] Part-IV,鋼筋混凝土建築物之整體結構設計例中,建議工程師於需進行剪力設計之樓板宜使用混凝土結構設計規範[2], 並按規定之樓板剪力強度計算公式進行設計,其包括剪力摩擦設計法與橫膈板之剪力計算強度,並取兩法中較為保守之鋼筋比,作為樓板鋼筋設計依據。本團隊曾於技師報1018期發表「結構耐震設計:樓板剪力傳遞之驗證」[3]乙文,介紹樓板剪力傳遞試驗,並驗證使用規範[2]之規定設計樓板,確實保守可行。茲本文則將針對用於外加構架補強之植筋補強樓板進行側推試驗,藉由試驗結果,來檢視混凝土結構設計規範[2],所規定之樓板剪力強度公式用於植筋補強樓板是否合理?實際經試驗驗證,規範[2]之規定,實屬保守可行。

一、樓板剪力強度之試驗

試體係由三支梁及二塊樓板組成 (圖3~圖7),長370 cm、寬240 cm、高60 cm。三支梁之斷面尺寸皆為 <!--[if !vml]--><!--[endif]-->,中間之既有梁長370 cm,兩側之補強梁長360 cm,中間之既有梁較長,以便單獨施加側力於既有梁上,中間之既有梁與兩側之補強梁,心至心之距離皆為100 cm。三支梁之主筋皆為8根7號鋼筋,箍筋皆為3號鋼筋,內梁為既有梁,其箍筋間距為塑鉸區間距15cm(圖6)、非塑鉸區間距25 cm;兩側邊梁為補強梁,其箍筋間距皆為25cm(圖4)。樓板長360 cm、寬60 cm、板厚15 cm,板筋使用雙向雙層3號鋼筋,間距皆為20 cm,其中樓板短向與既有梁之連接,需植入3號鋼筋,參考張庭瑜於「鋼筋混凝土開口剪力牆校舍補強之試驗研究」[4], 附錄A之植筋拉拔試驗,其採業界慣用植筋深度為鋼筋直徑10倍,進行鋼筋拉拔試驗,驗證於該植筋深度下,3號鋼筋之拉力強度均能發揮至1.25倍之鋼筋標稱強度以上,故本試驗之鋼筋植筋深度採10 cm;為確實掌握鋼筋之行為,於植筋前需先刨除既有梁之保護層,使植筋位於既有梁之核心混凝土內;由於考量植筋需位於既有梁核心混凝土內,且短向板鋼筋於兩側補強的邊梁之錨定方式,採一上一下(上層板筋向下錨定,上層板筋向上錨定),較有助於混凝土圍束之效果,故試體之樓板與梁頂間有8 cm之高差(圖7)。

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三、結論

外加構架透過樓板與既有結構連接,新增樓板之短向板筋,一端植入既有邊梁之外側,另一端則錨定於新增構架之梁內,外加構架之成敗取決於新增樓板之剪力傳遞。本文探討植筋補強樓板剪力傳遞之能力,並以試驗驗證混凝土結構設計規範[2]所訂之樓板強度公式。將試驗結果分別與規範 [2] 4.8.4節之剪力設計法及第15.9.7節之橫膈板剪力計算強度比較,前者為試驗強度之29.9 %,後者為51.7 %,且試驗強度亦大於15.9.7.3節之上限值規定,顯示使用規範[2]之規定,進行植筋補強樓板之設計,仍相當保守。剪力摩擦強度公式(第4.8.4節)可作為板筋於垂直剪力方向之設計依據,而橫膈板剪力計算強度公式(第15.9.7節)則可作為板鋼筋於平行剪力方向之設計依據。為避免於高鋼筋比下,樓板設計之剪力摩擦強度及剪力計算強度過高,導致不保守,兩公式皆有上限值規定(第4.8.4節及第15.9.7節),上限值係用以限制樓板之設計剪力強度,確保設計之合理性,避免不保守,切不可直接採上限值作為樓板之剪力設計。

植筋補強樓板之短向板鋼筋植入既有梁核心混凝土內部,有助於其行為之掌握,且刨除保護層不僅具打毛之效果,亦可增加其剪力面之摩擦係數,進而提升設計剪力摩擦之計算強度,故本文建議植筋補強樓板於設計時,應將上述二點納入考量,於施工應確實落實板鋼筋植筋,並進行植筋之拉拔試驗,以確實掌握其行為,確保植筋補強樓板之剪力強度。

參考文獻

[1] 中國土木水利工程學會混凝土工程委員會(2011年11月)。「混凝土工程設計規範之應用(土木404-100)(下冊)」。科技圖書。

[2] 內政部營建署「混凝土結構設計規範」,內政部91.6.27台內營字第0910084633號令訂定,內政部100.6.9台內營字第1000801914號令修正。

[3] 賴昱志、林聖學、鍾立來、曾建創、黃國倫 (2016)。「結構耐震設計:樓板剪力傳遞之驗證」:技師報,第1018期。

[4] 張庭瑜(2015)。「鋼筋混凝土開口剪力牆校舍補強之試驗研究」。國立臺灣大學土木工程學系碩士論文。

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圖1 外加構架補強之示意圖

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圖2 植筋補強樓板之示意圖

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圖3 試體之俯視圖(板筋均為#3鋼筋,長度單位為公分)

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圖4 試體之補強梁A-A截面圖 (單位:公分)

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圖5 試體之補強樓板B-B截面圖 (單位:公分)

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圖6 試體之既有梁C-C截面圖 (單位:公分)

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圖7 試體之D-D截面圖 (單位:公分)

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圖8 第一階段試驗佈置之俯視圖 (單位:公分)

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圖9 第一階段試驗佈置之側視圖 (單位:公分)

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圖10 第一階段試驗佈置之中間梁(既有梁) 側視圖 (單位:公分)

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圖11 第二階段試驗佈置之俯視圖 (單位:公分)

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圖12 第二階段試驗佈置之側視圖 (單位:公分)

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圖13 試驗開始前之試體狀況

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圖14 試驗強度點之試體狀況

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圖15 試驗結束之試體狀況

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圖16 試體之側力位移曲線

 

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