題目:鋼筋混凝土結構物破壞原因 與模式之研究探討

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中 華 大 學 碩 士 論 文

題目:鋼筋混凝土結構物破壞原因 與模式之研究探討

系 所 別:土木工程學系碩士班

學號姓名:8 5 0 4 5 3 5 黃 科 銘

指導教授:張 奇 偉 博 士

中華民國 八十九 年 六 月

(2)

摘要

八十八年九月二十一日集集大地震其地震威力強大,造成震 央附近地區如台中及南投等中部縣、市橋樑及房屋結構嚴重倒塌 破壞。

近年來由於高樓及大型建物比比皆是,其中因新建工程地下 之施工階段若疏於防護或因工法不當,肇致鄰屋龜裂、傾斜等損 壞情形時有所聞。

本論文旨在探討,鋼筋混凝土結構物破壞原因與模式之研 究。首先就國內、外房屋及橋樑結構構件破壞相關文獻以及研究 成果進行了解。接著就鋼筋混凝土結構構件破壞基本理論進行分 析。並舉實際損傷案例,除了參考現場損壞照片外,並儘可能參 考相關計算書、結構圖、鑽探報告等資料,以對其破壞原因及損 壞模式做出較準確判定。

研究結果顯示,國內鋼筋混凝土建築物與橋樑結構無論在規 劃設計、施工品質、使用管理及結構補強方面,存有若干疏失。

本文最後提出相關建議,期能提供國內學術界及工程界改善參考。

目 錄

(3)

頁數 誌謝………. ²

摘要……….Ⅱ 目錄……….Ⅲ

圖目錄 … … … . Ⅵ 表目錄……….Ⅸ

第一章 緒論………1

1-1 前言..………..1

1-2 研究動機與範圍………..2

1-3 研究流程及內容………..4

第二章 文獻回顧………6

第三章 鋼筋混凝土結構構件破壞基本理論………..10

3-1 前言………..10

3-2 鋼筋混凝土結構受外力作用之影響………..11

3-3 鋼筋混凝土房屋結構受力之損壞模式………..11

3-3-1 房屋整體結構……….12

3-3-2 柱構件損壞.………..12

3-3-3 樑構件損壞.………..14

(4)

3-3-4 牆構件損壞….………..14

3-3-5 版構件損壞…….………..15

3-3-6 結構系統不良損壞.………..15

3-4 鋼筋混凝土橋樑結構之損壞模式………..16

3-4-1 基礎損壞.………..17

3-4-2 橋台、翼牆結構損壞.………..20

3-4-3 橋墩損壞……….………21

3-4-4 上部結構損壞.………24

3-4-5 支承損壞……….………..27

第四章 鋼筋混凝土結構構件破壞實例分析………..29

4-1 房屋結構震害之損傷實例說明…….………..29

4-2 橋樑震害之損傷實例說明……….………..42

4-3 房屋工程施工損傷實例說明………….………54

第五章 結果與討論……….………..71

5-1 鋼筋混凝土房屋結構震害部份……….………..71

5-2 鋼筋混凝土橋樑結構震害部份……….………..73

5-3 房屋工程施工損傷部份……….………..74

第六章 結論與建議……….…………76

(5)

6-1 結論……….……..76

6-2 建議………...77

參考文獻………..79

附錄 A 保護層厚度及鋼筋排列量測………….………121

附錄 B 照片….………..125

圖 目 錄

(6)

頁數

圖 3-1 鋼筋混凝土結構受外力作用之開裂與影響……….84

圖 3-2 房屋結構中央部份沉陷……….84

圖 3-3 房屋結構兩端部份沉陷……….84

圖 3-4 房屋結構不均勻隆起或沉陷……….85

圖 3-5 牆面發生 X 字形之裂縫..………..85

圖 3-6 細長形平面之建築物在短向發生的裂縫……….85

圖 3-7 L 形平面之建築物在轉角處發生的裂縫……….86

圖 3-8 U 形平面之建築物在轉角處發生的裂縫……….86

圖 3-9 建築物立面高度差異過大而在交接處發生之裂縫…….86

圖 3-10 鋼筋混凝土柱受水平地震力產生之裂縫……….87

圖 3-11 短柱效應造成之裂縫……….87

圖 3-12 柱頭或柱腳處發生之水平裂縫……….87

圖 3-13 柱面發生之剪斷及彎曲裂縫……….88

圖 3-14 發生於柱頭柱腳之彎曲裂縫,嚴重時有鼓起發生…….88

圖 3-15 發生於柱頭柱腳間之斜向裂縫……….88

圖 3-16 樑之斜向裂縫……….89

圖 3-17 樑之撓曲裂縫……….89

(7)

圖 3-18 牆面發生 X 字形之斜向裂縫………89

圖 3-19 牆面發生單向之斜向裂縫……….90

圖 3-20 牆面開口處對角線方向發生之斜向裂縫……….90

圖 3-21 牆面發生水平裂縫,大多連貫且貫穿壁體……….90

圖 3-22 牆面沿不同材料接合處所發生之界面裂縫……….91

圖 3-23 開口週圍產生 135º之裂縫………..91

圖 3-24 牆面埋設物週圍發生之斜向裂縫……….91

圖 3-25 鋼筋混凝土版之裂縫……….92

圖 3-26 樓版下面中央部份之裂縫………..92

圖 3-27 柱子四角落之樓版發生的斜向裂縫……….92

圖 3-28 樓版沿埋設物或配管位置發生之裂縫……….93

圖 3-29 基礎震害損壞示意圖……….93

圖 3-30 獨立基腳基礎震害損壞模式……….94

圖 3-31 橋樑樁基礎可能產生之損壞模式……….94

圖 3-32 引道版之可能損壞模式……….95

圖 4-1 倒塌破壞示意圖(一)……….96

圖 4-2 倒塌破壞示意圖(二)……….96

圖 4-3 地震震度分布圖(東西向)……….97

(8)

圖 4-4 橋墩柱結構受損裂縫位置正規圖……….98 圖 4-5 橋墩柱結構受損裂縫位置側視圖……….99

圖 4-6 民國七十六年至八十四年台灣地區震區劃分圖 ……100 圖 4-7 民國八十四年至八十八年台灣地區震區劃分圖……..101 圖 4-8 石圍橋落橋破壞示意圖….……….102

圖 4-9 烏溪橋破壞示意圖………..103 圖 4-10 烏溪橋與斷層關係位置示意圖………..104 圖 4-11 打樁振動之壓力波對鄰房產生損壞示意圖…………..105 圖 4-12 擋土排樁 45º短期主動破壞面示意圖………105 圖 4-13 結構體偏移剖面示意圖 ..………..106 圖 4-14 構架 ® 結構立面圖..……….107

表 目 錄

(9)

頁數

表一 台灣地區近百年地震災害資料 … … … . 108

表二 921 集集大地震測站之加速度值資料………109

表三 混凝土超音波檢測成果記錄. … … … 117

表四 反彈鎚試驗成果記錄 … … … . 118

第一章 緒 論

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1- 1 前言

營建工程建造品質關係人民生命財產甚巨,以 88 年 9 月 21 日集集大地震的破壞造成全台房屋全倒 9900 餘棟,房屋半倒 7500 餘棟,橋樑 200 餘座受損,2300 餘人死亡,8700 餘人受傷,災害 之慘重造成國人難以估計損失,依據中央氣象局地震測報資料顯 示,921 集集大地震震央位置位於北緯 23.85 度,東經 120.81 度,

即日月潭西偏南方 12.5 公里處,震源深度為 7.0 公里,地震規模 為 7.3(M

L

、CWB)或 7.7(MS、USGS),本次大地震所造成之破壞,暴 露營造工程的種種問題,如工程設計、施工品質管理、耐震規範 重新檢討等。

由於震央地區地震強大,南投縣及臺中縣市震度達 6 級以上,

已超過建築技術規則對該地區規範規定結構物設計地震力,惟從 部份地區一些建築物、橋梁倒塌破壞情形來看,其中台中及南投 等中部縣市近接斷層及震央附近之公路橋樑,在本次地震中遭受 強大之地震威力造成橋樑結構嚴重倒塌破壞,造成交通中斷現象, 其分佈範圍甚廣,破壞模式亦錯綜複雜,另其他地區如台北縣新 莊市民安路博士之家、台北縣新莊市中榮街龍閣大廈等建物其地 震威力並未超過規範之設計地震強度,若當初確實按耐震規範設

(11)

計施工,實不應發生坍塌情事,顯見該工程規劃、設計、施工一 些環節疏失所造成。

近年來由於經濟快速成長,建築法規之修正,造成高樓及大 型建物比比皆是,更由於地下之超挖及深挖等工程施工若疏於防 護或因工法不當,肇致鄰屋龜裂、傾斜等損壞情形。

上述既有建築物、橋梁倒塌破壞,不論是否受地震或工程設 計、施工等因素造成結構物破壞;若能依據其結構構件破壞行為予 以檢討成因、歸納分析,期盼對爾後工程界提供一防範預警參考 機制準則,類似可歸於人為因素之不良案例不再出現,乃本研究 之主要目標。

