鋼筋混凝土結構柱翼牆補強

主筋採植筋以等值寬柱分析適切性探討

陳正平 技師

一、 前言

近日在一個鋼筋混凝土建築物結構耐震補強的審查會議場合上，補強設計單位採用翼牆補強工法，於立柱兩側，除了以植筋方式將翼牆水平筋連接於柱以外，另將翼牆之豎向主筋以植筋方式植入上、下梁內，並模擬為等値寛柱進行耐震評估分析。在場的審查委員沒有一個人認同「翼牆豎向主筋以植筋方式值入上、下梁內，模擬為等値寛柱進行耐震評估分析」的作法。因此而造成爭議，有審查委員表示要放棄審查委員身份退岀審查會。後因本審查案建築物結構僅二層樓且結構之現況耐震能力不足量不多，才暫時化解爭議。為了此事件筆者近日於結構工程學會與地震工程學會的年會大會中徵詢多位資深結構技師對翼強補強工法翼牆豎向主筋以植筋方式植入上、下梁內，模擬為等值寬柱分析適切性的看法，結果亦無任何結構技師表示認同。

多年前筆者亦曾參與公有建築物耐震補強設計案的審查會議，當時設計單位亦為採用翼牆補強工法，所採用之翼牆豎向主筋為雙層8號高強度鋼筋，間距15公分，以植筋方式植入上、下約30公分寛之梁內，並模擬為等値寛柱進行耐震評估分析。筆者認為翼牆豎向主筋採8號高強度鋼筋，以植筋方式植入上、下梁內，除了需要進行耐震補強的既有結構桿件，其混凝土品質已經不佳，混凝土拉破強度低外，再用植筋方式植入寛度不大的梁內，植入深度淺又多根鋼筋共用同一混凝土拉破破壞錐，梁寛太小不足以發展完整錐形破壞錐，多根植筋亦會產生錨栓群效應，既有梁之混凝土拉破強度不可能發展達到上、下樓層植入梁內的翼牆豎向主筋之拉力強度需求，更不可能達到上、下樓層#8高強度鋼筋的拉力續接需求。

模擬為等值寬柱進行耐震評估分析，不符合力學傳力路徑完整性，亦不符合設計規範有關鋼筋搭接的規定，實在不妥。但設計技師認為符合主辦單位所提供之補強設計手冊的規定，而堅持不修改，審查至此因與設計單位無法妥協，設計單位向主辦單位申訴協調，協調會中主辦單位對大號高強度鋼筋植入梁內可視為等值寛柱的作法，未能提出合理的解釋，會議結論妥協為鋼筋最大尺寸不得大於5號SD280，但此結論未見主辦單位公布周知。嗣後主辦單位有邀請筆者參與製作翼牆補強工法的標準圖時，筆者再次提出翼牆豎向主筋採用植筋工法植入上、下梁內可視為等值寛柱的結構安全疑慮，當時製作完成之出版之翼牆補強工法標準圖中有加註：「翼牆鋼筋號數建議不宜超過4號」字樣。但嗣後之補強設計案件中未見補強設計工程師遵行理會，且翼牆豎向主筋採用4號鋼筋亦難以滿足補強需求，所有結構安全疑慮仍然存在迄今。

最近在工程技術專業群組中有某教授善意提醒工程師採用「翼牆補強工法」時應注意之條件限制如下：「談翼牆補強工法的模擬方式及設計尺寸：於立柱兩側以植筋方式連接的翼牆，TEASPA建議以『等值寬柱』來模擬其受震行為。為滿足『柱+翼牆』能有如『柱』一般，於受震時有『撓曲變形及撓曲韌性』的能力以產生斷面剪力來抵抗樓層地震力，則當所連接的翼牆尺寸『厚度愈大、寬度愈小』時，以『等值寬柱』來模擬其受震行為會愈趨合理。

