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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


中華民國一一○年三月二十日

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文字記者:許素梅

混凝土結構設計規範

部分剛性預鑄構材接頭支承」結構安全性探討

陳正平 技師

一、前言

「接頭為部分剛性預鑄構材之支承」,為現行「混凝土結構設計規範」之第9.7.4節之内容,該節經内政部於民國106531日,以台内營字第1060805829號令修正增訂,其内容如下:

9.7.4 接頭為部分剛性預鑄構材之支承,除應符合第 9.7.2.1 (詳下述)之規定外,須滿足下列規定:

9.7.4.1 考慮施工許可差後,其支承構材邊緣至預鑄構材邊緣在預鑄構材跨徑方向之距離不小於淨跨距之1 / 360,且不小於實心或中空樓版或半預鑄樓版為3 cm梁或有腹版構材為4.5 cm

9.7.4.2 本規範第5.12.1節之規定不適用於部分剛性預鑄構材。【註:第5.12.1節:「簡支構材正彎矩鋼筋至少須有 1/ 3,連續構材正彎矩鋼筋至少須有 1/ 4,沿同一構材面伸 入支承內 15 cm 以上」】。

其解說内容如下: 接頭為部分剛性預鑄構材之端支承,指支承處之負彎矩鋼筋連續或錨定於支承內,且正彎矩鋼筋不延伸入支承時,如圖1。考量此類預鑄構材於形成部分剛性接頭前,仍為簡支構材,故仍要求接觸面符合允許承壓應力之規定,並得以臨時性支撐或鐵件輔助承擔施工載重;依實務經驗顯示,接頭部分剛性預鑄支承,構材邊緣到預鑄構材邊緣,在預鑄構材跨徑方向之距離,可為第 9.7.2.2(1)規定值之50~60%;惟支承採用向外延伸鐵板或角鋼時,得依該鐵板或角鋼之邊緣計算……。第5.12.1節之規定,不適用於接頭部分剛性預鑄構材,惟經分析顯示,接頭部分剛性預鑄構材端,支承之正彎矩處會產生移動時(如懸臂小梁受到向上垂直地震力作用),宜採機械接合方式,使其與支承構材固定,以控制變形。

接頭部分剛性預鑄構材之承壓長度與支承長度

「混凝土結構設計規範」第9.7.2節規定如下:

 9.7.2 簡支預鑄樓版及屋頂構材之支承須滿足下列規定:

9.7.2.1在支承與被支承構材、或其中間支承元件間之接觸面,其允許承壓應力,不可超過接觸面及支承元件之承壓強度。

9.7.2.2 除經試驗或分析證明無損其性能,下列之最低需求,必須滿足:(1)考慮施工許可差後,其支承構材邊緣至預鑄構材邊緣在預鑄構材跨徑方向之距離不小於淨跨距之1/180,且不小於實心或中空樓版為5cm 梁或有腹版構材為7.5cm(2)對於無保護構材支承墊,須自支承面退縮1.25cm或自截角構材之邊退縮截角之尺寸(見圖2)

其解説如下:支承墊將集中載重及反力,分佈於支承面積上,且允許水平位移及轉動以降低應力。為防止支承構材在承壓處應力過大,而使混凝土剝落,除非邊緣有保護,預鑄構材不可放在支承構材之邊緣。保護之裝置可為錨定之鐵版或角鋼。

預鑄構材之承壓長度與支承長度

我國現行「混凝土結構設計規範」,係參考美國混凝土學會(American Concrete Institute),所出版之「結構混凝土建築規範(Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary)ACI 318-05」規範所編訂,然而前述現行「混凝土結構設計規範」之第9.7.4節之規定,並非ACI 318規範原有之條文,而是内政部依據「中華民國土木水利工程學會」混凝土工程委員會之建議,於民國106531日所修正增訂。筆者認為,第9.7.4節修正增訂部分,存有諸多結構安全疑慮,特將其提出討論,供工程師參考,以免誤用而造成工程災害,不當之處,尚請工程先進不吝指正。

二、「混凝土結構設計規範」第9.7.4節之結構安全疑義

1.支承只須考慮承壓應力?

