以鋼筋混凝土雙核心柱取代SRC柱可行性探討

前言

近來一些建設公司以「鋼骨鋼筋混凝土結構(SRC)」來作為房屋銷售的賣點,此種現象亦為一般想購屋的民衆常問起的問題,到底是買鋼筋混凝土結構的房子好?還是鋼結構,或是鋼骨鋼筋混凝土結構的房子較好?會有這個疑問,其肇因應是民國88年9月21日台灣中部地區發生芮氏地震規模7.3之強烈地震,該次強震造成全省民眾2,300餘人死亡,磚構造、加強磚構造或鋼筋混凝土結構房屋全倒近萬棟,半倒亦達7,000餘棟。其中嚴重受損的鋼筋混凝土結構學校校舍建築物竟高達100餘所。因此,大多數的人都認為以鋼筋混凝土結構建造之房屋不耐震,因而認為「鋼結構」房屋或「鋼骨鋼筋混凝土結構」房屋較安全。在921地震之後,中部許多透天厝確實改採鋼結構建造。至於實際上採用何種構造較安全? 以結構設計的觀點,若結構設計者之力學素養足夠,採用正確的設計規範,且最重要的是具有良好的結構系統及傳力路徑有作仔細的檢核考量,接頭設計有作完整的細部處理,再加上施工品質的嚴格控管,則任何一種構造型式均可達到相同的安全等級。但「鋼骨鋼筋混凝土結構」使用二種結構材料,施工時,先組裝之鋼骨構架,再綁紮鋼筋,但鋼骨構架妨礙了後續綁紮鋼筋施工相當困難,致施工品質不易控管,容易出現缺失,常見的缺失有。

1、 梁主筋本應延伸至柱核心之遠端錨定,因被鋼骨阻擋而常有停在鋼骨之前端之情形(見照片1),因而失去梁主筋應有的功能。

2、 梁之主筋直接銲於柱板上 (見照片2),但柱內側並無對應之橫隔板,或二橫隔板間之淨距太近而無法施作,致梁主筋之功能大幅降低。

3、 柱之主筋配置較多,致部分受到梁翼板寬度阻擋而無法直通,致直接銲於梁翼板上(見照片2),未達到柱主筋連續通過梁-柱接頭的目的。

4、 在梁-柱接頭結點區內之箍筋須在梁之腹板接合板上鑽孔使箍筋得以穿過,但此舉可能導致腹板接合板扣除螺栓所需之鑽孔外,尚須扣除穿過箍筋之鑽孔,致剪力淨斷面積常有不足的情形。

5、 接頭結點區內之箍筋於角隅處有一邊無法施作標準彎鉤(見照片2),致影響圍束效果。按一般規定正常施作之外箍筋角隅接頭,於柱之抗壓試驗過程至最後,常有脫間之現象,何況在無法施作彎鉤之情況更無法使箍筋發展達降伏強度。

6、 混凝土澆灌時,受到鋼骨梁、柱及鋼筋等之阻擋,灌注困難,常有產生蜂窩的現象。

7、 亦常有鋼骨柱放樣位置有偏差,而最後以混凝土外包部分調整,而產生外覆混凝土之厚度各邊不同,甚至有不足之現象。

8、 鋼結構的銲接施工品質也是一般業界較耽心的一環,尤其是會採用鋼骨鋼筋混凝土結構之工法,一般均為高樓結構,其梁翼板與柱板間之銲接通常為採工地銲,而銲工工資之計價方式,通常為以每公尺進行計算,銲工為了趕工,常有加大電流、銲道內塞鋼筋或銲條等情形。但因高度太高,監造人員不敢上去檢查,致銲道常存有瑕疵。

9、 鋼骨配置於柱中心,其斷面模數之利用率較低。

10、 鋼結構與鋼筋混凝土結構二種結構系統同時存在,並分別施作,工期拉長,亦是採用鋼骨鋼筋混凝土結構之不利因素。

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照片1 梁端主筋停於柱前之案例

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照片2 柱主筋以續接器固定於翼板、接頭區箍筋接頭無彎鉤之案例


