結構耐震補強：四號鋼筋之植筋

張庭瑜¹、鍾立來^1,2、曾建創²、楊耀昇²

¹國立臺灣大學土木工程研究所、²國家地震工程研究中心 

在補強工程中，無論是翼牆、剪力牆或是擴柱補強工法，都需要藉由植筋將既有結構及補強結構相連接，因此植筋的妥善施作與否，決定了該結構補強的效益[1]。有鑑於此，文獻[2]提出一套植筋施作流程，並以三號鋼筋、設計降伏強度2,800、埋置深度10cm，進行一系列試驗，並將試驗結果提供給工程師參考。

但影響植筋拉拔強度之原因繁複，僅以完整植筋流程施作，未考慮實際狀況，仍可能導致植筋強度不足。因此，本文以門型構架試體，採用四號鋼筋、設計降伏強度4,200、埋置深度13cm，於其梁底部、基礎面上及柱側邊施行植筋，探討混凝土抗壓強度、植筋方位及拉拔速率等因素，並提出刨除混凝土保護層之植筋施作方法，供工程師參考。工程師必須充分掌握混凝土之狀況、鋼筋之配置、植筋處理程序及工法、拉拔試驗之佈置及程序等，待植筋完成後，再以植筋拉拔試驗確認其強度，方能達到預期之補強效果。

一、植筋拉拔試驗

本文探討之門型構架於試體製作時，分二次澆置，第一次為基礎，第二次為柱與梁，在施行植筋拉拔試驗時，基礎之混凝土齡期115天，平均抗壓強度107.4；柱、梁之混凝土齡期94天，平均抗壓強度207.7，由材料試驗可見，二批澆置之混凝土強度約有一倍之差異，正可顯現混凝土強度對植筋拉拔強度之影響。本次植筋拉拔試驗採用四號鋼筋，直徑為1.27cm，設計降伏強度為4,200，經材料試驗後，四號鋼筋之實際平均降伏強度為4,843.2，實際平均極限強度為6,907.2，極限與降伏強度之比值為1.43，平均伸長率為14.5 %。

本階段拉拔試驗共分為兩部分，植筋深度皆為13cm。第一部分於構架基礎頂面向下垂直植筋2根、柱側面水平植筋3根、梁底面向上垂直植筋3根，進行拉拔，共計取得8根鋼筋拉拔力量資料，植筋施作及拉拔試驗方法同文獻[2]之第一部分試驗；但第一部份植筋拉拔試驗於施作拉拔時，有載重加載過快而導致試驗結果高估之嫌，有鑑於此，再進行第二部分植筋拉拔試驗茲以驗證；第二部分於構架基礎頂面向下垂直植筋2根，於植筋拉拔試驗時確實落實靜態加載，並額外量測植筋鋼筋之應變及拉拔位移量，記錄其行為，植筋施作及拉拔試驗方法同文獻[2]之第二部分試驗。此外，本次植筋拉拔試驗裝置，均以一長90cm，寬23cm，高20cm鋼梁，作為拉拔試驗的基座，梁底面兩端各焊有一鋼墊塊（圖1），厚4cm，2墊塊之淨距離約60cm，此一間距足以保留植筋拉拔試驗可能產生之混凝土錐狀破壞，使試驗結果更能得到實際資訊。

