從桃園市平鎮文化停車場塌陷事件

談 平版結構的設計與施工

陳正平 技師

一、前言

桃園市平鎮區文化公園地下停車場工程，於民國109年4月30日在地下結構體興建完成，進行覆土作業時，突然發生崩塌 (見照片1至2)，崩塌面積達1300多坪，造成1失聯、2輕傷的職安意外。該地下停車場工程之頂版 (地下一層)、及地下二層樓版系統，係採鋼筋混凝土無梁版(平版)結構系統。無梁版結構系統，是由鋼筋混凝土平版和柱構成，因頂版平整美觀、施工方便快速，甚受喜愛，在國內外得到廣泛應用。其優點為可降低樓層高度，減少地下室開挖深度及減小水浮力，無梁版結構自重較重，可用來抗浮及降低施工成本。

照片1  停車場無梁版貫穿破壊之一		照片2  停車場無梁版貫穿破壊之二

無梁版結構用於不需壓重抗浮時，亦有以中空旋楞鋼管平版系統取代者。惟，中空旋楞鋼管平版系統，因小梁之傳力方向受限，在沿中空旋楞鋼管配置方向，為了加大支承跨度、及減少長跨度大梁載重負擔面積，中空旋楞鋼管配置走向，通常會沿長向大梁配置；也因為長跨中空旋楞鋼管間之RC小梁，配置走向平行長向大梁，造成樓版載重傳力路徑，違反力量往勁度較高的樓版短向傳遞的原則，而造成沿中空旋楞鋼管之管底及管頂容易産生裂紋，進而滲水經由上方裂紋進入中空旋楞鋼管内再慢慢向下滴出，致鋼筋銹蝕産生結構安全疑慮及使用不便，而有全部打除更換成鋼小梁、鋼承板樓版的案例。

無梁版結構系統或中空旋楞鋼管平版系統，除非另有抵抗100%地震力之側力抵抗系統，否則均不適合應用於地上層結構。在民國88年92l地震力中，中空旋楞鋼管平版系統房屋結構，因大梁高度僅同樓版厚度，大梁除承受豎向荷載的同時，還要承受水平荷載，因勁度不足，造成結構系統勁度太低，結構側移量太大，致房屋室内磚構造隔間牆，裂縫達50mm之多；在墨西哥，亦曾有無梁版結構系統之醫院在地震中倒塌，造成死傷慘重；在韓國，1995年韓國首爾三豐百貨公司大樓，無梁版結構系統發生連續性倒塌的典型案例。三豐百貨倒塌事件的肇因，係因屋頂層增設冷却水塔致樓板超載，導致其中一根柱，發生剪力貫穿破壞，接著樓版發生大變形，引發周邊柱亦産生連續性剪力貫穿破壞，乃致整片樓版塌落，並打擊下層樓版，由於整個結構系統的連續性破壞，造成502人死亡，937人受傷慘案。

  無梁版結構系統應用於地下結構時，基本不承受水平地震力載重，此時使用無梁版結構系統，安全度相對較高，且具有較為明顯的經濟優勢。例如，提供更高的結構淨高，設備安裝便捷。因無梁版結構系統底面平整，若採用底模可減少模板施工費用；若用於逆打工法，則因無梁版結構系統之斷面積較大，承受土、水壓力，所産生之樓版面內壓縮變形量較小，在地下室開挖過程，可減小地下室擋土連續壁之變形量，及地下室樓版外角隅之45度斜向裂紋的發生。採用無梁版結構系統優點甚多，因而近年來在地下室工程中獲得大量採用。

  無梁版結構系統的主要缺點，是容易産生貫穿剪力破壞。貫穿剪力破壞具有脆性破壞的特性，而且當無梁版結構系統是不等跨的情況下，無梁版結構系統的靜載重及活載重，均會産生柱頂接頭之不平衡彎矩，尤其是邊界條件不同、覆土不等高、重型施工機械的衝擊載重等，均會加大柱頂接頭之不平衡彎矩，設計人員往往只考慮到均布載重所産生之貫穿剪力，而漏掉柱頂接頭之不平衡彎矩。未考慮不平衡彎矩，將使得貫穿剪力破壞更容易發生。

照片3  停車場無梁版貫穿破壊之三

二、無梁版結構系統設計重點

2.1無梁版最小厚度

非預力版，四周皆無橫跨支承之內梁，而其最大之長向對短向跨度比為2，且無柱頭版時，在f_y＝4,200 kgf/cm²情況下，除非撓度檢核符合規定，其最小厚度規定為ℓ_n /30≧12.5 cm，其中，ℓ_n 為長向淨跨距，支承面到面間距離(cm)。若有柱頭版，其最小厚度規定為ℓ_n /33≧10 cm。此最小厚度規定，未考慮載重及混凝土彈性模數，二者對於撓度均有顯著影響，此最小版厚不適用於非常態下承受持續且大載重之版，或彈性模數遠低於普通常重混凝土之情況，撓度應針對這些狀況加以檢核計算；惟對非預力雙向構造，符合上述最小厚度規定，可被視為滿足規範要求。若使用單支或多支肋筋作為剪力鋼筋，樓版厚度，應符合下列(a)d 最小為15 cm；(b)d最小為16d_b。其中：d為受壓最外緣至縱向受拉鋼筋斷面重心之距離，cm；d_b為肋筋直徑。

