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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○○年五月二十八日

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正視SRC之結構行為

陳純森 技師

 

鋼骨鋼筋混凝土之構造

集集大地震之後,由於鋼筋混凝土建築物的損壞與傷亡不計其數,民眾誤認為「鋼」材是耐震的「萬靈丹」,造成台灣中部地區之工程業界競相採用鋼骨鋼筋混凝土構造,即使一般民宅雖然對於鋼結構之建築陌生,卻也普遍要求設計人與承造人在鋼筋混凝土建築物中增設鋼骨加強,以致於重建區到處充滿著四不像的「鋼骨鋼筋混凝土」建築物。

不可諱言,鋼骨鋼筋混凝土構造在結構安全似乎有雙重的保障,相對的,但如果設計或施工都不在行,卻可能同時存在「鋼骨」與「鋼筋混凝土」2者的缺點,利弊相抵反而得不償失。國內採用「鋼骨鋼筋混凝土」結構相當普遍,從低層的民間販厝一直到高層建築,比比皆是,可是回顧國內的專業養成教育卻十分匱乏。國內各大專院校長期以來都普遍設有「鋼筋混凝土」、「鋼結構」及「預力混凝土」等與結構工程相關的課程,因為這些課程的理論基礎非常明確,非但大學的養成教育完善,畢業後所參與的專業人員考試也有該等科目的考試,而且國家規範也十分完整,業界普遍採用無可厚非。反觀「鋼骨鋼筋混凝土」構造,非但缺乏基礎教育,國家級的專業考試也無此科目,正式的相關規範業界亦十分陌生,以致於設計與施工常常缺乏正確的作為。圖1為國內常見之鋼骨鋼筋混凝土結構。

圖1  鋼骨鋼筋混凝土結構

有學者曾建言,SRC是以鋼骨代替鋼筋來補強混凝土,早期許多的鋼筋混凝土設計,因為鋼筋量太多,雖然規範准許採用圍束筋處理,設計師常懷疑圍束筋的握裹行為,故常以小型鋼骨取代鋼筋,例如角鋼甚或槽鋼等。理論上鋼骨量亦不能太多,不應該讓鋼骨強出頭,好比鋼筋混凝土內部的鋼筋量不能超過平衡比的75折。照理說SRC的鋼骨量也應該有所限制,否則鋼料與混凝土的強度本來就相差懸殊,如果鋼骨量不加以限制,不符合鋼骨補強混凝土之原意,勢必改採鋼結構與鋼筋混凝土結構同時存在,此種複合材料必須考慮兩種構造彼此間之互制行為,其力學行為是十分模糊與複雜,很難整理出一套理論公式加以分析。

SRC最常碰到的問題是鋼筋受到鋼骨的阻擋,而無法貫通,特別是在梁柱接頭處。國內常見的作法是在鋼骨銲一個續接器,並將鋼筋外表車牙鎖進續接器以完成錨錠續接。圖2為常見之續接器接合作法。

圖2 採用續接器接合鋼骨與鋼筋

這種接法就材質而言,鋼骨與續接器都是鋼的材質,銲接技術固然沒問題,但是就複合構造的力學行為卻是不合理的。因為當鋼筋受到阻擋時,鋼筋週遭的混凝土也受到阻擋。可是我們從未考慮如何將混凝土與鋼骨續接在一起鋼筋混凝土構造的基本精神,混凝土才是真正的主角,鋼筋充其量只是補充混凝土抗拉強度不足的配角,頂多再利用鋼筋之圍束作用提高混凝土之抗壓強度。如果過度強調配角的錨錠性卻忽略主角的連貫性,其整體的力學行為勢必十分含糊。所以SRC的構造在西方國家甚少使用,非但缺少完整的規範,坊間的教科書也幾乎找不到。這其實是國內學界難以開課的主要原因。

SRC的使用以日本工程界最成熟,規範也很完整,台灣的規範也幾乎全部沿用。日本的SRC教育亦未充分探究理論行為,而是採用試驗結果作為教材與設計之方法。理論上當鋼骨所佔份量太大時,不能純粹以鋼骨補強混凝土之觀念分析設計,SRC內部的鋼骨與RC均必須各自負擔該有的應力,至於各自負擔多少因涉及複雜的互制效應,日本業界多半以試驗結果定出分配比率。大體說來,SRC規範要求在梁柱接頭區的鋼筋必須以貫通為原則,規範要求梁的主筋應設置在斷面的四個角落,不宜設在梁的上、下緣,以防止在梁柱接頭區受鋼柱阻隔。萬一有極少部分梁的主筋碰到鋼柱時,應將鋼柱開孔,讓混凝土貫通,鋼筋自然從孔洞通過,且鋼柱的孔洞必須鑽於腹板,不得鑽於翼板,但這只適用少數例外的情況,原則上梁的鋼筋是不得觸碰鋼柱的。反之,SRC柱之主筋亦不得觸碰鋼梁。此外,若有RC梁與SRC柱相銜接時,於梁端必須設置轉換之結構鋼梁,讓RC梁之應力轉換至結構鋼梁後,再由鋼梁將應力逐漸傳遞至鋼柱,不可將梁的主筋直接銲在鋼柱上或利用續接器與鋼柱相連接而視同應力的傳遞。總之,鋼骨與RC之受力行為於力量分配後各自考量,橋歸橋路歸路,兩者的應力轉換不得過於集中,必須有適當的漸變或緩衝。

