近斷層建築物抗倒塌技術研發-子計畫:軟補強-台灣既有典型街屋構架內置型簡易耐震補強法研究(II)

科技部補助專題研究計畫報告

近斷層建築物抗倒塌技術研發-子計畫:軟補強-台灣既有典型街

屋構架內置型簡易耐震補強法研究(II)

報 告 類 別 ： 成果報告 計 畫 類 別 ： 整合型計畫

計 畫 編 號 ： MOST 108-2625-M-006-001- 執 行 期 間 ： 108年08月01日至109年07月31日 執 行 單 位 ： 國立成功大學建築學系（所）

計 畫 主 持 人 ： 杜怡萱

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理：柯皓銓 碩士班研究生-兼任助理：連偉鈞

本研究具有政策應用參考價值：■否　□是，建議提供機關

（勾選「是」者，請列舉建議可提供施政參考之業務主管機關）

本研究具影響公共利益之重大發現：□否　□是　

中　華　民　國　109　年　10　月　17　日

中 文 摘 要 ： 街屋是台灣中南部最常見的建築形式，其構造多採RC或加強磚造

，平面形式類似，結構系統之特徵為：垂直街道方向有大量隔戶牆

，平行街道方向因應通風採光與動線之建築需求，無法配置完整牆 壁，形成耐震弱向，在地震中常發生沿街道方向的軟弱底層破壞

，並呈現既有低層RC建物之典型強梁弱柱行為。

台灣建築物耐震補強施行現況中，公有建築補強比例遠高於民 間建築，主因為民眾之防災意識不足、及補強費用與施工對使用性 之妨礙降低業主意願，典型街屋又由於平面類型限制，常用補強工 法包括增設RC剪力牆、RC翼牆、鋼骨斜撐框架、擴柱或鋼鈑包覆等

，皆因為影響空間使用性或底層柱緊鄰地界而難以施作。本研究綜 合考量典型街屋結構特性與使用者需求，提出以不需開挖基礎、乾 式施工、可於構架內部施作的簡易補強工法，相較於以結構效能為 首要考量的「硬補強」，這套「軟補強」工法期望以低成本、短工 期與效益足夠的特性，提高民間建築業主對耐震補強的意願。

此工法取鋼構件自重輕、加工及安裝容易、民眾接受度高等優 點，設計將鋼骨構件以化學錨栓附加於構架柱內側面及構架梁下方 之補強方式，並提出兩種可能的接合部形式，第一種接合形式為柱 補強鋼骨與梁補強鋼骨僅接觸不續接之承壓接合，使柱補強鋼骨位 於RC柱斷面受彎壓力側時可貢獻壓應力減輕混凝土負擔，位於受彎 拉力側時不貢獻拉應力以確保斷面韌性；第二種接合形式為柱補強 鋼骨與梁補強鋼骨翼板及腹板銲接之固接接合，使柱梁補強鋼骨形 成一ㄇ形構架，可提高靜不定度與應力重分配可能，預期對防止崩 塌較具效果。

本研究以結構試驗測試足尺單跨RC構架補強前後整體受力行為

，模擬獨棟街屋底層僅於構架內側補強之情況，施加固定軸力及雙 曲率式往復側推加載測試，試驗變因為補強構件接合條件，規劃兩 座補強構架及一座無補強構架試體。試驗結果顯示承壓接合補強試 體與彎矩接合補強試體之強度皆明顯高於無補強試體，分別高出 64%及112%，顯示補強措施確實有效；無補強試體呈現典型非韌性構 架之撓剪破壞形式，兩座補強試體之柱補強鋼骨對RC柱造成加勁效 果，導致變形集中於柱底，最終於柱底發生剪力破壞。承壓接合補 強試體之韌性相較無補強試體並無減損，但彎矩接合補強試體之破 壞變位低於無補強試體。

中 文 關 鍵 詞 ： 鋼筋混凝土、耐震補強、軟弱底層、強度

英 文 摘 要 ： Street-houses are the most common building type in the South Central Taiwan. The existing street-houses in Taiwan share a typical plan layout. The structures are mostly reinforced concrete (RC) frames with infilled or confined masonry panels. There are usually many intact partition walls between adjacent single-span house units. However, the partitions along the street direction are often removed or perforated by eccentric doors for access. The problem of lacking street-direction walls are especially serious when the ground floors are used as shops or garages. Therefore, the existing typical street-houses have been found severely damaged or collapsed in the past earthquakes due to the

soft base stories and non-ductile columns.

The percentage of seismic retrofitted buildings among public buildings is much higher than that among private buildings. The reasons include the house owners’

unawareness of earthquake hazard and unwillingness due to the direct cost from the retrofit construction and the indirect loss from the suspension of business. A simple retrofit method called “soft retrofit” is proposed.

Unlike the regular “hard retrofit” that emphasizes the structural performance, the main objective of this method is to reduce the cost, construction time, and disturbance to the interior space while providing sufficient

performance by using dry construction, no foundation excavation, and installing the retrofit components only from the interior of the building.

The retrofit design concept was to increase the flexural ductility of the base story columns by

strengthening the compression zone. It was proposed to attach steel components to the interior sides of the columns and the bottom of the beams. Two possible joint conditions between the retrofit components were designed.

The first one was to adjoin but not to connect the column and beam retrofit components so the former can carry only compressive stress and no tensile stress. The second one was to weld the column and beam retrofit components and enable a two-way moment-connection to increase the redundancy and reduce the risk of collapse.

The proposed retrofit method was verified with lateral load tests for full-scaled frames. Two retrofitted frames with different joint conditions and one bare frame were tested under constant axial load and cyclic lateral load in a fixed-fixed manner. The tested ultimate strengths of the retrofitted specimens with compression-only joints and moment-connected joints were respectively 64% and 112%

higher than that of the bare frame. The results showed the efficiency of the proposed retrofit method. The bare frame specimen failed in a typical non-ductile flexure-shear failure mode. The steel member attached to the columns of the retrofitted specimens stiffened the columns and

resulted in the concentration of deformation at the column bottoms. The column bottoms of both retrofitted specimens therefore failed in shear. This caused a decrease in the

Strength

科技部補助專題研究計畫成果報告

（□期中進度報告/■期末報告）

近斷層建築物抗倒塌技術研發－子計畫:

軟補強-台灣既有典型街屋構架內置型簡易耐震補強法研究(II)

計畫類別：□個別型計畫 ■整合型計畫

計畫編號：MOST 108 － 2625 － M － 006 － 001 －

執行期間： 108 年 8 月 1 日至 109 年 7 月 31 日

執行機構及系所： 國立成功大學建築系

計畫主持人： 杜怡萱

共同主持人：

計畫參與人員： 連偉鈞、柯皓銓

本計畫除繳交成果報告外，另含下列出國報告，共 _0_ 份：

□執行國際合作與移地研究心得報告

□出席國際學術會議心得報告

□出國參訪及考察心得報告

目次

中英文摘要 ... II

一、前言 ... 1

1.1 典型街屋之耐震弱點 ... 1

1.2 典型街屋耐震補強之困難 ... 2

1.3 軟補強–適用於台灣典型街屋之簡易補強 ... 3

二、研究目的 ... 4

三、文獻回顧 ... 4

四、研究方法 ... 8

4.1 典型街屋軟弱底層構架內置型簡易補強工法設計概念 ... 8

4.2 構架結構試驗 ... 10

4.2.1 試體設計 ... 11

4.2.2 試驗裝置與加載歷程 ... 23

4.2.3 量測儀器 ... 29

4.2.4 試體施作過程 ... 37

4.3 材料試驗 ... 54

4.3.1 鋼筋抗拉試驗 ... 54

4.3.2 混凝土抗壓試驗 ... 57

五、結果與討論 ... 59

5.1 試體破壞歷程概述 ... 59

5.2.1 無補強構架試體（F0） ... 59

5.2.2 承壓接合補強試體（FR-C） ... 68

5.2.3 彎矩接合補強試體（FR-M） ... 77

5.2 試體側力與變形關係 ... 88

5.3 試體比較與討論 ... 89

5.2.1 補強前後之比較 ... 89

5.2.2 不同補強構件接合形式之比較 ... 90

5.4 結論與建議 ... 91

參考文獻 ... 92

中文摘要

街屋是台灣中南部最常見的建築形式，其構造多採 RC 或加強磚造，平面形式類似，結構系統之 特徵為：垂直街道方向有大量隔戶牆，平行街道方向因應通風採光與動線之建築需求，無法配置完整 牆壁，形成耐震弱向，在地震中常發生沿街道方向的軟弱底層破壞，並呈現既有低層RC 建物之典型 強梁弱柱行為。

