從台南維冠金龍大樓倒塌

談「單跨RC構架」之設計與施工

陳正平 技師

一、前言

2016年2月6日清晨3點57分，南台灣高雄美濃發生芮氏規模6.4強震，地震深度16.7公里，全台都有感，南台灣也陸續傳出災情，其中雲林縣草嶺震度6級為最大，台南市為5級。台南市區災情最為慘重，可能是地盤共振效應，造成台南有多處大樓倒塌，據台南市應變中心資料彙整，總計約有16件建築物倒塌，造成多人死傷、數百人無家可歸。位於台南市永康區永大路的維冠金龍大樓，倒塌災情最為慘重，整棟呈90度轉折，橫躺在永大路二段上(見圖1及2)。

新聞媒體報導多方專家、學者，提出倒塌原因的初步看法，其中主要觀點有：1、結構系統不佳「高寬比」偏大，穩定性欠佳；2、柱箍筋閉合接頭及繫筋端部為90度彎鉤，及梁柱接頭區之箍筋間距較設計圖所標示者為大；3、一樓挑高及柱鋼筋量較少；4、單跨構架結構系統不佳，梁柱接頭鋼筋過密，可能因而影響施工品質；5、續接器品質不良又在同一斷面全數續接，造成柱主筋續接處脫牙現象；6、土壤液化；7、工址曾為鯽魚大湖，地質偏軟；8、沙拉油桶埋入結構梁、柱構材；9、柱之實際斷面尺寸比原設計圖為小；10、大樓1至3樓隔間牆有被打掉，供作為賣場使用等情事。其中「單跨構架結構系統不佳」乙項，對結構耐震行為到底有何不良影響，卻未見有進一步的說明。筆者於大年初一，趁倒塌大樓尚未拆除搶救受難人之前，赴現場了解建築物結構破壤模式，探討倒塌原因，並於技師報第1003期，提出倒塌原因初步探討，供工程界記取慘痛教訓，不要再重踏覆轍，亦可提供鑑定單位參考。

現行「混凝土結構設計規範」，有關梁柱接頭區內，梁主筋之伸展與錨定之規定，甚為糢糊不清。施工廠商甚至為了使工地施工快速，常會有對梁柱接頭區內之梁主筋之長度，或標準彎鉤之伸展長度，故意縮減之情形(見圖3)。筆者亦曾參與一些鋼筋混凝土結構配筋準則，或設計標準圖的制定，在討論的過程中，亦發現甚多資深執業技師或專家學者，對梁柱接頭區的力學行為，仍不甚清楚，而會有一些對結構安全造成疑慮的看法，令人甚為耽憂。例如有委員認為，具標準彎鉤中直線延伸段，只要有，已足夠符合錨定需求；亦有認為只要標準彎鉤，通過柱中心線，即可符合錨定需求；亦有認為只要標準彎鉤，通過柱圍束核心的四分之三，即可符合錨定需求。當然梁主筋能依現行規範之規定，越伸入柱核心內越遠端，其錨定效果越佳，是不可否認的事實，但到底是否有其必要，卻甚少有人深入探討。本文再就台南維冠金龍大樓，「單跨構架結構系統」(見圖4)的耐震行為，提出探討，供工程師參考，不當之處，亦請不吝指正。

圖1 維冠金龍大樓倒塌		圖2 維冠金龍大樓倒塌，整棟橫躺在永大路二段上
圖3 標準彎鉤未延伸至柱核心遠端之案例。		圖4 維冠金龍大樓平面示意圖[5]

二、混凝土結構設計規範之相關規定

「單跨構架」或「單柱搭梁構架」，在結構設計理念而言，也是被允許的，但其梁-柱接頭都是外柱接頭，其設計及施工品質，需特別予以監督，才能保有規範所預期的耐震性能。筆者長久以來，一直認為現行「混凝土結構設計規範」，對鋼筋混凝土梁柱構架之梁柱接頭區內，梁主筋之伸展與錨定需求之規定，有不足之處，但我國「混凝土結構設計規範」，係參考ACI-318設計規範制訂，ACI-318設計規範，僅對鋼筋之伸展提供規定，但對錨定需求，則幾乎沒有提到。ACI-318設計規範既未有明訂，國內「混凝土結構設計規範」，係參考ACI-318規範編訂，因此甚難有重大突破之變革，設計及施工人員，需深入了解，才不會背負無限的責任。

