「結構耐震補強 開口剪力牆補強工法」一文之我見

拜讀本報第1050期『結構耐震補強:開口剪力牆耐震補強工法』一文,筆者斗膽提供改進意見供工程先進參考。衆所皆知,剪力牆之強度與勁度均很高,可以說是最有效之耐震補強元件,但也因其具有高強度與高勁度,因而可吸收較大的水平地震力,會引致較高傾倒力矩,因此剪力牆之既有基礎之抵抗傾倒及上舉能力,常有大幅不足的現象。

位於地面以下之剪力牆基礎,其結構補強相當困難,且補強經費龐大,施工期亦長,常導致校舍在暑假期間無法完成補強作業而造成校方之困擾。筆者曾參與多件公有校舍及公有建築物之耐震能力詳細評估及補強設計審查,在初期審查工作,常見有使用剪力牆作為補強元件,其補強抵抗地震力之效果非常好。要在一字形校舍之長向配置二片剪力牆,就可完成耐震能力詳細評估工作,但審查時發現,幾乎沒有針對剪力牆之基礎,進行檢核及補強的案例。經查詢為何未檢討剪力牆傾倒力矩對基礎所產生之一端上舉,及另端下壓的現象時,大多數回覆是沒想到;亦有認為基礎不需補強者,所持之理由是當基礎承受不了水平力時,基礎會上舉而轉動,而不會損壞,此種觀念若將基礎之勁度極端弱化,衍伸至接近鉸支承時,此剪力牆本身雖具有高強度與高勁度,其基礎在沒有束制的情況下,就沒有能力發揮剪力牆的效用。

況且剪力牆之基礎若產生轉動現象,即表示原預計由剪力牆承受之水平力,須改由梁柱構架承受,此時構架的耐震需求就會增加,而致整體結構耐震能力不足。當然若將周邊地梁之勁度及支承土層之彈簧勁度,輸入分析模式中即可得到較接近實際行為的答案,惟此種作法,除分析模式輸入較複雜外,此時的剪力牆效益也就不高了。另外,因為剪力牆具有高勁度,致水平地震力進入剪力牆之前,所經過之傳力路徑產生力量集中現象,對既有梁須承受額外之軸力,及版須承受額外剪力,其補強設計常會遇到既有結構補強困難的狀況,因而提高了剪力牆作為補強元件的困難度。也因為這些因素,到了審查後期,除了具有地下室之房屋建築物,可利用一樓版及地下一樓版,作為抵抗傾倒力矩的基礎束制條件外,對於一樓樓版尚須扮演橫隔版的角色,而致既有樓版系統補強困難或補強費用太高的問題。

由於剪力牆基礎補強困難度較高,後期幾乎未再有採用剪力牆作為補強元件的案例。剪力牆元件要有效發揮作用尚須有以下條件:1、足夠位置可供配置足夠數量之剪力牆,以分散集中力;2、須儘可能對稱配置,以免產生過大的偏心扭力;3、剪力牆避免集中配置於中央區域,以免出現抗扭能力不彰的情形;剪力牆配置儘可能均匀分布,以免傳力路勁過遠及橫隔版產生過大之面內彎矩;4、剪力牆豎向避免中斷或錯位,致橫隔版產生過大之面內剪力及彎矩。

基於以上觀點,筆者針對『結構耐震補強:開口剪力牆耐震補強工法』一文,提供下列改進意見供工程先進參考,亦避免於實務上不當之引用致生安全疑慮,或使用上造成不便的困擾。

該文所使用未補強試體之單層梁、柱框架,其基礎為寛140cm×深50cm,主筋採用上下各各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;至於上方梁認為63cm×50cm,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#3U型箍筋,端部配置135度彎鈎 (圖1)。因該文規劃之試體,上、下梁尺寸均遠大於一般實務上常見之梁及地梁尺寸,且由圖2顯示,基礎(地梁)係以8支大型錨定螺栓固定於地版上。此種現象除了無法反應撓曲或剪力破壞模式會先發生在上梁或地梁,尤其是上梁須兼具集力梁的角色,負責將水平地震力傳遞進入剪力牆的任務,因此集力梁會有一端承受拉力,一端承受壓力的現象。既有校舍原有梁構材之配筋量,不太可能有餘裕可承受額外增加的軸力,且一般分析模式中大多將樓版設定為剛性橫隔版,致集力梁構材額外承受軸力及剪力牆周邊版構材承受額外剪力之現象,無法顯現在分析結果中,而必須由人工作後續的額外檢核。

