杜風 38 期 焦點人物

我的學思生涯回顧

蔡益超

台大土木系教授

 

一、前言

今年七月三十一日,本人屆齡退休,從服務40年的台大教職崗位退下休息,心理上感到無比輕鬆。承蒙好友們在第十屆結構工程研討會這個場合,為我規劃舉辦這個退休茶會,也印行了一本紀念冊,還勞動多位朋友撰文祝賀退休,本人何德何能,蒙大家厚愛,實在過意不去。

服務台大40年的時光,不可謂之不長,雖然沒有什麼顯赫的成就,但一本兢兢業業的工作態度,以及各界同仁的提攜襄助,自認也替社會國家盡過一些棉薄之力。敝人擬藉今天這個聚會的場合,就40年來的學思生涯做個回顧,一方面可以對自己算個總賬,另一方面如果這個回顧的某些鱗爪片段,能引起各位的認同,而具有一些參考價值的話,本人於願足矣。

二、進入台大服務前敘要

本人係於民國59年8月進入台灣大學土木工程學系擔任講師,開始教學研究的生涯,一做就是40年,從來沒有離開過崗位,可謂從一而終。進入台大前大概就是受教育的階段,以下就將此階段的經歷擇要敘述如下。

進大學前將近二十年的光陰大部分是在中部彰化市度過的,小學唸的是彰化市中山國小,畢業後考入省立彰化中學唸初中,初中畢業後又考入原校高中部就讀,一切還算順利。以前唸大學要參加大專聯考,考的是甲組,主要包括理工與醫學院。省立彰中辦得還算不錯,像我在校內不算傑出的學生也能以第四志願考上台灣大學土木系,連我也有點感到意外。

台大土木系的四年求學生涯,由於班上人才濟濟,雖然很用功唸書,但在班上只能維持個中上水準。此外因為對出國沒有強烈的慾望,所以沒有像班上大部份同學出國深造。值得一提的是服役擔任工程工兵連的工程官兼保養官,且分發派駐在小烏坵,該地處於金門與馬祖之間,吃的喝的全靠兩星期一次由高雄開出的運補艦運來所有生活物資,生活可謂備受艱辛。

服完兵役後,本人考上台大土木研究所工程力學組攻讀碩士,畢業後承時任系主任的丁觀海教授首肯,留系擔任講師,開始往後四十年的教學研究生活。

 

學士照&碩士照

 

三、台大服務四十年溯往

從民國59年8月1日進入台大土木系擔任講師,一直到民國99年7月31日屆齡退休,剛好滿四十年,聽說在台大服務達到40年的教授還是不多的。敝人民國63年8月1日升任副教授,民國69年8月1日升任教授。換句話說,講師做了四年,副教授做了六年,說來還是相當順利的。以前升等沒有現在那麼競爭,相對來講是比較容易的。

 

與虞前校長兆中(前右二)合影

 

土木系同仁–Arthur邱、邱昌平、顏清連、林聰悟、柯昆玉、筆者、陳清泉

 

人都是要經過一段歷練的過程,然後才會漸趨成熟。因此前15年是在嘗試錯誤,慢慢摸索的階段,逐漸明確了研究發展的方向與領域,後25年大致就在訂出的框架中努力。因此我把台大服務40年的時間分為兩個時段,即前15年與後25年來分別敘述就是這個緣由。

前15年的教學研究概況

講師是最基層的教學人員,一開始要擔任一些比較沒有人願意做的工作,譬如教圖學及擔任一些系務工作,稱為系務講師。我擔任系務工作的時間較長,主要是排課及辦理註冊、加退選工作。講師期間除了教圖學外,主要擔任的課程包括工程數學(一)(二)、工程力學與材料力學。一開始誤人子弟,比較有新鮮感,教學很認真,也能記住每位學生的名字與臉龐,學生有什麼事也會願意找你談。教書與唸書不同,沒有真正弄懂的東西你不敢上講堂去信口開河,所以教了幾次後,你真的是完全了解,而且是滾瓜爛熟。

四年後升了副教授後,就不必擔任圖學教學與系務工作了,但就要開始申請研究計畫做研究,以及指導碩士班研究生了。到底做那方面的研究,實在沒有什麼定見,完全是跟著環境、機會以及大教授們要你協助幫助的工作。這段時間主要的研究大致有四個方向,首先談結構可靠度,因為這方面純粹是自己喜歡而做的研究。結構可靠度在那個年代還算新,主要是將載重、結構強度視為隨機變數,然後去分析結構物會產生破壞的或然率。這個研究的基礎是或然率與統計理論,我在大學部教這門課的時間很長,算是頗有心得。當時有位客座教授顧海昌博士也做這方面的研究,我們經常討論,對結構可靠度適合解決的工程與設計問題也有深刻的認識。後來我在研究所曾開過兩次結構可靠度的課,而諸位如果查閱今天退休紀念冊後面本人歷年指導碩士班學生姓名與論文題目,可以發現這方面的產品不少。