9.7.4節解説中:「……考量此類預鑄構材於形成部分剛性接頭前,仍為簡支構材,故仍要求接觸面符合允許承壓應力之規定,並得以臨時性支撐或鐵件輔助承擔施工載重;依實務經驗顯示,接頭部分剛性預鑄支承構材邊緣到預鑄構材邊緣在預鑄構材跨徑方向之距離,可為第 9.7.2.2(1)規定值之50~60%……」之説明顯示,第9.7.4疑有因誤解「支承只須考慮承壓應力」即可,因而訂出第9.7.4.1節:「……支承構材邊緣至預鑄構材邊緣在預鑄構材跨徑方向之距離不小於淨跨距之1 / 360,且不小於實心或中空樓版或半預鑄樓版為3 cm梁或有腹版構材為4.5 cm」之規定。第9.7.4節之規定雖考慮了第9.7.2.1節所規定之「在支承與被支承構材或其中間支承元件間之接觸面的允許承壓應力不可超過接觸面及支承元件之承壓強度」之規定,但違反了規範9.7.2.2解説,已明確指出:「為防止支承構材在承壓處應力過大而使混凝土剝落,除非邊緣有保護,預鑄構材不可放在支承構材之邊緣」之規定,亦未考慮到當小梁載重加載於大梁側所預留之凸緣(見照片1)上時,凸緣支承面下方是否會發生「20°斜角摩擦剪力」(見圖3)、「35°剪破」、「45°梁式剪力」等破壊模式,此等破壞模式之強度甚低,會控制了設計,使得第9.7.4.1節之規定,幾乎無強度可言,無法支承預鑄小梁吊裝過程所需支承之靜載重及施工載重中。若第9.7.4節正確,則ACI 318原有之第9.7.2.2節就屬不正確,而應予刪除?

照片大梁側面用來支承小梁之凸緣

 
照片2  20°斜角摩擦剪力破壞案例一   照片3  20°斜角摩擦剪力破壞案例二
     

3  20°斜角摩擦剪力破壞面力系及剪力摩擦筋示意圖

235°剪破破壊模式

依據内政部委託建研所,新近審査通過新版「混凝土結構設計規範」,第17.7.2(錨栓之混凝土剪破強度),以照片1之情況,其剪破強度估計僅能承受約3噸左右,若再考慮載重偏於凸緣之外側情況,則其剪破強度將更低,對承載小梁之靜載重,也是幾無強度可言。

345°梁式剪力破壊模式

在無配置剪力箍、繫筋之情況下,梁式剪力強度雖可達約5tf,對承載小梁之靜載重,杯水車薪,幾無強度可言,不敷使用。

4)小結

當臨時支撐之支撑位置,設置在大梁與小梁接頭處之大梁底下時,於小梁吊裝定位後,支承於大梁凸緣上之小梁,會因自重而産生撓度,小梁端部已産生撓角,小梁端部載重將會作用於大梁凸緣之外角上,造成大梁凸緣承受偏心彎矩,將會更降低20°斜角摩擦剪力」、「35°剪破」、「45°梁式剪力」等破壊模式之承載能力,無論如何這些剪破破壊模式均遠早於承壓強度發生。且9.7.4違反了第9.7.2.2解説已明確指出:「為防止支承構材在承壓處應力過大而使混凝土剝落,除非邊緣有保護,預鑄構材不可放在支承構材之邊緣」之規定。

因此現行「混凝土結構設計規範」之第9.7.4節之規定,顯有結構安全疑慮,應予刪除。

2.「部分剛性預鑄構材接頭」之定義

接頭之「剛性」是否得為「部分剛性」?部分剛性之剛性比例,從大於0%至小於100%間,均屬部分剛性。實務上,鋼筋混凝土構材接頭,僅能模擬成固接、剛接或鉸接,若接頭為部分剛性,則無法確認圖1中,接頭負彎矩産生之水平力偶,在受壓區有産生多少壓力。亦即無法得知受壓區可提供多少摩擦剪力?可見顯有誤解「部分剛性」之意義。

