柱箍筋在「基礎版內」之配置需求探討

前言

現行「混凝土結構設計規範」有關柱箍筋在基礎內之配置方式,在第15.5.4.5節中之規定如下。

『剛勁構材(如牆)中斷轉由其下之柱支承時,若柱含地震效應之設計軸壓力超過874-7-0 1,則應按第15.5.4.1至15.5.4.3節之規定於柱全長配置橫向鋼筋,其配置須隨柱主筋向上延伸進入剛勁構材,延伸範圍至少為柱中最大縱向鋼筋按第15.6.4節規定之伸展長度874-7-xd
若柱之下端終止於牆上,則第15.5.4.1至15.5.4.3節規定之橫向鋼筋,其配置須隨柱主筋向下延伸進入牆內,延伸範圍至少為該終止處柱中最大縱向鋼筋按第15.6.4節規定之伸展長度 874-7-xd 。若柱之下端終止於基腳版或筏基版上,則第15.5.4.1至15.5.4.3節規定之橫向鋼筋,其配置須隨柱主筋延伸進入基腳版或筏基版內,延伸範圍至少為30 cm』。

但上述第15.5.4.5條之內容,因未依ACI 318原文之段落翻釋,致使工程師誤以為條文中之末段「若柱之下端終止於基腳版或筏基版上,則第15.5.4.1至15.5.4.3節規定之橫向鋼筋,其配置須隨柱主筋延伸進入基腳版或筏基版內,延伸範圍至少為30 cm。」之規定係獨立之一段。因此,長久以來技師同仁均認為所有柱箍筋均須隨柱主筋向下延伸進入基腳版或筏基版內,延伸範圍至少為30 cm。而且各技師公會所提供之「鋼筋混凝土結構標準圖」,亦依此原則將柱之橫向鋼筋隨柱主筋全部向下延伸進入基腳版或筏基版內30 cm(見圖2)。

將柱之橫向鋼筋隨柱主筋向下延伸進入基腳版內,其考量應係為了防止柱之軸壓力可能會壓爆基腳版位於柱底附近之混凝土。但筆者一直認為該條文未考慮到「基礎版內是否已經配置有上層筋,與無配置上層筋,二者應有所差別」,不應一視同仁均將柱之橫向鋼筋隨柱主筋向下延伸進入基腳版或筏基版內。因基礎版之上層鋼筋網已具有防爆功能,就如「混凝土結構設計規範」第11.14.3.2節所規定之:「……設置鋼筋(網)以承載錨定器所產生之爆裂力、剝裂力和縱向邊緣拉力……」。況且依據「混凝土結構設計規範」第3.17.l節 (承壓強度) 規定:「混凝土之設計承壓強度不得超過 (0.85f'cA1)。若支承構材各邊均大於承載面時,承載面之設計承壓強度應可增至倍874-7-00,但不得超過2倍。A2取為最大之正截頭角錐體或圓錐體之下底面積。惟該錐體須能完全包容於支承構材內,其上底為承載面A1,錐面之斜度為垂直1水平2」。

鑒於『基礎版之上層鋼筋網已具有防爆功能』,及『當支承構材之各邊均大於承載面時,因支承構材周圍混凝土之圍束作用,使得承壓強度大幅提高』,對一般柱而言,應無必要將「柱之橫向鋼筋隨柱主筋延伸進入基腳版或筏基版內至少為30 cm」。

混凝土結構相關規範之規定

筆者長久以來一直認為現行「混凝土結構設計規範」第15.5.4.5條之規定不合理,因此抽空查閱ACI 318-11原文才發現「混凝土結構設計規範」第15.5.4.5條未依原條文之段落翻釋,才會導致工程界產生誤解。

2.1依ACI 318-11第21.6.4.6節規定

剛勁構材(如牆)中斷轉由其下之柱支承時,柱之橫向鋼筋應符合下列規定:

(1)(略)。

(2)橫向配置須隨柱主筋向上延伸進入剛勁構材,延伸範圍至少為柱中最大縱向鋼筋按第15.6.5節規定之伸展長度874-7-xd。若柱之下端終止於牆上,則橫向鋼筋配置須隨柱主筋向下延伸進入牆內,延伸範圍至少為該終止處柱中最大縱向鋼筋之伸展長度874-7-xd 。若柱之下端終止於基腳版、筏基版或樁帽上,則橫向鋼筋配置須隨柱主筋延伸進入基腳版、筏基版或樁帽內,延伸範圍至少為30 cm。

由以上ACI 318-11第21.6.4.6節之規定顯示,只有在「剛勁構材(如牆)中斷轉由其下之柱支承」時,若柱之下端終止於基腳版、筏基版或樁帽上,則柱之橫向鋼筋配置才須隨柱主筋延伸進入基腳版、筏基版或樁帽內,延伸範圍至少為30 cm。」之必要。

2.2「混凝土結構設計規範」,對於柱之橫向鋼筋配置須隨柱主筋延伸進入基腳版、筏基版或樁帽內,另有下列規定:

2.2.1第15.8.6.4節第(4)項規定:「結構牆底邊界構材之橫向鋼筋,……如邊界構材下為基腳、筏基或樁帽,邊界構材之橫向鋼筋應至少延伸進入30 cm」。

2.2.2第15.10.2.3節規定:「柱或特殊配筋之結構牆邊界構材,其邊界距基腳邊緣小於1/2基腳深度時,應自基腳頂部配置符合第15.5.4節之橫向鋼筋,此橫向鋼筋應延伸入基礎至少等於基腳、筏基或樁帽之深度,但不必超過縱向鋼筋之受拉伸展長度」。

2.2.3「混凝土結構設計規範」有關柱接頭箍筋圍束之相關規定如下。

第13.9.5.1節:「主筋不大於D32者須用D10以上之箍筋;主筋大於D32或為束筋者須用D13以上之箍筋……」。

第13.9.5.2節:「橫箍筋間距不得大於主筋直徑之16倍或箍筋直徑之48倍,亦不得大於柱之最小邊寬」。

第13.9.5.3節:「橫箍筋之配置須使在各柱角處之主筋及每隔一根主筋均有轉角之橫箍作橫向支承;該內轉角不得大於135°;主筋無橫向支承者至有橫向支承者之淨距不得大於15 cm」。

第15.5.4.1節:「橫向鋼筋應按下列規定配置,惟不得小於第15.5.5節規定之橫向鋼筋量。

(1) 螺箍或圓形閉合箍筋之體積比s不得小於式(15-2)之值,亦不得小於

式(3-8)之值。

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(2) (略)【註:式(15-3)耐震設計可不需符合】。

(3) 矩形閉合箍筋及繫筋之總斷面積Ash不得小於式(15-3)及式(15-4)之值。

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第15.5.4.2節:橫向鋼筋之間距不得超過:

(1) 構材斷面最小尺度之1/4。

(2) 6倍主筋直徑。

(3) (式15-5)定義之So

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其中,

fc’=混凝土規定抗壓強度;kgf/cm2

fyt=橫向鋼筋之規定降伏強度fy;kgf/cm2

s=橫向鋼筋之中心距;cm。

bc=計算Ash時之柱心尺寸,即外緣圍束鋼筋心至心之間距;cm。

So=在範圍內橫向鋼筋間之中心距;cm。

hx=沿柱各邊相鄰箍筋或繫筋間最大水平距離;cm。

第15.5.4.3節:「在構材橫斷面上,繫筋或閉合箍筋相鄰各肢之中心距hx不得超過35 cm」。

第15.5.5.1節:「設計剪力Ve應考慮構材兩端接頭面各種作用力所能產生之最大剪力……」。

第15.6.2.1節:「 除非接頭所受之構材圍束符合第15.6.2.2節之規定,接頭內應按第15.5.4節之規定配置橫向閉合箍筋」。

第15.6.2.2 節:「接頭四面皆有構材構入,且每一構材寬度最少為柱寬度之3/4,則柱在接頭處最淺構材之深度範圍內,可配置較少之橫向鋼筋,惟其量至少應為第15.5.4.1節規定量之半。上述之深度範圍內,第15.5.4.2節規定之間距得增至15 cm」。

