高軸壓力柱縱向鋼筋均須以箍繫筋鉤住之原因探討

一、前言

柱構材在房屋結構系統中扮演極為重要之角色,除須承載結構體之軸向載重外,亦須承受各種水平剪力及彎矩;且若柱構材發生承壓失敗,將使人員在地震發生時逃生之機率大為降低,故柱構材中橫向鋼筋之綁紮方式、及箍繫筋量是否足夠發揮圍束效果,對結構體之安全性及穩定性影響至鉅。

近期國內外對鋼筋混凝土柱之抗壓試驗相關研究資料均指出,柱繫筋二端之彎鉤,隔根鉤住箍筋之作法,較隔根鉤住柱縱向鋼筋之作法,其韌性行為較佳;另外,對較低Pu /Ag fc¢值與較低混凝土抗壓強度之柱而言,若繫筋之90°彎鉤與135°彎鉤,沿著柱長度與周邊交錯配置尚可足夠,但對較高Pu /Ag fc¢值及使用較高抗壓強度混凝土而言,其破壞機制傾向於較脆性,ACI 318-14提出補救規定:在Pu ≧ 0.3Ag fc¢ 或 fc¢
> 700 kgf/cm2之直線型閉合箍筋柱,沿柱核心周邊之每一縱向鋼筋或束筋,應有閉合箍筋轉角或耐震彎鉤提供側向支撐。上述新規定,提升了柱之承載安全性。筆者多年來也一直在關注及探討此問題,今將現行規範造成柱在高軸壓力下箍筋量不足的之相關原因提出探討,不當之處尚請工程先進指正。

二、現行規範對於箍筋量規定不足原因研析

1.柱箍隔根鉤住主筋

受壓構材所配置之橫箍筋,其功能就如同一鋼桶內裝滿了砂,當砂承受荷重時,砂的側向壓力作用於桶壁,使其產生被動環向張力,隨著荷重之增加,環向張力增至極大,最後鋼桶發生爆開現象。鋼桶的圍束作用,就如同箍筋功能,當受箍筋圍束之鋼筋混凝土柱達到破壞載重時,箍筋會防止柱核心內之混凝土向外擠壓破壞。因此箍筋需要發揮圍束作用,提高混凝土柱之強度及韌性,其原因就在於當混凝土受高軸壓力作用而側向擴張時,箍筋提供了被動拉力而使得柱體獲得側向圍束效應。當箍筋為圓形時,圍束效應最佳。然而當使用矩形箍筋時,除了四個角落箍筋轉角處,可提供有效圍束作用以外,四邊之箍筋橫桿會有向外擴張之傾向,因此大大減低了圍束的效應。這也就是混凝土耐震規範中,強調矩形圍束箍筋之效應不及螺箍筋,因此必須採用較高體積比之箍筋量的原因。

現行"混凝土結構設計規範"第13.9.5.3節中規定:「橫箍筋之配置須使在各柱角處之主鋼筋及每隔一根主鋼筋,均已有轉角之橫箍作橫向支撐;...;主鋼筋無橫向支撐者,至有橫向支撐者之淨距,不得大於15公分...」,所以並不是每一根縱向鋼筋均有箍繫筋鉤住,因此未有繫筋鉤住之縱向鋼筋,位於繫筋所形成之拱圈保護範圍之外側,同時又因外圍箍筋只有轉角處可固定,其餘箍筋橫桿全段均無固定而成柔性橫桿。因此未有繫筋鉤住之縱向鋼筋,不能受到外圍箍筋之保護,尤其長扁柱之長邊,當柱受壓時隨時有向外爆開挫屈之可能。

從內政部建築研究所李台光博士,「繫筋細部對大尺寸鋼筋混凝土柱行為影響之研究」(2008),及台大張國鎮教授對中尺寸之柱(60cm×60cm)的研究成果顯示,將柱繫筋鉤住柱箍筋橫桿,作柱抗軸壓力試驗所得之應力-應變曲線,發現將繫筋彎鉤僅鉤住箍筋的效果,較鉤住縱向柱主筋之綁紮方式為佳。從內政部建築研究所李台光研究員、國立臺灣科技大學營建工程系陳正誠教授、及南亞技術學院建築系華根副教授,所提出之「大型鋼筋混凝土方形柱軸壓行為之探討」等,亦均指出將傳統的繫筋型式,繫筋二端之彎鉤同時鉤住於箍筋及縱向鋼筋交點的效果,較僅鉤住於縱向柱主鋼筋為佳(見圖1)。由上述研究案顯示,只要柱之繫筋二端之彎鉤有鉤住箍筋,其抗壓之韌性比例平均,可較僅鉤住縱向柱主鋼筋者,高出約25%以上。但繫筋鉤住箍筋橫桿上應避緊靠縱向鋼筋,以免繫筋受力時於鉤住箍筋處,將箍筋剪斷。

現行規範柱繫筋二端之彎鉤,僅鉤住縱向柱主筋之綁紮方式,所存之安全疑點說明如下:

(1)規範所規定之柱橫向箍筋量,其強度僅夠彌補混凝土保護層剝落時之強度損失,其橫向箍筋量之計算式,原本就未計入因縱向主鋼筋受軸壓及側壓所產生之向外挫屈力。

(2)縱向柱主筋承受柱核心混凝土向外爆開力量,會增加縱向主筋向外挫屈之可能性。

(3)規範規定柱主筋隔根提供側撐即可,但因箍筋在4個角落轉角處間之全段箍筋橫桿均無繫筋提供側撐,此項規定對較大尺寸之柱或長扁柱之長邊,當混凝土保護層受壓爆開後,柱主筋中無繫筋提供橫向支撐者,其從柱頂至柱底全段均幾乎無側撐,此種現象將造成幾近半數之柱主筋,其側向無支撐長度太長,因此會產生提前挫屈,而降低承受軸壓力之能力(見圖2),尤其是當柱主筋搭接段,將因失去圍束而致搭接鬆開,產生握裹失效現象(見圖3),此種情況尤其是當柱之橫向尺度較大或長扁柱,且混凝土保護層剝落後之情形會更為嚴重。