台灣建築物耐震補強施行現況中，公有建築補強比例遠高於民間建築，主因為民眾之防災意識不 足、及補強費用與施工對使用性之妨礙降低業主意願，典型街屋又由於平面類型限制，常用補強工法 包括增設RC 剪力牆、RC 翼牆、鋼骨斜撐框架、擴柱或鋼鈑包覆等，皆因為影響空間使用性或底層 柱緊鄰地界而難以施作。本研究綜合考量典型街屋結構特性與使用者需求，提出以不需開挖基礎、乾 式施工、可於構架內部施作的簡易補強工法，相較於以結構效能為首要考量的「硬補強」，這套「軟 補強」工法期望以低成本、短工期與效益足夠的特性，提高民間建築業主對耐震補強的意願。

此工法取鋼構件自重輕、加工及安裝容易、民眾接受度高等優點，設計將鋼骨構件以化學錨栓附 加於構架柱內側面及構架梁下方之補強方式，並提出兩種可能的接合部形式，第一種接合形式為柱補 強鋼骨與梁補強鋼骨僅接觸不續接之承壓接合，使柱補強鋼骨位於RC 柱斷面受彎壓力側時可貢獻壓 應力減輕混凝土負擔，位於受彎拉力側時不貢獻拉應力以確保斷面韌性；第二種接合形式為柱補強鋼 骨與梁補強鋼骨翼板及腹板銲接之固接接合，使柱梁補強鋼骨形成一ㄇ形構架，可提高靜不定度與應 力重分配可能，預期對防止崩塌較具效果。

本研究以結構試驗測試足尺單跨 RC 構架補強前後整體受力行為，模擬獨棟街屋底層僅於構架內 側補強之情況，施加固定軸力及雙曲率式往復側推加載測試，試驗變因為補強構件接合條件，規劃兩 座補強構架及一座無補強構架試體。試驗結果顯示承壓接合補強試體與彎矩接合補強試體之強度皆明 顯高於無補強試體，分別高出64%及 112%，顯示補強措施確實有效；無補強試體呈現典型非韌性構 架之撓剪破壞形式，兩座補強試體之柱補強鋼骨對RC 柱造成加勁效果，導致變形集中於柱底，最終 於柱底發生剪力破壞。承壓接合補強試體之韌性相較無補強試體並無減損，但彎矩接合補強試體之破 壞變位低於無補強試體。

關鍵詞：鋼筋混凝土、耐震補強、軟弱底層、強度

Abstract

Street-houses are the most common building type in the South Central Taiwan. The existing street-houses in Taiwan share a typical plan layout. The structures are mostly reinforced concrete (RC) frames with infilled or confined masonry panels. There are usually many intact partition walls between adjacent single-span house units. However, the partitions along the street direction are often removed or perforated by eccentric doors for access. The problem of lacking street-direction walls are especially serious when the ground floors are used as shops or garages. Therefore, the existing typical street-houses have been found severely damaged or collapsed in the past earthquakes due to the soft base stories and non-ductile columns.

The percentage of seismic retrofitted buildings among public buildings is much higher than that among private buildings. The reasons include the house owners’ unawareness of earthquake hazard and unwillingness due to the direct cost from the retrofit construction and the indirect loss from the suspension of business. A simple retrofit method called “soft retrofit” is proposed. Unlike the regular “hard retrofit” that emphasizes the structural performance, the main objective of this method is to reduce the cost, construction time, and disturbance to the interior space while providing sufficient performance by using dry construction, no foundation excavation, and installing the retrofit components only from the interior of the building.

The retrofit design concept was to increase the flexural ductility of the base story columns by strengthening the compression zone. It was proposed to attach steel components to the interior sides of the columns and the bottom of the beams. Two possible joint conditions between the retrofit components were designed. The first one was to adjoin but not to connect the column and beam retrofit components so the former can carry only compressive stress and no tensile stress. The second one was to weld the column and beam retrofit components and enable a two-way moment-connection to increase the redundancy and reduce the risk of collapse.

The proposed retrofit method was verified with lateral load tests for full-scaled frames. Two retrofitted frames with different joint conditions and one bare frame were tested under constant axial load and cyclic lateral load in a fixed-fixed manner. The tested ultimate strengths of the retrofitted specimens with compression-only joints and moment-connected joints were respectively 64% and 112% higher than that of the bare frame. The results showed the efficiency of the proposed retrofit method. The bare frame specimen failed in a typical non- ductile flexure-shear failure mode. The steel member attached to the columns of the retrofitted specimens stiffened the columns and resulted in the concentration of deformation at the column bottoms. The column bottoms of both retrofitted specimens therefore failed in shear. This caused a decrease in the deformation capacity of the retrofitted specimen with moment-connected joints. However, the ductility of the retrofitted specimen with compression-only joint was not reduced.

Keywords: Reinforced concrete, Seismic retrofit, Soft base story, Strength

一、前言

1.1 典型街屋之耐震弱點

街屋是台灣中南部最常見的建築形式，特別在都市的舊街區，或開發密度較低的鄉鎮區域，沿著 主要道路兩側羅列的騎樓店鋪住宅幾乎已成台灣中南部共通的街景。典型街屋的特徵是：為求鄰接建 築線（街道）的戶數最大化，其平面多呈垂直街道方向深入街區的狹長形狀，如圖1.1 所示，構造多 採RC 或加強磚造，結構系統則主要為沿街方向單跨（獨棟）或多跨（連棟）之規則構架；然而不管 是獨棟（鄰戶不共用隔戶牆）或連棟（鄰戶共用隔戶牆）街屋，各戶之平面形式皆非常類似，為因應 通風採光與動線之建築需求，平行街道方向幾乎無法配置完整牆壁，多為側邊開門的有開口牆，形成 明顯耐震弱向，加上底層通常作為店鋪、車庫或客廳使用，壁量更少，因此既有典型街屋在過去地震 中常發生沿街道方向的軟弱底層破壞甚至崩塌，如圖1.2 所示，圖中亦顯示既有低層 RC 建物之典型 強梁弱柱行為。

(a) 底層有沿街向牆壁 (b) 底層無沿街向牆壁

圖1.1 典型低層 RC 與加強磚造街屋平面類型[1]

騎樓 騎樓

1.2 典型街屋耐震補強之困難

圖 1.3 顯示在 2016 年之 0206 美濃地震中，與圖 1.2 同樣的典型街屋軟弱底層破壞仍然在發生，

理由不難想像，即因此類既有典型街屋皆在1999 年 921 地震前設計興建，而 921 之後至今未進行耐 震評估及補強所致。台灣在921 之後，已針對公有建築物核定「建築物實施耐震能力評估及補強方 案」，分批執行，依此方案補強完成的校舍及辦公廳舍，如台南市歸仁國中及歸仁區公所，於美濃地 震中皆無損，尚未補強的南化、左鎮、山上區公所則受到中、重度震害，顯示國內耐震評估及補強技 術已達一定水準，針對公有建築物之耐震能力改善亦有顯著成效。相較之下，民間建築物之耐震補強 由於一般民眾之防災意識不足、補強費用與施工對使用性之妨礙降低業主意願、以及主管機關缺乏有 效執行政策，本已不易推動，典型街屋又因其特有平面類型與基地條件限制，有著先天難以克服的技 術面問題。

(a) 仁德區獨棟街屋底層崩塌 (b) 玉井區連棟街屋騎樓柱頂損壞（內有沿街向磚牆）

圖1.3 2016 年美濃地震中發生軟弱底層破壞或崩塌之典型街屋

針對軟弱底層問題，多數文獻[3][4][5]建議有效的改善對策如圖 1.4 所示，包括在底層增設牆壁 或斜撐提升強度消除軟層，或透過RC 擴柱、鋼鈑/纖維包覆加強底層柱之軸向與剪力強度以確保韌 性，並防止底層柱因上部牆體剪力導致之集中軸力壓壞。這兩種補強法對於底層作為開放空間、停車 場、市場使用而形成軟弱底層的複層型集合住宅皆可適用，對典型街屋卻難以施行。關鍵在於典型街 屋每戶短向只有單一跨間，無法增設全面封閉之RC 剪力牆，即使改設 RC 翼牆，或預留開口之鋼骨 斜撐構架，如圖1.5 所示，也會嚴重影響動線位置與空間使用性；而擴柱及鋼鈑/纖維包覆則會因為底 層柱緊鄰地界或與鄰戶共用而難以施作，即使取得鄰戶同意配合施工，包覆工法也會破壞原有隔戶磚 牆與柱之連接性，若原構造為加強磚造，則會折損長向耐震能力，並提高隔戶磚牆於面外方向倒塌之 風險，必須再行配套補強。另外，提升強度之補強法皆須同時補強基礎，並透過植筋將補強構件與既 有構架充分連結，而基礎開挖及植筋即是補強工程中花費最高的項目。

