論『鋼筋混凝土結構柱鋼筋底部彎鉤配置方向』

前言

鋼筋混凝土結構構架之柱鋼筋底部彎鉤方向究竟應朝內,還是朝外才對?此問題在工程界爭論已久。另外柱頂處柱筋彎鉤應朝內,還是可朝外?也是有相同的問題,惟柱底鋼節的情況變化相當多,要探討柱底鋼筋彎鉤方向究應朝內,還是可朝外的問題,須從鋼筋在梁-柱接頭內之錨定力學行為談起。

鋼筋之「伸展與錨定」

鋼筋之「伸展與錨定」是每一件鋼筋混凝土結構設計圖必須處理的細部,可說是最普通的問題,但每一套結構設計圖或多或少都可發現細部圖處理不當的案例,甚至由資深工程師設計之案件亦有細部詳圖處理不當的情形。會出現此種現象推測可能原因應係現行「混凝土結構設計規範」第五章有關伸展長度之規定中,僅提到「伸展長度」如何計算,卻未說明伸展長度應用時機及鋼筋如何配置才能達到錨定的效果,致工程師無所適從各自解讀,因此,常出現錨定不完全的細部設計。

鋼筋混凝土結構構材係由「鋼筋」與「混凝土」二種材料組合而成,不論設計規範或教科書均只述及單一構材之設計,未見有討論接頭鋼筋錨定之設計的資料,因此,如何配置接頭之鋼筋常見有不同的看法。筆者曾參與「結構工程學會」出版之「鋼筋混凝土房屋結構配筋準則」之編訂工作,在討論過程中,發現多數專家、學者均認為只要符合「混凝土結構設計規範」第五章有關伸展長度之規定,即可解決所有鋼筋「錨定」的問題,致會中爭議不斷,但因多數意見致該書甚多細部圖爭議迄今仍然存在。會存有此種看法,主要係認為鋼筋伸展長度的計算式中已考慮到鋼筋周遭混凝土之圍束效應。但儘管「混凝土結構設計規範」第五章有關伸展長度之規定,已考慮鋼筋周遭混凝土握裹劈裂,對於待伸展鋼筋握持效果的影響。但筆者認為「伸展長度」僅是有考量到周圍混凝土圍束效應下,欲達到單一鋼筋全強度所需埋置的「最短握持長度」而已。「伸展長度」完全尚未考慮到,達到局部力學平衡所需之錨定問題,尤其是多根鋼筋群或成束之高強度鋼筋,如何在較低強度之混凝土中錨定更是很少人重視。况且鋼筋在接頭「錨定」,應係指局部結構系統須達到完整連結的問題,此部分之結構安全性必須經結構分析設計與細部處理才能確定,「混凝土結構設計規範」的內容並無含蓋此部分。

雖然大多數工程師未注意到此問題,亦尚未有大問題發生,但也許結構設計所採用之載重係數或安全係數在平常已被用盡,此種情況並不能保證不會發生問題,而且此種情形當問題發生時大部分都在使用狀態下,因此,一旦發生問題會造成較嚴重的災害。

鋼筋在梁-柱接頭內之力系平衡模式

在梁-柱接頭處承受彎矩時,其力系平衡模式可由圖1說明,由於鋼筋混凝土結構係由鋼筋與混凝土二種材料組合而成,非屬均質材料,其中鋼筋必須有充分的錨定才能發揮整體連結的完整構架行為。許多結構專家學者及工程師均誤以為只要符合各該單根鋼筋伸展長度之規定,不論所埋置之束筋或鋼筋群之根數多寡,均可達到錨定的效果。事實上,設計時必須分別考慮下列三種情況檢核錨定強度是否足夠有效連結。

(1) 鋼筋群本身的拉力強度

此部分可由設計載重來決定所需鋼筋斷面積。

(2) 單根鋼筋或成束鋼筋與混凝土間之握持強度

此部分只要滿足伸展長度之規定即可。

(3) 混凝土之貫穿剪力或梁式剪力計算強度

此部分即為柱拉力側鋼筋群 (可能為多根甚至數排大號鋼筋) 計得之總拉力,此拉力甚大,單靠混凝土破壞錐 (見圖1中紅線所示) 之抗拉強度無法承受。當柱之拉力側之鋼筋群達受拉之全強度時,為達到穩定平衡的目標,便須將其中一部分拉力由直線伸展延伸段之握褢力來進入接頭區內,並藉由接頭區混凝土之剪力強度,或藉由接頭區之剪力鋼筋強度將拉力傳遞至柱之對側,此部分大約佔總拉力三分之一。其他大約佔三分之二部分之拉力則必須由柱主筋底部彎鉤鉤住接頭區內之混凝土受壓桿 (compression strut) 來承受(見圖1中藍線所示),此時柱筋底部之彎鉤方向就必需向內才能達到鉤住混凝土受壓桿,以便將鋼筋拉力傳遞至柱之對側的目的。此時若柱筋底部之彎鉤方向朝外,則柱筋底部之彎鉤無法鉤住接頭區混凝土受壓桿,便無法將鋼筋拉力傳遞至柱之對側。

