及補強技術手冊之可行性探討(一)
林瑞棋
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一、前言 「921地震後受損鋼筋混凝土建築物緊急修復及補強技術手冊」係由內政部營建署委託財團法人中華建築中心研訂，並提請建築技術審議委員會討論定案後，將以行政院921震災災後重建推動委員會(營建組)之行政命令發佈施行。據該「鋼筋混凝土建築物緊急修復補強技術手冊」之目次計分為9節，適用範圍為中低層五樓以下鋼筋混凝土建築物之緊急修復及補強工法；依其用語釋義分為： 1.損傷：一般指非結構性之破壞或龜裂，經簡單修復後，不影響結構安全者。 2.損壞：指建築結構體已遭受破壞需立即補強或拆除，否則具有危險性者。 3.修復：係指將受到地震損傷之部位或構材回復至原設計或接近原設計之情況者。 4.補強：除了部位或構材回復至損害發生前之狀況外，並為特定目的而將部位或構材施予強化或增加新構材，提昇整個標的物之結構強度或耐震之能力者。 作業流程包括：(1)現況調查。(2)災害程度判定。(3)耐震診斷。(4)修復及補強方案規劃(選擇適當工法)。(5)施工。(6)檢驗。 二、現況調查 現況調查分為：1.事前調查(圖上作業) 從設計圖上先瞭解建築物之結構形式、建築物重量、材料強度等資料。若無設計圖面，則赴現場作鑽心試體、鋼筋拉伸試驗等以瞭解混凝土及鋼筋等主要結構材料之強度，以及建築結構配筋之查驗。 2.現場調查(檢測調查) 主要調查建築物之整體傾斜、沈陷及結構體(RC造柱或剪力牆)與磚造牆之損傷情況。 其次如屋頂突出物、煙囟或外部裝修材料等有明顯之傾倒或剝落情況時，亦詳實調查。 依RC結構物其壽命至少應為50∼70年，但除自行建造房屋者或尚持有設計圖外，因建築法令並未規定房屋買賣必須將設計結構、水電圖列為買賣契約之一部份，致在921地震後，已造成事前調查的困難外，現場調查檢測亦無法與原設計比對，對構造物之損傷、損壞完全無法瞭解造成之因果關係；僅能歸諸於天災，而排除人禍來加以復建補強。 三、災害程度判定 據該技術手冊第5節「災害程度判定」，損傷分類基準為：
依5.3.1節，在基礎未沈陷下，量測建築物之最大沈陷量S，除非建築物縮短或水平移位外，絕無可能發生？若以五層建築物高度18.0公尺為例縮短0.2m或1.0m，依鋼筋混凝土構造物每層平均縮短值，輕度破壞為40mm，中度破壞為40∼200mm，嚴重破壞為200mm以上；倘為一層建築物為例，輕度破壞必須縮短200mm，中度破壤為200mm∼1,000mm，嚴重破壞為1,000mm以上。 在基礎下土層變化，整體結構未受損或輕微受損造成時，依前述五層建築物之輕度破壞值為400mm，中度破壞為400∼1,500mm，嚴重破壞為1,500mm以上；若以一層建築物為例，輕度破壞為400mm，中度破壞為400∼1,500mm，嚴重破壞為1,500mm以上，豈能復建補強使用？ 按本節末段雖規定「以上建築物未因沈陷而踰越地界線。」但並未涉及水平移位之變化，故在建築物損傷判定上之可行性豈不令人存疑？ 依第5.3.2節房屋基礎未移出地界線，依整體傾斜程度判定，在基礎未受損下，因結構受損造成時，按其損傷結構體傾斜角θ之值推算最大弧長與水平距離，倘以每層3.5m五樓建建築物為例，總高度為17.5m，其數值如下：