(a) 提升底層強度 (b) 提升底層韌性 圖1.4 軟弱底層之改善對策[3]

(a) X 型 (b) K 型 (c) 馬薩型 (d) 鑽石型 圖3.5 常用補強鋼骨斜撐構架形式[4]

1.3 軟補強 – 適用於台灣典型街屋之簡易補強

其實典型街屋由於平面規模小，樓層數大多偏低，耐震需求亦不如醫院、校舍等用途係數 1.25 或1.5 之公共建築高，不見得一定要使用整體式剪力牆或斜撐構架等剛度與強度皆屬高規格的「硬補 強」。根據許茂雄與劉白梅[1]以三層以下之典型加強磚造街屋試算結果，底層只要有一到兩片沿街向 樓梯間開口磚牆，耐震能力即已足夠。以圖1.1 所示平面為例，依常用尺寸假設平面寬 4.5m、深 22m，單位樓地板面積平均自重 1.2t/m²時，三層樓街屋總重約356t，若依經驗值假設總地震力約為自 重之0.25 倍，分配到底層 8 支柱上，每支柱各約負擔 11~12t 之側力，此數值與依典型街屋配筋方式 設計之30cm50cm 斷面柱構架側推試驗強度[6]約略相當，這也表示典型街屋耐震補強需求的量級可 能僅相當於3-4 支柱子，或一到兩組構架的程度。

因此，本研究期望提出一套適用於台灣典型街屋的簡易補強方法，在綜合考慮其結構特性與民間 使用者需求之前提下，能滿足以下條件：

- 不需開挖基礎

- 乾式施工、縮短工期 - 可負擔的價格

- 可於構架內部施作

二、研究目的

本研究之目標乃為解決目前慣用於校舍建築之耐震補強工法難以直接套用於既有典型街屋的問 題，並期望整合結構、建築與使用者需求之考量，提出兼顧性能及成本效益而具體可行的耐震補強方 案，以協助民間建築耐震補強之普及化。原規劃以兩年期程進行構件試驗與結構試驗，測試此補強工 法之效果與受力行為，本計畫原申請為兩年期，第一年已執行完畢，本年度則延續前一年進行之構件 試驗，設計三座足尺單跨構架試體進行結構試驗。主要研究目的如下：

1. 觀察並歸納各試體受力行為。

2. 比較試體補強前後之強度與韌性表現。

3. 探討兩種補強構件接合形式對試體行為之影響。

三、文獻回顧

Hayashi et al.[7]於 1980 年的研究提出兩種對既有 RC 建築物補強的基本策略：(1)在既有構架中填 入RC 牆，以提升強度；(2)以點銲鋼線網（Wire fabric）及塗布砂漿包覆既有構架柱，以提升韌性。

這兩種補強法分別透過1/3 縮尺構架試體及約略足尺柱試體之往復加載測試來驗證，前者比較無牆構 架、一體澆灌含牆構架與不同牆-構架介面接合形式的構架內填牆，結果顯示填入牆之強度雖低於一 體澆灌牆，仍高達無牆構架之3.5-5 倍；鋼線網包覆柱試體之變因為鋼線網接合位置與包覆層厚度，

試驗結果顯示未補強柱於主筋降伏前即達極限強度，包覆鋼線網補強柱則因剪力強度提高，皆於主筋 降伏後才達極限，包覆層4.5cm 厚者可維持至 1/50（2%）變位角，9.0cm 厚者可維持至 1/25（4%）

變位角，此試驗確立了透過補強剪力強度、防止脆性破壞來提升RC 柱韌性的概念。

Sugano 在 1990 年代前後的兩篇文獻[8][9]，從近 20 年來的試驗研究彙整既有建築結構補強技 術，並討論其成效。Sugano 提出耐震補強方法可依其目標分類為：(a)強度提升型、(b)強度與韌性皆 提升型、(c)韌性提升型，如圖 3.1 所示。他比較了各種以填入牆壁或斜撐來提升構架強度的補強方 法，歸納出填入式牆壁若與構架充分連結，可達與一體澆灌牆幾乎相當的強度；填入鋼骨斜撐框架能 大幅提昇強度與韌性；而即使填入的是混凝土空心磚或紅磚牆，也能提升強度。他也比較了各種提升 RC 柱韌性的補強方法，包括鋼鈑/RC/纖維包覆、增設翼牆、及將短柱旁的垂壁與窗台切縫隔離等，

結論是每一種包覆補強法皆能明顯提升韌性；RC 包覆（擴柱）能同時提升強度與韌性；垂壁與窗台 切縫後，柱韌性提升，但強度則降低；而鋼鈑包覆在柱端部若未留間隙，反而會造成韌性下降，但強 度提高。

圖3.1 耐震補強方法之分類[9]

日本建築防災協會於 1977 年即針對既有 RC 建築物提出耐震改修設計指針，並於 1990 年[10]、

2001 年[4]及 2005 年[11]分別發行兩次改訂版及英文翻譯版。1990 年之後的改訂版採納 Sugano 之概 念，建議在進行補強設計時，應充分瞭解既有建物之結構特性，從強度提升、韌性提升、改善剛性不 均勻分布等補強目標中，選定最適合的工法。解說中並針對幾種代表性的補強工法建議所適用之建物 特性及注意事項，摘要如下：

(1) 增設 RC 剪力牆 ‒ 適合強度低、由剪力破壞型構件主控的建物。若增設牆的強度由撓曲或側傾控 制，可發揮韌性，也適用於撓曲破壞型構件主控而強度低的建物。剪力牆之增設會妨礙空間機能 與採光，應注意建物之使用條件，同時也會造成自重增加，以及地震載重下之軸力集中，最好使 用於基礎支撐力足夠的建物。

(2) 增設 RC 翼牆 ‒ 翼牆會提升柱強度，而可能導致破壞機制由原本柱主控變為梁主控，因此若打算 採強度提升策略，應注意梁的對應強度是否足夠，或者藉由變為梁主控破壞機制來提高耐震性 能。同時，翼牆增設後梁臨界斷面會由原本的端部移動至較為中段區域，要注意斷面內主筋配置 差異造成梁撓曲強度減少的可能性。翼牆增設也會造成梁的淨跨距減少，為確保梁仍有足夠韌 性，此工法較適用於跨距大的構架。

(3) 柱補強 ‒ 適用柱補強工法的建物可分為下列三種，無論哪一種，前提都是梁的強度或變形性能沒 有問題的情況。

(a) 壁量少而以柱為主要組成，梁強度足夠但柱的剪力強度不足，因此欠缺韌性的建物。針對此類 建物，以提高柱的剪力強度來提升韌性的補強工法最為有效。

(b) 柱受到垂壁或窗台的束制，因此剪力負擔分配不均的建物（即短柱現象）。針對此類建物，將 垂壁或窗台與柱切離，使各柱剛度均勻化的補強法最為有效。

(c) 壁量少而以柱為主要組成，雖然韌性足夠但強度過低的建物。針對此類建物，增加柱主筋（擴 柱）提高強度的補強工法最為有效。

(4) 增設鋼骨框架 ‒ 相較於增設 RC 構件的補強法，鋼骨框架造成自重增加的程度較小，適合用於基

T S E

I_S  ₀ _D (3.1) S 與_D T之決定較為仰賴結構評估者之工程判斷，E 則依一次、二次或三次診斷而有簡略或詳細₀ 之計算法，其基本概念為垂直構件之強度係數C 與韌性係數F之乘積，以用於強度主控型二次診斷之 式(3.2)為例，先將垂直構件依照韌性高低分群，韌性最低者為第 1 群，其強度與韌性係數分別為C 及₁ F ，其他群構件之強度係數則為1 C_j， 為第一群構件達極限點時，第 j 群構件之強度發揮比例。_j E₀ 指標採分層計算，式中n 為建物總樓層數而i為評估標的樓層。

1 1

0

1 C C F i

n E n

j j

j 





 



 



這套設計指針除了提供各種補強方法的強度及韌性計算公式與具體計算例，也提供結構設計圖 例、工法說明及施工規範，且由於既有建築物補強仰賴補強構件與原結構之新舊介面連接，特別強調 各種接合部的細部詳圖、建議工法及品質檢查與管理，以確保補強工程之實際成效。這套耐震改修設 計指針內容完整涵蓋從補強規劃、設計到施工的全套流程，且台灣與日本的RC 建築結構類型相近，