 

左為顧海昌教授,中為廖乾榮先生

 

其次談點與地震工程相關的實驗研究。台灣地震頻仍,地震工程的研究將成為炙手可熱的領域,那是遲早的事情。民國六十五年大陸發生唐山大地震,舉世嘩然,也堅定了國內全力發展地震工程的決心。當時帶領大家進行這方面研究的有系主任茅聲燾教授與葉超雄教授。當時中央研究院地球科學研究所就設在台大校園內,與土木系的關係密切,他們是研究工程地震學的,我們是研究地震工程的,一個在上游經營,一個在下游發展,實有相輔相成之效。

我在這個區塊所做的工作主要是強迫振動與微震量測與分析。強迫振動需要一個振動產生器,可以產生變頻率的正弦力作用在結構上。本人大概花了兩萬五千元新台幣,土法煉鋼裝配了一部振動產生器,可以較準確測出結構物的各振態週期、振態形狀與阻尼比。另外,系裡也買了一套微震儀及相關的訊號放大器與記錄器,同樣可以測析結構物的各振態週期、振態形狀與阻尼比,只是準確性較遜。

接著談破壞力學,主要由於美國賓州李海大學破壞力學研究所所長薛昌明博士回來推動,才會涉獵這個領域。破壞力學主要處理高強度脆性材料,如果裡面產生裂縫,其受力後裂縫何時會變得不穩定而快速延伸的問題。薛昌明博士不但開了個暑期速成班介紹破壞力學,也商請唐榮公司捐贈一部10噸MTS 自動反饋材料試驗機,只要你由函數產生器設定好,等一會試驗機對試體加載的過程,自動控制系統就會隨時偵測實際加載與目標間的差異,指揮自動油壓閥門的流量與流向,使其誤差歸零。這部試驗機就放在土木系結構實驗室,由於當時結構實驗室由本人管理,而MTS公司技術人員傳授試驗機操作也只我一人去學,所以就由我來服侍這嬌貴的機器了。由於這層關係,我於民國66年以訪問教授名義在國科會資助下赴美研究進修一年,就是赴李海大學破壞力學研究所跟隨薛昌明博士研習破壞力學一年。回國後曾在研究所開授破壞力學課三年。然因破壞力學比較適用於高強度脆性金屬材料,一般結構鋼韌性很好,不怕裡面有裂縫,因此在土木結構方面實無用武之地,所以後來就跟破壞力學脫離關係了。

 

右二為薛昌明教授

 

民國六十六年赴美進修生活照

 

民國六十六年赴美進修生活照,右為石明村博士

 

這段時期我也做了些耐風工程的工作,最後研擬了建築物耐風設計規範。台灣地區夏秋兩季常有颱風,也常造成災害。這方面的認識得力於茅聲燾教授與夏威夷大學Arthur邱教授的合作,首先在大氣科學系氣象觀測坪上興建一座測風鐵塔,除量測風速隨高度變化的關係外,也量測颱風時鐵塔的振動加速度,並與理論分析值比較。由於建築技術規則有關風力的規定甚為簡陋,所以敝人就參照美國ANSI規範著手研擬一套適用於台灣地區的風力規範。與本土性有關的部分主要是利用中央氣象局全省24個測站歷年來測到颱風的風速資料,經或然率統計分析,得到全省各地點回歸期50年的基本設計風速,同時也分析連續性風速資料,得到半年回歸期的風速,在檢核屋頂舒適度時需要用到。這個研擬規範在73年完成〔1〕,承蒙工程界開始使用,真正等到內政部頒佈正式的規範已經是民國九十六年元月了〔2〕。

經過前15年的摸索試探,漸漸了解台灣比較迫切需要研究解決的問題還是地震問題,而耐震有個神祕的法寶,就是韌性。當時大家對韌性是什麼,一般都不太了解,所以後25年的研究與規範研擬就一直與韌性結下不解之緣。

 

左為Arthur Chiu教授

 

有關耐震設計規範的研擬,當時茅聲燾教授已經做了很多,可惜後來他就離開台灣赴美國當教授去了,而我在民國75年2月接任工學院地震工程研究中心主任,也就義不容辭接下耐震規範研擬的工作了。

後25年的教學研究概況

本人於民國75年2月至79年7月擔任台大工學院地震工程研究中心主任四年半,在人生旅程中是段重要的歷練。民國75年11月15日發生規範6.8的花蓮地震,災害幾乎都集中在台北地區,引發朝野甚大的關切,從此地震工程就備受重視,而地震工程研究中心就變成學術界與政府、工程界對話的窗口。