1-2 研究動機與範圍

在當今的建築中,鋼筋混凝土的結構是一種很常被利用的構 結材料。而就台灣而言,以鋼筋混凝土為主體之結構,伴隨著現 代化的腳步,在所有的建築物中已佔了絕大的比重,但由這次九 二一集集大地震內政部建築研究所就損壞較為明顯之 8799 棟建築 物進行詳細調查之資料,其中可以發現受損建物以鋼筋混凝土造 (52%)最多【22】,尤其是中低樓層(七層樓以下)之 R.C 構造建築物 更是大量破壞;另 921 大地震橋樑嚴重損壞之破壞模式包括斷層錯

(12)

動造成落橋、橋墩剪力破壞、橋柱與上部結構之接頭損壞、直橋 及斜橋因支承座長不足而落橋、鋼纜線斷裂、以及橋台及邊坡或 液化造成之基礎破壞等。其中以鋼筋混凝土構造破壞之比例甚 多,而鋼結構構造之建築物及橋樑並無太大受損之結構破壞或崩 塌之現象。但事實上,在美國之耐震規範認為若能符合耐震系統 及細部要求,鋼筋混凝土結構與鋼結構應具有相同之耐震能力,

因此鋼筋混凝土結構與鋼結構在此次 921 震害中所受損傷之程度 不應有如此大的差別,更顯示出台灣鋼筋混凝土結構物在設計、

施工、管理各方面皆發生了非常嚴重的人為疏失與問題。

同時,隨著都市化發展,都市建設反應於建築工程者,其規 模大型化、空間複合化、量體高層化及基礎深層化等趨勢,已成 必然之事實,就建築工程施工中之損壞事件,特別是基礎開挖、

施工階段若因設計不當或因施工疏失肇致鄰屋結構物龜裂、沉陷 及傾斜等破壞現象。

本研究探討範圍以鋼筋混凝土結構物構件因震害與工程施工 損壞鄰房(含鄰房既有損壞)結構構件之破壞現象加以探討分析,並 且以鋼筋混凝土造之房屋建築物以及橋樑為主要標的,藉由結構 破壞模式及原因分析、歸納,建立完整之結構構件破壞模式機制

(13)

準則,作為日後從事工程結構分析、設計、施工計劃管理上之參 考依據,進而提昇國內營建工程品質。

1-3 研究流程及內容

本研究之流程如圖 1-1 所示,研究內容如下:

第一章 緒論:說明本研究之動機、目的、範圍、流程與內容。

第二章 文獻回顧:回顧各種房屋與橋樑結構構件破壞行為相關 文獻以及研究成果。

第三章 鋼筋混凝土結構構件破壞基本理論:將鋼筋混凝土房屋 與橋樑結構構件受外力作用之破壞模式予以探討。範圍 侷限於受地震及工程施工不當等因素造成房屋結構之破 壞模式。

第四章 結構構件破壞模式實例探討: 針對地震建築物、橋樑震 害照片與新建建築工程基地施工造成鄰屋損壞實例進行 說明。

第五章 結果與討論:將各種損壞模式進行綜合歸納分析與探 討,並作系統化整理與敘述。

第六章 結論與建議:根據本研究所得結果提出結論與建議事 項,對提昇日後營建工程設計與施工品質有所助益。

(14)

圖 1-1、本論文研究流程圖

第二章 文獻回顧

第一章、緒論 研究動機、目的、內容

第二章、文獻回顧

結構構件破壞相關文獻以及研究成果

第三章、鋼筋混凝土結構構件破壞基本理論

鋼筋混凝土房屋與橋樑結構構件受外力作用之破壞模式予以探討

第四章、結構構件破壞模式實例探討 1.房屋結構震害之損傷實例說明 2.橋樑震害之損傷實例說明 3.房屋工程施工損壞實例說明

第五章、結果與討論

第六章、結論及建議

(15)

相關營建工程建設雖可依規範儘力防治,若能瞭解過去常見 之損害,以汲取經驗和教訓應可減少損害發生,本章經由國內、

外相關文獻整理,分別依房屋結構震害、橋樑震害及房屋工程施 工所造成之結構物裂縫開裂損傷模式的相關文獻研究分析成果加 以說明。

2 - 1 房屋結構之震害

1.1976 年, Hillerborg 等【1】,認為混凝土是一種脆性介質之 複合材料,所以裂縫尖端的非線性區,由複雜的力學機制所控 制,稱之為破裂進行區(Fracture Process Zone),因此提出虛 擬裂縫模式(Fictitious Crack Model),把破裂進行區視為開 口裂紋,以有限元素模擬受純彎曲作用的混凝土樑的裂縫成 長。此後,為預測混凝土裂縫開裂行為,諸多的實驗相繼的被 發表,如含裂紋樑三點彎曲試驗(Three Points Bending)及四 點單一裂紋剪力樑實驗(Four-Points Single Notch Shear Beam)

【2】。

2.1992 年,Jeng【3】,以彈性反應譜差分法(Spectral Difference Method),結合隨機振動理論(Random Vibration Theory),考慮

兩棟建築物振態間彈性震動相位關係(Cross Correlation)

(16)

【4】,導出相鄰兩線彈性結構間,避免地震碰撞所需最小耐震 間距之近似理論解。1996 年 Kasai 等人【5】,考慮兩棟建築 物之非彈性振動相位(Inelastic Vibration Phase)互相關係 數,以反應譜差分法估計相鄰建築物之耐震間隔,其中反應振 動相位之互相關係數,由數值回歸所得有效週期(Effective Period)及有效阻尼(Effective Damping)求得。

1997 年,陳希舜、徐偉朝【6】,針對台北盆地鋼筋混凝土建 築物,利用人工地震進行動力分析,以獲得建築物耐震安全間 隔。

3.1996 年,張嘉祥與林建智【7】,採用三維結構分析模擬方式,

藉由歷時反應探討學校鋼筋混凝土建築採用懸臂走廊與廊柱系 統、剪力牆系統對於校舍耐震之效應。

4.1996 年,陳生金【 8】,以歷次地震中建築結構常見之破壞型態,

發現甚多相同結構或類似破壞模式,且其破壞原因大部份均為 設計或施工上之細微錯誤所導致。

5.1997 年,李榮龍、鄭蘩【9】,藉彈性分析與非線性動力分析,

以探討建築物為軟層、弱層或軟弱層時對不同樓層數之規則結 構的影響及其受震反應。

(17)

6.1997 年,蔡益超與楊金龍【10】,藉由評估方法,探討鋼筋混凝 土建築物受地震可能發生之破壞模式及其崩塌地表加速度,用 以評估現有鋼筋混凝土耐震能力。

7.1999 年,謝舜傑等人【11】,瑞里地震震害校舍工程品質檢測及 檢討-以五樓震害校舍為例,經過詳細取樣調查,蒐集建築物受 損情形,比較驗證國內現有耐震評估及補強方法,並歸納校舍 在規劃、設計、施工及耐震補強上應注意之事項。

8.1999 年,內政部建築研究所,提出「鋼筋混凝土建築物耐震能 力評估法及推廣」【12】,分為兩種層次,即初步評估與詳細評 估,本評估法適用於鋼筋混凝土抵抗地震力之結構系統,其結 果可供建物安全評估及補強參考之用。

2 - 2 橋樑結構震害

1.1996 年徐耀賜【13】【14】,透過實地檢測歸納整理出台灣地區 鋼筋混凝土橋樑常見之損傷模式。

2.1999 年張荻薇與王炤烈【15】,針對橋樑損害原因包括地震、颱 風等之天然力所造成之災害,以及因載重能力不足,結構系統 不良等破壞現象,提出混凝土橋樑常見之損害與震害問題對策。

3.1999 年國家地震工程研究中心【16】,曾就 921 地震受損橋樑(含

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房屋建築物)損壞現象提出相關震害問題對策及改善建議。

2 - 3 房屋工程施工損壞

1.1991 年李得璋和陳勇男【 17】,提出當建築物傾斜度(Δ/H)值等 於 1/150,當為基礎是否需予補強或扶正的判斷標準。

2.1992 年台灣省建築師公會【18】,提出鋼筋混凝土龜裂損壞之分 析,分別就房屋結構裂縫發生部位,如樑、柱、版、牆等構件 加以分類,並依其發生裂縫類型及可能原因加以整理。

3.1996 年台北市土木技師公會與台北市建築師公會聯合編撰,「台 北市建築物工程施工損害鄰房鑑定手冊」【19】,內容就工程施 工損壞鄰房事件時,提出鑑定方法、程序、結構安全評估及損 壞責任歸屬之研判等執行參據。

4.1999 年沈茂松【20】【21】,依據土壤動力學理論,提出打樁振 動損壞鄰房主要以壓力波(Compressional Wave)(又稱縱波)為 主,其影響範圍可達 100m。打樁損鄰狀況包括屋頂版、陽台版 產生張力裂縫、樑壓力區產生張力裂縫、柱基下沉、土壤液化 等。

第三章 鋼筋混凝土結構構件破壞基本理論

(19)

3 - 1 前言

鋼筋具有良好的抗拉能力,然在大氣中易氧化腐蝕且不耐高 溫,混凝土雖有較佳之抗壓與耐氧化之優點, 然其抗拉能力僅有 其抗壓強度之 1/10 左右。因此利用此兩種材料之特性,取長去短,