2.2使用等級重力載重引致之撓度限制

撓度計算可分為即時撓度與依時撓度。針對即時撓度，受撓構材設計須具有足夠之勁度，以限制可能發生之撓度或變形，撓度過大對結構強度或使用性能有負面影響。計算即時撓度時，僅需考慮靜載重及其他持續載重。對不支承或不連繫於因較大撓度而可能破壞之非結構性構件，活載重之撓度值限制為ℓ/360；總載重之撓度值限制為ℓ/240，且應不大於非結構性構件之容許限度。

表中，f_r =混凝土之開裂模數，kgf/cm²；I_cr =構材開裂斷面轉換成混凝土斷面之慣性矩，cm⁴；I_e =用以計算撓度之有效慣性矩，cm⁴；I_g =忽略鋼筋後之混凝土全斷面對其形心軸之慣性矩，cm⁴；M_a   =使用載重階段計算撓度時所用之最大彎矩，cm-kgf；M_cr=開裂彎矩，cm-kgf。

連續單向版及梁之有效慣性矩I_e，可依表1計算正負臨界彎矩斷面處之有效慣性矩後取其平均值。具均勻斷面之單向版及梁，I_e應可依表1計算。若為簡支及連續跨度，以跨度中央處計算之，若為懸臂，則以支承處計算之。

2.3 版之撓曲鋼筋計算

  2.3.1 「混凝土結構設計規範」雙向版之規定

  平版抵抗彎矩之有效版寬b_slab，應為柱或柱冠之寬度及兩側各外加1.5倍版厚、與該側邊至版緣距離之較小值。若使用柱頭版或剪力帽蓋，兩側各外加寬度應取1.5倍柱頭版厚或剪力帽蓋厚、與柱面至柱頭版緣或剪力帽蓋緣之距離加上1.5倍版厚之較小值，應於柱上密集配置或加配鋼筋，以抵抗有效版寬內之彎矩。除柱頭不平衡彎矩外，其餘彎矩因係由二正交向，分別以全部載重分析求得因數化版彎矩，因此可依比例分配於柱列帶與中間帶内「均布配置」。附記：此柱頭彎矩在墩柱與基礎版之接頭情況亦須檢核。

  2.3.2 有限元素分析法

由於電腦硬體及軟體的發展進歩神速，及為了降低鋼筋用量，使用有限元素分析法的案件越來越多。惟因有限元素分析法，不似「直接設計法」與「相當構架法」分別各加載一次載重，而是二向只加載一次載重，進行分析得到二向之彎矩，此彎矩會因有限元素分割尺寸的大小而影響準確度。較大之有限元素分割尺寸，會造成應力峰値被鄰近低應力區平均掉而致偏低，産生結構安全疑慮。若設計者再將分析所得的彎矩，分別取柱裂帶及中間帶範圍之平均値，配置撓曲鋼筋，則會再次偏不保守而産生更嚴重的結構安全疑慮。且採用有限元素分析法，遺漏柱頭不平衡彎矩須於柱頭有效寛度内補強檢核工作。不平衡彎矩的存在，使得版、柱接頭區周邊剪應力分布不對稱，剪應力會集中在一側，使得更加容易産生偏心貫穿剪力失敗。

2.4無梁版結構週邊，常為小跨度樓版或連續壁外牆，分析模擬時，須選用適當之邊界束制條件。並將造成之柱頭不平衡彎矩納入貫穿剪力檢核。

2.5剪力檢核

  2.5.1單向剪力檢核

針對與支承構成一體之版，於支承處之V_u可以支承面處計算。臨界斷面與支承面間，無集中載重之非預力版支承面、與距離支承面d之臨界斷面間之各斷面。

  2.5.2雙向剪力檢核

三、施工注意事項

由於地下停車場，通常設置於公園或學校操場下方，為了預留供大型樹木種植，通常會有較高的覆土深度，同時為了景觀需求，而會有覆土高、低的變化。因此，頂版為了承載較大的覆土重，需要較厚的版厚。以覆土3m為例，頂版厚度會厚達90cm，當頂版施工澆置混凝土時，模板須支撐約2.2tf/m²之濕混凝土載重，若地下停車場有2層，B1FL版僅設計承載停車載重0.6tf/m²之活載，而施灌頂版混凝土之支撐模板，須架設於B1FL樓版上，但B1FL的承載能力僅0.6tf/m²，無法承載90cm厚頂版的2.2tf/m²施工載重，此時須於B2FL回撐已拆除之模板鋼管支撐，否則會造成BlFL樓版超載、而産生貫穿剪力破壞現象。照片3即為未於B2FL回撐模板鋼管支撐情況下造成貫穿剪力破壞之案例。

四、結語

  1、無梁版樓版結構，適用於需藉版厚重量壓重抗浮之地下室樓版結構；用於地上層結構時，除非另有抵抗100%地震力之側力抵抗系統，否則均不適合應用於地上層結構。

   2、無梁版結構系統的主要缺點是容易産生貫穿剪力破壞，貫穿剪力破壞具有脆性破壞的特性。當無梁版結構系統是不等跨的情況下，靜載重及活載重，均會産生柱頂接頭之不平衡彎矩，所産生之偏心剪力更容易産生貫穿剪力破壞，設計時須納入貫穿剪力檢核。因此，建議貫穿剪力檢核，宜偏保守側。

  3、頂版之雙向貫穿剪力補強所使用的柱頭版，可設置於頂版上方，以便増加室内使用空間、及提升平整美觀的室内空間。

  4、柱頭不平衡彎矩撓曲鋼筋，須配置於柱或柱冠之寬度及兩側各外加1.5倍版厚、與該側邊至版緣距離之較小值之有效版寬内。

  5、由於地下停車場上方，常有覆土植裁大型樹木需求，因而頂版之版厚較厚，施工過程須注意，模板支撐於較穩固之基礎上。