「混凝土結構設計規範」草案

針對耐震結構新規定之介紹

陳正平  技師

前言

「中國土木水利工程學會」混凝土工程委員會（下稱：該委員會），編訂之新版「混凝土結構設計規範」草案，主要係參考美國混凝土學會所出版之 “結構混凝土建築規範要求(Building Code Requirements for Structural Concrete)，ACI 318-2014”、以及綜合國內施工環境與新材料新工法編訂。ACI 318-2014規範，除了章節重新編訂外，對於特殊抗彎矩構架亦有多項修訂。該委員會鑒於ACI 318-2014規範有了重大變革，因此著手新版「混凝土結構設計規範」之編訂，並於民國105年底完成規範草案，其中第18章「耐震結構物」中，對“特殊抗彎矩構架”有了更嚴謹之規定，筆者特別提出介紹，不當之處，尚請工程先進不吝指正。

新版規範變更內容探討

1.材料之相關規定

鑒於混凝土強度與水密性及耐久性、以及斷面曲率韌性，有大約成正比的關係，以及混凝土產製技術、摻料的應用技術的提升，混凝抗壓強度大幅提升。因此新版「混凝土結構設計規範」（下稱：新版規範）將使用於耐震構架之混凝土，其28天之最低抗壓強度，由現行之210kgf/cm²，提高為245kgf/cm²，新規範公布實施後，國內各地區均屬耐震區，因此所使用之最低混凝抗壓強度必須使用245kgf/cm²。

另外，由於混凝土為非均質複合材料，其彈性模數值會隨著混凝土之配比、材料取得來源的不同，相當程度地影響了混凝土的彈性模數值的高低，世界各國無不致力於研究適用之彈性模數建議公式。根據台灣已有研究中可以發現到，台灣混凝土彈性模數值，較國外規範所預估之値有偏低的趨勢[3]，然而台灣混凝土現行設計規範中建議公式，卻仍以美國規範預測公式為主，造成台灣工程業界，時常發現有混凝土實際變形與估算不符情形；也由於近年包括高強度混凝土、自充填混凝土、高飛灰、水淬高爐爐碴粉摻量混凝土等，高性能混凝土的廣泛使用，更考驗原有公式準確性與合宜性。混凝土彈性模數為混凝土結構工程設計中重要基本性質，其值高低直接影響受力時混凝土構材之變形，或是設計地震力大小，為工程師進行結構設計時計算構材剛度、撓度、剪力釘滑移量等的重要參數；同時，混凝土的彈性模數高低，也影響了其收縮及潛變等行為，在混凝土結構漸往性能設計發展趨勢下，彈性模數的評估及計算顯得更為重要[3]。

新版規範蒐集國內各大學及試驗機構試驗資料，比較各國公式與實際實驗值之差別，建議將ACI 318之混凝土彈性模數預測公式乘上0.8之修正因子，即，其中為混凝土規定之設計抗壓強度，單位為，適用範圍為抗壓強度在210 kgf/cm²~840 kgf/cm²間之混凝土，作為工程預估混凝土彈性模數時之建議公式[3]。同時有鑒於SD420鋼筋，國內已使用多年，近年來透過新工法、新材料的審核，通過之案例亦不少。因此在鋼筋的部分新增了主筋得使用SD490，但須符合下列三項規定：(1) 實際降伏強度不得超出規定降伏強度 f_y 達1,250 kgf/cm²以上；(2) 實際抗拉強度與實際降伏強度之比值不得小於1.25；(3) 200mm標距長度的最小伸長率，D10~D19鋼筋至少為14%，D22~D36鋼筋至少為12%，D43~D57鋼筋至少為10%。

2.梁之相關規定

新版規範草案對構架梁塑鉸區，於第18.3.4.2 節規定：「在需要閉合箍筋之範圍內，最靠近拉力側與壓力側表面之主要縱向鋼筋須有符合第25.7.2.3節與第25.7.2.4節之側向支撐。具橫向支撐之撓曲鋼筋，其間距不應大於35 cm……」。此條規定與柱塑鉸區之規定相同。現行規範僅規定無橫向支撐之主鋼筋與相鄰具橫向支撐鋼筋之淨距不得大於l5cm，因此若每根主筋皆有橫向支撐，則按現行規範，主筋之間距無最大值之限制，對受壓側混凝土之圍束造成不利的影響。