以鋼筋混凝土“雙核心柱”取代SRC柱

建築物之主要支撐結構係依靠建築物之樑-柱構架,而“雙核心柱”係於柱內部設置內核心鋼筋籠,使其中心內核心之柱主筋受到外核心之圍束保護,使內核心之柱主筋不會挫屈,而具有較佳之承載能力。另外,一般鋼筋混凝土柱構件耐震強度而言,箍、繫筋綁紮方式,常為施工環境或施工精度所限,施工品質不易控制,往往造成鋼筋混凝土的圍束效果不佳,在地震產生之巨大的軸力與彎矩力作用下,致使柱主鋼筋向外爆開,擠壞柱體箍筋外圈混凝土而剝落(見照片3),柱核心混凝土亦隨之破裂,造成柱構件強度急遽下降,使得建築物結構的韌性及安全性大幅降低,尤其是在柱軸力持續存在未減小之情況下,其破壞速度甚為快速。

箍筋若以一筆劃方式彎折,箍筋可一體成型,相較於傳統箍筋外框結合繫筋綁紮的方式具有更佳的圍束效果,且可縮短鋼筋綁紮的時間。但由於此一筆式箍筋之纏繞方式過於繁複,箍筋重複繞折的部份亦多,造成材料浪費,且在綁紮鋼筋籠的過程中,縱向柱主筋之綁紮需要較高的施工精度,來配合一體成形之箍筋,方可套入柱主筋。就實務方面而言,往往受限於施工精度,而不易施工,尤其是當縱向柱主筋衆多時,更是難以施工。因此,採用一種可以解決上述問題之「雙核心耐震柱」,可提供高內核心強度之耐震柱,且施工容易,可有效提升柱體之載重強度及韌性能力,並具有承載高軸向拉力與壓力特性之內核心柱體。設置於鋼筋混凝土柱內核心,可彌補柱表面因承受巨大應力造成柱體箍筋外圈混凝土剝落而致強度損失部份。其箍筋係沿內圍區及外圍區進行一筆式連續轉折纏繞,以形成環繞內圍區及外圍區之柱核心結構。另外,前述之內圍核心區及外圍核心區,柱主筋可呈方形、矩形、圓形或者其他形狀之排列(見照片4)。繫筋所組成網狀箍筋之圍束效果大幅提高,並改善一筆劃彎折圍束鋼筋施工困難及箍筋材料浪費之問題。再者,雙核心柱可有效提升柱體之載重強度及韌性能力,經以側推分析比較性能結果,強度及韌性可明顯高於傳統鋼筋混凝土柱(見圖1)。

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照片3 無繫筋鉤住之柱主筋提前挫屈向外爆開擠壞外圈混凝土。(資料來源:建研所及國震中心)

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照片4 雙核心柱箍筋以一筆箍連續轉折 

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照片5 雙核心柱箍筋施工案例

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圖1 雙核心柱與傳統鋼筋混凝土柱之性能比較結語

國內「建築物耐震設計規範」之設計精神係採「韌性」,以及「小震不壞,中震可修,大震不倒」的設計觀念,結構物抵抗地震力之模式係以其強度與靭性來抵抗地震力,在強震作用下抗彎矩構架首先用強度來抵抗地震力,俟地表加速度逐漸增大,結構桿件受力便由彈性行為逐漸進入降伏狀態,繼而進入塑性行為,然後以本身的塑性變形能力來消散地震能量,當靭性用盡後結構物就會破壞,此時對應之地表加速度即為結構物之耐震能力。由以上探討可見雙核心柱具有較高之承重能力且韌性較佳,可延長逃生時間,具有鋼骨鋼筋混凝土結構柱之特性,但改善了鋼骨鋼筋混凝土結構柱之缺點,施工簡易品管容易,而造價亦相對較低,尤其是稍調大內核心之尺寸可提升抗彎矩能力,又可保有內核心柱主筋不會挫屈之優點。雙核心柱實為取代鋼骨鋼筋混凝土結構柱之更佳選擇。

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