淺談「鋼筋混凝土柱縱向鋼筋續接工法」

前言

鋼筋混凝土結構施工時,柱縱向鋼筋續接綁紮,究竟應以直線接觸搭接較佳?或是以偏折搭接較正確?亦或是以鋼筋續接器來續接較佳?這個問題在工程界爭論不休甚久,至今仍無共識。不同看法的各派專家學者所持的論點各有不同,有的以結構安全作為主要考量因素,有的是以施工綁紮完成之鋼筋籠箍筋與主筋之間隙是否密接,作為主要考量因素,有的則以續接器的安全品質作為主要考量因素。彼此的出發點不同,自然會堅持自己的看法,爭論不休迄今仍無共識,且此種爭論國內外均然。筆者曾長期與國外顧問公司合作,即發現國外部分公司即認為圖示之鋼筋偏折標示,僅為供施工者繪製鋼筋彎紮表或圖時,了解搭接位置而已,並非真實偏折,因此,會特別標示二者之間距為零。筆者認為各種彎紮方式均有其優缺點,其利弊得失取捨之權衡標準,應從多方面考量,首要考量因素當然是對結構安全的影響程度,在結構力學沒有安全疑慮的前題下,才可納入施工可行性及方便性及經濟性等方面的探討。筆者試圖整理分析各種影響,評估比較各種工法之優劣點,並評估各種工法對結構安全性的影響程度,供設計者、施工者及公共工程施工品質查核參考,以避免作不必要的加工而浪費工時又傷害鋼筋材質,不利於結構安全;或公共工程施工品質查核時要求施工單位作不必要的改正而浪費資源,甚至造成更不利結構安全性的影響。本文若有考量不周之處,亦請工程先進不吝指正、補充,以期共同協力提升鋼筋混凝土結構之工程設計及施工品質。

鋼筋混凝土柱筋續接設計及施工規範相關規定

1.混凝土結構設計規範有關柱筋續接之規定彙整如下:

第5.15節(鋼筋之續接-通則)解說:「續接應儘可能遠離鋼筋之最大拉應力處...」。

第5.15.1節:「鋼筋之續接可採用搭接、銲接或機械式續接器」。

第5.15.2.1節:「大於D36之鋼筋,除第5.17.2及8.9.2.3節規定者外,不得搭接」。

第5.15.2.2節:「成束鋼筋中個別鋼筋之搭接長度,應以其單一鋼筋所需搭接長度為基本,再依第5.5節之規定予以修正,束中各根鋼筋之搭接位置不得相互重疊。成束鋼筋不可作整束之搭接」。

第5.15.2.3節:「受撓構材中鋼筋作不接觸搭接時,其側向間距不得大於搭接長度之1/5或15cm」。

第5.15.3.3節:「機械式續接器續接應發展其抗拉或抗壓強度至少達鋼筋以1.25fy計得之強度外,尚須考慮其滑動量、延展性、伸長率、實測強度、續接位置、續接器間距、保護層厚度等對構材之影響,並符合其他有關規定」。

第5.16.4.節:『D16 或較小鋼筋之銲接或機械式續接器若不符合第5.15.3.2或5.15.3.3節之要求時,其銲接或機械式續接器之續接應符合下列規定:5.16.4.1:「續接位置應錯開60 cm以上」......』。

第5.18.2.2節:「在設計載重作用下柱筋承受拉力時,符合下列三條件者其搭接長度可用表5.16.2中之甲級,否則須為乙級:

(1) 柱筋拉應力不超過0.5fy。
(2) 柱任一斷面之搭接鋼筋面積百分比不大於50%。
(3) 柱筋搭接位置至少錯開d。
第5.16.2節:「受拉搭接之最小搭接長度,甲級:1.0d;乙級:1.3d,且不得小於30 cm」。

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」。

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」。

第15.3.6.4節:「鋼筋採用機械式續接時,應分下列兩類: (1) 第一類機械式續接應符合第5.15.3.3節之規定。 (2) 第二類機械式續接除須符合第5.15.3.3節之規定外,其接合強度至少應達鋼筋規定拉力強度」。

第15.3.6.5節:「第一類機械式續接不得使用於梁、柱接頭面或地震時鋼筋可能降伏處起算兩倍構材深度範圍內,第二類機械式續接則准許使用於任何位置」。

第15.5.3.2節:「機械式續接器須符合第15.3.6.3與15.3.6.4節之規定,銲接續接則須符合第15.3.6.1與15.3.6.2節之規定。鋼筋之搭接僅容許於構材淨長之中央1/2內,並應考慮為拉力搭接...」。

第15.9.5.5節:「橫膈版與地震力抵抗系統中之豎向構材間,因力量傳遞而使用機械式續接時,應採用第二類機械式續」。

2.混凝土結構施工規範有關柱筋續接之規定彙整如下:

