- 封面故事
- 2019年
- 592期－高樓．映像（4月號）
文章專區
2019-04-01與地牛翻身的對抗賽
592 期
Author 作者
洪崇展／成功大學土木工程學系教授。胡福堯2017年於成大土木工程學系取得碩士學位，目前任職於土木工程相關單位。顏誠皜2018年於成大土木工程學系取得碩士學位，目前任職於土木工程相關單位。
大地震往往會造成嚴重的災害，而災害可區分為直接性與間接性。直接災害包含山崩、地陷、岩層液化、海嘯與地面斷裂；間接性災害則因地震，造成管線破裂、火災與水庫壩體遭受破壞而引發的洪災等，在強烈地表振動下，使建築物毀損、橋梁斷裂與道路坍方也屬此類。另外，當斷層產生錯動時，若建築物正好跨越斷層帶會受到強烈的拉扯作用，造成嚴重的扭曲或斷裂，建築物倒塌或受損的風險提高。臺灣處於地震帶，大小地震不斷，因此建築在抗震議題格外重要。
地震對建築物的反應—— 搖晃程度取決於週期與阻尼
週期是建築物的重要特徵，如同物體受外力會產生規律的反覆運動，建築物本身亦存在自然振動模式，而來回運動一次所需要的時間稱為自然振動週期。不同的建築物有不同的週期，工程師可藉由建築物週期大小推算地震來臨時，房屋受到的地震衝擊力。影響週期的要素則有結構設計、營建材料及樓高等。
一般建築結構，越寬矮的建築物週期越小，反之週期越大。規則型樓房的自然振動週期，約為樓層數 1∕10，如10層樓高的建築，自然振動週期約為1秒。但地震並不會只以單一的週期發生，而是許多不同頻率組合的寬頻運動，至於每種頻率含量比重，每次地震皆不相同，但會存在主要的振動頻率。若是地震的主要振 動週期接近1秒，則對10 層樓高的建築物產生共振效應，可能會有較大程度的搖晃，而對20 層的大樓，搖晃程度則可能較小。
結構系統受外力作用下，為保持其慣性，系統會產生相應力量阻止運動，此現象稱之為阻尼（damping）。 一般而言，阻尼的力量方向會與運動方向相反，力量大小則與物體運動的速度成正相關，但不一定是正比。在地震作用下，藉由梁、柱、牆、樓板及非結構元件，利用本身反覆的彈塑性變形，抵銷地震能量，這種房屋本身的基本消能機制稱為結構物的固有阻尼。利用阻尼比，可描述結構系統在受到擾動後振盪及衰減的情形，阻尼比越高，即建築物可消散能量多，結構地震反應小。
建築結構物抵抗外力的機制—— 建築結構物的類型
臺灣常見的建築結構分別為鋼筋混凝土結構、鋼結構及鋼骨鋼筋混凝土結構。
鋼筋混凝土結構為利用鋼筋與混凝土為材料，建構梁、柱、版與牆的 建築結構，臺灣的建築物約有90％ 以上屬於此類，其抗震機制為鋼筋與核心混凝土消化地震能量。鋼筋混凝土建築是最傳統也是業界施工技術最純熟的工法。因其混凝土佔較大比例，剛性較大，地震來襲時之搖晃位移量較小，故屬較剛硬的結構性質。
鋼結構的主體為鋼骨，多為辦公大樓。施工過程是將鋼鐵廠預先鑄造完成的型鋼運送至工地現場，再以螺栓與焊接等方式接合。鋼材的強度相對重量的比值大、韌性佳，建築相對輕盈，適合建造高樓或超高樓建築。但也因結構輕盈，且阻尼相對鋼筋混凝土構造較小，遭遇強風時容易搖晃，位於高樓的人易感不適。
為了兼顧高樓的耐震與舒適性，結合鋼筋混凝土與鋼骨建材，梁柱中間以鋼骨支撐，兼具純鋼骨與鋼筋混凝土的優點，屬於鋼骨鋼筋混凝土建築。然而，其設計與施工上較 另外2 種構造更為複雜，技術層面 較高，品管要求需更嚴謹。
一般的建築物適合採用鋼筋混凝土結構，但超高層建築則採用鋼骨鋼筋混凝土或鋼結構，因鋼骨材料強度高，總體鋼材斷面積大，可減少梁柱斷面尺寸大小，增加整體內部使用空間。然而，若採用此混凝土材料做設計時，其結構斷面尺寸可與鋼骨鋼筋混凝土結構並駕齊驅。無論如何，建築結構物都需面臨地震作用下的抗震議題，依據現行耐震設計規範是以「小震不壞、中震可修、大震不倒」為基本原則，只要依據此規範設計，並且具有良好 的施工品質下，3種結構皆能具有相 同的耐震能力。
如何增加結構物的耐震能力
一般人認為現行耐震設計規範所設計的建築物，在受到地震侵襲下需完全無損傷，才為良好的耐震設計，若有發生損傷，則是因設計或施工上不良所導致。然而，這是錯誤的觀念，若要求建築物遭遇大地震毫無損傷，會造成建築經費與材料的浪費，亦因梁柱斷面增加，將減少建築實際利用空間。地震發生時，現行耐震規範下，建築物的耐震能 力為震度5的中地震時，每層樓間變位角控制在1∕200以下，結構體只受到輕微損傷；震度6 的大地震時，每層樓間變位可容許為中地震的2倍以上，但建築物不可倒塌的設計原則。
提升建物之抗震能力，可分為「內－改善建物體質」與「外－攜帶耐震機具」，使建築物在遭受到強烈地震侵襲時，增加結構安全性並減低建築物的劇烈晃動。
內－改善建物體質 新型高強度鋼筋混凝土結構系統
目前常見的鋼筋混凝土建築物，鋼筋 強度約280~420百萬帕斯卡（MPa）、混凝土強度約為28~56 MPa。依據現行鋼筋混凝土設計規範，可興建約30樓層高的建築物，但在重力與垂直地震力作用下，高樓層建築的低樓層柱構件需承受相當大的力量而採用較大的柱斷面，影響建築物低樓層的使用空間。因此，臺灣目前積極研發新型高強度鋼筋混凝土結構系統，可在不增加結構構件尺寸的條件下，使鋼筋混凝土結構更有效地高層化。高強度鋼筋混 凝土的鋼筋強度提升至685~785 MPa，混凝土強度亦提升於70~100 MPa，鋼筋強度約能提升1.7 倍， 混凝土約提升1.8~2.5倍。
建築物在搭配高強度材料建造時，施工品質對安全影響較大，需具有更嚴謹的施工要求。舉例而言，日本普遍流行施工條件佳、先進快速的預鑄工法。......【更多內容請閱讀科學月刊第592期】