依ACI347-78標準對鋼筋混凝土建築物允許之垂直度之誤差值為每10ft.(3m)不得超過1/4in.(6.35mm)，總垂度不得超過1in.(25.4mm)。倘依ACI347-78規定，在基礎未受損，結構體受損下均少於施工允許誤差；在基礎下土層變化，整體結構未受損或輕微受損下僅嚴重破壞  ≦6/100弧度，雙向傾斜最大水平距離25.917mm，接近施工允許誤差值，倘依本節規定傾斜程度判定，豈非所有因施工造成在ACI347-78標準範圍內之建築物均應列入震後復建補強？依5.3.3節房屋結構體損傷比例判定計算公式推算參酌5.1節RC造柱損傷分類基準為根據，以柱總支數20支為例，其結果如下：
依第5.1節RC柱損傷度分類基準中，並未規定柱全斷面或部份斷面裂縫，僅以裂縫寬度為判定根據，在上列表中1至5損傷柱數B之情形下，應為可以復建補強範圍？又如在同棟一樓或中間一層達到完全毀壞，而其他較高層均未受到輕微或嚴重損傷時，是否應以低層建築物為判定基準？在連棟式建築物應以連棟總柱數或各棟(戶)總柱數為基準判定？倘連棟式的柱牆與鄰棟戶共同使用，在相鄰一棟判定為完全毀壞，而相鄰一棟(戶)或二棟(戶)為輕微或中度損傷時，一旦判定完全毀壞一棟必須拆除柱墻，相鄰一棟(戶)或二棟(戶)將失去一面柱牆，是否可以復建補強？諸如前述情形在921地震時均曾發生，而造成評鑑判定爭議。再者、在第5.1節RC柱損傷分類基準中並未規範柱總斷面或部份斷面裂縫界限或柱斷面裂縫百分比，損傷判定結果與事實危險或安全是否構成差異？ 依5.3.4節雖列有「綜合建築物之災害程度應據沈陷程度、傾斜程度與結構體損傷比例三項中採取最大之災害程度，作為判定建築物之災害程度。」依拙文前述探討之情形，尚有待局部理清之處。 建築物主結構體包括基礎、柱、梁、樓版等，但在復建補強手冊中，對梁與樓版的損傷程度之判定並未著墨，惟在第8節中對梁與樓版之修復及補強列入多種修復補強工法，而對梁與樓版未做出損傷判定基準下，是否應加以補充規範？ 四、修復及補強材料 據技術手冊第7節所列修復及補強材料，依其用途分為三種類型：填補用材料：主要用於填充既有鋼筋混凝土構造物之裂縫或修補剝落之混凝土保護層。 2.黏結用材料：主要用於將原有鋼筋混凝土與補強外加受力構材間作一有效之黏結，以達成力量有效傳遞之目的。 3.主要受力用材料：係外加主要結構材料，著重於分擔原有鋼筋混凝土構造之力量，以達到結構補強目的。 五、填補用修復及補強材料 1.環氧樹脂系裂縫灌注材料須符合CNS10141「建築灌注補修用環氧樹脂」中之低黏度型，其主要性能要求如表7.1所示。
2.樹脂砂漿系修補材料分為(1)環氧樹脂系砂漿；(2)壓克力樹脂系砂漿等二種。 茲將前列樹脂材料與混凝土在工程應用上之主要性能加列如下表：
不含任何溶劑100％環氧樹脂，其粘著力強，施工簡單，硬化時之收縮度甚小，是一種優良的接著劑；但若使用胺類與有機酸無水物等之硬化劑者，其質容易變脆為其缺點，欲做為可撓性之環氧樹脂則需使用多硫化物、多元醯胺、高級烴屬二胺或高級烴屬氧化物做為硬化觸媒。由上列表中可看出在環氧樹脂或壓克力樹脂(聚  ─甲基丙烯酯)的拉力、壓力、彎曲與剪力等強度均大於混凝土，對修復補強後之弱點仍在混凝土之強度，如梁發生撓度時，可能由補強樹脂黏著劑與混凝土間之水平剪力破壞；由於環氧樹脂材料之伸長率較收縮率高，伸長後甚難恢復原狀。六、黏貼用修復及補強材料 依修復及補強技術手冊第7.3節：1.黏著外加貼片之環氧樹脂：基本上與裂縫灌注所採用之環氧樹脂同類型。採用場合可能發生高溫時，須採用特殊改良型之環氧樹脂黏結劑。 2.黏著植入鋼筋之化學膠結劑：用於外加之補強結構元件為新灌鋼筋混凝土。如乳膠注入型固結劑。 3.黏著植入螺栓專用之化學螺栓固結劑：用於外加之補強結構元件為鋼構元件(型鋼)。如化學藥管型固結劑。 在工程上常被採用之熱硬化性黏著劑之物理性質如下：
