距柱面二倍梁深範圍內 地梁穿孔是否適當？

陳正平  技師

有關鋼筋混凝土結構參考圖之「梁穿孔補強詳圖」附註，有註明「距柱面二倍梁深範圍内不得穿孔」；但在「地梁穿孔補強詳圖」中則未註明，是否地梁上之穿孔位置，可設置於地梁梁端距柱邊二倍梁深範圍內？

梁穿孔設在跨度中央之中性軸上，對梁之不利影響最小。最主要的考慮方向，需從結構力學原理及耐震設計條文規定二方面來考量。

對於沒有完整地下室外牆(或連續壁)之地梁，例如低矮房屋結構或廠房結構物之地梁，其地梁之設計未依現行「耐震設計規範」第6.2.11(基面以下之構架)，將地震力放大1.4α_y倍(或依上部結構之超額強度因子Ω₀倍放大設計地震力(註：Ω₀係極限層剪力與設計層剪力之比值)設計之；而是同一般樓層之梁一樣，係以符合梁二端達塑鉸所産生之梁塑性剪力、強柱弱梁及梁柱接頭剪力等韌性需求之規定設計者，此時梁穿孔補強，就必須符合「距柱面二倍梁深範圍内不得穿孔」之規定。其主要理由，係因一旦梁上之穿孔位置位於距柱面二倍梁深範圍内，則縱使有依參考圖之「梁穿孔補強詳圖」進行補強，仍無法確定穿孔處之彎矩強度，可達到原斷面之塑鉸強度及梁二端達塑鉸所産生之梁塑性剪力強度。

對於有完整地下室外牆(或連續壁)之地梁，因大部分之地震力會由地下室外牆承受，因此地梁不會產生塑鉸，但須依現行「耐震設計規範」第6.2.11(基面以下之構架)，將地震力放大1.4α_y倍(或依上部結構之超額強度因子Ω₀倍放大設計地震力設計之，但實務上放大後之設計地震力，仍會經由地面以下各層横隔樓版傳遞至地下室外牆，而大部分放大設計地震力，係由地下室外牆承受，幾乎不會增加地梁之受力，因此地梁無韌性需求；或雖無地下室外牆，伹地梁之設計已依現行「耐震設計規範」前述條文之規定，放大設計地震力設計之，則此種地梁亦無韌性需求，只要檢核參考圖之「梁穿孔補強詳圖」其細部可滿足設計彎矩(含穿孔處之剪力所産生之二次彎矩)及剪力強度，則可依參考圖之「梁穿孔補強詳圖」補強之即可。否則須另設計可滿足前述力量之補強細部，並另行繪製該梁專用之「梁穿孔補強詳圖」。此時理論上，地梁上之穿孔可設置於地梁端距柱邊二倍梁深範圍內，但因地梁端部之剪力值通常會比跨度中央位置為大，由剪力所產生之二次彎矩會較大，因此通常開孔位置，宜盡可能設置於剪力較小之跨度中央(非梁之反曲點)處，梁容許穿孔之建議位置及孔徑與孔間距限制之參考資料，詳見圖1所示。

一般參考圖之開孔補強筋量，只是提供一個可行的補強型式，並不保證可足夠承受開孔處之剪力及衍生之二次彎矩，設計者必須個別檢核是否安全。原則上，設置於跨度中央段，因剪力較小，比較容易通過檢核，若開孔設置於地梁梁端距柱邊二倍梁深範圍內，則因梁端之剪力會較大，開孔所産生之二次彎矩較大，有較大的可能性會檢核不易通過，尤其是方形長條孔之情況會更嚴重，因此必須檢核參考圖之補強筋量是否足夠承受該處之剪力及衍生之二次彎矩。況且參考圖之開孔補強，未將有韌性需求與無韌性需求之可開孔位置，分別提供補強詳圖，因此將開孔設置於距柱邊二倍梁深範圍內，且直接依鋼筋混凝土結構參考圖之「梁穿孔補強詳圖」進行補強，容易引起爭議。

若工地開孔已施作完成，只好依前述結構力學原理及耐震設計條文規定，進行梁端開孔處之設計彎矩(含穿孔處之剪力所産生之二次彎矩)及剪力補強筋需求量之檢核。

對於無地下室或地下室外牆不完整，致地梁仍須發展韌性者，仍以依參考圖之建議，避開「梁端距柱邊二倍梁深範圍」(見圖1)為原則。

圖1  梁容許穿孔之位置及孔徑與孔間距之限制[5]

通常筏式基礎之筏基坑內，都會留設大約150mm~300mm左右的各箱室連通管，可能設置於各箱室之上、下端，上端連通管的位置會設在筏基頂版的版(BS)下緣附近，以作為透氣之用；下連通管的位置則是位於筏基版(FS)上緣，作為通水之用。相較於地梁尺寸而言，連通管貫穿孔所佔面積比例不大，在計算上常有不需補強的情形，設計圖說中應註明：不需補強之限制條件(例如：孔徑對梁身比例在1/10以下，且孔間距在3倍直徑以上)、或簡易之補強細部，但是穿孔位置，仍應盡可能避開地梁的高應力區，且補強筋應配置在穿孔四周，並均勻分布在梁腹全寬，不能僅配置於梁腹之二側。由於地梁尺寸較大，若以梁深來作為規定「距柱邊二倍梁深範圍內」不可穿孔的範圍，可能會比較無法符合工程實務上的需求，設計圖說中應該視個案條件，加以特別註明。

至於穿梁套管的垂直位置(距離中性軸多少範圍內)，在規範中有規定？如照片1中，2根內徑5cm的PVC管直接由版內穿過梁上層筋下方，由於管線之機能目的，無法將管線移至梁中性軸位置，此種情況是否可以接受？此種情況會造成開孔位置上方所剩之梁厚度較小，雖然穿孔位置剩餘斷面上所分攤到的剪力會較小，但位於受壓側時，壓力可能會造成梁主筋、或混凝土斷面抗壓強度不足、或發生挫屈現象，因此通常會建議穿孔，宜設置在梁高度中央三分之一範圍為宜。

解決方法，宜採穿梁管之上、下方，增設補強筋及箍、繫筋，檢核受壓側之主筋或混凝土斷面不致發生挫屈，且穿孔位置剩餘斷面上之壓力、剪力及其産生之二次彎矩，補強後之強度及靭性，符合安全需求。檢核方法，可採拉壓桿桁架模式或構架模式，「拉壓桿桁架模式」，可參見現行「混凝土結構設計規範」附篇A或新版「混凝土結構設計規範」草案第23章；「構架模式」則可參考圖2所示，其計算歩驟如下：

圖2  構架模式

   1、斷面m-n以全斷面核算彎矩：亦即，梁開口上、下梁段之軸力Z＝M÷ z。（z＝開口上、下梁段之重心間距）。

   2、梁開口上、下梁段之剪力：一般壓力側承受大部分剪力(拉力側開裂後剪力強度降低)。建議壓力側分配0.6Q;拉力側分配0.4Q。

   3、梁開口上、下梁段之設計：壓力側梁段之二次彎矩＝0.6Q×L/2。拉力側梁段之二次彎矩＝0.4Q×L/2。軸力＝M÷ z。

   4、在開口二側配置懸吊箍筋：以0.6Q計。(開口角隅視需要配置斜向鋼筋)