合成柱構材軸向載重傳遞模式介紹

一、前言

承受軸力之包覆型及填充型合成構材、或鋼柱構材,埋入鋼筋混凝土柱中,其間有軸向力傳遞或轉接時,載重須在鋼骨與鋼筋混凝土界面間傳遞,所需傳遞之力量,可藉由鋼柱柱底基板之有效承壓面積、植銲在鋼骨上之剪力釘、及鋼骨與混凝土柱界面上之有效握裏力共同承受。現行「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」第8.7節(構材斷面之轉換續接)規定:

1.鋼骨鋼筋混凝土梁轉換成鋼筋混凝土梁,或鋼骨鋼筋混凝土柱轉換成鋼筋混凝土柱時,應檢討以下各事項:(1) 轉換處儘可能位於該構材反曲點附近彎矩較小的位置。(2) 轉換處應配置適當的剪力釘與箍筋,使鋼筋混凝土與鋼骨間能有效傳遞應力。(3) 轉換處之鋼筋混凝土部份之彎矩強度,應大於該處需求彎矩之 1.1 倍,若有不足則應於轉換處加設補強鋼筋,並以該處彎矩之1.1 倍設計補強筋量。

2.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。」。解説中説明:「為了使SRC構材的應力能順利傳遞至 RC 構材上,在轉換處,SRC構材之鋼骨可以配置適當的剪力釘,轉換處之 RC部份亦可加配補強箍筋與長向補強筋。......為使應力傳遞平順,若設計上需要有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柱接一段 SRC梁,再將SRC梁轉換為RC梁」。

按規定,鋼柱構材埋入鋼筋混凝土柱所需考慮之力量,主要有軸力與彎矩,但以上規定尚不符合實務需求及不符合力學行為,茲列擧説明如下:

(1)實務上柱構材所需轉接之彎矩,大多是位於柱構材底部彎矩最大的位置,少有在反曲點的情況。

(2)柱構材軸向力之轉接握裹力,以塡充型合成柱之鋼骨内側表面較可靠之握裹力貢獻未納入考量。

(3)柱構材底部有效承壓面積可提供部分承載能力,但非全基板為有效承壓面積。

(4)鋼筋與鋼骨之轉接範圍須有箍、繫筋緊密圍束,其中緊密圍束之繫筋,其間距須符合設計規範之規定。但易被鋼骨阻隔而無法施作。

(5)鋼筋與鋼骨間須有足夠的搭接長度,而非伸展長度。

(6)鋼骨彎矩之轉接應以横向力偶為主,而非縱向力偶。

鋼骨係高強度材料,要將鋼骨之軸力轉接傳遞至鋼筋混凝土地下室基礎柱,鋼骨柱面上之剪力釘就如同鋼筋表面之竹節,其傳力行為就如同鋼筋與鋼筋間之搭接行為。又因SRC柱在承受高軸力下,柱保護層有可能剝落,此時將導致搭接之鋼筋失去圍束而致搭接失效。但圍束繫筋常會被鋼骨柱阻隔而無法施作、柱基板對承壓的貢獻度、以及柱表面的握裹強度如何考量。這些軸力轉接應注意事項,在現行「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」中之規定,均未提及,合成柱構材之載重傳遞,除軸向載重外尚有彎矩載重。筆者針對軸向載重部分之轉接模式所需考量之細節,合併美國鋼構造協會AISC 360-16之相關規定,彙整提出探討,供工程師設計時參考,另外尚須仰賴設計工程師之專業判斷力予以加強。不當之處,尚請工程先進不吝指正。

二、鋼骨柱與RC柱間之傳力方式

工程師可依據柱全斷面之力系平衡條件下,可求得合成柱鋼骨柱與混凝土柱,二者界面間所需傳遞之縱向力。兩種材料所分擔的力量,可依據塑性應力分佈模型計算,鋼骨柱與混凝土柱間力量轉接可歸納成三種情況:(1)全部的載重施加於鋼骨、(2)全部載重施加於混凝土,或(3)全部載重同時施加於鋼骨及混凝土等三種情況。承受軸力之包覆型及填充型構材,若載重須在鋼骨與鋼筋混凝土二者界面間傳遞時,所需傳遞力量之決定須符合下述要求:

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三、軸力傳遞機制

軸力傳遞機制分成直接承壓、剪力釘及直接握裹三種。鋼骨柱直接握裹、直接承壓及剪力釘等三種剪力傳遞機制作連結時,直接承壓或剪力釘機制常常一開始不受力,直到直接握裹破壞後才開始受力,因此直接握裹與其他傳力機制之強度不得疊加。除非有明確的理論證明,否則直接承壓機制與剪力釘機制之強度亦不得疊加。直接承壓與剪力釘共同作用之相關研究相當缺乏,因此原則上直接承壓與剪力釘共同作用的強度不共用,但是這樣的作法普遍被認為過度保守,剪力釘在強度發展出來後仍具有良好的延展性,承壓機制如果僅考慮混凝土被充分圍束的部分,則其延展性也應該不差,此時強度的疊加就具有可行性。如果僅考慮鋼骨斷面積及鋼骨柱面以外一倍基板厚度所包絡範圍,亦即假設應力在翼板及腹板之邊緣,以1比1的斜率傳遞分佈至柱基板底部,可認定此範圍為基板不會因承壓而産生大變形,屬有效承壓範圍,此時可合併與鋼骨上之剪力釘強度共同作用。各種傳遞機制之設計強度分別説明於後。

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3.直接握裹

直接握裹力之傳遞,通常適用於局部變形受到適當圍束之填充型合成構材(API, 1993; Roeder et al.,1999),載重可藉由直接握裹傳遞。然而,在混凝土從鋼管中之推出試驗(即將管內核心混凝土推出鋼管之試驗)所得之握裹強度。鋼管斷面越大、管壁越薄、矩形鋼管、光滑表面、或内表面油汚,以及塡充高收縮性混凝土等,會顯現出較低的握裹強度;較小的斷面、管壁越厚、圓形鋼管、粗糙表面、或内表面無油汚、高膨脹性混土等,以及由梁端以剪力連接板型式傳遞至鋼管柱成為鋼管之軸力時,所得之握裹強度,會因額外的連接偏心等現象,會顯現出較高的握裹強度。

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四、 細部設計要求

1.包覆型合成柱構材

以剪力釘傳遞縱向剪力時,剪力釘必須配置於載重傳遞有效長度範圍內,此長度不得超過載重傳遞段之上、下2倍合成構材之最小橫向外部尺寸或外部直徑範圍。剪力釘不論配置於鋼骨之内表面戓外表面,其配置間距除應符合鋼結構設計規範之規定外,並須至少配置於鋼骨之兩個對稱表面,且其分佈應對稱於鋼骨斷面之軸線。剪力釘之最大間距須符合「鋼結構設計規範」之規定。

對於包覆型受壓合成構材,宜全長配置剪力釘,以便在意外彎矩(包括初期挫屈引致之撓曲)下仍可保持合成作用。剪力釘之最大間距須符合「鋼結構設計規範」之規定。梁接入柱之剪力,傳入合成柱構材所需之剪力釘須配置在有效長度範圍内。

2.填充型合成柱構材

以剪力釘傳遞縱向剪力時,剪力釘必須配置於載重傳遞有效長度範圍內,此長度不得超過載重傳遞段之上、下2倍鋼管合成構材之最小橫向外部尺寸或外部直徑之範圍。

載重施加在鋼管内部無配置鋼筋之填充混凝土合成柱上之情況,載重傳遞之有效長度僅能沿載重施加方向單向擴展。剪力釘之配置間距應符合鋼結構設計規範之規定外,並須對稱於鋼骨斷面之軸線分佈。剪力釘之最大間距須符合「鋼結構設計規範」之規定。

對於填充型合成柱構材,為避免合成構材鋼骨或接頭處之混凝土產生過大之應力,所需傳遞之載重應在規定之載重傳遞長度範圍內傳遞完畢。一般情況下,為含載重加載區域往上及往下各2倍最小橫向尺寸之總長度範圍。如果載重過大,以致所需傳遞之縱向剪力,無法在所規定的載重傳遞有效長度內完成時,設計者可加長載重傳遞長度,但是在所加長的長度內應視為非合成斷面設計之。

