【臺大學術卓越系列報導】工學院先進地震工程耐震減災技術研究

　　臺灣位於環太平洋地震帶，地震災害頻繁，根據中央氣象局的資料，臺灣在1901年至2016年間，共發生102次較大災害的地震，共造成8,111人的死亡。有感於臺灣地震災害之頻繁，工學院土木系長期持續投入地震工程相關的研究與實踐，另透過工學院地震工程研究中心（以下簡稱地震中心）之平台，整合校內外相關之資源，積極投入地震工程實務研究與結構審查，促進我國耐震技術之發展與實務之應用。

　　經過工學院土木系與地震中心多年的努力，我國地震工程技術已有長足進步，惟近年地震工程之發展，逐漸由過去使用傳統材料與結構型式，進步為使用先進材料與對應之結構與地工系統，由過去只重視結構體，進步為亦強調對結構體內之設備的保護，由過去只重視新造結構，進步為對既有結構耐震安全之監測管理，由過去僅重視結構安全的設計方法，進步為以性能為導向的設計方法。工學院土木系以整合型計畫執行「先進地震工程耐震減災技術研究」，以應對前述地震工程先進技術之需求與挑戰。以下扼要說明個別子計畫之貢獻。

---

先進鋼筋混凝土結構系統之研究(土木系歐昱辰教授)

　　近斷層地震所產生的脈衝型震動，容易造成傳統鋼筋混凝土橋柱於震後產生較大的殘餘變位，嚴重危害橋梁安全性與震後服務性。本研究開發新型RC橋柱，在此新型橋柱的設計中，縱向鋼筋包含傳統鋼筋與無預力部分無握裹高強度鋼絞線，在地震力作用下，無預力部分無握裹高強度鋼絞線維持彈性，以提供橋柱於傳統縱向鋼筋降伏後之勁度，以及震後自復位之能力。此新型橋柱與傳統旗幟型自復位橋柱相比，具有較高強度與遲滯消能，且因無須使用預力，因此有較低成本，並免除混凝土因預力而潛變的問題。另外，無握裹處裡可降低鋼絞線之應力，以確保其不過早降伏。

(a)鋼絞線無握裹處裡　　　　　　　　(b)鋼絞線夾片　　　　　　　　(c)鋼絞線雙向錨頭　　

(d)橋柱鋼筋籠照片

圖1　先進自復位橋柱及相關配置

---

應用多層影像金字塔於結構面外連續模態參數萃取(土木系張家銘副教授)

　　臺灣建築面臨結構老化及自然災害影響，存在著建築結構高度損傷風險。透過結構健康監測，可診斷建築結構當前之健康狀況。然而，過往之結構健康監測系統中，常透過空間離散且接觸式之感測器，量測結構振動反應，無法獲取結構空間連續之動力行為。於本研究中，研發出一套新型影像量測技術，通過立體視覺相機捕捉結構面外之振動反應，並利用多層影像金字塔，配合修正因子與頻率域隨機子空間識別，精準萃取空間連續模態參數。於實驗驗證中，將該方法應用於縮尺建築結構中，並與樓層加速度反應識別結果比較。如圖2所示，本研究所提出之方法能有效識別空間連續模態參數，且能清楚描述出樓層與樓層間之柱模態變化，及樓板撓曲勁度對模態的影響。

圖2　縮尺模型透過多層影像金字塔進行空間面外連續模態參數萃取之識別結果

---

新世代多功高性能混凝土於耐震減災之研發應用(土木系廖文正教授)

　　臺灣新世代的高性能混凝土具有多功的特性，包括抗震及防裂（seismic-resistant and crack-free）。其中抗震性能除了應用在新建的NewRC高樓結構，藉由添加高拉力強度鋼纖維來增加混凝土韌性及消能能力，並預期能大幅減少或全部移除關鍵結構構件（梁柱接頭、底層柱、塑鉸區）之箍筋外，也能應用在臺灣一般建築的耐震補強，如開口剪力牆的增設。臺灣新世代高性能混凝土在新拌時具接近自充填混凝土的工作性，硬固時則有類似鋼材應變硬化之優異力學表現，可將其應用於需較大變形需求的構件上。