將鋼筋與混凝土複合製造成鋼筋混凝土(簡稱 R.C)結構,使其兼具 抗張力、抗壓力、耐久性、耐腐蝕性之結構體;另適宜造成任意形 狀之結構體,各構材之接頭無明顯接痕,且不受材料市場尺寸及 形狀之限制,因此在房屋建築及橋梁結構中,鋼筋混凝土結構一 直是最受廣泛使用之建材。

鋼筋混凝土構造物之結構構件受到結構外力之各種破壞之 前,絕大部份均會先呈現裂縫現象,猶如人體發生各種病變時均 會產生「發燒」之現象。對於鋼筋混凝土構造物而言,裂縫可定 義為「一種分子間的破壞行為與過程,使構造物產生異質性的變 化,此乃因受到內部應力或外部作用,致使材料本身具有之抵抗 力無法承受而發生的一種應變行為」【13】,本章針對受到地震力 與施工不當載重等結構外力作用於鋼筋混凝土房屋及橋梁結構構 件發生破壞現象之損傷行為進行分析。

3 - 2 鋼筋混凝土結構受外力作用之影響

(20)

對於鋼筋混凝土結構物的開裂現象是由於外力的作用因而對 結構物及構件產生張力、壓力、剪力、彎矩、扭力,而當這些外 力作用於鋼筋混凝土結構體時,構件內部即產生相對應之軸向應 力、剪應力抵抗外力作用,當構件材料內部的抵抗力小於外力作 用時,結構之構件即發生裂縫與開裂現象,當裂縫發生時,在裂 縫尖端附近會造成之應力大幅增加並改變其應力場之分佈,進而 使裂縫繼續開裂成長,終至影響結構物安全,而鋼筋混凝土結構 開裂模式及影響其流程如圖 3-1 所示。

3 - 3 鋼筋混凝土房屋結構受力之損壞模式

所謂事出必有因,鋼筋混凝土結構受到破壞(如地震或施工 外力造成倒塌或局部構件破壞),究其原因不論是規劃設計不當、

施工品質不良、施工方法不當、材料規範不全或其他外在因素如 地震強度太大。依其顯現出來之破壞模式往往可以找出主要的破 壞原因,因此有必要進一步了解其損壞模式,以對爾後規劃設計、

施工與日後管理謀求改善因應。

鋼筋混凝土房屋結構體承受結構及外力作用後之各種結構構 件發生開裂破壞模式可由整體房屋結構及梁、柱、版、牆等構件 分別加以說明:

(21)

3 - 3 - 1 房屋整體結構

當鋼筋混凝土房屋結構受到外力如地震而造成地表之斷層擠 壓或鄰房施工不當、地層因振動而造成之液化現象或建築物本身 耐震能力較差、設計不良、施工品質不佳或使用與管理不當之瑕 疵等因素,產生建築物開裂或地層隆起、下陷,導致房屋結構受 損,其損壞之模式,可分為下列幾種型式:

1.房屋結構中央部分沉陷,其結構體開裂呈逆八字形,如圖 3-2 所示。

2.房屋結構兩端部分沉陷,其結構體開裂呈八字形,如圖 3-3 所示。

3.房屋結構不均勻隆起或沉陷,如圖 3-4 所示。

4.房屋結構立面局部開裂破壞,受逆八字形與八字形開裂之共同 作用,牆面發生 X 字形裂縫,如圖 3-5 所示。

5.房屋結構平面、立面局部開裂破壞,如圖 3-6~3-9 所示。

3 - 3 - 2 柱構件損壞

柱在結構體設計之功能是要承受因地震之水平力方向作用時 所產生之彎矩,其破壞之型式應是柱內的鋼筋要承受相當大之張 應力,而先行拉斷破壞,而混凝土部份再接著破壞。

1.一般鋼筋混凝土柱受到水平地震力作用,其開裂如圖 3-10 所

(22)

示。當地震力是左右水平力作用而造成柱構件產生「交叉」型 裂縫。

2.由於窗台夾柱、陽台夾柱或在柱旁加蓋其他建物而造成「短柱」

效應而破壞,使得實際柱長度變短。但是卻承受相當大之剪力 切斷作用,因而混凝土直接造成剪力破壞,如圖 3-11 所示為短 柱效應造成之破壞。

3.混凝土強度不足、鋼筋量不足,發生於柱頭或柱腳處之水平裂 縫,如圖 3-12 所示。

4.同時承受過大彎矩、剪力,發生於柱身中央之剪斷及柱頭、柱 腳之撓曲裂縫,如圖 3-13 所示。

5.僅承受過大彎矩,發生於柱頭柱腳之撓曲裂縫,嚴重時有鼓起 發生,如圖 3-14 所示。

6.因結構物不均勻沉陷,發生於柱頭柱腳間之斜向裂縫,如圖 3-15 所示。

3 - 3 - 3 樑構件損壞

1.鋼筋混凝土樑之斜向 45 度開裂是屬於剪力作用而產生之剪力裂 縫,通常其發生之經過在樑構件長度約四分之一處,呈 45 度角,

(23)

由下向上開裂,如圖 3-16 所示。

2.鋼筋混凝土樑亦可能發生垂直之裂縫,當樑承受彎矩而產生之 張應力,會在樑之下緣產生垂直之撓曲裂縫,如圖 3-17 所示。

3 - 3 - 4 牆構件損壞

1.因水平地震力作用、混凝土強度不足或承受設計力以上之外力 作用於牆面產生交叉之剪力裂縫,如圖 3-18 所示。

2.因不均勻沉陷造成牆面發生單向之斜向裂縫,或因牆面開口處 對角線方向發生之斜向裂縫如圖 3-19、3-20 所示。

3.承受過大水平地震力作用時,牆面中段形成反曲點,受反覆剪 力作用導致牆面發生水平裂縫,大多連貫且貫穿壁體,如圖 3-21

所示。

4.磚牆與梁或樓版交接處會產生相當明顯之水平裂縫。這是因為 不同材料在界面接合處會發生較大之應力所致,如圖 3-22 所 示。

5.窗戶或門的開口處其四週邊緣之牆因應力集中之現象會發生 135 度之裂縫,如圖 3-23 所示。

6.牆面埋設物或配管之保護層厚度不足,導致牆內埋設物周圍發 生之斜向裂縫,如圖 3-24 所示。

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3 - 3 - 5 版構件損壞

1.平面較為狹長之建築物,如學校大樓較易發生貫穿水平裂縫以 及隅角裂縫。因其狹長方向受到較大之材料拘束而造成,如圖 3-25 所示。

2.若混凝土強度不足、鋼筋量不足或配筋不當時,當承受設計以 上之載重時如地震力或結構外力時,於樓版下面中央部份發生 裂縫現象,如圖 3-26 所示。

3.因建築物傾斜或過大之外力作用,使柱子發生向上拉張或向下 壓應力,致使樓版浮起或凹陷所造成之裂縫,如圖 3-27 所示。

4.配管或埋設物不良使樓版保護層厚度不足,導致樓版沿埋設物 或配管位置發生裂縫如圖 3-28 所示。

3 - 3 - 6 結構系統不良損壞

結構系統對房屋結構之耐震性能具決定性影響,且結構系統 安排不良所導致之破壞通常甚為嚴重,以下為幾種結構系統破壞 模式。

1.軟層、弱層破壞

建物某一層結構立向勁度或強度如果變化過於急劇,將產生軟 層或弱層,如開放空間之挑高建築,其牆壁量較其上部樓層少,

(25)

地震時由於該層柱構件剪力強度不足而破壞,違反強柱弱樑之 設計原則。

2.結構對稱性

不對稱結構,即兩者勁度中心與質量中心不一致,因而地震時 之振動不同步,造成建築物承受異於對稱性建築物額外的應力 而破壞。

3.懸臂式走廊設計,地震時易產生重心不穩,造成建物倒塌或傾 斜。

4.由於前後期興建新舊建築物間未留設適當碰撞間距,導致地震 時碰撞而破壞。

5.新舊建築頂樓增建、加蓋、或任意敲除隔間,造成原本相同的 勁度改變,導致地震時振動不一致而受損。

3 - 4 鋼筋混凝土橋樑結構之損壞模式

本節針對 921 集集大地震所造成之橋樑結構損壞模式進行分 析,分為基礎損壞、橋台(含翼牆結構損壞)、橋墩結構損壞、上部 結構損壞、支承破壞損壞五大項分別探討。

3 - 4 - 1 基礎損壞

橋樑結構之基礎結構通常有獨立基腳、樁基礎與沉箱基礎三

(26)

大類,其結構損壞模式互異,並無可資依循之共通性。由於基礎 震害所造成之橋樑損壞涵蓋範圍甚廣,如圖 3-29 所示。

圖 3-30 所示為橋樑獨立基腳常見之損壞模式,其中任何一項 破壞均可能造成橋樑下部結構之傾斜、倒塌,甚至造成上部結構 之塌陷。當基礎下土壤其接觸應力大於原設計所採用之承載力 時,將因土壤承載力不足而造成傾斜如圖 3-30(a)所示。地震時當 基礎混凝土強度不足或承受過大剪力時,造成混凝土脆性破壞剪 力破壞模式如圖 3-30(b)所示。若基礎鋼筋量或彎鉤錨定長度不足 時將產生受拉降伏或錨定端破壞,如圖 3-30(c)(d)所示。

