梁及柱構材鄰接斷面尺寸變化之配筋細節探討

陳正平  技師

一、前言

新版「建築物混凝土結構設計規範（土木401-112）」修訂完成，並自民國113年元月1日公布實施，目前已完成新版標準圖修訂並公布的公會計有三個單位，各公會公布的標準圖内容差異甚大，發現其中較晩公布標準圖版本竟然將原來是正確的標準圖版本改成有安全疑慮的標準圖版本；另外在技師群組的討論内容中亦發現常見有多數不正確的看法去凌駕少數正確意見的現象；亦有見專家學者發表其只見其一，未見其二的見解誤導技師。為避免嗣後同樣現象一再重演將正確的標準圖改成不正確的，後續還要花費更多的時間去説明改正，浪費社會資源。筆者因篇幅受限，僅將有關梁及柱構材鄰接斷面尺寸變化之標準圖配筋細節的部分提出詳細探討，供技師公會修訂標準圖時參考，及供工程師設計參考使用。不當之處亦請工程先進不吝指正，共同提升工程技術水準。

二、標準圖制訂原理背景及設計規範相關條文規定

標準圖細部詳圖之設計及制訂，除須符合「建築物混凝土結構設計規範」(以下簡稱「設計規範」)條文的規定外，更重要的考量就是要符合力學原理及傳力機制的完整性。不能單純以能符合設計規範條文的規定就認定為滿足結構安全需求。此次各公會標準圖改版會發生大幅度差異的原因，筆者認為係部分版本將「符合設計規範條文的規定」視為是唯一的制訂依據與原則，缺乏工程專業判斷及力學素養所産生的現象。標準圖細部詳圖的設計及制訂的要點建議如下：

（1）傳力方式簡單明確，避免産生次應力；（2）接頭效率及結構安全性與經濟性；（3）鋼筋加工簡單，綁紮容易等施工性；（4）依接合位置之重要性調整安全係數；（5）視接頭詳圖為子結構系統，同時亦為整體結構系統的一部分等，進行整體考量。其中，第（5）項影響結構安全最為重大。

縮柱及梁高低差，在新版設計規範相關條文規定計有第10.7.4.1節：「偏折鋼筋對柱軸偏斜部位之斜率不得大於1/6，偏斜部位上下之鋼筋須與柱軸平行」、第10.7.4.2節：「柱面偏移7.5 cm以上時，縱向鋼筋不得偏折，且須設置插接筋與鄰近偏移柱面之縱向鋼筋搭接」、第10.7.6.4.1節：「縱向鋼筋偏折時，須有箍筋、閉合箍筋、螺箍筋或局部樓板構造作水平支撐，且須能承受鋼筋偏折部分水平分力 1.5 倍之推力」，以及第10.7.6.4.2節：「若用橫向鋼筋做抗力，箍筋、閉合箍筋或螺箍筋須配置於偏折點15 cm以內」。設計規範第25.5.1.3節：「對於受撓構材中之非接觸續接，續接鋼筋之側向心至心間距不得大於所需搭接長度之1/5及15 cm之較小值」。

三、縮柱標準圖結構力學行為探討

縮柱現象大部分係上柱斷面較小，下柱斷面較大（見圖1），但有時地下室為了停車空間需求，而將下柱之斷面尺寸減小或改變矩形柱之長短邊方向等特殊情況（見圖2）。無論何種情況，只要有縮柱情形，應以對稱退縮為原則，否則應將不對稱退縮所産生之P-△效應納入結構系統作整體設計考量，以及局部桿件之P-δ效應納入桿件設計考量（尤其是鋼筋偏折位置位於桿件跨度中間段時更須考慮對稱性）。對於柱面偏移，柱主筋錯位搭接所産生之局部偏心彎矩，亦須配合額外配置平衡箍、繫筋，以維持力系平衡。

