結構耐震設計:雙塔式建築連接梁之設計需求(上)

鍾立來1,2,3、賴濤2、賴昱志2、曾建創1,2、黃國倫4、楊培堅5、江世雄6

1國震中心、2臺大土木系、3成大土木系、4內政部建研所、5大彥工程顧問公司、6省結構技師公會

一、前言

臺灣地狹人稠,許多建築於設計階段時,為在建蔽率及容積率間取得平衡,於可接受範圍內提升其樓層數;此類高樓層建築可以是商用大樓、亦可為民眾住宅、又或是兩者合一之住商混合大樓,有時為了使用上之規劃,會將多棟建築於中間樓層處,透過樓板相連,用來提供內部使用者於不同建築內通行之通道;此種連結之設計,既可降低主要通道之人潮流量、亦直接減少較高樓層使用者上下樓層所花費之時間。

相鄰之二棟塔樓,在地震過程中,其樓層之絕對加速度,隨時間而變化,樓層之地震力 (慣性力,即樓層質量與其加速度之積) 亦隨之變化。在任一瞬間,二棟塔樓可能作同步運動,亦可能作反向運動。以二棟塔樓所構成之立面為基準,當地震力作用於面外方向,若二棟塔樓作同向運動,此時二棟塔樓相接之樓板,承受之剪力不大;若作反向運動,則相連樓板所承受之剪大相當可觀[1]。若僅考慮二棟塔樓受到同向之地震力(同時達到正最大絕對加速度,或同時達到負最大絕對加速度),則會嚴重低估相連樓板之剪力需求,非常不保守。若僅考慮二棟塔樓受到反向之地震力(一棟達到正最大絕對加速度,另一棟達到負最大絕對加速度),則高估相連樓板之剪力需求,則又太保守。因此,考慮最惡劣之境況(即二棟塔樓受到反向地震力),並依規範取此境況之相連樓板的剪力,折減為0.6倍為剪力需求,應為合理。

地震力作用於面內方向(相對於二棟塔樓所構成之立面),若二棟塔樓作同向之運動,連接二塔樓之梁,承受之軸力不大,但彎矩相當可觀。若二棟塔樓作相向運動(互相靠近), 連接梁承受可觀之軸壓力及彎矩。若二棟塔樓作背向運動(互相遠離),連接梁承受可觀之軸拉力及彎矩。若連接梁之軸力相當,不能再以梁構件視之,應改以柱構件設計之。

本文旨在探討二棟塔樓之連接梁,在地震過程中之可能受力情境,並考量其發生之可能性,進而設定連接梁之設計需求,供工程師參考,以作合理之設計,避免非預期且不良之破壞模式。參考土木404-100之案例[2],擴充為雙塔式建築結構,而以二棟塔樓承受同向地震力、僅一棟塔樓承受地震力、二棟塔樓承受反向地震力等五種載重情境,檢討連接梁之軸力及彎矩,從而訂定連接梁之設需求,以免過低或過高。

二、連接梁之內力分析

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2.1 二塔樓同時達正向之最大地震力

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表1 塔樓之樓層地震力

樓層

樓層地震力 (tf)

RF

222.15

10

143.77

9

128.49

8

113.20

7

97.92

6

85.80

5

70.08

4

54.39

3

38.50

2

24.96

 

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圖1 雙塔式結構之一、二樓平面圖

 

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圖2 雙塔式結構之三樓及其上樓層平面圖

 

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圖3 雙塔式結構之立面圖

 

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圖4a 左側塔樓相連梁之自由體圖

 

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圖4b 右側塔樓相連梁之自由體圖

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