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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


中華民國九十六年十二月二十二日

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圓柱橫箍筋以銲接方式續接探討

陳正平技師

本文從現行『結構混凝土設計規範』及『鋼結構設計規範』之既有條文,推導制訂圓柱橫箍筋以銲接方式續接之合理疊接長度與銲接尺寸和長度。

一、前言               

現行『結構混凝土設計規範』對於鋼筋混凝土圓形柱或基樁之箍筋的搭接長度,僅對採用螺箍筋時有作規定,對於採用一般橫箍筋時,其搭接長度究應採用多少長度並無明確之規定,導致設計與施工者無所適從。在『結構混凝土設計規範』13.9.4節(螺箍筋)中第13.9.4.5條規定:「螺箍筋之續接可用銲接或搭接,搭接長度至少為48db,且不得小於30cm。」但該條規定並未敘明該螺箍筋究為光面圓鋼筋或竹節鋼筋;亦未敘明該48db搭接長度是否適用於fy=4200 kgf/cm2之高強度鋼筋,或用於fc’=210 kgf∕cm2之一般強度混凝土之情況。因此該條文對結構安全幾無可信賴性,而制訂規範者竟照翻譯毫不思考地放入規範內。縱使該條文係適用於螺箍筋,但螺箍筋之靜不定贅餘度甚低,若其安全性不足,只要一處螺箍筋斷裂,即會產生連鎖性之整體破壞。此種破壞模式在1994年元月美國南加州洛杉磯西北方之北嶺地區所發生之規模6.6地震及1995年元月日本淡路島北端明石海峽附近所發生之規模7.2地震中,圓形橋柱螺箍筋損害案例非常多(見圖一及二〔4〕)。而唯一明確顯示的只是「鋼筋混凝土圓形柱之箍筋可以搭接」。至於搭接長度應多長才安全、合理?又是否須考慮箍筋外側之混凝土保護層因不受箍筋的圍束而剝落後之影響?諸多疑義有待進一步探討。

橫箍筋若採銲接方式續接,則不論鋼筋保護層是否剝落,其接合效果不但明確且不受影響,因此筆者嘗試從現行『結構混凝土設計規範』及『鋼結構設計規範』之既有條文,推導制訂合理之搭接長度及銲接尺寸和長度,供工程師設計參考,也希望建築主管機關及學術單位能儘速進行相關實驗,提供一套可靠安全之箍筋搭接長度供設計者遵循,以維公共安全。

 

圖一 美國洛杉磯北嶺地震橋柱震災〔4張荻薇〕           圖二 日本阪神地震橋柱震災 

二、圓柱橫箍筋以銲接方式續接

當柱承受較大之軸力時,受壓構材所配置之橫箍筋,其功能就如同一鋼桶內裝滿了砂,當砂承受荷重時,砂的側向壓力作用於桶壁使其產生被動環向張力(見圖三) 〔2、3〕,隨著荷重之增加,環向張力增至極大,最後鋼桶發生爆開現象。鋼桶的圍束作用就如同箍筋的功能,當受箍筋圍束之鋼筋混凝土柱達到破壞載重時,箍筋會防止柱核心內之混凝土向外擠壓破壞,但箍筋外側之混凝土保護層會因不受箍筋的圍束而剝落。結構混凝土設計規範第3.10.3節式(3-8) 〔1〕螺箍筋之體積比(ρs)

所規定之箍筋量,其強度以彌補混凝土保護層剝落時之強度損失為目標,以延緩混凝土柱發生壓碎現象,使破壞現象呈緩慢而具有延展性。故圍束箍筋之配置並沒有增加柱構材之極限荷重能力。但當箍筋外側之混凝土保護層因不受箍筋的圍束而剝落時,橫箍筋是否仍然可以保有發揮箍筋全應力之搭接效果,則存有安全疑慮。

 圖三 圓箍筋力學行為模式示意圖 

工地普遍採用之續接方式已嚴重影響結構安全,恐會造成工程災害

儘管目前有工程師設計之圓柱橫箍筋採具標準彎鉤之搭接方式續接,但當柱軸力達鋼筋保護層剝落後,是否仍可保有搭接效果,亦無規範可資遵循。而一般工地施工也因無可適用的規範,而任由設計者或施工者自由發揮,圖四所示之箍筋搭接方式為目前工地普遍採用之續接方式,其搭接長度僅約25倍db之搭接長度,另外,再加上頭、尾處為了保持圓箍筋形狀的二處任意點銲 (見圖四),此種箍筋續接方式已嚴重影響結構安全,主管機關若不予以重視,恐會造成工程災害。