(一)柱面偏移＜7.5 cm之情況

依據設計規範規定，當柱面偏移＜7.5 cm時可採柱主筋偏折方式處理，但須於無樓板或接入梁構材作水平支撐處之柱主筋偏折點15 cm範圍內，配置能承受鋼筋偏折部分水平分力1.5倍推力之箍筋、閉合箍筋或螺箍筋圍束。因毎支偏折鋼筋在偏折點均會産生水平分力，因此毎支鋼筋之毎一偏折點均須有水平支撐。但B公會標準圖（見圖3）之下偏折點，位於接入梁之下緣，已偏離接入梁下層主筋位置，梁下層主筋未能有效提供水平支撐之效果，亦未能符合設計規範之規定，以及柱角隅處位於接入梁之寛度以外之主筋，雖部分會有柱箍筋之角隅鉤住，但仍會有部分位於接入梁之寛度以外與角隅柱主筋間之柱主筋，無箍、繫筋鉤住之情形。依設計規範之規定應配置能承受鋼筋偏折部分水平分力1.5倍推力之箍筋、閉合箍筋或螺箍筋圍束之，且須在柱既有圍束箍筋以外額外另加，既有柱箍筋不得計入。

當柱筋偏折現象發生在外柱之外側面時，則更須對毎一根柱主筋於偏折點15 cm範圍內，配置能承受鋼筋偏折部分水平分力1.5倍之推力之箍筋、閉合箍筋或螺箍筋圍束之。以圖2上柱大下柱小之縮柱案例中，其柱主筋偏折點已離開梁柱接頭區甚遠，且位於外柱之外側面，以及偏移≧7.5 cm等情形。上、下偏折點毎根柱主筋均須額外配置能承受鋼筋偏折部分水平分力1.5倍推力之箍筋、閉合箍筋或螺箍筋圍束之，會導致上、下偏折點附近箍、繫筋過密，造成混凝土澆灌施工困難的問題。筆者建議應改用錯位搭接方式，將下柱之柱主筋向上柱延伸進行錯位搭接，才能符合設計規範之規定及結構安全的需求。

(二)柱面偏移≧7.5 cm之情況

1.在地面層以下之情況（側移受到束制）

依據設計規範規定，當柱面偏移≧7.5 cm時，縮柱接頭區所需之力系平衡機制有二種。其一為1FL樓板面之上、下柱彎矩相互平衡模式，其二為柱承受上舉軸向拉力平衡模式。二種平衡模式都有同樣的錯位拉力搭接長度需求。依設計規範第10.7.4.2節之規定須設置插接筋與鄰近偏移柱面之縱向鋼筋「搭接」。此處搭接之規定也是「縮柱」位於一樓柱之柱底處承受地震力時，上、下柱接頭區柱受拉側之柱主筋力系平衡所需之主要平衡機制，此種力系平衡機制不適用於二樓以上的一般層。此種力系平衡機制是否可採如B公會標準圖中（見圖3），上柱倒插入下柱之倒插筋，採用伸展長度錨定？筆者認為千萬不可。理由是在1FL横隔樓板受到其與地下室外牆組合而成之箱型結構所束制，而無法産生側移，因而地震時一樓柱底之彎矩，主要係由地下室一層柱之柱頂彎矩平衡。梁柱接頭區二側之梁可分擔小部分一樓柱底彎矩。因此縮柱在一樓柱底受拉側主筋與B1柱頂受拉側主筋，二者須以相互錯位搭接平衡，故僅能採「搭接」不可採用「伸展」。顯然B公會標準圖採用伸展長度（見圖3）未考慮到此種接頭力系平衡機制，致未能符合結構安全需求及設計規範第10.7.4.2節：「柱面偏移7.5 cm 以上時，縱向鋼筋不得偏折，且須設置插接筋與鄰近偏移柱面之縱向鋼筋搭接。」之規定。惟如果上柱倒插之插接筋底端具有擴頭板時，筆者認為二搭接鋼筋之端部均具錨頭或是標準彎鉤搭接時，直線搭接段之長度可由1.3Ld減為0.7Ld再加上錯位距離。

以圖2為例，其錯位距離已達20公分，依設計規範第25.5.1.3節之規定，已超過最大値15公分之規定，建議採用下柱主筋向上延伸達搭接長度，並另加錯位距離。同時須於錯位搭接長度範圍之上、下端增設平衡柱主筋錯位距離産生之偏心彎矩所需之箍、繫筋。

