新建結構物樓版裂損原因及對策探討

前言

房屋結構在外角樓版之外角隅常會有出現裂損的現象,裂損現象常造成業主與施工廠商間之工程紛爭而無法結案,甚至後續爭訟常有拖延數十年之久致建築物無法正常使用,為減少工程紛爭使工程得以順利進行,筆者試擬預防裂損現象發生之方法及防治之道,供工程先進參考,不當之處尚請工程先進不吝指正。

裂紋型式及防治方式探討

1.樓版之外角隅裂紋

房屋結構在外角樓版之外角隅常會有出現45°斜向裂紋的現象,此種外角隅產生之裂縫通常係由垂直載重的因素,及樓版降伏線理論在雙向版承載垂直載重時之角隅有向上翹之趨勢,若此上翹趨勢被邊牆或邊梁束制時,將在版之角隅產生彎矩,須配置鋼筋以承受此彎矩並控制裂縫。防止及控制裂縫寬度的方法為在外角樓版之外角隅配置鋼筋,其鋼筋量須滿足兩主方向彎矩之需求,依現行"混凝土結構設計規範"第6.4.6節之規定:「版支承於梁,若其αf值大於1.0,則版之外角隅處應按下列規定配置角隅鋼筋加強之(αf =梁與版之撓曲勁度比,其中版之寬度以梁兩邊之版中心線為界);第6.4.6.1節:「角隅鋼筋不論在版頂或版底亦得各以兩組鋼筋與版邊平行排置。角隅鋼筋之數量不論在版頂或版底均應等於版內單位寬度最大正彎矩所需之數量。不論在版頂或版底之單位版寬所需角隅鋼筋量,均應按版內單位版寬最大正彎矩設計」;第6.4.6.2節:「角隅鋼筋在版之頂面及底面均須置放,頂面者須與由該角所引之對角線平行,底面者須與該對角線垂直。角隅彎矩之作用軸線,假設在版頂面係垂直於該角所引之對角線;在版底面則平行於該對角線」;第6.4.6.3節:「角隅鋼筋應置放在每個方向距角隅1 / 5 長向跨度範圍內」;第6.4.6.4節:「角隅鋼筋在版之頂面及底面均須置放,頂面者須平行於該角之對角線,底面者須垂直於該對角線。角隅鋼筋亦得在版頂與版底處,各以兩組鋼筋與版邊平行排置」。所配置之鋼筋均應通過裂縫,二側並須有適當之錨定。

2.一般層外角樓版裂紋

一般層樓版若為大面積之接近正方形之矩形樓版的外角樓版上常會產生較大範圍之45°斜向裂紋的現象。其現象與圖1所示之現裂損現象相似,此種裂損現象主要係發生在施工時,一次整體完成混凝土澆灌工作的情況。此種情況常會因有角隅外牆的束制或大尺寸柱的束制,再加上混凝土凝固過程產生水化收縮與乾縮現象,以及溫度變化的影響,而在外角隅產生45°斜向裂紋,其裂紋發生的範圍,不像一般樓版僅在外角樓版之外角隅處產生。通常,其範圍依該樓層面積的大小約略成正比關係,也就是越大面積的版,其外角樓版處之裂損範圍越大,有時會擴及3~6片外角樓版。若樓版形狀為較長條形之長方形樓版,則其裂紋將會發生在樓版中段垂直於長向之裂紋,且此種裂紋通常會貫穿樓版。以上裂損發生的原因,主要係由於外側柱束制及混凝土凝固過程產生水化收縮與乾縮現象所產生之裂損現象,其防治方法甚多。『混凝土結構設計規範』第13.11節「收縮與溫度鋼筋」中規定:「樓版之受撓鋼筋僅單向者,於受撓鋼筋垂直方向須設置收縮與溫度鋼筋。」,收縮與溫度鋼筋須與主筋在同平面上垂直配置,其目的為減小樓版之龜裂現象,並使結構結合成一體以確保其作用符合設計時之假設。此項收縮與溫度鋼筋之規定在一般情況應可符合收縮與溫差變化之一般要求,應可滿足乾縮與溫度變化之需求。但若鋼筋混凝土建築結構物在平面尺度較大時,或收縮與溫差變位受結構牆或大柱強力束制時,版因體積改變遭束制而受拉,同時造成牆或柱也產生剪力、彎矩及變位。於上述情況下,版須增加鋼筋,以抵抗兩主軸方向上之收縮與溫差變化。位於預鑄構件或鋼承板上方之現場澆置混凝土版,也會因其與預鑄構件或鋼承板(無收縮行為)間之不同收縮束制而承受拉力,此時配置頂部及底部鋼筋均可有效控制裂縫。欲有效防止或控制裂紋產生可採取下列設計與施工之措施,便會有明顯的改善。

