由集集大震探討台灣現有結構物存在的問題
宋文沛
摘 要
         台灣由於地理位置的關係，所以存在許多「界線斷層」因此隨時都可能發生地震。集集大震因斷層錯動造成嚴重的損失，但也暴露出現有建築物及橋樑結構於設計、施工、監造及法規制度等許多缺失，因此本文將針對此次地震之震害狀況對基礎、結構系統、施工品質、非結構物補強及法規制度面等缺失提出改善對策，以期未來發生大地震時結構體能完全發揮其應有之功能。

一、前言

         地殼是由許多大陸板塊分散與聚合，但在某些特定之地點，因聚集過多的熱能或應變能或其它外來的能量，才發生突然的變動，例如：火山爆發、地震…等等，常對人類造成很大的傷害。其中發生地震的原因有：(1)斷層錯動，(2)火山爆發，(3)岩溶塌陷，(4)隕石撞擊，(5)地函物質相變化，(6)地下核爆及其他人為因素等。但以斷層錯動是發生地震最主要的原因，且發生次數最頻繁，造成災害的機會也最大。
         台灣的形成是由於板塊運動，原屬於呂宋系統的海岸山脈，隨著菲律賓海板塊向北移動，以約45度方向斜撞中國東南邊之大陸斜坡，並將此地原有之地殼抬高成山，由於此運動造成台灣島內形成許多的斷層帶。而斷層帶於西部麓山帶與沉積平原間，有金山—新莊—三義—車籠埔—觸口斷層，中央山脈與西部麓山帶間，有屈尺—荖濃溪—潮州斷層。中央山脈與海岸山脈間有縱谷斷層，這些大的「界線斷層」大都是活動斷層，隨時都有可能因而引發地震。
         然因斷層錯動所引發之地盤震動，在斷層帶附近最激烈，也最具破壞力，其強度隨與斷層之距離增加而衰減。當地震激烈時，於不穩定地盤或強度較脆弱的部份即可能發生變化而破壞，如：穩定度差的斜坡、山崖……發生山崩滑動的現象，凝聚力較弱的沖積土層發生壓密沉陷，斷裂，泥沙地質可能因地下水壓升高而發生噴沙及土壤液化現象等均引發地盤破壞，造成結構物之破壞。由於斷層錯動引起之地震波，使座落在地盤上或地盤中之結構物隨之震動，但由於結構物本身的慣性及其他構造特性，往往使其震動有別於地震震動而引起內部應力。由於地震過程甚為複雜，對結構體之影響亦為多樣性，所以結構體均應經詳細之耐震設計，以確保結構體之安全；此次921集集大震暴露出國內結構物設計、施工、監造及法規制度上許多的缺失，因此本文將就此次地震之特性與學者、專家們及筆者實際勘災所得，按實際發生破壞之情況加以分析說明，再針對現今台灣現有結構物的問題提出改善對策，尚祈工程與學術界的先進們不吝指正，並同心為台灣建設品質好、安全性高的結構物而齊心努力。

二、集集大震的成因與特性

         921集集大震發生於1999年9月21日凌晨1點47分，震央位於北緯23.85度,東經120.81度，也就是日月潭西偏南方約12.5公里處，震源深度為6.9公里，地震規模為芮氏7.3級(若以美國USGS為Ms=7.7)，釋放的能量，相當於二次大戰時，40顆投擲於日本廣島原子彈的威力，甚至連中國大陸江西省都能感覺到此次地震的搖晃。
         此次地震主要是由於斷層錯動所引起，主要的斷層活動集中於車籠埔斷層及大茅埔—雙冬斷層。大茅埔—雙冬斷層屬逆衝斷層型態，受菲律賓海板塊擠壓進而帶動西側平行的車籠埔斷層以三十度仰角由東向西上衝，使得車籠埔斷層東側上升1至4公尺[1]，根據中央地質調查所調查發現，本次地震車籠埔斷層北自卓蘭鎮內灣開始向西延伸至沙連墩附近以幾近東西向之勢直撲石岡，至豐原後向南奔竄，經大坑、太平、車籠埔、霧峰、草屯、中興新村、南投、名間、竹山直到桶頭，形成的地震破裂帶，總長約八十公里，寬度約四十公里，其中以集集、中寮及位於震央北方約35公里處(即豐原一帶)，所造成的破壞與傷害最為嚴重。
         此次地震的強度，可由中央氣象局公佈之強震資料看出，車籠埔斷層以東之地震強度普遍較斷層以西為高，在距離斷層以東十五公里範圍內最大地表加速度值均大於中震區之設計地表速度0.23g；另根據中央氣象局，地震即時測報系統所得各地最大地表加速度值(PGA)，其中南投站測得水平最大地表速度值達983gal，相當於一個重力加速度，為日本阪神地震的1.2倍，且中部地區測報站所測得之PGA值大都大於設計地表加速度值，可見此次地震的規模，由於斷層錯動劇烈，且本斷層於竹山到豐原間屬逆衝斷層，逆衝平均垂直位移達2 公尺，且越偏北位移量越大，尤其石岡附近水平移動更達9公尺，垂直位移亦達4公尺。各地震度以南投縣與台中市6級最大，其次為新竹、台南、嘉義及宜蘭為5級，台北市，高雄市及台東為4級;餘震更是接連不斷，其中震度 6 以上之強震更高達8次之多，主震後餘震依序列理論地震強度呈波浪型逐漸消蛻，但由於規模強，造成不少建築物與橋樑倒塌毀損。