   圖四 圓箍筋工地施工現況之一

既然工地常用之點銲固定方式既已用到銲接工具,若採用可銲鋼筋,並將其銲接長度及銲接尺寸經妥善計算,則其安全性不受柱表層混凝土剝落的影響,安全性更為明確。其所需之疊接長度及銲接尺寸和長度之計算方式如下 

2.1 銲接所需之疊接長度

疊接長度係考量圓柱橫箍筋在續接處若採上、下疊接方式電銲續接,則上、下疊接之二鋼筋中心(重心)間,存有1倍db之偏心量,此偏心量所產生之偏心彎矩,須由混凝土承壓應力來平衡,因此須檢核混凝土之最大承壓應力不得超過鋼筋保護層剝落後之容許承壓強度,考量箍筋外側之混凝土保護層因不受箍筋的圍束而剝落後其承壓面積減少15%;(取R=0.85)。另外,該承壓應力會與柱原有之軸壓應力重疊現象,惟因係局部現象,且所佔斷面之比例甚小,因此會有應力重分配作用而重新調整,故研判不致影響安全。其求取上、下二鋼筋疊接長(L)之計算方式如下(銲接尺寸及銲接長度配置示意見圖五及六):

疊接高差所產生偏心彎矩=混凝土以承壓平衡彎矩

2.2 銲接尺寸和長度

銲接長度之計算,因考量工地銲工之素質不一,採用E70XX銲條恐不易掌握銲接品質,故建議採用一般工地常用之銲條E60XX。雖然E60XX與fy=4200 kgf∕cm2之高強度鋼筋並非對接之相稱銲材,但用於填角銲只要適度增大銲接尺寸,便可採小於或等於相稱銲材之E60XX銲條。其銲接尺寸之計算條件如下:(銲接尺寸及銲接長度配置示意見圖五及六)

1、採用一般工地常用之銲條E60XX。

2、考慮疊接高差所產生偏心彎矩由混凝土以承壓方式平衡,銲接長度(Lw)僅承受箍筋之拉力。

銲接長度(Lw)計算方式如下:

鋼筋之強度=銲道之總強度

      單邊銲接:

     φ*Pu=Lw*φ(0.6* FE60)*(有效銲喉)

     0.9*Pu=Lw*0.75(0.6*4.22 tf∕cm2) *(0.6*0.5* db)

      雙邊銲接:

     φ*Pu=Lw*φ(0.6* FE60)*2(有效銲喉)

     0.9*Pu=Lw*0.75(0.6*4.22 tf∕cm2) *2(0.6*0.5* db)

其中,φ=鋼筋之強度折減係數。

            Pu鋼筋之降伏強度。

            FE60E60XX銲條之降伏強度。。

            db鋼筋直徑。

            Lw=銲接長度。 

三、圓柱橫箍筋以銲接方式續接之相關規定

現行『鋼結構設計規範』第10.2.2節對填角銲之銲接尺寸有下列規定:

  3.1 填角銲之最小尺寸

填角銲之最小尺寸如表一,最小銲接尺寸由接頭之兩部分中較厚板決定,但不得大於較薄板之厚度。若超出則應有充分之預熱,以確保銲接之品質。

 表一 填角銲最小尺寸

3.2 填角銲最小有效長度

依強度計算所得之填角銲最小有效長度,不得小於填角銲尺寸之4倍,否則銲接尺寸僅能考慮為有效長度之1/4。

3.3斷續填角銲最小長度

組合構材各構件之銲接亦可使用斷續填角銲。斷續填角銲中任何一段之有效長度,不得小於銲接尺寸之4倍,亦不得小於40mm。

3.4 搭接處之兩端作填角銲(回繞銲接)

承受軸應力之搭接接合板或棒條,除非搭接部分之變形受到充分束制外,應在搭接處之兩端作填角銲,以防止連接處承受最大載重時張開。

接合部或構件側面填角銲或端部之填角銲,分別在端部或側面終止時,在施工可能範圍下,應繼續圍繞轉角銲接,其長度不得小於銲接尺寸之2倍。

註:圓柱橫箍筋以銲接方式續接係埋置於混凝土中,有受到充分束制,因此兩端可不作回繞銲接。

綜上規定顯示,銲接尺寸須採圖五所示之銲道尺寸。

四、圓柱橫箍筋以銲接方式續接之計算成果

基於以上之探討,配合未有充分預熱之最小銲接尺寸,採用滿銲之尺寸,圓柱橫箍筋以銲接方式續接之計算成果如下圖及下表所示:

圖五 銲接尺寸示意圖

     圖六 銲接配置示意圖 

單邊銲搭接及銲接尺寸

鋼筋疊接銲接方式續接

鋼筋標稱直徑(D) mm

銲接尺寸

(S) mm

有效喉厚

(S(E)) mm

單邊銲接最小搭接長度Ls(cm)∕銲接長度L w(cm)