在前列的樹脂種類中，除應考慮其耐熱性及耐水性外，更應注意被黏著體為極性物質或無極性物質，而選擇與黏著劑同類者；凡在黏著劑分子中含有氧、氮、鹵素、硫等者為極性物質；只由碳和氫組成者為無極性物質。為了強固黏著效果，如被黏著物之混凝土或鋼材表面不乾淨或油垢或水份，甚至因混凝土水泥份量不足而起砂者極容易剝落。 對於植入鋼筋或螺栓之固結黏著劑除應考慮混凝土之固結黏著力外，更應思考結構體構材在植入鋼筋或螺栓前，因鑽孔而破壞或減少構材之混凝土強度。 七、主要受力用材料 依復建及補強技術手冊第7.4節說明如下： 所有新建之結構工程用材料，均可在修復及補強工程中採用，如型鋼、鋼板、鋼筋、預力鋼鍵、混凝土及纖維複合材料等。鋼材及混凝土已有充分之規範，不再贅述，僅對纖維複合材料作一概略說明。纖維複合材料(FRP)為高分子強化複合材料，主要由纖維(fiber)及膠結材(matrix)所組成。常用者有碳纖維複合材料(CFRP)及玻璃纖維複合材料(GFRP)。其特性比較如下表：
無論使用鋼材或纖維複合材料修復黏貼補強已如前述，其破壞弱點仍在混凝土之品質強度本身，若僅強調修復補強材料之性能優越性其意義不大。
八、修復及補強工法 依復建及補強技術手冊第8節對「修復」及「補強」兩種處理方式之定義如下：修復工法旨在維持結構物之現有強度，防止繼續劣化，主要係針對結構元件進行修復。 補強工法旨在能有效提高結構物之強度或韌性，主要係針對結構元件或整體結構系統進行補強。 依8.1節為結構構材(元件)修復工法，共有四種方法如下： 8.1.1裂縫灌注環氧樹脂法 (1)適用狀況：鋼筋混凝土梁、柱、板、牆等結構元件，發生寬度在0.3mm以上之結構性裂縫，可將環氧樹脂以壓力注入填滿裂縫，以修復受損之梁、柱、板、牆等結構元件，防止水分滲入造成鋼筋腐蝕。 在裂縫0.3mm以上，依第5節災害程度判定損傷分類基準是否包括輕度至嚴重破壞裂縫寬度超過2mm？若依樓版設計準則雙向版之厚度不得小於9cm或1/180版周總長度，倘裂縫侵入混凝土抗彎曲壓力面積或抗彎曲拉力鋼筋已達到或超過降伏點，或樓版之撓度已超過容許撓度時，僅以裂縫灌注環氧樹脂，在樓版厚度不足或超過容許撓度之情況下，顯為設計錯誤造成之裂縫。至於梁之深度小於容許深度或容許撓度1/360跨距造成裂縫時，應屬設計未遵循技術準則造成，諸如此類之裂縫欲以灌注環氧樹脂達到修復效果似有困難。 對於抗彎曲拉力鋼筋如已到達或超過降伏點時，灌注環氧樹脂後，因鋼筋已進入塑流現象，而自樹脂與混凝土接觸面兩側破壞龜裂之情形，同樣在柱構材亦可能發生。 8.1.2敲除鬆動混凝土再以樹脂砂漿修復工法 (1)適用時機：鋼筋混凝土結構元件中局部混凝土嚴重開裂或鬆動與整體元件已明顯不符鋼筋混凝土力學耐震能力者，可將嚴重開裂或鬆動部分敲除，再以樹脂砂漿修復結構元件。 環氧樹脂砂漿之物理性質如下：