因此參考價值極高。

日本以宮城、福島為首的東北六縣向來是地震最為頻繁的區域，2000 年，以日本建築學會東北 支部為首的學者與結構工程師團隊，調查並彙整東北區域自1978 年宮城縣海底地震之後既有 RC 建 物耐震補強之狀況[12]。內容分為設計及施工兩大部分，設計部分包括以學校建築為主的公共建物補 強詳細統計資料，及各種補強法（RC 剪力牆、RC 翼牆、鋼骨斜撐框架、碳纖維包覆）之設計方法與 結構行為，並透過實際案例討論補強設計方法之問題與補強建築物在後續地震中的破壞情況；施工部 分亦以實際案例歸納民間建築物耐震補強之經驗及需注意點，統計分析民間建物及校舍補強之工程費 用與工期，並詳細記載各種補強方法施工之施工計畫、工序、植筋施工步驟等。相較於一般研究文 獻，此文獻之特點為資料多來自實際案例，且內容鉅細靡遺。針對民間建物補強，此文獻提到是否對 應業主需求將成為補強工程良莠之關鍵，並整理常見民間業主需求項目包括：(1) 施工期間仍可維持 營業（不中斷使用）、(2) 針對使用機能及設計方面的要求、(3) 補強方法的選擇、(4) 對工程期間的 限制（作業時間、完成日期等）、(5) 對工作順序、工作區域的要求、(6) 環境條件（噪音、振動、粉 塵）的對策、(7) 對工程費用的期望等。

1995 年日本阪神地震後，除了公有建築以外，民間商業大樓、飯店或集合住宅之耐震補強案例 也逐漸增多，因此以實務工程取向的耐震補強專書亦接踵而出，如文獻[3]及文獻[13]，這些專書除了 提供以實際案例為本的設計與施工指南，也納入了隔震、消能裝置、斜拉預力鋼棒、外加構架等較新 補強技術，如圖3.2 所示，及各種新式材料或專利工法。從這些專書中的案例，可發現日本近年耐震 補強多偏愛採用自重較輕而可兼顧開口需求的鋼骨框架系工法，應用於商業建築時，也不乏整合空間 造形的設計巧思。

在台灣因鋼骨構造工程費用較高，公有建築物之補強還是最常採用增設剪力牆、翼牆及擴柱等以 RC 補 RC 的工法。Julio et al.[14]曾歸納 RC 擴柱補強工法之歷年研究，並討論各施工步驟中不同細部 處理方式對構件行為之影響；RC 擴柱的主要特點在於可同時提升強度與韌性，並令結構破壞機制由 強梁弱柱改正為強柱弱梁，也可用於修補已受損的柱，修復的同時可改善強度與剛度。此文獻指出擴 柱主筋於底部可以植筋錨定於原基礎，但植筋施工細節應注意，頂部則應於樓版打孔令主筋穿過，並 避免與既有梁衝突。為使擴柱部分亦能承受垂直載重，施工中應先以千斤頂撐起頂梁。

圖3.2 近年日本常見耐震性能改善方法[13]

國家地震工程研究中心（NCREE）曾以二層樓足尺構架測試擴柱、RC 翼牆及鋼鈑包覆對典型校 舍弱向構架之補強效果[15]，並提出以典型校舍結構為主要對象之耐震評估與補強技術手冊[16]，為 國內結構工程師目前執行耐震補強工作之主要參考依據。NCREE 考量校舍補強之需求數量龐大，為 節省工程費用，建議以增設RC 剪力牆、RC 翼牆及擴柱為主要工法，並提供設計方法與標準施工大 樣，如圖3.3 所示。增設 RC 剪力牆和 RC 翼牆需要植筋於既有構架，台灣老舊校舍常有混凝土強度 不足問題，若混凝土強度無法滿足植筋需求，則需改採擴柱工法，但單支擴柱可提供之強度與剛度畢 竟不如剪力牆，需相對增加補強部位數量，也增加總工程費用與工期。同時，這三種工法不管何者，

以一般規模校舍而言，皆須耗費約2 至 3 個月工期施作，施工期間校舍無法使用，即使可搬遷至其餘 校舍，施工中校舍仍然有噪音與振動問題，因此補強工程多需利用寒暑假進行。

國內近期亦有黃錦旗建築師出版專書[17]，根據台灣本土經驗討論建築結構之地震反應、震害特 徵與各種可行的耐震補強工法，其中特別提到作者發展的特殊鋼鈑補強工法，此種工法與韌性提升型 的鋼鈑包覆補強不同，強調鋼鈑與原RC 構件斷面之連結性及鋼鈑在柱梁接頭區域之延續性，較偏向 強度提升型的補強工法，此工法曾透過台南關廟國小現地側推試驗驗證，但由於鋼鈑於接頭區域續接 及埋入基礎之施工細部較為複雜，應用性不如效果類似的RC 擴柱來得普及。

四、研究方法

本研究綜合考量典型 RC 街屋結構特性與使用者需求，提出一套不需開挖基礎、採行乾式施工、

可於構架內部施作的附加鋼骨補強工法，透過構件試驗測試此工法之效果並探討其結構行為，再將試 驗結果與理論分析方法之強度試算結果比較。

4.1 典型街屋軟弱底層構架內置型簡易補強工法設計概念

本研究參考 Ou & Truong[18]的柱補強構件試驗進行發展，Ou & Truong 以典型街屋底層柱為原型，

於RC 柱斷面弱軸增設約 250mm 之短 RC 翼牆補強，施加固定軸力與單曲率往復側力加載測試，試驗 變因包括單側或雙側增設翼牆、翼牆配筋量及翼牆垂直主筋是否錨定於頂梁及基礎；試驗結果顯示即 使翼牆主筋未錨定至邊界構件，仍然具有提升強度及剛度的效果，原因為翼牆斷面位於受彎壓力側時 可發揮承壓作用，增加斷面有效深度與抗彎力臂，強度約可提升至無補強斷面之兩倍；柱雙側增設翼 牆時，翼牆主筋有錨定者強度較高，但無錨定者卻有較佳變形能力。

根據一般 RC 斷面受彎行為[19]，若增加拉力筋，會導致強度提高而韌性降低；若增加壓力筋或採 用較高強度混凝土等加強壓力側之措施，則強度無太大變化，但可誘使拉力筋產生較高塑性應變而提 高斷面韌性。因此本研究提出在RC 柱斷面單側或雙側附加鋼骨構件形成複合斷面之補強法，如圖 4.1 所示，將鋼骨構件以化學錨栓鎖固於構架柱弱軸側面，與增設短翼牆之概念相當。柱補強鋼骨端部無 法穿透既有構架梁，但只要其位於壓力側時能傳遞壓應力，便可預期發揮加強壓力側之作用提升斷面 塑性變形，同時可分攤既有構架柱之剪應力，提高剪力強度而避免脆性剪力破壞來提升韌性。

為防止柱補強鋼骨端部壓應力對構架梁造成集中剪力，規劃於既有構架梁下方設置另一支可分散 應力並補強構架梁剪力強度之梁補強鋼骨，安裝時先將梁補強鋼骨鎖固於構架梁下，再將柱補強鋼骨 緊靠於分力鋼梁下，以確保壓應力可傳遞後鎖固於構架柱。

根據設計概念，應避免柱補強鋼骨對柱斷面貢獻拉應力，造成斷面韌性降低，故柱補強鋼骨頂部 與梁補強鋼骨之接合部採承壓接合，如圖4.1(c)所示，柱補強鋼骨翼版與梁補強鋼骨不續接，腹版以長 槽孔栓接，受拉時可位移以不致傳遞拉應力。柱補強鋼骨底部為便於安裝及滿足不開挖基礎之目標，

實際安裝時可能與地板留有空隙，或街屋底層地板為裝修，不具實質傳力作用，假設無彎矩傳遞，則 補強後底層構架之側向受力機制如圖4.2 所示，柱補強鋼骨僅安裝於柱單側時，於右柱為拉力側，無抗 彎作用，僅作為剪力補強，左柱則為壓力側，作用如等值外加壓桿，可因斷面有效深度增加而同時提 升左柱撓曲及剪力強度。

圖 4.1(d)所示為另一種可能的接合部設計，將柱補強鋼骨翼版及腹版與梁補強鋼骨銲接形成彎矩接 合，成為一開放ㄇ形鋼骨框架。此種接合方式理論上會造成柱補強鋼骨於斷面拉力側亦發揮貢獻而減 低韌性，但根據Sugano[9]引述 Yamamoto[20]於 RC 構架填入鋼骨斜撐框架補強之試驗結果，即使填入 不含斜撐之鋼骨框架，仍能明顯提升強度與韌性，故本研究亦將此種設計納入探討。彎矩接合部之補 強構件靜不定度高於承壓接合，預期可發揮較佳的應力重分配能力，對防止底層崩塌的效果應較佳。

