文獻分析

RC 牆的抗側力行為與牆高寬比(Aspect Ratio)、厚度及配筋有關，

通常高寬比大於 2 的高型 RC 牆以撓曲破壞為主，高寬比小於 1 的低型 RC 牆以剪力破壞為主，撓剪破壞介於之間。通常建築構架梁跨度寬大 於柱高，故一般建築構架內含的 RC 非結構牆幾乎均為剪力破壞主控的 低型 RC 牆，對於多樓層建築構架而言，RC 牆受各樓層構架層間相對 變 形 擠 壓 而 有 對 角 壓 力 與 張 力 ， 造 成 斜 向 剪 力 開 裂 與 破 損 ， 偏 向 低 型 RC 牆之破壞行為。

過 去 50 年來在低型牆方面已有相當多的實驗成果研究低型剪力 牆，大部分著重於測試低型牆之抗剪強度，測試的水平斷面形狀包含三 類：

(1) 矩形斷面（rectangular）

(2) 槓 鈴 斷 面 （ barbell, rectangular section with columns at wall ends）

(3) 工字斷面（flanged）

其中槓鈴斷面即矩形牆斷面兩端有柱邊界構材，圖 2-1b 所示之含 牆構架其水平斷面即屬上述第(2)類槓鈴斷面。

現行 ACI 318-08 Building Code[32]建築設計規範第 21 章及第 11 章有針對耐震牆及一般牆規定剪力強度計算公式與配筋法則。這些章節 中的設計條款源自 Barda et al.[33]及 Wood[34]對剪力強度之研究，還有 Wallace and Moehle[35]的建議。

一般而言，低型剪力牆之剪力破壞模式可區分為圖 2-1 所示之對角 拉力破壞、對角壓力破壞及滑移破壞等三種[19]、[29]。對角拉力破壞(圖 2-1a)係指剪力牆在對角方向產生一拉力破壞面，其可藉足夠的水平鋼筋 或頂部繫梁之配置而予以排除。對角壓力破壞(圖 2-1b)係指剪力牆在對 角斜

ACI 318-08 規範[32]中共有兩組半經驗公式可估算低型牆剪力強 度，兩者均是以桁架模式為基礎。第一組牆剪力強度公式在第 21.9 節 units of kgf-cm)

1

其 中 混 凝 土 剪 力 強 度 以 式(2-3) 及 (2-4) 值 取 較 小 者 ， 後 者 不 適 用 於 2-1 所示。值得注意的是，Wood (1990)建議公式相當簡單，且 90%以上 的牆試體剪力強度計算是由下限值1.6

f ′

A

f ′

A

限於實驗室容量，許茂雄教授團隊所測試的低型牆均為牆厚 5 至 10cm 的縮尺試體，包括槽縫牆之受力行為與分析[1-13] ，研究顯示鋼筋混凝 土槽縫牆在水平力作用下，無剪力牆斜裂縫出現後的嚴重剛度退化，是 一種很好的吸能構材。過去關於槽縫牆之研究主要分為三方面，選取部 分研究成果分析如后：

1. 耐震行為與經驗公式建立:

1986 年，許茂雄、廖慧明、劉玉文、朱瑞祥等[1, 2]首次在國內進 行槽縫牆之試驗，探討無邊構材低型剪力牆，配置不同數目之水平槽縫 或垂直槽縫，承受單向水平載重之行為研究。1987 年洪舜仁[4] 探討不 同 高 寬 比 之 無 邊 構 材 低 型 槽 縫 牆 ， 承 受 反 向 重 覆 載 重 之 行 為 研 究 。 1987-88 年陳奕信[5]、許茂雄[6] 研究有邊構材之槽縫牆，同時施加軸 力及水平力之行為，並建立預測開裂剛度、降伏剛度、及極限剛度之經 驗公式。1988-89 年，陳明徽[7] 、許茂雄[8] 進行雙層有邊構材槽縫牆 之試驗研究，並將槽縫牆之變形分為整體撓曲、剪力變形及局部撓曲、

剪力變形。1990 年許茂雄[10]、曾亮[11] 研究不同開槽數目之槽縫牆之 受力行為，並將槽縫牆視為有效剛架結構，建立經驗分析模式。

2. 強度、剛度推導與耐震能力分析:

