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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○四年七月十一日

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本期主筆:周子劍
執行編撰:李惠華
文字記者:許素梅

橋柱主筋有關伸展、搭接與錨定施工品質爭議評析

陳正平 技師

前言

某捷運工程高架橋柱現場施工方式為預組鋼筋籠,其中有將4D36主筋併排成一直線,經熱心專業人士陳情有橋柱主筋間距分配不均,及鋼筋排列間距過密等缺失,在未經改善情況下即澆置混凝土,恐導致混凝土澆置過程結構體產生蜂窩疑慮,因而擔心一旦發生類似民國88921地震,捷運工程結構可能遭受破壞而造成公共危險,建請主辦機關全面再查驗並改善施工品質。

設計單位針對陳情事項提出說明

依據現行“混凝土結構設計規範”規定,本工程鋼筋配置間距經檢討尚符合設計規範第13.5.3節:「受壓構材之主筋間淨距不得小於1.5,或粗粒料之標稱最大粒徑1.33倍,亦不得小於4cm」之規定。

一、 檢討柱墩設計

1、柱直徑:2.6m,鋼筋直徑:D36,排列方式:42-3D36徑向排列成一直線〔2D36束筋(外圈)+1D36(內圈)〕,保護層:7.5cm,主筋(束筋)心到心間距(260cm7.5cm×23.6cm×2)×π÷4217.8cm,淨間距=17.8cm3.6cm14.2cm(詳見圖1)

2、 經計算2-D36之等值10.07cm2×2()2π/4,∴5.06cm 1.57.6cm。設計配筋之淨間距14.2cm,尚符合大於1.5;或大於粗粒料之標稱最大粒徑1.33倍;亦不得小於4cm之規範規定。

柱墩配筋2D36束筋(外圈)+1D36(內圈)示意圖[2]

二、 柱墩施工圖變更設計

1.現行“混凝土結構施工規範”第5.6.12節:「為避免鋼筋與埋設物、管線或其他鋼筋間相互干擾,鋼筋之位置可在排置許可差範圍內調整。若必須超出許可差範圍時,應經監造者同意。」

2.為配合鋼筋加工預組鋼筋籠再運至現場安裝之施工方式,及提高現場鋼筋續接組立之工作度,將內圈箍筋移至外圈,主筋排列方式改為3支一束,惟總鋼筋支數不變。經細部設計公司檢討後認為不影響原設計需求,同意所提施工變更方案。3根一束鋼筋間距經計算:主筋(束筋)心到心間距(260cm-7.5cm×2-3.6cm×2)×π÷42=17.8cm,淨間距=17.8cm-3.6 cm×2=10.6 cm。

3.經計算3-D36之等值:10.07cm2×3=()2π/4,∴=6.2cm, 1.5=9.3cm。變更設計後施工圖配筋之間距10.6cm,尚符合大於1.5;或大於粗粒料之標稱最大粒徑1.33倍;亦不得小於4cm之規範規定。

三、 柱墩配筋實際量測間距

依變更設計後施工圖施作之鋼筋間距大部分位置尚可保有10.6cm之間距。

四、 墩柱鋼筋配置變更設計後影響評估

1.本工程墩柱鋼筋係以圓形配置,墩柱鋼筋之上端與下端須與帽梁鋼筋及基礎版鋼筋相交錯配置,為維持原設計柱主鋼筋圓形配置,於施工中常須配合現況調整部分柱主筋之排列方式,因而產生部分鋼筋須合併排列成束筋及間距不一之情形。

2.由於柱墩高度較高,鋼筋號數較大,鋼筋現地綁紮及續接困難,為避免施工中鋼筋籠倒塌,須先在地面加工預組鋼筋籠,再吊裝續接組立。本工程現場鋼筋綁紮作業時須配合穿揷帽梁主筋,出現有2組束筋併排之情形,此一狀況事前已有檢討,尚不致影響原設計結構安全性。

3.本工程依據“鐡路橋梁耐震設計規範”設計,並考慮近斷層效應,及加計橋梁重要性係數後,工扯水平地表加速度係數已達0.53g,相當於7級震度。

4.現場施工有一處出現4支鋼筋併排的情形,經查核原設計鋼筋需求比為2.3%,考量各項施工因素,實際配置之鋼筋比為2.4%,大於設計值。該4支併排鋼筋若僅考慮2根之握裹力為有效,經折減一半有併排之鋼筋斷面積後,再計算鋼筋比仍有2.35%,尚大於原設計之2.3%。故此柱墩鋼筋間距局部調整後,不影響原設計安全性。

五、墩柱混凝土澆置品質問題檢討

依本工程施工技術規範核准之混凝土配比,其中粗粒料最大粒徑為1.9cm,有鑒於墩柱鋼筋因配合施工而作局部調整排列,部分間距較原設計為小,故於混凝土澆置前針對鋼筋間距較小的因素擬定混凝土配比及振動搗實方式,特別凝妥因應對策。澆置混凝土時由柱中心以最接近澆置底面位置緩速澆置混凝土,並配置2(11)振動棒隨時振動,另外於外側再配合以橡膠槌人工於鋼模面槌擊,使混凝土填滿全部空間,不致產生蜂窩現象。混凝土拆模後檢視柱體表面均為完整光滑,無發現蜂窩現象,證明有達到預期效果(見圖2)

混凝土拆模後檢視柱體表面均完整光滑[2]

 

