108 地方特考三等 建築工程 建築結構系統 考古題詳解

核心觀念

本題旨在測驗耐震抗彎矩構架（Moment-Resisting Frame）於「延展性設計（Ductile Design）」中的核心哲學——控制結構非彈性變形之「破壞機制（Failure Mechanism）」。

1. 基本定義： 「強柱弱梁（Strong-Column Weak-Beam, SCWB）」指在強烈地震作用下，誘發塑性鉸（Plastic Hinge）優先於「各樓層之梁端」形成，避免塑性鉸在「柱端」出現（底層柱基除外），藉此確保建築結構在進入大位移非彈性階段時，仍具備優良的消能能力與垂直載重維持能力。
2. 法規依據（以命題當年民國 108 年法規為準）：

• 依據《建築技術規則》建築構造編及《混凝土結構設計規範》（民國 108 年版本）第 15 章「耐震設計之特別規定」： 韌性抗彎矩構架（Special Moment Frame, SMF）之梁柱節點，柱的抗彎強度必須大於梁的抗彎強度一定比例，以確保強柱弱梁機制。
• 量化準則： 在梁柱接頭處，柱之標稱抗彎強度總和與梁之標稱抗彎強度總和需滿足下式： $\sum M_{c} \ge 1.2 \sum M_{g}$ （其中 $\sum M_{c}$ 為節點處柱構件考慮軸力之標稱抗彎強度和；$\sum M_{g}$ 為節點處梁構件之標稱抗彎強度和。）
• （註：現行法《混凝土結構設計規範》後續雖有配合 ACI 規範更新微調條文編號，但強柱弱梁之核心原則與 1.2 倍強度檢核標準維持一致。）

解題方法

回答本申論題時，應從「力學機制」、「破壞模式比較」與「受力特性」三個維度切入論述，建立嚴謹架構：

一、 破壞模式比較：梁機構 vs. 柱機構

1. 整體梁機構（Beam Mechanism，目標機制）：

• 當地震力激發至超越彈性極限時，塑性鉸分散在結構各層梁端。
• 梁端塑性轉動提供大量遲滯消能（Hysteretic Energy Dissipation），結構變形均勻分佈於全樓高。
• 柱未降伏（保持彈性或極低損傷），結構仍具足夠側向剛度與完整承受垂直重力載重之能力，大幅降低倒塌風險。

2. 局部柱機構／層機構（Story Mechanism / Soft-Story Mechanism，避免機制）：

• 若為「弱柱強梁」，塑性鉸將同時出現在同一樓層各柱之頂端與底端。
• 變形與損傷高度集中於該特定單一樓層，形成「軟弱層（Soft Story）」。
• 在重力載重作用下，引發嚴重的二次效應（$P-\Delta$ 效應），結構瞬時喪失側向抵抗力與重力支撐力，導致「煎餅式（Pancake）」全棟連鎖粉碎性倒塌。

核心觀念

風迎向建築物時，迎風面受風流停滯作用，形成正壓；屋頂及背風面因氣流分離、流速增加，通常形成負壓（吸力）。風壓方向以「壓向表面」為正、「離開表面」為負。

可用外部風壓係數表示為 $p_e=qC_{pe}$；若考慮室內壓力，作用於圍護面的淨風壓為 $p_{\text{net}}=q(C_{pe}-C_{pi})$，其中 $q$ 為速度壓，$C_{pe}$、$C_{pi}$ 分別為外、內風壓係數。

解題方法

先依圖示風向判斷迎風面，再判讀屋頂與背風面是否受吸力。圖中風由左向右，左側牆面為迎風面；屋頂與右側背風面按一般低矮建築的簡化風壓分布判為負壓。

核心觀念

本題考圓桶殼在不同荷載下的定性變形形狀。圓桶殼可視為沿桶身方向延伸的曲面薄殼；剖面上的受力會引起拱形截面的彎曲與變形，實際形狀也會受殼體剛度、支承方式及桶身端部條件影響。

原圖未標示支承細節。以下依圖示假設半圓形桶殼兩側底端支承，並略去桶身端部效應；實際變形量與局部細節須由支承條件及構造尺寸判定。

解題方法

逐一判斷荷載方向與對稱性，再標出荷載造成的主要位移：

1. 自重沿鉛直向下作用，左右對稱。拱頂向下，截面整體下垂，輪廓趨於扁平。
2. 側面風載重由側向作用，左右不對稱。桶殼主要向風向側移，截面會產生側移與形狀扭曲。
3. 拱頂中央集中載重鉛直向下且作用位置居中。拱頂局部下陷，兩側變形大致對稱。

下圖虛線表示原形，實線表示變形後的定性輪廓；箭頭表示主要位移方向。

（一）自重

原形： - - - - - 變形後： ______
 / \ / \
 / \ / \
 ●-------------● ●----------●
 ↓ 拱頂下垂

自重作用於整個桶殼，變形以對稱下垂為主；拱頂下降，兩側支承附近的輪廓也隨之改變。

（二）側面風載重

核心觀念

本題考高層建築的抗側力系統如何傳遞水平力，以及系統配置如何影響側向剛性。側向剛性可用 $K=F/\Delta$ 表示；在相同水平力 $F$ 下，側移 $\Delta$ 越小，剛性越大。

判讀圖形時，先看立面上的主要抗側構件，再對照平面圖確認構件位於中央核心或建築外周。圖 3 由左至右為：

1. 核心筒（剪力牆）系統
2. 斜撐核心筒系統
3. 外周斜撐筒系統

解題方法

（一）各系統的結構原理

1. 核心筒（剪力牆）系統

左圖立面中央的灰色帶代表核心筒牆體，平面圖則顯示核心位於建築中央。樓板將風力或地震力傳至核心筒，再由核心筒以類似懸臂構件的方式將水平力與傾覆力矩傳至基礎。

核心筒主要以牆體的彎曲與剪力變形抵抗側向作用；周邊柱及梁主要承受重力，也可與核心筒共同分擔部分側向力。

2. 斜撐核心筒系統

中圖立面可見核心區內連續設置斜撐，平面圖顯示斜撐集中於中央核心範圍。樓板將側向力傳至核心斜撐構架，斜撐藉由軸向拉力與壓力形成三角形受力單元，將水平剪力和傾覆作用傳至基礎。

此系統使主要抗側構件以斜撐的軸向受力抵抗側力，減少單靠梁柱彎曲承受側向力的需求。

3. 外周斜撐筒系統

右圖立面的 X 形斜撐配置在建築外周，平面圖顯示抗側構件沿建築周邊形成筒狀配置。樓板將側向力傳給外周斜撐；外周斜撐構架共同作用，形成類似懸臂筒體的抗側機制。

建築外周相距較遠的構件可形成較大的抗傾覆力臂，因此側向傾覆力矩可由外周構件間的軸力偶共同承受。

核心觀念

本題考查木桁架在向下荷載下的桿件受力，以及零力桿的判別。以理想鉸接桁架分析時，桿件只承受軸力；木桿受拉容易受接頭與順紋抗拉能力限制，因此受拉腹桿常以鋼拉桿替代。

解題方法

先依圖判讀桁架受力：支承於兩端，屋面承受垂直均布載重，左右對稱。整體反力相等，均布載重可換算成各上弦節點的向下力。再沿節點平衡判斷桿件拉壓：

• 上弦承受壓力，下弦承受拉力。
• 圖中的斜腹桿向跨中斜下，承受拉力；可用金屬拉桿替代。
• 直腹桿主要承受壓力，不屬於拉桿替代的對象。

零力桿判別