結構耐震補強:開口剪力牆補強工法

921集集地震,造成台灣中部地區學校近二分之一的校舍嚴重受損,但許多老舊建築物在經濟考量、或為保有其重要性及紀念價值的前提下,無法拆除重建,如何在不影響建築物原有功能的情況下,將這些老舊RC建築物進行震前的補強或震後損壞的修復,並有效提升其耐震能力是非常重要的課題。

增設RC剪力牆補強為一常見的補強方式,由於RC剪力牆具有很高的強度與勁度,因此對於抗側力強度需求高的老舊校舍有極佳的補強效果。然而,採用增設整面RC剪力牆補強工法,較難滿足既有校舍建築物對於採光及通風之需求,因此本文提出開口RC牆補強工法,並規劃單層的空構架(FS)及開窗補強試體(FSW-19)各一組,期望藉此試驗結果,比較驗證開口RC牆補強工法之適用性。

一、試體規劃與設計

本文構架相關尺寸,依從校舍手冊三版[1]中示範例之尺寸,均為單層、柱淨間距300 cm之構架,且既有構架部分之混凝土設計強度,以校舍平均混凝土強度1601050-7-1為設計值,除#3鋼筋以28001050-7-1為設計值外,其餘鋼筋均以42001050-7-1為設計值。

基礎長度為420 cm、寬140 cm深75 cm,主筋採用上下各5根#8鋼筋、中間左右各2根#8腰筋,箍筋採用兩組ㄇ型#4間距20 cm配置;柱配筋形式以校舍手冊三版[1]示範例之柱配筋形式配置,柱淨高為300 cm、沿水平施力方向柱深30 cm、及垂直施力方向柱寬50 cm,主筋採四周配置4根#7鋼筋,其餘配置8根#6鋼筋,且為模擬既有校舍非韌性配筋,箍筋採#3間距25 cm、90度非耐震彎鈎配置;RC梁不為本試驗之觀察重點,故希望破壞不發生在梁處,且又為配合傳力鋼梁孔位需求,使致動器能直接將力量傳遞到試體上不須額外轉接,因此設計梁斷面尺寸梁寬為63 cm,而梁深為50 cm,梁主筋採用上下各7根#6鋼筋,梁箍筋採用兩組U型#3、135度彎鈎配置 (圖1)。

FSW-19試體為開窗補強試體,為滿足校舍通風採光需求,試體開窗以對稱、大面積開口為設計標的,並以一般鋁窗之190 cm x 150 cm做為開窗尺寸,開窗位置距離基礎頂面95 cm、梁底面55 cm、兩端柱55 cm (圖2)。本次試驗植筋採#3、埋置深度10公分[2]設置,考慮到植筋之間相互影響的效應,於配置雙排牆筋之下,故剪力牆牆厚採24公分。於符合規範[3]規定之最小鋼筋量要求之下,本次試驗採用雙排#3、28001050-7-1鋼筋配置於牆體,垂直及水平向第一根牆筋均距離柱邊10公分,其餘以間距20公分配置;且為抑制開口角隅處應力集中裂縫不致過度發展,本次試驗角隅鋼筋採用單層雙排#4、42001050-7-1、總長120公分、傾斜45度角配置,角隅鋼筋及兩方向牆筋均與開口邊緣最小距離為5公分。牆體保護層厚度為2公分,採用2801050-7-1為牆體混凝土抗壓強度之設計值。

二、施作與測試方法

構架施作完成後,首先進行剪力牆等牆寬放樣及切線(圖3-a),此動作為日後打除混凝土保護層時,能使打除邊緣能較為平整,且不易使不須打除的部分受損;待補強試體切線完畢之後,進行保護層打除的動作(圖3-b),須打除等牆寬之保護層厚度直至看到箍筋為止,並於打除混凝土塊清理完畢後,即可依步驟進行植筋施作[2] (圖3-c),此時要注意基礎頂面混凝土塊打除後,如遇雨天需以帆布加以覆蓋,避免打除後之溝槽積水,使鋼筋鏽蝕而降低鋼筋強度;待植筋膠體強度發揮後,即可進行後續的牆筋綁紮(圖3-d)及模板組立(圖3-e),此時於牆體頂部處,以2公分厚之清水模板製作一突出牆體20公分、往上延伸至梁頂之模板喇叭口(圖3-f),此一施作方式是希望於澆置混凝土時(圖3-g),將漿體澆置超過梁中央,使漿體能更有足夠的壓力回填至梁底溝槽處;待混凝土達7天強度後,即可進行模板拆除、及對喇叭口處突出混凝土塊打除至與牆等平面為止(圖3-h),此舉是為了牆體整體美觀、及避免地震時額外突出的混凝土塊掉落。試體完成圖如圖3-i所示。

