談剪力牆之設計重點

一、前言

使用ETABS程式分析一棟地上14層地下2層之鋼筋混凝土構造結構物,其結構系統為韌性剛構架加剪力牆系統。於受地震側力時,在一樓版與地下一層間之剪力牆產生相當大之剪力值,約1,000噸左右,ETABS分析結果及剪力圖分佈如圖一所示。該牆需要(0.4m×4.0m)之尺寸,致使該剪力牆無法設計出來。此時設計者常會懷疑該力學現象是否正常?抑或以適當假設、分析,可將該剪力值降低,以利剪力牆之設計。

 

圖1 剪力牆層剪力分佈示意圖

二、剪力牆穩定之力學行為

以上問題可藉由剪力牆穩定之力學行為來說明。上部結構之剪力牆,沿牆面方向之勁度較其他柱構材之勁度高出很多,因此剪力牆會承受結構物大部分之水平地震力或風力,進而產生極大之傾倒力矩及剪力。剪力牆承受此傾倒力矩及剪力,便需有良好的穩定措施,才能發揮剪力牆之功能。

剪力牆之穩定方式與剪力牆在建築物地下室中之位置有關,其座落位置大約可分為剪力牆座落於地下室外牆上及座落於地下室內部2種情況。

剪力牆座落於地下室外牆之上方時,地下室外牆與剪力牆成為一體,同為剪力牆系統,其穩定方式係藉由地下室牆體將傾倒力矩及剪力向外擴展傳遞至整個地下室箱體,再由土壤之承載力及摩擦力來承受(見圖2)

圖2 剪力牆位於地下室外牆上時,地下室牆體傾倒力矩擴展傳遞示意圖

當剪力牆座落於地下室內部時,如果剪力牆有繼續向一樓面以下,至少延伸一層樓高以上時,此時地面以下部份之牆體穩定之主要力學行為已不是以剪力牆為主之功能,而是作為上部剪力牆傾倒力矩之錨定措施為主要功能,其錨定或穩定方式如圖3所示。圖3a中剪力牆之穩定方式,為由一樓版(橫隔版)與地下一層樓版利用槓桿原理所提供之水平力力偶來抵抗傾倒力矩及剪力,並藉由橫隔版之傳遞(見圖4),將此水平力傳至地下室箱室外牆上。其簡化之力學模式如圖5所示,其中MT≒MB,,因MB很大,h很小故所產生之剪力便很大。當然在剪力牆二端之邊構材之基底部亦會受土壤反力及地梁或基樁的束制,亦會產生一組垂直力力偶來分擔傾倒力矩,但因地梁或基樁之勁度與水平橫隔版及地下室箱體之高勁度相比,仍明顯較小,因此,這組垂直向力偶對剪力牆抵抗傾倒力矩之貢獻較不顯著,也因這個因素,致使地面層以下之剪力牆段,未能有效扮演剪力牆之角色來協助地下室外牆分擔地面以下之水平剪力;僅做為上部剪力牆結構系統之穩定系統為主。故圖3a之情況上部剪力牆傾倒力矩之穩定系統,係以地下一樓剪力牆段之水平力力偶系統為主。

剪力牆亦常有因位於地下室部份之牆體位置另有做作為通道或其他用途而無法往下延伸至地下室內(圖3b),而必須中止於地面層之情況,此時剪力牆之穩定系統便無法形成一組水平力力偶來抵抗傾倒力矩及剪力,而必須全部依賴垂直向力偶來抵抗傾倒力矩,剪力牆之邊構材須向下延伸至基礎來負責傳遞垂直力力偶之軸力,此邊構材除須按中國土木水利工程學會所出版之「混凝土工程設計規範與解說」(土木401-86)第15.5.4.1至15.5.4.5節之規定,於柱之全長配置橫向圍束箍筋外,亦須有適當的地梁或椿基礎供其錨定,如此剪力牆穩定系統才算完整。

 

圖3 斜撐構架穩定系統力學平衡模式示意圖

 

圖4 一樓橫隔版水平力傳遞至地下室外牆力學模式示意圖 

圖5 水平向力偶抵抗傾倒力矩之簡化力學模式

另外,剪力牆在一樓上緣及一樓下緣之剪力符號為相反,但剪力為同向,因此一樓樓版須承受剪力牆於一樓面上緣及下緣剪力和之總剪力。故在一樓版面之剪力牆四周須檢核橫隔版於剪力牆周邊之局部抗剪能力,是否足夠承受此總剪力(見圖6),並藉由一樓橫隔版平面內之水平向彎矩及剪力強度,將其消散傳遞至地下室周邊外牆上(見圖4)。但通常剪力牆核心常會用來做電梯間、樓梯間等用途,外側亦有時會做為管道間或採光天井等用途。此時剪力牆在一樓之周邊抗剪能力就不容易滿足需求,也就是剪力牆之固定度,不能符合由建築結構專用程式(ETABS)假設樓版橫隔版為剛性的條件下,所分析而得之高水平力及傾倒力矩,甚至產生很大之差距。此種情況電腦分析模式應適度減低剪力牆之固定度或加強剪力牆在一樓版面之局部週邊剪力之補強設計(見圖6)。

圖6 斜撐構架或剪力牆周邊局部抗剪能力檢核模式

三、結論

建築結構設計時,如擬採用剪力牆結構系統,於設計之初便須先檢討各項條件是否可以滿足才可採用,否則等到最後階段才發現剪力牆之抗剪強度不足或穩定措施無法滿足需求,而被迫必須退回採用韌性立體剛構架系統或其他結構系統時,則會影響設計進度及建築之功能配置。採用剪力牆結構系統之設計條件可歸納如下:

(1)剪力牆之牆量是否足夠,避免造成建築物之總剪力集中在少數牆上,導致無法配筋或施工困難。
(2)剪力牆之分佈位置是否大致均勻分佈。
(3)剪力牆之分佈位置是否大致對稱配置。
(4)剪力牆之配置是否提供良好之抗扭性。
(5)剪力牆之穩定性或固定狀況是否良好。
(6)進出剪力牆之集中力是否能夠適當消散。
(7)橫隔版之開孔狀況及高低差情況是否會影響橫隔版之勁度或功能。
(8)橫隔版之形狀是否為長條形,其變形量是否太大,或建築空間有無增設垂直於長向之地下牆以減低橫隔版變形之條件。
(9)剪力牆是否可延伸至地面以下而不影響停車或其他使用功能。
(10)剪力牆本身之門窗等之開孔情況,是否會影響剪力牆之功能。
從以上討論可知結構系統之選用須有事前的規劃,才能發揮其效果及安全性,使設計案件順利完成。

【參考文獻】
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