洪崇展∕成功大學土木工程學系教授，研究新型混凝土材料與結構，發展有效結構修復與補強方法，提升災害下之安全。

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（圖一），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。

 

▲圖一：近斷層效應。圖片來源／國家地震工程研究中心

 

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（圖二）。

 

▲圖二：不同建築結構物的類型之外觀，鋼筋混凝土結構（左）；鋼結構（中）；鋼骨鋼筋混凝土結構（右）。圖片來源／國家地震工程研究中心

 

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^註一控制在 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（圖三）。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。預先在工廠生產品質穩定的結構構件，再運至現場組裝，取代傳統現場組模、綁紮鋼筋與澆置混凝土，利用標準化及模組化的生產流程，提升預鑄構件與建築物品質。

 

▲圖三：新型高強度鋼筋混凝土材料強度應用範圍。圖片來源／國家地震工程研究中心

 

剪力牆

剪力牆又稱為結構牆或抗震壁，一般常用於高層樓建築結構，最主要是承受水平力量與抗震的牆體，大部分採用鋼筋混凝土結構，設置於建築外牆和內牆隔牆，如電梯間或樓梯間的間隔牆。剪力牆同時也能承受垂直力。其內部的力量可大幅提升水平剪力的承載能力，具體來說，剪力牆可使抗震能力大幅提升並吸收地震能量，減少結構遭受破壞的可能性。地震主要的影響是對建築結構的橫向毀壞，剪力牆的重要性不言而喻，因此建築物中的牆體勿任意拆除，一定要徵詢專業技師的意見。此外，牆體相較柱子的斷面大上許多，不但可分擔建築物的垂直力，亦可承擔 70～80％ 的水平力，減少柱子承受的水平與垂直力，設置剪力牆則無形中可以減小柱子的尺寸。

 

超級混凝土材料——超高性能纖維混凝土

超高性能纖維混凝土（ultra high performance fiber reinforced concrete, UHPFRC）為目前受國際相當矚目的新型營建材料，其與傳統混凝土不同之處在於翻轉傳統混凝土抗拉與抗裂能力不佳的缺失（圖四），藉由添加 1～3％ 體積比的短纖維，使其延展性佳，超過普通混凝土 100 倍，具有優良的裂縫抑制能力，這樣優良的拉力特性（圖五），顛覆教科書中混凝土材料脆性的定義。

 

▲圖四：不同混凝土之應力應變行為，拉應力應變行為（左）；壓應力應變行為（右）。圖片來源／國家地震工程研究中心

 

▲圖五：超高性能纖維混凝土彎曲變形能力。圖片來源／作者

 

美日有許多超高性能纖維混凝土應用於建築抗震系統的案例，可提升整體建物的抗震消能能力，並避免或減少強震後所需之維修。該材料不僅可減少結構物構件尺寸，增加建築的使用空間，亦將提升基礎建設的耐久性，促進整體環境的永續發展。

 

外——攜帶耐震機具

制震阻尼器

汽機車通常配備避震器以降低震動帶來的不適感，將此概念延伸至結構物的制震概念，即於建築物中利用安裝在房屋結構上的減震器（圖六），增加建築物阻尼比，使地震過程中產生額外的消能作用，降低房屋結構所承受的地震能量，並抑制高層建築物上部結構與地表產生相對速度與位移， 減少地震的破壞。相較於一般的建築，具制震結構建築物的加速度及變形可減少約 30～50％，不僅降低內部破壞，亦可減少地震後的修復工程。此外，制震裝置可吸收地震能量，減少颱風等作用所造成的晃動，如台北 101 大樓中 660 公噸的調質阻尼器（tuned mass damper）。其他常見阻尼器則有黏滯液體阻尼器、摩擦阻尼器或 X 型阻尼器等。

 

▲圖六：油壓減震器。圖片來源／國家地震工程研究中心

 

隔震

一般而言，建築物的自然週期越長，受到的地震力就越小；反之則地震反應加速度較大。設法加長建築物的自然週期，其加速度反應就可有效下降。相較一般結構樓層，隔震系統類似於較柔軟的樓層，大部分安裝在建築主體的下方，由隔震支承墊及消能機制共同組成的地震能量隔離系統（圖七），可加長建築物的自然週期，降低反應加速度並破壞地震能量的傳遞路徑，減低上部結構所承受的地震力反應。

 

▲圖七：鉛心支承隔震器外觀。圖片來源／國家地震工程研究中心

 

相較於一般建築物，隔震建築物受到地震動的搖晃程度可降低 10～30％，使結構體內所承受的地震力降低，並使大部分的梁柱系統處於彈性範圍，且內部設備亦能保持原來的功能。另外，遭受地震的傳統建築物，水平地震力作用於建築物的重心，而建築物抵抗外力的中心稱為剛心，若重心與剛心不為同一點，則會產生扭轉效應，建築物內的柱構件變形將會放大，提高破壞風險。而隔震結構可藉由隔震器將建築物的重心與隔震層的剛心調整為一致，大幅減少破壞。

 

結論

建築物的耐震性能為重要的結構安全指標，隨著都市化的發展，老舊建物補強與新建摩天大樓的需求日益增加，對於耐震與減震的要求更加嚴謹。科技進步，連帶著各種防震技術與新型營建材料不斷強化並保障建築結構安全，未來更可朝向地震來臨時，建築物低損傷的目標，保障生命財產的安全。另一方面，新材料與技術的研發，必須伴隨更加嚴謹的施工技術與品管，才能使建築物具有完善的抗震性能。

 

註一：樓層間變位角為結構物損害程度的衡量參考。

 

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