專業人士對設計單位說明之意見

1.鋼筋排列太密集

鋼筋排列太密集可能產生蜂窩疑慮,縱使墩柱表面沒有蜂窩現象,但混凝土可能無法完全包覆鋼筋表面,鋼筋容易生銹。亦可能鋼筋容易與周邊混凝土脫離而降低握裹力,致喪失抗拉或抗壓能力。未見相關單位未回應與握裹力相關之問題。以墩柱第二昇層施工照片(見圖3)為例,紅色箭頭所指處4支垂直向主鋼筋無法被混凝土完全包覆,故沒有抗拉或抗壓的握裹能力。

四支垂直向主鋼筋併排一列成為束筋示意圖[2]

2.主筋應採徑向搭接

以圖1之設計圖為例,圓柱外環會受到最大之抗壓或抗拉應力,所以鋼筋搭接只能在內環排列搭接,不可如墩柱第二昇層施工照片中有許多兩支成束之鋼筋全部排列在外環邊緣。外環束筋之間均須保留淨間距,所有上、下層鋼筋搭接應即如圖4所示徑向搭接。目前圓形墩柱鋼筋間距不均、不足或過大,已違反現行規範規定。

二支垂直向主鋼筋徑向併排成為束筋示意圖[2]

 

爭議點評析

1.鋼筋排列太密集對握裹力的影響:對於鋼筋排列太密可能產生蜂窩疑慮的問題,若施工單位有依據「墩柱混凝土澆置品質問題檢討」所擬施工步驟施作,將混凝土由墩柱內側底部向外及向上擠滿墩柱並有適當的振動,則理論上主筋內側不易產生蜂窩,至於混凝土擠壓穿過較密集之主筋間隙至外側之鋼筋保護層範圍,則較容易受鋼筋阻擋而產生蜂窩現象。然而由單位及鑑定單位之施工照片均顯示混凝土表面均為平整光滑之狀況觀之,應不致有嚴重之蜂窩存在。且只要墩柱之表面無蜂窩,水氣不會進入內部就不會有鋼筋容易生銹的問題。再者,縱使墩柱主筋之四周表面有局部蜂窩現象而有影響握裹力,因本工程之墩柱主筋高度平均10m以上,以D36鋼筋,fc¢=350 kgf/cm2fy=4200 kgf/cm2,所需伸展長度約為200cm。因此(實際伸展長度)/ (需求伸展長度)之比值高達5倍之多,亦即,實際握裹力僅規範規定之五分之一,因此研判應無握裹力不足的疑慮。

2.現行“混凝土結構設計規範”第13.5.6.1節規定:「四根以內鋼筋可接觸合成一束如單根鋼筋作用」,三筋或四筋之標準束筋型式為三角形、正方形或L形,但並未禁止使用「三支以上鋼筋在同一平面上之情況」。且依規範第5.5.1節:二根一束之束筋握裹效果不受影響,其搭接長度不需增長之規定,顯見4支排成「一排」比「正方形」配置方式,其握裹效果更佳,但其與相鄰鋼筋之淨距計算方法,建議將4支排成一排之束筋,保守視為一根鋼筋,以束筋總面積計算其等效直徑,且以束筋之形心為其形心。依此原則計得與相鄰鋼筋之淨距為=7.2cm,1.5=10.7cm,勉強可符合變更設計後施工圖配筋之間距10.6cm。況且, (實際伸展長度)/ (需求伸展長度)之比值高達5倍之多,研判應無握裹力不足的疑慮,亦不會有喪失抗拉或抗壓能力的問題存在。

3.圓柱外環會受到最大之抗壓或抗拉應力,所以鋼筋間有足夠的淨距時,尤其是圓柱沒有穿插繫筋須同時鉤住搭接段2根搭接主筋的需求之情況下,應以在外環搭接為原則,才能保有相同的抵抗彎矩有效深度。

若採在內環徑向排列搭接,則第二昇層之主筋會位於柱內側,造成抵抗彎矩有效深度減小。且配置於徑向內側之第二昇層之主筋仍須偏折彎出外側之下層原有主筋位置,則第二昇層主筋之上、下偏折點須依現行“混凝土結構設計規範”第13.7.1.1節:「偏折鋼筋對柱軸偏斜部份之斜度不得大於1 : 6」,及第13.7.1.3節:「鋼筋偏折處須用橫箍筋、螺箍筋或部份樓版構造做橫向支撐。橫向支撐須能承受鋼筋偏折部份橫向分力1.5倍之推力。若用橫箍或螺箍時須配置於偏折點15 cm以內」之規定,以「額外」之圓箍筋對上、下偏折點進行加強。此時上、下偏折點之加強圓箍筋,亦會造成局部鋼筋過密而有蜂窩疑慮的問題。因此若有鋼筋淨距不足之疑慮時,較佳之解決方案為採用鋼筋續接器續接(國外亦有施工案例),並以高性能高流動性之混凝土澆置。

結語

因為鋼筋混凝土結構係由鋼筋及混凝土二種不同性質之材料組合而成,二者之間會產生有關伸展、搭接與錨定的設計或施工品質對結構安全的爭議,要解決此種爭議問題不能單純以規範條文之角度探討,必須結合結構力學的觀念探討各種配置或彎紮方式之優缺點,權衡利弊得失綜合評析,選用最佳之方案才是最上策。

 

【參考資料】

1.內政部 (2002)結構混凝土設計規範。內政部91627日台內營字第0910084633號頒佈。

2.技師公會捷運工程墩柱結構安全鑑定報告書。

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