(a) 補強構件安裝於構架內側 (b) A-A’剖面

(c) 大樣圖 B – 承壓接合 (d) 大樣圖 B – 彎矩接合 圖4.1 本研究規劃典型街屋底層構架內置型簡易補強工法示意圖

A A’

既有 構架柱

柱補強 鋼骨

梁補強鋼骨

大樣 圖 B 既有

構架柱

柱補強 鋼骨 構件試驗

區域

廠預製，再搬運至現場安裝，相較於RC 之濕式施工需組立鋼筋及模版、翼牆頂部需以喇叭口澆鑄 後再敲除多餘部分，可大幅節省現場施工時間，將補強工程對於日常使用機能的干擾減到最低。

附加式補強構件便於拆卸更換，日後改修維護容易。

(2) 自重輕，材料強度及韌性高 ‒ 相較於混凝土，鋼構件自重輕，對原結構增加的載重負擔小，鋼材 料本身具備高強度與高韌性，於既有RC 構架破壞時可容許應力重分配，降低樓層崩塌之可能性。

(3) 永續綠建材 ‒ 鋼材料可回收再製，為節能減碳的綠建材。

(4) 民眾接受度高 ‒ 台灣一般民眾對於鋼材料普遍有較為耐震之印象，亦容易接受以鋼骨作為震前或 震後補強構件。圖4.3 所示為台南市南化區公有零售市場於 2016 年美濃地震後損壞情形，此市場 與美濃地震中倒塌的山上區公有市場同屬類似軟弱底層形式，部分底層柱於美濃地震前即於柱側 架有鋼骨支撐補強，乃因 2010 年甲仙地震後已中度受損，而於美濃地震後則明顯發生剪力破壞，

此處的鋼骨支撐非屬任何補強文獻建議形式，看似業主自行從簡設置而未經專業工程師設計，卻仍 可協助剪力破壞之RC 柱負擔軸向載重，進而防止底層崩塌。此案例顯示台灣民間已慣習採用鋼骨 構件附加於RC 結構之補強工法，值得深入探討其實際受力行為與接合部位之妥適設計。

(5) 造型變化度及系統擴充性高 ‒ 鋼構件加工容易，能配合空間機能需求或室內設計變化造型。構架 內置型鋼骨補強系統未來可繼續研究發展為加裝低降伏接合構件、阻尼器或角隅斜撐的可能性，具 備擴充為消能型或強度提升型補強的潛能。

圖4.3 南化區公有零售市場美濃地震後損壞情形

4.2 構架結構試驗

本研究設計三座足尺 RC 構架試體進行固定軸力與往復側向載重下之側推試驗，試體以典型街屋 底層短向構架為原型，如圖4.4 所示。試驗變因為有無補強與補強構件接合形式，以探討補強措施之有 效性及兩種補強構件接合形式對試體受力行為之影響。三座試體分別為無補強試體（F0）、承壓接合補 強試體（FR-C）與彎矩接合補強試體（FR-M），試體代號字母開頭 F 表示構架（Frame），0 表示無補 強，R 表示補強（Retrofit），字尾 C 表示承壓（Compression-only）接合，M 表示彎矩接合（Moment- connected）。三座試體 RC 構架皆採相同設計並同時施作，補強鋼骨先於工廠內製作後運至現場，再以 化學錨栓固定於RC 構架上。

圖4.4 街屋原型一樓平面圖(單位：mm)

4.2.1 試體設計 A. 試體規劃

三座試體簡介與比較如表 4.1 所示，試體平面、立面與剖面圖詳見圖 4.5 至圖 4.9。本研究設計承 壓接合補強試體之柱補強鋼骨翼板與梁補強鋼骨翼板連接處不銲接，僅使用角鐵連接柱補強鋼骨腹板 與梁補強鋼骨翼板，且角鋼於柱補強鋼骨側開長槽孔栓接，受拉時柱補強鋼骨與梁補強鋼骨分離，不 致傳遞拉應力；彎矩接合補強試體則將柱補強鋼骨翼板及腹板銲接於梁補強鋼骨翼板，形成能傳遞彎 矩之柱梁接頭，為便於安裝，梁補強鋼骨於約跨距1/4 處分為左右梁托段與中央段，梁托段於工廠內與 柱補強鋼骨銲接，與中央段則於安裝至RC 構架時以螺栓接合。

表4.1 試體介紹（單位：mm）

無補強試體 補強試體

承壓接合 彎矩接合

試體編號 F0 FR-C FR-M

構架尺寸

(高×跨距) 3450×4300

鋼骨尺寸 無 另詳圖與錯誤! 找不到參照來源。

立面圖

平面圖

(a) 立面圖 (b) 剖面圖 圖4.5 無補強試體（F0）立剖面（單位：mm）

(a) 立面圖 (b) 剖面圖

圖4.6 承壓接合補強試體（FR-C）立剖面（單位：mm）

(a) 立面圖 (b) 剖面圖 圖4.7 彎矩接合補強試體（FR-M）立剖面（單位：mm）

圖4.8 無補強試體（F0）平面（單位：mm）

圖4.9 補強試體（FR-C、FR-M）平面（單位：mm）

混凝土設計抗壓強度為20.6MPa（210 kgf/cm²）；箍筋與樓板筋（#3）設計降伏強度為 274.4MPa

（2800 kgf/cm²），主筋（#6、#7）設計降伏強度為 411.6MPa（4200 kgf/cm²）。

柱（C1）寬 300mm×深 500mm，主筋比 2.56%，箍筋為#3@250mm 彎鉤 90°之非韌性設計，箍筋 彎鉤處為對角交錯配置，柱配筋細部如圖4.11 所示。連接垂直力偶制動器頂梁（B1）為避免破壞，

斷面設計為寬650mm×深 500mm，箍筋為#3@100mm，其中為架設垂直力偶制動器而預埋四個垂直套 管；試體兩端表面預埋650×500×10mm 鋼板，避免側向鋼梁夾具預力時發生破壞，細部尺寸如圖 4.12(a)所示。主梁（B2）斷面設計原參考國家地震工程研究中心台南市震損報告[21]案例編號 F05 一 樓短向梁配筋，梁寬300mm×深 500mm，於試體設計時為避免側向加載預力螺桿施加之預力大於梁之 容許軸壓力，因此調整梁寬與樓板厚，將梁斷面調整為寬350mm×深 500mm；配筋依據梁自重下彎矩 分佈，梁端1/4 處（1000mm）與梁中央拉力筋與壓力筋倒置，梁端與梁中央箍筋間距亦分別設計為 150mm 與 250mm，頂梁配筋如圖 4.13 所示。短向梁（G1）寬 250mm×深 500mm，為避免短向梁於試 驗中受扭轉破壞，將箍筋間距設計為#3@100mm；短向梁中央設置預埋套管以容許側向加載預力螺桿 通過，細部尺寸如圖4.12(b)所示，梁 B1、B2 及 G1 配筋細部圖如圖 4.13(e)、(f)所示。樓板為提升試 體頂梁軸壓強度，將樓板厚設計為200mm，樓板筋長向與短向皆間距 100mm；因為試體兩端需架設 預力鋼梁夾具，為避免夾具預力加載後變形擠壓樓板，因此頂梁兩側樓板向內退縮50mm，樓板配筋 圖如圖4.14 所示。基礎為避免鎖固螺桿時軸壓力造成破壞，混凝土採用抗壓強度 350 kgf/cm²，長寬 高分別為5500×1400×750mm，預留套管於強力地板之孔位及柱中心處，分別作為基礎預力螺桿與柱 內應變計走線使用，基礎配筋圖如圖4.15 所示。

柱頭為柱上方凸出於樓板處，作為柱主筋頂部 T 頭錨定與預埋鎖固上方軸力系統螺桿之用，為避 免與梁主筋及樓板筋衝突，因此將柱頭設計高於樓板以上200mm，於試體灌漿後架設模板，使用抗 壓強度350 kgf/cm²混凝土澆灌進行二次灌漿，能較精準控制預埋螺桿位置。

表4.2 試體斷面配筋 (單位：mm、MPa )