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圖1 柱與基礎版或地梁之力系平衡模式

柱筋底部彎鉤可朝外之情況探討

由前述探討可知,在鋼筋需達全拉力,在下列情況下,柱鋼筋底部彎鉤方向可不需朝內。

1、有地梁之獨立基脚

有地梁之獨立基脚在設計上係考量一樓柱底之彎矩由地梁平衡,並假設柱底獨立基腳處為鉸,因此,柱底彎鉤沒有鉤住接頭區受壓桿之需求,此時柱鋼筋底部彎鉤方向朝內或朝外均可。

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圖2 有地梁之獨立基腳

2、地下室筏基版

有完整地下室外牆時,地震力在地面以下各樓層受到地下室外牆的束制,致地下室各樓層幾無側向位移產生,因此柱底之彎矩甚小,致柱底鋼筋之錨定需求不高,因此柱鋼筋底部彎鉤方向朝內或朝外均可。

3、剪力牆邊構材(沿剪力牆面內方向)

剪力牆邊構材沿剪力牆面內方向之側向位移受到剪力牆的束制,故剪力牆邊構材主鋼筋底部之彎鉤在沿剪力牆面內方向朝內或朝外均可。

4、基礎版或地梁之深度較深 (例如有深地梁之筏基或厚版基) 或柱底彎矩較小致柱受拉側之鋼筋群進入基礎或地梁內之直線段所能帶動之接頭區內混凝土之剪力強度(可含剪力筋之剪力強度,但不含接頭區受壓桿之貢獻) 可大於柱受拉側之鋼筋群之總拉力時,此時柱鋼筋底部彎鉤方向朝內或朝外均可。惟現行「結構混凝土設計規範」第15.6.3.1節規定:常重混凝土構材接頭之剪力計算強度不得大於下列規定。

(a)、接頭四面皆受圍束=5.3887-7-3Aj

(b)、三面或一雙對面受圍束=3.9887-7-3Aj

(c)、其他=3.2887-7-3Aj

Aj=梁-柱接頭剪力有效面積;fc’=混凝土28天齡期抗壓強度。

其中,三種狀況之剪力強度均為已合併「混凝土之剪力強度,與接頭區受壓桿之貢獻」,因此,本條件實務上很難分離出混凝土之剪力強度,與接頭區受壓桿之貢獻。

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照片1 地下室基礎版柱筋綁紮彎鉤可朝外之案例[1]

 

由照片1中,基地周邊低於周圍地表高程之情況顯示,該基礎應為地下室或半地下室之情況,此種情況若基地四周有完整外牆可抵抗地震力,外跨地梁之外端亦假設為鉸接,則因柱底無抵抗地震力彎矩需求,柱鋼筋底部彎鉤方向可朝外。但若該基礎為無地下室之版基,地震力在柱底產生的彎矩最大,則該柱筋與基礎版間之接頭有抵抗地震彎矩之錨定需求,則柱鋼筋底部彎鉤方向須朝內。

至於60cm x 60cm 的柱底鋼筋彎鉤向內彎時,#8鋼筋標準彎鉤長度是42cm,而柱底鋼筋錨定空間只有50 cm,兩對向鋼筋之彎鉤向內彎時,會造成彎鉤鋼筋密集並排,致無足夠空隙灌漿的問題,則須加大柱斷面尺寸,以避免造成施工困難或品質不佳的問題。惟由照片2中鋼筋比不大之案例顯示,縱使柱鋼筋底部彎鉤朝內,亦尚不致導致灌漿困難,或喪失混凝土握裹力的問題。惟柱鋼筋底部彎鉤朝內,鋼筋籠的穩定性明顯變得不佳,須增加側撐等穩定措施,才能防止發生勞工安全意外事件。另外,柱鋼筋底部彎鉤朝內的目的主要係為了要彎鉤內側鉤住接頭區混凝土受壓桿,及須防止彎鉤伸直致鉤住接頭區混凝土受壓桿的效果不佳,但此處柱鋼筋底部彎鉤的下面有版之下層鋼筋網圍束,較無彎鉤伸直的疑慮。

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照片2 柱筋鋼筋比不高,彎鉤若朝內綁紮尚不致導致灌漿困難案例[1]

結語

柱底部鋼筋彎鉤須朝內錨定之需求,應以耐震及力學行為為首要考量因素,接著再考量施工可行性,須二者並重才能確保工程之結構安全性。否則,雖沒有減少鋼筋用量,但因綁紮細節欠當,致影響結構安全,這樣就太不值得了。

雖然柱底部鋼筋彎鉤朝內對接頭之力學行為較佳,但設計者也不應為了圖方便,不管施工性,完全在設計圖上規定彎鉤一律朝內。

由上討論顯示「鋼筋在接頭之錨定設計」與鋼結構的接頭設計一樣,是結構設計中最重要的一個環節,因此,筆者建議大學土木工程相關學系之「鋼筋混凝土」課程之教學亦應納入接頭的錨定設計內容,使鋼筋混凝土結構系統之安全完整性更進一步提升。

[1] 劉樹賢(2013年11月18日)。「耐震柱底部鋼筋之疑慮」。技師報第886期。'

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