結構耐震補強：開口剪力牆補強工法

張庭瑜¹、鍾立來^1,2,3、曾建創²、楊耀昇²、王郁傑¹、邱聰智²、涂耀賢⁴

¹臺大土研所、²國震中心、³成大土木系、⁴德霖土木系

921集集地震，造成台灣中部地區學校近二分之一的校舍嚴重受損，但許多老舊建築物在經濟考量、或為保有其重要性及紀念價值的前提下，無法拆除重建，如何在不影響建築物原有功能的情況下，將這些老舊RC建築物進行震前的補強或震後損壞的修復，並有效提升其耐震能力是非常重要的課題。

增設RC剪力牆補強為一常見的補強方式，由於RC剪力牆具有很高的強度與勁度，因此對於抗側力強度需求高的老舊校舍有極佳的補強效果。然而，採用增設整面RC剪力牆補強工法，較難滿足既有校舍建築物對於採光及通風之需求，因此本文提出開口RC牆補強工法，並規劃單層的空構架(FS)及開窗補強試體(FSW-19)各一組，期望藉此試驗結果，比較驗證開口RC牆補強工法之適用性。

一、試體規劃與設計

本文構架相關尺寸，依從校舍手冊三版[1]中示範例之尺寸，均為單層、柱淨間距300 cm之構架，且既有構架部分之混凝土設計強度，以校舍平均混凝土強度160 為設計值，除#3鋼筋以2800為設計值外，其餘鋼筋均以4200為設計值。

基礎長度為420 cm、寬140 cm深75 cm，主筋採用上下各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；柱配筋形式以校舍手冊三版[1]示範例之柱配筋形式配置，柱淨高為300 cm、沿水平施力方向柱深30 cm、及垂直施力方向柱寬50 cm，主筋採四周配置4根#7鋼筋，其餘配置8根#6鋼筋，且為模擬既有校舍非韌性配筋，箍筋採#3間距25 cm、90度非耐震彎鈎配置；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U型#3、135度彎鈎配置 (圖1)。

FSW-19試體為開窗補強試體，為滿足校舍通風採光需求，試體開窗以對稱、大面積開口為設計標的，並以一般鋁窗之190 cm x 150 cm做為開窗尺寸，開窗位置距離基礎頂面95 cm、梁底面55 cm、兩端柱55 cm (圖2)。本次試驗植筋採#3、埋置深度10公分[2]設置，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[3]規定之最小鋼筋量要求之下，本次試驗採用雙排#3、2800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雙排#4、4200、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280 為牆體混凝土抗壓強度之設計值。

二、施作與測試方法

構架施作完成後，首先進行剪力牆等牆寬放樣及切線(圖3-a)，此動作為日後打除混凝土保護層時，能使打除邊緣能較為平整，且不易使不須打除的部分受損；待補強試體切線完畢之後，進行保護層打除的動作(圖3-b)，須打除等牆寬之保護層厚度直至看到箍筋為止，並於打除混凝土塊清理完畢後，即可依步驟進行植筋施作[2] (圖3-c)，此時要注意基礎頂面混凝土塊打除後，如遇雨天需以帆布加以覆蓋，避免打除後之溝槽積水，使鋼筋鏽蝕而降低鋼筋強度；待植筋膠體強度發揮後，即可進行後續的牆筋綁紮(圖3-d)及模板組立(圖3-e)，此時於牆體頂部處，以2公分厚之清水模板製作一突出牆體20公分、往上延伸至梁頂之模板喇叭口(圖3-f)，此一施作方式是希望於澆置混凝土時(圖3-g)，將漿體澆置超過梁中央，使漿體能更有足夠的壓力回填至梁底溝槽處；待混凝土達7天強度後，即可進行模板拆除、及對喇叭口處突出混凝土塊打除至與牆等平面為止(圖3-h)，此舉是為了牆體整體美觀、及避免地震時額外突出的混凝土塊掉落。試體完成圖如圖3-i所示。

本試驗使用三支油壓致動器作為側向加載，利用高拉力螺栓將施力鋼梁鎖住、且固定在三支油壓致動器與反應鋼梁之間，使油壓致動器施力作用於施力鋼梁均勻地將力量導入RC梁中，以模擬地震力對構架之受力行為；而參考校舍手冊三版[1]ETABS模型一樓柱所承受之軸力值，在試體左右兩側各裝設一支垂直向之油壓致動器，使試體左右單根柱受35噸軸力，且本次試驗左右兩支垂直向致動器透過軸力鋼梁，將軸力施加在反應鋼梁上，此一載重行為近似於試體上施加一均佈靜載重(圖4)，並使試體具垂直向束制。於梁端處以外部控制位移計，收取外部控制位移，以控制中間油壓致動器，左右兩側油壓致動器設定與中間油壓致動器之位移變化相同，藉此減少試體因施力不當造成試體扭轉的現象。

本試驗過程中側力加載方式採位移控制，以試體之層間變位角(Drift Ratio, DR)作為系統控制參數：

  其中為外部控制位移計所量測之側向位移，為試體受力高度(3,250 mm )，即RC梁正中心至RC柱底之高程差。藉由Drift Ratio(%)及油壓致動器之載重總和(kN)，可得試體之位移-側力曲線圖。加載程序採用三角型位移波輸出(圖5)，並控制油壓致動器輸出力至層間變位角對應之位移以定速加載，每個層間變位角執行三個迴圈後，再進行下一階段層間變位角。

