鋼筋混凝土梁與鋼箱柱間之接頭採鋼托梁轉接模式之探討

 一、 前言

高樓結構之地面層以下,在主要結構構架之外圍常有超挖的情形,很多設計案例在主要結構構架之外圍,考量梁、柱與外周連續壁相接之施工性、經濟性與耐久性等考量因素,常會在超挖範圍,採用鋼筋混凝土梁與主要結構構架之鋼箱柱相接,因而產生接頭要採用何種型式、及如何轉接,較能合乎結構力學行為、較高之接頭效率、及經濟效益的問題。有鑒於梁、柱接頭區,對結構系統耐震性的影響程度甚為重大,筆者試著整理優劣點,供工程師在進行轉接模式的考量及設計時參考。轉接模式對結構安全佔有相當大的重要性,筆者以往對結構系統"傳力路徑"花不少時間探討,亦常在各公會、學術單位及各學、協會...向工程先進報告,茲特為文予以介紹,,不當之處尚請不吝指正。

二、轉接模式之力學行為探討

任何結構力量傳遞路徑之走向,其中構件勁度的大小具有決定性之因素,力量會往勁度高之構件集中較多,勁度小的構件分攤較少力量。從圖1(a)中之結構系統配置,可看出轉接模式中,因鋼筋混凝土梁之梁主筋與鋼托梁(拱頭)間產生續接問題,因此鋼拖梁所需之長度,須滿足鋼筋混凝土梁主筋之頂層受拉鋼筋伸展長度(拉力搭接時須滿足頂層受拉鋼筋搭接長度),及加上梁主筋之排紮施工間隙,以及第1根剪力釘之最小邊距等。若梁主筋採用D25,Fy=4200 kgf/cm2, fc'=280 kgf/cm2,則托梁滿足伸展之最小長度約需為158 cm+5 cm+2 cm=165 cm;若梁主筋採用D36,Fy=4200 kgf/cm2, fc'=280 kgf/cm2,則托梁滿足伸展之最小長度約需為222 cm+5 cm+2 cm=229 cm。而一般常見之鋼筋混凝土梁總深約為80 cm,鋼托梁深度約為50 cm。以梁主筋為D25時,托梁之跨深比=165 cm÷50
cm=3.3倍;以梁主筋為D36時,其跨深比=229 cm÷50 cm=4.6倍。當該接頭為集力梁之傳力路徑(例如立面斜撐構架之內集力梁)或橫隔版之邊構材,或有承受軸向張力之梁時,則托梁之長度與前述計算相同。

由上述結構系統配置,將托梁跨深比作為勁度比之判斷原則時,可知托梁二端產生之垂直力偶勁度,遠大於托梁上、下翼板上面之剪力釘所產生之水平力偶勁度。因此托梁外端部處之鋼筋混凝土梁的彎矩,應是大部分為由托梁二端產生之垂直力偶所承受,若考慮垂直力偶之有效勁度限制在跨深比等於3以下時,則垂直力偶的大小值,約佔托梁外端部處,鋼筋混凝土梁彎矩的75%(見圖1(b));托梁上、下翼板上之剪力釘所承受之水平力偶,約佔托梁端部處鋼筋混凝土梁之彎矩的25%(見圖1(c))。如此假設模擬可得最接近實際結構力學行為的結果。當然實務上各個接頭之個別狀況不一,無法準確假設,故筆者建議二者各放大1.1倍,偏保守設計之。另外鋼筋混凝土梁之主筋與托梁之剪力釘進行搭接之情形,現行規範並未述及,筆者建議除了須滿足鋼筋混凝土梁主筋之頂層受拉鋼筋之搭接長度,加上梁主筋之排紮施工間隙及第1根剪力釘之最小邊距以外,建議參考新版"混凝土結構設計規範"圖R17.4.2.9之建議,另加鋼梁面與鋼筋中心間之錯位距離。

因結構分析模型中,桿件係採沒有寛度的稜柱體(等斷面)桿件作分析,因此分析結果沒有梁高(深)力臂的水平力偶(彎矩)貢獻。若採簡化設計,可將托梁端部處鋼筋混凝土梁之彎矩全部為由托梁二端產生之垂直力偶來承受,其力學平衡機制如圖1(a)及(b)所示。此種平衡機制忽略了水平力偶約佔托梁端部處鋼筋混凝土梁彎矩的25%的貢獻,略有偏離實際結構力學行為,但較符合分析模型桿件為等斷面稜柱體之結構力學行為。且由於此垂直力偶之力臂較長,所需之剪力連接物較少,可產生較符合經濟效益之設計結果。此種簡化設計,鋼筋混凝土梁上之彎矩分布圖如圖1(b)中之澄色部分所示,鋼托梁上之彎矩分布圖如圖1(b)中之黑色部分所示。