(1)適用時機：鋼筋混凝土元件嚴重開裂或鬆動部分所佔比例過大，無法以樹脂砂漿填補時。 依本節施工法說明為先敲除嚴重受損或鬆動之混凝土並清潔舊有混凝土表面，組模後在舊有混凝土面先以水泥漿潤濕表面，再澆置新拌混凝土並注意養護；在注意事項中並列應注意施工期間之結構安全性加設臨時支撐。 據此工法，倘以柱之嚴重受損或鬆動情似應先判斷混凝土未受損或鬆動之範圍，其方法可以先在柱之四面噴灑清水使大小裂縫現形；對於未受損混凝土部份亦應依ASTMC42-87有關鑽心取樣試驗規定現場取樣，以確定其混凝土強度，如混凝土強度偏離原設計強度太低，僅做局部修復補強，而留存破壞弱點則意義不大；況在局部修復後新澆鑄混凝土與舊混凝土間接觸面，因混凝土乾縮及潛變將產生上下二道新裂縫；再者，如縱向與圍束鋼筋量不足時亦應增加鋼筋補強；對於安全臨時支撐點之位置亦應以不影響施工原則盡量靠近原柱，以避免梁之受力情形變動過大或因上部柱之集中載重造成梁之剪力破壞。 (1)適用時機：鋼筋混凝土結構物因氯離子含量偏高(俗稱海砂屋)而產生腐蝕問題，可採用陰極防蝕工法以抑制鋼筋之腐蝕。但若鋼筋是因混凝土中性化而腐蝕，則陰極防蝕工法的可行性尚待評估。一般而言，陰極防蝕工法可適用於地面上、下及水面上下的結構。 (2)施工法：施工法可分為外加電流法及犧牲陽極法，一般在地上的結構物由於混凝土比電阻較高，大部份採用外加電流法。外加電流法的施工程序分述如下：系統設計-混凝土表面處理及修復-電極安裝-負極系統安裝-陽極系統安裝-監偵測系統安裝-試驗-維護使用。犧牲陽極法的施工較外加電流法為簡單，但供電能力受混凝土比電阻限制，為其最大缺點。 (3)注意事項： ．運用陰極防蝕工法於預力結構上時，必須考量電流過大時預力金屬可能產生的氣脆問題。 ．運用陰極防蝕工法於預力結構中，必須注意套管可能會隔離電流導致預力鋼鍵無法接受到保護電流。 ．運用陰極防蝕工法時應注意與結構補強工法之間的相容性，一般而言，在以樹脂砂漿作結構修復補強時，因樹脂砂漿會使混凝土比電阻提高，可能造成陰極防蝕工法失效，應特別注意。 本節針對氯離子含量偏高之海砂屋抑制鋼筋腐蝕之工法，其可行性尚待評估；筆者於1970年在美國停留期間雖收集此一工法對鋼類基椿防蝕資料，惟迄今世界先進國家採用者若干？並無文獻可資參考成功實例；且本工法係因施工不當造成，與地震災害造成之破壞毫無瓜葛，列入地震震害修復補強工法是否適宜？ <未完待續>
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(弧度)
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[中度破壞] 
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與
，依下式計算而得。
(i表示損傷度Ⅰ∼Ⅴ)之值或
之值，依下列D值判定災害程度。
。
之值為基數，依下列公式計算
酸二丙烯酯樹脂等。人造衛星和火箭等的外筒則需用強韌的無機纖維的威斯卡，其比重為3.97，拉力強度為210,000kg/cm2，彈性率為70∼150×105kg/cm2。碳纖維則是以結晶構造極佳的丙烯纖維碳化而成，其比重為1.85，拉力強度在20,000kg/cm2以上，彈性率為20×105kg/cm2，伸長率為1.4∼2.0％。有機纖維以紙、棉布、麻等天然纖維為酚樹脂或三聚氰胺樹脂的積層材料組合而成，強韌性不大。
