談鋼筋混凝土結構 工作筋兼用作主筋

由於各行業經營不易,生存競爭激烈,為能在此種惡劣環境中生存下去,就必須想盡辦法開源節流,將可利用之材料,在符合規範及合乎力學原理的條件下充分利用。因此衍生鋼筋綁紮用之工作筋是否可兼用作主要鋼筋的議題。筆者從規範及結構力學之角度,探討工作筋得否兼用作主要鋼筋,供讀者參考,亦請工程先進不吝指正。

工作筋是否可當作主要鋼筋使用,在混凝土結構相關規範中並無明文規定,此問題應從結構力學角度來探討。工作筋得否兼用作主要鋼筋的問題,在基礎版比較可能用到較大號數之工作鋼筋,比較有利用之價值。

首先探討基礎版之上、下層主鋼筋綁紮過程所使用之工作筋(見圖1所示)是否可計入主筋使用?此問題筆者認為基礎版工作筋,若與主筋重心位置不致偏離太遠,且有足夠之混凝土保護層,則從力學之觀點應可計入主筋使用。本例圖所示基礎底混凝土保護層尚有5.6公分,若所在位置非為混凝土結構設計規範第13.6節(鋼筋之保護層),表l3.6.1(現場澆置混凝土(非預力)鋼筋之最小保護層厚度),所規定之「澆置於土壤或岩石上或岩石上或經常與水土壤接觸者」,或「與海水或腐蝕性環境接觸者」等情況,則該工作筋作為主筋使用應尚無不可。

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圖1 基礎版工作筋配置示意圖

再來探討較厚基礎版,例如橋柱厚達6公尺之樁帽基礎版,其上、下層主筋間之支墊(馬椅)工作筋,若其豎向筋之水平間距配置,可符合規範之間距需求時,是否可利用作為基礎版之梁式剪力筋,或貫穿(穿孔)剪力筋?基礎版上、下層主筋間之工作筋,若其豎向筋之水平間距配置,可符合梁式剪力之間距需求時,亦即,不得超過基礎版有效深度之一半,則利用作為基礎版之梁式剪力筋或穿孔剪力筋,似無不可。若依據“混凝土結構設計規範”[1]之規定:

第5.14.2.1:「鋼筋為D16及麻面鋼線直徑為16 mm,或較小者,以及鋼筋為D19、D22及D25且其規定降伏應力fyt不大於2,800 kgf/cm2者,應以標準彎鉤緊繞於縱向鋼筋上。」。

第5.14.2.2:「鋼筋為D19、D22及D25且其規定降伏應力fyt大於2,800 kgf/cm2者,應以標準彎鉤緊繞於縱向鋼筋上,且自構材深度中線至彎鉤外緣間之埋置長度不得小於978-2-2。」。

第5.14.3:「單U形或複U形肋筋兩錨端間之每一彎曲須繞於縱向鋼筋上。」

“混凝土結構設計規範”對腹筋端部要求須有彎鉤錨定,是因為若剪力鋼筋缺乏端部彎鉤,對斜張剪力裂縫通過腹筋端部時常屬無效,而且要求腹筋的每一彎角之內緣至少須有一根縱向鋼筋。此一縱向鋼筋(又名錨定筋)對腹筋端部錨定之意義,可由圖2中所示抗拉彎鉤之破壞模式來了解。已知抗拉彎鉤之破壞模式通常為其彎轉段兩側混凝土之劈裂,或是其彎轉段內緣混凝土的擠碎。而錨定筋之使用,對上述兩種破壞(圖2)均有抑制效果。錨定筋垂直通過彎鉤平面可以抑止彎鉤平面遭劈裂;又如錨定筋直接緊靠彎鉤內緣,故可避免其旁混凝土之遭擠碎。此外彎鉤在箍筋中之錨定,實難有足夠之Ldh長度,因此更見錨定筋使用之必要。本規範對U形腹筋之錨定要求如圖3所示。由圖3中可見,腹筋之彎鉤須緊繞於縱向鋼筋(亦即錨定筋)上,方能衍生其能力。故工程師應視需要對腹筋配置錨定筋。

由圖3中可見,對小號腹筋(D10、D13、D16)或低強度大號腹筋(D19、D22、D25)而言,其端部錨定使用標準彎鉤暨錨定筋就足夠了。但對高強度之大號腹筋而言,一則為大號腹筋和錨定筋難以緊密纏繞,二則為腹筋之拉力較大,故對腹筋之錨定,除了需要端標準彎鉤及錨定筋外,尚須提供若干直線伸展長度,如規範第5.14.2.2節所示之規定。

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圖2 抗拉標準彎鉤

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圖3 腹筋端部之錨定

因此,支墊(馬椅)工作筋若擬用來作為剪力鋼筋使用,則其上、下二端須以標準彎鉤緊繞於縱向鋼筋上,或另設置錨定筋才可兼作為剪力筋,且其配置間距及兼作為剪力筋用途之設計原意,須在設計圖上須有明確註明,以防施工工法改變而誤用。