1989 年劉玉文、許茂雄[9] 用試驗結果推導槽縫剪力牆承受水平力 之開裂、降伏、及極限行為模式，並建立經驗公式。1992 年劉玉文、

劉國強[14] 探討配置槽縫剪力牆之鋼筋混凝土結構系統行為，並分別以 不同樓層數及不同跨間數共 18 個例題，以增量震譜法進行動態分析，

歸納出槽縫牆結構系統之行為模式。1993 年劉玉文、鄭雅源[15] 依據 過去試驗數據建立開裂、降伏、及極限剛度衰減規則，並利用非線性動 態歷時分析程式，探討槽縫剪力牆不同配置方式應用於高層建築對耐震 行為之影響。1995 年楊國豪[13]將槽縫牆單元視為一個「牆柱」元素，

建立分析模式並與試驗結果比對，再應用於不同建築物中，進行靜態、

動態非線性分析探討整體結構耐震能力。1995 年陳宏州[16] 將槽縫牆

單元視為一個「版」元素，建立槽縫牆剛度分析模式並與試驗結果比對，

再應用於非線性耐震診斷程式，探討建築物修補增設槽縫剪力牆之耐震 能力。1998 年吳政哲[17] 依據 26 個試體之試驗結果，進行剛度研究，

比較其韌性與能量吸收上之差異，並建立槽縫牆彈性、降伏、及極限階 段之剛度退化因子修正、強度衰減因子修正、及恢復力環規則等經驗公 式。2001 年，劉玉文、許茂雄、劉國強、吳政哲[18]將槽縫牆各牆柱單 元及邊界柱組合為一支「等值柱」，建立彈性階段剛度、降伏階段剛度、

及極限階段剛度，並應用在工程實例分析，以非線性增量震譜法診斷耐 震能力，比較槽縫牆與非傳統剪力牆之差異。

1999 年 921 地震前，台科大黃世建教授研究室將許茂雄教授所測 試 的 數 據 以 壓 拉 桿 模 式 重 新 分 析[19]， 本 研 究 主 持 人 即 為 共 同 作 者 之 一，對於國內外現有之低型RC 牆縮尺試體曾作過詳細之整理與分析[19, 28]。另外國家地震工程中心曾測試一批牆厚為 12cm 及 15cm 的實尺寸 低型 RC 牆試體[20]，但其試體係模擬 921 地震前未作適當韌性配筋之 非韌性構架，內含開口 RC 牆之行為，著重於既有老舊低矮型街屋與校 舍建築。

3. 實尺寸 RC 剪力牆試驗:

921 地震後，國立成功大學土木系邱耀正教授研究團隊[21-24]，做 了一批(共 27 個)實尺寸剪力牆試驗，除了傳統含邊柱剪力牆試體外，並 變換試體之牆體配筋形式進行試體試驗。文中試體包括高寬比小於 2 之 低型牆，以及含矮牆構架、含高牆構架、含牆開門構架、含翼牆構架、

含槽縫牆構架、純構架與純牆板等試體，還有 45°斜向配筋剪力牆等改 良型試體，以側向反覆載重加載至破壞，探討鋼筋混凝土含牆構架之開 裂載重、降伏載重、極限載重與結構韌性。

其 中 低 型 剪 力 牆 及 純 構 架 與 本 計 畫 研 究 性 質 相 近 ， 但 槽 縫 的 分 割 方法不同。成大邱耀正教授研究團隊槽縫牆試體之牆淨高為 200cm、含 槽縫之總牆寬為 270cm，四片內牆之淨牆寬為 65cm，三片內牆之淨牆

寬 為 87cm， 槽 縫 使 用 夾 板 分 隔 寬 度 均 為 1.8cm， 試 體 使 用 牆 厚 均 為 12cm，而牆體之垂直及水平鋼筋皆採#3 鋼筋。

實 驗 結 果 顯 示 ， 增 加 剪 力 牆 之 垂 直 向 鋼 筋 比 可 大 幅 提 升 結 構 之 強 度與韌性，其效果比提升混凝土強度明顯；牆高寬比大於 1 漸趨向撓曲 破壞，其結構韌性與允許側向位移皆大於低高寬比者。槽縫牆的確有較 佳的韌性，且槽縫單元的高寬比明顯影響其結構行為，單元高寬比不宜 過大亦即開槽數不可太多，若配合適當的鋼筋比與槽縫數，可在小幅降 低結構強度的情況下，提升含牆構架的結構韌性。

