Q&A | 剪力牆地下一樓之剪力

【問】剪力牆地下一樓之剪力

請問地上14層地下2層之韌性立體剛構架與剪力牆的二元結構系統，用ETABS程式分析結果，地下一樓之剪力牆，出現大剪力達約1000頓左右，而該牆為(0.4m×4.0m)之尺寸致使該剪力牆無法設計配筋量。該力學現象是否正常？抑或以適當假設、分析，可將該剪力值降低。附上ETABS分析結果及剪力圖(見下圖)。

【答】

高層二元結構系統上部結構中之剪力牆，沿牆面內方向之勁度較其他柱構材之勁度高出很多，因此剪力牆會承受結構物大部分之水平地震力或風力，進而產生極大之剪力及衍生之傾倒力矩，剪力牆承受此剪力及傾倒力矩，便需有良好的穩定性及強度，才能發揮剪力牆之功能。

剪力牆之穩定方式與剪力牆在建築物地下室中之位置有關，其座落位置大約可分為剪力牆座落於地下室外牆上及座落於地下室內部二種情況。

剪力牆座落於地下室外牆之上方時，地下室外牆與剪力牆成為一體，同為剪力牆系統，其穩定方式係藉由地下室牆體將傾倒力矩及剪力向下及向外擴展傳遞至整個地下室箱形，結構，再由土壤之承載力及連續壁表面摩擦力來承受。

當剪力牆座落於地下室內部時，如果剪力牆有繼續向一樓面以下延伸一層樓高以上時，此時地面以下部份之牆體之主要力學行為已不是作為剪力牆之功能，而是做為上部剪力牆傾倒力矩之錨定措施及穩定之功能，其錨定或穩定方式為由一樓版(橫隔版)與地下一層樓版，利用槓桿原理所提供之水平向力偶來抵抗傾倒力矩及剪力，並藉由橫隔版將此水平力傳至地下室箱室外牆上。因剪力牆在一樓面之彎矩(MB )很大，地下一層高度(h )很小，故MB/h 所產生之水平剪力便很大。當然在剪力牆二端之邊構材之基底部亦會受土壤反力及地梁或基樁的束制拉力，亦會產生一組垂直向力偶來分擔傾倒力矩，但因地梁之勁度與水平橫隔版及地下室箱體之高勁度相比，仍明顯較小，這組垂直向力偶對剪力牆抵抗傾倒力矩之貢獻較不顯著，因此上部剪力牆傾倒力矩之穩定系統係以地下一樓剪力牆段上、下端之水平向力偶系統承受為主。

剪力牆亦常有因位於地下室部份之牆體位置另有做為通道或其他用途而無法往下延伸至地下室內，而必須中止於地面層之情況，此時剪力牆之穩定系統便無法形成一組水平向力偶來抵抗傾倒力矩及剪力，而必須全部依賴豎向邊構材軸向之垂直向力偶來抵抗傾倒力矩，剪力牆之邊構材須向下延伸至基礎或地梁來固定垂直向力偶之軸力。此邊構材除須按現行《建築物混凝土結構設計規範》第18.5節之規定，除於柱之全長配置橫向圍束箍筋外，亦須有足夠強度之地梁或椿基礎供錨定邊構材之上舉及下壓力，如此剪力牆之穩定系統才算完整。

另外，本問題剪力牆在一樓上緣及一樓下緣之剪力符號為相反，但剪力為同向，因此一樓樓版須承受剪力牆於一樓面上緣及下緣之剪力相加之總剪力。故一樓板面於剪力牆四周須檢核橫隔版之局部抗剪能力（建議以剪力摩擦方法檢核），是否足夠承受此總剪力，並藉由一樓橫隔版平面內之水平向剪力及彎矩將其消散傳遞至地下室周邊外牆上。但通常剪力牆核心常會用來做電梯間、樓梯間等用途，外側亦有時會做為管道間或採光天井等用途。此時剪力牆在一樓之周邊無樓板，剪力牆四周之局部抗剪能力就不容易滿足需求，而必須藉由穿過剪力牆面内之集力構材，將剪力牆之剪力向前後延伸至有樓板處，再藉由一樓橫隔版平面內之水平向剪力及彎矩將其消散傳遞至地下室周邊外牆上。

建築結構設計時，如擬採用剪力牆結構系統，於設計之初便須先檢討各項條件是否可以滿足才可採用，否則等到最後階段才發現剪力牆之抗剪強度不足或穩定措施無法滿足需求，而被迫必須退回採用韌性立體剛構架系統或其他結構系統時，則會影響設計進度及建築之功能配置。採用剪力牆結構系統之設計條件可歸納如下：

1. 剪力牆之牆量是否足夠，避免造成建築物之總剪力集中在少數牆上，而致無法配筋或施工困難。

2. 剪力牆之分佈位置是否大致均勻分佈。

3. 剪力牆之分佈位置是否大致對稱配置。

4. 剪力牆之配置是否提供良好之抗扭性。

5. 剪力牆之穩定性或固定狀況是否良好。

6. 進出剪力牆之集中力是否能夠適當消散。

7. 橫隔版之開孔狀況及高低差情況是否會影響橫隔版之勁度或功能。

8. 橫隔版之形狀是否為長條形，其變形量是否太大，或建築空間有無增設垂直於長向之地下牆以減低橫隔版變形之條件。

9. 剪力牆是否可延伸至地面以下而不影響停車或其他使用功能。

10.剪力牆本身之門窗等之開孔情況，是否會影響剪力牆之功能。

從以上說明可知結構系統之選用須有事前的規劃，才能發揮其效果及安全性，並可事半功倍使設計案件順利完成。