三、結構物震害狀況分析說明

         地震力對結構物造成損壞的原因十分複雜，因此將就建築物及橋樑震害之狀況分別分析及說明如下:
(一)建築物
         在震源附近之強震區及車籠埔斷層通過地帶，房屋倒塌甚多，光是台中縣、市及南投，全倒及半倒就達16,000多棟，甚至連台北縣、市、桃園及雲林縣均有房屋損毀，其中建築物之破壞狀況說明如下：
         1.基礎損害：基礎不良造成地震時，發生沉陷、傾斜及土壤液化等現象，造成基礎破壞導致大樓傾倒；填方開裂、下陷或擋土牆遭到主動土壓，造成後方土壤破壞等導致基礎損害。
         2.結構體的破壞
         (1)傳統建築—土、磚、竹、木造及其混合建築：災區中有許多老式的民間建築，構造型式大都為土塊造、磚造、木造、竹造或混合建造的低層建築，因本身無抗震之主要結構，所以地震時幾乎都由脆弱的土塊、泥竹板牆或加強磚造面承受此巨大的力量，因此建築物發生多處開裂、抽離、屋頂塌陷甚至房屋倒塌的現象，部份則是年代久遠建材腐朽或結構系統不良及私自增建造成額外的偏心扭矩，亦是房屋倒塌的主因之一。
         (2)RC造建築物： 根據筆者實地調查發現，將震害之狀況，以結構體破壞與非結構體破壞分別說明之:
         A.柱破壞
                 a.短柱效應。
                 b.高窗邊之柱。
                 c.兩側端部柱，造成混凝土壓碎及鋼筋裸露。
                 d.由於扭力矩增加，造成柱剪力增加，引起柱剪力破壞。
         B.梁破壞
                 a.樓梯平台下及樓梯間處之短梁破壞。
                 b.樑中央部產生裂縫。
         C.牆破壞
                 a.隔間牆破壞。
                 b.結構系統長向上，牆體與柱連接之窗台窗框周圍或梁底處之牆破壞。
                 c.結構系統短向上，牆體與梁底接觸處。
         D.樓板破壞
                 a.各樓板角偶處，產生45°裂縫。
                 b.底層樓梯間之樓板破壞。
         E.樓梯破壞
                 轉折平台下，混凝土破裂或保護層破壞，鋼筋裸露。
         F.結構系統
                 細長條型、Ｕ型、Ｌ型、Ｈ型等平面，在轉角部或端部破壞；分期興建建築於新舊續接處之破壞。
         3.非結構體破壞
         (1)屋頂水塔或冷卻水塔震後發生傾斜，倒塌甚至掉落。
         (2)圍牆倒塌。
         (3)女兒牆、欄杆掉落。
         (4)內外裝修材掉落。
         (5)天花板掉落。
         (6)窗框變形、玻璃破裂。
         (7)燈具、電扇、視聽設備等懸吊物掉落。
         (8)櫥櫃、書架傾斜或翻倒等。
         4.震害原因分析說明：歸納上述原因不外是基礎不良、結構系統不良、施工品質不佳等因素造成，以下將就各因素分別說明。
         (1)基礎不良
                 施工前未確實進行鑽探分析，造成基礎型式設計錯誤，於軟弱土層亦未進行地質改良。另外由於施工不良、回填夯實不確實、山坡地則因坡地整地不確實(如填方未夯實，擋土設施考慮不全)。
         (2)結構系統不良
         A.軟層結構：民間大都採用開放空間設計(即透天厝騎樓式建築)，地面層形成軟層結構，強震時造成結構側傾，導致底層損毀崩塌。有些同型建築，因保持一定之壁體量，雖然牆體出現明顯的裂縫，卻發揮顯著的抗震功能。
         B.偏心扭矩：結構體勁度中心與質量中心不符合，造成額外應力增加。
         C.增建的影響： 許多建築物私自增建造成結構系統不規則，任意拆除牆、柱、梁及板破壞原有之結構系統；另外由於興建年代不同，造成新舊樓層界面及不同材料之整合不易，致使地震時產生不諧和震動因而發生破壞。
         (3)施工品質不良
         A.柱箍筋：柱箍筋量不足，未施作135°標準彎鉤以及柱箍筋彎鉤末端延伸長度不足、箍筋接合不良及間距太大，造成圍束不足，因而發生柱爆裂，造成混凝土開裂、剝落及柱主筋挫屈。
         B.鋼筋搭接接合不良：柱主筋同一斷面搭接，未錯接、搭接長度不足或續接器失敗等，造成柱斷裂而挫屈。
         C.柱抗壓面積不足：柱內埋設PVC管，造成混凝土抗壓面積不足，或是過於接近主筋影響其握裹力，或是PVC電線管置於箍筋外緣造成保護層厚度不足，造成受壓時柱開裂或是混凝土剝落。
         D.梁柱常見問題：梁柱內鋼筋不足、鋼筋抗拉強度不足、梁柱接頭未確實施設密箍筋、柱主筋末端錨定於屋頂梁內之錨定長度不足及梁柱錯接與未按實際工程圖施工等，均影響建築物之耐震性。
         E.監造不實：梁柱內夾雜沙拉油桶、鐵桶及舊報紙；另混凝土強度不足或以樹脂灌滲雜於水泥中，造成強度不足。

