既有鋼結構建築是否安全無虞?

在921大地震後,鋼結構建築似乎成為耐震建築同義詞。的確在鋼構造歷史中,似乎也不曾發生超高層鋼構建築倒坍的案例。許多建商也以鋼構造、SRC構造等標榜,好像只要與鋼構造沾上邊,就等於是地震來不會出問題的保證。可是鋼結構建築真的就是如此完美嗎?

回顧歷史,美國加州在1994年發生有名的北嶺(North Ridge)大地震震度6.8級,隔年日本阪神發生規模7.2的大地震。兩者災害調查都發現鋼結構大樓有一定程度的損壞。美國FEMA在北嶺地震中更發現,許多損壞的鋼骨接頭並非這次大地震造成。表示在之前的歷次地震中(如Loma Prieta,1989;Landers, 1992;Big Bear, 1992),在當地震度不算大的情形下,即已造成一些樑柱接頭的龜裂[1,2]。

一般鋼結構由於被包覆於防火材料內,外面再以矽酸鈣板等隔間或天花板等包覆。而這些材料為了適應鋼構較大的層間位移,都有一定程度的柔軟度,與RC結構有很基本的差異。因此除非結構體已有嚴重到目視可見的明顯傾斜、變形,否則不容易被發現或引起注意。這與鋼筋混凝土可從外面輕易的直接檢視表面狀況,或在還不算大的變形時,外飾磁磚、石材會脫落掉下來等狀況,有完全不一樣的效果。所以歷次地震後,大家廣泛的針對RC構造物作各式的評估與補強。但是鋼結構大樓是否受損,似乎欠缺了應有的注意。

檢討鋼結構接頭破壞的型式,FEMA有相當多的調查與分類。其中值得注意的是,原本規範中普遍使用的鋼構接頭的細部設計形狀,卻常是耐震性不佳的主要原因。茲舉其中幾個常見到的情形:

首先是電焊中常使用的起弧導板(End tab)電銲後未切除的問題。電銲中為了起弧與終弧時,電壓電流不穩定,容易導致缺陷。又為了要讓融化的鐵水堆積成完整的銲道,在銲道的頭尾端都會使用(照片1)。但正如剛才說明的,起弧導板上的銲道常存在有許多銲接瑕疵,因此若不加以切除,在樑柱接頭的銲道在將進入韌性階段時,即因這些銲接瑕疵而開裂、延伸而迅速導致整個銲道的破壞。

第二個問題則在大樑腹板,在上翼板邊為了能夠安裝背墊板(backing bar)以免鐵水滴出,以及下翼板交接處為了銲條能夠伸入所開的上下兩個扇形孔(access hole)。由於採用半圓弧形的切削方式,在翼板與腹板交接處的90度交角,產生集中應力的現象。又由於腹板與柱相接的連接板,仍能傳遞一定程度的彎矩。(雖然設計的理想假設中,腹板僅用來傳遞剪應力)這在柱子為H型鋼或十字柱等在樑腹板位置有相對應的板件時,更為明顯。於是導致翼板銲道與翼腹板交接處的應力集中的現象進而導致開裂。

第三、如上所述,翼腹板處有應力集中的現象,在上翼板處由於銲接時可以一氣呵成,並不容易在該位置留下銲接的問題,所以應力集中對銲道的影響較不明顯。可是下翼板由於腹板的阻隔,銲接時無法一次延續銲接至對側,所以在中間勢必要分成兩次來電銲(照片2)。又由於銲道超音波檢測時,由於腹板的阻擋,幾乎不會檢測該處銲道的完整性,因此銲工也習慣於將該處當起弧處與終弧位置來銲。因此存在很多缺陷,導致受力大時由該位置開裂並延伸。

第四、背墊板與柱之間的間隙產生如裂縫般的尖端集中應力(請參考技師報833期)[3]。由於下翼板的背墊板在外側,受力更大,因此容易從該處裂開。

由以上原因的歸納說明,大家可能會問的問題是:台灣是否有這些問題?答案是「是的」,由於我們一向採用與美國相同的接頭設計方式(照片三),以上所述的問題,我們不僅同樣都有,而且由於國內鋼結構施工規範久未修改,所以至今許多構造物還是繼續延用或部分在使用同樣的方式在繼續施工。因此對於其安全性值得大家正視。

對於舊有鋼構造相關的評估與補強方式,事實上FEMA已有完整的建議方式可以參照[2],因此建議政府或相關人員正視此一問題,儘速建立與鋼骨構造相關評估與修補規定,才能保障國民的生命財產安全。從另一方面說,由以上所述這些接頭龜裂的因素,則建議可以列為技師先進銲接接頭設計時的參考。

參考文獻

1.「New AWS D1.8 Seismic Welding Supplement Outlined」 by Ronald O. Hamburger, James O. Malley and Duane K. Miller, Welding Journal, Feb. 2007.
2.FEMA 351,「Recommended Seismic Evaluation and Upgrade Criteria for Existing Welded Steel Moment-Frame Buildings」, 2000
3.劉澤山(2013)。幾個鋼結構電銲接頭的規範問題。技師報,883。

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照片1 起弧導板

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照片下翼板電銲時無法將銲道一次銲完

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照片3 一般標準的樑柱接頭外觀

 

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