鋼筋混凝土拱橋縱向弧形鋼筋配置原則探討

筆者被問到鋼筋混凝土拱橋 (示意圖見圖1)，若其中一端支點為簡支，另一端為輥支時，鋼筋混凝土拱橋橋版之上、下層縱向圓弧形鋼筋是否可沿弧形橋版之曲面配置即可？或另須考慮鋼筋沿橋板上、下曲面配置，導致鋼筋彎曲偏折之影響？

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圖1 簡支拱橋示意圖

探討此問題顯然弧形版之版鋼筋配置方式與平版之版鋼筋配置方式顯然是需要有所區別，橋版之上、下層縱向鋼筋沿弧形橋版上、下曲面配置之情形，會因鋼筋彎曲而產生徑向分力，其現象可想像成沿弧形橋板上、下曲面配置之鋼筋，係由很多小偏折之鋼筋形成曲線的形狀(示意圖見圖2)，此很多小偏折之弧形鋼筋，在每一偏折點均會產生徑向分力，此分力必須有垂直於縱向弧形鋼筋(穿板方向)之箍、繫筋提供平衡力才能保持穩定，此平衡力之大小與橋版之曲率有關，曲率愈大，則徑向分力也會越大。其力學行為與“混凝土結構設計規範”第13.7.1節(鋼筋之偏折)現象，會因鋼筋彎折而產生橫向不平衡分力之現象類同。現行“混凝土結構設計規範”第13.7.1.3節規定：「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」。此條文對鋼筋之偏折現象所產生之不平衡分力，不但規定須以箍、繫筋提供平衡力來保持結構穩定，甚至對該鋼筋偏折部份所產生之不平衡力作了1.5倍之懲罰性規定，由此可證其對結構安全的必要性與重要性。因此，沿橋版上、下曲面面配置之縱向鋼筋，必須依“混凝土結構設計規範” 第13.7.1.3節之規定，均勻配置垂直於弧形縱向鋼筋(穿板方向)之箍、繫筋，來平衡徑向分力。徑向分力的計算假設鋼筋之軸力為T，小偏折點間之夾角為θ，則徑向分力t =2×T×cos 〔90o－(θ/2)〕(計算例及示意圖見圖2)。此徑向分力會隨橋面曲率的大小而增減，因此，徑向平衡箍、繫筋之間距亦須隨橋面曲率的增大而減小間距。以一般常見之景觀人行橋常用之曲率而言，通常不會太大，因此箍、繫筋之間距建議以不超過30公分即可，且建議橫向鋼筋配置於縱向弧形鋼筋之外側(頂面及底面)。並考慮計算版彎矩鋼筋用之縱向弧形鋼筋的有效深度會因而減小的現象，會對縱向主筋配筋量增加之影響。箍、繫筋並以135度端彎鉤全部鉤住下層橫向鋼筋與縱向鋼筋之交點處(示意圖見圖3)，另端90度彎鉤全部鉤住上層橫向鋼筋與縱向鋼筋之交點處，藉以提高防止下層筋向外崩裂之圍束效果，惟鋼筋保護層之厚度仍須符合混凝土結構設計規範之規定。繫筋鉤住上、下層橫向鋼筋與縱向鋼筋之交點處之綁紮方式可藉橫向鋼筋兼作類似柱箍筋的功能，保護相鄰縱向主筋。因此，徑向分力不大時，徑向平衡箍、繫筋可考慮二處繫點之徑向分力集中於一點而採隔根綁紮方式即可，使箍、繫筋數量減半，以方便施工。

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