TEASPA對於『柱+翼牆』的總長度建議不要超過樓層淨高的一半，假設樓層淨高為300cm以及柱寬為60cm，則翼牆的寬度以不超過45cm，才能滿足TEASPA以『等值寬柱』來模擬的假設條件。『閱覽』過的耐震詳細評估中，竟然設計有翼牆寬度達100cm者，但這還不算是最誇張的，因為還有一個案子把翼牆寬度設計成150 cm。不過回過頭來說，也不是不能把翼牆寬度設計成100cm或150 cm，只是在這種情況下我們只能將單一翼牆當成『三面圍束RC牆』以『等值斜撐』來模擬其受震行為了。」筆者看後覺得顯然這位教授善意提醒工程師只是不便直接道出對「翼牆補強工法」的不信任感的諉婉表達方式。再說，要設定使用限制條件，是否已發覺不當之處，而須用更多的限制條件來彌補先前的矛盾或不當之處？筆者在群組中以前述審查的經歷回覆該教授，該教授對筆者的看法亦回覆深表認同。

從以上事件觀之，翼牆補強工法確實存在諸多與力學理論及規範規定不符合的缺失，不論從結構理論與力學行為、規範對鋼筋續接與混凝土拉破強度的規定，都無法說服有工程專業判斷能力的工程專業人員。若「翼牆補強工法」須設定諸多條件都還不能滿足力學理論及設計規範之規定，筆者建議及早修訂方能使安全疑慮與理念紛爭就此終止。

二、 設計規範相關之規定

第22.9.1.2節：「 穿過假設剪力面之剪力摩擦鋼筋所需面積 Avf 應依第22.9.4節計算，另外，亦可使用剪力傳遞設計法，其預測強度應與大量實驗結果相符」。

第22.9.1.4 節：「設計所假設之剪力平面之處理方式應在施工文件中規定」。在硬固混凝土或結構鋼表面澆置混凝土時，第26.5.6.1節規定宜由設計者在施工文件中註明表面處理方法。

第26.5.6.1節：「設計資訊應包括：……(b)要求通過施工縫傳遞之剪力和其他力量之細節。(c)表面前置處理，包括在既有硬固混凝土上澆置混凝土前之表面粗糙處理。(d)軋製鋼材和混凝土之間用擴頭釘或銲接鋼筋來傳遞剪力之位置，其鋼材須保持 清潔、無漆。(e)若要在預鑄樓板或屋頂上現場澆置合成覆面板，使之與預鑄構材結構性結合，表面處理包括設定之粗糙度……」。

第22.9.4.1節：「 假設剪力平面之V_n應依照第22.9.4.2節或第22.9.4.3節之規定計算，其中V_n不得超過依 照第22.9.4.4節所計算之值」。

第22.9.4.2節：「當剪力摩擦鋼筋與剪力面垂直時，假設剪力平面之標稱剪力強度V_n應依下列計算：V_n＝ μA_vf f_y ， 式中A_vf是穿過假設剪力平面為抵抗剪力之鋼筋面積，μ係依照表22.9.4.2所得之摩擦係數。混凝土澆置於已硬化混凝土面，且該面特別經表面粗糙處理至約有0.6cm粗糙度時，μ＝ 1.0λ；混凝土澆置於已硬化混凝土面，且該面未特別經表面粗糙處理時μ＝ 0.6λ。

第22.9.4.4節：「假設剪力平面V_n值不得大於表22.9.4.4（假設剪力面之最大 V_n）之上限，其中由不同強度混凝土澆置組成時，表22.9.4.4中之 f_c’應取較低值。

第22.9.4.5節：「計算需求A_vf 時，穿過剪力面之永久淨壓力得併入A_vf f_y，即剪力摩擦鋼筋之力量。」

第22.9.4.6節：「計算穿過假設承受剪力面之剪力摩擦所需鋼筋面積時，應納入假設剪力面承受淨因數化拉力之所需鋼筋面積。」

第22.9.5.1節：「符合第22.9.4節穿過剪力平面之鋼筋應予以錨定，使其在剪力平面兩側發展出f_y強度。」

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。」

第25.5.2.1節：「受拉竹節鋼筋及麻面鋼線之拉力搭接長度應符合表25.5.2.1之規定，其中，ℓd 應符合第25.4.2.1(a)節之規定。

第17.6.2.1節（錨栓之混凝土拉破強度）：「混凝土標稱拉破強度，就單根錨栓而言N_cb，或滿足第17.5.1.3.1節之錨栓群而言N_cbg ，應分別依式(a)或(b)計算：

