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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○七年五月五日

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本期主筆:賴建宏
執行編撰:李惠華
文字記者:許素梅

 「鋼筋續接器銲於鋼柱上,作為鋼筋與鋼柱間之續接」是否不符合設計規範之規定?

陳正平  技師

一、前言

採用鋼筋續接器銲於鋼柱上,作為鋼筋與鋼柱間之續接法,是否不符合「建築技術規則」、與「鋼骨鋼筋混凝土設計規範」之規定?在技師公會引起爭論已有多年。

認為不符合設計規範的人,所依據之理由如下:

1.建築技術規則第509條:「矩形斷面鋼骨鋼筋混凝土構材之主筋,以配置在斷面四個角落為原則;在梁柱接頭處,主筋應以直接通過梁柱接頭為原則,並不得貫穿鋼骨之翼板。」。

2.民國93年版鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範第8.5.1節(梁柱接頭之主筋配置):「鋼骨鋼筋混凝土梁柱接頭處之主筋應以直接通過接頭為原則,宜儘量避免以鋼筋續接器銲於鋼柱翼板上以續接主筋。若不得已必須採用時,應符合以下之規定:

(1)鋼筋續接器之種類、材料、品質與施工,均應符合內政部頒佈之「混凝土工程設計規範與解說」之相關規定。

(2) 以鋼筋續接器銲於鋼柱翼板上續接主筋,若主筋與鋼梁翼板不在同一水平面時,則須在鋼柱內與主筋同一水平面處,加銲適當之水平加勁板(連續板),以傳遞主筋之水平力。」。

8.5.1節解說:「有關採用鋼筋續接器(Coupler)銲接於鋼柱翼板來接續主筋之方式,目前尚未有充分的研究,證明這種接合方式的可靠度,尤其是受到往復力作用下之力學行為並不明確。由於在翼板加銲續接器,將使柱鋼板受到垂直於板平面的拉力作用,該拉力是否會造成鋼板拉裂,是一個值得研究的課題。此外,這種接合方式的施工品質,亦是值得關心的問題。基於上述之考量,本規範建議在這些問題尚未釐清之前,宜儘量避免採用此種接合方式。若非不得已必須採用此種接合方式時,至少應符合本節規範條文中有關鋼筋續接器種類、材料與施工之規定,且務必於鋼柱內與主筋同一水平面處加銲連續板。最好能再輔以適當的實驗以證明其強度、韌性及可靠度。」。

筆者認為,不論是「建築技術規則第509條」、或「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範第8.5.1節」,所指之「在梁柱接頭處,主筋應以直接通過梁柱接頭為原則」,均是建議性質之「原則」,並非「應」或「必須」之強制性規定。況且該等規定均係民國93年編訂,當時鋼筋續接器之品質,與相隔14年後之材料品質不可同日而語,不能相提並論。鑒於主張「以續接器銲於鋼柱上作為鋼筋與鋼柱間之續接法」,不符合建築技術規則與鋼骨鋼筋混凝土設計規範規定之觀點,除阻礙施工技術進步外,梁主筋直接通過梁柱接頭之施工性亦欠佳。尤其是SRC柱為箱型鋼柱時,梁主筋受鋼柱阻擋,更是無法直接通過梁柱接頭,非依賴鋼筋續接器不可。當SRC柱為箱型鋼柱時,梁主筋之拉力,亦無法僅依賴箱型柱光滑表面之握裹力,將梁主筋之拉力傳入箱型柱之接頭剪力區內,而無法滿足接頭力系平衡需求,會影響結構安全,致生結構安全疑慮。為避免設計技師誤信而衍生結構安全災害,筆者特提出探討,供工程先進設計參考,不當之處尚請不吝指正。

二、從建築技術規則及相關設計規範條文意義探討

1.從建築技術規則第509條所規定之:「矩形斷面鋼骨鋼筋混凝土構材之主筋,以配置在斷面四個角落為原則;在梁柱接頭處,主筋應以直接通過梁柱接頭為原則,並不得貫穿鋼骨之翼板。」。筆者認為此條文所稱之「矩形斷面鋼骨」,應係指鋼柱,不論是箱型、“十”字形或H型鋼柱,正常情況都會比梁寛,因此包覆在鋼骨柱外側之鋼筋,若是等間距配置在柱外周時,則部分柱主筋會碰到鋼骨梁,因此建築技術規則第509條,只是提醒「不得貫穿鋼骨()之翼板」,應「以配置在()斷面四個角落為原則」。由文意及邏輯觀念,建築技術規則第509條不會是指梁主筋,因大部分鋼骨梁寛均小於鋼骨柱寛,梁主筋可從鋼骨柱旁通過的機會微乎其微。況且目前實務上,鋼柱都是採用箱型斷面,不可能在箱型斷面鋼柱上鑽孔讓梁鋼筋通過,由以上探討,可見建築技術規則第509條所指的「矩形斷面鋼骨鋼筋混凝土構材」係指柱。況且建築技術規則第509條,均係以「配置在斷面四個角落為原則」、及「主筋應以直接通過梁柱接頭為原則」等,均是原則性,非強制性。