SRC的鋼骨斷面從最早的角鋼、槽鋼、I型鋼、H型鋼與十字鋼,以及近代的方型鋼與鋼管,由於其埋入混凝土後之互制行為,均甚難探究,所以西方國家幾乎見不到鋼骨鋼筋混凝土的設計作品。鋼骨鋼筋混凝土構造實質成為東方之特產,其主要斷面不外乎包覆型與填充型,包覆型者係鋼骨外部被RC包覆,而填充型者則係鋼骨內部被混凝土填充,斷面之示意如圖3所示。

                  圖3 包覆型與填充型斷面

 

鋼骨鋼筋混凝土之技術

鋼骨鋼筋混凝土之施工技術,除了應分別參照鋼結構與鋼筋混凝土之相關規定外,規範尚有下列特別規定。

一、鋼骨鋼筋混凝土構材之主筋配置,應考慮梁與柱接頭處主筋之連續性與施工性等問題。其鋼筋與鋼骨之間應保持適當之間距,以利混凝土之澆置並發揮鋼筋握裹力。

二、填充於鋼管內部的混凝土,可以適度的提高構材之勁度與抗壓強度。

三、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。鋼筋貫穿孔應事先在工廠加工完成,且一處貫穿孔以通過一支鋼筋為原則。貫穿孔之邊緣以距銲道邊緣15mm,距銲接用之切角邊緣25mm以上為宜。

四、鋼骨鋼筋混凝土梁之開口孔徑不宜超過該梁斷面之0.4倍,亦不宜超過內包鋼骨斷面深度之0.7倍,且孔邊應距鋼筋混凝土梁上下緣各180mm以上及鋼梁上下緣各80mm以上。梁之開孔並列時,開孔之中心間距應為孔徑平均值之3倍以上。

五、主筋之一般要求

   a.矩形斷面之鋼骨鋼筋混凝土構材至少應於斷面4個角落各配置一根主筋。

   b.主筋應採用直徑為D16(#5)以上之竹節鋼筋。

   c.主筋與主筋之淨間距應大於以下之最小者:

     (1) 25mm。

     (2) 主筋標稱直徑之1.5倍。

     (3) 粗骨材最大粒徑之1.25倍。

   d.連續構架中,柱之主筋或梁之端部主筋若未連續通過梁柱接頭,或未依規定適當錨定時,應視其為構材之補助筋,且不計其對構材強度之貢獻。

六、梁之主筋

    矩形斷面之鋼骨鋼筋混凝土梁,其主筋之排列,以斷面4個角落各配置一根主筋為原則。主筋不宜配置於鋼梁翼板之正上方或正下方,以免主筋在梁柱接頭處受到柱內鋼骨阻擋而無法連續通過梁柱接頭。

柱之主筋

   a.矩形斷面之鋼骨鋼筋混凝土柱,至少應於斷面4個角落各配置一根主筋。一般柱內之主筋排列,以每個角落各配置3根主筋為原則。

   b.主筋不宜配置於左右兩側與前後兩側,以免主筋在梁柱接頭處受到梁內鋼骨阻擋而無法連續通過梁柱接頭。

   c.柱中之主筋間距不得大於300mm。若主筋間距大於300mm時,則必須加配D13(#4)以上之軸向補助筋,補助筋可以不用錨定,且補助筋應不計其對柱強度之貢獻。圖4所標示實心之鋼筋即為補助筋。

圖4 補助筋配置

八、梁之箍筋

   a.梁之箍筋直徑須為D10(#3)以上,箍筋之最小間距不得小於75mm。

   b.使用D13箍筋時,間距不得大於梁深之一半,且須250mm以下。使用較大直徑之箍筋時可適度增加間距,惟仍不得大於梁深之一半,且須450mm以下。

九、柱之箍筋

   a.柱之箍筋直徑須為D10(#3)以上,箍筋之最小間距不得小於75mm。

   b.使用D13箍筋時,間距不得大於100mm;但在距離柱兩端1.5倍較大柱寬之範圍外,上述之值可增大為150mm。使用較大直徑之箍筋時,可適度增加間距,惟不得超過200mm。

   c.箍筋之彎鉤長度為6d且75mm以上,如圖5所示。

圖5 箍筋之彎鉤長度

十、鋼筋與鋼骨之淨間距

   a.主筋與鋼骨面板平行時,其淨間距應保持25mm以上,且不得小於粗骨材最大粒徑之1.25倍。但主筋與鋼骨板面垂直時,其間距不受此限。

   b.箍筋不得與鋼骨面密貼,其淨間距應保持25mm以上。

圖6 鋼筋與鋼骨之淨間距

十一、鋼骨之混凝土保護層

    鋼骨之最小保護層厚度應考慮施工上之需要。當鋼板與主筋平行時,鋼骨之混凝土保護層厚度須為100mm以上。當主筋為D22(#7)以上時,鋼骨之混凝土保護層厚度須為125mm以上。