三、 柱翼牆補強工法主筋採植筋植入梁內，以等值寬柱模擬分析之結構安全疑義

結構柱二側採翼牆補強工法，其主筋採植筋方式植入上、下梁內，以等值寬柱模擬分析，除了不符合現行「建築物混凝土結構設計規範」對鋼筋搭接之相關規定外，亦違反力學原理及力系平衡模式，進而產生下列結構安全疑義。更令人耽心的是，恐產生不當的教學反效果，使得土木及結構系學生以及從業人員深植錯誤觀念，誤以為鋼筋滿足伸展長度無需搭接即可符合錨定與續接需求，更認為任何鋼筋相關工程之設計及施工失誤均可採用植筋工法補救。

（一） 違反現行「建築物混凝土結構設計規範」第25.5.2.1節有關直線搭接之規定

依據現行「建築物混凝土結構設計規範」第25.5.2.1節（直線搭接）受拉竹節鋼筋及麻面鋼線之拉力搭接長度應符合表25.5.2.1（受拉竹節鋼筋及麻面鋼線之搭接長度）之規定。表25.5.2.1中規定，搭接長度內鋼筋比〔（使用As）/（需求As）〕，若大於或等於2.0，且所需搭接長度內被搭接鋼筋斷面樍最高百分比不大於50%時，可採用甲級搭接（亦即，1.0Ψ_gℓ_d≧30cm），否則須採用乙級掿接（亦即，1.3Ψ_gℓ_d≧30cm）。其中，ℓ_d為受拉竹節鋼筋及麻面鋼線之直線伸展長度。現行規範規定之竹節鋼筋及麻面鋼線之搭接與植筋的伸展規定二者大不同，然而柱之翼強補強工法翼牆主筋植入上、下梁內採等值寬柱分析，却容許僅用「植筋」植入上、下梁內，不需接觸就可達「等值搭接」的效果？實在令人不解。若植筋就可達「等值搭接」的效果，是否一般柱之主筋亦可採用植筋不需搭接？工程實務上就有出現過因柱主筋漏未埋設就完成澆灌混凝土，事後工地將柱主筋採用植筋方式補救的案例，亦有因柱主筋放樣位置有誤，以切斷後以植筋補救的案例。

（二） 需補強之結構桿件通常可植筋之條件均不佳

一般需要補強之既有結構桿件，普遍存在有混凝土強度不足之缺陷，其混凝土拉破強度及剪力摩擦強度（含上限值）不足，以及梁桿件寛度不足的現象。若翼牆所需植筋為二排，既有梁寛配置二排植筋後所剩餘的邊距不大。縱使僅植單排筋，在既有混凝土強度不足的情況下，已不能符合設計規範對混凝土拉破強度的規定，何況植二排的鋼筋已接近梁側面，更無法發展完整的拉破破壞錐，再加上沿翼牆長向的植筋間距較密，且又是植大號鋼筋時，會有「錨栓群」效應，當植筋同時受拉時，會產生整片混凝土表層拉破剝落的現象。

依據現行「建築物混凝土結構設計規範」第17章（混凝土結構用錨栓）中除須符合第17.6.5節（黏結式錨栓之拉力握裹強度）之規定外，最重要的是另外要滿足第17.6.2.1節（錨栓之混凝土拉破強度）的規定，進行檢核混凝土標稱拉破強度。

因翼牆須植雙排筋，且間距密，然而錨栓群之拉破破壞錐投影面積不但會重疊，且會受到鋼筋混凝土梁寛度，以及梁構材既有混凝土強度的限制，難以發展達錨栓群植筋的總拉力強度。也從未見有辦理建築物結構耐震補強設計的設計案有進行「錨栓群之拉破強度」檢核工作。

