結構耐震補強：三號鋼筋之植筋

張庭瑜¹、鍾立來^1,2、曾建創²、楊耀昇²、王郁傑¹

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

以現行之規範[1]觀之，既有結構之耐震能力可能不足，透過補強之手段，可提升其耐震能力，並排除不良之破壞模式，讓結構免於崩塌，人員倖免於難。在眾多補強工法[2]中，以擴柱、翼牆及剪力牆補強最為普遍，以上三種補強工法，均需藉由植筋連接既有及新建混凝土，因此植筋係補強之關鍵工項。

有鑑於此，本文以門型構架試體，於其基礎、梁及柱施行植筋，採用三號鋼筋，設計降伏強度2800，埋置深度，探討混凝土抗壓強度、植筋方位及拉拔速率等因素，對植筋拉拔強度之影響。綜言之，影響植筋拉拔強度之因素繁複，工程師必須充分掌握混凝土之狀況、鋼筋之配置、植筋之材料及工法、拉拔試驗之佈置及程序，再以植筋拉拔試驗確認其強度，才能達到預期之補強效果。

一、植筋之施作

本文探討植筋之試體為一座鋼筋混凝土門型構架（圖1）。於試體製作時，基礎與柱、梁之混凝土分二次澆置，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100.6；柱、梁之混凝土齡期94天，平均抗壓強度190.8。由材料試驗可見，二批澆置之混凝土強度約有一倍之差異。在不同強度之混凝土基材下植筋，可探討混凝土強度對拉拔試驗結果（強度及破壞模式）之影響。

本次拉拔試驗採用三號鋼筋，直徑為，設計降伏強度為2800。經材料試驗後，三號鋼筋之實際平均降伏強度為3622，實際平均極限強度為5276，極限與降伏強度之比值為1.46，平均伸長率為17.3 %。三號鋼筋之植筋深度採，分為三方向植筋，包含（1）向下垂直植入基礎頂面；（2）水平植入柱側面；（3）向上垂直植入梁底面。可探討在不同方位下植筋，植筋方位對拉拔試驗結果（強度及破壞模式）之影響。

  待混凝土齡期達28天發展其強度後，方施作鑽孔及植筋。植筋工法之施作程序如下：

(1)         依照設計圖，以墨斗標示植筋之位置，再進行鑽孔，鑽孔直徑比欲植入之鋼筋大一號（即四號），直徑。在鑽孔過程中，若未達埋置深度即遇到既有鋼筋，不可強行鑽斷鋼筋，而應將此孔予以廢棄，並以植筋藥劑填滿廢孔，再調整鑽孔位置，重新鑽孔。鑽孔完成後，應確認孔深，不得小於設計之深度（圖2a）。

(2)         使用最低壓力高於6 bar (6個大氣壓) 之氣槍，對孔洞上下來回吹淨4次（圖2b）。

(3)         以比孔徑大一號之刷具（即五號），直徑，上下並以同一方向轉動來回刷淨4次，確實刷除孔壁之碎屑（圖2c）。此時可將鋼筋插入孔內量測鑽孔深度（圖2d）。

(4)         再以氣槍對孔洞上下來回吹淨4次，清除刷具刮下之粉塵，徹底將孔內灰屑清除乾淨（圖2e）。

(5)         將植筋藥劑注入孔內，注射頭由孔底往上緩緩移動，依注射頭之刻度，邊注入邊自退出孔洞，直至注入藥劑約六分滿（圖2f）。

(6)         將鋼筋緩慢以順時針方向旋入孔內，直至孔底。須注意鋼筋不可直接插入孔底，此舉容易導致鋼筋竹節與孔壁間殘留空隙，而造成膠體黏結不完全（圖2g）。

(7)         待鋼筋完全旋入後，植筋藥劑必須滿溢出孔外，以確保孔洞內確實充滿植筋藥劑，接著清除溢出孔外之植筋藥劑，保持孔外平面清潔（圖2h）。

(8)         若為向上垂直植筋（梁底倒吊植筋），於植筋藥劑注入孔內完畢後，孔口塞入鋼筋固定器，再將鋼筋以順時針方向緩緩旋入，直至孔底，且植筋藥劑自鋼筋固定器滿溢出孔外（圖2i）。

  植筋施作後，在植筋藥劑硬化之過程中，應避免碰觸鋼筋，且不得矯正鋼筋 (彎折等加工程序)，待植筋藥劑硬化完成後，始可進行負載或後續之施工。

二、植筋之拉拔試驗

植筋之拉拔試驗共有二部分，第一部分於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，共計植筋8根三號鋼筋，植筋深度為。但第一部分試驗之油壓加載稍快，可能高估試驗之強度；且千斤頂之出力並非直接量測，而是由壓力換算而來，可能有力量高估之嫌；此外，在鋼筋之拉拔過程中，並未監控鋼筋變位。因此，須執行第二部分之試驗，第二部分試驗於基礎頂面執行向下垂直植筋拉拔1根，植筋深度亦為，確實控制以上變因，以釐清相關疑慮。