圖 3-31 所示則為橋樑樁基礎於震害時可能造成之損壞模式,

其損壞模式比傳統之獨立基腳基礎複雜。然而任何一種型式之基 礎損壞均不可輕忽,因為基礎損壞可能造成橋樑上部結構之一系 列的破壞。

當樁基礎承受由上部結構傳遞下來的荷重超過原設計時使樁 基無法負荷而局部沉陷,如圖 3-31(a)所示。

當樁基礎承受過大拉應力之破壞模式,將與基礎拉離,如圖 3-31(b)所示。若承受過大彎矩與剪力造成之破壞,如圖 3-31(c)所 示。

(27)

橋樑基礎結構因地震所造成之損壞,有時亦與其所在位置之 土壤或地震狀況有直接關聯。在某些情況下,承載基礎之土層亦 可能因地震而產生液化(Liquefaction)、沉陷(Settlement)、側向位移 (Lateral Deformation)及斷層錯動,致使橋墩或橋台產生相對之位 移、傾斜或旋轉,因而造成橋樑上部結構及支承損害,甚至產生 落橋而嚴重威脅橋樑安全。其破壞原因可分述如下:

1.基礎土壤液化

所謂「土壤液化」,係指土壤的狀態由固體變為液體,土壤 行為與液體相似。液體不能抗剪、不能維持自身的形狀、有流 動性、有浮力,土壤液化後,土壤強度幾近喪失變成具有流動 性的物質,因此在地震時橋樑基礎下之土壤發生液化後,往往 造成嚴重後果。多數土壤的抗震強度特性可以其靜力抗剪強度 表示:

τf = c′+(σ-u)tanφ′

式中τf為破壞面之剪力強度(shear streng), c′為有效 凝聚力強度,σ為破壞面上得正應力(normal stress),u 為孔 隙水壓,φ′為有效內摩擦角,其中(σ-u)稱為有效應力,為土 顆粒組成的骨架所承擔的應力,σ稱為總應力,為有效應力與

(28)

孔隙水壓(Pore Water Pressure)之和,上式中右邊第二項(σ -u)tanφ′為沿破壞面之磨擦力,第一項為沿此面的凝聚力。對

黏土強度而言, c′值較大,故凝聚力是主要的; 對砂土而言,

c′值很小,故摩擦力是主要的,但不論是黏土或砂土,一但有 效應力趨近於零,其抗剪強度將大為降低,尤其是砂土,其 c′

值很小,可視為零,若(σ-u)有效應力再趨近於零,則抗剪強 度τf 幾近消失,此即為土壤液化發生的條件。經以上分析得 知,卵礫石層及黏土層較不易產生液化現象,而以砂土較容易 發生。

地震時由於土壤受到動態之剪力作用,使孔隙水壓(Pore Water Pressure)迅速增高,而導致有效應力減少,甚至為零,

此時土壤之剪力強度(shear streng)下降喪失而失去穩定性,

此現象即為「土壤液化」。「土壤液化」造成基礎之側向及垂直 承載力喪失,導致橋台或橋墩基礎因差異沉陷(Differential Settlement)產生基礎位移、傾斜或旋轉,此種損壞,主要發生 於直接式基礎或短沉箱。液化產生時,超高之孔隙水壓亦可能 造成橋樑下部結構附近之地表噴砂或噴泥現象。

2.基礎土壤側向滑動移位

(29)

主要發生於填土路段之橋台基礎或斷層帶通過或位於穩定 性不良邊坡之上,造成橋台或橋墩傾斜移位甚至造成落橋。

3.基礎附近土壤壓實(Consolidation)

由於上下垂直型地震之影響,橋樑基礎或下部結構附近之 土層可能受到壓實,嚴重者易造成基礎之沉陷,導致橋樑下部 結構傾斜移位。

3 - 4 - 2 橋台、翼牆結構損壞

橋台(Abutment)與翼牆(Wingwall)後方填土(Backfill)之土 堤(Embankment)路段可能因為地震力而造成橋台受擠壓,使橋台 與翼牆結構受損,嚴重者造成斷橋,次嚴重者則造成橋樑與道路 接續處有明顯高差。

一 般 公 路 與 橋 樑 接 續 處 之 高 差 現 象 可 藉 引 道 版(Approach Slab)之設置而減少地震時可能造成之橋、路高差現象。其可能發 生之損壞模式,如圖 3-32 所示。

3 - 4 - 3 橋墩結構損壞

橋墩在整座橋樑結構之功能上具有非常重要之地位,基本 上,橋墩之設計有下列功能:

(30)

1.承受由上部結構傳來之各項載重以至於下部結構最底部之基礎 與土層部份。

2.使上部結構數個跨距長度之間趨於調和。

3.如屬重要景觀之橋樑,橋墩可與上部結構搭配構成當地之景觀。

在所有橋樑構件中,橋墩之震害損壞模式種類最複雜,其損 壞模式如下所述:

(1)由於斷層經過造成地層錯動或由於土質液化使橋墩喪失側向 或垂直向支承力而導致墩柱傾斜、傾倒或相對位移,嚴重者造 成落橋、落樑、墩柱折斷之破壞,次嚴重者可能造成整個上部 結構之變形。

(2)橋墩遭受撓剪破壞與剪切破壞,致使混凝土掉落,橋墩主筋 外露,箍筋斷裂。強震時,橋墩受剪切破壞是非常常見之損壞

模式。而剪切破壞可能發生於墩柱之頂部、中間部位或其底 部,若箍筋設置設置不當有時亦可與挫屈(Buckling)現象同時 發生,導致墩柱之主要鋼筋爆開、箍筋斷裂。一般墩柱主筋在 切斷點處較柱底先降伏,但切斷點處之橫向箍筋量通常較柱底 少,當產生撓剪裂縫後混凝土抗剪強度 Vc 亦隨之降低,此種 墩柱結構之剪切破壞與撓曲破壞同時發生,而造成所謂之撓剪

(31)

破壞(Flexural-shear Failure)。

(3)墩柱頂部、墩柱底部受壓破損,混凝土因握裹失敗而脫落。

當橋柱上下端之接頭設計不夠保守,將造成接頭破壞。

(4)橋墩撓曲破壞時,在受壓處可能造成混凝土碎裂,或受拉處 之鋼筋可能受拉而斷裂。更嚴重者,受拉處之混凝土如果握 裹強度(Bonding Strength)不足,可能造成橋墩之大規模損 壞。

(5)橋墩塑鉸區剪力破壞,通常是因為欲形成塑性鉸處之抗剪能 力不足,導致在塑性鉸形成之前即因剪力破壞而導致該處鋼 筋爆開。遇強震時,由於柱端受集中應力甚大;因此墩柱底 部可能會產生混凝土剝落或鋼筋外露彎曲之現象。更嚴重 者,若柱端圍束箍筋不足,柱端亦可能產生彎矩破壞。在混 凝土保護層剝落之後,墩柱已喪失箍筋圍束(Confinement) 與抗剪能力,最後將導致柱筋產生挫屈,使柱心混凝土爆裂,

韌性無法發揮,形成塑鉸區之損壞,嚴重者甚至造成上部結 構之塌陷。

(6)墩底錨錠破壞(Anchorage Failure),此類破壞通常發生於橋 墩底部與基礎剛接之處(Rigid Connection)。墩柱底部與基

(32)

礎接觸部位,在結構力學分析模式中通常屬於剛接。若設計 時 考 量 不 周 全 、 施 工 品 質 不 良 或 結 構 細 部 (Structural Details)配置有瑕疵,遇強震時則有可能於墩柱底部產生錨 錠破壞(Anchorage Failure)之現象,嚴重者甚至造成橋墩結 構破壞,因而導致整座橋樑之上部結構傾斜、塌陷。

(7)橋墩結構細部設計不當或施工瑕疵所造成之損壞,通常是 由於鋼筋之搭接長度不足、續接不當、施工縫留設不當所造

成。如舊橋於施工時符合當時之設計規範,但不滿足最新規 範要求,當地震力太大時亦可能造成橋柱破壞。鋼筋續接如 採用銲接方式,則依相關規範之規定,其銲接之位置應錯開,

避 免 焊 接 點 均 在 同 一 水 平 面 上 , 以 防 止 發 生 脆 性 破 壞 (Brittle Fracture),另施工縫位置之不當亦可能於強震造 成墩柱之錯移。

(8)橋墩短柱破壞,此乃由於墩柱之有效長度(Effective Length) 太短,造成柱端之剪切破壞。橋樑結構之墩柱上接帽樑(Cap Beam)與上部結構、下接基礎。當遇地震時,則地震力將由地 基與基礎經由墩柱與帽樑往上傳遞至上部結構。因此,從結 構力學理論,墩柱將會產生某種程度之勁度與韌度。若墩柱

(33)

之 設 計 勁 度 太 大 , 則 在 彎 矩 - 剪 力 互 制 (Moment -Shear Interaction)過程中,墩柱將吸收地震力所造成之剪力,嚴 重者甚至造成斷橋與落橋之現象。