第5. 5.1節:「所有鋼筋之加工彎曲圴需在常溫下進行。但經監造者核准者不在此限」。

各種續接工法優缺點探討

各種續接方式均有其優缺點,因此,續接工法之選用必須詳加評估,瞭解其優缺點及適用條件後才不會誤用。

1.偏折搭接

柱主筋以偏折搭接的續接方式其優缺點如下:

1.1優點

(1)大部分柱段之柱主筋與箍筋或繫筋間,可保持較小間隙,惟偏折段仍未能符合較小間隙之需求 (見照片1)。
(2)角隅柱主筋搭接段可徑向配置於箍筋接頭之135度鳥嘴形彎鉤內;其餘柱主筋搭接段可徑向配置於繫筋之135度彎鉤內。
(3)柱主筋徑向偏折不致降低柱主鋼筋間之橫向淨距。
1.2缺點

(1)鋼筋偏折加工不易,增加工時費,亦常見有以違反「混凝土結構施工規範」第5. 5.1節之規定採加熱彎折加工,以節省工時現象,此舉對不可銲鋼筋會降低延展性及韌性。
(2)柱主筋偏折段之柱主筋與箍筋或繫筋間之間隙仍甚大 (見照片1)。惟依據建築研究所近期之研究成果顯示,1至2cm之間隙尚不致影響柱之抗壓強度。
(3)柱主筋偏折處理後,每一根柱主筋之上、下偏折點須以橫箍筋、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。以D32 (#10),fc'=280kg/cm2,fy=4200kg/cm2,鋼筋之搭接為例,搭接長度為154cm,若柱之淨高為2.5m,搭接段位於柱之二分之一淨高範圍,則偏折點已位於柱之上、下緊密圍束之塑鉸區內,會降低柱構材之塑性強度及韌性。
(4)承上所述,上、下偏折點對每根柱主筋作雙向箍、繫筋橫向支撐補強,會形成二層鋼筋篩網,致混凝土澆灌困難,容易形成蜂窩缺失。
(5)柱抵抗彎矩之有效深度,位於下偏折點處會略為減少,其減少量為鋼筋之實際外徑。
(6)柱主筋搭接段僅隔根有繫筋,當柱筋保護層受壓爆裂剝落後,無繫筋鉤住之柱主筋會先向外挫屈突出(見照片2),此時無繫筋鉤住之柱主筋搭接段會首先脫離而致搭接失效。
(7)在地下室結構體工程,外柱因受擋土安全支撐之橫擋阻礙,通常搭接長度均會不足,柱主筋無法施作搭接,而必須採用鋼筋續接器。
(8)因偏折現象,自重產生之偏心彎矩導致綁紮不易,垂直度較不易控制。
(9)續接長度較長,無法當層隔根錯開搭接,而必須採隔層隔根錯開續接。
(10)偏折鋼筋之偏斜部份對柱軸以小於1 : 6之斜度彎折,因而柱主鋼筋強度略為折損約1.4%。

 

照片1  摘自 Jack P. Moehle等〔2008

Seismic Design of Reinforced ConcreteSpecial

Moment Frames:A Guide for Practicing Engineers

 

照片2  無繫筋提供橫向支撐之柱主筋提前挫屈。

(資料來源:建研所)

2.直線偏位接觸搭接

柱主筋以切線方向偏位直線接觸搭接的續接方式之優缺點如下:

2.1優點:

(1)搭接段之柱主筋與箍筋或繫筋間,可保持較小間隙。

(2)、柱主筋切線方向偏位直線接觸搭接不致降低柱主鋼筋間抵抗彎矩之有效深度。

(3)鋼筋不需偏折加工,節省工費,無加熱彎折加工之情形。

(4)無偏折處理,綁紮較易,且垂直度較易控制。柱主鋼筋強度無因偏斜而折損情形。

(5)柱主筋無偏折處理,不須增設橫向支撐,因此不妨礙塑鉸區之形成。亦無橫向支撐之箍、繫筋,不致形成二層鋼筋篩網的問題,可避免澆灌混凝土時形成蜂窩缺失。

2.2缺點

(1)柱主筋搭接段僅隔根有繫筋,當柱筋保護層受壓爆裂剝落後,無繫筋鉤住之柱主筋會先向外挫屈突出,此時搭接段會脫離而致搭接失效 (見照片2及3)。

(2)在地下室結構體工程,外柱因受擋土安全支撐之橫擋阻礙,柱主筋通常無法施作搭接,而必須採用鋼筋續接器。

(3)角隅柱主筋搭接段不易配置於箍筋接頭之135度鳥嘴形彎鉤內;其餘柱主筋搭接段亦不易配置入繫筋之135度彎鉤內。因此箍筋接頭處必須繞過轉角再彎入柱核心內,其餘柱主筋之搭接段須改以雙“U”形繫筋在柱內搭接之方式。雖圍束效果較佳,但造價較高。