 

1989年考察Loma Prieta地震,中為T.Y.Lin院士

 

1990年考察菲律賓大地震

 

中心在中正紀念堂與許多大樓都裝置強震儀,由地震記錄歷時分析所得的加速度反應譜來看,這個延時又長震幅又大的地震由於頻率內涵特殊,在台北盆地造成共振,大部份分析所得的加速度反應譜在週期1.65秒處都有一個高峰,與前一年發生的墨西哥大地震墨西哥市的盆地效應甚為相似,只是墨西哥市的顯著週期是2.0秒,並且更為明顯罷了。建築技術規則計算設計地震力用以反映反應譜的震力係數C,對台北盆地因此另行規定〔3〕。

值得一提的是當時的結構技師公會正值蓬勃發展之際,不但投入人力調查災害情況,召開座談會探討災害產生的原因,也對相關規範的修正提出需求。而當時國內正值經濟快速發展,重大工程陸續推出之際,由於經歷過這次地震洗禮的體驗,所以對今後耐震相關規範研修的工作政府都能全力推動。

學術界出來主導耐震設計規範的研修,可能並不很恰當,主要是沒有實務經驗。所幸國內推行特殊建築結構外審制度,凡高度超過50公尺的建築物須送外審,而台大地震工程研究中心是外審單位之一,所以經過多年外審的磨練,對實務設計就不陌生,所研擬的規範就較能切合實務設計所需。

要研擬橋梁的耐震設計規範也一樣要有實務經驗,所幸張荻薇兄時常邀請我赴中華顧問工程司討論相關問題,耳濡目染之後也漸對橋梁的實務設計有基本的認識,這也是本人後來敢在研究所開授橋梁工程課程的原因。

 

張荻薇先生與我

 

其實公路橋梁耐震設計規範是先於建築物耐震設計規範完成的,交通部於民國84年頒布公路橋梁耐震設計規範〔4〕,而內政部的建築物耐震設計規範是86年才頒布的〔5〕。其實橋梁與建築物同為結構物,其耐震行為並無二致,所以這兩種規範在共通的部份是相同的,不像其他國家制定不同規範有不同團體,致使兩種規範可能南轅北轍,差異甚大。

 

民國74年赴日本神戶參加ICOSSAR研討會

 

民國82年赴紐西蘭考察

 

1996年考察加拿大愛德華王子島跨海大橋

 

民國81年赴北京參加第一屆兩岸地震工程交流研討會,右二為王亞勇先生

 

不論建築物或橋梁耐震設計規範,與國外規範相比,有下列兩點特別處:
  1. 起始降伏地震力放大倍數αy:此係數乃計及由設計地震力開始到結構物開始降伏的地震力放大倍數。由於用容許應力設計法或用強度設計法設計構材,αy值會有不同,同樣採用強度設計法,鋼結構與鋼筋混凝土結構因載重因數與強度折減因數不同,αy值也會有不同,如果不管設計方法為何都採用相同的設計地震力,很顯然地,不同設計方法的結構物,其耐震能力是不同的。經過αy倍數的調整,不同設計方法設計所得結構物,就會具有相同的耐震能力。
  2. 結構系統地震力折減係數Fu:此係數計及結構物具有韌性,因此彈性設計地震力可以折減。但因韌性對耐震的效用隨週期降低而遞減,所以規範中的Fu隨週期變短亦變小,換句話說,短週期的結構物要使用較高的設計地震力。

既然設計地震力已用結構系統地震力折減係數Fu折減,結構物就須進行韌性設計,使其具有預期的韌性容量。韌性設計不同於載重組合的強度設計法,其過程相當冗長麻煩,我們一直鼓吹的設計流程就是只有梁的主筋配置是採用載重組合彎矩來設計,當配好上、下層主筋後,所有其他的設計就交給韌性設計來完成。所以梁設計完成後,要以梁端產生塑鉸引致之剪力配置剪力筋。柱主筋之設計,首先根據強柱弱梁要求推算柱之端點設計彎矩,配合載重組合軸力進行配筋設計,柱之設計剪力係以梁端產生塑性彎矩推求柱頂與柱底之對應彎矩,加總後除以柱之淨高而得。上述計算所得之柱剪力,稱為柱之極限剪力強度,對某一層加總後可得該層之極限層剪力強度,進一步可進行是否有弱層之檢核。此外,進行梁柱接頭剪力強度檢核時也要用到接頭上一層之柱底剪力,此剪力也是前述所得的柱剪力。