不同於包覆型合成構件,填充型合成構材,只需在載重傳遞有效長度範圍內配置所需傳遞縱向剪力之剪力釘,其它的區域可不配置,這是因為鋼管可提供充分的圍束效應,在承受意外彎矩下仍可保持合成作用。

3.含柱基板之合成柱構材

含柱基板之合成柱構材,其載重傳遞長度可不受限制,惟宜在最短長度内傳遞完成,以減低受到軸向變形的影響。

五、不當應用之案例探討

內政部建築研究所民國93年12月,所出版之"鋼骨鋼筋混凝土(SRC)構造設計教材,其中,例題12 (SRC柱脚與基板之設計例), 疑有發生前述之力學傳力模式之不當情形。針對該教材「軸向載重傳遞模式」疑有不當之處歸納如下,在此提出共同探討:

1.設計轉換層SRC柱柱脚需配置之剪力釘時,未將彎矩與軸力分別考慮,而是以『鋼骨容量設計觀念,假設轉接層鋼骨表面所配置之剪力釘,能完全承擔鋼骨翼板達到降伏時造成之拉力,依此原則設計所需之剪力釘』數量,未扣除柱底基板之有效承壓面積的承載能力貢獻。

事實上,有部分軸力是由柱底基板之有效承壓面積承受,部分由剪力釘承受,且因剪力釘受力時有滑移現象,反而是柱底基板之「有效承壓面積」承受的部分較為可靠。

2.該設計例以柱基板全面積為有效承壓面積,但因埋置於混凝土中之柱基板,無法產生較大的基板面外變形,其有效承壓行為僅約柱板厚度加上二倍基板厚度之範圍。尤其是柱基板之厚度,有厚也有薄,面外變形量不同,其有效承壓範圍自然就會有所不同,所以以柱基板全面積為有效承壓面積是不合實際力學行為的假設。

3.鋼柱柱底之錨栓設計,雖有考慮鋼骨上、下二端之橫向剪力力偶之剪力,但却有計入柱之軸拉力。事實上,柱之軸拉力已由轉換層鋼骨上之剪力釘轉給RC柱之軸向鋼筋了,那兒來之錨定螺栓之拉力?

4.轉接層之RC柱已整層高度配置有軸向鋼筋。而該設計例却在計算伸展長度Ld,且只要求從B1FL向轉換層延伸Ld,而非以搭接長度決定所需長度。

六、結語

轉接機制本身即為一個小結構系統,接合之受力模式應簡單明確,使各構件能充分發揮材料之最大效果。各構件間之受力分佈,必須依接頭內部構件之勁度分配。另外此局部結構系統與整體結構系統間,亦必須考量其相合性,例如高樓結構系統與地下室鋼筋混凝土結構之轉接,即為一種「大型之接頭」,此大型之接頭對整體結構系統有明顯的相合性需求。

接合之傳力方式宜緩和漸變,以避免產生應力集中之現象。鋼結構為鋼板構件組合而成,接頭位置常會在不同方向之板構件間傳遞力量,或經由螺栓、剪力釘或銲材傳遞力量,因此必須考量應力傳遞緩和漸變,避免應力集中。轉接機制對整體結構安全甚為重要,由現行「鋼結構設計規範及解說」第十章「接頭設計」,10.1「一般規定」之解說中:「接合之受力模式宜簡單明確,傳力方式宜緩和漸變,以避免產生應力集中之現象。接合型式之選用以製作簡單、維護容易為原則,而接頭設計在必要時,應依接合所在位置對整體結構安全之影響程度酌予提高其設計之安全係數。」等語,顯示接頭之重要性。

鑒於合成結構轉接機制對結構安全的重要性,國內對桿件轉接之設計資料又甚為缺乏的情況下,工程師想要好好設計,除了要對規範有充分了解及豐富專業素養外,若能有一本適合國內施工習慣且接合型式正確的接頭型式,供設計工程師參考,就更能得心應手,亦可充分利用材料特性,節省成本造價及設計與施工之工時。國內規範之制定缺乏結構專業人材參與,筆者對美濃地震台南維冠大樓倒塌事件,由倒塌後之樣態探討倒塌之可能原因,發現與傳力路徑疑有中斷有關,由此也突顯對傳力路徑細部檢核急待教育推動的重要性。

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