接頭區,並非只要小梁有配置上層筋接入大梁就有負彎矩,負彎矩値,也不是配置越多的負彎矩鋼筋,即可提供越多負彎矩。負彎矩値,係依大梁扭轉勁度與小梁之撓曲勁度作彎矩分配而得。由於預鑄構材吊裝過程,接頭尚未澆灌混凝土,施工過程的臨時支撐,會解除大部分剛性接頭之彎矩,因而縱使圖1中之接頭間隙有灌注結構砂漿,接頭負彎矩水平力偶在受壓區所能提供之摩擦剪力,不但很少且不確定。因此,負彎矩受壓區所提供之摩擦剪力應予忽略,更何況圖1中之接頭間隙未標註須灌注結構砂漿。

3.小梁上層筋之錨定

小梁上覆版厚度,一般同樓版厚度,約為15cm,小梁之上層筋須錨定於大梁上層筋之下方,因此小梁上層筋之高程,須降至梁頂下方約10cm以下,扣除小梁主筋直徑後,可做彎鉤的空間只剩下約2cm,沒有足夠施作T頭或標準彎鉤的空間。若大梁有足夠的梁寛,可供小梁上層筋作直線錨定,但因小梁上層筋沒有彎鉤或錨頭,無法確定可形成類似梁柱接頭的力學平衡機制,來滿足大梁扭力、與小梁負彎矩上層筋拉力,在接頭區内平衡的需求。由於小梁負彎矩的固定能力無法掌握,致小梁在不連續端的負彎矩値,無法確定。

4.下層筋未錨定入大梁

接頭於施工過程解除了大部分負彎矩,在靜載重下有可能已接近鉸接之狀態,小梁下層筋未錨定入大梁,在長期地震反復作用搖愰下,可能造成接合面開裂或間隙擴大,開裂面亦可能延伸入上覆版。又,現行「混凝土結構設計規範」第9.7.4.2節規定:「本規範第5.12.1節之規定,不適用於部分剛性預鑄構材」。

5.12.1節之規定,可不適用是依據什麼理由?預鑄構材之接頭,沒有比場鑄構材接頭的狀況更佳,場鑄接頭第5.12.1節之規定,是否更不需要,而可予刪除呢?

小梁下層筋未錨定入大梁示意圖

5.小梁負彎矩鋼筋可否兼用為剪力摩擦?

依據現行「混凝土結構設計規範」第4.8.8節規定:「剪力摩擦鋼筋須沿剪力面作適當配置,並於剪力面兩側採用埋置、彎鉤或銲接,於特殊裝置錨定之,使該鋼筋能於剪力面上達到規定降伏強度」。解説亦有加註:「若橫過剪力平面無彎矩作用,則鋼筋應沿剪力平面均勻分佈,俾使裂縫寬度最小。若彎矩作用橫過剪力面,則需將剪力傳遞鋼筋,主要配置於受撓拉力區內」。由以上規定可見,若小梁上層筋為小梁負彎矩所需,則剪力摩擦筋須額外另加。

6.上覆版剪力摩擦傳遞剪力是否可行?