(9)橋墩頂部與上部結構接續部位之損壞。當帽樑勁度小於柱的 抗彎勁度時,緊接柱身連接處之帽樑將可能破壞。例如帽樑、

壁式橋墩頂端或止震塊因上部結構之垂直振動或橫向衝擊而 受損破裂。

3 - 4 - 4 上部結構損壞

對傳統式之樑式橋樑(Girder-Type Bridges)而言,上部結構 之主要構件可大致分為:大樑、橫隔樑(端隔樑)、橋面版、橋面 伸縮縫。

遇地震時,橋樑上部結構之損壞模式可依下列數大項探討:

1.斷橋、落樑

沿斷層帶或其附近之橋樑,受地震力之劇烈衝擊時,可能造成 土層之隆起、凹陷、推擠或因劇烈振動等,而導致橋樑斷裂或 上部結構掉落橋下。

(34)

2.上部結構之縱向推擠、移位

地震波經震源傳遞至地基時,將使橋基受到因地震引起之水平 與垂直振動。此種振動亦將導致橋樑本身也產生水平與垂直振 動,進而產生水平與垂直之慣性荷重,使橋樑各結構原件受力 與變形。在慣性荷重中又以水平之慣性荷重對橋樑之影響較 大,而且沿橋樑縱向之水平慣性荷重在結構中產生之地震應力 遠比橋樑橫向之水平慣性荷重產生之地震應力為大。垂直之慣 性荷重則對某些不對稱或懸臂結構之大跨徑橋樑產生較大之地 震應力。

因此,遇強震時,順橋方向之地震力易造成橋樑上部結構之縱 向(沿橋樑長度之方向)推擠與移位,嚴重者將造成落橋,次嚴 重者將造成橋樑上部結構與支承之脫離或損及橋墩結構。

3.上部結構之側向撞擊、移位

為避免地震時上部結構發生之側向位移,通常在下部結構頂端 橋座旁會設置止震塊。設置止震塊之主要目的在於地震發生 時,能確保上部結構不致於產生側向變位(與橋樑長度垂直之方 向),因而產生落樑之現象。若止震塊未能充分發揮其功能,則 受到巨大地震力之影響時,便易造成上部結構在伸縮縫處錯開

(35)

移位。

4.橫隔樑、端隔樑之受損破裂

防震拉桿(Restrainers)之主要目的在於避免橋樑上部結構受 地震力縱向(沿橋樑長度方向)推擠時,造成落樑之情況發生。

因此,遇強震若防震拉桿受損時,則可能造成落樑之結果,導 致落橋、交通運輸功能喪失。

對於簡支混凝土橋樑而言,防震拉桿通常裝置於上部結構之端 隔樑上。當遇強震時,防震拉桿可能扭斷或由端隔樑剪穿,因 而破壞端隔樑。

5.橋面伸縮縫之擠壓、開裂

造成伸縮縫缺陷之原因甚為複雜,例如設計時對橋面板端部勁 度考慮不週、伸縮縫本身勁度設計不夠、錨固件強度不足或過 大的伸縮縫間距等,都會導致伸縮縫損傷破壞。施工時橋面版 澆置不良、設置的伸縮縫間距值有誤、預製(Prefricated)時構 件長度有偏差或伸縮縫裝置安裝不妥等,亦是產生缺陷的原 因。此外,車輛荷重的反覆作用或接縫兩側橋面不平整也會造 成伸縮縫損壞。由於橋面伸縮縫設置於樑端或橋端構造上相對 比較薄弱之部位,加以其性能及連結性構件等不如其他構件容

(36)

易掌控。因此,平時即使在活載重反覆作用下,橋面版亦極易 發生損傷。

順橋方向之地震易造成橋樑上部結構之巨大推擠壓力,導致橋 面版伸縮縫受擠壓而損毀;若加上橫橋方向之地震力,橋面版 之伸縮縫亦可能開裂。

另由於偏心之結構系統,因偏心載重造成橋面版有扭曲行為, 產生扭曲(Torsion)裂縫。

從結構力學之觀點而言,為使應力不會殘留於橋樑結構中;

因此,橋樑必須適當設置伸縮縫(Expansion and Contraction Joint)。然而,在所有橋樑伸縮縫中又以橋面版之伸縮縫最為 重要且複雜程度最高。

3 - 4 - 5 支承( 含防落裝置、支承墊座) 破壞

支承(Bearings)或可稱為支座,其主要功能有以下三種:

1.將橋樑上部結構傳下來之荷重傳遞至下部結構。

2.使橋樑在其縱向(沿橋樑長度方向)有溫度伸縮與潛變等因素所 造成之移動(Translation)空間。

3. 允 許 橋 樑 之 靜 載 重 、 活 載 重 與 其 他 荷 重 在 支 承 處 有 旋 轉 (Rotation)之餘地,並符合設計之考量。

(37)

設計及施工良好的支承與防落裝置,可避免主樑移位、或落 橋之發生,遇地震時,支承常見之損壞模式有以下幾種:

(1)支承本身裝置損壞,例如鋼支承斷裂、螺栓鬆脫或合成橡膠支 承墊損毀。

(2)支承傾斜、滑動或移位。

(3)支承墊(Bearing Pad)被壓碎或裂損。

(4)相關防震設施損毀,例如隔減震之阻尼損傷。

第四章 鋼筋混凝土結構構件破壞實例分析

本文針對地震及建築工程施工損壞鄰房發生構件破壞之建築 物(含地震、施工損壞)、橋樑(僅含地震),就其現場損壞照片,

就各結構構件破壞模式分別加以說明並探討其損壞原因。並儘可

(38)

能參考相關計算書、結構圖、鑽探報告等資料以對損壞原因做出 較準確判定。

4 - 1 房屋結構震害之損傷實例說明

4 - 1 - 1 案例一

1.損害現況

台北縣新莊市民安路三棟地上十二層地下二層共構之建築物 (照片 4.1~4.2),於民國 81 年興建,民國 83 年完工,受 921 集集 大地震作用導致一整棟建物倒塌,部份樓層陷入地下室中,而此 一倒塌建物於倒塌時壓毀其旁之一棟五樓房屋。

2.損傷破壞原因分析

(1)依據中央氣象局集時測報網量測鄰近新莊市昌隆國小(詳表二) 得知新莊地區之地表加速度南北向約 97gal、東西向約 110gal 、垂直向約為 34gal,並未達建築技術規則耐震設計規範規定

之水平加速度 230gal。

(2)柱主筋齊頭式搭接,未按規範要求錯開 60cm,且搭接位置接近 樓版處,未依規定於柱身中央三分之一處(照片 4.3~4.4)。

(3)地下二樓樑交接處箍筋間距達 60cm,間距太大不符規定(照片 4.5)。

(39)

(4)柱緊密圍束區間距為 22cm 太疏,且彎鉤 90 , 不 符 建

築 技 術

規則耐震規範箍筋設計韌性需求(照片 4.6)。

(5)柱箍筋 90 彎 鉤 直 線

延 伸 長 8cm,不足 10db規定(照片 4.7)。

(6)樑箍筋未用鐵線與主筋固定,導致間距疏密不一,且樑柱管線 穿孔,降低混凝土有效斷面積(照片 4.8)。

(7)建築物平面不規則,僅四周有獨立柱,中間以樓梯間鋼筋混凝 土狹長牆為柱,構架不完整,其立面一樓挑高無牆,屬立面勁 度不規則建築物。

(8)依據倒塌建物未受損混凝土鑽心試體進行抗壓強度試驗,其結 果在 85~167kg/cm2,平均抗壓強度為 134 kg/cm2,佔原設計強 度之 55%,因此其混凝土強度不合格【25】。

(9)依據本棟建物結構計算書混凝土設計強度為 245 kg/cm2,但依 圖說之混凝土強度為 210 kg/cm2,顯示其強度有不符之處【25】

3.損傷模式研判

(1)依本次地震作用下最大水平加速度,最大僅 110gal,若按建 築技術規則耐震設計規範施工,應不致於發生倒塌情事。

(2)另由於此種平立面較不規則建築物,地震時一樓軟弱層因

(40)

地震力無法有效傳遞至上部樓層造成結構系統抗震性不佳 。

(3)由於鋼筋混凝土構架受到地震引致之軸力及彎矩作用下,混 凝土因強度不足被壓碎,而柱之鋼筋需額外承受本應由混凝 土承受之力,又因鋼筋彎鉤圍束不足。經上述綜合研判應屬 一樓柱先行挫屈爆裂折斷,使結構體陷入地下室,並引致另 側外柱主筋拉脫而產生倒塌破壞(詳圖 4-1~4-2 倒塌破壞示 意圖)。

4 - 1 - 2 案例二

1.損害現況

台北縣新莊市中榮街某大廈,為兩棟型式相同地上十一樓,

地下二樓地下室共構之鋼筋混凝土建築,採頂蓋型開放空間設計 之住宅大樓(照片 4.9~4.10),完工僅約 4 年,於 921 大地震時南 棟建築物一樓挑高柱折斷傾斜,造成二樓以上建物壓潰中庭樓版 崩落於地下室中;北棟建築物雖未造成倒塌,但樑、柱、梯間牆及 地下室結構嚴重受損。

