鋼筋混凝土結構繫鈑柱

梁抗震補強工法之設計與施工
(一)


☆ 林瑞棋

一、前言

         鋼筋混凝土構造物係以鋼筋與混凝土二種物理性質迴異之個別材料結合而成,以此二種材料結合為土木、建築等工程構造物之構材,主要在擷取鋼筋抗拉力與混凝土抗壓力之優點,以構成構造物抵禦垂直靜載重、活載重與地震力、衝擊力、風壓力及風吸力等之外力作用;為達成鋼筋混凝土構造物足以抵禦外力作用,在結構設計分析時,必須依據「鋼筋混凝土設計理論」與「鋼筋混凝土設設標準規範」之限制,凡未遵循設計理論與標準規範,或疏忽所造成構造物之破壞或倒塌,其責任應歸屬設計人;在施工階段,施工者倘不遵循設計圖說規定「材料標準規範」與「施工標準規範」施工,並接受監造人之糾正改善者,所造成構造物之破壞或倒塌,其責任應歸屬施工者;若施工者均能依設計圖說在監造人督導指揮下施工,所造成構造物之破壞或倒塌,其責任應歸屬監造人;監造人除監督指導施工外,並應於施工前發現設計圖說錯誤,告知設計人更正或變更設計,其所造成施工或成本與工期之增減,設計人應予起造人及承造人共同協商解決。
         在建築物破壞或倒塌時,應徹底釐清起造人、設計人、承造仁與監造人間之權利義務與責任界限,方能在發生災害後,研判責任歸屬與損害賠償問題;歷來,在台灣發生地震、風颱、土砂流時,將造成災害一味歸於人力不可抗拒之「天災」,而放縱真正造成災害關係人之「人禍」,其對消費者而言,是一絕對不公平的。
         對於毀損壞之建築物,經詳細鑑定分析設計,確認可以修復補強者,應准予修復補強使用,以減輕受害人之經濟負擔,是拙文唯一標的。