新版規範草案對梁之塑鉸區的閉合箍筋間距變得更嚴格，於第18.3.4.4節：「 第一個閉合箍筋距支承柱面應不超過 5 cm 。閉合箍筋間距應不超過(a)至(c)之最小值：(a) d/4；(b) 除第9.7.2.3節中所需之縱向表層鋼筋外之最小主要撓曲鋼筋直徑之6倍；(c) 15 cm。箍筋間距加密係為了對縱向鋼筋挫屈之束制，將最大間距限制在15cm以下係對受壓側混凝土提升圍束效果。

3.柱之相關規定

新版規範草案新增柱配置圓形箍節筋時，應至少有6根縱向鋼筋。現行規範最少根數為4。

現行規範於柱塑鉸區限制繫筋或閉合箍筋，相鄰各肢之中心距不得超過35cm。新版規範草案則改由受側向支撐之縱向鋼筋中心距來計算。

對於直線型閉合箍筋柱而言，新版規範規定：若軸壓力較大時(P_u ≧ 0.3A_g f_c¢) 或混凝土之設計強度較高時( f_c¢ > 700 kgf/cm²)，則沿柱核心周邉之每一縱向鋼筋或束筋，應有閉合箍筋或繫筋彎轉段提供之側向支撐，且之值應不超過 20 cm 。此規定係因較高之軸壓力作用下、或使用較高強度混凝土之柱，其受壓破壞行為傾向脆性破壞。其原因係因縱向鋼筋隔根才有繫筋鉤住，致無繫筋鉤住之縱向鋼筋容易挫屈，並連帶使混凝土更容易壓脆，因此須增加縱向鋼筋之側撐與混凝土之圍束，新版規範草案對每一根縱向鋼筋提供側向支撑，並且將受側向支撐之縱向鋼筋間距由35cm降至20cm。

新版規範草案對柱塑鉸區橫向鋼筋用量，首度引入軸壓力、混凝土抗壓強度，及繫筋耐震彎鉤等參數。草案中，若軸壓力P_u不超過0.3 A_g f_c¢，且混凝土之設計強度不超過700 kgf/cm²時，則橫向鋼筋之用量同現行規範。但若軸壓力P_u超過0.3 A_g f_c¢，或混凝土之設計強度超過700 kgf/cm²時，則直線型箍筋須額外再考量公式，螺箍筋或圓形閉合箍筋則須額外考量公式。該額外考量之公式所計得之橫向鋼筋量，隨軸壓力與混凝土抗壓強度之上升而增加，增加之橫向鋼筋量用來提高混凝土圍束效果，確保柱之韌性行為。此外，該公式之k_n係數是為考量耐震彎鉤之影響，在k_n係數計算式中，為閉合箍筋轉角或有耐震彎鉤側向支撑之縱向鋼筋數目， 90度彎鉤不得計入中，k_n係數隨之增加而下降。亦即，當越多的縱向鋼筋受到耐震彎鉤側向支撑時，橫向鋼筋之需求量會下降，反之則會增加。

新版規範草案對柱縱向鋼筋採搭接方式續接時，新增第18.4.4.3節：「…搭接續接僅容許於構材長度之中央1/2內，並應設計為拉力搭接，且應被圍封於符合第18.4.5.2節與第18.4.5.3節之橫向鋼筋內。」，其中第18.4.5.2 節為：「18.4.5.2 橫向鋼筋須符合(a)至(f)之規定：(a) 橫向鋼筋應包含單個或重疊螺箍筋、圓形閉合箍筋或含與不含繫筋之直線型閉合箍筋；(b) 直線型閉合箍筋與繫筋之彎轉段均須圍繞於外周之縱向鋼筋；(c) 在第25.7.2.2節規定之限制下，繫筋應可使用與閉合箍筋同尺度或較小之鋼筋。沿著縱向鋼筋與沿著斷面周邊，相鄰繫筋端部應交替；(d) 直線型閉合箍筋或繫筋應按第25.7.2.2節與第25.7.2.3節規定提供縱向鋼筋側向支撐；(e) 鋼筋應配置使沿柱周邊上，受繫筋轉角或閉合箍筋各肢側向支撐之縱向鋼筋間距h_x不超過 35 cm；(f) 在P_u ≧0.3A_g f_c¢ 或 f_c¢ > 700 kgf/cm²之直線型閉合箍筋柱，沿柱核心周邊之每一縱向鋼筋或束筋應有閉合箍筋轉角或繫筋彎轉段所提供之側向支撐，且之值應不超過 20 cm 。應為含E之因數化載重組合所得之最大壓力。」。