(4)柱主筋切線方向偏位直線接觸搭接會減小柱主鋼筋間之橫向淨距。

(5)續接長度較長,無法當層隔根錯開搭接,而必須採隔層隔根錯開續接。

照片3 鋼筋保護層剝落後搭接脫離失效

3.鋼筋續接器續接

柱主筋以鋼筋續接器續接方式之優缺點如下:

3.1優點

(1)搭接段之柱主筋與箍筋或繫筋間,只要將箍、繫筋之位置避開接頭處即可全部保持較小間隙之密接。

(2)鋼筋續接器對接不致降低柱主鋼筋間抵抗彎矩之有效深度。

(3)鋼筋不需偏折加工,無加熱彎折加工之情形。

(4)無偏折處理綁紮較易,且垂直度較易控制。柱主鋼筋強度無因偏斜而折損情形。

(5)柱主筋無偏折處理,不須增設橫向支撐,因此不影響塑鉸區之形成。亦無橫向支撐之箍繫筋,會形成二層鋼筋篩網的問題,可避免澆灌混凝土時形成蜂窩缺失。

(6)頂層之柱頂須採T頭錨定,可避免澆灌混凝土時形成蜂窩缺失,且錨定效果較標準彎鉤佳。

(7)鋼筋續接器品質較易控制,縱使鋼筋續接器品質稍有不足,因續接位置在相對受力較小位置,且可依「混凝土結構設計規範」第15.3.6.5節規定:「…第二類機械式續接則准許使用於任何位置」。

(8)、柱主筋搭接段僅隔根有繫筋,當柱筋保護層受壓爆裂剝落後,鋼筋續接器續接無脫離而致續接失效之疑慮。

(9)在地下室結構體工程,外柱因受擋土安全支撐之橫擋阻礙時,可採用鋼筋續接器續接。

(10)所有柱主筋搭接段均可配置入繫筋之135度彎鉤內。

(11)可當層錯開60cm續接或採第二類鋼筋續接器不必錯開續接。

 3.2缺點

(1)鋼筋在工廠內進行鋼筋續接器加工,雖品質較易控制,但成本較高。惟可節省鋼筋搭接段之鋼筋重量,因此所需工、料成本相抵後所增加之成本不多。

(2)頂層之柱頂須採T頭錨定,否則無法旋轉入鋼筋續接器內續接。

(3)鋼筋續接器續接完成,須進行控制鎖緊達規定扭矩之檢核工作。

結語

柱主筋作偏折處理後,其偏折現象如同鋼筋之初始不平直,亦即有如存在P-δ效應,因此,易產生提前挫屈現象。當柱主筋承受拉力時,偏折之鋼筋有伸展成直線之傾向,下偏折點會產生向外之水平分力,因此,偏折處之鋼筋保護層會崩落,該處之混凝土也會因偏折鋼筋展直而產生龜裂現象;當柱主筋承受壓力時,上偏折點會產生向外之水平分力,此種向外之水平分力若不予以拉回平衡之,則鋼筋無法承受設計之軸力,其影響甚為嚴重。因此為減輕此種缺陷之影響程度,「混凝土結構設計規範」第13.7.1.3節對柱筋偏折段之上、下偏折點規定:「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」。由於鋼筋偏折現象對結構安全的影響甚為重大,因此,「混凝土結構設計規範」對每一根鋼筋偏折點之橫向分力作了150%之懲罰性補強,即可瞭解偏折之嚴重要性。「混凝土結構設計規範」只建議柱筋之偏折在梁柱接頭區範圍內,若要沿用在梁柱接頭區範圍以外,建議須特別強調平衡箍筋的重要性。以上規定在工程實務上,對每一根偏折柱筋所產生之側向力,均幾乎無法做到提供良好的側向支撐,亦未見能做到對每一根偏折柱筋所產生之側向力,均提供側向支撐的案例 (見照片1)。若有做到對每一根偏折柱筋所產生之側向力,均提供側向支撐,則二方向之補強筋形成二層篩網,混凝土之澆灌品質亦會受到影響。且以偏折方式續接柱筋,彎紮作業費工費時,部份工地甚至以熱彎處理,對非可銲鋼筋將會造成傷害。

由以上探討,柱筋以偏折方式續接,其缺點甚多,若有其中一、二項未能符合規定,鋼筋除未能發揮全應力外,亦易造成結構安全疑慮,因此,建議避免採用偏折搭接。以鋼筋續接器續接,幾乎可做到無結構安全疑慮的程度,因此,建議主要結構柱均採用鋼筋續接器續接;次要結構柱與非結構柱配筋量較少時,才建議採用直線偏位接觸搭接較為省工及節省成本。

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】

 


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