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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○六年四月八日

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文字記者:許素梅

SRC結構不同材質構材間

轉換續接之力學行為

陳正平技師

一、  前言

現行“鋼骨鋼筋混凝土結構設計規範與解說”第 8.7(構材斷面之轉換續接)一章中,筆者認為有甚多不符合力學行為的規定,懷疑規範制訂時不夠嚴謹,似乎缺乏資深結構專業人士參與,導致已公布實施之規範,有甚多不合力學原理之處。設計工程師若誤信其正確性、或認為不遵守該規範之規定就是違法,而堅持依不當或錯誤的規定進行設計,恐會出現不安全的結構物,造成公共安全疑慮。

鋼骨鋼筋混凝土結構接頭設計或轉接設計之基本原則,可歸納如下:鋼骨鋼筋混凝土構材之接合設計應與結構分析時所作之假設相符,接合處應具有足夠之強度以傳遞所需之力;接頭設計之受力模式宜簡單明確,傳力方式宜緩和漸變,以避免產生應力集中之現象;接合型式之選用以製作簡單、施工容易、保養方便為原則。而接合設計在必要時,應依接合所在位置對整體結構安全影響程度,酌予提高其設計之安全係數。以上接頭設計之基本原則,係筆者參與現行鋼結構設計規範制訂時,在第十章10.1(一般規定)之解說中所提之建議條文,並經委員同意納入規範。

惟其中項在SRC結構中,適用於『當高強度材質之構材接入低強度材質之構材時,傳力方式宜緩和漸變,以避免產生應力集中之現象』。然而當「低強度材質之構材接入高強度材質之構材」之情況,不但無需先作一段轉接拱頭來作轉換續接,否則反而會造成拱頭二端橫向力偶應力集中的現象,而易造成傳力路徑的弱點。但筆者發現有部分工程師,誤信以為該規範之規定無誤,而堅持必需設置拱頭作轉換續接之機制。

筆者認為此種現象應儘快更正,乃斗膽對“鋼骨鋼筋混凝土結構設計規範與解說”規範條文中,疑有不當之處提出探討,供設計工程師有所警覺,亦提供未來鋼骨鋼筋混凝土結構設計規範修訂時之參考。不恰當之處亦請工程先進不吝指正。

二、現行規範對構材斷面之轉換續接之規定

(一)第 8.7(構材斷面之轉換續接)之本文規定如下:

  1. 鋼骨鋼筋混凝土梁轉換成鋼筋混凝土梁,或鋼骨鋼筋混凝土柱轉換成鋼筋混凝土柱時,應檢討以下各事項:(1) 轉換處儘可能位於該構材反曲點附近彎矩較小的位置。(2) 轉換處應配置適當的剪力釘與箍筋,使鋼筋混凝土與鋼骨間能有效傳遞應力。(3) 轉換處之鋼筋混凝土部份之彎矩強度應大於該處需求彎矩之1.1倍,若有不足,則應於轉換處加設補強鋼筋,並以該處彎矩之1.1倍設計補強筋量。

 2. 當設計鋼骨鋼筋混凝土柱與鋼筋混凝土梁相接時,為使應力傳遞平順,應使鋼筋混凝土梁之應力先傳遞至鋼骨鋼筋混凝土梁上, 再由鋼骨鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱相接合。」。

(二)第8.7(構材斷面之轉換續接)之解說說明如下:

 該規範解說中亦說明:「圖 C8.7.1與圖 C8.7.2分別指出一組SRC梁與RC梁之斷面轉換,及一組SRC柱與RC柱之斷面轉換示意。有關SRC構材與RC構材斷面之轉換續接,文獻[13]有較為詳細的資料。為了使SRC構材的應力能順利傳遞至RC構材上,在轉換處SRC構材之鋼骨可以配置適當的剪力釘,轉換處之RC部份亦可加配補強箍筋與長向補強筋。有關轉換處之補強,依文獻[13]之建議,若轉換處之彎矩為梁端 RC部份彎矩之 1/1.1 倍以上時,則於轉換處須加設補強筋。