第18.4.5.3 節：「橫向鋼筋之間距應不超過(a)至(c)之最小值：(a) 柱最小尺度之1/4；(b) 6倍最小縱向鋼筋直徑；(c) s_o，如下式計算，式中之s_o值應不超過 15 cm ，亦不須小於 10 cm 。」。

草案對柱中間段之箍筋量於第18.4.5.5作了明確的規定：「於第18.4.5.1節所規定長度ℓ_o範圍之外，除非第18.4.4.3節或第18.4.6節另有要求較多之橫向鋼筋量，否則柱應採用符合第25.7.2至25.7.4節規定之螺箍筋或閉合箍筋，其間距s應不超過柱最小縱向鋼筋直徑之6倍與 15 cm 之較小值。」。

4.梁柱接頭之相關規定

草案之強柱弱梁條款中，其柱彎矩強度M_nc與梁彎矩強度M_nb之比值係基於柱與梁在接頭面之強度比值 (Σ M_nc ³1.2 ΣM_nb) ，現行規範則是比較柱與梁在接頭中心之強度，變更後對計算較方便。

若梁柱接頭之寛度小於高度之一半，則傳遞該「接頭剪力」之對角壓桿相當陡峭，會降低「接頭剪力」之傳遞效率，因此草案不鼓勵梁柱接頭之寛度小於高度之一半之狀況。對梁柱接頭之剪力強度計算，草案改以柱連續性、梁連續性，以及有無橫向梁圍束，來代表接頭三個方向上的圍束程度，並以此三個方向的圍束程度來區分「接頭剪力強度」之等級。柱或梁之連續性係指柱或梁延伸至接頭另一側，至少一倍柱或梁全深，且柱或梁延伸段縱向主筋亦應延續。若柱連續，則代表接頭在其上面受到較佳圍束；若梁連續，則代表接頭在傳遞剪力之二面受到較佳之圍束。橫向梁圍束則是指在垂直剪力方向之接頭二側有覆蓋接頭面積超過3/4的梁，該二側梁須符合前述梁連續之規定。若具有橫向梁圍束，則接頭於垂直剪力方向二側受到較佳之圍束，可適用較高等級的剪力強度。

草案將接頭圍束區分為三個三方，每個方向圍束之優劣只造成一個等級的剪力強度差異，且分類亦含蓋屋頂接頭，較現行規範合理。在計算接頭剪力強度方面，草案將二側之有效接頭寛度尺寸分開計算，有效接頭寬度應不超過梁腹寬度b_w兩側各加(a)與(b)之較小值：(a) 接頭深度之1/4。(b) 梁腹側面至柱邊之距離。以草案之方式計算有效接頭面積，與現行規範之計算方式相較，草案計得之有效接頭面積稍大，改善了現行規範對梁偏心之接頭剪力強度較保守之現象。

梁主筋錨定於梁柱接頭中，現行規範規定該90度彎鉤應置於圍束核心之遠側，但並未排除彎鉤向接頭外側彎的作法，此種作法不利接頭區桁架模式之平衡機制。因此新版規範草案明訂梁端彎鉤除應置於圍束核心之遠側外，並應將彎鉤向接頭彎入。同時草案增加擴頭竹節鋼筋之使用，擴頭竹節鋼筋所需之伸展長度可較直線或標準彎鉤之伸展長度較短，且擴頭所佔之空間較標準彎鉤集中，可降低接頭區鋼筋擁擠的問題。草案於第25章(鋼筋細節)中第25.4.4節規定，擴頭竹節鋼筋之受拉伸展長度，並規定配置間距等細節，包含：(a) 鋼筋須符合第20.2.1.3節規定；(b) 鋼筋降伏強度f_y不得超過4200 kgf/cm²；(c) 鋼筋尺度不得大於D36；(d) 擴頭淨承載面積A_brg 應至少4A_b；(e) 混凝土應為常重混凝土；(f) 鋼筋淨保護層應至少2d_b；(g) 鋼筋間淨距應至少4d_b。