2.2.4「ACI-ASCE Committee 352R-02」有關柱接頭箍筋圍束之相關規定如下。

ACI 352 (Recommendations for Design of Beam-Column Connections in Monolithic Reinforced Concrete Structures),對於無承受重大非彈性變形之接頭(非耐震結構接頭)〔型式1〕(例如,地下室底之版基,以及承受反復載重會進入非彈性變形之接頭(耐震結構接頭)〔型式2〕等接頭之剪力檢核計算方法與剪力箍筋之配置方式均有明確規定。

依據ACI 352第4.3節(接頭剪力)規定:「梁-柱接頭剪力須依〔型式1〕,或〔型式2〕接頭,分別檢核二垂直方向之接頭剪力」。

第4.2節規定:「〔型式1〕接頭全高須配置橫向鋼筋,且最深接入梁之上、下層縱向鋼筋間至少須配置二層橫向鋼筋,其中心距不得大於30cm。若接頭為抵抗非地震橫向載重之主要系統,則其接頭橫向鋼筋之間距不得大於15cm」。惟ACI 352第4.2.1.4條對〔型式1〕接頭規定:「對接頭各面接入梁之寬度至少為柱寬之四分之三,且梁側未覆蓋之柱寬度不超過10cm,則可不必符合前述規定」。且其解說中亦有補充說明「當接頭四周接入梁有提供足夠的尺寸可有效取代繫筋的圍束效果時,可省略接頭內之繫筋 (ties)」。

「鋼筋混凝土結構標準圖」修正建議

綜上規定將各條規定簡化歸納彙整成四種情況提供作為「鋼筋混凝土結構標準圖」建議修訂如下。

3.1柱橫向鋼筋不需隨柱主筋向下延伸進入基腳版內 (見圖1):

3.1.1適用條件:獨立基?,承載非剪力牆邊構材之柱,且僅承載垂直載重。

3.1.2規範依據:設計規範第15.5.4.5 節(ACI 318-11第21.6.4.6節); ACI 352R-02第4.2節。

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圖1 橫向鋼筋不需隨柱主筋向下延伸進入基腳版內。

3.2柱橫向鋼筋須隨柱主筋向下延伸進入基礎版內30 cm(見圖2)

3.2.1適用條件

結構牆邊界構材,或剛勁構材中斷轉由其下之柱支承時,僅承載垂直載重之內柱,且基版厚度大於柱最大尺度者(接頭強度足以不致產生重大非彈性變形之內柱接頭)。

3.2.2規範依據:設計規範第15.5.4.5 節(ACI 318-11第21.6.4.6節);第15.8.6.4節第(4)項;ACI 352R-02第4.2節。

3.2.3基礎版內橫向鋼筋量:符合第15.5.4節之橫向鋼筋(同柱底)箍筋量。

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圖2 橫向鋼筋須隨柱主筋向下延伸進入基礎版內30 cm。

3.3柱橫向鋼筋須隨柱主筋延伸進入基礎版內全深度(見圖3)

3.3.1適用條件

柱或結構牆邊界構材,其邊界距基腳邊緣小於1/2基腳深度時,應自基腳頂部配置符合第15.5.4節之橫向鋼筋,此橫向鋼筋應延伸入基礎至少等於基腳、筏基或樁帽之深度,但不必超過縱向鋼筋之受拉伸展長度。惟SD420#6鋼筋在=280 kgf/cm2之條件下屬非頂層受拉之伸展長度已達83cm,已接近或超過一般基礎版之厚度。因此似無必要再規定「不必超過縱向鋼筋之受拉伸展長度」,況且柱之外側距基礎版邊緣已小於1/2基礎版深度,柱在全基礎版深度均須配置橫向鋼筋以防止靠近外側之柱主筋挫屈。