2.從鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範第8.5.1節中,除規定「鋼骨鋼筋混凝土梁柱接頭處之主筋,應以直接通過接頭為原則」外,亦有「宜儘量避免以鋼筋續接器銲於鋼柱翼板上以續接主筋」,並有「若不得已必須採用時」,應符合以下之規定:

(1)鋼筋續接器之種類、材料、品質與施工,均應符合內政部頒佈之「混凝土工程設計規範與解說」之相關規定。

(2) 以鋼筋續接器銲於鋼柱翼板上續接主筋,若主筋與鋼梁翼板不在同一水平面時,則須在鋼柱內與主筋同一水平面處,加銲適當之水平加勁板(連續板),以傳遞主筋之水平力。」。從以上條文觀之,並未禁止使用續接器。

三、從施工性之觀點探討

一般情況,梁寛度會小於柱寛,若「鋼骨鋼筋混凝土梁與外柱接頭處之梁主筋需直接通過接頭」,則因梁主筋端部有標準彎鉤,在外柱接頭處,若要穿過“十字形柱之腹板的開孔,則從外側必須有足夠之地界,可供將梁主筋從外側穿過“十”字形柱腹板的開孔進入內側;若無足夠之地界時,就必須從內側將上層鋼筋先豎起,使彎鉤先進入鋼柱腹板上之貫穿孔,再轉水平後接著180度轉動彎鉤,但會碰到四周的梁、柱主筋及模板、鋼筋,排置非常困難且耗時,幾乎不可行。為了使梁主筋直通,而在柱腹板上設置鋼筋貫穿孔,則鋼筋貫穿孔的直徑,至少須比鋼筋之最大直徑再加1015mm。以D32竹節鋼筋為例,鋼筋的最大直徑比標稱直徑大約5mm,也就是鋼筋貫穿孔的直徑須大約為47mm~52mm。若須穿過90度彎鉤,則鋼筋貫穿孔至少還要加大10~15mm,達57~67mm,若需穿過多根鋼筋,則腹板斷面積所剩無幾,且鋼筋穿孔排紮所需工時大幅增加,更是難以接受。

若柱為箱型斷面鋼柱時,因梁寛小於柱寛,不論是內柱或外柱,更是無法將梁主筋穿過箱型鋼柱。

四、從結構安全的角度探討

1.當梁寛度小於柱寛梁時,梁寛再扣除柱翼板寛度後,二側所剩空間不多,若為了使梁主筋直通,而在柱腹板上進行整排開孔,則不但會影響柱之勁度,也會大幅影響剪力和拉、壓力強度。依據鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範第8.5.1節第3項規定:「鋼骨鋼筋混凝土梁柱接頭處若需於鋼柱上穿孔以貫通主筋時,則鋼骨之貫穿孔應符合第 4.2.3 節之規定。」;第4.2.3 (鋼骨之鋼筋貫穿孔規定),「(1)在鋼骨斷面上設置鋼筋貫穿孔,將造成鋼骨斷面積之減少,可能會對構材之強度及抵抗變形之能力產生不良影響。設計者應於配置鋼筋貫穿孔之前,審慎評估其可行性。(2)鋼骨鋼筋混凝土梁或柱之鋼骨斷面之翼板,原則上不得設置鋼筋貫穿孔。(3)鋼骨鋼筋混凝土柱之鋼骨斷面之腹板,於必要時得設置鋼筋貫穿孔。在 H型鋼骨斷面之腹板,或由 H 型鋼所組成之十字型鋼骨斷面之腹板上設置之貫穿孔,其限制如下式: Zn/ Z ν Y 。其中Z :鋼骨全斷面之塑性斷面模數Zn :斷面減損後鋼骨斷面之塑性斷面模數Y:鋼材之降伏比,按表 4.2.1 規定ν:應變硬化造成應力提高之安全係數。以ASTM A572 Gr.50 為例,Y 0.77 ν1.1。若不得已須違反本節第(2)款之規定,柱翼板須設置貫穿孔時,前述公式ν Y 之乘積,須再放大1.1倍。(4)鋼筋貫穿孔應事先在工廠內加工完成,且一處貫穿孔以通過一支鋼筋為原則。(5)開孔之位置不得妨礙銲道或螺栓接合。貫穿孔之邊緣以距銲道邊緣15 mm,距銲接用之切角邊緣25 mm 以上為宜。(6)臨時增設貫穿孔時,須符合本節之規定,且其貫穿孔位置、尺寸及補強方法,須經設計者核可後方可施作。

