鋼筋混凝土構材主筋偏折之安全性探討

摘要

近期參加土木技師公會及結構技師公會，有關執行「耐震標章」作業之講習會，有關「耐震設計標章之審査重點」，對柱斷面退縮柱主筋偏折，或梁、柱主筋配置位置重疊而將梁主筋偏折處理，以及特別監督人協助解決柱筋放樣錯位，以小於1：6偏折的方式處理案例中，二公會主講人所列擧之案例，均未針對鋼筋偏折點，以橫箍筋、螺箍筋或部份樓版構造做橫向支撐，亦未考慮到柱筋偏折應以對稱配置為原則。

筆者認為雖然此種處理方式均符合現行「混凝土結構設計規範」第13.7.1.1節：「偏折鋼筋對柱軸偏斜部份之斜度不得大於1 : 6。」之規定，但均不符合第13.7.1.3節：「鋼筋偏折處須用橫箍筋、螺箍筋或部份樓版構造做橫向支撐。橫向支撐須能承受鋼筋偏折部份橫向分力1.5倍之推力，若用橫箍或螺箍時須配置於偏折點15 cm以內。」除此些規定外，現行「混凝土結構設計規範」，尚遺漏敍明很重要的一點就是:「在梁、柱構材斷面中主筋偏折應對稱配置，否則偏折分力在構材内會因不平衡而産生額外力量。若對稱配置有困難時，應檢討偏折之構材主筋非對稱配置對構材安全性之影響。」。

另外，第13.7.1.5節：「柱面偏距7.5 cm以上時主筋不得偏折，該主筋須用插接筋搭接之，搭接須按第5.18節之規定。」亦應比照第13.7.1.3節之規定，増列第13.7.1.6節：「梁、柱主筋以錯位搭接方式續接時，除應考慮錯位距離對搭接效果之影響外，尚須於鋼筋搭接段之二端處用橫箍筋、螺箍筋或部份樓版構造做橫向支撐。橫向支撐須能承受鋼筋偏折部份橫向分力1.5倍之推力，若用橫箍或螺箍時須配置於搭接段二端15 cm以內。」以平衡鋼筋因錯位搭接産生之偏心彎矩。

但實務上，絶大部分之構材主筋以偏折或錯位方式搭接施作之案例中，均未見有依規範第13.7.1.3節規定，配置補強箍筋，因此梁、柱主筋以偏折方式搭接之安全性，值得深入探討，以維居住安全。

一、前言

竹節鋼筋雖然有時會代替光面鋼筋作為拉桿使用，但大多情況為臨時性用途，例如，基樁載重試驗過程，會利用鋼筋作為反力樁與加載橫梁間之連結拉桿，或將竹節鋼筋之二端車牙後作為錨栓使用。基本上，鋼筋必須與混凝土結合成為混凝土結構，甚少單獨作為結構桿件使用。由於鋼筋之截面為圓形
(部分大號鋼筋為帶有圓角的方形)，因其旋轉半徑值 (r)、斷面模數 (s)等均甚低，因此鋼筋之使用不論受拉還是受壓，均以保持直線狀態，才可發揮最高之力學效率。任何彎曲變形，除易因受壓産生挫屈現象外，亦會有部分之分力，屬無效且會產生不良影響，須另額外配置加強筋平衡之。鋼筋有任何彎曲現象存在，均會出現「初始不平直」現象，對受壓情況尤其不利。鋼筋在受壓初期已有P-δ現象會造成提早挫屈，由現行「混凝土結構設計規範」第13.7.1.1節：「偏折鋼筋對柱軸偏斜部份之斜度不得大於1 : 6」。第13.7.1.3節：「鋼筋偏折處須用橫箍筋、螺箍筋或部份樓版構造做橫向支撐。橫向支撐須能承受鋼筋偏折部份橫向分力1.5倍之推力，若用橫箍或螺箍時須配置於偏折點15 cm以內」之規定，可知鋼筋之實務應用，應以保持直線狀態為優先考量。

鋼筋在混凝土結構柱中之主筋續接綁紮，究竟應以直線接觸搭接較佳？或是以偏折搭接較正確？亦或是以鋼筋續接器來續接較佳？這個問題在工程界爭論不休迄無共識。許多擔任「鋼筋混凝土學」講授之老師、資深工程師、公共工程查核委員，以及坊間討論「房屋結構鋼筋施工細部」的專書等，均建議採用鋼筋偏折搭接之續接工法。不同看法的各派專家學者所持的論點各有不同，有的以結構安全作為主要考量因素；有的是以施工綁紮完成之鋼筋籠，箍筋與主筋之間隙是否密接作為主要考量因素；有的則以續接器的安全品質作為主要考量因素，因此爭論不休，國內、外均然。

