鋼結構大樓梁柱結合型式之探討

多層建築之梁柱銜接方式

多層建築鋼結構之梁與柱之銜接位置,有兩種方式,有的設置在柱面於工地接合,有的則遠離柱面一段距離,如圖1。

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圖1 工地接頭位置

這兩種的接頭在國內處處可見,各有優劣利弊。大體言之,接頭設於柱面是一種合乎理論的作法,西洋的設計師採用較多。因為一支梁與柱子的接頭本來就只有兩個,故西洋式的作法是符合理論原則的。圖二與圖三分別為西式接頭於工廠製造與工地吊裝之情形。

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圖2 工廠製造之西式梁柱接頭

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圖3 工地吊裝之西式梁柱接頭

可是這種作法在早期的日本鋼構業作了修正,除了將梁柱介面之接頭在工廠處理外,另於遠離柱面一段距離增設一個工地接頭。圖四即為典型之日式接頭,在柱的四側各增設一個托梁,或稱為拱頭、牛腿、托架(Bracket),此種作法堪稱為東方式的接頭。圖5為東方式設計之工地接頭處理情形。

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圖4 東方式鋼柱

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圖5 東方式鋼柱之安裝

早期日本業界普遍把梁柱之工地接頭,設在遠離柱面一段距離,其主要的原因乃是考量工地的施工品質控制比較不容易。因為工地多屬於高空作業,工人的心態比較不穩定,工地風速又大,也會影響電銲品質。且工地電銲機的電源與銲接處之距離遠近各有不同,當電纜線太長時,容易造成電壓下降,影響電銲品質。如果將柱面接頭在工地電銲施工,其工作條件與施工品質遠不如工廠控制容易。因此,必須另選鋼梁應力較小之部位,作為工地之電銲與施工。

根據結構學基本理論,梁柱界面的受力在理論上是最大的。無論是垂直力所造成的梁端彎矩或剪力,甚或地震側力所衍生之梁端彎矩,在柱面處也都是最大的。參考圖六,遠離柱面一段距離的鋼梁應力顯然減少許多,故工地接頭應設法離開柱面一段距離。況且柱面外的托梁在安裝鋼梁時也可作為起重工的暫時立足之地,對安裝工作也有所助益。而梁柱接頭的介面處理則事先於工廠製造時銲接,因為工廠電銲是在地面上加工製造,品質控制較為容易。

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圖6 鋼梁受力之應力圖

但東方式的接頭常受西方人士詬病,因為就整體工程品質而言,將一支好端端的鋼梁切成三段再將它接合起來,本來理論上只須要兩個接頭處理,東方式的設計施工卻採用四個接頭處理,此等接合部位的增加,對整體的品質控制是不利的,理論上接頭數量應該愈少愈好,西方人士要求施工層面應儘量符合理論邏輯。梁柱接頭的位置理論上就應該設在柱面。況且東方式的安全考量與電源問題都可以提高施工經費加以克服。

總之,無論東方或西式接頭均各有其正當性,全憑設計師的抉擇。兩相比較,究竟採用何者較為妥善,筆者認為如果設計、施工與監造單位對鋼結構都很內行時,可採用西式作法。如果設計、施工與監造團隊缺乏完整之鋼結構經驗時,不仿考慮東方式接頭。惟東方式接頭於運輸時,佔用較大之容積,運費比較昂貴,是其缺點。

參考文獻

陳純森(2009)。鋼結構工程實務[第三版]。科技圖書:台北市。

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