“混凝土結構設計規範”第5.6條(受拉鋼筋標準彎鉤之伸展)，解說中敘明：抗拉彎鉤之破壞模式，通常為其鋼筋彎鉤彎轉段兩側混凝土之劈裂，或是其彎轉段內緣混凝土的擠碎。因此為避免此等破壞，須降低鋼筋彎鉤，在彎轉段內之拉應力，故對標準彎鉤之伸展長度作規定，為由臨界斷面起算，直至彎鉤之外側端之長度。而制定之目的，係期望透過在範圍內之握裹應力，逐漸降低臨界斷面處鋼筋之最大應力 f_y，使得鋼筋彎鉤彎轉段內之鋼筋拉應力，降低至不足以發生，鋼筋彎鉤彎轉段內緣混凝土的擠碎之破壞情形。

換言之，也就是鋼筋彎鉤，在彎轉段內緣混凝土，不致產生擠碎破壞，所需之折減伸展長度。但筆者認為：規範未對鋼筋受拉拔出(見圖5)，尤其是多根鋼筋成束或靠近，一起受拉拔出時，會有共用同一混凝土破壞錐的現象及解決方案加以說明。

圖5 未排除鋼筋受拉拔出破壞時，適用混凝土結構用錨栓之規定[ACI 318-14]。

“ACI352(Recommendations for Design of Beam-Column Connections in Monolithic Reinforced Concrete Structures)”第4.5.2.5節：「……對於大部分之第一型 (無承受重大非彈性變形之非耐震結構接頭)，及第二型 (承受反復載重會進入非彈性變形之耐震結構接頭)之外柱接頭，梁縱向鋼筋終止於柱內時，須使用標準彎鉤或擴頭鋼筋錨定。標準彎鉤或擴頭鋼筋之尾端，應延伸至柱圍束核心區之另一面(如圖6所示)，以促使接頭區內發展形成對角受壓桿，此為接頭區內力學平衡之主要抵抗機制……」。

三、鋼筋「錨定」之力學行為

“混凝土結構設計規範”之相關規定及說明，並未提及鋼筋之伸展，只是鋼筋錨定行為中之一個基本條件而已，其影響範圍內之混凝土拉破強度，是否可大於鋼筋斷面積之拉力強度？又一根鋼筋之伸展，與多根鋼筋成束或靠近，同時受拉之伸展，是否可達到同鋼筋強度的錨定效果等等作規定或說明。

蓋鋼筋之錨定，除須滿足(1)、混凝土對單一鋼筋的握裹強度(亦即伸展長度)是否足夠；(2)、混凝土圓錐狀破壞錐拔出之破壞模式，尤其是多根鋼筋之間距太近，或距離混凝土結構物之外緣太近時，應力破壞錐重疊，或應力破壞錐之形狀不完整之情形，是否會導致應力錐有效投影面積，不足以抵抗多根鋼筋之總拉力的現象。

若混凝土應力破壞錐之強度，不足以達到鋼筋斷面積之拉力強度，此時鋼筋在梁柱接頭區內之錨定行為，便須藉標準彎鉤延伸至圍束核心之遠端，才能鉤住接頭區內之對角向受壓桿(見圖6)，並藉桁架模式(Strut-and-Tie Models)行為來平衡，才能抵抗多根鋼筋(鋼筋群)之總拉拔力。

當埋置深度不足，就無法產生完整之桁架平衡模式，圖7所示為梁主筋90度標準彎鉤，各種延伸長度試驗，所得接頭剪力強度與設計規範規定值之比例值，其中90度標準彎鉤，延伸長度為四分之三深度時，12個試體中僅1個試體之試驗強度，大於設計規範規定值，另由圖7a之桁架平衡模式觀之，柱尺寸越大，標準彎鉤外緣，距離柱圍束核心之遠端之尺寸越大，推估接頭剪力強度，越不易達設計規範規定值。

圖6  接頭區桁架行為平衡模式，藉由保持等於 或大於d/1.5之錨定長度，以避免接頭拉破破壞		圖7  梁主筋90度彎鉤延伸長度不足之影響[黃世建]

另外，規範要求梁柱接頭內之梁主筋，必須延伸到鄰跨或柱圍束核心區之另一面，設置標準彎鉤錨定，此係為確保多根錨定入梁柱接頭區之梁主筋可形成完整之桁架模式，才能達到充分之錨定效果，及接頭剪力強度才可適用規範提供之接頭剪力檢核公式。

從「ACI-ASCE Committee 352R-02」“ACI 352 (Recommendations for Design of Beam-Column Connections in Monolithic Reinforced Concrete Structures)”，第4.5.2.5之規定，亦可明瞭標準彎鉤須延伸至柱圍束核心區之另一面錨定之用意(見圖8)。