【筆者註：鋼筋錯位搭接雖然設計規範第25.5.1.3節規定：「對於受撓構材中之非接觸續接，續接鋼筋之側向心至心間距不得大於所需搭接長度之1/5及15 cm之較小值。」此條規定未説明是否須額外增加搭接長度，亦未敘明大於此規定之錯位時如何設計。因此此條規定造成設計者困擾，很多鋼筋錯位超過15cm的情況就無法設計，諸如：（1）樓板或牆開孔補強；（2）大樓之外柱與地下室連續壁共構時，二者間上舉力之轉接傳遞；（3）牛腿受拉鋼筋（開榫端接合部）之錨定；（4）横隔板邊構材錯位；（5）集力構件錯位；（6）樓板或梁的高低差；（7）柱面退縮；及（8）錨栓錨定鋼筋等錯位，經常出現大於15cm時之情況。筆者認為只要將錯位横距加入搭接長度，並將産生之偏心彎矩提供反向抵抗力矩予以平衡即可。同時為方便施工及避免工地或設計發生錯誤的可能性，及錯位在15cm與16cm時突然增加長度的不調和性，實務上建議錯位搭接長度一律保守簡化為另加錯位距離。

2.在二樓以上之情況（側移未受到束制）

「縮柱」位於二樓以上的一般樓層時，梁柱接頭在承受地震側力下，接頭區可能承受的力系平衡機制主要有二種需求，其一為承受地震側力下産生之接頭「強柱弱梁」韌性檢核之彎矩平衡模式；其二為柱承受地震側力産生之上舉力（此種受力模式較可能發生在柱二側之梁跨度有長、短跨現象，或外柱，尤其是短跨外柱或剪力牆邊構材之情況）。

當縮柱接頭區承受地震側力産生之接頭「強柱弱梁」韌性檢核之彎矩平衡模式時，縮柱梁柱接頭之上柱倒插筋須延伸至接頭區（梁深）下緣，並須具有標準彎鉤或T形擴頭，或突出梁下緣達標準彎鉤等値直線延伸長度，以確保可以有效鉤住或壓住梁柱接頭區的對角壓桿，才能確保柱主筋不會産生拉破混凝土的先期破壞模式。但當縮柱接頭承受第二種情況之上舉力時，則縮柱之上柱倒插筋須與下柱之柱主筋錯位搭接續接，才能抵抗柱之上舉力。為了能同時滿足二種力系平衡機制的需求，筆者認為只有依設計規範第10.7.4.2節：「柱面偏移7.5 cm 以上時，縱向鋼筋不得偏折，且須設置插接筋與鄰近偏移柱面之縱向鋼筋搭接」之規定，進行錯位搭接，同時將倒插之插接筋的錯位搭接長度，除須延伸至梁底外，並於突出梁底面之長度至少保有標準彎鉤的等値長度0.7Ld（A公會標準圖見圖1），以確保可以壓住梁柱接頭區之對角壓桿，以便發展出接頭「強柱弱梁」韌性檢核之彎矩平衡模式。

B公會標準圖（見圖3)上柱插接筋僅達伸展長度，無法滿足鋼筋拉力錯位搭接，傳遞鋼筋全拉力需求，亦無法確定可發展出「強柱弱梁」韌性檢核之彎矩平衡模式。另外，B公會標準圖之下柱主筋採用擴頭取代標準彎鉤時，擴頭停止於離開柱頂20cm處不符合規範延伸至核心區遠側的規定，其標準彎鉤應延伸至接頭區頂部，以確保梁柱接頭力系平衡機制。

3.靜載重下，二側梁彎矩不平衡之情況

縮柱接頭二側梁之不平衡彎矩須由柱平衡時，在接頭區的平衡機制，可含蓋於「強柱弱梁」韌性檢核之彎矩平衡模式中。

圖1  上柱小下柱大之縮柱（A公會標準圖）		圖2 上柱大下柱小之縮柱案例
圖3  上柱小下柱大之縮柱（B公會標準圖）		圖4   B公會梁高低差標準圖

四、梁高低差標準圖結構力學行為探討

柱二側接入梁有高低差現象，比較常出現於地面層的室内外高低差，其力系平衡機制，因一樓柱底彎矩主要係由B1柱頂彎矩平衡，柱二側之接入梁僅分擔部分一樓柱底彎矩，因此在接頭二側接入梁有高低差現象時，主要平衡機制係由接頭二側接入梁之上層筋拉力以錯位搭接方式互相平衡。也因為一樓樓板受到地下室剛性較大之箱型結構束制，不會産生因構架側移所産生之「強柱弱梁」韌性檢核的平衡機制。