　　以實尺寸的外部梁柱接頭反復側推試驗結果為例，本研究製作2支尺寸為60×60×70cm的卜字型外部梁柱接頭試體，其中一支是符合現行規範緊密箍筋之試體LAMV，另外一支試體之接頭處皆無配置任何橫向鋼筋，僅澆置臺灣新世代高性能混凝土LAMV_SF。實驗結果發現在8%之前LAMV_SF的表現與LAMV幾乎完全一樣，迴圈亦相當飽滿，pinching效應皆不明顯。添加鋼纖維的試體其裂縫是多重而細微的並能發揮良好的橋接效應，故在接頭產生裂縫後仍能持續維持剪力強度。實驗結果證明，臺灣新世代高性能混凝土除具高抗剪強度、顯著提昇構件韌性，還能增加其損傷容限，更能提供未來設計上大幅減少鋼筋量及簡化設計的可能性。

(a)LAMV及LAMV_SF試體之遲滯迴圈比較　　　　　(b)臺灣新世代高性能混凝土試體破壞時接頭幾無損傷，僅有微細裂縫。

---

結構水平向設備垂直向分離隔震技術發展(土木系黃尹男副教授)

　　結構物基底隔震已被證實為可協助結構物有效降低水平地震力的成熟技術，然而一般常用之隔震器皆僅能降低水平地震力，但對於放置於樓版之設備物，過大的垂直向地震力可能造成設備物無法運作或損傷。本研究利用一系列振動台試驗，檢視結構水平隔震搭配設備垂直隔震此一將水平與垂直隔震裝置分離設計的可行性與有效性。

　　本研究設計了一座垂直向的設備隔震系統，將此設備隔震系統裝設於一雙向單跨且底層隔震的兩層抗彎鋼構架之頂樓進行振動台試驗，如圖3所示。試驗結果顯示垂直向設備隔震系統依地震頻率內涵不同，可折減設備40％-80％垂直向地震力，同時結構水平隔震亦大幅降低了設備垂直向隔震系統之搖擺效應。

圖3　振動台實驗試驗構架外觀

---

地震作用下橋梁基礎之性能評估技術發展(土木系邱俊翔副教授)

　　為進行合理之新設基礎耐震設計或既有基礎之耐震補強設計，有必要發展完整考量結構及基礎非線性互制行為之分析技術，以模擬基礎在地震下之行為。本研究以橋梁結構為標的，針對橋梁結構基礎之耐震設計需求，發展考量結構及基礎非線性之受震反應分析技術，以完整評估地震下基礎之性能，供工程設計使用。

　　本研究利用數值軟體SAP2000發展淺基礎橋柱受震反應數值分析模式。如圖4所示，分析模式可以考量基礎搖擺、滑動反應及埋置效應。為有效模擬土壤解壓之永久變位及基礎-土壤間受震搖擺分離之行為，垂直彈簧的性質相當關鍵。因此本研究提出由非線性遲滯彈簧串聯於線性彈簧及線性阻尼器組成垂直彈簧，並以平鈑載重試驗之特性曲線予以設定垂直彈簧性質，其將曲線拆解為線性部份以及非線性部分，線性部分之斜率為平鈑載重試驗之解壓勁度，以設定線性彈簧的勁度，而非線性部分則作為非線性遲滯彈簧壓力段之骨架曲線。非線性遲滯彈簧拉力段之勁度與強度設為零。

圖4　淺基礎橋柱受震反應數值分析模式

---

微生物引致碳酸鈣膠結物於土壤液化減災防治工法之研究(土木系葛宇甯教授)

　　本計畫旨在利用微生物引致碳酸鈣膠結作用於土壤改良以降低土壤液化發生，以施作於現地為目標，除了微生物實驗、力學試驗與砂箱試驗之外，現地場域土壤改良之前置作業亦同步進行，研究成果分為兩部分：微生物改良砂土之單元試驗與iPDC在臺灣施作之經驗公式修正。力學試驗結果顯示，微生物改良試體強度會隨養護天數增加而增加，改良次數影響不大，且與5%石膏含量膠結試體相近；而透過已知地層狀況 (含SPT試驗)孔位旁施作iPDC並比對兩者數據，提出敲擊次數與水壓換算後之細粒料含量修正經驗公式，iPDC所得之連續數據可用於做初步的土壤分類，亦可透過拔桿時量測到之靜態水壓推算地下水位。