「結構耐震補強 外加構架樓版剪力傳遞之驗證」

一文之我見

陳正平 技師

一、前言

拜讀技師報1069期「結構耐震補強外加構架樓版剪力傳遞之驗證」一文，對結構耐震補強外加構架，透過樓版與既有結構連接，新增樓版之短向版筋，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，探討植筋補強樓版剪力傳遞之能力，並以試驗結果與現行「混凝土結構設計規範」所訂之樓版強度公式比較乙節，該樓版剪力強度之試驗驗證所作之結論：『將試驗結果分別與現行混凝土結構設計規範第4.8.4節之剪力設計法、及第15.9.7節之橫膈版剪力計算強度比較，前者為試驗強度之29.9 %，後者為51.7 %，且試驗強度亦大於第15.9.7.3節之上限值規定，顯示使用現行混凝土結構設計規範之規定，進行植筋補強樓版之設計，仍相當保守。剪力摩擦強度公式第4.8.4節，可作為版筋於垂直剪力方向之設計依據；而橫膈版剪力計算強度公式第15.9.7節，則可作為版鋼筋於平行剪力方向之設計依據。為避免於高鋼筋比下，樓版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(第4.8.4節及第15.9.7節)皆有上限值規定。上限值係用以限制樓版之設計剪力強度，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版之剪力設計』。筆者認為：該試驗成果有試驗所用之試體模型，設計不恰當及解讀不恰當之疑義，導致試驗所得之樓版面內最大側推剪力強度有高估之嫌，致其結論存有疑義，筆者斗膽提出疑點供讀者參考，不當之處尚請不吝指正。

二、試驗緣起及試體配置概述

由於擴柱補強、翼牆補強及剪力牆補強等工法，於施工過程中均會影響既有建築物之使用功能，較難運用於如：醫院、巿場、警政等公有建築物，因此該文建議可採外加構架補強工法，進行結構耐震補強。該文乃建議於建築物弱向兩側，各新增一立面構架進行補強 (圖1)，可於補強過程中，不致於影響既有建築物之內部運作。外加構架與既有建築物間，可採混凝土傳力塊、樓版、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版進行連接 (圖2)。 

試體係由三支梁及二塊樓版組成 (圖3及圖4)，詳見技師報1069期「結構耐震補強外加構架樓版剪力傳遞之驗證」一文。

三、試體模型及試驗成果解讀疑義

1.試體之構造型式與被補強之原構架示意圖(圖1)不符，試體之前後端未設置邊界構材(横向梁)：

被補強之原構架示意圖中分為4等跨，且每一跨均有橫(短)向梁，因被補強之原構架示意圖中，有一側補強構架係緊貼附在被補強構架之外側，二者間之偏心距大約僅有一梁寛或柱寛，其偏心距與二者之接觸長度相比，一般均甚小，因此所產生之偏心彎矩在實務上可以忽略。但在另一側之外側補強構架，係貼附在約2.5m寛之懸臂走廊外側，其間會產生新增構架剪力強度、與被補強構架之內構架間(亦即走廊寛度)之偏心彎矩。此偏心彎矩需由被補強構架之橫向梁承受，才能使懸臂走廊之樓版所承受之彎矩降至最低，並使懸臂走廊之樓版用來承受剪力。但該文所設計之試體，未設置懸臂走廊樓版之橫向梁(亦即邉構材)，致該試體之樓版部分(橫隔版)承受剪力的同時，也會伴隨產生彎矩。會在前端 (非加載端)之橫向邊界之中央內(既有)梁側產生拉力；後端邊界(加載端)之中央內(既有)梁側會產生壓力。由試驗結束之照片 (見圖5所示)亦顯示前端疑似產生剪力與拉力合併之略呈“V”字形裂縫；後端則疑似在中間梁側，產生剪力與壓力合併之壓剪破壞現象。此二種現象，前者似會有略為低估最大側力強度；而後者因剪力斷面受壓，似會略為提高最大側向剪力強度。因此試驗結果之剪力裂縫非呈通過樓版全長(高)之直線形，而是略呈“S”，因此有一端低估，另端高估的現象，難以判斷此部分，對樓版剪力強度試驗結果的整體影響是低估還是高估。且原構架樓版長度為4跨，而試體僅為“1跨，影響試體前、後端，因偏心彎矩所產生之拉應力與壓應力值甚大；但若有設置懸臂走廊樓版之橫向梁(亦即邉構材)，則對樓版剪力強度試驗結果的影響就不會顯著。

 2.最大側力強度疑有包含桁架(或拱架)行為：

第一階段之試體固定機制配置，為兩側之補強梁以鋼梁墊高 ，每一邊梁預留有 4 孔，每一孔均以螺桿將邊梁 (補強梁 )鎖固於強力地版上，施加之預力為 180tf，假設試體系統與強力地版間之摩擦系數 為μ =0.2，則 8根螺桿每根鎖固至 180tf 之預力螺桿可提供 180 × 8 × 0.2=288 tf之摩擦力。因此其二邊梁在螺桿鎖固處，產生一定程度之固定度。筆者認為試體在邊梁螺桿鎖固處，與強力地版間所產生的摩擦力，已可使形成4個桁架(或拱架)的行為 (見圖2)。因此試驗所得之最大側力強度達535.7 tf，恐已包含4個桁架(或拱架)的行為貢獻在內，而有高估最大試驗強度的可能。惟因其兩側邊梁以鋼梁墊高後，而略有減少了固定度，惟研判仍有高估最大側推力的現象存在。

 3.樓版之跨度遠小於樓版之長(高)度時，現行“混凝土結構設計規範”之樓版梁式剪力計算公式是否適用：

四、結語

由該驗證試驗，試體設計之型式會合併偏心彎矩之影響，較不符合現行「混凝土結構設計規範」，梁式剪力之破壞模式的精神，且由於試體跨度太短，因而比試驗所得之結果，較偏向直接剪力破壞模式，而非梁式剪力破壞模式。由試驗所得到之實際最大側力強度達562.2 tf，亦大致符合美國混凝土結構用鋼筋協會，對(有設計邊構材之短梁的)直接剪力之計算建議之公式所計得之結果。但該試體未設置撓曲邊構材，導致剪力面一側合併有正壓力，另側合併有正拉力；以及8根預力鋼棒鎖固之邊界條件模式，會產生4個桁架(或拱架)的行為，致試驗所得到之最大側力強度不準確，難以判斷其結論是否合理。以上疑義，實有待進一步釐清。

【參考文獻】

[1] 賴昱志、曾建創、林聖學、賴濤、鍾立來、黃國倫（2017）。「結構耐震補強外加構架樓版剪力傳遞之驗證」，技師報， 1069。

圖1    外加構架補強之示意圖		圖2    植筋補強樓版之示意圖
圖3    試驗開始前之試體狀況		圖4    試驗強度點之試體狀況
圖5    試驗結束之試體狀況