基礎系統與整體結構模型

結構物的耐震行為分析可藉由直接包括基礎於分析模型中而將基 礎的影響一併考慮，考慮基礎效應的結構模型其特性會與相當之分析參

數有關，結構工程師必須對所需的精確度做出判斷，以得到分析結構物 的重要行為模式。

5.2.1 影響基礎模型的參數

基礎的勁度與強度會影響結構物在地震時的性能表現，結構工程師 必須決定如何適當正確將基礎的影響加在分析模式中，在一些實例中大 地工程師的專業幫助是十分有用的。大地工程師必須注意的是強度與勁 度並不一定較柔度與韌性要來得好，軟弱地盤的假設對結構的反應並不 一定是保守謹慎的，最好的方式是提供一特定範圍的值，將所有可能發 生的情況都考慮到。非常精確地評估土壤性質會使得工程費用相當昂 貴，因此大部分在工程上的應用都是利用簡化的參數研究所得之經驗法 則來判定所使用之參數，且許多參數對基礎模擬時的影響並不明顯，因 此，經驗常常是工程師做判斷的依據。

地質條件

軟弱的土層常被視為影響地震反應的重要因素，特別是在基礎比結 構本身發生更大的破壞（如過度的變位或沈陷的情況）時，但這並不表 示堅實的地盤就不需要考慮基礎對結構反應之影響。常見例子是一採擴 展基腳型式的高剛度結構物，其基礎的上舉會對結構之受震反應有相當 明顯之影響。

若靜載重與活載重佔地盤極限載重有相當大比例的基礎，其影響結 構耐震行為可能就比其他型式來得明顯，若既有的垂直載重已經超過極 限載重的 50～67％，較大的地震力就可能造成顯著的基礎永久位移，基 礎之靜載與活載對構件極限載重的比例如果變異性大的話，在非線性範 圍中力的重新分配將會十分顯著，這會使得承載較高應力的基腳很快地 降伏，因此由基礎所引起之非線性力的重新分配會使規則的結構產生如 不規則扭轉的問題。

勁度高基礎之情形

基礎降伏與 旋轉使剪力 牆無損壞

大變位使構架 產生損壞 高應力使剪

力牆損壞 變形小使構架

無損壞

勁度低基礎之情形

基礎勁度與強度對結構構材變形的影響

基本結構系統

通常來說，較細長且具有剪力牆的建築物在承載地震力時，受基礎 效應之影響較為敏感，短且多跨的抗彎構架對於基礎效應的影響就幾乎 可以完全忽略，然而大部分的結構物都介在兩者之間。振動週期在 0.3 到 1.0 秒之間的結構物對基礎效應的敏感性遠大於其他週期者。表 5-1 為一些基本結構系統對基礎效應的敏感程度。

表5-1中明顯地分辨出抗剪結構與其抗彎構架的不同。即便構架被 視為是次要（承載垂直力）的，剪力牆基底的扭轉還是會使得構架桿件 的位移需求量增加。此外還需注意的是，即使完全的抗彎構架建築對基 礎效應較不敏感，相當大的傾倒力量所造成的基礎上舉，對高且細長的 構架也是有相當大的影響。

雖然長跨度構架並非對所有的基礎扭轉都十分敏感，但柱底的穩定 性是一個重要的考量因素，在足夠的資訊下，可以將基礎構件的勁度與 強度適當地模擬以求得較準確的答案，然而，也可將柱底的連接端假設 成固接或是鉸接以求得不同層次的反應值，在大多數的例子中柱底的設 計細節是影響柱底剛性的重要參數。

表 5-1 基本結構系統對基礎效應的敏感程度

結構分類 外觀比¹ 基礎效應相對敏感程度 細長之剪力牆構架

細長之承重剪力牆 狹窄之構架

h/l > 2±

短的剪力牆構架 短的承重剪力牆 長構架

h/l < 2±

高

中

低 注 1.此處 h 為建築物之高度，l 為抗橫力構件之寬度

基礎系統

混凝土造結構物的基礎大部分都是採單獨之淺基礎或單獨之深基 礎，較少的情況是由兩者所組合成的型式，淺基礎通常都是獨立或連續 的擴展基腳或是大型的筏式基礎，其直接支撐在土壤地盤上，與深基礎

