鋼筋續接器連接鋼骨之正當性探討

陳純森技師 

前言

國內的鋼骨鋼筋混凝土建築工程梁柱接頭之設計，當鋼筋觸及鋼骨時，常採用鋼筋續接器（Coupler）作為連接之材料。設計人認為這樣就可以將鋼筋之應力妥適傳遞，其錨錠也似乎十分可靠，如照片1與照片2所示。其實鋼筋混凝土與鋼骨是兩種不同構造，鋼筋混凝土本身為混合構造（Composite Structure），而鋼骨則為單純之鋼構造，兩者之間的結構行為，學術及工程實務上均欠缺充分之探討。台灣這種接法十分普遍，惟其應力之傳遞一直是模糊帶過，而美、日之相關文獻與實務亦均十分罕見。這種處理方式究竟是否適當，值得業界慎思與檢討。

在規劃SRC結構的初期，設計人就應該考慮梁柱接頭區的力學行為。在RC與鋼骨彼此間之互制效應無法獲得確認時，可考慮儘量讓接頭區之應力能夠順利傳遞，避免RC應力與鋼骨構材作力量的轉換，因為兩者畢竟是不同的構造。

相片1常見之梁柱接頭續接器		相片2 常見之RC梁與SRC柱接頭

建築技術規則的規定

在90年代以前，國內用續接器連接鋼骨為時已久，甚至於學術界與專業團體均對於這種結合作了某些建議。但民國93年當建築技術規則正式將鋼骨鋼筋混凝土納入規定後，卻否定了這種作法，建築技術規則第7章第3節第509條規定：「矩形斷面鋼骨鋼筋混凝土構材之主筋，以配置在斷面四個角落為原則；在梁柱接頭處，主筋應以直接通過梁柱接頭為原則，並不得貫穿鋼骨之翼板。」顯見建技規則並未允許SRC梁柱接頭區之主筋可以觸碰鋼骨，而應該直通，梁與柱之主筋皆然，更遑論用續接器作為連結了。換言之，梁柱接頭區之鋼筋觸碰鋼骨或用續接器作為銜接的作法是不符建技規則的規定，合法的作法建議如圖1所示。若主筋之間隔太大時，可依規範規定設置輔助筋作為補充，補助筋無須直通，亦不須要與鋼骨連接在一起。

圖1

鋼骨鋼筋混凝土設計規範的規定

有鑑於梁柱接頭區的鋼筋與鋼骨之碰撞在所難免，目前的SRC規範除了延續建技規則規定，強調接頭區之鋼筋必須直通外，也作了例外的鬆綁。鋼骨鋼筋混凝土設計規範與解說第8.5.1.1節規定：「鋼骨鋼筋混凝土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以續接主筋。」規範第4.2.3.3節復規定：「鋼骨鋼筋混凝土柱之鋼骨斷面之腹板，於必要時得設置鋼筋貫穿孔。」顯見例外的鋼筋觸碰鋼骨時，必須將鋼骨開孔，且只能開挖腹板不得挖翼板。如照前述規範的例外開放，梁柱接頭區的鋼筋與鋼骨處理方式建議如圖2所示。

圖2

最下下之策為續接器之使用，礙於國內長期使用續接器的陋習，規範第8.5.1.1節規定：「若不得已必須採用時，應符合以下之規定：(1)鋼筋續接器之種類材料品質與施工均應符合內政部頒佈之混凝土結構設計規範之相關規定。(2)以鋼筋續接器銲於鋼柱翼板上續接主筋，若主筋與鋼梁翼板不在同一水平面時，則需在鋼柱內與主筋同一水平面處加銲適當之水平加勁板(連續板)以傳遞主筋之水平力。」。其解說篇並註明：「為了確保梁柱接頭處的彎曲應力能夠有效傳遞，SRC梁柱接頭處之主筋應以直接通過接頭為原則。有關採用鋼筋續接器銲接於鋼柱翼板來接續主筋之方式，目前尚未有充分的研究證明這種接合方式的可靠度，尤其受到往復力作用下之力學行為並不明確。本規範建議在這些問題尚未釐清之前宜儘量避免採用此種接合方式。若不得已必須採用此種接合方式時，至少應符合本節規範有關之規定。最好能再輔以適當的實驗以證明其強度韌性及可靠度。」。顯然規範仍然強調鋼筋應以直通為原則，儘量少用續接器，足見使用續接器的不當性。按照本節規範的說明，繪製續接器的處理方式如圖3所示。總之，續接器之使用是不符技術規則的規定，且在少數的例外情形下始可勉強使用，絕非一種原則性的合宜設計，如果設計人將續接器的接合視為標準的作法或原則的處理方式，實有檢討改善之必要。

圖3

RC梁與SRC柱之接頭

此外，當RC梁與SRC柱相銜接時，業界也常常忽略了規範的規定，而導致設計錯誤。有關梁柱接頭應力之傳遞，SRC規範第8.7.2節規定：「當設計鋼骨鋼筋混凝土柱與鋼筋混凝土梁相接時，為使應力傳遞平順，應使鋼筋混凝土梁之應力先傳遞至鋼骨鋼筋混凝土梁上，再由鋼骨鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱相接合。」。其解說則為：「為使應力傳遞平順，若設計上需要SRC柱與RC梁相接時，應採用漸進方式來進行構材斷面之轉換續接，即先以SRC柱接一般SRC梁，再將SRC梁轉換為RC梁。」。本節規定之用意在提示設計人，RC梁是不得直接與SRC柱相銜接，必須有一段應力的轉換區段，通常在柱端採用托梁設計，建議處理方式如圖4與圖5所示。其主筋之間隔若太過寬鬆時，得參考規範之規定設置輔助筋作為補充。

圖4		圖5