談現行規範柱圍束箍筋綁紮方式之安全性

陳正平 技師

一、前言

柱構材在建築結構系統中扮演極為重要之角色,除須承載結構體之靜載及活載外,亦須負責承受各種水平剪力,故柱構材中,橫向鋼筋之綁紮方式是否能確實發揮圍束效果,對結構體之安全及穩定性影響至鉅。現行『結構混凝土設計規範』第13.9.5節(橫箍筋)及第15.5.4節(橫向鋼筋)等節中,對柱構材之橫向鋼筋訂有鋼筋量及間距之規定,其中對繫筋綁紮方式之相關規定如下:

(1)第13.9.5.3節中規定:「橫箍筋之配置須使在各柱角處之主鋼筋及每隔一根主鋼筋均已有轉角之橫箍作橫向支撐;………;主鋼筋無橫向支撐者至有橫向支撐者之淨距不得大於15公分(見圖一)。………」

圖一 橫箍筋之配置(現行規範) 

(2)第15.5.4.1(3)條中規定:「橫向鋼筋可採用單個或重叠閉合箍筋(見圖),與閉合箍筋相同大小與間距之繫筋應可使用。繫筋之兩端均須圍繞於縱向鋼筋(見圖二),並間隔換端。」

(註:現行規範「繫筋」之定義為「一連續鋼筋,其一端具耐震彎鉤;另一端為至少90o之彎鉤,且彎後至少直線延伸6db。各彎鉤均須圍繞縱向鋼筋。鉤住同一主筋相鄰各繫筋之90o與135o應交替排置。」)

圖二 柱圍束箍筋配置例(現行規範解說) 

(3)第15.5.4.3節中規定:「在構材橫斷面上,繫筋或閉合箍筋相鄰各肢之中心距不得超過35cm(見圖二)。

以上這些綁紮方式之規定主要係參考ACI318-95所編訂,而ACI318-77 Building Code/Commentary圖A-4建議繫筋(Supplementary Crosstie)為鉤住緊鄰柱主筋處之箍筋,另可視需要配置鉤住主筋之輔助繫筋(Supplementary tie)(見圖三),惟因不論繫筋或輔助繫筋均採180o之標凖彎鉤之作法造成施工上的困擾,因而後續版次之ACI Building Code/Commentary便將繫筋之綁紮方式修改如圖二所示鉤住主筋之方式。

圖三 柱圍束箍筋配置例(ACI 318-77規範解說)〔6〕 

箍筋在柱構材中的主要任務:一為承受剪力,二為圍束混凝土以提高混凝土的變形能力,三為防止受壓主筋發生挫屈。常有工程師在爭議是否可將繫筋鉤住外圍箍筋,而不要鉤住柱主筋以方便施工。這個問題筆者認為應該從耐震韌性及結構安全的角度來探討。

二、柱箍筋之理論背景

受壓構材所配置之橫箍筋,其功能就如同一鋼桶內裝滿了砂,當砂承受荷重時,砂的側向壓力作用於桶壁使其產生被動環向張力〔1〕,隨著荷重之增加,環向張力增至極大,最後鋼桶發生爆開現象。鋼桶的圍束作用就如同箍筋的功能,當受箍筋圍束之鋼筋混凝土柱達到破壞載重時,箍筋會防止柱核心內之混凝土向外擠壓破壞,但箍筋外側之混凝土保護層會因不受箍筋的圍束而剝落。結構混凝土設計規範第3.10.3節式(3-8)〔2〕螺箍筋之體積比

ρs=0.45( -1) ………【式(3-8)】

所規定之箍筋量,其強度以彌補混凝土保護層剝落時之強度損失為目標,用以延緩混凝土柱發生壓碎現象,使破壞現象呈緩慢而具有延展性,故圍束箍筋之配置並沒有增加柱構材之極限荷重能力。

三、現行規範繫筋綁紮方式之安全疑義

現行『結構混凝土設計規範』前述繫筋綁紮相關規定,未將繫筋二端之彎鉤,鉤住橫箍筋,而是鉤住縱向主鋼筋之綁紮方式會產生下列安全疑義:

(1)由於繫筋並未鉤住箍筋,致箍筋在二端轉角間之全段橫箍筋均無側撐,而箍筋本身一般均為小號數之鋼筋,其勁度較低,若柱之橫向尺度較大,則箍筋幾乎無法承受柱核心受壓所產生之向外爆開之力量。所有向外爆開之力量將僅有少部分會由立面拱架行為(圖五(c))向上、下傳至箍筋,而大部份會經由平面拱架行為(圖五(b))向左、右傳至柱之縱向主鋼筋的側面承受,再向上、下傳至箍筋或繫筋。因此此種繫筋綁紮方式會產生以下安全疑慮:(a)縱向柱主筋承受較大之混凝土向外爆開力量,會增加縱向主筋產生向外挫屈之可能性。(b)因為規範所規定之柱橫向鋼筋量,其強度僅夠彌補混凝土保護層剝落時之強度損失,其橫向鋼筋量之計算式原本就未計入由於縱向主鋼筋受軸壓及側壓所產生之向外挫屈力(此點規範亦有改進的空間),縱向主筋向外挫屈力會導致箍筋或繫筋承受額外之張力。

  (2)因為規範規定「在柱構材橫斷面周圍上之柱主鋼筋.其無橫向支撐者至有橫向支撐者之淨距不得大於15公分」,以及「繫筋或閉合箍筋相鄰各肢之中心距不得超過35cm」等規定;亦即容許柱主筋隔一根才提供側撐即可,但因箍筋在二端轉角間之全段橫箍筋均無繫筋提供側撐,因此此項規定對較大尺寸之柱或扁柱,柱主筋中無繫筋提供橫向支撐者,從柱頂至柱底全段均幾乎無側撐(見圖四),此種現象將造成幾近半數之柱主筋,其無支撐長度太長,且均位於圖五(b)之有效圍束區之外,因此會產生提前挫屈而無法承受軸壓力,尤其是當混凝土保護層剝落後之情况更為嚴重。縱向主筋向外挫屈力亦會導致箍筋或繫筋承受額外之張力。(現行規範第15.5.4.2節(2)條規定:「橫向鋼筋之間距不得超過10cm。」,及第15.5.4.6節規定:「在柱全長中未按第15.5.4.1至15.5.4.3節規定配置橫向鋼筋之部份,則應採用螺箍或閉合箍筋,其中心距不得超過柱主筋直徑之6倍及15cm。」等規定,其目的即為避免混凝土保護層剝落後引起主筋挫屈。)(待續)

 

圖四 因箍筋在二端轉角間之全段橫箍筋均無繫筋提供側撐,柱主筋中無繫筋提供橫向支撐者,從柱頂至柱底全段均幾乎無側撐

 

[info/fram/foot.htm]