比較，淺基礎在抵抗垂直力或扭轉力時是相對較為軟弱的，抵抗上舉的 能力則受長期載重的影響相當顯著。

實際結構

• 混凝土剪力牆

• 混凝土構架

• 擴展基腳

模型 A

• 剪力牆以版元素及端構 材模擬

• 柱底鉸接於基礎

• 地梁以二力桿模擬

模型 B

• 剪力牆以等值柱模擬

• 柱底固接於基礎

• 地梁以梁元素模擬

模型 C

• 剪力牆以等值柱模擬

• 柱底固接於基礎

• 地梁效應不考慮

圖 5-1 不同之結構系統與基礎的模擬方式

大部分深基礎構件都是由鋼造或混凝土造的基樁所構成，這些構件 須要依賴摩擦力與端點的點承力來支撐垂直載重，基樁亦有抵抗上舉力 的能力因此也適當地與結構物束制在一起。雖然深基礎相對較淺基礎來 說勁度與強度皆較高，但這並不代表基礎的變位不會影響到結構的反 應。

具有淺基礎與深基礎構件的組合系統因其兩者間原有勁度與強度 的差異，所以結構反應對於基礎效應是非常敏感的，尤其在非線性範圍 此效應會更加顯著，當位於剪力牆下的淺基礎開始搖動時，若其他的剪 力牆部分是由深基礎所支撐，則會引發一連串明顯的應力重新分配的情 況。

通常基本的基礎構件都是由樁帽、地梁、地下室的側牆、底版或其 他結構構件所組成的系統（見表5-1），這些都會影響結構性能對基礎效 應的敏感程度，特別是地下室的側牆結構，其具有分散傾倒力矩並增加 扭轉的抵抗能力。

許多基礎系統在水平方向具有較大的勁度與強度，樁帽和基腳承受 的被動土壓與底版或基腳引起的摩擦力同時作用，來傳遞結構物產生的 水平力，由基礎水平方向的勁度與強度和結構物之比較，可以判斷得知 是否要考量基礎水平自由度於分析中的必要性。

性能目標（performance objectives）

在安全性的考量下耐震性能的目標對於結構物各部分的非線性需 求非常敏感，與基礎有關的地表位移會阻礙建築物在地震後的服務性與 使用性，而且這些通常都是難以預測的。將地質調查、試驗及分析應用 在基礎的模擬上，得到良好的正確性與精準度，將有助於分析。

5.2.2 結構模型的組合

在建構基礎模型時，結構工程師可依適當的材料性質來組合每個構 件，如同建立主結構系統時一樣，須要經驗判斷以取得精確度與簡易度 之間的平衡，一個太過簡易的結構模型可能遺漏某項重要物理性質，而 導致不可信賴的結果，但太過複雜的模型又增加誤判的機會，或是使得

簡單的問題複雜化。結合基礎系統與上部結構系統時，兩者的的組成架 構必須是調和一致的，這樣才能有效率地將整座建築物在受地震作用時 的反應有效且正確地表現出來。

圖5-1為一具有剪力牆及構架的結構，為一抗橫力系統。具有傳統 擴展基腳的基礎系統可能是由地梁或是版交互結合而成，圖中以二維的 模型表示實際的結構，以及以不同模擬方式來顯示基礎系統與構件的真 實行為特徵；模型中都用勁度 K 來表示土壤構材的性質，代表擴座基腳 在結構模型中的行為。

在模型 A 中，可表現出剪力牆受扭剪時的行為，而且與模擬底版之 軸向連桿同時發生作用，受彎的性質集中在牆的兩端。

模型 B 與 C 中，一樓柱下的土壤構件同時表現出擴展基腳的垂直 與扭轉勁度，柱表現出牆受剪與受彎的性質，在這情況下，牆下的剛性 梁構件會將基腳構件的扭轉束制效果傳遞給剪力牆構件。

在一些情況下，地梁、底版或地下室牆提供了基礎構件相當強的連 結力，這使得基礎的水平勁度與強度 K_h 可以集中在一點上表示，如模 型 A 與 B，模型 C 則為表示基腳構件的側向勁度與強度遠大於連桿的 情況，此情況可能發生在細長且無適當加勁的版中，一般而言，基礎水 平勁度大到可將其視為剛接。

構架的柱構件也許沒有足夠的強度傳遞由基腳構件傳遞的扭矩，模 型 A 在柱底用一鉸接來表示這種情況，基腳構件只能提供垂直抗力，但 能與其他構件聯合起來抵抗整個構架的傾倒力矩。