十二、混凝土之配比

    最大粗骨材之標稱最大粒徑,不得超過鋼筋與鋼筋或鋼筋與鋼骨之淨間距的4/5。

十三、鋼骨鋼筋混凝土柱中之鋼骨斷面積不得少於構材全斷面積之2%,否則應該採用混凝土之規範處理之。

十四、柱之鋼骨組立若影響柱腳主筋時,鋼骨柱腳之斷面設計可採漸縮方式。

十五、柱子若採用包覆型鋼骨鋼筋混凝土時,梁可採用鋼梁或包覆型鋼骨鋼筋混凝土梁。

     柱子若採用填充型鋼管混凝土時,梁應採用鋼梁。梁柱接頭之鋼梁應直接與柱中之鋼骨接合。

十六、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。

十七、梁柱接頭處應配置適當之箍筋,以提供混凝土必要之圍束。

十八、續接與錨定

a.鋼骨與鋼筋之續接應避開應力較大之處,且兩者應避免設於同一斷面上。

b.柱之鋼骨續接位置,須離梁柱接頭處梁之上下緣至少一公尺以上,且柱之鋼骨續接須採全滲透銲接或強力螺栓結合。

   c.梁之主筋續接應距柱之混凝土面1.5倍之梁深以上。

   d.柱之主筋續接應距梁之混凝土面50cm以上。且任一斷面之主筋續接面積百分比不得大於50%。

   e.柱之最上層四角隅主筋之上端須採用180度或90度彎鉤,其彎鉤須朝柱斷面內彎曲。

十九、構材斷面之轉換續接

   a.SRC柱與RC梁相銜接時,為使應力傳遞平順,應使RC梁之應力先傳遞至SRC梁,再由SRC梁與SRC柱相結合。圖7之拖梁為必要之銜接方法。許多接頭忽略托梁的作法並不適當。

圖7 RC梁與SRC柱銜接之轉換托梁

   b.構材斷面之轉換處應儘可能位於該構材反曲點附近,或彎矩較小之位置。

   c.轉換處應配置適當之剪力釘與箍筋,使鋼筋混凝土與鋼骨之間能有效傳遞應力。

   d.轉換處之鋼筋混凝土部分,其彎矩強度應大於需求彎矩之1.1倍。若有不足應於轉換處加設補強筋,並以該處彎矩之1.1倍設計補強筋數量。

二十、用以抵抗地震力之SRC構材,其鋼筋應符合CNS560之SD280W或SD420W之要求,否則應符合下列規定:

    a.實測降伏強度不得超過規定降伏強度1,300kgf/cm2以上。

    b.實測抗拉強度與實測降伏強度比值不得小於1.25。

二十一、柱主筋之搭接僅容許在柱中央之一半構材長度內進行,且需符合拉力搭接原則。搭接長度內應配置適當之圍束箍筋。構材同一斷面處最多只能隔根續接,且隔根續接處應相距60cm以上。

二十二、圍束範圍

    梁柱接頭處之上柱底部及下柱頂部以及可能產生彎矩降伏處之兩側須以圍束箍筋圍束之,圍束之範圍不得小於下列規定:

   a.接頭交接面沿剪力作用方向之柱深度。

   b.柱凈高度之六分之一。

   c.45cm。

惟若柱之反曲點不在柱中央一半凈高範圍內,則柱之全長均須配置圍束箍筋。

二十三、箍筋之間距

   a.圍束區之圍束箍筋間距不得超過柱短邊的1/4或15cm。

   b.非圍束區之箍筋間距不得大於柱主筋直徑之六倍或20cm。

   c.第一個箍筋距接頭面之距離不得大於圍束箍筋間距之一半。

結論

總之,鋼骨鋼筋混凝土是一種十分複雜的複合結構,2種構造之間的互制效應也是甚難釐清的,各種不同的鋼骨斷面安置在混凝土內部之握裹或束制行為也不容易精算,這也是美國學術界與工程界長期未採用SRC的主因之一。國內所有從業人員應詳讀規範的相關規定,謹慎處理,並非將鋼筋與鋼骨連結錨錠就算了。畢竟例外是不能當原則處理的。

 

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