本試驗使用三支油壓致動器作為側向加載,利用高拉力螺栓將施力鋼梁鎖住、且固定在三支油壓致動器與反應鋼梁之間,使油壓致動器施力作用於施力鋼梁均勻地將力量導入RC梁中,以模擬地震力對構架之受力行為;而參考校舍手冊三版[1]ETABS模型一樓柱所承受之軸力值,在試體左右兩側各裝設一支垂直向之油壓致動器,使試體左右單根柱受35噸軸力,且本次試驗左右兩支垂直向致動器透過軸力鋼梁,將軸力施加在反應鋼梁上,此一載重行為近似於試體上施加一均佈靜載重(圖4),並使試體具垂直向束制。於梁端處以外部控制位移計,收取外部控制位移,以控制中間油壓致動器,左右兩側油壓致動器設定與中間油壓致動器之位移變化相同,藉此減少試體因施力不當造成試體扭轉的現象。

本試驗過程中側力加載方式採位移控制,以試體之層間變位角(Drift Ratio, DR)作為系統控制參數:

1050-7-2

其中1050-7-17為外部控制位移計所量測之側向位移,1050-7-18為試體受力高度(3,250 mm ),即RC梁正中心至RC柱底之高程差。藉由Drift Ratio(%)及油壓致動器之載重總和(kN),可得試體之位移-側力曲線圖。加載程序採用三角型位移波輸出(圖5),並控制油壓致動器輸出力至層間變位角對應之位移以定速加載,每個層間變位角執行三個迴圈後,再進行下一階段層間變位角。

三、試驗結果

FS試體為本文空構架試體(圖6-a),實際基礎混凝土強度為100.61050-7-1、實際梁、柱混凝土強度為190.81050-7-1。試驗DR = 2 %之前,於柱頂及柱底產生撓曲裂縫,DR = 2 %後,開始有45度角剪力裂縫於柱頂及柱底處產生;當試驗達DR= 3 %的 +1迴圈時,達到試體極限強度為252.1 kN(圖6-b);試驗進行到DR = 5 % 的 +2迴圈時,右柱柱頂產生明顯剪力裂縫,於 -2迴圈時,右柱柱頂產生嚴重損壞而喪失垂直承載能力,試驗遂終止(圖6-c)。FS試體模擬既有校舍非韌性配筋,當剪力破壞發生時裂縫迅速擴張,最後破壞屬於無法再承受軸力的非韌性柱剪力破壞,其試驗之載重-位移遲滯迴圈如圖6-d所示。

FSW-19試體為本文開窗補強試體(圖7-a),實際基礎混凝土強度為92.91050-7-1、實際梁、柱混凝土強度為184.21050-7-1、實際牆體混凝土強度為349.11050-7-1。試驗於一開始DR = 0.125 %時,於開窗四個角隅處已產生許多應力集中的細長裂縫;至DR = 1 %的 +1迴圈時,試體達極限強度為1072 kN,此時開口左、右側產生明顯的剪力裂縫(圖7-b);當試驗進行至DR = 1.5 %時,開口兩側剪力裂縫迅速發展,同時於剪力裂縫路徑上均有混凝土剝落;於DR= 2 %的 -2迴圈結束時,於試體右側喪失垂直呈載能力,致使試驗終止(圖7-c)。FSW-19試驗之載重-位移遲滯迴圈如圖7-d所示。試體最後破壞情形,主要破壞集中於左右兩側柱頂至開口下方、高寬比約為2比1的區塊內,此結果是因為增設高約95公分的窗台束制了既有柱的有效長度,而使破壞會集中在窗台上方;而觀察窗台及梁底垂壁處,除了角隅處因為應力集中所產生的裂縫外,其他地方無明顯裂縫生成,此結果表示窗台及梁底垂壁設計深度足夠,使之在傳遞剪力的同時,不至於超過其彎矩容量。FSW-19為一透過植筋補強的試體,但於試驗中並無明顯觀察到因植筋補強所導致的裂縫,驗證本次試驗植筋強度足夠。