 補強筋之計算方式為依 1.1 倍轉換處之彎矩計算必要之主筋量,扣除原設計主筋量後即為補強筋量。補強筋之錨定方法與續接相同,可不須延伸至梁柱接頭內。為使應力傳遞平順,若設計上需要有SRC柱與 RC 梁相接時,應採用「漸進方式」來進行構材斷面之轉換續接,即先以SRC 柱接一段SRC梁,再將SRC梁轉換為RC梁。」。

三、構材斷面之轉換續接探討

(一)一般設計工程師輒有下列疑問:

 1.SRC柱與RC梁相銜接時,為使應力傳遞平順,是否須使RC梁之應力先傳遞至SRC梁,再由SRC梁與SRC柱相結合呢?托梁是否為必要之銜接機制?未設置托梁作為轉換續接機制的作法是否就不對呢?

 2.構材斷面之轉換處是否一定要位於該構材反曲點附近,或彎矩較小之位置?

    3.轉換處之鋼筋混凝土部分,其彎矩強度是否須大於需求彎矩之1.1倍?若有不足是否須於轉換處加設補強筋,並以該處彎矩之1.1倍設計補強筋數量?

以上疑問其實就是現行“鋼骨鋼筋混凝土結構設計規範與解說”第 8.7(構材斷面之轉換續接)不合力學原理及傳力行為之處。

(二)轉換續接力學行為探討

筆者針對現行“鋼骨鋼筋混凝土結構設計規範與解說”第 8.7(構材斷面之轉換續接)一章中,不符合力學行為的規定,提出探討如下:

 1.RC(低強度)構材接入SRC柱或鋼柱(高強度)構材時,轉換托梁(拱頭)是否為必要?

RC梁銜接入SRC柱或鋼柱,是由較低強度材質之RC構材,接入較高強度材質之鋼構材的接頭,因RC構材之強度較低,直接接入SRC柱或鋼柱,其力量可平順傳遞進入SRC柱或鋼柱,並無需要採用「漸進方式」:先以SRC柱接一段SRC梁,再將SRC梁轉換為 RC梁。其接合界面並無力量傳遞路徑產生弱面之疑慮。所幸絕大部分的從業技師,都有查覺到現行“鋼骨鋼筋混凝土結構設計規範”此點不當之規定,而甚少人依規範所提供之參考圖施作。

 2.變形裂縫會集中在鋼筋端部及鋼柱柱面處?

以鋼拱頭轉接時,因拱頭在構材斷面之內心部,而鋼筋配置於外周,鋼筋之拉力是()透過拱頭之剪力釘轉給拱頭,因剪力釘承受剪力會有滑移產生,因此除了位於SRC梁外周之鋼筋,原本就會因受力較大,而會有較大的軸向變形外,另會因剪力釘承受剪力會有滑移現象產生之變形,導致所有的變形裂縫會集中在鋼筋端部及鋼柱柱面處,而致有耐久性疑慮。剪力釘滑移現象,可參見“鋼柱埋入混凝土柱墩之剪力連接物設計”[陳正誠],由其試驗結果所得之對應於極限強度處之滑移量約有5mm

 3.拱頭轉換續接之傳力模式,其實並非全由鋼骨表面之剪力釘承受。

由鋼柱插入混凝土柱墩之試驗文獻顯示,轉換續接段會產生高剪力,其力學平衡模式,是由鋼柱(拱頭)二端之混凝土承壓模式、及拱頭二端密集配置之剪力釘抵抗,而非由翼板上縱向配置之剪力釘承受。拱頭之轉換續接段會產生很大的橫向剪力力偶,且此剪力須於鋼柱(拱頭)二端處之RC梁內配置密集之箍筋承受,且對應RC梁密集箍筋處之鋼梁上,除由鋼梁翼腹轉角處提供錨定及混凝土承壓之貢獻外,尚須密集配置適量之剪力釘,來確保可轉接剪力至鋼拱頭內。規範所述之傳力模式內涵、及規範解說之內容,均未能滿足前述傳力連結設計要點,結構設計者若依其建議之轉接模式施作,將首先會在拱頭二端產生剪力破壞,發生工程災害是遲早的事。

