現代營建446---建築物耐震補強方法及施工技術

隨著頻繁的地震與耐震規範的精進，民國86年以前興建之建築物，其耐震能力大部分不足，必須作適度之提升或補強改善。

提升建築物耐震能力的方法包括「減重工法」、「調整系統 ... 建築物耐震補強方法及施工技術 □陳純森／結構技師土木技師成功大學建築研究所副教授專家 摘要         去年0206美濃地震的災害突顯了國內既有建築物結構檢查與補強的急迫性，政府相關單位陸續推出建築物之耐震能力檢查與補強方案，建築物之耐震能力如果不足時，究應如何改善或加強，其相關技術與應該注意事項又是如何，均值得探討。

一般構造物設計之使用年限約為50年，惟如維護保養妥善可以維持百年以上。

隨著頻繁的地震與耐震規範的精進，民國86年以前興建之建築物，其耐震能力大部分不足，必須作適度之提升或補強改善。

提升建築物耐震能力的方法包括「減重工法」、「調整系統工法」、「構材補強工法」、「減震工法」與「隔震工法」等五種。

一、減重工法         有許多中小學校舍之耐震能力明顯不足，惟鑑於學校受到少子化影響，招生人數逐年顯著減少，教室供過於求，為提升校舍之耐震能力，最有效之方法為減重工法。

因為於地震發生時，建築物所承擔之地震力，與建築物自身之重量成正比，如能減輕建築物之重量，確實是提升耐震能力最有效的方法，可將校舍拆掉一樓層甚或兩樓層均可達到提升耐震能力之功效。

二、調整系統工法         包括調整剛心位置與加強建築物剛度之豎向牆體、鋼斜撐、廊外增柱與封高窗等工法。

(一)調整剛心位置         增設剪力牆或鋼斜撐，或調整其位置之工法，可有效防止建築物之扭轉與側向變形，對耐震能力之提升大有幫助，惟兩者都必須植筋於既有之混凝土構造內部，如圖1與圖2。

施工時，剪力牆頂應設置喇叭槽之模版，方便梁底之混凝土澆注，立向植筋垂直度之管控為重點，鑽孔時為了閃躲構材內之既有鋼筋，許多植筋孔之偏斜度都超過規範之1:6容許斜度，降低補強效果，如照片1。

外牆增設剪力牆之缺點為減少室內之採光與通風效果。

剪力牆之整體綁筋如照片2。

(二)增設廊外柱或廊外牆         係於建築物之走廊外側增設柱梁框架之工法，不至於變更室內之既有配置，但有時必須敲除走廊之樓板與懸臂梁，如圖3與照片3。

(三)封高窗與消弭短柱工法         許多建築物之地下室，為了有效採光與通風，都設有高窗，造成短柱之耐震能力不足，如照片4為高窗短柱受到地震力剪斷之情形。

封高窗的工法可採用封閉部分之窗戶，尚能維持原建築物之採光與通風，圖4為封高窗工法，照片5則為封高窗之綁筋情形。

(四)短柱之消弭         至於地上層結構，於設有窗台之牆體亦會造成短柱現象，地震時會增加短柱之彎矩與剪力，致短柱提早破壞，消弭短柱之工法可採用隔離縫、補強短柱或封牆，如圖5與圖6。

(五)維持豎向牆體連貫         建築物各樓層之牆體宜上下層連貫，如果僅有上層具備剛性之牆體，其相對位置之下層未設牆體，勢必造成「軟腳蝦」系統，不利建築物之耐震功能，改善之方法可在下層相對位置設置勁度相同之牆體，或將上層改為輕質牆，除可減輕建築物之重量外，亦可降低其上層之剛度，減少軟腳蝦行為。

三、構材補強工法         補強工法係加強建築物之構材強度以抵抗地震侵襲之方法。

包括牆體增厚、外貼斜撐、更換牆體、增設翼牆、擴柱、碳纖圍束與鋼板包覆等工法。

         (一)牆體增厚或外貼斜撐         牆體增厚與外貼斜撐都是增加建築物牆體之強度，可提高建築物之抗剪能力，而且不影響建築物既有之配置，如圖7。

(二)更換牆體         建築物之牆體如有輕隔間或磚牆，於必要時可將材質更換為強度較高之鋼筋混凝土牆或鋼支撐，即可提高建築物之耐震能力，如圖8係將既有磚牆改為鋼筋混凝土牆。