現有鋼筋混凝土建築物耐震能力評估,也是降低地震災害有效的工程手段之一。經過內政部建築研究所多年的委託研究,民國88年完成的鋼筋混凝土建築物耐震能力評估法〔6〕,後來被稱為強度韌性法,曾經被技師們用來評估公有建築物與救災有關建築物如消防單位、警政單位、學校等之耐震詳評。此套方法的特點是不必進行非線性靜力分析,只在各節點判別破壞模式,並求出對應的韌性與柱對應到的剪力,最後將各柱對應的剪力為權重去加權平均,得每半層綜合之韌性容量與極限層剪力,就可以把耐震能力(地表加速度PGA)求出。

由於耐震技術的提昇,非線性靜力分析已可以在商用程式如ETABS、SAP2000或MIDAS操作,因此又在內政部建研所的委託下,我們研究團隊在民國98年出版了『鋼筋混凝土建築物耐震能力評估手冊』〔7〕。此套程式有前處理與後處理與上述非線性靜力分析主程式結合,前處理主要計算所有塑鉸的自訂塑鉸特性,後處理主要求取各性能點對應的地表加速度,但與主程式之互動完全視窗化與自動化,這套程式稱做SERCB。

最近十年來所做的研究主要包括建築物與橋梁的隔震研究、橋梁使用功能性支承的耐震分析、橋梁耐洪能力評估、基礎裸露橋梁耐震能力評估與災損分析等。由於一方面沒有發表著作壓力,另一方面時間也不多,所以我的缺點就是少去發表論文,有人邀稿才勉強寫一下。最完整的研究結果都在研究報告與學生論文中,寫成短短的論文反而講不清楚。諸位如有興趣的話,可參照退休紀念冊後面本人歷年指導碩士班學生姓名與論文題目,上網進台大圖書館查閱,聽說歷年來查閱率還頗高的。

四、退休感言

以上所講述者,大都是40年來專業領域上的林林總總。敝人所本的態度不外是如臨深淵,如履薄冰,不敢懈怠,所謂駑馬十駕,功在不捨的哲學。40年來要感謝產、官、學界與本人共事的好友們都對小弟甚為愛護與看重,提供許多場合讓本人參與、了解及發表意見的機會,讓本人能知曉最新的發展,掌握時代的脈動。講到參加會議不免要發表意見,對我而言,不啻會有壓力。如能把握言而有物,言而有序以及言而有文的原則,就比較不那麼困難了。前兩個原則比較容易達到,至於言之有文是說要有文采,這點就要靠平時修練,屬於最困難的部分。土木專業領域,大家都會覺得硬梆梆的,不過當你鑽研到一個水準達到融會貫通之境,大部分的問題你都會有洞悉的能力,就像武功練到一個境界,一般的對手你都能輕易擺平的話,也不能說全然沒有樂趣。

 

民國99年與關門碩士生合影

 

 

人生除了有一份職業,在你的專業領域經營外,還有許多層面要並行發展,人生才會覺得圓滿。職業的層次不過是生活的基本需求,人類還有心理、精神層面的高階需求。我覺得現在能感動人心的事物是越來越少,也容易被人忽略,所以順著各人的興趣,譬如從小說、電影、音樂、歷史等方面去探求享受這些美好的事物,對退休後的人來講,似乎是填補日常生活重要的內容。

最後要感謝太座多年來的支持,家裡的事巨細靡遺,全部概括承擔。如果跟太座心存芥蒂,她有意扯你後腿的話,你每天絕計是沒好果子吃的。總之,家庭的和諧與太座的支援是很重要的,沒有後顧之憂,你才能心無旁鶩做你想做的事。

 

全家福

 

民國80年赴大陸旅遊

 

太座、女兒與兒子(民國97年)

 

女兒與兒子(民國97年)

 

兒子畢業照

 

五、參考資料

  1. 蔡益超、林宗賢,1984,12,『建築物所受風力有關規範之研擬』,行政院國家科學委員會防災科技研究報告73-24號。
  2. 內政部,『建築物耐風設計規範及解說』,民國九十六年一月。
  3. 蔡益超,1987,10,『從七十五年十一月十五日地震台北市強震資料檢討建築技術規則之震力係數』,結構工程,第二卷,第四期,第13~20頁。
  4. 交通部,『公路橋梁耐震設計規範』,民國八十四年一月。
  5. 內政部,『建築物耐震設計規範及解說』,民國八十六年。
  6. 蔡益超、邱昌平、張英發,1990,06,『現有鋼筋混凝土建築物耐震能力評估制度研究』,國立台灣大學地震工程研究中心研究報告,CEER,R79-03。
  7. 宋裕祺、蔡益超、謝尚賢等,『鋼筋混凝土建築物耐震能力評估 — 視窗化輔助分析系統』,內政部,民國98年3月。