2.損傷破壞原因分析

(1)一樓柱主筋在同一處搭接,且搭接長度僅 95cm,不符規範要

(41)

求 148cm(照片 4.11)。

(2)一樓挑空電梯間牆剪裂,其牆橫向筋於轉角處未彎鉤錨定(照 片 4.12~4.13)。

(3)南棟柱於倒塌時於一樓柱頂樑柱接頭處斷裂傾斜,柱主筋挫 屈(Buckling) (照片 4.14)。

(4)輔助繫筋未勾住箍筋,且箍筋彎鉤僅 90 , 降 低 結 構 構 件

性,造成箍筋爆開、主筋挫屈(照片 4.15)。

(5)地下室樑箍筋間距疏密不一,不符規定(照片 4.16)。

(6)地下室樑端塑性鉸,撓剪破壞,混凝土剝落(照片 4.17)。

(7)地下室樑端塑性鉸,剪力破壞、混凝土剝落,箍筋間距不符 規定 (照片 4.18)。

(8)地下室版壓潰破壞(照片 4.19)。

(9)倒塌之南棟建物有部份連續壁體內縮與建築圖面不符,造成 該部份連續壁內結構柱之鋼筋上下應力無法正常傳遞,

使耐震能力降低。

(10)倒塌南棟建物屋頂有三戶增建加蓋,造成建物負荷增加,

耐震能力降低。

(11)部份結構圖配筋之柱鋼筋量少於原結構計算書所註明之鋼

(42)

筋量,如一樓 C12 柱結構計算書設計所需鋼筋量為 137.2 cm2,但結構圖僅配置 22 支#8(鋼筋量為 111.5cm2) 鋼筋量

明顯不足【26】。

(12)依據結構計算書為地下二樓 C12 柱結構計算書設計所需鋼 筋量為 200.9cm2,但圖說亦僅配置 22 支#8 鋼筋量亦不足

【26】。

(13)依據結構計算書為地下二層地上十二層之建物設計及分 析,其地上一樓高為 3.5m,2~12 各為 3.2m。但建築圖面實 際 樓 層 為 地 下 二 層 地 上 十 一 層 , 其 中 地 上 一 層 樓 高 為 5.7m,因此結構設計與建築圖實際樓層高度及樓層數明顯 不符【26】。

3.損傷模式研判

(1)本案建物地上一層實際挑高 5.7m,如按原結構圖說以 3.5m 作結構分析及設計,將低估一樓柱之細長效應,導致該層柱 設計強度不足及耐震能力降低,故地震來時樑未達降伏,柱 已先破壞,並未滿足強柱弱樑的設計要求,再加上倒塌建物 頂樓上之增建增加結構構件負擔。

(2)綜合上述原因分析該建築物之破壞模式應由一樓柱,因細長

(43)

比過大,鋼筋圍束不足,構件缺乏韌性,造成柱挫屈破壞最 後導致建物導塌。

4 - 1 - 3 案例三

1.損害現況

南投縣埔里鎮南光國小與宏仁國中校舍在本次 921 地震中受 損極為嚴重,校舍採用懸臂式走廊(照片 4.20),一樓柱系統幾乎 全部破壞,可見柱構件強度不足,並不滿足強柱弱樑之設計要求。

2.損傷破壞原因分析

(1) 依據地震當時埔里鎮南光國小測站(詳表二)得知地表加速 度南北向約 368gal、東西向約 586gal、垂直向約 270 gal,

已超過建築技術規則耐震設計規範規定之水平加速度 230 gal。

(2)樓梯旁柱受水平地震力交互作用產生交叉剪力開裂後破壞 (照片 4.21)。

(3)柱頂混凝土破碎,且未設箍筋,造成圍束不足,塑鉸產生後 抗剪力不足(照片 4.22)。

(4)柱因抗剪力不足,造成柱頂及柱底塑鉸產生後混凝土剝落、

傾斜(照片 4.23)。

(44)

(5)窗台柱短柱效應而破壞,柱內並設有管線,箍筋間距 25cm

以上且未以 135 彎 鉤 以 及 輔 助

繫 (內箍筋),不符合韌性 筋

設計規範,地震時承受過大剪力而破壞(照片 4.24)。

(6)窗台短柱垂直劈裂破壞,其中一邊保護層厚度太厚,降低柱 有效斷面積(照片 4.25)。

(7)柱混凝土及鋼筋圍束強度不足產生垂直挫屈破壞(Buckling) (照片 4.26)。

(8)新舊建築交接處破壞,兩建築物總高度或樓版不在同一高度 未 預 留 足 夠 安 全 間 距 , 地 震 時 可 能 互 相 碰 撞 破 壞 ( 照片 4.27)。

(9)混凝土粒料不潔使含泥量過高及配比不當,造成混凝土強度 不足而破壞(照片 4.28、4.29)。

3.損傷模式研判

(1)窗台緊鄰混凝土柱,設計時窗台與混凝土柱未預留孔隙使同 一樓層的柱具有相同強度與韌性,因此柱的有效長度變短而 勁度變大,在地震作用下,柱子剪力超過原先設計所能承受 之剪力,導致柱子中間段剪斷之破壞,如圖 3-11。

(2)由於校舍空間不足,直接於樓頂增建(俗稱老背少建築),增

(45)

加結構構件負荷,樓下又未加以適當補強或結構安全評估,

再加上原結構設計上述缺失,使地震來時無法承受負荷而破 壞。

(3)經以上分析其破壞模式包含柱構件強度不足產生於柱身中央 或柱頭、柱底之剪力及彎曲破壞(如圖 3-13)、短柱破壞、

軸力挫屈破壞、或新舊建築物碰撞破壞。

4 - 1 - 4 案例四

1.損害現況

台中縣東勢鎮剛完工尚未交屋,地上四樓無地下室連棟集合 住宅,921 大地震時因斷層經過造成原平坦道路垂直隆起達 5m 以 上(照片 4.30),導致建築物基礎開裂,上部結構嚴重傾斜(照片 4.31)。

2.損傷破壞原因分析

(2) (1)由於車籠埔斷層從豐原東轉石岡方向與大茅埔-雙冬斷 層左右包夾東勢,兩條斷層錯動力量匯集造成房屋結構隆起 或沉陷。而本次地震錯動造成地層水平位移達 10m,垂直位 移達 5m 以上。依據地震當時石崗國小測站附近(詳表二)得 知地表加速度南北向約 363gal、東西向約 500gal、垂直向

(46)

約 519 gal,已超過建築技術規則耐震設計規範規定之水平 加速度 280gal。

(2)由於該批建築物基礎採獨立基腳的型式(照片 4.32),當地層 有垂直或水平錯動時,各基腳位移容易因結構系統變形而損 壞。

(3)樑柱接頭內設有管線且樑的錨定長度不足,導致樑柱接頭破 壞(照片 4.33)。

(4)冷氣窗台開口旁牆因為形成短牆而破壞(照片 4.34)。

3.損傷模式研判

因建築物鄰近斷層引致明顯的垂直向位移,造成房屋結構基 礎開裂、隆起及不均勻沉陷為主要之破壞模式。

4 - 1 - 5 案例五

1.損害現況

位於霧峰鄉一棟集合住宅(照片 4.35),因地震時強度太大造 成整棟建物沉陷、地表龜裂、柱牆等構件嚴重受損(照片 4.36)。

2.損傷破壞原因分析

(1)柱內消防水電管分佈造成有效斷面積減少(照片 4.37)且鋼筋

彎鉤未以 135 施 工 , 造 成 鋼 筋 圍 束 不 足, 地 時 震 來 韌 性 無

(47)

法發揮,產生柱挫屈破壞(照片 4.38~39)。

(2)窗戶、陽台牆因短牆作用造成交叉剪力破壞(照片 4.40)。

(3)依據中央氣象局集時測報網量測鄰近霧峰國小(詳表二)得知 霧 峰 地 區 之 地 表 加 速 度 南 北 向 為 563.38gal 、東西向為 773.82gal、垂直向為 257.76gal,然該建築物依建築技術規 則耐震設計時,認定該建築物需能承受之水平加速度只有 230gal,因此地震強度太大應是造成結構受損主因。

3.損傷模式研判

該房屋結構破壞模式應為建物均勻沉陷而導致柱構件挫屈破 壞、牆構件剪力破壞。

4 - 1 - 6 案例六

1.損害現況

位於台北市南京東路幸福大樓(照片 4.41),屋齡 23 年,其 二、三樓柱子於地震後發生嚴重剪力破壞(照片 4.42)。

2.損傷破壞原因分析

(1)依據地震當時台北市民生國小測站附近(詳表二)得知地表加 速度東西向僅約 106gal,並未超過建築技術規則耐震設計規 範規定之水平加速度 280gal。由於勁度頗大之整排鋼筋混凝

(48)

