結構耐震設計：高韌性短梁、短柱

林敏郎^1,2、鍾立來^1,3,4、林敏沁¹

¹國震中心、²成大土木系、³臺大學土木系、⁴逢甲大學土木系

臺灣位處地震帶，減緩地震的災害乃吾人首要的目標。從歷次地震之勘察發現，95%以上之傷亡來自建築結構的倒塌。因此，提升建築結構之耐震能力，即可大幅降低人員的傷亡，實乃最佳之策略。

建築結構之耐震能力，取決於其強度及韌性(變形能力)，缺一不可。玻璃縱然強度高，但脆性(不具韌性)，當強度超越時，立即劇烈破壞，毫無預警，故不會成為耐震材料。建築結構由梁、柱組成，而具有良好韌性的梁、柱，是韌性建築結構之先決條件。梁、柱之彎矩破壞屬韌性，剪力破壞屬脆性，所以剪力破壞必須排除之。

一般長度之梁、柱，傾向彎矩破壞，耐震(韌性)設計容易達成；若屬短梁、短柱傾向剪力破壞，耐震(韌性)設計就受到相當挑戰。建築結構因其功能配置，必須開門、開窗(圖1)，短梁、短柱無可避免，經一系列理論分析及試驗驗證之研究，本團隊成功發展出易於設計，易於施工之高韌性短梁、短柱。本文旨在介紹高韌性短梁、短柱之效益，供工程界參考，共同提升建築結構之耐震(韌性)能力，減緩地震之災害[1,2]。

一、傳統之短梁

傳統之短梁長1.0 m，寬30 cm，深50 cm (圖2)，長深比2.0，小於4，屬短梁。斷面之縱向鋼筋上下層各3支#8，腰筋兩側各2支#4，縱向鋼筋皆錨定於兩端之柱子上。橫向鋼筋#3，2支水平繫筋#4(圖3)，橫向鋼筋間距10 cm。鋼筋之設計降伏強度皆為4200 kgf/cm²，而混凝土之設計抗壓強度為420 kgf/cm²。

在國家地震工程研究中心之反力牆及強力地板試驗系統，執行短梁往復載重試驗，一如預期，產生剪力破壞，於梁中央形成X型裂縫，於層間位移角3%之破壞狀態，如圖4所示。短梁之側力與側位移呈遲滯迴圈(圖5)，正向之最大側力強度562.6 kN，負向568.9 kN，平均565.8 kN。以側力強度下降至最大值之0.8倍時，對應之側位移角視為極限側位移角，正向之最大側位移角2.63%，負向2.22%，平均2.43%，低於3%，遂為非韌性短梁；以側力強度上升至最大值之0.7倍，所形成之割線勁度，為等效勁度，結果是100.33 kN/cm。

二、高韌性之短梁

高韌性之短梁，係以一外層鋼筋，四周包圍著傳統之短梁的配筋，斷面左右擴大至45 cm，上下擴大至65 cm，兩端留有凹槽，長5 cm，凹槽內之梁斷面，保持原有傳統之短梁的斷面，寬30 cm，深50 cm (圖6、7)。外圍之縱向鋼筋12支#4，止於兩端之柱面，並未錨定於柱內，不提供彎矩強度；外圍之橫向鋼筋及垂直繫筋#3，間距10 cm (圖8、9)，提供剪力強度。

外圍包覆著鋼筋混凝土，且兩端有凹槽，提升剪力強度，卻不增加彎矩強度，成功地排除剪力破壞，於凹槽內形成撓曲裂縫，層間位移角3%之破壞狀態，如圖7所示。

高韌性短梁之側力與側位移所呈現之遲滯迴圈，如圖10所示，正向之最大側力強度861.5 kN，負向824.2 kN，平均842.8 kN，為傳統短梁(565.8 kN)之1.49倍。以側力強度下降至最大值之0.8倍時，對應之側位移角視為極限側位移角，正向之最大側位移角5.81%，負向5.99%，平均5.90%，屬高韌性，且極限側位移角為傳統短梁(2.43%)之2.43倍。以側力強度上升至最大值之0.7倍，所形成之割線勁度，為等效勁度，結果是122.65 kN/cm，為傳統短梁(100.33 kN/cm)之1.22倍。

取每一往復側位移之最大側力點，將之連成線，成為包絡線，清楚表示側力與側位移之關係(圖11)，無論在強度及韌性(變形能力)，高韌性短梁皆遠優於傳統的。

三、結語

配合建築功能之配置(隔間、開門、開窗)，梁之跨度受到束制，而形成短梁。跨深比小於4之短梁，傾向剪力脆性破壞，不利於建築結構之耐震能力。本研究採用鋼筋混凝土包圍短梁，包圍之縱向鋼筋止於兩端之柱面前或牆面前，不提供彎矩強度，僅提升剪力強度。經理論及實驗之驗證，成功排除原有短梁之剪力脆性破壞，確保彎矩破壞，大幅提升其變形能力，使之成為高韌性之短梁。

只要能夠排除剪力脆性破壞，高韌性短梁之兩端可留凹槽，亦可不留。除了四側擴大斷面，亦可三側、二側、甚至單側。擴大斷面的目標，是提高斷面之剪力強度，而不增加彎矩強度，排除剪力脆性破壞。短梁為鋼筋混凝土構造，斷面擴大之部分亦為鋼筋混凝土，單一工種，沒有介面的問題，施工容易，責任清楚。

本研究之成果已取得專利[3]，樂於授權工程界，共同確保短梁之韌性，進而減緩地震之災害。

參考文獻

1.  鍾立來、林敏郎、黃昭勳、林敏沁 (2022)，「創新鋼筋混凝土連接梁耐震行為研究」，中華民國第16屆結構工程暨第6屆地震工程研討會。

2.  林敏沁、林敏郎、黃昭勳 (2022)，「創新鋼筋混凝土連接梁耐震行為研究」，國家地震工程研究中心，研究報告NCREE-2022-009。

3.  林敏郎、鍾立來、林敏沁，「連接結構」，經濟部智慧財產局，中華民國專利證書，發明第I796276號。

圖1   鋼筋混凝土建築結構組成之構件 (包含短梁、短柱)		圖2   傳統短梁
圖3   傳統短梁之斷面及其配筋		圖4   傳統短梁、短柱之脆性破壞 (層間位移角3%)
圖5   傳統短梁、短柱之側力及層間位移角		圖6   高韌性短梁(兩端留有凹槽)
圖7   高韌性短梁、短柱之韌性破壞 (層間位移角3%)		圖8   高韌性短梁之斷面及其配筋
圖9   高韌性短梁、短柱之配筋(外層之小號 縱向鋼筋並未錨兩側之邊界構材)		圖10   高韌性短梁、短柱之側力與 層間位移角
圖11   傳統短梁及高韌性短梁之側力與 層間位移角