筆者曾有長期與國外顧問公司合作，設計工業廠房及設備支撐結構的經驗，從實務經驗發現國外大部分公司認為圖示之鋼筋偏折標示，僅為供施工者繪製施工圖及製作鋼筋彎紮表示時，了解鋼筋搭接之位置而已，並非真正實際施作偏折搭接，因此會特別標示二者之間距為零。筆者認為各種彎紮方式均有其優缺點，其利弊得失、取捨之權衡標準，應從多方面考量，首要考量因素當然是對結構安全的影響程度，在結構力學沒有安全疑慮的前題下，才可納入施工方便性及經濟性等方面的考量。

本文探討鋼筋偏折對結構構材安全性的影響程度，供設計者、施工者及公共工程施工品質查核參考，以避免作不必要的加工而浪費工時，又傷害鋼筋材質，甚或不利於結構安全。也避免公共工程施工品質查核時，要求施工單位作不必要的改正而浪費資源，甚至造成更不利結構安全性的影響。請工程先進不吝指正為荷。

二、鋼筋混凝土柱筋續接設計及施工相關規範之規定

2.1、混凝土結構設計規範有關柱筋偏折之規定彙整如下：

第13.7.1.1節：「偏折鋼筋對柱軸偏斜部份之斜度不得大於1 : 6」。第13.7.1.3節：「鋼筋偏折處須用橫箍筋、螺箍筋或部份樓版構造做橫向支撐。橫向支撐須能承受鋼筋偏折部份橫向分力1.5倍之推力，若用橫箍或螺箍時須配置於偏折點15 cm以內」。

2.2、ACI-ASCE
Committee 352( (2002)"Recommendations for Design of Beam-Column Connections in
Monolithic Reinforced Concrete Structures")

ACI-ASCE Committee 352第4.1節規定：「柱主筋在接頭內偏折時，除 4.2節所規定之箍、繫筋以外，另須提供「額外」之箍、繫筋來抵抗偏折鋼筋受拉時伸直傾向所產生之水平分力，此與鋼筋在接頭內直線通過之行為應有所不同」。

三、偏折搭接工法優缺點探討

依「混凝土結構設計規範」第13.7節(鋼筋之偏折)，未敘明柱主筋偏折是否可於梁-柱接頭區以外之柱段或梁段，但不論如何，構材主筋一旦有偏折，則其偏折細部至少應符合第13.7.1節
(柱筋細則)之規定。柱主筋以偏折搭接的續接方式其優、缺點如下：

3.1、偏折搭接之優點：

1、大部分柱段之柱主筋與箍筋或繫筋間，可保持較小間隙，惟偏折 段仍未能符合較小間隙之需求。

2、角隅柱主筋搭接段可徑向配置於箍筋接頭之135度鳥嘴形彎鉤
內；其餘柱主筋搭接段可徑向配置於繫筋之135度彎鉤內 。

3、柱主筋徑向偏折不致降低柱主筋間之橫向淨距。

3.2、偏折搭接之缺點

1、鋼筋偏折加工不易，加工費時，亦常見以違反「混凝土結構施工 規範」第5. 5.1節之規定，採加熱彎折加工，以節省彎紮工時現象，此舉對不可銲鋼筋會降低延展性及韌性。

2、偏折段之柱主筋與箍筋或繫筋間之間隙仍甚大，恐會影響柱之
抗壓強度。

3、柱主筋偏折處理後，對「混凝土結構設計規範」第13.7.1.3節 所規定：「鋼筋偏折處須用橫箍筋、螺箍筋或部份樓版構造做橫向支撐。橫向支撐須能承受鋼筋偏折部份橫向分力1.5倍之推力，若用橫箍或螺箍時須配置於偏折點15 cm以內」之規定。在工程界及學術界對柱之既有橫箍、繫筋，是否可以兼用來抵抗此橫向分力1.5倍之推力？以及是否可隔根方式補強？常有爭論。此點由ACI
352R-02第4.1節亦有敍明：「柱主筋在接頭內偏折時，除 4.2節所規定之箍、繫筋以外，另須提供「額外」之箍、繫筋來抵抗偏折鋼筋受拉時伸直傾向所產生之水平分力，此與鋼筋在接頭內直線通過之行為應有所不同」。

另，常有專家學者在爭論前述偏折所產生之水平分力補強筋，為避免過度影響混凝土澆灌品質，是否可將所需之補強筋隔根配置？此爭議，由廖慶隆教授對有效圍束面積模式之研究以及ACI 318-19第18.7.5.2節(橫向鋼筋)之規定 (在Pu ＞0.3Ag fc¢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彎轉段所提供之側向支撐。Pu應為含E之因數化載重組合所得之最大壓力)等顯示，未受繫筋鉤住之主筋，會座落於相鄰有繫筋鉤住之主筋的保護拱圈之外，而未能受到相鄰有繫筋鉤住之主筋的保護 ，又由主筋挫屈行為顯示，未受繫筋鉤住之主筋，因座落於相鄰有繫筋鉤住之主筋的保護拱圈之外側，因此在抗壓試驗過程中會提前挫屈， 甚至會擠破鋼筋保護層。因此從結構力學的觀點必須「每一根柱主筋」之上、下偏折點均須依「混凝土結構設計規範」第13.7.1之規定，以橫箍筋做橫向支撐補強，以抵抗受拉、壓力時横向分力所產生之向外爆開現象。