B公會梁高低差標準圖（見圖4）中，低高程梁之上層主筋係以伸展長度伸入鄰跨，如此無法滿足鋼筋拉力搭接的規定，亦不一定能滿足將二側接入梁之不平衡彎矩傳給柱之錨定需求，可能造成傳力路徑的弱點【設計規範第18.5.2.2節：「縱向鋼筋終止於接頭內時，應延伸至接頭核心區之另一面，且應按第18.5.5節之規定發展其受拉強度……」，及第18.5.5.1節：「對鋼筋尺寸D10至D36以90度標準彎鉤終止之鋼筋而言，Ldh應按式(18.5.5.1)計算，但對常重混凝土而言，應至少為8db與15 cm之大值……」】。

西元2021年6月曾發生美國Florida州Miami-Area一棟13層公寓大樓瞬間局部倒塌，可能的原因即為一樓室内、外樓板系統高低差現象，因室外板發生剪力貫穿，而將大樓外柱於樓板系統高低差處折斷，繼而産生周邊構架連續性倒塌現象(見圖5)，所以一個接頭細部處理不當即可能引發結構系統産生連續性的結構整體破壞。由此案例亦突顯柱二側之梁有高低差時，内、外梁彎矩自行平衡，以避免柱承受額外彎矩的重要性，筆者認為將室内梁加深至與室外梁或版底同高，或室内梁底增設托肩使其底面與室外梁或板底同高，並使内、外梁彎矩自行平衡避免柱承受額外彎矩，即可避免災害發生。

圖5   美國佛州13層公寓一樓樓板系統高低差産生破壞案例

二樓以上之一般層梁較無高低差的情形，大部分情況發生於懸臂陽台支承梁之情況，其高低差約在5cm左右，其力系平衡機制亦會傾向内外梁平衡大部分彎矩的平衡機制，此時須有錯位搭接長度，惟所幸此種情形内梁之鋼筋量大多會高於外懸臂梁，可在内梁上層筋配置第二層鋼筋直接直通外懸臂梁。

在一般層之内柱，也可能出現柱二側梁有高低差的情形，此時須同時滿足地震側力産生之「強柱弱梁」平衡機制，及垂直載重彎矩須由柱二側接入梁自行平衡的機制。因此除須符合錯位搭接的平衡機制，錯位搭接長度亦須延伸至柱外一標準彎鉤的等値長度(約0.7Ld)。

綜上探討只有A公會標準圖（見圖6）可同時滿足各種狀況，惟梁主筋直通鄰跨時，設計者須重新檢核塑鉸強度増加至梁剪力強度需求，及強柱弱梁檢核柱筋增加的問題，此點施工單位無法處理，須由設計者於韌性檢核分析時納入考量。

五、結論

綜上探討，縮柱與梁高低差之標準圖制訂所需考慮的力學行為與對策甚多，且有多項相似之處，主要是利用錯位搭接的原理解決傳力路徑的完整性。對於錯位搭接長度須延伸至柱外0.7Ld以保有標準彎鉤等値效果，而導致須再重新檢核梁二端産生塑鉸時之剪力鋼筋量，以及強柱弱梁的韌性檢核問題，尚不易避免。惟所幸須檢核之位置不多，影響程度尚屬輕微。

在此持別提醒，一個接頭細部的處理不當，可能會引發結構系統産生連續性的結構整體破壞。只有A公會之「縮柱」及「梁高低差」之標準圖可同時滿足前述探討之各種情況。若設計個案無需同時滿足各種狀況，設計者可依個案需求自行另繪詳圖取代標準圖（例如部分採錯位搭接，部分採標準彎鉤伸展錨定，減少因錯位搭接主筋延伸入梁内産生韌性檢核增加鋼筋用量的問題）。