Fy=2800 kgf∕cm2

Fy=4200 kgf∕cm2

fc’=2l0 kgf∕cm2

fc’=245 kgf∕cm2

fc’=280 kgf∕cm2

fc’=350 kgf∕cm2

fc’=2l0 kgf∕cm2

fc’=245 kgf∕cm2

fc’=280 kgf∕cm2

fc’=350 kgf∕cm2

D10

5

3

11∕8

10∕8

9∕8

8∕8

13∕8

12∕8

11∕8

10∕8

D13

6.5

3.9

14∕8

13∕8

12∕8

11∕8

17∕8

16∕8

15∕8

13∕8

D16

8.0

4.8

17∕8

16∕8

15∕8

13∕8

21∕9

20∕9

18∕9

16∕9

D19

9.5

5.7

21∕8

19∕8

18∕8

17∕8

25∕11

23∕11

22∕11

20∕11

註:1、鋼筋須為可銲材質。

  2、銲材=AWS E60XX以上。

  3、銲接長度之端部儘可能圍繞轉角銲接,長度等於銲接尺寸之2倍。 

雙邊銲搭接及銲接尺寸

鋼筋疊接銲接方式續接

鋼筋標稱直徑(D) mm

銲接尺寸

(S) mm

有效喉厚

(S(E)) mm

雙邊銲接最小搭接長度Ls(cm)∕銲接長度L w(cm)

Fy=2800 kgf∕cm2

Fy=4200 kgf∕cm2

fc’=2l0 kgf∕cm2

fc’=245 kgf∕cm2

fc’=280 kgf∕cm2

fc’=350 kgf∕cm2

fc’=2l0 kgf∕cm2

fc’=245 kgf∕cm2

fc’=280 kgf∕cm2

fc’=350 kgf∕cm2

D10

5

3

11∕8

10∕8

9∕8

8∕8

13∕8

12∕8

11∕8

10∕8

D13

6.5

3.9

14∕8

13∕8

12∕8

11∕8

17∕8

16∕8

15∕8

13∕8

D16

8.0

4.8

17∕8

16∕8

15∕8

13∕8

21∕8

20∕8

18∕8

16∕8

D19

9.5

5.7

21∕8

19∕8

18∕8

17∕8

25∕8

23∕8

22∕8

20∕8

註:1、鋼筋須為可銲材質。

  2、銲材=AWS E60XX以上。

  3、銲接長度之端部儘可能圍繞轉角銲接,長度等於銲接尺寸之2倍。 

採用可銲鋼筋並以可發展達箍筋全應力之銲道續接,為目前最為可靠的施工法

四、結論

圓柱橫箍筋具標準彎鉤之搭接,考慮箍筋外側之混凝土保護層因不受箍筋的圍束而容易剝落後,橫箍筋之搭接效果存有疑義。依『結構混凝土設計規範』對於鋼筋混凝土圓形柱或基樁之箍筋的續接依第13.9.4.5條規定:「螺箍筋之續接可用銲接…」,故若採用可銲鋼筋(SDXXXW級),並以可發展達箍筋全應力之銲道續接,為目前最為可靠的施工法。橫箍筋若採銲接方式續接,則不論鋼筋保護層是否剝落,其接合效果不但明確且不受混凝土保護層剝落後之影響。且若配合上、下箍筋之搭接位置錯開,以及增設「具耐震彎鉤之繫筋」作輔助,其靜不定贅餘度遠比螺箍筋高很多,結構安全性應已高於『結構混凝土設計規範』第13.9.4節(螺箍筋)中第13.9.4.5條所規定之「螺箍筋之……搭接長度至少為48db」之規定。再者,接合位置可任意旋轉,不會有受標準彎鉤卡住柱主筋而無法轉動之現象,施工更為方便。若其接頭採用電阻壓銲對接(見圖七〔5〕)之方式,亦為可行,惟須有專用之銲接設備。

      圖七 箍筋電阻壓銲續接〔5曹昌盛〕 

【參考資料】

1〕“結構混凝土設計規範”內政部91.6.27台內營字第0910084633號頒佈。

2〕“鋼筋混凝土學精要”,張志超, 九樺出版社。

3〕“Design of Concrete Structures”George Winter,Arthur H.

  Nilson 。

4〕“1994年元月17日美國洛杉磯北嶺地震震災訪查報告書”,國家地震工程研究中心,NCREE-94-001。

5〕“日本高層預鑄建築”投影片,潤泰集團 ,曹昌盛。

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