第一部分試驗佈置如圖2所示。梁底面向上植筋3根，其拉拔試驗之強度分別為7,048、6,677及7,293，皆高於鋼筋之標稱降伏強度（4,200）及實際降伏強度（4,843.2），拉拔試驗之強度與標稱降伏強度之平均比值為1.67，與實際降伏強度之平均比值為1.45，3根植筋之破壞模式皆為鋼筋拉斷破壞（圖3a～3c）；柱子側面水平植筋3根，其拉拔試驗之強度分別為7,537、7,411及7,411，皆高於鋼筋之標稱降伏強度及實際降伏強度，拉拔試驗之強度與標稱降伏強度之平均比值為1.77，與實際降伏強度之平均比值為1.54，除1根破壞模式為鋼筋拉出外，其餘2根之破壞模式均為鋼材拉斷破壞（圖3d～3f）；基礎頂面向下植筋2根，其拉拔試驗之強度分別為4,096及4,586，僅1根鋼筋達標稱降伏強度，但兩者均未達實際降伏強度，拉拔試驗之強度與標稱降伏強度之平均比值為1.03，與實際降伏強度之平均比值為0.90，2根植筋之破壞模式皆為混凝土錐狀破壞（圖3g、圖3h）。由第一部分之結果（表1），梁與柱之植筋表現良好，而基礎則僅達標稱降伏強度之附近。基礎之混凝土抗壓強度為梁與柱之51.7 %，此為兩者拉拔試驗結果相差甚遠之主因，故混凝土之抗壓強度影響植筋效果甚鉅。

第二部分試驗佈置如圖4所示。第二部分試驗於確實落實靜態加載下進行操作，拉拔試驗之強度分別為3,803.5及3,457.8（表2），均低於鋼筋之標稱降伏強度（4,200）及實際降伏強度（4,843.2），拉拔試驗之強度與標稱降伏強度之比值為0.86，與實際降伏強度之比值為0.75，植筋之破壞模式為混凝土錐狀破壞（圖5）。觀察其應力-應變關係圖及應力-位移關係圖（圖6），兩根鋼筋均在進入降伏前，便已發生混凝土錐狀破壞，顯示鋼筋與既有結構連結能力不足。與第一部分之基礎植筋相比，拉拔速度一快一慢，拉拔強度隨之一高一低，足見拉拔速度亦為影響試驗結果的重要因子之一。

二、刨除保護層工法

刨除保護層工法之發想，乃基於植筋拉拔時，於混凝土錐狀破壞成型過程中，透過改變植筋介面基線之高度，使承受錐形破壞之混凝土，由原來未受圍束之混凝土，轉變為受圍束之混凝土，藉此改善灌漿表面浮水強度較低，或混凝土表面狀況不佳等缺失，使植筋能發揮其功效。刨除保護層工法施作步驟如下：

1.於待補強構件上，利用墨斗將補強位置標記清楚，在標記完畢之後，須以切割機對齊方才放樣之墨線，在待補強構件上切入約2~3公分之深度，此動作為日後打除混凝土保護層時，能使打除邊緣較為平整，不致歪斜，且不會波及不須施作補強之處（圖7a）。

2.打除混凝土保護層，直至看到鋼筋為止，此一動作可以確保植筋能確實植在混凝土圍束區內，將植筋之效益發揮到最大。此外，透過打除保護層之動作，可以同時達到混凝土表面打毛處理之效果（圖7b）。而此一動作須注意混凝土塊打除時，如遇雨天，需以帆布加以覆蓋，避免打除混凝土之溝槽積水，導致混凝土含水量過高，而影響到植筋效果。

3.按照標準植筋流程[2]，進行植筋施作（圖7c）。同上，為防止下雨造成混凝土潮濕，而導致植筋膠體連結不佳，建議於打除完成當日，即植筋完畢。若不允許亦應以帆布覆蓋，使植筋處之混凝土保持乾燥。

本次試驗有鑑於基礎面上植筋結果表現不佳，考慮到可能因灌漿時，基礎表面因表面浮水，而造成混凝土強度偏低，遂於另一混凝土平均抗壓強度95.3、齡期132天之構架基礎面上，刨除其頂面處約5公分厚保護層，直至見到基礎鋼筋後，再將同一批四號鋼筋（實際平均降伏強度為4,843.2，實際平均極限強度為6,907.2），以13cm之全深度，埋置於基礎核心混凝土內，再進行植筋拉拔試驗（圖8）。

