抗震利器〝剪力牆〞

錢華權 技師

 剪力牆(Shear Wall)也稱之為耐震壁,一般用在房屋方面較多,當然在任何的構造物上都是很好的抵抗地震的結構物。由於剪力牆的勁度很大,要比柱子大上許多倍,因此剪力牆可以承擔極大部份構造物的水平力,而柱子就承受小部份的水平力,設計了剪力牆則無形中可以減小了柱子的尺寸。剪力牆並非只能承受水平力,當然也可以承受垂直力,即為所謂的承壓牆(Bearing Wall)。

 台灣的結構物以鋼筋混凝土為主,剪力牆就幾乎全部都是鋼筋混凝土牆。當然其他材料也未嘗不可,台灣的紅磚牆以往用的非常多,不過一般的砌法過於簡單,而且沒有用鋼筋加強配置,所以不用紅磚牆來做剪力牆。

 實際上在美國用磚牆來做剪力牆的還是限多,但是所用的是品質優良的水泥空心磚,砌法講究,加配加強橫筋,而且在空心中加置垂直筋,因此成為一道像鋼筋混凝土一樣堅固結實的牆,當然可以做為抵抗風或地震的水平力,作為剪力牆,當然也可作為承壓牆,承載垂直力。若在一定的距離在牆中加置直鋼筋及箍筋加強後,做成柱子,這樣即可用空心磚來做低層樓房,其價格比鋼筋混凝土建造者為便宜。三十多年前,筆者設計台中公館(清泉崗)機場時,因為由美軍請美國公司設計該機場及設施,於是用空心磚牆做機場內各種軍事房屋。在那時開始接觸到空心磚牆的設計,至後在國外做了很多的空心磚剪力牆房屋的設計。不過美國的空心磚規格及製作都非常嚴格,有一定的標準,因此堅固不漏水。台灣也有做空心磚,但是因為製作品質乃至砌置都不那要求,漏水是最大間題,因此很少有人使用。

 為何稱〝剪力牆〞為抗震利器呢?因為它的勁度很大,在地震或極大之地區,以筆者之經驗,如果考慮或善於運用剪力牆,的確在結構物之處理及造價上,可以發揮出相當大的效果。有時在結構上很難解決的抵抗地震力問題,可以利用以牆來作成剪力牆而達成目標。

 抵抗地震力系統是個不易解決的問題,筆者曾設計了一個很大的實驗室,即利用地下深坑之擋土牆作為剪力牆,將巨大的地震力,由地面下經擋土牆傳遞,解決了問題。此設計的工程為美國史丹福線加速中心(Standford Linear Accerlerator Center,簡稱SLAC)線撞擊器之巨大實驗室。整個實驗室由地上及地下二大部份所組成,因為當時所做的這一個線加速撞擊器為全球最大的一座,因此容納的實驗室結構物至為重要。而史丹福大學正地處強震斷層附近,經地震專家們研究結果,採用二倍於規範所定的地震係數來設計此巨大實驗室。

 由於實驗室之靜重及設備頗重,所計算的地震力非常驚人,如何將如此大的地震力於地面與建築物間傳遞,確是很不容易處理的問題。經思考後,先利用地面之舖面加以加強,作為橫向傳力隔板(Diaphragm)。將巨大之水平力傳至鋪面,再由鋪面將力傳至地坑之擋土牆。地坑之尺寸為71M長,20M寬,17M深。地坑四周之擋土牆為由鑽入砂岩之高拉力鋼棒預力岩錨(Tiebacks)所組成的鋼筋混凝土牆,牆厚為38公分。但因有預力岩錨之作用,而由混凝土牆與砂岩之密切結合乃使牆之勁度大增,足可承受巨大之水平地震力,而形成一相當穩定的剪力晼C於是地坑之四壁正好配成二個方向各有二道剪力牆,恰好將計算之地震力傳入地下,此乃實驗室結構設計之幾個大問題之一,就這樣利用了擋土晪@為剪力牆而解決了。

 當然這是計算時設計地震力由上而下計算,實際上地震時由於地面之震動,將力由擋土牆(剪力牆)傳至地面上部之結構。在細部設計初步定案時,由業主美國能源部(DOE)特聘一家著名工程顧問公司複審,經過該公司的老闆,知名的工程前輩,親自審核後,在他的評語中,稱如此利用擋土牆作為剪力牆以承受並傳遞地震力之舉乃是一生存之道(Viable Approach)。