另外,1995117日發生於日本阪神之直下型地震中,發生多起下部為SRC結構與上部為RC結構之轉接層,整層柱壓垮之破壞模式,推測即為轉接層柱之下半柱拱頭處,因勁度突變,而致在直下型地震中,發生中間層RC柱壓垮之破壞模式。

 4.鋼柱(高強度)接入RC(低強度)時,常發生在地面層以上為SRC結構或鋼結構,與地下室RC結構間,轉接之情 況。此種情況現況實務設計均以整層作為轉接層。所幸設計技師均了解,不可能以拱頭作為轉換續接之機制,主要原因係柱底之彎矩太大,若採拱頭作為轉換續接之機制,則在拱頭之轉換續接段之二端,會產生很大的橫向剪力力偶,此橫向剪力力偶通常會大到無法設計,致產生安全疑慮。所幸大部分設計技師均了解以拱頭續接具危險性,亦未見有以拱頭做為SRC結構或鋼結構一樓柱底的轉接方式。由此現象亦顯示轉接機制幾乎無法設置在構材反曲點附近,或彎矩較小之位置,而是須以整層高作為轉接層。

四、內政部建築研究所民國9312月所出版之“鋼骨鋼筋混凝土(SRC)構造設計教材“,其中例題12 (SRC柱脚與基板之設計例),亦發生前述之力學傳力模式之不當情形。其不當之處提出供設計工程師參考,歸納如下:

 

1 地下一樓轉接模式示意圖 

 1.首先須敘明此種轉接之力學機制,僅適用於地下層具有完整外牆之剛性廣義基礎情況,否則其他情況之轉換續接之力學模式會不同。筆者認為高樓建築物之基礎,並非只有筏基單一構材,而是包括整個地下室外牆、地下一樓柱,及一樓橫隔版等,共同組合成一廣義的箱體基礎

 2.設計轉換層SRC柱脚需配置之剪力釘時,未將彎矩與軸力分別考慮,而是以『鋼骨容量設計觀念,假設轉接層鋼骨表面所配置之剪力釘,能完全承擔鋼骨翼板達到降伏時造成之拉力,依此原則設計所需之剪力釘』且未扣除柱底基板之有效承壓面積的承載能力貢獻。

但事實上,有部分軸力是由柱底基板之有效承壓面積承受,部分則由剪力釘承受;且因剪力釘受力時有滑移現象,反而是柱底基板之有效承壓面積承受的部分較為可靠。彎矩部分:大部分由鋼柱上、下二端之橫向剪力力偶承受,分析上也只能由鋼柱上、下二端之橫向剪力力偶承受,否則會導致接合設計之結果與結構分析時所作之假設不符。依此原則設計,才能符合分析所得之桿件力量,且計算所得之剪力釘根數會少很多。雖然該教材手冊在最後之比較與討論中,有以「柱頂處之鋼骨所需承擔之彎矩與軸力對鋼骨翼板造成之拉力,來設計鋼骨所需之剪力釘」,但其彎矩仍未以鋼柱上、下二端之橫向剪力力偶承受。

 3.該設計例以柱基板全面積為有效承壓面積,但因埋置於混凝土中之柱基板無法產生較大的基板面外變形,其有效承壓行為僅約柱板厚度加上二倍基板厚度之範圍。尤其是柱基板之厚度,有厚也有薄,其有效承壓範圍自然就會有所不同,所以以柱基板全面積為有效承壓面積是不合實際力學行為的假設。

