結構耐震補強：以高強度錨栓連接外加RC構架之工法

梁瀞方1、李梓綸1、鍾立來1,2,3、邱聰智1,4、賴昱志5、鄧凱文1

1臺大土木系、2國震中心、3成大土木系、4臺科大營建工程系、5土木/結構技師

國內推廣既有建築物結構耐震補強，行之有年，於校舍補強時，常採擴柱、翼牆、剪力牆等補強工法進行耐震補強。惟此類補強工法，雖可有效提升結構物之耐震能力，但用於補強過程中不可影響其功能之建物(如：醫院、廠房或私有建物)，有其侷限性；針對此類建築，可參考日本之外加構架補強工法[1-2]，該工法係於既有建物之弱向外側，新增一面外加構架，與既有建物連結進行補強(圖1)，透過傳力構材，將地震力由既有建築物傳遞至外加構架，由於主要補強位置位在建築物外側，可降低補強過程對於既有結構使用功能之影響。

因該補強工法，係將地震力由既有結構傳遞至外加構架，故除外加構架本身外，地震力能否順利傳遞至外加構架，攸關補強成敗。林聖學等人[3]，提出採用新增之樓板連接既有建物與外加構架，其中樓板之鋼筋植入於既有梁內(圖2)，並藉由樓板剪力傳遞試驗[4]驗證該工法之可行性；顏瑋利等人[5]，則採植筋的方式連接既有構架與外加構架作為傳力機制。

考量既存結構柱內可能存在管線等問題，且植筋之施工品質較不易掌控，本研究採用高強度錨栓作為補強之接合方式，即於既有構架之梁構件穿孔，穿入高強度預埋螺栓至新增梁構件(圖3)，藉此將剪力傳遞至新增之外加構架，該方法較植筋容易施作，較能掌握施工品質。本研究製作試體，驗證該工法之可行性。

一、試體設計

試體設計配合試驗配置，縮尺為實尺寸之0.45倍，於國震中心MATS系統進行試驗，試體分為未補強試體(PT)與補強試體(AB及PB)。未補強試體為一門形構架，結構尺寸如圖4，其柱之淨高為135cm、梁之淨跨度為189cm、既有柱尺寸為13.5cm x 22.5cm、既有梁尺寸為13.5cm x 27cm，柱、梁之斷面細節如圖5，既有梁之梁頂增厚5cm，確保外加垂直載重直接加載在既有構架。補強試體之結構尺寸如圖6，其於既有構架之一側，新增一面構架，分別透過高強度錨栓及植筋兩種方式，連接既有梁與新增梁。透過高強度錨栓連接之試體為AB試體、透過植筋連接之試體則為PB試體；外加構架的柱淨高為139.5cm、梁之淨跨度為171cm、新增柱尺寸為22.5cm x 22.5cm、新增梁尺寸為13.5cm x 22.5cm，柱、梁之斷面細節如圖7(圖7之梁寬18.9 cm含新增梁與既有梁間填充之混凝土，非實際梁寬)；由於既有構架之梁構件位於構架中心(圖6)，為連接既有梁與新增梁，新增梁採偏心設計(新增梁鄰既有結構一側與新增柱貼齊)，新增梁與既有梁之間，則直接澆置混凝土，並配置溫度鋼筋(圖7b最左側之梁筋不錨定)，為避免既有柱與新增構架間之混凝土，會高估影響剪力傳遞效果，於圖6俯視圖陰影處進行部分隔離。

既有柱、梁斷面之混凝土強度採210kgf/cm²；鋼筋設計降伏強度採2800kgf/cm²；新增構架之混凝土強度則採280kgf/cm²；主筋設計降伏強度採4200kgf/cm²；箍筋設計降伏強度採2800kgf/cm²。試體AB採6根A325-M10接合既有構架與新增構架，其設計如圖8；試體PB則採6根D10(#3)鋼筋透過植筋方式連接既有構架與新增構架，其設計如圖9。試體AB及試體PB之接合設計，均採用規範[6]，進行設計及檢核，確認採螺桿及植筋設計之剪力強度，均大於可能傳遞之最大剪力，詳細之計算流程可參照文獻[7]。

二、試驗結果比較

試體於國震中心MATS進行往復載重實驗，詳細之試體施工流程及試驗細節可參照文獻[7]，各試體之混凝土強度及鋼筋降伏強度如表1及表2，其試驗布置如圖10所示，於既有梁兩端部，裝設荷重計以確實量測側向力，並於試體兩側加裝側撐降低扭轉效應。