3.3.2規範依據:設計規範第15.5.4節;第15.5.5節。

3.3.3版內橫向鋼筋量:符合第15.5.4節及第15.5.5節之橫向鋼筋(同柱底)箍筋量。

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圖3 橫向鋼筋須隨柱主筋延伸進入基礎版內全深度。

3.4、內柱位於厚度小於柱斷面最大尺寸之無地下室基礎版 (見圖4)

3.4.1適用條件

承受地震力之內柱,位於厚度小於柱斷面最大尺寸之無地下室基礎版。因為此種結構系統與無梁版結構類同。其柱底與無梁版之有效梁寬相交而成梁-柱構架系統。承受反復載重時,接頭區可能會進入非彈性變形,因此建議比照韌性立體剛構架之梁-柱接頭區深度範圍內,橫向鋼筋之配置量至少應為第15.5.4.1節規定量之半,上述之深度範圍內,第15.5.4.2節規定之間距得增至15 cm。」

3.4.2規範依據

設計規範第15.5.4;第15.5.5節;第15.6.2節。。

3.4.3版內橫向鋼筋量:符合第15.5.4.1節規定量之半;第15.5.4.2節規定之間距得增至15 cm箍筋量。

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圖4 柱與無梁版基礎有效梁寬相交之梁-柱接頭(承受反復進入非彈性變形)

結論

決定柱之橫向鋼筋配置是否須隨柱主筋向下延伸進入基腳版、筏基版或樁帽內,所需考量的規定甚多,若不予簡化彙整歸納,工程設計及施工時將會無所適從。彙整歸納主要考量的因素如下。

1.構材之軸向載重之大、小,與柱在結構系統中所扮演之角色的重要性。

例如,一般柱與剪力牆邊界構材柱之重要性不同。

2.構材在基礎內四周的圍束條件是否達到可取代版基內接頭區之箍繫筋的圍束效果。

例如,內柱與邊柱或角柱的差別,雖然邊柱與角柱之圍束條件仍有不同,但為簡化歸類,將其視為同一類(外柱)。本文將距基礎版外緣之淨距小於二分之一基礎版厚度者視為外柱。

3.礎版與柱相交之梁-柱接頭之勁度考量。

基礎版與柱相交之梁-柱接頭,及基礎板對柱彎矩束制之有效寬度,其勁度與強度是否足夠使接頭區在承受反復載重作用下會進入非彈性變形。因此版厚及版內有效梁寬之決定均會影響柱之邊界條件及是否接頭會進入非彈性變形之決定因素。本文研判以版厚大於柱寬可避免接頭承受地震彎矩時,接頭進入非彈性變形。

4.構材是否承受地震載重。

例如,位於地面之版基與位於地下室底版之版基,會有所不同。又,位於地下室之版基若周邊外牆常因周邊地面地形的高差而致周邊外牆不連續或不完整。若有完整地下室外牆圍繞之地下室,其地下室外牆量足以承受全部地震力,且地下室各層之橫隔樓版可充分傳遞剪力及彎矩至外牆,則版內柱接頭之橫向鋼筋量及間距可依〔型式1〕之規定檢核接頭剪力。否則須依〔型式2〕之規定檢核接頭剪力,亦即〔型式2〕之梁-柱接頭須依現行「混凝土結構設計規範」第15章之規定檢核接頭剪力及箍、繫筋量。

5.構材橫向鋼筋對主筋所需之圍束規定。此規定對外柱較有影響。

6.國內之耐震結構物,其柱底力量來源很少不含地震力之情況,例如,地下室外牆及橫隔樓版系統不完整或太狹長,無法承受百分之百承受地震力(部分地震力由構架承受)、或柱軸力來源含有地震產生之上舉力及下壓力,因此考量基礎對結構物的重要性及不易修復改善之特性,為簡化處理在標準圖中建議以保守為宜。


【參考資料】
[1]ACI-ASCE Committee 352 (2002).“Recommendations for Design of Beam-Column Connections in Monolithic Reinforced Concrete Structures”.
[2]內政部〔2011〕。“混凝土結構設計規範”。2011年6月9日台內營字第1000801914號令修正。
[3]ACI-318-11 Committee 318 ,(2011). “Building Code Requirements forStructural Concrete”.

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