結構耐震補強 外加構架樓板剪力傳遞之驗證

賴昱志¹、曾建創²、林聖學¹、賴濤¹、鍾立來^1,2,3、黃國倫⁴

¹臺大土研所、²國震中心、³成大土木系、⁴內政部建研所

工程師於結構耐震補強時，常使用擴柱補強、翼牆補強及剪力牆補強工法，以提升建築物之耐震能力。惟上述三種補強工法，於施工過程中均會損壞或影響既有建築物，較難運用於補強過程中運作功能不得受影響之建築物 (如：醫院)，因此本文建議可採外加構架補強工法，進行結構耐震補強；該工法乃於建築物弱向兩側，各新增一面構架進行補強 (圖1)，於補強過程中將不致於影響既有建築物之運作。外加構架與既有建築物間，可採混凝土傳力塊、樓板、鋼材等進行連接，並藉此將地震力由既有建築物傳遞至外加構架；若外加構架與既有建築物採用樓板進行連接 (圖2)，亦即於既有建築物之邊梁外側，植入短向板鋼筋，則此樓板必須有足夠剪力容量，將地震力由既有建築物傳遞至外加構架，方可達到補強效果，讓外加構架與既有結構共同抵抗地震力。

混凝土工程設計規範之應用[1] Part-IV，鋼筋混凝土建築物之整體結構設計例中，建議工程師於需進行剪力設計之樓板宜使用混凝土結構設計規範[2]， 並按規定之樓板剪力強度計算公式進行設計，其包括剪力摩擦設計法與橫膈板之剪力計算強度，並取兩法中較為保守之鋼筋比，作為樓板鋼筋設計依據。本團隊曾於技師報1018期發表「結構耐震設計：樓板剪力傳遞之驗證」[3]乙文，介紹樓板剪力傳遞試驗，並驗證使用規範[2]之規定設計樓板，確實保守可行。茲本文則將針對用於外加構架補強之植筋補強樓板進行側推試驗，藉由試驗結果，來檢視混凝土結構設計規範[2]，所規定之樓板剪力強度公式用於植筋補強樓板是否合理？實際經試驗驗證，規範[2]之規定，實屬保守可行。

一、樓板剪力強度之試驗

試體係由三支梁及二塊樓板組成 (圖3~圖7)，長370 cm、寬240 cm、高60 cm。三支梁之斷面尺寸皆為，中間之既有梁長370 cm，兩側之補強梁長360 cm，中間之既有梁較長，以便單獨施加側力於既有梁上，中間之既有梁與兩側之補強梁，心至心之距離皆為100 cm。三支梁之主筋皆為8根7號鋼筋，箍筋皆為3號鋼筋，內梁為既有梁，其箍筋間距為塑鉸區間距15cm(圖6)、非塑鉸區間距25 cm；兩側邊梁為補強梁，其箍筋間距皆為25cm(圖4)。樓板長360 cm、寬60 cm、板厚15 cm，板筋使用雙向雙層3號鋼筋，間距皆為20 cm，其中樓板短向與既有梁之連接，需植入3號鋼筋，參考張庭瑜於「鋼筋混凝土開口剪力牆校舍補強之試驗研究」[4]， 附錄A之植筋拉拔試驗，其採業界慣用植筋深度為鋼筋直徑10倍，進行鋼筋拉拔試驗，驗證於該植筋深度下，3號鋼筋之拉力強度均能發揮至1.25倍之鋼筋標稱強度以上，故本試驗之鋼筋植筋深度採10 cm；為確實掌握鋼筋之行為，於植筋前需先刨除既有梁之保護層，使植筋位於既有梁之核心混凝土內；由於考量植筋需位於既有梁核心混凝土內，且短向板鋼筋於兩側補強的邊梁之錨定方式，採一上一下(上層板筋向下錨定，上層板筋向上錨定)，較有助於混凝土圍束之效果，故試體之樓板與梁頂間有8 cm之高差(圖7)。

三、結論

外加構架透過樓板與既有結構連接，新增樓板之短向板筋，一端植入既有邊梁之外側，另一端則錨定於新增構架之梁內，外加構架之成敗取決於新增樓板之剪力傳遞。本文探討植筋補強樓板剪力傳遞之能力，並以試驗驗證混凝土結構設計規範[2]所訂之樓板強度公式。將試驗結果分別與規範 [2] 4.8.4節之剪力設計法及第15.9.7節之橫膈板剪力計算強度比較，前者為試驗強度之29.9 %，後者為51.7 %，且試驗強度亦大於15.9.7.3節之上限值規定，顯示使用規範[2]之規定，進行植筋補強樓板之設計，仍相當保守。剪力摩擦強度公式(第4.8.4節)可作為板筋於垂直剪力方向之設計依據，而橫膈板剪力計算強度公式(第15.9.7節)則可作為板鋼筋於平行剪力方向之設計依據。為避免於高鋼筋比下，樓板設計之剪力摩擦強度及剪力計算強度過高，導致不保守，兩公式皆有上限值規定(第4.8.4節及第15.9.7節)，上限值係用以限制樓板之設計剪力強度，確保設計之合理性，避免不保守，切不可直接採上限值作為樓板之剪力設計。

植筋補強樓板之短向板鋼筋植入既有梁核心混凝土內部，有助於其行為之掌握，且刨除保護層不僅具打毛之效果，亦可增加其剪力面之摩擦係數，進而提升設計剪力摩擦之計算強度，故本文建議植筋補強樓板於設計時，應將上述二點納入考量，於施工應確實落實板鋼筋植筋，並進行植筋之拉拔試驗，以確實掌握其行為，確保植筋補強樓板之剪力強度。

參考文獻

[1] 中國土木水利工程學會混凝土工程委員會（2011年11月）。「混凝土工程設計規範之應用(土木404-100)(下冊)」。科技圖書。

[2] 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。

[3] 賴昱志、林聖學、鍾立來、曾建創、黃國倫 (2016)。「結構耐震設計:樓板剪力傳遞之驗證」：技師報，第1018期。

[4] 張庭瑜（2015）。「鋼筋混凝土開口剪力牆校舍補強之試驗研究」。國立臺灣大學土木工程學系碩士論文。

圖1  外加構架補強之示意圖		圖2  植筋補強樓板之示意圖
圖3  試體之俯視圖  (板筋均為#3鋼筋，長度單位為公分)		圖4  試體之補強梁A-A截面圖 (單位：公分)
圖5  試體之補強樓板B-B截面圖 (單位：公分)		圖6  試體之既有梁C-C截面圖 (單位：公分)
圖7  試體之D-D截面圖 (單位：公分)		圖8  第一階段試驗佈置之俯視圖 (單位：公分)
圖9  第一階段試驗佈置之側視圖 (單位：公分)		圖10  第一階段試驗佈置之中間梁 (既有梁) 側視圖 (單位：公分)
圖11  第二階段試驗佈置之俯視圖 (單位：公分)		圖12  第二階段試驗佈置之側視圖 (單位：公分)
圖13  試驗開始前之試體狀況		圖14  試驗強度點之試體狀況
圖15  試驗結束之試體狀況		圖16  試體之側力位移曲線