柱 梁 基礎

代號 C1 B1 B2(端) B2(中) G1 斷面

尺寸 300×500 650×500 350×500 350×500 250×500 1400×750 主筋 4 – #7

8 – #6

5 – #7 9 – #6

7 – #7 2 – #6

7 – #7 2 – #6

4 – #7

2 – #6 14 – #8 配筋比 2.56% 1.56% 1.25% 1.25% 0.96% 0.74%

箍筋 #3@250 #3@100 #3@150 #3@250 #3@100 #4@200 主筋

降伏強度 411.6

箍筋

降伏強度 274.4 411.6

混凝土

抗壓強度 210 350

保護層 40

(a) 正向剖面圖 (b) 側向立面圖

(c) 頂視圖

圖4.10 試體 RC 構架配筋圖

(a) B1 梁垂直制動器套管 (b) G1 梁側向預力螺桿套管 圖4.12 梁預埋套管細部尺寸(單位：mm)

D18荷重計底座預埋螺桿(共8支) 預埋PVC套管 650×500×10鋼板

180

180560

1350

800 500

239 299

299 4400 197.5 750

200 1000

200 150

150

180

150

150 150200200 1000

(a) 梁長向配筋上視圖 (b) 梁長向配筋正視圖 (f) G1短向梁側立面圖 圖4.13梁配筋圖(單位：mm)

(e) G1短向梁上視圖(d) B1梁剖面圖(c) B1梁側視圖

650x500x10鋼板650x500x10鋼板

10 #3@150#3@150#3@250 650x500x10鋼板

650x500x10鋼板 預埋螺桿 #3@150#3@100#3@150#3@250#3@100 D18預埋螺桿

D18軸力系統基座 預埋螺桿

(a) 長向剖面圖 (b) 上視圖 (c) 短向側視圖 圖4.14樓板配筋圖(單位：mm)

#3@100#3@100 #3@100

#3@100#3@80.5#3@80.5 650x500x10鋼板650x500x10鋼板#3@100#3@100#3@100

#3@

100 100 #3@

#3@80.5#3@80.5

(b) 短向側立面圖 (d) 短向剖面圖 圖4.15基礎配筋圖(單位：mm)

(a) 長向剖面圖 (c) 平面圖

預埋Φ30PVC管預埋Φ100PVC管 預埋Φ30PVC管 預埋Φ30PVC管 預埋Φ30PVC管預埋Φ100PVC管 #4@200#4@200

C. 補強鋼構架設計

本試驗補強鋼構沿續前期試驗斷面，材料使用相同 ASTM A36 鋼板，柱梁補強鋼骨斷面尺寸如表 4.3 所示，承壓接合與彎矩接合補強構架尺寸如圖 4.16 及圖 4.17 所示，補強構件接合係不如圖 4.18 及圖4.19 所示。補強鋼骨斷面為工型鋼，鋼板厚為 10mm，柱補強鋼骨翼版寬 200mm 與 400mm，柱 深250mm，細部尺寸如圖 4.20 所示；梁補強鋼骨翼版寬 200 與 300mm，梁深 300mm，細部尺寸如圖 4.21 所示。補強鋼骨之構架側翼板皆較自由側翼板寬，方便於構架側翼板上設置預鑽孔位做為化學錨 栓植筋處，如圖4.22 所示。

表4.3 補強鋼骨尺寸（單位：mm）

柱補強鋼骨 梁補強鋼骨

構架側翼版寬 400 300

自由側翼版寬 200

柱深 / 梁深 250 300

加勁版間距 265 250

預鑽孔直徑 24

短向孔位間距 200 160

孔位距翼版外側 100 70

圖4.16 承壓接合補強試體（FR-C）補強鋼骨尺寸(單位：mm)

圖4.17 彎矩接合補強試體（FR-M）補強鋼骨尺寸(單位：mm)

(a) 正立面 (b) 剖面

圖4.18 承壓接合補強試體（FR-C）補強鋼骨接合細部（單位：mm）

(a) 正立面 (b) 剖面

圖4.19 彎矩接合補強試體（FR-M）補強鋼骨接合細部（單位：mm）

(a) 承壓接合 (b) 彎矩接合 圖4.20 柱補強鋼骨細部尺寸（單位：mm）

(a) 承壓接合

(b) 彎矩接合

圖4.21 梁補強鋼骨細部尺寸（單位：mm）

(a) 柱補強鋼骨 (b) 梁補強鋼骨 圖4.22 補強鋼骨翼板說明

4.2.2 試驗裝置與加載歷程

為模擬既有街屋底層柱承受靜載重與地震力，本試驗以施加固定大小之軸力搭配位移控制之往復 側力進行加載，軸力使用兩支液壓千斤頂分別施加於兩柱中心正上方，並於側力加載過程中維持定值，

模擬三層樓 RC 街屋底層構架於自重下承受之垂直載重；側向載重採位移控制，由兩支側向制動器提 供每位移階段三週次之往復加載，同時為防止側力加載造成頂梁旋轉，裝置中包含一對用於施加平衡 力矩之垂直制動器，安裝於試體長向兩外側，使頂梁於試驗過程中盡量維持水平，以模擬一般低層建 物之剪力屋架變形模式，圖4.23 為試驗裝置 3D 模擬圖，實際安裝照片如圖 4.24 所示。

圖4.24 試驗裝置實際安裝完成照片

A. 試驗裝置說明

試驗裝置平面、立面及側立面如圖 4.25 至圖 4.27 所示，裝置主要分為四部分：側力系統、軸力 系統、平衡側力矩系統以及面外支撐系統，分別說明如後。

圖4.25 試驗裝置平面圖

圖4.26 試驗裝置正立面圖

圖4.27 試驗裝置側立面圖

因既有轉接版與鋼梁夾具孔位偏差，兩支制動器皆向外偏移1°，理論上制動器加載時水平分力會互相 抵消，且偏差角度小，水平分力應可忽略。正向加載時側力制動器透過傳力鋼梁直接施加推力於試體 頂梁近端，反向加載時為避免試體頂梁受拉，設計以螺桿傳遞拉力於固定頂梁遠端之另一組傳力鋼梁，

並於螺桿施加預力防止鬆脫，預力大小根據前期試驗結果估算構架最大側向強度約743.6kN，並確認小 於梁之容許軸壓力0.1 'f A （766.5kN），最後決定螺桿施加預力共 760kN。 c g

圖4.28 試驗裝置側力系統上視圖

2. 軸力系統

軸力系統包含一對軸力千斤頂及軸力反力鋼梁，如圖 4.29 所示。軸力千斤頂底部連接荷重計，確 認施加軸力是否維持定值與側向加載過程中剪力之變化；頂部透過滾輪與軸力反力鋼梁接觸，使軸力 千斤頂於側力加載過程中可隨試體移動，維持垂直載重固定施加於柱頂。軸力反力鋼梁上方鎖固於連 接面外側撐架之軸力傳力橫梁，讓軸力可透過側撐架傳遞至強力地板以提供反力。

圖4.29 試驗裝置軸力系統立面圖

3. 平衡側力矩系統

平衡側力矩系統由一對垂直制動器所組成，其底部固定於試體基礎南北兩側之轉接板，頂部透過 長螺桿穿過試體頂梁兩外側B1 段之預埋套管並鎖固。試驗過程中垂直制動器採位移及力量控制，令兩 支垂直制動器位移量相同且合力為零，以維持頂梁水平，如圖4.30 所示。

圖4.30 試驗裝置平衡側力矩系統示意圖

4. 面外支撐系統

面外支撐系統如圖 4.31 所示，為兩對面外側撐構架，置於試體兩側，防止試體於試驗過程中發生 面外側傾與扭轉，並於面外側撐架與試體樓板接觸處安裝培林滾輪，避免側向加載時對試體造成摩擦 阻力。

圖4.31 試驗裝置面外支撐系統側立面圖

如式(2.1)所示。

Drift Ratio /Hn100% (2.1) 其中，為水平制動器所施加之側位移；H_n為試體柱底至頂梁中心之高度。

加載歷程採用三角形位移波輸出，如圖 4.32 所示，各階段規劃之變位角仿照前期試驗規劃，依 序為0.125%、0.25%、0.375%、0.5%、0.75%、1%、1.5%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%，於 每個層間位移進行三週次循環。每階段加載時，先由前階段歸零位置往正向加載至預定位移，再加載 至反向預定位移，重複三週次後卸載至力量為零之位置。試驗過程中在制動器到達預定位移時，須暫 停並記錄觀察試體破壞情形，記錄時機與內容如下：