另一種極端之假設為將鋼筋混凝土梁在托梁外端部的彎矩,假設全部設定為由托梁上、下翼板上面之剪力釘所產生之水平力偶來承受,此種平衡機制忽略了托梁二端產生之垂直力偶,約佔鋼筋混凝土梁在托梁外端部彎矩的75%的貢獻,因而偏離實際結構力學行為較遠。在桿件受力時,約有75%的彎矩會首先往勁度較高的垂直力偶走,此時因沒有設置抵抗垂直力偶所需之剪力連接物,無法抵抗垂直力偶,首先會在鋼箱柱柱面處,發生鋼筋混凝土梁之側向滑移現象,或鋼筋混凝土梁在托梁外端部產生脫離現象。若再嚴重些,梁箍筋會受拉斷裂,或混凝土在鋼梁腹板與翼板交角處承壓失敗而脫離,繼而導致梁鋼筋與托梁分離,而致鋼筋混凝土梁主筋握裹伸展失效,而產生連續性破壞模式。且此種轉接配置,托梁與鋼筋混凝土梁之搭接長度,需滿足鋼筋混凝土梁主筋之頂層受拉鋼筋之搭接長度,加上梁主筋之排紮施工間隙及第1根剪力釘之最小邊距。亦即,若梁主筋採用D25,Fy=4200 kgf/cm2, fc'=280 kgf/cm2,則托梁之最小長度約需為205 cm+5 cm+2 cm=212 cm;若梁主筋採用D36,Fy=4200 kgf/cm2, fc'=280 kgf/cm2,則托梁之最小長度約需為289 cm+5 cm+2 cm=296 cm,其所需長度已達影響施工性的程度。

三、托梁轉接設計重點

1.以垂直力偶為主之情況

以垂直力偶為主之轉接模式(見圖1(b)),鋼筋混凝土梁在托梁外端處,會因「槓桿效應」,而致鋼筋混凝土梁與托梁外端處(B點)間,產生支點反力放大效應之轉接反力R1,其值為R1=V(a+b) ÷ a,亦即R1=V+R2,因此鋼筋混凝土梁於托梁外端處,在鋼筋混凝土梁上,須設置與R1力等值之密集懸吊箍筋量,並須對稱分布在以B為重心之附近範圍;在托梁外端則建議增設端板,或在梁腹二側增設腹板加勁板,並在端板或加勁板上植銲與R1力等值之剪力釘數量,且剪力釘位置,宜儘量靠近鋼筋混凝土梁之密集懸吊箍筋,以便直接傳遞R1反力,避免產生混凝土斜向壓桿之分力損耗。在鋼箱柱柱面托梁根部與鋼筋混凝土梁端部間,亦須在鋼箱柱柱面或托梁根部之腹板上植銲與R2力等值之剪力釘數量,R2=V × b ÷ a,亦即R2=R1-V,同樣的在該處之鋼筋混凝土梁端部,亦須配置與R2力等值之密集懸吊箍筋量。並在托梁全長範圍設置與R2力等值之剪力箍筋量。

雖然鋼托梁在腹板與翼板交角處可產生承壓效果的貢獻,但因受面外壓力之鋼梁翼板厚度,會因受壓而產生面外變形,其有效承壓寬度大約僅為翼板厚度加上翼腹角隅趾端尺寸之和。再者,腹板與翼板間組合銲道尺寸及施工品質不易掌握,以及斜向分力之損耗等因素不易量化,掌握其有效承壓力,因此建議鋼拖梁內側角隅處之承壓強度,僅視為對剪力釘滑移變形效應之額外之安全餘裕,而不參加設計考量。

2.托梁外端處,鋼筋混凝土梁之彎矩依勁度比例分配

托梁外端處,鋼筋混凝土梁之彎矩分配在垂直力偶之部分,依前3.1節之方法設計;分配在水平力偶的部分,則須依賴在鋼托梁之上、下翼板上,植銲有足夠的剪力釘數量,且托梁之長度須滿足鋼筋混凝土梁主筋之頂層受拉鋼筋之搭接長度,加上梁主筋之排紮施工間隙及第1根剪力釘之最小邊距。並且在搭接段全長(亦即托梁長度),須依現行"混凝土結構設計規範"

第15.4.2.3節規定:「受撓鋼筋之搭接,必須於搭接範圍配置閉合箍筋或螺箍,此橫向鋼筋之最大間距不得大於d / 4或10 cm。搭接不得用於:(1)構材接頭內;(2)距接頭交接面2倍構材深度以內範圍,及(3)分析顯示由構架非彈性側向變位所引起撓曲降伏之位置。」所規定之緊密圍束箍筋圍束之。並且建議在鋼筋混凝土梁與托梁外端(B點)處,在鋼筋混凝土梁上,須設置與V力等值之密集懸吊箍筋量,對稱分布在以B點為重心之附近範圍;在托梁外端則建議增設端板、或在梁腹二側增設腹板加勁板,並在端板及加勁板上植銲與V力等值之剪力釘數量,且剪力釘位置宜儘量靠近鋼筋混凝土梁之密集懸吊箍筋,以便直接傳遞V剪力進入拖梁,避免產生混凝土斜向壓桿之分力損耗。