(三)增設翼牆         增設翼牆之工法係在既有柱子兩側增設窄牆，本工法會縮小既有門窗之寬度，對採光與通風影響輕微，如圖9。

照片6為翼牆各種綁紮鋼筋之情形，豎向鋼筋之垂直度不甚良好。

於重作窗戶時必須確實固定，照片7之固定片太稀疏。

(四)擴柱工法         擴柱工法必須局部敲除既有樓版，方能使柱子上下層連貫，但擴柱工法會影響走廊寬度與室內使用空間。

示意如圖10，為業界常用之補強工法。

柱頂與柱底之綁筋如照片8與照片9。

(五)鋼板補強         鋼板補強柱子時，除可提高混凝土之抗壓強度外，鋼板本身亦可貢獻強度；包覆於梁構材時，必須藉化學錨栓或拉桿固定，鋼板之鑽孔放樣為其重點，必須事先掃描既有構造之內部鋼筋，以避免植筋之干擾，補強之示意圖如圖11。

本工法須在鋼板與混凝土間灌注樹脂粘結，灌注後應檢查是否有空心之情形。

四、減震之工法         鑒於地震之震度大小瞬息萬變，並無明確之最高限，而建築物之「耐震設計規範」所訂定之耐震能力卻僅有一定之標準，如按照耐震規範補強建築物之耐震能力，仍無法抵抗超高標之地震侵襲，因此部分之建築物捨棄耐震設計之模式，而改採「減震設計」以減少地震侵襲之能量，在建築物之內部構造裝設可緩衝建物搖晃之設施，如「阻尼」(damper)等，阻尼器又稱「減震器」或「消能器」，此等工法在日本業界稱為「制震工法」，乃坊間所謂「制震壁」之由來。

對於低矮建築或剛性建築物，減震器之效果並不顯著。

減震器包括位移型與速度型兩種，前者以結構建材為主，後者則附加化學材料如可壓縮矽膠等。

(一)液壓阻尼         液壓阻尼之構造與裝設分別如圖12與圖13，可承受軸向之緩衝壓縮，於裝設後可減緩建物之側向變形，有如消能之功用，故又稱消能器。

其安裝工法簡單，可設置於室外，施工時較無噪音也不影響建築物之使用，如照片10，其支承之固定則如照片11。

惟許多室外阻尼的設置都有偏心行為，會降低其減震功效。

(二)牆體阻尼(制震壁)         以牆體之變形阻礙作為地震消能之功用，部分制震壁在鋼板間添加黏滯性材料，以提升其阻礙效果。

粘彈性之制震壁構造如圖14所示。

(三)其餘阻尼         圖15與圖16分別為鋼料摩擦消能器、鋼料降伏阻尼等之構造示意圖。

照片12則為鋼料降伏制震壁之裝設情形。

五、隔震工法         有些特殊建築物，如醫院手術房或高級精密儀器裝配廠，即使是輕微地震的搖晃都會妨礙其正常作業，事業主有時會採用「隔震工法」，設法將地震與建物徹底隔絕，不受地震之干擾，日本的業界稱為「免震」。

其作法乃將建築物與地表之間設置隔震橡膠墊，或單擺支承，藉著橡膠之彈性特性以吸收地震作用之能量。

隔震措施必須確實驗證其功能與施工品質，如果疏於驗證與維護保養，或工法簡陋，結構材料又隨意折減，將陷建築物於更高風險狀態。

照片13與照片14分別為橡膠隔震墊之裝設，與建物之防撞隔離坑道。

六、常用之補強與減震工法之注意事項 (一)一般補強工法         建築物之耐震評估、補強設計與監造工作應委請專業結構技師辦理，其設計作品或評估成果亦應委請專業委員或團體審查，施工階段宜組成專業之督導小組協助工程之督導。

        施工前應先保護既有設施、設備、管路或樹木植栽等，拆除既有構造應採用低噪音、少振動之工法，如有切割作業應保持切割面之整齊劃一，修補之裝飾材儘量與既有面材一致或互相搭配。