(1)設置伸縮縫

雖然大部份之參考文獻[2、3、4、5]均建議鋼筋混凝土建築結構物設置伸縮縫之最大間距可達45m~90m,實務上結構物之平面尺度在30m×30m以內尚不太會產生龜裂現象,可不須作特別考量,但當平面尺度超過30m×30m以上時,即很容易在大梁或樓版產生龜裂現象。至於在何種情況須對收縮及溫度效應作何種程度之考慮,與結構物之設計及施工品質、施工環境、施工順序、及結構受束制的程度有極大的關聯。

(2)樓版鋼筋儘可能以小號數鋼筋取代大號數之鋼筋,以減小鋼筋之間距,可有效分散並減小裂紋寬度。

(3)利用混凝土配比設計或配合使用摻劑,以減少含水量。

(4)混凝土澆置完成後即依施工規範之規定妥善養護。

(5)必要時採用防裂纖維摻料(例如鋼纖維、聚丙烯纖維等)。

(6)以棋盤式分區跳格方式澆置混凝土;或預留伸縮控制用之後澆置施工帶,待大部份之乾縮完成後,再將後澆置帶以混凝土澆置填滿(依實務經驗顯示大部份的收縮量係來自乾縮所產生者)。

3.地下室大梁裂紋

由於高樓結構在地下室之柱尺寸較大,其剛性亦較大,梁受到柱之束制,其混凝土凝固過程產生水化收縮與乾縮現象,無法自由收縮而產生收縮裂縫,但因大梁均有承載靜載重及活載重,合併混凝土收縮現象便會產生斜向裂紋,因此常被誤認為大梁之斜向裂縫係因剪力強度不足所產生。其防治之方法可(1).利用混凝土配比設計或配合使用摻劑,以減少含水量。(2).混凝土澆置完成後即依施工規範之規定妥善養護。(3).必要時採用防裂纖維摻料(例如鋼纖維、聚丙烯纖維等)。

4.地下室樓版外角裂紋

地下室各層樓版常會在四個外角處產生45o斜向裂紋,在地下室各層樓版四周外側有承受土壤及水之壓力下,為何還會產生上下穿透且會滲水(見圖1)之45o斜向裂紋(見圖1至3)?探究其原因其裂損原因,筆者認為應以參考資料[1]林 施 慶、曾慶 正、黃 宏 謀、吳 信 宏等人之研究成果最為正確。

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圖1 地下室樓版角隅版底斜裂縫[1]

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圖2 地面層樓版角隅版底斜裂縫

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圖3 地下室樓版角隅版底斜裂縫

 

依據參考資料[1]之研究顯示,地下室樓版角隅出現斜向裂縫之原因,係因地面層及地下室樓版四周連續壁承受外側土壤及水之壓力時會產生面內壓縮變形,由於連續壁樓版中間段之樓版可自由壓縮,而連續壁中間段二側之樓版,因與側面之連續壁連接而成較大之受壓斷面及勁度,因而二者產生不同之壓縮變形量,以致樓版在二者間之剪力傳遞作用,以及另一(垂直)方向亦有同樣之壓縮變形不一致現象,因此,二方向剪力之合力對版產生45o方向之拉力,造成地面層及地下室各層樓版角隅產生45o斜向裂紋(見圖1至3)。

由前述地下室角隅樓版45o斜向裂縫原因探討可知其樓版剪力大於樓版混凝土容許剪力,以致樓版混凝土開裂。施工階段的土、水壓力較小,此時期混凝土齡期短,樓版混凝土容許剪力較小,地下室完工後長期之土水壓力大,但混凝土齡期較長樓版混凝土容許剪力也較大,兩種階段之情況皆有可能造成樓版開裂的情形。於地下室增加樓版厚度或增加角隅樓版剪力配筋可以有效降低裂縫出現之可能性。另外於樓版角隅預留一條寬約30cm之45o斜向後澆置帶施工縫,亦為可行之方案,此後澆置帶位於角隅處,且以45o斜向配置,角隅處有三角形版支撐角隅處外側土壓,內側之八角形版可支其餘部分之側土壓,因此,45o斜向後澆置帶施工縫不致影響地下室擋土支撐安全。

結語

探討結構物之裂損現象之真正原因與對策,不能僅憑感覺去判斷,必須從力學原理著手,才能找到真正之裂損原因及正確地評估對結構物安全的影響程度,亦才能擬定正確、有效的防治方法與改善對策。否則未能找到真正之裂損原因,所擬定的防治方法與改善對策亦為錯誤的,將對結構物安全毫無助益,甚至因錯誤的補強,而增加補強措施之載重,反而降低結構物之安全性。

參考資料

1.林 施 慶、曾 慶 正、黃 宏 謀、吳 信 宏〔2011〕。地下室角隅樓版斜向裂縫原因探討與對策研究。結構工程,第26卷,第2期。
2.內政部營建署,混凝土結構設計規範。
3.內政部營建署,結構混凝土施工規範。
4. Mark Fintel (1985). Handbook of Concrete Engineering,Sec.6.7.5,.
5.ACI 350R-89,Environment Engineering of Concrete Structure.

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