在梁柱接頭附近,因其應力較大,貫穿孔所造成之影響也較嚴重。SRC柱構材之腹板主要承受剪力,在H 形或十字形鋼骨斷面腹板上設置鋼筋貫穿孔時,雖然其抗剪之能力常超過所需,但開孔過大或太多時也會影響構材剪力強度,故應審慎為之。

2.鋼筋經貫穿孔通過接頭區時,因鋼筋與混凝土間可藉握裹力結合,但鋼骨柱之腹板為平滑表面,難以傳遞握裹力,梁主筋之拉力不易進入鋼骨柱之腹板。雖然“十”字形柱之翼腹轉角處,梁主筋拉力可壓在柱之翼腹轉角處,形成桁架模式取代腹板表面傳遞之握裹力,但因翼板之寛度有限且其厚度不一,容易產生面外變形,致桁架模式所能傳遞之剪力(梁主筋拉力)不明確。尤其是位於斜撐構架之邊構材鋼骨柱,同時又是箱型斷面外柱時,由斜撐傳遞之水平分力須由鋼筋混凝土集力梁拉住平衡之情況時,此時集力梁之拉力特別大,集力梁主筋之拉力就無法經由箱型柱平滑表面之握裹力傳遞,此種情況有明顯之結構委全疑慮。

結語

  1.工程師在使用設計規範,必須綜覽所有相關的設計規範的每一條文,甚至須熟悉所有相關規範,依據力學專業素養加以研判應用,不能選擇性的依據某些條文,却忽略其他維繫結構安全所必要之更重要的條文。建築技術規則第512條規定:「鋼骨鋼筋混凝土構材接合設計,應依設計規範規定;接合處應具有足夠之強度,以傳遞其承受之應力。」、513條規定:「鋼骨鋼筋混凝土梁柱接頭處之鋼梁(筆者認為鋼筋亦同),應直接與鋼骨鋼筋混凝土柱中之鋼骨接合,並使接合處之應力能夠有效平順傳遞。」、515條規定:「鋼骨鋼筋混凝土梁柱接頭處之鋼柱,應配置適當之連續板以傳遞水平力;……」(此條所指之「連續板」即是為了傳遞鋼梁或鋼筋之高應力所必需,否則鋼筋已從柱側直通,何需設置傳遞水平力所需之連續板?)、及516條規定:「鋼骨鋼筋混凝土構材之續接處應具有足夠之強度,且能平順傳遞其承受之應力,續接之位置宜避開應力較大之處。」等,才是確保結構安全最基本的觀念。

  2.綜上探討可知,不論是「建築技術規則」第509條或「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範」第8.5.1節中,均是以「為原則」、「宜儘量避免」等不確定詞句表述,不但未明確規定「不得」以鋼筋續接器銲於鋼柱翼板上以續接主筋,且由以上探討結果得知「鋼骨鋼筋混凝土梁柱接頭處之主筋以直接通過接頭為原則」,在斜撐構架之邊構材鋼骨柱,同時又是箱型斷面外柱時,由斜撐傳遞之水平分力須由鋼筋混凝土集力梁拉住平衡之情況時,存有明顯之結構委全疑慮。

  3.筆者曾與數位參與「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範」編著之專家學者討論,「續接器銲於鋼柱上作為鋼筋與鋼柱間之續接」是否不符合設計規範之規定?」的問題時,所獲得的回應是:「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範」第8.5.1節制訂的原意,係指梁主鋼筋不能只在“十”字鋼柱腹板上單面銲接續接器,作為替代梁鋼筋端部標準彎鉤的作法。筆者認為在“十”字鋼柱腹板上之二側正對各銲接一對續接器,並於外側鎖固“T”頭鋼筋,來取代梁主筋直接穿過梁柱接頭柱腹板,是一種力量傳遞最有效的力學機制。

  4.本人認為:「採用續接器銲於鋼柱上作為鋼筋與鋼柱間之續接法」,並無「不符合建築技術規則與鋼骨鋼筋混凝土設 計規範之規定」之情事,採用續接器銲於鋼柱上,作為鋼筋與鋼柱間之續接法,是目前執業技師所採用的正確作法,也是目前已知唯一可符合結構安全需求的方法。

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