(1) 第一週次達預定位移時描繪裂縫，拍照並記錄最大裂縫寬度。

(2) 第二、三次達預定位移時僅拍照記錄試體破壞狀況。

(3) 第三週次結束歸零時拍照並記錄殘餘裂縫寬度。

試驗至少進行至試體強度已過峰值而降至峰值之 85%後，若試體產生明顯破壞，如柱混凝土剝落 或柱已產生明顯剪力破壞面，考慮安全性而中止試驗。

圖4.32 側力加載歷程圖

2. 軸力加載大小

試體加載軸力大小模擬 3 層樓典型街屋底層柱所受上層靜載重，分配靜載重面積如圖 4.4 虛線面 積所示，以一般低層RC 建築物單位樓地版面積載重 1 tf/m²，總樓層數共三層樓計算，底層柱所受總靜 載重為104.10tf，扣除試體頂梁自重、試體內預埋鋼板、側力系統所使用之夾具鋼梁與螺桿重，如表 4.4 所示，最後所需加載共95.88tf，取整數為 100tf。兩支軸力千斤頂分別於兩柱上方於側力加載前施加 50tf 軸壓力，並於試驗過程中維持定值。

表4.4 試體頂梁自重及試驗裝置重量計算 體積(m³) 重量(tf) RC 頂梁

B1 0.85 2.04 B2 0.70 1.68 G1 0.20 0.48 樓板 1.10 2.64 試體上部RC 重 6.84 預埋鋼板 0.01 0.07 北側夾具鋼梁 0.12 0.91 南側夾具鋼梁 0.04 0.33 螺桿M39 0.01 0.07 夾具總重 1.38 試體上部總自重 8.22

4.2.3 量測儀器

本研究採用內部及外部量測系統測量試體於加載中之反應，以觀察試體受力行為，分述如下。

A. 內部量測系統

內部量測系統為鋼筋應變計，於試體灌漿前貼附於主筋與箍筋上，以了解試體受力後鋼筋之反 應，用以分析主筋受拉或受壓情形與降伏狀況；箍筋應變計用以與試體裂縫樣態對照，判斷柱於該箍 筋附近是否發生剪力破壞。

試體 F0 規劃 53 組應變計，主筋應變計張貼於柱斷面柱筋 12 支中，於基礎以上 50mm 處東側 6 支 與梁下50mm 處東側 6 支，及梁端斷面主筋 9 支中，於距北柱 50mm 處四角隅位置之 4 支主筋；箍筋 應變計則張貼於北柱每一箍、南柱頂與柱底各兩箍之短邊，及梁北半部箍筋之半梁深處，所有箍筋應 變計皆位於試體東側。

試體 FR-C 及 FR-M 各規劃 66 組應變計，除了於兩柱新增柱主筋應變計於梁下 500mm 處東側 6 支，及南柱頂多一組箍筋外，其餘應變計位置皆與試體 F0 相同，應變計規劃貼覆位置如圖 4.33 至圖 4.35 所示。

實際應變計黏貼流程如圖 4.36 所示，步驟詳列如下：

1. 首先標記量測位置，建議以白色油漆筆標記，記號線需長於打磨處以避免打磨掉標記位置。

2. 以#100 海綿砂輪粗磨再以#1000 海綿砂輪將表面磨光，建議打磨於鋼筋脊處，避免打磨處鋼筋斷面

石蠟或SB Tape，石蠟加熱後滴於應變計與外露銅線上方，SB Tape 類似黏土材質，先切割大約 5mm 墊於銅線下方，再裁切約可將應變計與銅線覆蓋之長度，完整包覆應變計與銅線並將周圍壓緊；第 二層使用VN Tape 將第一層包覆。

6. 最後再以電器膠布纏繞，將 VN Tape 完整包覆，並反摺電線預留意外拉扯，注意電器膠布纏繞面積 勿過大影響鋼筋握裹。

7. 使用三用電錶檢測應變計數值是否仍然維持正常範圍。

8. 因為應變計需延伸至基礎，必須將應變計電線延長，本試驗使用前期試驗損毀之應變計電線進行續 接，續接時需確認續接電線纏繞是否穩固，避免拉扯時鬆脫，並以電器膠布將續接處包緊避免進水 損壞。

9. 續接後再使用三用電錶確認續接後數值仍維持正常範圍。

10. 標記貼覆應變計之編號，將應變計線路沿鋼筋方向引出，避免組立模板貫穿固定螺桿時損壞電線、

混凝土澆置造成拉扯及澆置時使用振動器接觸而損壞。

圖4.33 試體 F0 鋼筋應變計張貼位置圖

圖4.34 試體 FR-C 鋼筋應變計張貼位置圖

(a) 使用海綿砂輪打磨鋼筋 (b) 塗抹 CN 膠黏貼於打磨處

(c) SB Tape 墊於銅線下方 (d) 切一段 SB Tape 覆蓋應變計與銅線

(e) 使用 VN Tape 將其包覆 (f) 纏繞電器膠布

(g) 將電線沿鋼筋方向引出 圖4.36 鋼筋應變計張貼流程

B. 外部量測系統

外部量測系統包括補強鋼骨應變計、位移計、角度計及影像量測。鋼骨應變計規劃位置如圖 4.37 及圖4.38 所示，其餘量測儀器規劃位置如圖 4.39 至圖 4.41 所示，實際安裝情形如圖 4.42 至圖 4.44 所 示，各種儀器說明、位置、裝設方法及目的說明如下：

1. 補強鋼骨應變計

補強試體 FR-C 及 FR-M 分別規劃 28 及 32 組鋼骨應變計，貼覆於構架側與自由側翼版外側，量測 翼版受拉或受壓情況，以及是否降伏。柱代號開頭字母S 或 N 表示南北，梁開頭字母與柱第二個字母 S 表示鋼骨（Steel），C 及 B 表示柱（Column）或梁（Beam），o 代表構架側翼版外側，i 代表自由側翼 版外側，由上而下、由右往左編號。

2. 位移計

本試驗共使用三種位移計，分別為拉線式、金屬桿式（LDT）及滑軌式（Tempo），量測試體絕對 位移，量測內容如下：

(1) 量測 RC 柱及鋼骨柱側向變形之位移計，編號 D1 至 D8 量測南北柱側向位移，試體 FR-C 與 FR- M 編號 D9 至 D12 量測北柱補強鋼骨側向位移，同側位移計由下而上分別裝置於基礎以上 625 mm、1250 mm、1875 mm、2500 mm、2950mm 處。

(2) 監測頂梁水平與轉動情況之位移計，試體 F0 編號 D9、D10 與試體 FR-C、FR-M 編號 D13、D14 位移計安裝於 B1 梁下方，量測頂梁水平狀況以確認試體側向制動器與垂直力偶制動器是否有效 維持力矩平衡；試體F0 編號 D11、D12 與試體 FR-C、FR-M 編號 D15、D16 位移計安裝於頂梁側 邊，量測頂梁面外位移以觀察試體在側向位移的過程中，兩支側向制動器是否發生位移不同步造 成頂梁轉動。

(3) 量測基礎滑移之位移計，試體 F0 編號 D13 與試體 FR-C、FR-M 編號 D17 安裝於基礎南面，觀察 在側向加載時基礎是否預力不足發生滑移。

(4) 量測頂梁側向位移之位移計，使用滑軌式位移計，固定於外部參考架上，量測頂梁南面夾具鋼梁 側向位移，作為側向制動器位移控停依據，以確認試體是否達到目標位移。

3. 角度計

為確認試驗過程中 RC 柱試體曲率之變化情形，每座試體各在兩柱基礎以上 100mm、400mm、

1475mm、2550mm、2950mm 東面皆裝設角度計，共 10 組。角度計於柱底與柱頂由下而上由北而南編 號R1 至 R8，半柱高處角度計編號為 R9 與 R10。

圖4.37 試體 FR-C 補強鋼骨應變計張貼位置圖

圖4.38 試體 FR-M 補強鋼骨應變計張貼位置圖

圖4.39 試體 F0 外部量測系統規劃位置圖

圖4.40 試體 FR-C 外部量測系統規劃位置圖

圖4.41 試體 FR-M 外部量測系統規劃位置圖

(a) RC 柱位移計 (b) 補強鋼骨位移計

(c) 頂梁底部位移計 (d) 基礎位移計

(e) 頂梁滑軌式位移計 (f) 角度計 圖4.43 試體外部量測實際安裝狀況

(a) 標記點(Marker) (b) 接受器實際配置狀況 圖4.44 影像量測系統實際安裝狀況

4.2.4 試體施工過程

本試驗試體 F0、FR-C 與 FR-M，於南部國家地震中心戶外場地施工，RC 試體的部分由博笙營造 有限公司承包製作，主要施工項目為試體放樣、鋼筋綁紮、模板組立、混凝土澆置；補強鋼骨由富嘉樂 工程有限公司承包製作與安裝，主要施工項目為補強鋼骨製作、化學錨栓植筋、補強鋼骨安裝、環氧 樹脂填充。