兩試體試驗極限強度及位移比較整理如表1所示,可發現經補強後試體極限強度之位移點退縮為未補強的1/3,但經補強後,強度上升為未補強的4.25倍。又將兩試體載重-位移遲滯迴圈包絡線(圖8)之上升至0.7倍最大強度點與原點連線之斜率定為彈性勁度,下降至0.8倍最大強度點之位移定為極限位移1050-7-19,最後再以極限位移前之曲線下面積相等,求得完美彈塑性之降伏位移1050-7-20與最大強度1050-7-21[4] (圖9),透過此一轉換可以更明確比較補強前後試體間勁度之變化,試體勁度計算公式:

1050-7-3

除了試體勁度之外,亦可以極限位移及降伏位移之比值求得試體補強前後韌性容量R之改變,韌性容量計算公式:

1050-7-4

本次試驗FS試體勁度為4.441050-7-5,韌性容量為3.01,如以空構架勁度及韌性容量為基準,補強開窗試體FSW-19試體勁度為77.791050-7-5,提高至原本空構架勁的17.52倍;而FSW-19試體韌性容量為4.08,提高至原本空構架的1.36倍(表2)。

四、 結論

1.在本文所述條件下,對既有校舍補強一大面積開窗剪力牆,配置雙排#3、28001050-7-1、間距20公分牆筋鋼筋,側力強度增強至未補強的4.25倍,勁度提升至未補強的17.52倍;惟牆體混凝土強度較一般分析模型為高,此提升倍率僅用於試驗比較,工程師於應用上應以設計混凝土強度做分析。
2.由試驗結果,開窗剪力牆補強後之最大層間位移角Drift Ratio仍可達2 %,表示適合用於強度及勁度補強為主的低矮型建築物上。
3.於本次試驗中,並無明顯觀察到因植筋補強所導致的裂縫,驗證依照本文雙排#3、28001050-7-1、間距20公分、埋置深度10公分之植筋設計配置下,介面強度足夠,但工程師於植筋施作前仍須確實進行植筋拉拔試驗。
4.開口剪力牆補強工法,能滿足既有校舍通風及採光要求外,相較於翼牆補強工法,其能排除翼牆補強後既有梁強度不足的情形;相較於擴柱補強工法,其強度提升之幅度更高,可有效減少補強面積。
參考文獻

[1] 蕭輔沛、鍾立來、葉勇凱、簡文郁、沈文成、邱聰智、周德光、趙宜峰、翁樸文、楊耀昇、禇有倫、涂耀賢、柴駿甫、黃世建,「校舍結構耐震評估與補強技術手冊(第三版)」,國家地震工程研究中心,NCREE-13-023,台北,2013年。
[2] 張庭瑜、鍾立來、曾建創、楊耀昇、王郁傑,「結構耐震補強:三號鋼筋之植筋」,台灣省土木技師公會,技師報第999期,第7~8頁,2016年。
[3] 內政部營建署,「混凝土結構設計規範」,台北,2011年。
[4] 鍾立來、吳賴雲、林琨偉、楊耀昇、連冠華,「以現地試驗檢核校舍結構耐震能力之初步評估」,中國土木水利工程學刊第二十四卷第三期,第299~311頁,2012年。

表1 補強前後之極限強度及其對應的位移

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表2 補強前後之勁度及韌性容量

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 未補強構架FS配筋圖 (單位:cm)

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補強構架FSW-19配筋圖 (單位:cm)

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開口剪力牆施作流程

 

 

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4  測試佈置立面圖 (單位:cm)

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側力加載歷時圖

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6  FS試體試驗過程及載重-位移遲滯迴圈

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7  FSW-19試體試驗過程及載重-位移遲滯迴圈

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8  試體補強前後載重-位移遲滯迴圈包絡線比較

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9  試體補強前後完美彈塑性比較

 

 

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