(4)依「結構混凝土設計規範」第7.4.6節規定「牆之垂直鋼筋...未作抗壓鋼筋用者,則無需以橫箍筋圍封」。準此規定,未受繫筋隔根鉤住之主筋,不得作為抗壓鋼筋用途。

根據研究資料顯示,當繫筋鉤住箍筋且同時緊靠縱向鋼筋時,可能會造成箍筋的斷裂。若傳統的繫筋同時鉤住箍筋及縱向鋼筋時,箍筋斷裂的情形會減少,且可較傳統繫筋僅鉤住縱向鋼筋的圍束效應更佳。若繫筋鉤住箍筋,則其交點避免緊靠柱主筋。

繫筋鉤住箍筋會有較佳之圍束效果,應是筋箍受力向外爆開變形,會產生懸索效應,其向外擠壓變形量越大,懸索效應所能承受之力量越大,此觀念可由圖1的實驗試體成果得到驗證。

1079-2-1

圖1 繫筋二端之彎鉤同時鉤住於箍筋及縱向鋼筋交點試體破壞的情形

1079-2-2

圖2 繫筋鉤住柱縱向鋼筋試體破壞的情形

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圖3 柱保護層剝落後搭接握裹失效

2.剪力筋與圍束箍筋取大者設計

結構混凝土設計規範所規定之箍筋量,其強度僅以彌補混凝土保護層剝落時之強度損失,以延緩混凝土柱發生壓碎現象,使破壞現象呈緩慢而具有延展性。故圍束箍筋之配置,並沒有增加柱構材之極限荷重能力,亦未預留承受「柱抗剪力需求」所需剪力箍筋之餘裕;另從剪力鋼筋量需求的角度而言,若設計結果為剪力鋼筋控制,則所配置的箍筋僅能滿足剪力需求,顯然沒有餘裕可供「柱核心圍束需求」之橫箍筋量。

現行"混凝土結構設計規範"第十三章「設計細則」第13.9.1節中,規定受壓構材除須配置符合規定之橫向箍筋外,亦須配置剪力或扭力鋼筋時,須按第四章(剪力與扭力)之規定計算。但該節中並未明確指出,橫向箍筋量是否須與剪力或扭力所需箍筋量疊加配置。『結構混凝土設計規範』第15.5.4.1節中規定:「橫向鋼筋應按下列規定(式15-2至15-4)配置,惟不得小於第15.5.5節規定之橫向鋼筋量(剪力強度要求之箍筋量)。...」。該條文之文意,即為容許「柱圍束箍筋量」與「柱剪力鋼筋需求量」,僅擇大者配置即可。

依結構力學觀點而言,柱構材之「剪力平衡」與「圍束平衡」,為二組各自獨立的平衡系統,只能拆分使用,不能一組箍筋二者同時重複使用。而『結構混凝土設計規範』此項條文規定,不常發生問題,探究其原因,除很少有發生較大之接近設計地震力之大規模地震外,另因該條文所規定之「柱圍束箍筋量」與「柱剪力鋼筋需求量」,並非依各載重組合狀况之實際力量所計得,而是分別依斷面積(或體積)及塑性剪力等最嚴重狀况,所計得之箍筋量應為主因。因此在一般情况二種力量同時達較大之情况不多,故尚不易出現不安全之情况,但當柱構材中二種鋼筋之加總需求量,超越所配置之箍筋量時,將會產生安全疑慮。

三、結論

現行"混凝土結構設計規範",關於繫筋二端之彎鉤,隔根鉤住柱縱向鋼筋之作法,容易導致承受高軸力比之柱,外圍縱向鋼筋因提早發生挫屈現象,而致柱之承載強度不足。自從ACI 318-77以後之版本,將「柱繫筋二端之彎鉤鉤住箍筋」,改為將「柱繫筋二端之彎鉤,隔根鉤住柱縱向鋼筋之作法」,筆者認為對柱之圍束效果不完全,會影響鋼筋混凝土柱之承載能力,因此一再提出呼籲,茲經內政部建築研究所進行大尺寸矩形柱之載重試驗,及ACI 318-14之修訂,足以證實了筆者的觀點與所憂心的現象,是確實存在的。

另外,因在工程實務上,柱構材在剪力較大情况下,柱軸壓力亦同時較大之情况不易發生,即使一旦發生二種載重較大時,尚可藉由力量再重新分配現象而降低嚴重性;但在邊柱或外角柱等少部份柱構材,較有可能出現二種載重均滿載之情況。另外規範對結構系統中之所有構件之安全性必須是均一的,不能大部份太偏保守(事實上是浪費),而少部份是不安全之情况,若結構物之破壞由一個弱點產生,而引發連鎖或連續性破壞效應,則將得不償失。

ACI 318-14修改了柱軸壓力在Pu
>0.3Ag fc¢、或所使用之混凝土抗壓強度 fc¢ > 700 kgf/cm2之直線型閉合箍筋柱,沿柱核心周邊之每一縱向鋼筋或束筋,應有閉合箍筋轉角、或繫筋耐震彎鉤所提供之側向支撐,且鋼筋間距hx之值應不超過 20 cm ,如此作法可使每一根縱向鋼筋均得到側撑。此項修正雖是後見之明,但至少已作了彌補措施,筆者建議已使用中之房屋結構,應儘快進行評估補強。

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