921 地震後，新建的 RC 造或鋼骨混凝土造建築物均有作符合當代 耐震設計規範之韌性配筋，但填充於韌性構架中的 RC 牆常被視為非結 構牆而忽略，事實上，這些 RC 牆因高寬比小，為脆性剪力破壞主控元 件，其能承受之層間相對變形甚小，極易在中小地震中裂損，如欲降低 RC 牆之剛性，或提高其忍受層間相對變形之能力，在構架與 RC 牆間 設置槽縫是可行的對策之一。

根 據 中 華 民 國 鋼 結 構 協 會 委 託 永 峻 工 程 顧 問 有 限 公 司 所 作 的 「 鋼 骨建築非結構牆參考手冊」[25]中之調查，由於金屬帷幕牆及預鑄帷幕 牆的造價高出傳統現場澆置的 RC 牆甚多，導致新建的鋼骨或鋼骨鋼筋 混凝土建築結構，反而大量採用高張力鋼網作為模版或面材在現場澆置 RC 非結構牆，這些場鑄 RC 非結構牆為脆性剪力主控的低型牆，其剛 度大韌度小之特性，除非作特別處理如開槽縫，或特別設計整體構架之 剛性，否則並不適用於鋼骨建築結構。此一方面的研究在國外甚少見，

必須由國內自行研究。

台灣地狹人稠，建築走向高層化是必然趨勢，日本經驗足堪借鏡。

然建築構架內含的 RC 非結構牆具有剛度太大而韌度不足之特性，對高 層建築構架而言，可能導致中度地震時牆體有明顯裂損，強烈地震時構 架無法發揮預期韌性，地震力超過設計預期，導致基底樓層柱或基礎破 壞，危及建築結構安全。因此，設計時如何考慮現場澆置的 RC 非結構

牆之剛度與韌度，或如何以槽縫減少 RC 非結構牆之剛度且提高其韌 度，是研究建築構架含 RC 非結構牆之耐震性能的重要課題。

第三章 實驗計畫

第一節 試驗佈置

本 計 畫 擬 於 內 政 部 建 研 所 建 築 材料 實 驗 室 反 力 牆 區 ， 以 現 有 200 噸油壓制動器施加似靜力反復載重測試建築構架內含 RC 非結構牆、槽 縫牆、半槽縫牆，模擬構架於地震反應中之層間變形行為。試驗佈置立 面及平面如圖 3-1 所示，200 噸雙動油壓制動器以固定座固鎖於南側反 力牆上，施力中心線距地面 300 cm，試體底部以石膏蓋平後以 8 根預力 鋼棒，每根預力100 tf 將試體與強力地板栓緊，試體基礎南北兩端以兩 個鋼構反力座夾住，兩個反力座同樣以 8 根預力鋼棒每根預力 100 tf 再 栓緊，試體基礎與鋼構反力座間隙以螺栓、鋼板及石膏填縫，確保基礎 與強力地板無相對滑移。總計垂直預力 1200 tf 乘以 0.85 預力損失，約 1000 tf，再乘以摩擦係數 0.25，約 250 tf，而制動器水平推力最大為 200 tf，故採用本佈置固鎖試體之方式是非常保守的設計。

圖 3-1 試驗佈置立面圖及平面圖

試體基礎深 75cm 設計成彈性，確保柱主筋錨定與試體不滑移。柱 跨度 300 cm 係配合制動器衝程與強力地板孔位，柱中心線正好座落於 地下室支承牆上，可使柱軸力直接傳遞而強力地板不受撓曲。梁柱深度 均取 50 cm，使梁淨長度 250 cm，柱淨長度 200 cm，模擬 2/3 縮尺的建 築構架。構架內牆之高寬比為 200/250=0.8，根據以往的研究經驗顯示，

試體基礎深 75cm 設計成彈性，確保柱主筋錨定與試體不滑移。柱 跨度 300 cm 係配合制動器衝程與強力地板孔位，柱中心線正好座落於 地下室支承牆上，可使柱軸力直接傳遞而強力地板不受撓曲。梁柱深度 均取 50 cm，使梁淨長度 250 cm，柱淨長度 200 cm，模擬 2/3 縮尺的建 築構架。構架內牆之高寬比為 200/250=0.8，根據以往的研究經驗顯示，