此等配置細節，源自擴頭竹節鋼筋錨定於圍束措施較差的梁端與版試體的試驗結果，對於擴頭鋼筋錨定於梁柱接頭區內而言，由於梁柱接頭區受大量柱主筋與橫向鋼筋之圍束，因此草案中規定：當擴頭竹節鋼筋錨定於梁柱接頭區內時，鋼筋間淨距可放寛為至少2d_b，且混凝土抗壓強度f_y可放寬至不超過700 kgf/cm²。草案中規定梁負彎矩鋼筋以擴頭方式錨定於梁柱接頭區內時，則該接頭之柱應向接頭之上方延伸至少一個接頭深度(柱全深)之距離，或應於梁柱接頭區之頂面，以額外接頭垂直箍、繄鋼筋圍束擴頭竹節梁鋼筋。此規定係針對梁柱之角隅接頭而設置，用以增強梁柱之角隅接頭上側圍束擴頭竹節鋼筋錨定之效果，以避免擴頭竹節鋼筋受拉時，擴頭端向上方撬起而脫離之破壞模式。

惟，在此亦特別提醒工程師，在以擴頭竹節鋼筋錨定於梁柱之角隅接頭之接頭區內情況，外角隅之梁及柱之擴頭竹節鋼筋，以交叉通過為宜。若梁及柱之鋼筋擴頭未交叉通過而有存在一間隙，則當擴頭竹節鋼筋受拉時，在對角彎矩臨界斷面會通過該間隙，而出現該對角彎矩臨界斷面處通過無受拉鋼筋之情況，而導致該梁柱之角隅接頭在對角彎矩臨界斷面處開裂，示意圖見圖1所示。

圖1 梁柱角隅接頭在對角彎矩臨界斷面處開裂示意圖 

草案第18.3.2節將梁寛超過支承柱時，突出支承柱之有效寛度改為「梁寬任一邊超過支承柱寬度之部分，不應超過c₂與0.75c₁之較小值。」，現行規範第15.4.1.4節係參考扭西蘭規範訂為「 梁寬bw不得超過其下支承柱之寬度再加上兩邊外伸長，任一外伸長不得超過柱深之1 / 4；梁寬bw亦不得超過柱寬之二倍。」此項修訂對梁柱接頭區之有效寛度放寛許多。

結語

雖然設計規範係經一群小組研討制訂，但畢竟少數人仍無法考慮周全完美呈現，同時新的研究發現及材料，推陳出新，以至於隔數年即修訂一次。因此，面臨此新的環境，工程師進行結構設計時，必須要有足夠的專業素養及結構力學靈敏的判斷力；而面對設計規範，不能堅持只符合單一條文而不管是否有安全顧慮。總之，專業技師在進行結構工程設計時，對於設計規範僅能視為最低要求、並應綜合考量相關規範，作綜體應用，要秉持綜覽相關規範條文規定，並依據結構力學原理作綜合專業的判斷，才能達到結構設計「藝術」的境界。

新版規範草案引入數種新材料、新工法，例如，高強度鋼筋及擴頭竹節鋼筋，更能符合產業界的需求。另外，基於新近研究發現，新版規範草案對梁或柱之橫向鋼筋配置細節、及箍繫筋用量，有更嚴格的規定，更能確保結構物在大地震下之韌性與安全性。

【參考資料】

[1] 內政部建築研究所(20l6)。“混凝土結構技術規範之修正研擬”。中國土木水利工程學會。

[2] 歐昱辰(2017)。“混凝土結構設計規範草案於特殊抗彎矩構架耐震設計之重要變更”。中國土木水利工程學會，第44卷，第1期。

[3] 廖文正等(2016)。“台灣混凝土彈性模數建議公式研究”。結構工程期刊，第31卷，第3期。