二、鋼筋混凝土構造物震害鑑定標準

悖逆設計理論與規範
         鋼筋混凝土結構設計分析方法之基本理論分為:
         1.彈性理論設計:即容許應力或工作應力設計。
         2.非彈性理論設計;即極限強度設計或強度設計;
         非彈性理論又分為「塑性鉸理論」與「屈服線理論」二支流。
         彈性理論與非彈性理論二種設計方法,均被應用於鋼筋混凝土構造物之設計;容許應力彈性理論設計應用於土木、建築工程,迄今約為70年,極限強度非彈性理論設計約為30年,然而,鋼構造(SS)或型鋼鋼筋混凝土構造(SRC)或鋼筋混凝土構造(RC),在較保守之美國鐵路工程協會(AREA)等,則仍沿用容許應力彈性理論設計;另一種設計方法為變形界限之臨界載重設計,但較少被採用。
         鋼筋混凝土設計理論,因基於分析計算需要,或以假定,或以實驗數據而獲得,以致理論與實際尚存在若干差異,而可能導致在設計分析計算上造成安全上之缺陷或瑕疵,為彌補該等差異或缺陷,乃以往昔累積經驗去蕪存菁列為設計分析必須遵循之「設計規範」,供為設計分析時之制約,以避免結構設計完全依理論分析計算時,造成構造物在建造完成使用後,在外力作用下構成變形、破壞、甚至倒塌,而影響安全保障,故結構設計者除應熟諳設計理論外,更應嚴格遵循設計規範之拘束,方能促成結構設計趨向盡善盡美境界。
         鋼筋混凝土構造物之嚴重變形,崩潰或倒塌,是一無法修復補強的不幸事實;構造物構成之梁、柱、版等構材個別破裂損傷之修復補強,亦是一非常無奈的事後補救措施,其修復補強方法、現場勘查鑑定、設計分析等技術之困難度應超過一般新建構造物之設計分析計算。
         對於構造物造成個別構材破裂損傷者,應依循「設計規範」規定逐項加以檢查勘測,如版、梁構材之最小厚度或深度、最大撓度、最少鋼筋量與破裂深度等做為初步研判依據,倘檢查勘測結果發現未符合設計規範規定,則可瞭解造成破裂損傷之原因為「設計錯誤」;若檢查勘測結果符合設計規範規定時,則須進一步就破裂損傷部位附近敲除水泥砂漿粉飾厚度,先以混凝土抗壓強度彈性錘測試混凝土抗壓強度參考數據,做為混凝土鑽心取樣試驗抗壓強度數值;同時選擇構材受力最少部位之鋼筋取樣做鋼筋拉力強度試驗,以研判使用鋼筋材料是否符合「材料標準規範或設計規範」;依據前述混凝土與鋼筋試驗強度,除可做為修復補強設計分析計算數據外,亦可研判造成構材破裂損傷係出於監造人未嚴格執行督導施工或覆核設計圖說之錯誤,或放任承造人偷工減料所造成。
         依據前述檢查勘測混凝土與鋼筋試驗實際強度、鋼筋數量及構材破裂損傷深度等,均符合材料、設計、施工標準規範允許內之構材破裂損傷,應為值得修復、修復補強;對於因政府改變建築執行命令提高抗震強度前,完全未遭受破壞之構造物,僅為配合建築執行命令,使構造物之抗震強度符合新政令者,則須做補強措施,或以現成構造物檢查勘測事實,核算其抗震強度是否符合新政令之抗震強度,經核算後,如有不符合新政令時,始須補強。
         1999年9月21日發生集集大地震後,內政部於同年12月29日修正「建築技術規則建築構造篇耐震設計規範與解說」,提高台灣各地地震分區抗震分區抗震區別,如震害最嚴重之南投縣自中度地震地區改列強烈地震地區,但在集集大地震災區內,未受到震害之毫無破裂損傷的建築物是否應加補強,則深具爭議性存在;此一情形,在日本亦有類似爭議,該爭議應出於建築執行命令未界限重建或新建建築物,或包含未受到震害建築物?
         對於檢查勘測結果,如樓版雙向版之厚度小於90mm或延版四周總長度之1/180時,所造成之破裂損傷;樓房傾斜後之重心與形心構成力隅大於樓房傾倒力矩時,所造成之傾斜;連續梁之深度小於1/26跨度,且在無活載重下,其撓度超過1/360跨度時,所造成之破裂損傷是否值得修復補強;地下室建造在軟弱土層之連續壁厚度小於0.07開挖深度或建造在一般堅實土層少於0.05開挖深度時,所造成之破壞是否值得修復補強等,均有疑問?若以樓房傾斜度為例:依美國ACI 347規定:現場澆鑄混凝土建築物,垂直定位為(a)全高小於或等於30m之線條、面、及稜線不得大於26m,(b)全高大於30m之線條、面、及稜線不得大於全高之1/1000,並不得大於152mm,(c)自基礎側面及頂面相對於圖說指定平面之斜度,每3m不大於26mm。若据台灣建築物之鑑定標準規定:建築物之傾斜度小於或等於1/200全高為不嚴重,小於1/200或等於1/150全高為使用不方便,小於1/150或等於1/100為危險但可扶正;依此一規定,如建築物全高為50m時,其水平偏移25cm為不嚴重,水平偏移達34cm始為使用不方便,水平偏移達50cm始為危險,但可扶正;再假設樓層寬度為20m時,則樓版兩端之高低差已達10cm為不嚴重,高低差已達14cm始為使用不方便,高低差已達20cm始為危險;但就相對基礎而言、沉陷或懸浮10cm為不嚴重;沉陷或懸浮14cm始為使用不方便,達21cm始為危險;但對建築物偏移重心後,可能造成之傾倒力矩逐漸增加,將導致土壤承載力之增加,是否將構成安全上之威脅?按該鑑定標準,因建築主管機關迄未建立建築物竣工圖必須詳列傾斜度管制,故該鑑定標準應無法反應造成構造物之真實傾斜度;其他如版、梁、柱等構材之破裂損傷,係以破裂縫之寬度為鑑定安全標準,而忽視破裂縫深度,該鑑定標準顯然已悖逆設計理論與規範制約。