圖8  鋼筋標準彎鉤須延伸至柱心遠端，錨定長度須大於 [ACI 352]

四、規範及「鋼筋混凝土結構標準圖」修正建議

綜上探討規定顯示，任何未達理想圍束核心遠端之錨定方式，均會對梁柱接頭效率折減。梁主筋在梁柱接頭區錨定不足，梁主筋可能會產生拉拔破壞，致梁端無法形成塑鉸，繼而影響整體構架之耐震能力甚鉅。尤其是全部為「單跨構架」或「單柱搭梁構架」之建築物，全部梁柱接頭均為位於外柱之梁柱接頭，若全部梁端均因梁主筋錨定不良而無法形成塑鉸，則整體構架之韌性行為便無法發揮。「單跨構架」或「單柱搭梁構架」，若因梁柱接頭之韌性行為無法發揮，而致結構物整體構架之韌性設計的觀念功虧一簣，甚為可惜。因此建議設計規範建議修正如下：

  第15.6.5.1條：「D10至D36之90°標準彎鉤鋼筋，其伸展長度之規定如下：

(1)常重混凝土：不得小於8d_b、15 cm及式(15-6)之規定。
  (15-6)

(2)輕質混凝土：為(15-6)式之1.25倍。

受拉鋼筋之90゜標準彎鉤，應延伸至柱圍束核心區之另一面。」。

至於「鋼筋混凝土結構標準圖」，亦建議比照圖8之方式，將『柱箍筋與標準彎鉤尾端間之最大淨間距為50mm』標示清楚。

五、結論

鋼筋混凝土梁柱構架，梁柱接頭區，甚多執業技師認為：『不論是直線伸展或具標準彎鉤之伸展，其錨定需求只要有符合伸展長度，即已足夠符合錨定需求；亦有認為只要標準彎鉤通過柱中心線，即可符合錨定需求；亦有認為只要標準彎鉤通過柱圍束核心的四分之三，即可符合錨定需求，此些論點均不符相關規範之規定，亦無法提出合理之力學依據。

依據ACI 352 (Recommendations for Design of Beam-Column Connections in Monolithic Reinforced Concrete Structures)”，第4.5.2.5之規定：對於大部分之第一型 (無承受重大非彈性變形之非耐震結構接頭)，及第二型 (承受反復載重會進入非彈性變形之耐震結構接頭)之外柱接頭，梁縱向鋼筋終止於柱內時，須使用標準彎鉤或擴頭鋼筋錨定。標準彎鉤或擴頭鋼筋之尾端，應延伸至柱圍束核心區之另一面(如圖8所示)，以促使接頭區內發展形成對角受壓桿，此為接頭區內力學平衡之主要機制。由ACI 352第4.5.2.5之規定，即可明瞭標準彎鉤，須延伸至柱圍束核心區之另一面錨定之用意。

梁主筋任何未達理想圍束核心遠端之錨定方式，均會對梁柱接頭效率折減。梁主筋在梁柱接頭區錨定不足，梁端之塑鉸形成前，先發生「混凝土破壞錐拉破之破壞模式」而致錨定失敗，梁端塑鉸就無法形成(見圖1)，而影響建築物結構體之耐震能力甚鉅。維冠金龍大樓為了一樓使用空間及地下室停車方便，整棟全為採「單跨構架」或「單柱搭梁構架」之建築物，尤其是樓梯間旁之扁柱(見圖3)，錨定深度不易達到規範之規定，整體韌性行為無法發揮，此恐為造成倒塌之另一因素。因此建議設計規範及鋼筋混凝土結構標準圖，均應明白註明：「標準彎鉤須延伸至柱圍束核心區之另一面錨定，且柱箍筋與標準彎鉤尾端間之最大淨間距為50mm」，不要有糢糊之處而致工程師產生誤解。【參考資料】

[1]ACI-ASCE,Committee 352 (2002).“Recommendations for Design of Beam-Column Connections inMonolithic Reinforced Concrete Structures”。

[2]內政部(2011)。“混凝土結構設計規範”2011年6月9日台內營字第1000801914號令修正。

[3]ACI-318,Committee 318(2014).“Building Code Requirements forStructural Concrete”。

[4]黃世建( 2010)。“國內鋼筋配置常見之瑕疵與改善對策”。

[5]黃武龍 ( 2016)。“由維冠倒塌模式探討結構系統”。