地梁之結構分析模式及配筋原則探討

圖1 地梁主筋在梁-柱接頭處彎入柱內之案例。

答案應是不可，其理由除力學行為之穩定平衡需求外,尚有設計實務上不得不的考量因素。此乃因筏基之地梁，其深度通常均較柱尺寸大很多，因此，地梁之勁度會遠大於柱之勁度，於梁-柱結點處，由地反力作用於地梁產生之彎矩，大部分會由柱二側，接入柱之地梁相互平衡之，雖然柱之勁度較小，由柱承受之不平衡彎矩自然會較小，但仍會造成柱二側接入梁之縱向鋼筋根數不同，但問題出在此不平衡彎矩並未回頭反應於已設計完成之柱，致地梁與柱之接頭處之整體彎矩不平衡。另外，在外跨地梁之梁外端處，則前述地梁之彎矩必須由外(邊)柱平衡，因此外柱所需平衡地梁外端之彎矩較大，且必須將上、下層縱向鋼筋彎入柱內錨定，惟地梁外端與外柱之平衡彎矩，對地梁而言雖不是很大，但對較小斷面之柱而言，常會造成柱之計算所得之鋼筋量不但比其上層柱之鋼筋根數多很多，甚至多到無法施作的程度，但設計工程師亦未將此梁端彎矩回頭設計柱，致地梁外端之下層筋很多，但與之平衡之外柱柱主筋卻很少之不合理現象。

通常基礎之設計時機為上部結構分析完畢後，取其柱載重進行單獨分析及設計地梁(註：此法除有本文所探討之疑義外，另外會造成上部結構與基礎之垂直變位量不一致的情形；地梁與上部結構整體分析則不會有上部結構與基礎之垂直變位量不一致的現象。)，而分析結果，柱此處所分配到之彎矩並未反應於已設計完成之柱。為解決上述問題，實務上建議進行單獨分析筏基結構時，直接將較小勁度之柱(含內柱及外柱)設定為鉸接，並將地梁之縱向鋼筋以直通梁-柱方式自行平衡錨定之，但建議適度加強外柱之柱主筋及剪力筋量，以防柱因地梁端部撓角變形，帶動柱而產生明顯之裂損現象。

再者，設計實務上，常有將外柱與連續壁共構的情形，因連續壁施工過程，鋼筋籠很難控制在正確的位置，致預埋在連續壁內之地梁外端所需之錨定續接筋產生施工誤差錯位而無法與後續施作之地梁主筋續接，造成設計分析模式為剛接，但由於施工實務上無法正確施作而變成實質上之鉸接。有鑒於此，為避免發生此種不易解決之施工與設計原意不符的困擾，實務上更有必要將地梁之外跨梁的外端，在分析時直接設定為鉸接，並適度補強外柱之主筋及剪力筋量，以防柱因撓曲變形而產生明顯之裂損現象。至於地梁外端之剪力必須藉接入柱及外周收邊地梁等，與連續壁接觸面上所預埋之插接筋，藉由「剪力摩擦」的方式將梁端剪力傳遞進入連續壁內。

在此亦提醒設計者，剪力摩擦所需之插接筋在通過剪力臨界面處須保持直線並以垂直剪力臨界面或斜角方式直線通過剪力摩擦臨界面(剪力摩擦鋼筋以斜角或垂直方式直線通過假設裂縫之示意圖：見圖2)，且須依「混凝土結構設計規範」第4.8.8節規定：「剪力摩擦鋼筋須沿剪力面作適當配置，並於剪力面兩側採用埋置、彎鉤或銲接於特殊裝置錨定之，使該鋼筋能於剪力面上達到規定降伏強度。」，亦即，剪力臨界面二側均須有足夠的直線延伸段之伸展長度。又依據第4.8.4.2節規定：「當剪力摩擦鋼筋與剪力面斜交、且剪力導致剪力摩擦鋼筋承受拉力時，剪力強度V_n應按下式計算：V_n=A_vf f_y (μ sinα + cosα) 。式中α為剪力摩擦鋼筋與剪力面之交角」；A_vf = 剪力摩擦鋼筋斷面積；cm²。f_y = 鋼筋之規定降伏強度；kgf/cm²。

且剪力摩擦鋼筋不得有偏折情形(不當偏折之案例示意如圖2及3所示)，當剪力傳遞鋼筋與剪力面斜交，致使剪力平行鋼筋之分量造成鋼筋中之拉力，如圖2所示，部分剪力由鋼筋中拉力平行剪力面之分量所抵抗。上式僅適用於平行鋼筋之剪力分量造成鋼筋受拉力，如圖2所示。當大於90° 時，表面之相對運動促使鋼筋受壓，上式不適用。

另外，若與連續壁共構之增打柱的寬度足夠錨定地梁端部之主筋時，因增打柱與地梁係同期施作，則分析時外柱宜採僅輸入增打柱之勁度，可得較小增打柱彎矩，柱之鋼筋量可較少。但若增打柱內之鋼筋量多到無法施作時，仍必須將增打柱設定為鉸接。

設計實務上，會出現剪力摩擦鋼筋未直線通過假設裂縫之情形係因彎折90度之預埋插接筋(見圖3)，在地下室開挖完成要扳回直線時，常會因反復彎折而斷裂。因而會出現先彎折45度，待地下室開挖完成後再扳回與連續壁呈90度狀態，但此種作法雖可降低預埋插接筋因反復彎折而斷裂的可能性，但無法符合剪力摩擦鋼筋對假設裂縫須直線通過(圖2)的規定。為避免插接筋因反復彎折而斷裂，可改採較大號數(例如#6)之附鋼筋續接器之插接筋。 

圖2  剪力摩擦鋼筋以斜角或垂直方式直線通過 假設裂縫之示意圖		圖3  剪力摩擦插接鋼筋未直線通過假設裂縫之 不當案例

結語

結構設計是一種藝術，除力學行為合理性的考量外，尚須考量施工可行性、安全性及整體經濟效益。設計工程在設計思路上常有顧此失彼的情形，例如為解決某部分設計上的問題卻忽略了其與整體結構系統間關聯性，因此，在此建議設計工程師，在進行工程設計時，腦海中必須永遠存有完整的構架藍圖，任何局部之細部設計均須能與構架藍圖接軌，不能有任何錯位偏差的情形，才能使結構系統之傳力路徑完整連貫。

 【參考資料】

1.內政部營建署(2001)。混凝土結構設計規範。台內營字第1000801914號頒佈。

2.土木水利工程學會(2011)。混凝土工程設計規範與解說(土木401-100)。

3.美國混凝土協會(2006)。BUILDING  CODE  REQUIREMENTS  FOR  STRUCTURAL  CONCRETE。 ACI 318 - 12版。