試體PT於層間變位角+0.5%至-0.5%時，試體行為大致保持線性行為；其於層間變位角1.5%時，達正向最大側力強度4.84tf及最大負向側力強度5.39tf；試體於層間變位角+1.5%，第一迴圈下之裂縫發展如圖11；試體於層間變位角2%時，試體已過最大側力強度點，強度開始下降；試驗最終止於層間變位角正向5%第一迴圈，柱構件發生垂直承載能力喪失，其遲滯曲線如圖12。

試體AB層間變位角+0.5%至-0.5%時，試體行為大致保持線性行為；於層間變位角3%時，達正向最大側力強度13.84tf及最大負向側力強度11.41tf；試體於層間變位角+3%，第一迴圈下之裂縫發展如圖13；試體於層間變位角4%時，試體已過最大側力強度點，強度開始下降；試驗最終止於層間變位角負向10%第二迴圈，外加構架柱構件垂直承載能力喪失，其遲滯曲線如圖14。

試體PB層間變位角+0.375%至-0.375%時，試體行為大致保持線性行為；於層間變位角1.5%時，達正向最大側力強度14.23tf及最大負向側力強度12.93tf；試體於層間變位角+1.5%，第一迴圈下之裂縫發展如圖15；試體於層間變位角2%時，試體已過最大側力強度點，強度開始下降；試驗最終止於層間變位角負向8%第一迴圈，既有柱垂直承載能力喪失，其遲滯曲線如圖16。

將三座試體之最大側向強度，彙整於表3，各層間變位角第一迴圈之包絡線，繪製如圖17。由表3及圖17可知，經外加構架補強之試體，不論採高強度錨栓接合或是採用植筋接合，只要設計及施工確實，確保側力能順利由既有結構傳遞至外加構架，試體之最大側向強度均能有效增加，試體AB及試體PB之最大側向強度，分別為試體PT之2.57倍及2.43倍。

三、結語

本研究分別採高強度錨栓及植筋接合既有構架與外加構架，並採用現行規範對設計結果進行檢核，經實驗驗證，只要確認剪力可確實傳遞至外加構架，不論採用植筋或高強度錨栓連接既有構架與新增構架，均可有效提升構架之強度，達補強目的。高強度錨栓接合相較於植筋接合，有施工品質較易掌握之優勢。本研究之實驗結果，確認高強度錨栓進行外加構架接合之方式，確屬可行，未來可用於實際結構耐震補強。惟本研究僅進行縮尺尺寸之試驗，建議未來仍可採實尺寸試體，驗證工法之可行性。

參考文獻

1.日本建築防災協會，「耐震補強工法事例集」，平成20年 (2008)。

2.Kiyoji Takeda, Kyoya Tanaka, Toshiaki Someya, Asao Sakuda, and Yoshiteru Ohno, "Seismic retrofit of reinforced concrete buildings in Japan using external precast, prestressed concrete frame", PCI Journal, pp.41-61, 2013。

3.林聖學、賴昱志、鍾立來、黃國倫、曾建創、賴濤，「使用RC外加構架補強進行結構耐震補強－以後甲國中德育樓為例」，中華民國結構工程學會，結構工程期刊，第三十一卷，第四期，第19-37頁，2016年。

4.賴昱志、林聖學、鍾立來、曾建創、黃國倫、賴濤，「外加RC構架補強之實驗研究及其於醫院之補強應用」，中國土木水利工程學會結構工程學會，中國土木水利工程學刊，第三十卷，第一期，第61-72頁，2018年。

5.顏瑋利、蕭輔沛、翁樸文、李翼安、Tirza Paramitha Pamelisa、河本孝紀、林宜靜、連顗翔，「既有結構應用DUF外加構架補強工法之試驗研究」，國家地震工程研究中心，研究報告NCREE-18-010，2018年。

6.內政部營建署，「混凝土結構設計規範」，內政部91.6.27台內營字第0910084633號令訂定，內政部100.6.9台內營字第1000801914號令修正，民國一百年七月一日生效。

7.梁瀞方，「以高強度錨栓連接外加RC構架之補強工法」，國立臺灣大學土木工程學系碩士論文，2021年。

表1 試體之混凝土實際抗壓強度(kgf/cm²)