要利用上覆版傳遞剪力進入大梁,理論似乎可行,但實務則不可行,其原因係因為小梁剪力要進入大梁的剪力臨界面之前,關卡重重。首先須有懸吊鋼筋,將小梁端部剪力向上傳遞,並錨定在上覆版(見圖5),然後再以牛腿梁橫向傳遞進入大梁,牛腿梁需有配置剪力筋、及剪力傳遞産生之二次彎矩之上、下層筋之空間。但因上覆版厚度不足,上傳之剪力懸吊筋無法充分錨定進上覆版,再來是上覆版厚度不足以供配置剪力筋及上、下層撓曲鋼筋。因此剪力會先産生「35°剪破」及「45°梁式剪力」等破壊模式,二次彎矩會造成牛腿梁開裂而向下錯位。在上覆版厚度不足之情況下,要利用上覆版傳遞剪力進入大梁,理論似乎可行,但實務不可行。

梁端剪力傳力路徑示意圖

三、「接頭為部分剛性預鑄構材之支承」修正之必要性

由以上探討顯示,現行「混凝土結構設計規範」之第9.7.4節之内容,存有諸多結構安全疑慮,「中國土木水利學會混凝土委員會」,決議將其納入新版規範草案中,筆者認為不妥,數度提出異議未果。

基於職業道徳及公衆生命安全考量,不得已逕向建研所規範審査召集人提出異議,建議將新版規範草案退回修正,擬修正後之内容如下:

16.2.6.5合成預鑄構材之設計應符合本規範相關章節之規定。接合部若採用剪力接合器支承方式,剪力接合器至少應能承擔預鑄構材自重、面層混凝土自重與施工活載重等荷重。符合本小節規定之合成預鑄構材,不須符合第16.2.6.3節與第9.7.3.8.1節之規定。

16.2.6.6合成預鑄構材之接合部,於施工時若無使用第16.2.6.5節規定之剪力接合器、或無法完全利用剪力接合器支承時,於構材構成合成作用前,除符合第16.2.6.2節之規定外,須設置臨時支撐。

解說:…剪力接合器設計,宜檢核圖R16.2.6.5所示截面A之彎矩與剪力強度、截面B之彎矩強度、及剪力釘之剪力強度,剪力接合器之鋼板厚度、剪力釘之分布與設計,可參照「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」之相關規定。

合成預鑄構材之組合方式,除符合合成斷面之各項設計需求外,若合成預鑄構材之場鑄部分設計,為可傳遞剪力至支承構材,則該場鑄部分在預鑄構材端點處,宜依第22.9節,考慮界面處之剪力摩擦需要進行設計,且剪力摩擦鋼筋,除依第25.4節規定錨定於支承構材內,距預鑄小梁端部1倍梁深的範圍內,宜配置閉合箍筋,圍繞剪力摩擦鋼筋,以確保當保護層剝落後之剪力摩擦機制。若合成預鑄構材,採剪力接合器與剪力摩擦,傳遞構材剪力至支承構材,且剪力接合器能符合本節之規定,其支承接合部尺寸,自可較完全需利用支承接合部傳遞所有構材剪力之簡支預鑄構材為小,且不適用第9.7.3.8.1節,有關預鑄小梁至少三分之一正彎矩鋼筋,宜延伸入支承承壓長度中心之規定。

合成預鑄構材於施工階段,通常需利用接合部之支承、臨時支撐或角鋼、剪力接合器、或其混合方式等方法,承擔構材重量與各種施工載重,並防範施工時之可能變位。支承長度與其所傳遞之載重大小有關,宜依各案施工條件計算、並符合承壓強度之規定。臨時支撐構造之設置,宜注意其穩定性與施工順序之安排;合成預鑄構材接合部,若採用剪力接合器時,宜注意其產生之局部應力於預鑄構材內之傳遞,並配置適當之輔助鋼筋。預鑄構材若採用臨時支撐時,當臨時支撐構造拆除,其所支撐之載重需移轉給合成預鑄構材承擔。

6 R16.2.6.5  剪力接合器與接合部

四、結語

修正後之條文,對活載重若非由剪力接合器傳遞至支承構材時,仍存有部分前揭結構安全疑義,以及偏心載重對大梁及其接頭的影響,仍有頼設計工程師的專業素養來把關。本文提供傳力路徑如何完整考量的觀念,供工程設計及「混凝土結構設計規範」後續修訂參考,不當之處,尚請工程先進不吝指正。

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