（三） 植筋拉力強度試驗機制不正確

用來承受拉力之植筋強度會被植筋位置之混凝土拉破強度控制，因此須架高並將支墊構材遠離植筋中心至可能産生之錐形破壞錐之投影面積外周以外的位置。但一般施工現場於植筋施工前的拉拔強度試驗一般均將千斤頂未架高，而是直接壓在錐形破壞錐之投影面積範圍內（見照片1），或雖有架高但係將配置於千斤頂圓筒底面之3個支柱壓在錐形破壞錐之投影面積範圍內（見照片2），阻礙混凝土錐形破壞錐拉破機制的形成。此種植筋拉拔試驗的機制僅能試驗植筋膠的握裹強度，其試驗所得強度僅適用於植筋用於承受剪力摩擦力之情況；無法試驗植筋位置的混凝土拉破強度，不能適用於植筋承受拉力的情況。

照片1  千斤頂圓筒底面直接支壓於 混凝土表面		照片2 配置於千斤頂圓筒底面之3個支柱 可支壓於混凝土拉破破壞錐上

(四)翼牆造成梁跨度減小梁跨間之彎矩會重分配及該梁地震塑鉸剪力增大的現象

柱採翼牆補強工法，翼牆主筋採植入上、下梁的方式以等值寬柱模擬分析，除了翼牆主筋無法發展全拉力強度外，不論翼牆的寛度多少，均會造成柱二側接入梁之跨度減小，梁跨間之彎矩及剪力會重新分配，導致既有梁主筋及箍筋之斷點或配置位置已不符合跨度減小後之彎矩分布及剪力分布的需求，造成柱二側接入梁之結構安全疑慮。

筆者亦曾與宋教授提及筆者對「柱翼牆補強工法主筋採植筋植入梁內，以等值寬柱模擬分析之結構安全疑義」。宋教授同意筆者的疑慮，將筆者所主張的翼牆主筋須上、下直通梁者才可視為等值寛柱，納入SERCB鋼筋混凝土建築物耐震能力評估法使用手冊內，並加註說明如下：……兩側翼牆之主筋須能有效的發揮拉力作用，為考量一般工程實務在進行翼牆補強時，翼牆兩側植筋效果不佳之情形，本研究亦針對不同施工情況進行不同之分析考量。 eq \o\ac(○,1)1翼牆主筋施工時若採植筋方式將翼牆與梁或樓版接合，一般現場植筋效果不佳，因此在進行分析時建議忽略受拉側翼牆之主筋貢獻； eq \o\ac(○,2)2若翼牆施工時翼牆主筋以直通的方式進行施工（見照片3），此施工方式能使鋼筋有效的發揮作用，故分析時需考量翼牆全部主筋之貢獻； eq \o\ac(○,3)3翼牆施工時，翼牆之主筋一側採植筋方式接合，而另一側採直通方式，此施工方式在分析時其主筋採植筋方式接合時，應忽略其主筋之拉力貢獻，但採直通之主筋則需考量其拉力貢獻」。

四、 結語

結構柱二側採翼牆補強工法會有其效果，但翼牆主筋若係採植筋方式植入上、下梁內，以等值寬柱模擬分析，等節之規定不符。筆者利用結構工程與地震工程學會大會及工程技術專業群組等場合有機會與資深工程師討論，均不認同「翼牆主筋採植筋方式植入上、下梁內以等值寬柱模擬分析的作法」，更令人耽心的是，恐產生不當的教學反效果，使得土木及結構系學生以及從業人員深植不正確觀念，誤以為鋼筋滿足伸展長度無需搭接即可符合錨定需求，更認為任何鋼筋相關工程之設計及施工失誤均可採用植筋工法補救。筆者綜整各界意見如上述。以上建議供工程先進參考，不當之處亦請不吝指正。