 4.鋼柱柱底之錨栓設計雖有考慮鋼骨上、下二端之橫向剪力力偶之剪力,但却有計入柱之軸拉力。事實上,柱之軸拉力已由轉換層鋼骨上之剪力釘轉給RC柱之軸向鋼筋了,那兒來之錨定螺栓之拉力?再者設計錨定螺栓未以剪力摩擦計算,却以鋼材之強度計算。

 5.轉接層之RC柱已整層高度配置有軸向鋼筋,而該設計例却在計算伸展長度Ld,且只要求從地下二層之梁柱接頭繼續延伸Ld之距離至轉換層中。

 6.依現行“建築物耐震設計規範”第6.2節之規定:橫膈版、集力構材、及其接合部的需求強度,須以上部結構系統之超額強度(超額強度因子Ω0(樓層極限層剪力Vp) / (設計層剪力Ve),或1.4αy倍來設計。橫隔版之需求強度計算,應包含面外載重、地震載重與其他載重同時作用之影響。所以只有在下部結構無法達韌性行為時才需放大安全性。雖然SRC規範規定在轉接處重要位置,予以放大1.l倍安全係數的考量是正確的,惟筆者認為傳力路徑及傳力機制正確,才是正確設計的重點。

五、結語

接頭本身即為一個小結構系統,接合之受力模式應簡單明確,使各構件能充分發揮材料之最大效果。各構件間之受力分佈必須依接頭內部構件之勁度分配承受力量。另外此局部結構系統與整體結構系統間亦必須考量其相合性,例如高樓結構系統與地下室鋼筋混凝土結構之轉接,即為一種「大型之接頭」,此大型之接頭對整體結構系統有明顯的相合性需求。

接合之傳力方式宜緩和漸變,以避免產生應力集中之現象。鋼結構為鋼板構件組合而成,接頭位置常會在不同方向之板構件間傳遞力量,或經由螺栓、剪力釘或銲材傳遞力量,因此必須考量應力傳遞緩和漸變,避免應力集中。鋼結構接頭對整體結構安全甚為重要,由現行「鋼結構設計規範及解說」第十章「接頭設計」10.1「一般規定」之解說中「接合之受力模式宜簡單明確,傳力方式宜緩和漸變,以避免產生應力集中之現象。接合型式之選用以製作簡單、維護容易為原則,而接頭設計在必要時,應依接合所在位置對整體結構安全之影響程度酌予提高其設計之安全係數。」等語,顯示接頭之重要性。

鑒於鋼結構接頭對結構安全的重要性,國內對鋼結構桿件接頭之設計資料又甚為缺乏的情況下,工程師想要好好設計鋼結構,除了要對規範有充分了解及豐富專業素養外,若能有一本適合國內施工習慣且接合型式正確的接頭型式,供設計工程師參考,就更能得心應手,亦可充分利用材料特性節省成本造價及設計與施工之工時。

為提升鋼結構設計與施工品質,並藉以推廣綠色鋼結構之應用,中華民國鋼結構協會特別出資推動鋼結構接頭設計之研究,考慮國內工程師及鋼構廠之設計與施工習慣,歷經二年餘時間,完成一本具本土性之接頭型式與設計應注意事項之設計手冊,提供設計者選用接頭型式及設計之參考。從現行“鋼骨鋼筋混凝土結構設計規範與解說”、及內政部建築研究所民國9312月所出版之“鋼骨鋼筋混凝土(SRC)構造設計教材“之內容顯示,對傳力機制未充分了解,却出版發行為規範及設計教材。由此亦突顯國內規範之制定,缺乏結構專業人材參與,致產生偏差。

筆者對美濃地震台南維冠大樓倒塌事件,由倒塌後之樣態探討倒塌之可能原因,發現與傳力路徑中斷有極大的關聯性,由此也突顯對傳力路徑細部檢核亟待教育推動的重要性。以上,敬供酌參,亦請工程先進不吝指正。

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