結構耐震設計：強柱弱梁之檢核

鍾立來^1,2、林聖學¹、賴昱志¹、黃國倫³、曾建創²

¹國立臺灣大學土木工程研究所、²國家地震工程研究中心、³內政部建築研究所

強柱弱梁乃建築結構耐震設計重要之一環，可排除柱子破壞而導致之樓層崩塌，減少地震災害造成人員傷亡之情形。現行強柱弱梁之檢核相當簡易，但未必適用於每一個案。因此，現行之檢核準則，若能輔以側推分析或極限彎矩平衡法，則更可確認建築結構受地震力之行為是否符合強柱弱梁，充分掌握其耐震之表現。

一、前言

工程師在進行結構設計時，除了兼顧結構的安全性外，仍有經濟性及使用性的考量，故吾人不可能設計出強度可以抵禦所有地震之結構物，倘若發生遠大於設計地震力下之地震，結構物仍會發生破壞，在假設一定會發生破壞的情況下，吾人進行結構設計時，必須使結構具有較理想的破壞模式，以確保生命財產安全。

為確保結構物在面臨破壞時，塑鉸發生在梁端而非柱端，以避免產生軟弱層或是崩塌的現象，工程師於進行設計時，關於柱的設計不僅應考量柱在載重組合下所需承受之彎矩與軸力，仍須檢核柱在接頭處是否滿足強柱弱梁之規定，以期結構物於破壞時塑鉸能夠產生於梁端。

依據混凝土結構設計規範第15.5.2.2節[1]，對於強柱弱梁之規定為：接頭處各柱之計算彎矩強度總和，不小於接頭處各梁之計算彎矩強度總和之1.2倍，即。此準則簡單明確，工程師易於執行。可是建築結構系統之樣態繁多，如此簡單之準則，未必皆適用，例如各柱於接頭處之彎矩分配不均，有大有小，彎矩較大者可能率先進入非線性，形成弱柱強梁，故以彎矩強度之總和來作為檢核之依據，未必適用。有鑑於此，本文旨在探討強柱弱梁之檢核準則，並舉一案例，說明規範檢核強柱弱梁準則之局限性，輔以側推分析及極限彎矩平衡法，以充分掌握梁柱接頭處塑鉸之位置。

二、強柱弱梁之檢核

1.側推分析

採用ETABS對該平面構架(圖1)進行側推分析[2]，二樓與頂樓之側力比例為1:2，由塑鉸發展圖(圖2)，不論是內柱或邊柱，一樓柱底及柱頂均先產生塑鉸，形成弱柱強梁，軟弱底層將會導致一樓崩塌，危及在建築物內人員之生命，乃吾人極不願意見到的破壞模式。因此，雖然通過規範[1]強柱弱梁之檢核，仍無法確保梁率先產生塑鉸之韌性破壞。

2.極限彎矩平衡分析

三、強柱弱梁檢核之修正

1.極限彎矩平衡分析

2.側推分析

四、結語

本文探討規範對於強柱弱梁之檢核，以二層三跨之平面構架作為案例，縱然其設計滿足強柱弱梁之需求，接頭柱彎矩強度和為梁之1.2倍，卻於ETABS側推分析發現，柱產生塑鉸先於梁，且一樓柱頂及柱底皆產生塑鉸，可能導致一樓崩塌，乃危險之破壞模式。進一步以極限彎矩平衡法，確認塑鉸形成之機制，在一接頭中，梁之彎矩比較均勻，而柱子則不然，可能一大一小，大的先進入非線性，造成弱柱強梁。

針對同一案例，再以彎矩平衡法，檢討強柱弱梁需求，接頭柱彎矩強度和必須大於梁之1.5倍，確保梁產生塑鉸先於柱，達成強柱弱梁之目標。最後以ETABS側推分析，接頭柱彎矩強度和設定為梁之1.6倍，證實所提準則，確屬可行。此一案例對強柱弱梁之檢核結果，未必適用於其他案例，因此，以規範之準則，先予檢核，再以側推分析或極限彎矩平衡法確認之，才是確保強柱弱梁之不二法門，以保障建築物及其使用者之安全。

參考文獻

　[1] 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。

　[2] 蕭輔沛、鍾立來、葉勇凱、簡文郁、沈文成、邱聰智、周德光、趙宜峰、翁樸文、楊耀昇、涂耀賢、柴駿甫、黃世建（2013），「校舍結構耐震評估與補強技術手冊(第三版)」，國家地震工程研究中心，報告編號：NCREE-13-023，台北。

圖1  二層三跨之平面構架		圖2  塑鉸發展()
圖3  內柱DEF之自由體圖		圖4  內柱DEF及其二樓接頭E之 自由體圖()
圖5  內柱DEF及其二樓接頭E之 自由體圖()		圖6  塑鉸發展()