3.托梁外端處鋼筋混凝土梁之彎矩,全部由托梁上、下翼板上之剪力釘承受

此種假設平衡機制模式之設計,須依前3.2節之設計要點設計同,惟因其假設背離實際結構力學行為約達75%以上,再加上國內粗粒料骨材之勁度偏低,滑移變形量較大,恐會產生連續性破壞效應,惟大部分工程均以此平衡模式設計,因此特別提醒讀者,切勿採用此種平衡模式。

四、結語

常言:「結構設計是一種藝術」,但筆者認為它有一定的脈胳可循,只要不違背結構力學行為與結構安全,朝向最經濟有效及最高使用效益的方向邁進,便是最高的藝術境界。同時對規範的規定必須瞭解透徹,綜合所有規定,再合併結構力學理論,靈活研判應用而有所選擇,不可將規範視為法律條文,一字不漏的遵守,否則遲早會出錯,畢竟規範無法全部涵蓋一切,因此仍須依賴專業技術的判斷。

以鋼筋混凝土梁與鋼箱柱間採鋼托梁接頭轉接為例,其缺點甚多,優點甚少,若所採用的力學平衡機制不當,甚至會有結構安全顧慮。例如所需托梁長度太長、托梁外端處鋼筋混凝土梁之彎矩全部由托梁上、下翼板上之剪力釘承受之假設,除剪力釘數量須依托梁深度計算而致數量需較多外,其結構系統配置模式,亦背離實際結構力學行為太遠,很可能會產生連續性破壞的問題、在桿件彎矩最大處搭接容易在鋼筋末端因剪力釘變形及累積鋼筋伸長變形量而致開裂,因而會影響耐久性,甚至該處可能為塑鉸區(違反現行"混凝土結構設計規範"第15.4.2.3節,搭接不得用於距接頭交接面2倍構材深度以內範圍之規定)、托梁在工廠製作時會產生運輸及吊裝困難。考量結構安全原則及總體經濟效益,建議避免採用托梁轉接。

依據現行"混凝土結構設計規範"第15.3.6.5節規定:「第一類機械式續接不得使用於梁、柱接頭面或地震時鋼筋可能降伏處起算兩倍構材深度範圍內,第二類機械式續接則准許使用於任何位置。」。因此建議:採用第二類鋼筋續接器直接或間接銲於鋼骨上來續接,較可符合結構力學行為與規範之規定,且傳力路徑直接、明確,又可符合經濟效益與結構安全性的最高原則(見圖2及圖3;圖4為腹部剪力對柱面所產生之偏心彎矩未列入設計考量之不當設計例)。

又,鋼骨鋼筋混凝土設計規範第8.7.2節規定:「當設計鋼骨鋼筋混凝土柱與鋼筋混凝土梁相接時,為使應力傳遞平順,應使鋼筋混凝土梁之應力先傳遞至鋼骨鋼筋混凝土梁上,再由鋼骨鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱相接合。」其解說並強調:「為使應力傳遞平順,若設計上需要SRC柱與RC梁相接時,應採用漸進方式來進行構材斷面之轉換續接,即先以SRC柱接一般SRC梁,再將SRC梁轉換為RC梁。」。依照上述規定,除不符合相關規範對耐震需求之規定外,實務上施工亦甚困難,因而實務上甚少採用,有採用之案例設計考量亦欠周全。鋼筋混凝土梁係屬低強度構材接高強度構材,無需作多此一舉增加施工困難度及増加工程費之作法。顯見鋼骨鋼筋混凝土設計規範第8.7.2節規定欠缺力學及施工性之考量。工程師若採用鋼筋混凝土梁與鋼箱柱相接時,應避免設置鋼骨托梁,直接與鋼箱柱連接即可。所幸絕大部分工程師,均了解此規定不符實際而未採用托梁轉接(見圖2至4)。

此外,因國內粗粒料骨材之硬度偏軟,致剪力釘之強度試驗時位移偏大,新版混凝土結構設計規範已決議:將混凝土彈性模數Ec折減20%,因此建議剪力釘之使用量亦隨知增加20%,以降低剪力釘之應力及降低位移量,以彌補剪力釘強度試驗時位移偏大的問題。

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圖1 托梁結構系統配置及平衡機制示意圖

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圖2 鋼筋續接器直接銲於鋼柱上續接示意圖

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圖3 鋼筋續接器間接銲於鋼梁上續接示意圖

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圖4 腹部剪力對柱面所產生之偏心彎矩未列入考量之不當設計例

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