(二)橋梁
                 由國家地震工程研究中心震害調查統計[2]，於災害發生後，大部份橋梁並未受損，但有將近20%之橋梁到不同程度之損傷。若定義嚴重損傷為發生落橋或主要結構桿件損壞，必須封橋進行修復或重建者，此類的破壞模式包括斷層錯動造成落橋、橋墩破壞、橋柱與上部結構之接頭損壞，直橋及斜橋因支承長度不足而落橋，橋台或邊坡破壞以及土壤液化造成基礎的破壞等。以下將就上述各因素分別說明如下：
         1.斷層錯動：此次地震，部份橋梁因斷層錯動，造成變化量超過設計量太多，因而發生落橋。
         2.橋墩破壞：橋墩受震害之破壞模式十分複雜，將主要原因歸納如下：
                 橋墩受撓剪破壞與剪力破壞，使混凝土剝落，鋼筋外露彎曲；橋墩柱頂部與底部受壓破損；墩底錨錠鋼筋破壞；橋墩短柱效應；相鄰橋墩帽梁側向撞擊導致梁端混凝土破裂；另外因地層錯動及土壤液化之影響，導致橋墩傾斜或位移，甚至造成落橋及上部結構歪扭變形。
         3.橋柱與上部結構之接頭損壞：帽梁、壁式橋墩頂端或止震塊，因上部結構衝擊而損壞；上部結構因止震塊受震破壞後，造成伸縮縫處錯開位移；防震拉桿因受沿橋長向之地震力推擠受損造成上部結構損害及橋面板伸縮縫受擠壓而毀損。
         4.支承長度不足：支承長度須足夠以避免落橋，但由於強震時，支承本身損壞、壓碎或傾斜、滑動或位移等，因支承長度不足而落橋。
         5.基礎破壞：由於上下垂直型地震的影響，橋梁基礎及下部結構附近土層受到壓實而導致基礎沉陷、傾斜或移位；於高填土路段之橋台基礎及邊坡，因地震造成基礎土壤側向滑動、移位；另由於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差異沉陷、位移、傾斜或旋轉等。
         6.人為因素：由於規劃不當如結構佈置不合理，計算偏差及設計圖說不全等，造成結構體破壞；甚至因混凝土品質不良、鋼筋、鋼腱材質不佳等，致使結構體抗震力不足。

四、台灣現有結構物之改善對策

         由結構物震害狀況之分析與說明中，可以發現建築物之破壞不外乎基礎破壞，結構系統不良及施工品質不佳等；而橋梁則為斷層錯動、結構體及基礎之破壞與人為因素等；而同樣的問題仍存在於台灣各處，所以將針對這些問題提出改善對策。
(一)基礎部份
          1.於液化潛能高之區域進行地質改良，以增加地盤承載力，避免液化所造成之災害。
         2.全面清查斷層帶15公尺內之房屋及橋梁，必要時強制居民分批遷移並給予妥善安置，以維護居民的安全；於主要幹道上近斷層帶之橋梁，除應研判其耐震性外，並逐步檢討改線，以避免主要幹線中斷。
         3.徹底清查全國違法佔用國有林地種植檳榔與茶葉之山坡地，改種植深根性樹木，以發揮水土保持的功能。
         4.嚴格執行現行山坡地40%以上不得興建結構物及高度不得逾21.6公尺的強制規定。
         5.新建結構體應確實進行鑽探分析，並設計適合之基礎型式；施工時除應按圖施工外，若發現地質狀況與原先預估不同時，應重新評估，計算與檢討基礎型式。