A. RC 構架施工過程

RC 構架施作分為基礎施作、試體構架施作及柱頭施作三個階段，各階段混凝土分開澆置，基礎 與柱頭設計混凝土強度為350 kgf/cm²，柱、梁、板設計混凝土強度為 210 kgf/cm²，實際施工過程如 圖4.45 至圖 4.54 所示，詳細施工步驟如下所述：

1. 基礎施作：

(1) 基礎放樣

南部國家地震中心戶外場地狀況良好，因此直接使用模板鋪設於地上作為底模，模板上方再鋪設 1 分木板，確保基礎底面平整。接著以墨斗於木板上放樣，包含基礎位置、柱與預埋套管孔位位置，並 安裝直徑100mm PVC 穿梁套管與組立基礎三側模板，於側模上標記出混凝土澆置完成面高度，先組立 三側模板能使之後鋼筋綁紮時易確認保護層厚度。

(2) 基礎鋼筋綁紮

使用 40mm 混凝土塊墊於箍筋下方，利用部分箍筋先將上側角隅處柱筋固定，再固定下側角隅處 主筋，再將剩餘箍筋依設計間距套入，之後依序綁紮基礎下層筋、腰筋、上層筋、柱主筋與基礎接頭區 箍筋、吊耳鋼筋、基礎上層箍筋。最後綁紮基礎繫筋，因繫筋長度估算有誤，實際繫筋應固定於主筋上

模板組立前先清理底部雜物，再將第四面模板固定，利用角材及螺桿將模板兩側對鎖固定，模板 內部放置適量與基礎等寬之鋼筋撐住模板，防止混凝土澆置時模板撐開變形破壞，同時將預埋直徑 100mm 之 PVC 套管裝入穿梁套管，上方以鋼筋固定避免歪斜，另外為了使柱內部應變計線路能從基礎 側邊導出，需要預埋直徑30mm PVC 套管，將 L 型 PVC 套管連接基礎側面與柱構材接合處中心。

(4) 基礎混凝土澆置

確認所有鋼筋、PVC 套管位置與模板都已固定牢固，當混凝土預拌車到達之後，確認出料單、檢 驗混凝土坍流度與水溶性氯離子含量檢驗，達合格標準即可開始澆灌，澆置時使用高週波振動棒搗實，

避免蜂窩產生。標準混凝土圓柱試體在澆置時同步取樣製作，並於相同環境下養護。

(a) 底模、側模組立 (b) 基礎放樣

(c) 上側角隅主筋組立 (d) 下層箍筋綁紮

(e) 主筋、腰筋綁紮 (f) 依放樣固定柱主筋綁紮位置 圖4.45 基礎實際施作狀況之一

(a) 柱主筋綁紮 (b) 吊耳、繫筋綁紮

(c) 確認基礎主筋間距 (d) 確認基礎上方保護層厚

(e) 確認柱長向主筋間距 (f) 確認柱短向主筋間距

(g) 安裝預埋套管 (h) 模板組立

(a) 預拌混凝土坍度量測 (b) 預拌混凝土水溶性氯離子含量檢驗

(c) 混凝土圓柱試體製作 (d) 混凝土澆置並以高週波震動棒搗實

(e) 混凝土表面抹平 (f) 模板拆除

(g) 基礎高度確認 (h) 表面預埋套管切齊打磨 圖4.47 基礎實際施作狀況之三

2. 試體構架施作：

(1) 柱箍筋綁紮與柱主筋應變計貼覆

待基礎混凝土凝固後，將應變計依照量測佈置規劃貼覆。首先綁紮事先貼覆好應變計之箍筋套入 柱主筋，箍筋彎鉤位置對角配置，並依照設計箍筋高度綁紮，箍筋完成後再貼覆柱主筋應變計，安裝 完成後將電線沿柱主筋側邊固定，最後由基礎預埋套管處將電線導出至基礎側邊。

(2) 柱模板組立、鷹架搭建

柱應變計貼覆完成後，於基礎表面放樣柱梁位置，接著組立柱模板至頂梁與樓板底面，為了之後 試驗較易觀測裂縫發展狀況，試體構架使用清水模板。模板下方使用臨時支撐架撐於地面與基礎上，

搭建完成後先確認模板梁寬尺寸是否正確，接著於模板上放樣，將垂直制動器預埋套管之穿梁套管釘 於底模上，短向梁側向預力螺桿預埋套管處安裝卡式伸縮套管底座。同時於試體四周搭建鷹架，方便 頂梁、樓板鋼筋綁紮與模板施工。

(3) 頂梁鋼筋綁紮與梁主筋應變計貼覆

B2 梁北半箍筋規劃貼覆應變計觀測受力情形，頂梁綁紮時將事先貼覆應變計之箍筋套入，另外在 頂梁鋼筋綁紮完後，現場貼覆北柱接頭處梁主筋應變計，最後將電線沿梁底主筋下側拉至B1 梁，於梁 側模鑽孔將電線引出，並續接電線，確保所有電線皆能垂至地面。

(4) 樓板鋼筋綁紮

樓板底模上每十公分標註記號，將樓板下層鋼筋依計號排列並綁紮，接著使用混凝土墊塊，墊高 樓板上層筋至設計高度，綁紮完成後使用彈簧型標高器標註混凝土澆置完成面高度。

(5) 模板鎖固完成

於樓板鋼筋上方固定適當數量之#3 鋼筋，此鋼筋長度與樓板寬度相同，作用為在模板鎖固時將樓 板兩側模板撐住，再以角材及螺桿對鎖固定柱、梁及樓板模板，防止混凝土澆置時模板撐開變形破壞。

柱頭處將會以二次灌漿的方式施作上方預埋螺桿，因此先使用木板固定於樓板筋上方，預留出二次澆 置柱頭之位置，並以報紙墊於柱主筋 T 頭續接頭下方，上方使用多餘箍筋固定，避免澆置時混凝土上 浮埋住續接頭。

(6) 試體構架混凝土澆置

確認所有預埋 PVC 套管尺寸、樓板上層筋下方混凝土墊塊與短向梁側邊保護層混凝土墊塊位置是 否正確，並確認所有模板都已固定牢固。當混凝土預拌車到達後，確認出料單、檢驗混凝土坍流度及 水溶性氯離子含量，達合格標準即可開始澆灌，澆置時使用高週波振動棒搗實，避免產生蜂窩。標準 混凝土圓柱試體在澆灌時同步取樣製作，並與試體於相同環境下養護。

因此使用磁磚用樹脂黏著劑將孔洞抹平。

(a) 柱主筋應變計貼覆完成 (b) 放樣並固定柱模板底部位置

(c) 鷹架搭建與模板組立 (d) B2 梁模板淨寬確認

(e) 柱頂模板長向尺寸確認 (f) 柱頂模板短向尺寸確認

(g) B2 梁箍筋套入 (h) 頂梁鋼筋綁紮完成 圖4.48 試體構架實際施作狀況之一

(a) B2 梁北側主筋應變計貼覆 (b) 梁應變計電線由 B1 梁側模引出

(c) 樓板筋放樣 (d) 依放樣位置排列樓板下層筋

(e) 樓板下層筋綁紮完成 (f) 樓板上層筋綁紮完成

(g) 彈簧型標高器與樓板側模架設 (h) 短向梁伸縮套管架設 4.49 試體構架實際施作狀況之二

(a) 柱頭模板固定 (b) 柱頭以報紙固定

(c) 樓板模板寬度確認 (d) 預埋套管間距確認

(e) 確認樓板上層筋間距 (f) 確認樓板保護層厚

(g) 確認短向梁預埋伸縮套管高度 (h) 預拌混凝土坍度量測 圖4.50 試體構架實際施作狀況之三

(a) 水溶性氯離子含量檢驗 (b) 混凝土圓柱試體製作

(c) 柱、梁、板混凝土澆置 (d) 高週波震動棒搗實

(e) 樓板表面抹平 (f) 柱頭模板拆出、報紙挖除

(g) 樓板表面以不織布覆蓋並灑水養護 (h) 模板拆除 4.51 試體構架實際施作狀況之四

(a) 柱中央角隅處些許氣孔 (b) 柱底模板拆除現況

(c) 柱長寬尺寸確認

(d) 短向梁寬確認 (e) 樓板厚度確認

(f) 柱垂直度確認 (g) 磁磚用樹脂黏著劑攪拌 圖4.52 試體構架實際施作狀況之五