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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國一○五年七月三十日

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文字記者:許素梅

單柱RC橋墩與鋼製帽梁接合之新工法

劉國光 結構技師、土木技師

前言

公共運輸工程(公路橋梁、軌道車站設施),依據路線經過區位及對都市景觀衝擊程度,概分為地下工程、地面工程及高架工程等型式。其中高架工程之結構墩柱,又因現地條件,可分為單柱型、雙柱型或多柱型之系統。一般位於道路上方之高架設施(尤其是高架車站結構),為減少施工期間對道路交通(尤其是狹窄道路)之衝擊,多採用預鑄工法或鋼結構設計(橋墩、帽梁、上部橋梁),並配合於中央分隔島設置單柱型橋墩,儘量減小施工圍籬空間等措施,致此類高架設施之工程造價,相對偏高。

目前新北市及桃園市新規劃公共運輸工程之招標,多採用統包方式,為配合統包商投標,致力降低整體工程造價,多期望採用鋼筋混凝土(或預力混凝土)設計高架設施,包含高架車站結構,但於狹窄路段或道路上方高架車站(一般主站體皆以鋼結構設計)之施工,如前述為減少施工期間,對道路交通之衝擊需求,帽梁以上結構,仍會建議維持鋼構造並採吊裝工法,致可能僅有橋墩可改用鋼筋混凝土設計,因此將有單柱型鋼筋混凝土橋墩與鋼製帽梁之設計類型出現,而此類接頭型式之可行性,乃為設計之關鍵課題。

設計構想

接頭之功能,在於兩側桿件之應力能順利傳遞、且應能承受相關設計應力。因此,構想發展初期,需先了解業界橋墩及帽梁之設計現況。單柱式高架結構,承受車輛或列車載重及地震力之重要桿件為單柱墩柱及懸臂帽梁,該二桿件若採用鋼構設計時,墩柱一般為鋼箱型圓柱(如圖1)或方柱,帽梁則為矩形懸臂鋼箱型梁(如圖2),兩者間之工地接合,方柱建議採用續接版以高強度螺栓作現場密接,而圓柱則利用現場銲接施工。而墩柱及帽梁若採用鋼筋混凝土設計,可依傳統工法(紮筋、組模、灌漿)施工,並無實質接頭設置。本文之設計構想將以圓形墩柱為例。

 

1  鋼箱型圓柱圖例

 

2 鋼箱型帽梁圖例

一般鋼箱帽梁之設計概念,是由鋼板銲接組合成箱型斷面,利用鋼板傳遞應力,鋼板可承受拉力及壓力,而鋼筋混凝土是由混凝土承受壓力、鋼筋承受拉力之理論發展。今將兩種材質作混合設計,期望能成為一體,其間需有一介質,能將鋼箱帽梁之應力,順暢傳至鋼筋混凝土柱,本文姑且稱此介質為續接錨錠構件。

續接錨錠構件之兩側,需一側能與鋼箱帽梁順接,另一側亦能緊密連結鋼筋混凝土墩柱。其中與鋼製帽梁接合較為單純,僅需配合鋼製帽梁現況設計,配置環型鋼板與鋼帽梁柱頭鋼板,工地銲接施工即可。但與鋼筋混凝土柱之連接,則需考量鋼板與混凝土密接錨錠及應力傳遞問題。就此點而言,所幸台北捷運內湖線預鑄帽梁之設計已初步解決問題,故筆者參考台北捷運內湖線預鑄帽梁之作法為基礎加以改良,可避免現場銲接之高熱,直接影響混凝土之材質或強度,並利用鋼板強軸直接傳遞應力,發展出續接錨錠構件原型設計示意圖,如圖3。其相關連接配置示意如圖4

 

3 續接錨錠構件原型設計示意圖(圓柱例)

 

4 續接錨錠構件配置示意圖

續接錨錠構件原型(圓柱例)之構造,一側以鋼板銲接成圓盤部,另一側銲接鋼筋續接器(含搭接鋼筋)、及H型鋼(含剪力釘)組合成複合錨錠部。圓盤部以一圓形鋼板為基礎,並設置垂直向環形續接版及垂直加勁版,以連接鋼箱帽梁之柱頭續接段,利用鋼板對銲傳遞應力。H型鋼配合剪力釘能將圓盤部與混凝土作一有效結合,而鋼筋續接器(含搭接鋼筋)之數量與配置,則搭配鋼筋混凝土墩柱之設計鋼筋支數。另為增加橫向耐剪力,於圓盤部中央設置圓型剪力榫,並開有灌漿孔,以利RC墩柱之灌漿工作。

 

 

5 續接錨錠構件部接合詳圖

   

應力流程

本工法懸臂鋼箱帽梁承載各項載重後,藉由以下路徑,傳遞至RC橋墩(参考圖5):懸臂鋼箱帽梁→帽梁鋼柱頭續接段鋼板→銲道→圓盤部環型續接鋼板(續接錨錠構件)→圓盤部垂直加勁版(續接錨錠構件)→圓盤部圓形鋼板(續接錨錠構件)→續接錨錠構件複合錨錠部→搭接範圍之搭接鋼筋及圍束箍筋→RC墩柱。其重要接合機制如下說明:

1.帽梁鋼柱頭續接段環型鋼板,與續接錨錠構件圓盤部環型續接鋼板,直接對銲,利用鋼板強軸傳遞應力直接有效。

2.利用圓盤部環型續接鋼板增設之垂直加勁版強軸勁度,可直接傳遞應力至續接錨錠構件複合錨錠部之鋼筋續接器及搭接鋼筋。

3.接合範圍內之圍束箍筋,可將續接錨錠構件複合錨錠部與RC墩柱,作有效之連接,成為一體。

結語

新工法之開發,多因在某些限制條件下產生(如現場施工條件或是經濟性考量),本文之單柱型鋼筋混凝土墩柱與鋼箱帽梁之接頭型式,即為解決狹窄道路中施工、並降低工程經費下,所發展出之新型接頭工法,理論上可行性極高,惟未來進行實際接合,詳細設計檢核或配合業主施工需求時,仍需進行局部修訂,但現階段之成果,仍對未來狹窄路段或道路上方施工之工程(尤其是高架車站),多了一種工法選項,期望對工程界有所助益。

参考文獻

中華技術「台北捷運內湖線預鑄U型梁與預鑄帽梁之設計與施工」劉嘉哲、趙振宇

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