(二)結構系統
          1.民間建築中有許多騎樓式建築，其抗震性明顯不足，應全面普查及評估，並適當地增強其抗震能力。
         2.由震災中發現老丙建物受損嚴重，應全面檢討此允許開發條件，並如１中所述增加其抗震力。
         3.現有建築物之梁、柱、樓板裂縫須引用適當補強法加強之；修正短柱效應可能發生處；修正不當之剪力牆配置，使勁度中心與質量中心接近，以免造成二次力矩；修正不當之結構系統；分期興建之接縫處應額外補強。
         4.勿任意違法加蓋或拆除牆、柱、梁及板以免破壞建築結構系統。
         5.建築結構體應請專業人士定期安全檢查及維修。
         6.全面檢查國內各重要橋梁結構，並依橋梁管理系統列管、維修。
         7.支承座長度應確實檢查與檢討設計，並設計施工良好的防落裝置，避免落橋發生。
         8.橋梁之偏心結構系統，接頭之設計應檢討改進；橋柱之設計應避免剪力破壞及具足夠之圍束力以發展其韌性。
         9.經過斷層帶之橋梁將無法避免因斷層錯動而嚴重損失，因此應有緊急應變措施，如設置監測預警系統及事先規劃替代路道。
         10.全面進行既有橋梁之耐震評估與補強。

(三)施工品質
          1.由斷裂之結構物可以看出，許多施工細節不符合耐震設計之規定，應加強工程人員耐震設計與施工法之觀念。
         2.混凝土品質不良處應適當補強之。
         3.對目前施工品質較差之結構物，可以引用鋼板包覆補強、FRP包覆補強及隔減震技術[3-6]等提高其耐震性及工程品質。

(四)非結構物之補強
          1.屋頂水塔及冷卻塔設計抗震設施。
         2.圍牆及女兒牆應加固，以免地震時倒塌。
         3.內外裝修材及天花板應全面檢修加固。
         4.櫥櫃、書架及電器設備應加固避免地震時傾倒。

(五)法規制度面          1.全面檢討現行營建制度，按各技師、建築師之專業素養確實分工，避免借牌，並改進目前監造制度，應由專業技師確實監造，以確保工程品質。
         2.全面檢討現行「山坡地開發建築管理辦法」及「建築技術規則」中有關耐震之設計相關辦法。
         3.房屋及橋梁耐震規範震區重新劃分，由於此次地震災區為規範所規定的中震區，地震強度遠大於耐震設計，應將四震區及地震力之規定重新檢討修正。
         4.按此次橋梁震災之成因及解決方法，重新修訂橋梁耐震設計規範。

五、結語

         921集集大震在中部地區所造成的損害及對台灣社會與經濟等各方面的衝擊均十分嚴重。其中樓房倒塌、土石崩落、走山毀村及橋梁、道路損壞等造成人民生命財產的損失難以估計，且對交通運輸影響頗鉅。
         雖然斷層帶附近及烈震範圍致使結構物嚴重損壞，應歸咎天然災害難以抗拒，但是由於人為因素的影響，致使地震力較小之區域竟然亦發生嚴重破壞，導致人民大量傷亡。因此應藉由這些震害，對目前建築、橋梁的設計、施工、監造及法規制度等應全面檢討並且積極落實執行，使台灣各種結構物在未來大地震中能完全發揮其應有之功能，以確保人民生命財產的安全。■

參考文獻：

1.「921集集大地震專輯」，財團法人中華顧問工程司，民國88年11月。
2.「921集集大地震橋梁震害調查報告」，國家地震程研究中心，民國88年11月。
3.「矩形RC橋柱鋼板包覆補強之研究」，國家地震工程研究中心研究報告，民國88年11月。
4.「FRP複合材料補強橋設計準則之研究」，交通部科技顧問室研究報告，民國88年10月。
5.「由阪神地震探討國內橋梁耐震工程發展方向」，財團法人台灣營建研究院，民國85年9月。
6.「橋梁設計與耐震補強」，財團法人台灣建研究院，民國88年12月。