土窗台緊鄰混凝土柱,使柱有效長度變短,勁度變大,地震 時承受比其他柱較大之剪力而破壞。

(2)該建築物完工已 23 年,當年設計規範已不符新規範所能承受 耐震能力,可能因箍筋量之不足造成韌性無法發揮之剪力破 壞。

(3)該房屋結構屬平、立面不規則建築物(照片 4.41),一樓設有 騎樓,二、三樓供餐飲業室內無隔間,四樓以上供住宅使用,

牆壁量明顯高於樓下,造成勁度不連續。

3.損傷模式研判

本案應屬結構系統規劃欠佳與短柱效應造成之交叉型剪力破 壞。

4 - 1 - 7 案例七

1.損害現況

台北市木柵區一棟地上十樓、地下二樓公共建築物,於地震 後發生四樓以下鋼筋混凝土外牆(牆厚約 15cm)開裂破壞之情形 (照片 4.43)。

2.損傷破壞原因分析

依據地震當時台北市木柵指南宮測站附近(詳表二)得知地表

(49)

加速度南北向僅約 42gal,並未超過建築技術規則耐震設計規範規 定之水平加速度 230gal。由於該建築物三~四樓牆體較其他樓層 多,因此造成立面勁度不均勻而產生破壞(照片 4.44~45)。

3.損傷模式研判

本案應屬結構系統立面不良與短牆效應造成之交叉型剪力破 壞。

4 - 1 - 8 案例八

1.損害現況

位於宜蘭縣羅東鎮一棟兩層樓建築物,地震時受隔鄰一棟二 十五樓高建築物(照片 4.46~47),因未留適當之安全間距,導致部 份結構遭受碰撞擠壓損壞如下:

(1)增建部份鋼筋混凝土牆遭擠壓龜裂(照片 4.48)。

(2)兩層樓建物一樓外牆受隔鄰碰撞擠壓損壞(照片 4.49)。

(3)建築物室內樑、牆介面產生間隙、部份牆亦產生剪力裂縫(照 片 4.50~51)。

(4)室內牆面受隔鄰碰撞擠壓,導致牆面鼓脹、龜裂、滲水(照片 4.52~53)。

2.損傷破壞原因分析

(50)

(1)兩棟建築物原預留 127cm 間隔,已施作二層樓高鋼筋混凝土建 築物,每層樓高約 2.5m,導致兩棟間物間已無間距(照片 4.54)。

(2) 增 建 部 份 一 樓 樓 版 高 度 與 受 損 建 物 一 樓 樓 版 高 度 相 差 約 70cm(照片 4.55),且兩棟建築物總高度差距過大;相鄰兩建築 物發生碰撞(Pounding)之行為,主要是由於相鄰建築結構動力 特 性 不 同 , 地 震 作 用 期 間 兩 棟 建 築 物 產 生 異 向 振 動 (out-of-phase),再加上建築物彼此的間隔距離不足,導致碰 撞行為發生【3】。

(3)依據內政部「建築物耐震設計規範及解說」,其中 2.13.2 節就 建築物間隔條文規定如下:「為避免地震時引起的變形造成鄰棟 建築物間的相互碰撞,建築物應自留設設計地震力作用下產生 位移乘以 0.6 x 1.4αyRa倍。」,其中αy:表示起始降伏地震力 放大倍數; Ra:表示容許韌性容量。本案經增建後兩棟間物間已 無空隙,明顯不符合上述規定【32】。

3.損傷模式研判

依據地震當時羅東鎮照安宮測站附近(詳表二)得知地表加速 度東西向僅約 58gal,並未超過建築技術規則耐震設計規範規定之

(51)

水平加速度 280gal。本案應屬相鄰建築物在地震作用期間發生結 構碰撞造成結構損壞的現象。

4 - 2 橋樑震害損傷實例說明

4 - 2 - 1 案例九

1.損害現況 (1)橋樑概況

A.位置:位於台中縣烏日鄉,橋名為新溪南橋。

B.現況:屬台中縣之五光與番子園的聯絡道路,跨越大里溪,

連通霧峰與烏日之河川橋,屬公路局養護路段之雙向 四車道(照片 4.56)。

C.構造:

(A):本橋全長 500m,路寬 19m,番子園端路線平直,五 光(北端)緊鄰橋台為曲線佈設。

(B):此橋梁為典型之箱型橋梁,於民國 85 年興建完成。

(C):橋梁上部結構型式為 PCB(箱型梁, Box Girders),

橋梁跨徑為 55m。

(D):下部結構主要為三柱剛架橋柱(Column Bents),直線 部份為典型之方形單柱橋墩。

(2)損害情形 A.概況:

(52)

於五光端北線第二、三孔橋墩之端部有嚴重壓碎、剪力 裂縫、橋梁扭曲(Torsion)裂縫之情形,其它基礎有明顯碎裂 情形,附近有液化之砂湧行為。

B.主要損害內容:

(A)橋梁之護欄及伸縮縫有明顯壓碎(照片 4.57)。

(B)橋梁有偏心載重產生之扭曲裂縫(照片 4.58)。

(C)墩柱之頂端有壓碎(照片 4.59),剪切裂縫(照片 4.60)。

(D)基礎部份有受損及沉陷(照片 4.61~62)。

(E)附近發現有土壤液化情形(照片 4.63)。

2.損傷破壞原因分析

新溪南橋之損壞原因,由於偏心產生扭曲,使得橋梁有扭曲 裂縫及柱端之壓碎、剪力裂縫。橋北側下游之第二墩柱頂端之兩 側部份有壓碎現象(照片 4.59),第三跨有明顯之扭曲裂縫(照片 4.58)。橋面版亦有劇烈擺動之跡象,由照片 4.57 中可清楚看出 護欄、伸縮縫受損嚴重,基礎部份震動產生之裂縫,在北側有下 陷情形,而附近土壤有明顯之砂湧液化現象。由 PGA 等值線(圖 4-3) 可看出此橋址之最大東西向水平加速度約為 350gal 左右。

3.損傷模式研判

經上述研判,本案破壞模式包含基礎土壤液化、基礎附近土層 壓實(Consolidation)造成基礎沉陷破壞、扭曲(Torsion)及剪力 裂縫、墩柱頂部混凝土受壓破損、護欄及伸縮縫受擠壓而破裂。

4 - 2 - 2 案例十 1.損害現況

(53)

(1)橋樑概況

A.位置:位於雲林縣林內鄉。

B.現況:施工中橋樑,尚未完工通車,作為日後國道第二高速公 路車輛通行之用,橋樑性質屬河川橋(照片 4.64)。

C.構造:

(A)下部結構為 R.C 單柱式橋墩,其上為鋼筋混凝土支承 墊及盤式支承。

(B)上部結構為連續式預力箱型樑(PCB,Box Girder),

橋樑跨徑為 37m,淨寬為 16m。

(2)損害情形

(A)八十八年九月二十一日集集大地震後,其中某一橋墩頂部西 側混凝土產生剪力裂縫(照片 4.65~66)。

(B)橋墩上方鋼筋混凝土支承墊座(Pedestal)混凝土裂損(照片 4.67~68)。

(C)橋墩柱及鋼筋混凝土支承墊結構裂縫受損處混凝土經敲擊 後發現有鼓脹現象。

2.損傷破壞原因分析

(1)為進一步了解橋墩柱結構受損情形,除進行裂縫量測外(詳

(54)

4-4、4-5 裂縫位置示意圖),另針對墩柱結構體進行非破壞 檢測(照片 4.69~71)內容包括À混凝土超音波波速檢測(詳表 三)Á混凝土反彈錘試驗(詳表四)Â保護層厚度及鋼筋排列量 測(詳附錄 A)。

(2)經上述檢測結果,因地震造成橋墩柱頂部混凝土損壞部位,

發現其混凝土品質有降低之情形,已影響橋墩柱結構安全。

(3)依據集集大地震發生時鑑定標的物所在位置之工址地表加 速度,經中央氣象局即時測報網所量測之全省測站地表加 速度資料,臨近林內鄉林中國小得知,林內地區之地表加 速度東西向約 276gal 及南北向約 162gal,而垂直向地表加 速度為 141gal 新建橋樑工程路線成南北走向,結構體受損 位於橋墩柱頂西側,經上述資料研判,應屬本次集集大地 震強大的東西向水平加速度衍生混凝土受壓剪力破壞造成

【33】。

(4)依據橋墩結構計算書資料,設計水平震力係數(kh)公式為 kh=ZSIC0,其中鑑定標的物所在地區林內鄉屬強震乙區,研 判其設計水平震力係數計算應依據民國 76 年交通部頒佈之

「公路橋樑設計規範」【23】決定。然若依據民國 84 年交

(55)

通部頒佈之「公路橋樑耐震設計規範」【24】規定,鑑定 標的物所在地區屬地震一甲區,上述設計規範及地震分區 (詳圖 4-6 及 4-7)之不同,加上本次 921 地震強大之水平 力,可能造成鋼筋混凝土韌性無法發揮,導致墩柱及支承 混凝土受集中應力太大所致【33】。

3.損傷模式研判

經上述資料分析本座橋樑受損部位,包含鋼筋混凝土橋墩 頂部及其上支承墊混凝土其主要破壞模式應屬橋墩柱及支承墊 剪力破壞。

4 - 2 - 3 案例十一

1.損害現況 (1)橋樑概況

A.位置:位於台三線,介於草屯鎮與南投市之間,跨越貓羅溪,

橋名為貓羅溪橋。

B.現況: 八十八年完工通車,為銜接台三線與中投公路的高架 道路(照片 4.72)。

C.構造:

(A)上部結構每孔含 4 根鋼 I 型梁,鋼帽梁與上部結構採剛

(56)