由於基礎(地梁)再以8支大型錨定螺栓固定於地版上,因此亦無法反應傾倒力矩對既有基礎之一端上舉力及另端下壓力,是否須作補強的問題。而此部分卻是決定是否可採用剪力牆關鍵判斷因素。另該文對於剪力牆作了大面積開口,以減弱勁度。然試驗結果顯示,開口剪力牆構架與原構架相比,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。因此傾倒力矩對基礎的影響甚大,仍不可忽視。

由於上梁之尺寸達63cm×50cm,遠大於一般實務上常見之梁尺寸,其勁度與強度對剪力牆垂壁產生了束制作用,大部分之力量均已由上梁承受。因此無法作成:『剪力牆垂壁柱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』,以及『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』之結論。

該開口剪力牆試體之配筋:「植筋採#3埋置深度10公分,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。於符合規範規定之最小鋼筋量要求之下,試驗採用#3雙排2,800 kgf/cm2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#4雙排4,200kgf/cm2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280kgf/cm2 為牆體混凝土抗壓強度之設計值」。

筆者認為此種牆筋及補強筋之配置型式,以「符合規範規定之最小鋼筋量要求之下」作為配筋之準則,而未考慮到彎矩與剪力之分配梯度,牆筋及補強筋之配置型式與非結構隔間牆相似。致開口剪力牆補強試體(FSW-19:實際梁、柱混凝土強度為184.2kgf/cm2、實際牆體混凝土強度為349.1kgf/cm2)在試驗於一開始層間變位角(Drift Ratio, 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 (此牆筋之配置型式與非結構隔間牆相似,亦可由開口剪力牆構架與原構架相比,勁度提升至未補強的17.52倍,而側力強度僅增強至未補強的4.25倍而已得證);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。由於此補強試體之配筋型式屬非結構牆之配筋方式,因此試驗一開始層間變位角達0.125 %時,已有明顯裂紋產生,此種在中、小地震,即會產生裂縫的情形很難被校方所接受,設計工程師也很難向校方啟口說明,學生家長看到也會嚇壞。筆者也納悶為何不是在做既有建築物的耐震評估,必須牽就原有配筋型式及配筋量,而是在做新增補強元件的設計,為何仍以非結構牆之配筋及角隅補強方式為之。

在補強設計實務上,分析模式中已建有原構架之梁及柱構材,梁及柱構材已是構架的一部分。而本案開口剪力牆試驗試體係含有構架,因此試體結果卻合併原有梁、柱構架強度再度使用之貢獻的現象,實務上各補強設計案件,其牆之開口大小及配筋均不同、構架梁及柱之尺寸及其配筋量亦不同,導致研究成果不易應用於補強設計實務上。因此筆者建議將研究成果轉為目前工程師慣用之等值斜撐或等值柱的作法,較為實際可行。

該試驗中『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之2,800kgf/cm2,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』,但未進一步確認剪力牆植筋量是否有超量使用?筆者建議以極限強度1072kN進行剪力摩擦檢核或設計。

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圖1 未補強構架FS配筋圖 (單位:cm)

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圖2  未補強構架基礎以大型錨栓固定於強力地版上

 

結語

剪力牆補強元件的優點很多,但缺點也不少,該文僅對開口剪力牆的優點作了闡述,但未對剪力牆未被廣泛採用的原因,及若採用剪力牆作為補強元件時,應注意或須檢核的事項提出說明,以提醒工程師注意,如此恐會產生誤導及誤用的情形。鑒於剪力牆補強元件之勁度過高,承受過多地震力,而造成力量過於集中於剪力牆周邊構材及其基礎之現象,致周邊構材檢核結果不易符合安全需求,而侵蝕失去了剪力牆補強元件的效益,也因此剪力牆補強元件在校舍建築物耐震補強設計實務上,幾乎無用武之地。因此筆者建議以鑲嵌"口"字形梁柱框構架,其力學行為有如耐震間柱的功用,因為此種耐震間柱補強元件可依設計規範之規定進行耐震韌性配筋,既可避免過早產生裂紋,韌性又佳,且勁度亦不致增加太高,也不會造成基礎補強困難的問題,又能滿足既有校舍通風及採光需求,可謂兩全其美。以上建議供工程先進參考,不當之處亦請不吝指正。

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