地下結構物以連續壁樁抗浮之錨定設計探討

陳正平　技師

前言

筆者曾參與鋼筋混凝土結構配筋相關規範或準則或標準圖等之研討或制定會議，在討論過程中發現，大部分資深專家、學者竟然認為只要符合「混凝土結構設計規範」第五章有關伸展長度之規定，即可解決所有鋼筋「錨定」的問題。有此種看法的人大都認為：鋼筋伸展長度的計算式中已考慮到鋼筋周遭混凝土之圍束效應。但儘管「混凝土結構設計規範」第五章有關伸展長度之規定，已考慮鋼筋周遭混凝土握裹劈裂對，待伸展鋼筋握持效果的影響，但筆者認為「伸展長度」僅是有考量到周圍混凝土圍束效應的最短握持長度而已，終究還是僅侷限在單根鋼筋達到全強度所需之最小「握持長度」而已，伸展長度完全尚未考慮到錨定的問題。况且「錨定」應係指局部結構系統的穩定、平衡問題，此部分之結構安全性必須經結構分析及設計才能確定，「混凝土結構設計規範」的內容尚無法含蓋此部分。雖然大多數工程師未注意到此問題，亦未有大問題發生，但也許結構設計所採用之載重係數或安全係數已被用盡，此種情況並不能保證不會發生問題，而且此種情形，當問題發生時，大部分都在使用狀態下，因此，會造成較大的災害。

伸展長度的意義

「混凝土結構設計規範」第五章有關伸展長度之規定中，所謂「圍束效應」係指來自鋼筋周圍混凝土保護層厚度和鋼筋間距，以及橫向(箍、繫)鋼筋之使用量。若鋼筋受到較高程度之圍束，則其握裹強度會提高，反之則降低。混凝土結構設計規範對「伸展長度」的概念，是基於鋼筋在其埋置長度內所能發展之平均握裹應力而得。由於較高之握裹應力傳遞會有劈裂鋼筋周遭較薄混凝土之傾向，故須提供足夠之鋼筋最小伸展長度，以降低平均握裹應力，並避免混凝土之劈裂。若單根鋼筋埋置於巨積混凝土中，由於混凝土不易劈裂，故其伸展長度可以較短，但若整排鋼筋埋置於混凝土時，混凝土可能於鋼筋平面上被分隔成不連續的弱面，而有產生縱向劈裂之傾向。

伸展長度的概念在應用上即是要求鋼筋在通過應力極值點後，仍須繼續延伸一段最短長度，此最短長度僅是「握持長度」的最低需求而已。至於鋼筋之埋置長度已達最短伸展長度，是否即可達到「錨定」之需求呢？鋼筋須延伸多長才足夠達錨定長度？這個問題仍須依臨界面之二側之邊界條件(包含多根鋼筋的群錨握持效應及鋼筋群錨之混凝土錐狀破壞強度)及局部結構系統是否可達平衡穩定的條件，且須經結構桁架模式(strut-and-tie models)或錯位搭接等其他方式，檢核分析及設計後才能決定。因此，鋼筋之伸展長度僅係提供單根鋼筋發展其強度所需之最短「握持」或「埋置」長度而已。

由於現行「混凝土結構設計規範與解說」第五章所規定之「鋼筋伸展長度」除用來計算鋼筋之「搭接長度」外，並未進一步說明「伸展長度」用於何處或如何因應才能確保結構安全。對混凝土結構體承受束筋或鋼筋群之集中拉力情況，若僅賴所規定之鋼筋伸展長度，是否足夠達到錨定的需求？又是否會在鋼筋群附近產生混凝土握裹失敗或圓錐體拔出之貫穿剪力失敗等破壞現象，則未詳加規定，致許多結構設計者誤以為只要符合各該單根鋼筋伸展長度之規定，不論所埋置之束筋或鋼筋群之根數多寡，混凝土均可承受的現象。事實上，設計時必須分別考慮下列三種情況檢核錨定強度是否足夠抵抗外力。

  (1)鋼筋群本身的張力強度。

  (2)單根鋼筋或束筋與混凝土間之握持強度(伸展長度)。

  (3)混凝土之貫穿剪力或梁式剪力計算強度 ( 含混凝土本身之剪力強度及鋼筋之剪力強度)。

案例探討

案例一

近日，一位技師同仁向筆者反應：其代表業主參加某結構外審學術單位之審查案件，在剪力牆邊構材與地梁間之錨定問題，審查委員與設計者均認為只要有伸展長度即可，經該技師提出應檢核「群錨效應，及通過其破壞錐破壞面之剪力強度」之疑義，但卻未被結構外審委員接受，由此可見，有正確觀念的工程師仍在少數。