本階段試驗為本文第三部分試驗，其佈置同第二部分試驗之佈置，於確實落實靜態加載情況下，進行一根四號鋼筋拉拔試驗，並額外量測植筋鋼筋之應變及拉拔位移量。拉拔試驗之強度為6,375.3（表3），均高於鋼筋之標稱降伏強度（4,200）及實際降伏強度（4,843.2），拉拔試驗之強度與標稱降伏強度之比值為1.52，與實際降伏強度之比值為1.32，植筋之破壞模式為混凝土錐狀破壞（圖9）。觀察其應力-應變關係圖及應力-位移關係圖（圖10），其應力與應變關係圖出現降伏及應變硬化之行為，顯示植筋鋼筋與結構體連結較為良好。

三、結語

1.在本文所述之條件下，四號鋼筋、埋置深度13cm，於強度較高的混凝土上進行植筋及拉拔試驗（本文之梁底部及柱側邊植筋拉拔試驗），強度至少達到1.59倍的標稱降伏強度（4,200），1.38倍的實際降伏強度（4,843.2）。但是，於強度較低的混凝土上，進行植筋及拉拔試驗（本文之基礎面植筋拉拔試驗），強度僅達到0.98倍的標稱降伏強度，0.85倍的實際降伏強度。此一現象顯示混凝土強度影響植筋強度甚大，工程師應視現場狀況施作，並確實進行植筋拉拔試驗。

2.以本文第一及第二部分於基礎面上植筋拉拔試驗結果，拉拔試驗之速率確會影響拉拔試驗之結果，快速拉拔之平均強度（4,341）為慢速拉拔之平均強度（3,630.65）的1.20倍，顯示快速拉拔可能導致試驗結果高估，工程師於現場拉拔施作時，應確實注意，應以慢速拉拔為宜。

3.梁底部向上倒吊植筋採參考文獻[2]之作法，施作結果鋼筋不歪斜，且易於施作。一般認知為倒吊植筋較難施作，而向下垂直植筋較好施作，但若克服鋼筋滑動的困難，觀察兩種拉拔鋼筋拉拔結果，倒吊植筋反而較一般基礎向下植筋更易確實清孔，有助於植筋效果提升，而向下垂直植筋則需更加注意清孔細節。

4.以本文第二及第三部分比較，均在靜態加載下進行施作，刨除保護層前之拉拔試驗強度僅達到0.91倍的標稱降伏強度（4,200），0.79倍的實際降伏強度（4,843.2）；而刨除保護層後之拉拔試驗強度提高到1.52倍的標稱降伏強度，1.32倍的實際降伏強度。顯示將鋼筋全深度植入核心混凝土內，可增加混凝土的圍束能力，而大幅提升植筋效益。

5.刨除混凝土層工法有提升植筋效益，可看見既有鋼筋，不至於錯鑽到鋼筋，導致鋼筋損壞。同時，可一併進行混凝土表面打毛處理等優點，但相對亦有工程費用較高、梁底灌漿時可能導致漿體不能覆蓋完全、防水處理不當可能成為漏水路徑等缺點，提供給工程師參考。

參考文獻

[1] 中華民國地震工程學會，「鋼筋混凝土建築物補強及修復參考圖說及解說」，科技圖書，2015年。

[2] 張庭瑜、鍾立來、曾建創、楊耀昇、王郁傑，「結構耐震補強：三號鋼筋之植筋」，台灣省土木技師公會，技師報第999期，第7~8頁，2016年。

表1  第一部分植筋拉拔試驗之試驗結果

表2  第二部分植筋拉拔試驗之試驗結果

表3  第三部分植筋拉拔試驗之試驗結果

圖1  植筋拉拔測試之基座鋼梁		圖2  第一部分植筋拉拔之試驗佈置
圖3  第一部分植筋拉拔試驗之破壞模式		圖4  第二部份植筋拉拔之測試佈置
圖5  第二部分植筋拉拔試驗之破壞模式		圖6  第二部分植筋拉拔試驗之應力與應變及 位移的關係
圖7  刨除保護層之施作流程		圖8  第三部份植筋將全深度埋置於核心混凝土內
圖9  第三部分植筋拉拔試驗之破壞模式		圖10  第三部分植筋拉拔試驗之應力與應變及 位移的關係