施工中之假設工事必須確實施作，照片15至照片18均不符規定。

        施工廠商於施工前應繪製施工大樣圖送交監造單位確實審查，任何鋼料之鑽孔、植筋之鑽孔、鋼筋彎鉤之綁紮，均與既有構造息息相關，必須事前確實調查評估，避免施工中之干擾或牴觸。

一般箍筋或繫筋於90o或135o彎鉤時，彎鉤之直線長度為6倍之直徑，#3與#4之繫筋彎鉤長度分別應為6cm與7.8cm，許多補強案例，常有角隅繫筋牴觸既有混凝土，以至於彎鉤長度不足之現象，如照片19。

至於混凝土之澆注則應控制粒料大小與適當之坍度。

封模時除非經過仔細結構計算，否則必須採用四層模，照片20僅用兩層模，容易爆模或浮凸，不符規定。

        構材加強工法於植筋之前必須事先拉拔試驗，其拉拔試驗強度應高於設計強度1.25倍以上，施工中仍須再取樣抽驗，其取樣頻率由設計者訂定。

照片21為植筋強度之驗證。

如果既有混凝土強度低於植筋之標準強度時，植筋深度必須更深，且所有植筋膏均應灌滿孔穴。

        幾乎補強工程均須更換門窗，其耐風、防雨、固定方式與嵌縫等，均應謹慎評估。

近期之颱風風速經常超過17級風，如照片22之大扇門窗是否經得起風壓之考驗，應確實驗證。

(二)減震設計之技術審查         減震阻尼是一種特殊之建材或設備，其主要功能在延遲建物受震後之變位，對於剛性建築或位移較小之低矮層建築，其減震效果與功能較不顯著。

故設計者必須具備特殊之專業技術與豐富經驗，建築物耐震設計規範特別規定，除設計者必須確實具備阻尼之專業技術外，設計之審查與相關試驗計畫應由另一獨立之工程審查小組辦理，審查之內容至少須包括下列項目：         1.地表運動狀況         2.阻尼測試之要求         3.阻尼設計參數之確定與製作品質之保證         4.計畫性維護與監測要求         5.線性或非線性分析         6.耐震系統與消能系統之初步與定案審查 (三)減震阻尼之驗證         阻尼之試驗，包括「實體試驗」與「性能保證試驗」兩種。

實體試驗須在設計完成尚未生產製造前辦理，目的在確認阻尼之受力與變形之關係及阻尼值等參數，且試驗結果必須經專業技師審查通過。

各類型與各尺寸之阻尼須各取兩個全尺寸之實體試驗，不得採用縮尺樣品。

若有相似尺寸且相同材料、相同內部構件與靜動態內壓，及相同組裝過程與製造品質控制程序，且已有實驗室測試通過者，可不需辦理實體試驗，惟須提供下述文件資料：         1.相關測試數據及合格證明         2.製造者須向專業技師證實已測試之相似性         3.規範已認可之測試數據         性能保證測試係在阻尼器已經製造完成後，由設計專業技師按各類型阻尼器特性，訂定抽樣比例及內容，以確保生產之品質管控符合設計需求，例如力-速度-位移之特殊性等，才能安裝在建築物之上。

        部分阻尼器涉及專利之技術問題，公有工程之設計案宜留意有無綁標之爭議。

阻尼在工廠製造時監造單位應駐廠監工，以監督製造工廠製造過程，是否與試驗樣品之製程屬相同之品質管制。

阻尼之材料以鋼料為主，必須考慮防火時效的問題。

七、結論         建築物於耐震補強之後，仍需長期觀測保養。

如設置減震阻尼，設計者應提供必要之維護保養手冊，供使用單位日後定期檢查與保養，必要時請專業技術廠商作適當之維護或整修，方有減震效果。

參考文獻 1.夜流阻尼防震技術之研發，徐德修，2002年。

2.三角形鋼板消能器之理論實驗與應用，蔡克銓，結構工程，民國82年12月。

3.工程事件之鑑識預防與法務，陳純森，科技圖書公司，2015年11月。

4.鋼筋混凝土工程實務，陳純森，科技圖書公司，2006年11月。

5.鋼結構工程實務，陳純森，科技圖書公司，2012年3月。

6.建築物修繕與補強工法講義，陳純森，法務部工程查核組，2016年1月。