案例二

以連續壁樁作為抗浮構材時(見圖1)，首先必須確定該地下結構物為永久處於上浮之狀態，否則須考慮當結構物之載重大於浮力時，原用來作為抗浮之壁樁，會變為承重基樁，此時地梁系統必須有能力將柱載重傳遞至壁樁上。否則當承載土層有壓密沈陷時，地梁系統會產生斷壞現象。

圖1中之地下室於無上部結構物範圍之筏基底下所配置之連續壁壁樁，因考慮到連續壁的施工性而採直線連續延伸之方式配置，但此種配置方式對不規則或曲折配置的地梁，無法對準地梁，因此，壁樁之豎向主筋就無法伸入地梁內錨定，而只能伸入筏基大底內，但筏基大底之厚度有限，若以60公分計，所能提供壁樁之豎向主筋之埋入深度僅有約50公分，而#6鋼筋之伸展長度為55公分；#7鋼筋之伸展長度為81公分；#8鋼筋之伸展長度為93公分；#10鋼筋之伸展長度為118公分，連續壁壁樁豎向主筋之可埋入深度均不足以達到鋼筋之最小伸展長度，更遑論混凝土之貫穿剪力強度是否可達到錨定鋼筋之全強度 (見圖2)。此時在壁樁之豎向主筋增加標準彎鉤或將鋼筋擴頭 (或稱T頭：見照片3)，對筏基底所能提升之貫穿剪力計算強度相當有限。

此有效投影面積必須扣除由於鋼筋太靠近致應力錐重疊部份之面積。如果鋼筋群過於接近混凝土結構之邊緣，其超出混凝土邊緣之面積亦應扣除(並須考慮應力錐不對稱受力之影響)。應力錐有效面積亦會受混凝土總厚度之限制，故應考慮混凝土厚度之影響。

圖1：抗浮壁樁配置不當案例示意圖		圖2 壁樁錨定於混凝土筏基底版中之破壞錐示意圖

筆者認為改善錨定效果的方式，可以將連續壁壁樁的配置改為沿著地梁配置，使連續壁壁樁的主筋可以伸入達地梁的頂部。在沒有地梁的位置，則連續壁壁樁仍須向上延伸至與相交(垂直向)地梁之頂部，以使連續壁壁樁的主筋可以將二側相交(垂直向)地梁之剪力帶入連續壁壁樁內，但連續壁壁樁與相交(垂直向)地梁之所有交點都須配置一豎向之懸吊鋼筋 (亦即，滙集構材)，以便將相交地梁二側之浮力所傳來之剪力，往下帶入連續壁內，繼而將浮力帶往每一根錯位甚遠之連續壁壁樁的主筋，使分散較遠之連續壁壁樁的主筋都能參與抵抗浮力。此匯集構材之長度 (亦即埋入深度) 原則上須大於與二相交地梁之間距的一半，再加上鋼筋之搭接長度。當相鄰之相交地梁的間距不同時，須取大值，如此匯集構材才能與錯位搭接之連續壁壁樁的主筋有效搭接，以使整體連續壁壁樁的重量均能有效參加抗浮。

圖3 板形螺帽或擴頭取代標準彎鉤示意圖[5]

結語

綜上分析，連續壁壁樁用來抵抗上舉力或浮力時，壁樁之鋼筋須錨定入地梁頂部，且須於連續壁壁樁與相交(垂直向)地梁之所有交點都須配置一豎向之匯集構材，此匯集構材之埋入深度，原則上須大於與二相交地梁之間距的一半，再加上鋼筋之搭接長度。當相鄰相交地梁之間距不同時，須取大值，如此匯集構材才能與錯位搭接之連續壁壁樁的主筋有效搭接，以使整體連續壁壁樁的重量均能有效參加抗浮。

【參考資料】

[1]內政部(2002)。“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]中國土木水利工程學會(2007)。“混凝土工程設計規範與解說(土木401-96)”。

[3]美國混凝土協會(2005)。“BUILDING  CODE  REQUIREMENTS  FOR  STRUCTURAL  CONCRETE”，ACI 318 - 05版。

[4]羅俊雄、詹穎雯、徐雨義、鄭橙標、汪向榮、許丁友(2000)。“Headed Bar應用於混凝土梁-柱接頭之力學行為評估”。國家地震工程研究中心，報告編號NCREE-00-023。

[5]錠錩實業股份有限公司“錨定頭型鋼筋”型錄。