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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


中華民國九十八年一月十日

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文字記者:許素梅

再談『柱圍束箍筋綁紮方式之安全性探討』

陳正平 技師

一、前言

筆者曾於技師報第412期及585期撰文討論現行『結構混凝土設計規範』對於繫筋二端之彎鉤,未鉤住橫箍筋(圖一),而僅鉤住縱向柱主筋之綁紮方式對房屋結構柱所產生之安全疑慮。

近日從台大張國鎮教授對中尺寸之柱(60cm×60cm)的研究成果顯示,依現行規範之規定所綁紮之「柱繫筋鉤住柱橫箍筋承受軸壓力之應力-應變曲線」,亦發現筆者之疑慮確有存在[12]

內政部建築研究所於台北市景美之大型力學實驗室新設置之萬能材料試驗機,其壓力荷重為3,000 噸,拉力荷重為1,500 噸。該所參考筆者所撰寫之文章,所進行之「繫筋細部對大尺寸鋼筋混凝土柱行為影響之研究」研究案期末報告(中華民國9711)之研究成果亦顯示,「繫筋鉤住柱橫箍筋」較「繫筋鉤住柱主筋」具有較佳之耐震韌性行為 [3]

二、柱橫箍筋之力學行為

柱構材在房屋結構系統中扮演極為重要之角色,除須承載結構體之軸向載重外,亦須負責承受各種水平剪力及彎矩;且若柱構材發生承壓失敗,將使逃生之機率大為降低,故柱構材中橫向鋼筋之綁紮方式是否能確實發揮圍束效果,對結構體之安全性及穩定性影響至鉅。現行規範柱繫筋二端之彎鉤,僅鉤住縱向柱主筋之綁紮方式,所存疑之安全疑點說明如下:

 (1)因為規範所規定之柱橫向箍筋量,其強度僅夠彌補混凝土保護層剝落時之強度損失,其橫向箍筋量之計算式原本就未計入由於縱向主鋼筋受軸壓及側壓所產生之向外挫屈力,縱向主筋向外挫屈力會導致箍筋或繫筋承受額外之張力。

 (2)縱向柱主筋承受柱核心混凝土向外爆開力量,會增加縱向主筋產生向外挫屈之可能性。

圖一 大尺寸柱之箍筋缺乏側向支撐繫筋

 

 

 

 

圖二 有效圍束面積模式(Sheikh)〔3〕

 

 (3)因為規範規定柱主筋隔根才提供側撐即可,但因箍筋在轉角間之全段橫箍筋均無繫筋提供側撐,此項規定對較大尺寸之柱或扁柱之長邊,當混凝土保護層受壓爆開後,柱主筋中無繫筋提供橫向支撐者,其從柱頂至柱底全段均幾乎無側撐,此種現象將造成幾近半數之柱主筋,其無支撐長度太長,且均位於圖二(b)之有效圍束區之外,因此會產生提前挫屈而無法承受軸壓力,尤其是柱主筋搭接段將因失去圍束而致搭接失效,此種情況尤其是當若柱之橫向尺度較大,且混凝土保護層剝落後之情形更為嚴重(見圖三)

圖三 無繫筋提供橫向支撐之柱主筋提前挫屈。(資料來源:建研所)

 (4)依「結構混凝土設計規範」第7.4.6節規定「牆之垂直鋼筋……未作抗壓鋼筋用者,則無需以橫箍筋圍封」。準此規定,未受繫筋鉤住之主筋已不得作為抗壓鋼筋用途。

另由文獻資料〔7〕顯示(見圖四)重叠箍筋(試體A1A2)及繫筋二端之彎鉤(180o),鉤住橫箍筋(試體B1B2)試驗結果之承壓強度及韌性均較佳;繫筋二端之彎鉤僅鉤住柱主筋(試體C1C2)及無繫筋(試體D1D2)之試驗結果,承壓強度雖與前者相當,但其延展韌性則明顯較差;其試驗結果符合筆者前述依力學原理之推論。對於較小尺寸之試體已有如此顯著之差異,由台大張國鎮教授對中尺寸之柱,依現行規範之規定所綁紮鋼筋之「繫筋鉤住柱主筋之橫箍RC柱受軸壓之應力-應變曲線」,由試驗結果顯示當載重達極限強度時,其後續強度呈急速下降之脆性行為(見圖四及五)。在工程實務上,柱尚有承載軸向載重,當載重達極限強度時,其後續破壞現象將會比試驗室之破壞行為更為快速、嚴重。此種無韌性之現象將導致使用者失去逃生之時機,與耐震設計規範「小震不壞,中震可修,大震不倒」之基本精神不符合。

 

圖五 混凝土柱箍筋圍束試體應力-應變試驗結果〔7〕

 

圖五 繫筋鉤住柱主筋之橫箍RC柱應力-應變曲線〔1、2張國鎮、王柄雄等〕

近日內政部建築研究所的3,000噸萬能試驗機的裝置完成後,進行一系列75×75 cm,高寬比3之混凝土結構柱之實驗,試驗結果初步證實現行規範以繫筋二端之彎鉤鉤住箍筋之綁紮方式(試體試驗前、後照片見圖六),較鉤住住主筋(試體試驗前、後照片見圖七)之韌性比例平均高出22 %。此初步結果,雖然僅係2(2)之試體,惟其力學行為與筆者之文章論述相符,特別感到欣慰。此種現象對柱之橫向尺度較大之柱將更顯著。

   

圖六 繫筋鉤住箍筋之橫箍RC柱,變形較平均。(資料來源:建研所)

 

 

圖七 繫筋鉤住柱主筋之橫箍RC柱,無繋筋鉤住之柱主筋提前挫屈。(資料來源:建研所)

四、結語

因箍筋在轉角間之全段橫箍筋均無繫筋提供側撐,當混凝土保護層受壓爆開後,柱主筋中無繫筋提供橫向支撐者,其從柱頂至柱底全段均幾乎無側撐,此種現象將造成幾近半數之柱主筋,其無支撐長度太長,會產生提前挫屈而無法承受軸壓力,尤其是柱主筋搭接段將因失去圍束而致搭接失效,此種情況尤其是當若柱之橫向尺度較大或豎向長度較高,且混凝土保護層剝落後之情形更為嚴重。

內政部建築研究所既已設置大型萬能試驗機,應集中心力對規範之疑點及不足之部份,配合技師公會之需求,多作有實質效益之研究案。

【參考文獻】

1〕張國鎮、尹衍樑、王瑞禎、王柄雄,(2005)「螺旋箍筋於矩形柱應用之試驗研究」,工程,中國工程師學會,第七十八卷,第三期,pp.101~124,台北。

2〕王柄雄,(2004)「新矩形混凝土柱圍束型式之研究」,碩士論文,國立台灣大學土木工程研究所,台北。

3〕「繫筋細部對大尺寸鋼筋混凝土柱行為影響之研究」期末報告(2008)內政部建築研究所 。。

4〕 蔡益超,(1995)「柱箍筋設計」Q&A,結構工程第十卷第一期,p.123

5〕「結構混凝土設計規範」,(2002)內政部91627日台內營字第0910084633號頒佈。

6ACI (1988) Building Code Requirements for Reinforced Concrete and Commentary(318-77)

7Moehle, J. P., and Cavanagh, T., (1985) "Confinement Effectiveness of Crossties in R/C"Journal of the Structural Division, ASCE, Vol. 111, No.10, October 1985, pp. 2105-2120.

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