鋼筋端部加銲端板替代標準彎鉤之錨定效果探討

前言

於鋼筋端部以鋼板摩擦銲接固定,或以螺牙鎖固(見照片1及2)來替代鋼筋標準彎鉤之錨定工法,施工簡便,且可以解決頂層柱帶標準彎鉤之末段鋼筋綁紮時,當鋼筋續接器旋轉時會碰撞附近鋼筋或因過密致施工困難的問題,並可減少因鋼筋過密而造成混凝土澆置困難或蜂窩等問題。且梁-柱接頭結點區以及柱與地梁或基礎接頭結點區的鋼筋錨定,往往會因為主筋於接頭結點區內之錨定長度不足,而不符合規範需求。另外,根據設計與施工經驗,梁與外柱之接頭結點區,由於除有柱主筋外,還有另外垂直向之水平筋,致梁筋之標準彎鉤無法延伸至柱圍束核心之另一面,致伸展所需之直線延伸段dh之長度不足,而未能符合 "混凝土結構設計規範"之規定,而無法發揮錨定的功能。其原因在於鋼筋彎鉤內側之混凝土可能在鋼筋降伏之前即已因為應力過高而被擠碎,致鋼筋在降伏力量達到之前已損失部分強度;或因直線延伸段dh之長度不足,梁筋無法達到有效之錨定,致梁-柱接頭效率大幅降低。因此,以於鋼筋端部加銲端板替代標準彎鉤之錨定工法之研究應運而生,為提供技師先進對以端板加強以取代標準彎鉤之錨定工法進一步了解,本文整理簡介部分文獻資料供設計參考,不當之處尚請不吝指正。

現行規範對「受拉竹節鋼筋端部之錨定」規定

1.受拉竹節鋼筋端部錨定之定義

抗拉標準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。因此,為避免此等破壞,須降低彎鉤在彎轉段內之拉應力,故標準彎鉤之伸展長度dh規定為由臨界斷面起算直至彎鉤之外側端。制定dh之目的係期望透過在dh範圍內之握裹應力,逐漸降低鋼筋彎轉段處,內緣之混凝土壓應力,使得彎轉段內之混凝土不會發生擠碎破壞情形。換言之,dh也就是降低鋼筋彎轉段處內緣混凝土臨界壓應力所需之伸展長度。且dh僅適用於標準彎鉤,倘若彎鉤使用較大之彎曲半徑時,則非"混凝土結構設計規範"所能涵蓋。具標準彎鉤之受拉鋼筋伸展長度之修正因數,包含有混凝土保護層、超量鋼筋、輕質混凝土、環氧樹脂塗布鋼筋及源自混凝土或箍筋以抵抗劈裂之圍束效應。和直線鋼筋不同之處是彎鉤之伸展長度無所謂頂層鋼筋之效應,而彎鉤也不易使用頂層鋼筋之定義去辨別。彎鉤部分在抗壓時無效,故在鋼筋受壓時不計彎鉤之伸展效應。由實驗顯示,對環氧樹脂塗布彎鉤之伸展長度應增加20%,以彌補其因表面塗布所造成握裹強度之損失。

2."混凝土結構設計規範"之規定

第5.3.1節:「竹節鋼筋與麻面鋼線之受拉伸展長度d,應依第5.3.2節簡易估算或第5.3.3節詳細計算之規定,但d不得小於30 cm」。

第5.6.1節:「受拉竹節鋼筋其末端具標準彎鉤者,其伸展長度dh應為第5.6.2節之規定,且可依第5.6.3節乘以適用之修正因數予以折減。但dh不得小於8db或15 cm」。

第5.6.2節:「具標準彎鉤受拉鋼筋之伸展長度為915-2-1」。式中,

(1) 鋼筋塗布環氧樹脂時:修正因數 e=1.2,其他 e=1.0。

(2) 鋼筋於輕質混凝土內時:修正因數 =0.75,其他 =1.0。

第5.6.3節:「具標準彎鉤受拉鋼筋之伸展長度若有符合表5.6.3之使用情況,其dh可分別乘以有關修正因數予以折減」。

第5.6.4:「在構材不連續端內之鋼筋標準彎鉤,其兩側面及頂面(或底面)保護層小於6.5 cm時,其彎鉤之全部伸展長度dh須被間距  3db之垂直箍筋或肋筋所圍束,而第一個圍束箍筋或肋筋距彎鉤外側不得大於2db,且不適用表5.6.3節中有關箍筋或肋筋之修正因數;db為彎鉤鋼筋之直徑」。

第15.6.1.3節:「梁縱向鋼筋終止於柱內時,應延伸至柱圍束核心區之另一面......」

第15.6.4.1:「受拉鋼筋之90°彎鉤應置於柱或邊界構材之圍束核心中......」

受拉竹節鋼筋具擴頭或機械式錨定之伸展

1.具擴頭或機械式錨定之定義

鋼筋之伸展係指鋼筋內力藉由擴頭之承壓力與鋼筋表面之握裹力來傳遞至混凝土;鋼筋之錨定亦可僅藉由錨頭承壓力傳遞至混凝土(以光面鋼棒製作之錨栓適用)。由於有多種方法可將擴頭或錨頭連接於鋼筋,但部分方法可能影響鋼筋竹節之握裹貢獻,因此,含擴頭鋼筋必須滿足ASTM A970 HA擴頭之規定。擴頭竹節鋼筋應考量承壓強度與擴頭錨定有關之混凝土破裂、側面脹破、拔出等破壞模式之相關規定。

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受拉竹節鋼筋具擴頭之性能探討

由試驗結果顯示, 受拉竹節鋼筋使用端板或擴頭加強作錨定可取代標準彎鉤,其性能絕大多數研究成果均顯示較標準彎鉤為佳,至少尚可與標準彎鉤之錨定效果相當。設計與施工考量是否以端板或擴頭加強作錨定來取代標準彎鉤之唯一考量因素為製作成本,但若計入標準彎鉤轉彎段與尾端延伸段常造成鋼筋相互干擾導致施工困難而致工時增加,以及接頭結點區鋼筋過於擁塞而致接頭效率減低,尤其是對單跨結構物安全性之影讏更大。使用端板或擴頭加強作錨定可取代標準彎鉤,所需錨定長度較短,可解決接頭區鋼筋擁塞的問題,施工較具彈性,且易於施工,且可提升結構安全性,尤其是對單跨結構物安全性之提升更大。因此整體而言,使用端板或擴頭加強作錨定反而可提升整體經濟效益。

結語

受拉竹節鋼筋使用端板或擴頭加強作錨定可取代標準彎鉤,其性能絕大多數研究成果均顯示較標準彎鉤為佳,目前未能大量採用之原因,推測可能係現行混凝土結構設計規範尚未比照ACI318-11之規定修訂,惟其具有較佳之效益已甚為明確,筆者建議可依據 ACI318-11之規定先行採用,目前甚多公共工程已有採用,照片三即為使用案例,供工程先進參考。

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照片1 螺牙鎖固式錨板

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照片2 摩擦銲接式錨頭

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照片3 以錨頭取代標準彎鉤之案例

 

 

 

【參考資料】

1.羅俊雄等(2000)。Head bar應用於混凝土梁柱接頭之力學行為評估。國家地震工程研究中心。

2.內政部 (2011)。混凝土結構設計規範:內政部100年6月9日台內營字第1000801914號頒佈。

3.ACI (2011), Buildings Code Requirements for Structural Concrete. ACI -318-11, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI.

4. 張勝欽、李宏仁(2006)。鋼筋機械式錨定工法之回顧與檢討。

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