三、試驗結果

FS試體為本文空構架試體(圖6-a)，實際基礎混凝土強度為100.6、實際梁、柱混凝土強度為190.8。試驗DR = 2 %之前，於柱頂及柱底產生撓曲裂縫，DR = 2 %後，開始有45度角剪力裂縫於柱頂及柱底處產生；當試驗達DR= 3 %的 +1迴圈時，達到試體極限強度為252.1 kN(圖6-b)；試驗進行到DR = 5 % 的 +2迴圈時，右柱柱頂產生明顯剪力裂縫，於 -2迴圈時，右柱柱頂產生嚴重損壞而喪失垂直承載能力，試驗遂終止(圖6-c)。FS試體模擬既有校舍非韌性配筋，當剪力破壞發生時裂縫迅速擴張，最後破壞屬於無法再承受軸力的非韌性柱剪力破壞，其試驗之載重-位移遲滯迴圈如圖6-d所示。

FSW-19試體為本文開窗補強試體(圖7-a)，實際基礎混凝土強度為92.9、實際梁、柱混凝土強度為184.2、實際牆體混凝土強度為349.1。試驗於一開始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；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(圖7-b)；當試驗進行至DR = 1.5 %時，開口兩側剪力裂縫迅速發展，同時於剪力裂縫路徑上均有混凝土剝落；於DR= 2 %的 -2迴圈結束時，於試體右側喪失垂直呈載能力，致使試驗終止(圖7-c)。FSW-19試驗之載重-位移遲滯迴圈如圖7-d所示。試體最後破壞情形，主要破壞集中於左右兩側柱頂至開口下方、高寬比約為2比1的區塊內，此結果是因為增設高約95公分的窗台束制了既有柱的有效長度，而使破壞會集中在窗台上方；而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。FSW-19為一透過植筋補強的試體，但於試驗中並無明顯觀察到因植筋補強所導致的裂縫，驗證本次試驗植筋強度足夠。

兩試體試驗極限強度及位移比較整理如表1所示，可發現經補強後試體極限強度之位移點退縮為未補強的1/3，但經補強後，強度上升為未補強的4.25倍。又將兩試體載重-位移遲滯迴圈包絡線(圖8)之上升至0.7倍最大強度點與原點連線之斜率定為彈性勁度，下降至0.8倍最大強度點之位移定為極限位移，最後再以極限位移前之曲線下面積相等，求得完美彈塑性之降伏位移與最大強度[4] (圖9)，透過此一轉換可以更明確比較補強前後試體間勁度之變化，試體勁度計算公式：

  除了試體勁度之外，亦可以極限位移及降伏位移之比值求得試體補強前後韌性容量R之改變，韌性容量計算公式：

  本次試驗FS試體勁度為4.44，韌性容量為3.01，如以空構架勁度及韌性容量為基準，補強開窗試體FSW-19試體勁度為77.79，提高至原本空構架勁的17.52倍；而FSW-19試體韌性容量為4.08，提高至原本空構架的1.36倍(表2)。

四、 結論

1.在本文所述條件下，對既有校舍補強一大面積開窗剪力牆，配置雙排#3、2800、間距20公分牆筋鋼筋，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；惟牆體混凝土強度較一般分析模型為高，此提升倍率僅用於試驗比較，工程師於應用上應以設計混凝土強度做分析。

2.由試驗結果，開窗剪力牆補強後之最大層間位移角Drift Ratio仍可達2 %，表示適合用於強度及勁度補強為主的低矮型建築物上。

3.於本次試驗中，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、2800、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，但工程師於植筋施作前仍須確實進行植筋拉拔試驗。

4.開口剪力牆補強工法，能滿足既有校舍通風及採光要求外，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。

參考文獻

　[1] 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、禇有倫、涂耀賢、柴駿甫、黃世建，「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，NCREE-13-023，台北，2013年。

　[2] 張庭瑜、鍾立來、曾建創、楊耀昇、王郁傑，「結構耐震補強：三號鋼筋之植筋」，台灣省土木技師公會，技師報第999期，第7~8頁，2016年。

　[3] 內政部營建署，「混凝土結構設計規範」，台北，2011年。

　[4] 鍾立來、吳賴雲、林琨偉、楊耀昇、連冠華，「以現地試驗檢核校舍結構耐震能力之初步評估」，中國土木水利工程學刊第二十四卷第三期，第299~311頁，2012年。

 表1 補強前後之極限強度及其對應的位移

表2 補強前後之勁度及韌性容量

圖1 未補強構架FS配筋圖 (單位：cm)		圖2 補強構架FSW-19配筋圖 (單位：cm)
圖3 開口剪力牆施作流程		圖4  測試佈置立面圖 (單位：cm)
圖5 側力加載歷時圖		圖6  FS試體試驗過程及載重-位移遲滯迴圈
圖7  FSW-19試體試驗過程及載重-位移遲滯迴圈		圖8  試體補強前後載重-位移遲滯迴圈包絡線比較
圖9  試體補強前後完美彈塑性比較