談2016熊本地震隔震結構之表現

^1,2,3鍾立來、⁴姚昭智、^1,5黃俊鴻、⁶邵珮君、²賴勇安、²林致寬、¹楊卓諺、²王勝宣

¹國震中心、²臺大土木系、³成大土木系、⁴成大建築學系、⁵中央大學土木系、⁶長榮大學土地開發與管理系

根據建築耐震設計規範及解說，第九章：隔震建築物設計 [1]，隔震器於水平方向須具有足夠的柔度，以延長結構週期 (介於2至4秒之間)，週期愈長，結構譜加速度愈小，耐震需求亦隨之愈低。結構週期延長之同時，位移也會增加，遂設以消能裝置，提高隔震系統之阻尼比，抑制隔震層 (或介面) 之位移。因此，隔震系統一般係由隔震器及消能器共同組成。隔震器及消能器連接於上、下部結構之間，若連接不確實，在地震下，接合處可能率先破壞，造成結構局部破壞，甚至影響預期之隔震效果。

若採中間層隔震，隔震層 (或介面) 設於一樓頂以上，垂直之動線 (如樓梯、電梯、管線)，若預留之空間不足而碰撞，或懸吊結構 (物) 之地震力 (慣性力) 太大，皆可能引致懸吊處破壞，而影響隔震效果或降低結構震後之服務功能。

2016熊本地震，本團隊已於技師報第1085期，探討軟弱層之震害，本期繼續探討隔震建築結構之受震表現。從大自然之地震中學習，記取心得，保留耐震設計及施工之優點，改善其缺點，朝更正面之明天邁進。

一、十五層樓隔震結構

十五層樓隔震建築結構為鋼筋混凝土構造 (圖1)，隔震層設置於地下一樓。該隔震建築結構之平面方正，X、Y兩水平方向皆為三跨，共16柱線 (圖2)。隔震系統之組成：20個積層橡膠隔震器、8支U型阻尼器及8支鉛阻尼器。20個隔震器中，16個主隔震器直接置於柱線內，介於地下一樓柱墩及基礎板之間 (圖3)，其餘4個較小之隔震器則置於小梁底，透過墩座，連接於一樓小梁及地下一樓基礎板之間 (圖4)。8支U型阻尼器 (圖5) 及8支鉛阻尼器 (圖6) 設於地下一樓之4個角落，每一角落各2支，透過墩座，連接於一樓樓板及地下一樓基礎板之間，U型阻尼器置於大梁旁 (圖2)，而鉛阻尼器則距大梁較遠 (圖2)。

2016熊本地震後，該建築之上部結構 (二樓及其上之樓層) 毫無損壞，起居生活如常，確實已發揮隔震之功能。置於柱線上之16個主隔震器，於地震後，隔震器與柱無任何破壞。置於小梁底之隔震器 (圖4)，在沿小梁軸向之水平地震力作用下，隔震器之剪力，對小梁形成額外之彎矩；而在垂直小梁軸向之水平地震力作用下，則形成額外之扭力；經勘察後，小梁有輕微之裂縫，小梁之強度雖足以承受此次地震，但仍有較大之風險。鉛阻尼器透過墩座連接於一樓樓板 (圖6)，墩座尺寸較大，鋼筋號數較大 (約6號)；而樓板尺寸較小，鋼筋號數較小 (約3號)，墩座於樓板錨定之需求高，但樓板之強度不足，在該次地震作用下，錨定失敗，樓板破裂，從樓板底部貫穿至樓板頂部 (圖7)。

二、十層樓隔震結構

十層樓 (不含隔震介面) 隔震建築結構為鋼筋混凝土構造 (圖8)，隔震介面設置於地上一樓頂及二樓底之間。該隔震建築結構之平面呈長方形，長向之一側為高樓區，基面位於一樓；另一側為低樓區，基面位於二樓 (圖9)。由於隔震介面位於一、二樓之間，而高樓區之基面卻在一樓，故高樓區之樓梯，從二樓之隔震介面之上方，懸吊至一樓之基面 (圖10)。

2016熊本地震後，該建築之上部結構 (二樓及其上之樓層) 毫無損壞，起居生活如常，確實已發揮隔震之功能。在高樓區，樓梯自隔震介面上方之二樓，懸吊至基面之一樓，其垂壁於一、二樓之間，受震而損壞 (圖11)。樓梯垂壁損害之可能原因有 (圖12)：(1) 樓梯懸吊至一樓，與基面保持之距離不足，垂壁受到面外之側向力，產生面外之撓曲破壞；(2) 垂壁之面外勁度低，週期長，或與隔震週期相若，形成較大之地震力，使垂壁產生面外撓曲破壞。

三、結語

隔震系統由隔震器及阻尼器組成，並連接於上、下部結構之間，接合之設計必須檢核，確認其容量，當隔震器與阻尼器發揮其強度時，不至於有絲毫之損壞。在此案例中，接合構件 (墩座) 雖無損壞，但與其相接之結構構件 (小梁及樓板) 卻因而受損甚或破壞。由於隔震器或阻尼器所引致之扭力或剪力，皆非梁及樓板主要抗力之方式，因此較不宜連接於小梁或樓板上。

若為中間層隔震，懸吊至基面之樓梯間或電梯間，介面處必須留有足夠之活動距離，避免距離不足，而使懸吊構件承受非預期之力量。同時，檢核懸吊構件之地震力 (慣性力)，並納入其設計之中，避免接合處破壞。綜言之，隔震器及阻尼器必須通過嚴謹之設計，形成隔震系統，發揮其隔震效果。

參考文獻

　1. 內政部營建署 (2011)。「建築物耐震設計規範及解說，第九章：隔震建築物設計」。https://www.cpami.gov.tw/filesys/file/chinese/publication/law/law2/0990810250-9.pdf。

　2. 鍾立來等 (2017)。「2016熊本地震：軟弱層之震害」。臺灣省土木技師公會，技師報，第1085期。 

　3. 鍾立來 (2017)。「2016熊本地震：建築物之耐震表現」。國家地震工程研究中心，熊本地震考察說明會，https://youtu.be/EycNy19Lw98。

圖1  十五層樓建築隔震結構，隔震層設於地下一樓		圖2  地下一樓20個積層橡膠隔震器、8支U型消能 器及8支鉛阻尼器之配置
圖3  16個積層橡膠隔震器置於柱線內		圖4  4個積層橡膠隔震器置於小梁中
圖5  8 支U型阻尼器透過墩座，連接於一樓樓板 及地下一樓基礎板之間		圖6  鉛阻尼器之墩座錨定於樓板，但樓板之強度 不足，樓板破裂，錨定失敗
圖7  阻尼器之墩座錨定失敗，樓板從底部破裂至 其頂部		圖8  十層樓建築結構之正面，右側高樓區一樓 為基面，左側低樓區
圖9  十層樓建築結構之背面，左側高樓區，右側 低樓區，隔震介面位於一樓頂及二樓底之間		圖10  高樓區背面之樓梯，從隔震介面之上方 (二樓) 懸吊至基面 (一樓)
圖11  懸吊樓梯於一、二樓之半層處，垂壁 受到面外之側向力，產生面外撓曲破壞		圖12  懸吊樓梯之垂壁，面外勁度低，或因介面 距離不足，或因地震力，導致破壞