惟若依據“公路橋梁設計規範”第7.1.20節(剪力鋼筋之伸展)中規定:

1. (略)。

2. 單肢、單U形或複U形肋筋之端部須擇下列方法之一錨碇之:

 (1) 標準彎鉤加上至少0.5978-2-5之埋置長度,此0.5978-2-5長度應量自構材中線d/2至彎鉤起點(即彎鉤切線之切點)。

 (2) 埋置:自梁之有效深度中線至受壓側之埋置長度978-2-5,不得小於鋼筋或鋼線直徑之24倍,對竹節鋼筋或麻面鋼線不得小於30cm。

 (3) 肋筋至少以180º彎繞過縱向主筋,彎鉤與縱向主筋之交角大於45º時,始可視為有效錨碇。

“公路橋梁設計規範”第7.1.20節之規定,其剪力筋端部僅需有標準彎鉤,而不需以標準彎鉤緊繞於縱向鋼筋上;或以標準彎鉤緊繞於縱向鋼筋上而不需有直線伸展長度。“公路橋梁設計規範”第7.1.20節之規定,與 “混凝土結構設計規範”之相關相較,均似不夠嚴謹。其規定均不能符合“混凝土結構設計規範”:『對腹筋端部要求須有彎鉤錨定,是因為若剪力鋼筋缺乏端部彎鉤,對斜張剪力裂縫通過腹筋端部時常屬無效,而且要求腹筋的每一彎角之內緣至少須有一根縱向鋼筋。此縱向鋼筋(又名錨定筋)對腹筋端部錨定之意義,可由圖2中所示抗拉彎鉤之破壞模式來了解。已知抗拉彎鉤之破壞模式通常為其彎轉段兩側混凝土之劈裂,或是其彎轉段內緣混凝土的擠碎。』之結構力學安全需求。當梁式剪力破裂面通過單肢、單U形或複U形肋筋之端部時,其錨定端僅依賴無任何握持效果之彎鉤,公路橋梁設計規範”第7.1.20節寬鬆的程度直覺上已達不合力學原理的程度,建議工程師避免採用。

另,曾有發生依據“公路橋梁設計規範”第7.1.20節規定,使用支墊用之工作筋作為剪力筋,但因設計圖上未註明「基礎版工作筋兼作剪力筋」,施工時因混凝土澆置受到第四層擋支撐阻擋,而必須分層澆置混凝土,並將工作筋之底部上移至第一澆置層之頂部,施工計畫並經監造單位不查而審核通過之誤用施工案例。

由本施工案例足證,若設計圖上未註明『基礎版工作筋兼作剪力筋,其高度不得減少」之警語,導致施工單位及監造單位均未查覺,其後果甚為嚴重。若支墊(馬椅)工作筋用來兼作貫穿(穿孔)剪力筋用途,則除以上建議外,應另符合“混凝土結構設計規範”下列規定:

  第4.13.3節:「版及基腳之有效深度不小於15cm亦不小於16倍剪力鋼筋直徑時,可設置鋼筋或鋼線及單肢或雙肢肋筋等剪力鋼筋,並依第4.13.3.1節至第4.13.3.4節規定。

  第4.13.3.1節:「 剪力計算強度Vn應按式(4-2)計算,式中Vc不得大於0.53978-2-6bod,Vs應依第4.6節計算。所需剪力鋼筋面積Av列於式(4-15),係在與柱斷面周界幾何相似之一條外周線上所有各肢斷面積。」。

  第4.13.3.2節:「 剪力計算強度Vn不得大於1.60978-2-6bod。4.13.3.3 版內第一根剪力肋筋距柱面之距離不得超過d /2,其平行於柱面相鄰二肢之間距不可大於2d。此外其他連續二肋筋垂直於柱面之間距亦不可大於d /2。」

  第4.13.3.4節:「 版剪力鋼筋之錨定須依第5.14節之規定,並考慮順向繞於縱向撓曲鋼筋上。」。

由研究證明,包括鋼筋或鋼線及單肢或雙肢肋筋,或閉合肋筋,皆可增加版之穿孔剪力抵抗力,第4.13.3.3節中規定之間距限制,配合版剪力鋼筋之細節,證明是有效的。第5.14.2節及5.14.3節有關肋筋類之剪力鋼筋錨定規定,亦應採用於版之剪力鋼筋設計中。剪力鋼筋在版的上面及下面繞於撓曲鋼筋上是基本的錨定。依據5.14節規定之剪力鋼筋錨定,對於厚度小於25cm之版有困難。垂直筋兩端以鋼板或擴頭方式機械錨定俾發展鋼筋降伏強度之剪力鋼筋,已成功的使用過。

在此,特別提醒讀者,工作筋之上、下二端,建議以標準彎鉤緊繞於縱向鋼筋上,或另設置錨定筋才可兼作為剪力筋。

【參考資料】

[1] 內政部(2011)。混凝土結構設計規範。100.00.09台內營字第1000801914號令修正頒佈。

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