第一部分植筋拉拔試驗裝置由一長，寬，高鋼梁作為拉拔試驗的基座，2塊鋼板間留有寬空隙，讓待測之植筋通過；梁底面兩端各焊有一鋼墊塊，厚，2墊塊之淨距離約，足以保留植筋拉拔試驗可能產生混凝土錐狀破壞之可能性。鋼筋套上鋼梁，直至梁底之墊塊壓在混凝土面上，調整鋼梁之位置，使鋼筋位於梁中央、梁底兩側之墊塊遠離待測鋼筋，以此避免因墊塊緊貼鋼筋而導致混凝土錐狀破壞無法發生的現象。待測之植筋再套上墊塊，並置於鋼梁頂面上，墊塊厚，中間有一孔洞，直徑，讓鋼筋穿過（圖3）。在千斤頂之加壓過程中，讀取並記錄最大壓力，再由油壓換算成力量，即為植筋拉拔試驗之強度。

基礎頂面向下植筋2根，其拉拔試驗（圖4）之強度分別為5313及5208，皆高於鋼筋之標稱降伏強度（2800）及實際降伏強度（3622），拉拔試驗之強度與標稱降伏強度之平均比值為1.88，與實際降伏強度之平均比值為1.45，2根植筋之破壞模式皆為混凝土錐狀破壞（圖5）。柱子側面水平植筋3根，其拉拔試驗（圖6）之強度分別為6302、6197及6197，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2.23，與實際降伏強度之平均比值為1.72，3根植筋之破壞模式皆為鋼筋拉斷破壞（圖7）。梁底面向上植筋3根，其拉拔試驗（圖8）之強度分別為5313、5643及6407，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2.08，與實際降伏強度之平均比值為1.60，3根植筋之破壞模式皆為鋼筋拉斷破壞（圖9）。由第一部分之結果（表1），拉拔試驗之強度與標稱降伏強度之比值最低1.86、最高2.29，與實際降伏強度之比值最低1.44、最高1.77。

第二部分之試驗在油壓千斤頂之下方，先套上荷重計，直接量測植筋之抗拉強度，並以兩根角鋁夾住受測鋼筋，於角鋁兩側各放置一位移計，以量測鋼筋受拉拔時之垂直向位移（圖10）。第二部分確實落實靜態加載下進行操作，其應力與變位關係圖出現降伏及應變硬化之行為（圖11），拉拔試驗之強度為5065（表2），高於鋼筋之標稱降伏強度（2800）及實際降伏強度（3622），拉拔試驗之強度與標稱降伏強度之比值為1.81，與實際降伏強度之比值為1.40，植筋之破壞模式為混凝土錐狀破壞（圖12）。

三、結語

(1)         在本文所述之條件下，按照本文建議的植筋施作方法，三號鋼筋植筋深度，拉拔試驗之強度至少達到1.81倍的標稱降伏強度（2800），1.40倍的實際降伏強度（3622）。但是，工程師於應用上不可將此視為通則，因為植筋之拉拔強度與混凝土之品質（強度、孔隙率）、鋼筋之配置、植筋施作之品質、拉拔試驗之方法等因素有關，工程師應視現場狀況施作，並確實進行植筋拉拔試驗，才是確保植筋功能之不二法門。

(2)         植筋拉拔之速率確會影響試驗結果。以基礎植筋為例，快速拉拔試驗之平均強度（5261）為慢速（5065）的1.04倍，快速拉拔可能高估試驗結果，故以慢速為宜。

(3)         混凝土基材強度會影響植筋成效，以第一部分之植筋為例，基礎與柱、梁之混凝土抗壓強度約有兩倍之差，而基礎植筋之平均拉拔強度（5261）為柱、梁（6010）的0.88倍；此外，基礎植筋拉拔試驗之破壞模式為混凝土錐狀破壞，而柱、梁則為鋼材拉斷。因此，工程師於應用上如遇混凝土強度較差的狀況，應視情況增加埋置深度。

(4)         植筋拉拔試驗機具之基座，會干擾試驗結果之破壞模式及拉拔強度。以基礎植筋拉拔試驗為例，基座透過墊塊壓在混凝土面上，且墊塊與植筋之距離足夠，混凝土錐狀破壞可以完整形成，所得試驗強度為較真實之拉拔強度。若基座之佈設排除某一破壞模式，可能高估拉拔試驗之強度。

(5)         向上倒吊植筋如採本試驗施作方式，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，但若克服鋼筋滑動的困難，倒吊植筋反而較一般基礎植筋更易確實清孔，有助植筋效果。

參考文獻

1.內政部營建署（2011）。「混凝土結構設計規範」。內政部91.6.27台內營字第0910084633號令訂定，內政部100.6.9台內營字第1000801914號令修正。

2.蕭輔沛、鍾立來、葉勇凱、簡文郁、沈文成、邱聰智、周德光、趙宜峰、翁樸文、楊耀昇、褚有倫、涂耀賢、柴駿甫、黃世建 (2013)。「校舍結構耐震評估與補強技術手冊 第三版」。國家地震工程研究中心，報告編號NCREE-13-023。

表2 第二部分植筋之拉拔試驗結果

圖1 門型構架		圖2 植筋施作流程
圖3 第一部份植筋之拉拔測試佈置		圖4 基礎頂向下垂直植筋之拉拔試驗 (第一部分)
圖5 基礎頂向下垂直植筋拉拔試驗之結果(第一部分)		圖6 柱側面水平向植筋之拉拔試驗
圖7 柱側水平向植筋拉拔試驗之結果		圖8 梁底面向上垂直植筋之拉拔試驗
圖9 梁底面向上垂直植筋拉拔試驗之結果		圖10 第二部份植筋之拉拔測試佈置
圖11 基礎向下垂直植筋拉拔試驗之應力及位移  (第二部分)		圖12 基礎向下垂直植筋拉拔試驗之結果  (第二部分)