三、鋼筋混凝土構造物之破裂損傷應依設計理論與規範規定鑑定

         鋼筋混凝土構造物主要使用材料為鋼筋與混凝土,其個別材料材質、性能、強度等要求應符合其個別「材料標準規範」,並應詳細標註於設計圖上,俾可供為施工時遵循採購,抽樣試驗、方足於事前預防採購材料造成未符合設計要求問題,並避免造成構造物在建築完成後成為有缺陷之潛在危險建築物。
         鋼筋混凝土建築物之結構設計,其設計樓層數至少應依表一所列混凝土設計強度fc'與鋼筋種類、降伏點fy、抗拉強度fpu,較為符合設計與經濟原則,如設計圖說標註混凝土設計強度fc及鋼筋種類與表一不同時,仍應採用設計圖說標註標準;表一中所定混凝土設計強度fc'係以試體之28天齡抗壓強度為準。
         鋼筋混凝土建築物之施工應依ACI 347標準之垂直載重、混凝土側壓力規定設計模型(Form work),模型完成混凝土澆鑄後、其修飾與修補外露面之容許誤差如表二:
表二 混凝土外露面修飾與修補之容許誤差

四、鋼筋混凝土建築物梁與柱構材在外力作用下所受之應力

         建築物結構體中之主要構材為基礎、柱、梁、樓版、剪力牆;樓梯、承重牆或隔間牆為次要構材;主要構材一旦受到破壞,但未傾斜、變形崩潰或倒塌時,應可以鋼筋混凝土設計理論,依個別構材破裂損傷程度,如梁、柱等破裂深度,或爆裂殘存有效斷面,與實際使用鋼筋斷面積等為數據,以分析計算受害構材在破壞前鋼筋與混凝土個別實際抵禦外力強度;再依據勘查,鑑定構材遭受破壞裂縫深度或爆裂或破碎等情況,分析計算出遭受破壞後鋼筋與混凝土個別殘存實際抵禦外力強度;然後以遭受破壞前實際抵禦外力強度減去遭受破壞後殘存實際抵禦外力強度,計算遭受破壞之減損強度,做為分析計算鋼筋增加之拉應力或增加壓應力,與混凝土增加之壓應力,以決定修復或修復補強鋼材需要斷面積,選擇抗彎曲拉力、抗彎曲壓力、抗扭曲力或抗剪力等個別主要肢材元件與次要肢材元件,做為修復補強梁、或柱、或版之材料,使該個別構材恢復至破壞前之抵禦外力強度。
         另一種鋼筋混凝土構造物在遭受強烈地震後,並未受到任何破壞,但因政府新頒佈建築法令提高抗震強度,而必須補強以符合新建築法令者;其分析計算方法則須依據構造物之現狀,如梁之跨距,斷面尺寸、與柱之高度,斷面尺寸等之平面與立面佈置,以新頒佈建築法令提高抗震強度前與後,個別設計分析構造物之梁、柱、版等之抗彎曲力矩、抗剪力、抗扭力等,然後以建築法令提高後之梁、柱、版等抵禦外力強度減去建築法令頒佈前之梁、柱、版等抵禦外力強度,做為分析計算需要增加補強梁、柱、版等鋼材之主要肢材與次要肢材個別補強需要斷面積,以選擇抗彎曲拉力、抗彎曲壓力、抗扭力或抗剪力等個別主要肢材元件與次要肢材元件,以決定構造物補強材料加以補強;因此種鋼筋混凝土構造物之梁、柱、版等之斷面尺寸均已固定,但因新舊澆鑄混凝土無法凝結成為一體,致補強時僅能以鋼材為補強材料。
         前述修復與修復補強、或補強方法等,以使用鋼鈑與角鋼等做為修復補強或補強材料,且應以焊接為宜,故選用鋼材時,應選用CNS S(XX)CI(W)或ASTM A36、A242、A441、A572、A570等鋼材;以此一方法修復、修復補強、或補強,其分析計算雖然十分繁雜,但可達到真正有效修復補強,或補強效果外,並不致改變梁與柱連接點勁度分配,而保持原設計結構系統作用力之傳遞為其優點(智慧財產局發明專利16402號)之一,簡稱「SRCS工法」。
         此一工法對於三、四層之地下室或停車場遭受地震力破壞結構體時,亦可經詳細檢查鑑定分析設計,採用繫鈑梁與柱包裹已受破壞RC梁與柱做為水平支撐及中間,然後,依計畫順序補強或敲除已破壞RC梁、柱與樓版之混凝土,再組立模板於繫鈑梁與柱外,並澆鑄新混凝土,使繫鈑梁與柱與混凝土結合成一繫鈑構架混凝土結構;對連續壁因厚度不足而破裂者,可先加止漏後,以繫鈑斜支撐或支柱補強後,組立模板,並澆鑄混凝土加以補強,而克服地下室遭受震害之重建或改建難題。

<未完待續>