接方式。

(B)下部結構為鋼筋混凝土單柱式橋墩,鋼帽梁置於鋼筋混 凝土橋墩之上,利用錨碇鋼構及剪力釘錨碇於鋼筋混凝 土橋墩之中。

(2)損害情形 A.概況

地震發生後橋墩頂部混凝土產生斜向裂縫,橋面向外側傾 斜,加上活載重持續作用,使得橋墩裂縫及橋面傾斜更為加 劇,為防止惡化情形持續擴大,公路局已於地震後,在外懸 鋼帽梁下方施作臨時支撐構架,並禁止車輛通行高架橋上。

B.主要損壞內容

(A)橋墩頂部損壞,外懸鋼帽梁及橋面因而向外傾斜(照片 4.73)。

(B 橋墩頂部混凝土剝落並產生 45°斜向裂縫(照片 4.74)。

2.損傷破壞原因分析

該橋設計屬偏心結構系統,由於上部結構的偏心載重,且本 段橋梁為曲線橋,在地震水平垂直分量的作用下,柱頂承受極大 的彎矩,因而在柱頂產生明顯的撓曲剪力裂縫並造成混凝土剝落 與鋼筋裸露的現象。因此該橋樑受損原因除了本次地震強度太大 外,從其他上部結構無偏心的橋柱均未受到損壞的情況推斷,上

(57)

部結構的偏心載重可能為此橋柱柱頂受損的主因。

3.損傷模式研判

依據地震當時草屯鎮雙冬國小測站附近(詳表二)得知地表加速 度垂直向約 415gal、東西向約 639gal、南北向約 521gal,已超 過建築技術規則耐震設計規範規定之水平加速度 230gal 。 橋樑損傷破壞模式包含橋墩柱撓曲破壞與剪力破壞,導致受壓 處混凝土剝落、鋼筋外露。

4 - 2 - 4 案例十二

1.損害現況 (1)橋樑概況

A.位置:本橋係位於東勢鎮沙蓮溪台三線省道上,里程數為台 三線 163K+210~163K+285,橋名為石圍橋。

B.現況:為台三線省道上之重要橋梁,位於卓蘭與東勢交界,

跨越沙蓮溪,屬公路局養護之雙向四快車道、兩側各 一慢車道公路。

C.構造:

(A):總長 75m 曲線橋,曲線半徑 170m,橋寬 24m。

(B):北上線(上游側)、南下線(下游側)橋梁分離,為 3 跨 25m 簡支 PCI 梁,每孔 5 支梁。

(58)

(C):單柱式橋墩、沉箱基礎構造。

(D):民國 83 年 9 月竣工。

2.損害情形 (1) 概況:

921 集集大地震後於東勢端南下線第二、三橋面落橋,北 上線第三孔落橋,南端往東勢引道路面龜裂、斷層經過路面隆 起變形。

(2)主要損壞內容:

A.橋北端往卓蘭瀝青路面遭擠壓變形(照片 4.75)。

B.上部結構受推擠,導致南下線第二、三孔及北上線第三 孔橋面落樑,如圖 4-8 及(照片 4.76)。

C.北上線 P1 橋墩有明顯撓剪裂縫(照片 4.77)。

D.端隔樑遭落樑破壞、大樑折斷、支承處止震塊混凝土破 裂(照片 4.78)。

E.橋面版及護欄因落樑損壞(照片 4.79)。

F.主樑移位造成護欄錯開(照片 4.80)。

G.東勢端橋台擠壓、落樑(照片 4.81)。

H.橋南側邊坡有滑動現象且堤岸道路之擋土牆崩塌(照片

(59)

4.82~83)。

I.斷層經過引道路面隆起(照片 4.84)。

2. 損傷破壞原因分析

(1)由於邊坡滑動造成南側橋台向北傾斜及擋土牆崩塌,因此 研判該橋破壞極可能是由邊坡滑動所造成。

(2)地震力分析

依 據 地 震 當 時 附 近 所 量 測 之 東 西 向 水 平 加 速 度 高 達 502gal , 垂 直 加 速 度 高 達 520gal , 已 超 過 規 範 之 要 求 230gal。另該橋樑於八十三年完工,可見其耐震設計已不符 最新規範要求(八十四年一月九日交通部頒佈「公路橋樑耐 震設計規範」)【24】,由於橋樑鋼筋混凝土結構不符合韌性 設計如箍筋不足,可能造成橋柱發生撓剪破壞之脆性破壞模 式(照片 4.78)。

(3)由於斷層之錯位量非常大,因此橋樑走向跨過斷層破裂面造 成落橋,亦是損壞之原因之一。

3.損傷模式研判

經以上分析橋樑破壞模式包含以下幾種:

(1)邊坡滑動破壞。

(60)

(2)斷層錯位造成路面隆起、擠壓變形破壞。

(3)大樑折斷、落樑。

(4)大樑、護欄錯開位移、橋面版損壞。

(5)橋台、橋柱傾斜、橋墩柱撓剪破壞。

(6)端隔樑、止震塊破裂。

4 - 2 - 5 案例十三

1.損害現況 (1)橋樑概況

A.位置: 位於台三線 210K+371 台中縣與南投縣交界處,橋名 為烏溪橋。

B.現況: 連接霧峰及草屯之幹道,跨越烏溪雙向四快車道、兩 側各一慢車道公路。

C.構造:

(A)本橋全長 624.5m,路寬 26 公尺,霧峰端路線平直,草屯 端緊鄰橋台則為一曲線佈設。

(B)原設計橋梁為北上、南下分離之二座橋梁,北上線橋寬 12.5m,約於民國 62 年興建完成;南下線橋寬 12.5m 於 民國 71 年興建完成。

(61)

(C)橋 梁 上 部 結 構 型 式 為 PCI 梁,橋 梁 跨 徑 配 置 主 要 為 34.84m。

(D)下部結構為鋼筋混凝土長圓形橋墩,南下線橋基為直徑 6m,深 13~16m 之沉箱基礎。

2、損害情形

(1)概況:本次地震北端(往台中端)嚴重落橋損壞,其他亦有部 份損壞,如圖 4-9 烏溪橋破壞示意圖。

(2)主要損壞內容:

A.北上線第一、二孔橋面落橋、預力大樑折斷(照片 4.85 )。

B.南下線墩柱下之沉箱剪力破壞、混凝土破損、鋼筋拉斷 (照片 4.86 )。

C.南下線橋墩柱剪力破壞,上部結構向西傾斜,混凝土破 損、 鋼筋拉斷(照片 4.87 ~88 )。

D.北上線端格樑及止震塊破裂、防震拉桿拉斷、鋼筋拉斷 (照片 4.89 )。

E.橋面傾斜、下陷,北端引道於近橋台處隆起(照片 4.90 )。

F.北側第三橋墩上之橋面版向西移動(照片 4.91 )。

G.橋面版及護欄遭擠壓破損(照片 4.92 )。

(62)

H.橋面伸縮縫遭擠壓(照片 4.93 )。

2.損傷破壞原因分析

(1)依據地震當時霧峰國小測站附近(詳表二)得知地表加速度 垂直向約 258gal、東西向約 773gal、南北向約 563gal,已 超 過 建 築 技 術 規 則 耐 震 設 計 規 範 規 定 之 水 平 加 速 度 230gal。本橋損壞主因應係車籠埔斷層直接通過所造成,

如圖 4-10 係斷層與橋之相對位置,另由照片 4.94,可看出 橋北側東邊第三跨處 1.5m 之垂直錯動。

(2)另橋墩柱及沉箱遭斷層直接穿過,造成嚴重剪力破壞。

(3)橋面版傾斜下陷造成北高南低、東高西低。

3.損傷模式研判

經以上分析造成本橋損傷模式如下:

(1)斷層錯動破壞。

(2)沉箱及橋墩柱嚴重剪力破壞。

(3)落橋並導致大樑折斷。

(4)端隔樑、止震塊破裂、防震拉桿拉斷破壞。

(5)橋面版、護欄及伸縮縫破壞。

4 - 3 房屋工程施工損傷實例說明

(63)

4 - 3 - 1 案例十四

1.損害現況 (1)工程概要

位於新竹地區某建築工地擬興建地上七層、地下三層鋼筋混 凝土結構之建築,因施工過程中造成鄰房結構受損事件(基地及鄰 房照片詳 4.95 )。

(2)損害情形

本案例因施工造成鄰房損壞計有四戶連棟鋼筋混凝土透天建 築物,其中三戶地上三樓、無地下室,另一戶地上四層、地下一 層,發生損壞之時間為新建工程施工地下室擋土璧體及地下室基 礎開挖施工階段(照片 4.96),損壞內容如下。

A.基地與鄰房側道路沉陷、開裂(照片 4.97 )。

B.室內樑、版、牆龜裂滲水(照片 4.98~100)。

C.室內樑、版、牆及裝修材如磁磚龜裂、滲水(照片 4.101~102)。

D.柱、樑、版、牆界面間隙裂(照片 4.103)。

E.一樓及圍牆地坪沉陷、龜裂(照片 4.104~105)。

2.損傷破壞原因分析

(1)依據工程基地地質鑽探及土壤試驗報告書資料載示,本新建

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