再從結構力學的觀點，原有橫箍筋已用於柱受壓圍束及受剪的用途，在圍束與受剪二者已有重複使用的疑慮，若再用來作為抵抗偏折部份橫推力之用途，則有再度重複使用之嫌。

因此偏折之柱筋必須「每一根柱主筋」之上、下偏折點，均須依「混凝土結構設計規範」第13.7.1之規定，以額外之橫箍、繫筋補強，而不得利用既有之橫箍、繫筋。橫向支撐須能承受鋼筋偏折部份橫向分力1.5倍之推力，橫箍須配置於偏折點15 cm以內。

4、以平直之鋼筋未受繫筋鉤住之柱主筋受壓後，因未能受到相鄰有 繫筋鉤住柱筋之保護，而會產生提早挫屈現象，何況柱主筋已有 偏折點，形成初始不平直之偏位 (δ)情況下，更會提早挫屈，進而擠破鋼筋保護層。此點亦可證明「每一根柱主筋」，均有必要依「混凝土結構設計規範」第13.7.1之規定，以額外之橫箍、繫筋補強。

5、搭接段僅隔根有繫筋，當未受繫筋鉤住之柱主筋受壓後，會先向 外挫屈突出，鋼筋保護層隨之受擠而爆裂剝落 (鋼筋保護層一般所認知的受壓爆裂，而是被挫屈鋼筋推擠爆裂剝落)，此時無繫筋鉤住之柱主筋搭接段，會失去握褢力而首先脫開而分離，而致握褢搭接失效。

6、柱抵抗彎矩之有效深度，會因徑向偏折而略為減少，其減少量為 鋼筋之實際外徑。而此偏折點又常會落在塑鉸區內，因此對結構 安全的影響程度更大。

7、上、下偏折點若對每根柱主筋作水平雙向之箍、繫筋橫向支撐補 強，會形成二層鋼筋篩網，致混凝土澆灌困難，容易形成粒料分析離及蜂窩缺失。

8、在地下室結構體工程，外柱因受擋土安全支撐之橫擋阻礙，通 常搭接長度均會不足，柱主筋無法施作搭接，而必須採用鋼筋續接器（以直線接觸搭接之柱筋亦會有此種情形）。

9、偏折主筋須事先加工彎折，因主筋偏折現象，致自重產生之偏心彎折會導致垂直度較不易控制，綁紮亦不易。對於較大直徑主筋採偏折搭接時，為解決主筋定位或自重偏折彎矩不易綁紮的問題時，實務上有於彎折處前之直線段先於側面先銲一段方便施工綁紮用縱向直鋼筋的做法，以方便與下層鋼筋直接直線接觸搭接綁紮固定。但此施工作為會導致與未偏折之直線接觸搭接工法相同之側向淨間距減少的問題，不如回到於側面直線接觸搭接較簡單。

10、雖規範第5.18.2.2節，對乙級搭接允許於當層全部搭接，惟若為降低續接品質欠佳之風險採隔根錯開搭接時，會因續接長度較長，無法當層隔根錯開搭接，而必須採隔層隔根錯開續接。

11、以D32 (#10)，fc'=280kg/cm2、fy=4,200kg/cm2搭接為例，搭接長度為154cm，再加上1：6偏折段長度，總搭接長度約達1.7m。若柱之淨高為2.5m，搭接段位於柱之二分之一淨高範圍(僅1.25m)，則上偏折點已位於柱之上、下緊密圍束之塑鉸區內，會降低柱構材之塑性強度及韌性。因此除須依照規範於偏折段進行橫箍、繫筋之補強外，亦應避免於塑鉸區內偏折或改採其他方式進行鋼筋續接方式。

12、當柱主筋發生放樣位置錯誤，導致必須全數同方向偏折時，此種情況縱使符合現行「混凝土結構設計規範」第13.7.1節之規定，仍然有構材P-δ效應存在、縱使已符合第13.7.1.3節之規定，仍無法平衡鋼筋偏折産生之水平分力。因此「混凝土結構設計規範」第13.7.1節之規定應是僅適用於同一構材斷面内對稱偏折之情況。

四、結語

由於鋼筋偏折現象，對結構安全的影響甚為重大，因此「混凝土結構設計規範」，對每一根鋼筋偏折點之橫向分力作了150%之懲罰性補強」，即可瞭解柱主鋼筋偏折對結構安全影響之嚴重要性。「混凝土結構設計規範」，只建議柱筋之偏折在梁柱接頭區範圍內，若要沿用在梁柱接頭區範圍以外，建議須特別強調平衡箍筋的重要性。以上規定，在工程實務上，幾乎沒有做到對每一根偏折柱筋所產生之横向力，均提供良好的側向支撐的案例 。否則二方向之補強筋形成二層篩網，混凝土之澆灌品質亦會受到影響。且以偏折方式續接柱筋，彎紮作業費工費時，部份工地甚至以熱彎處理，對非可銲鋼筋會造成傷害。

由以上探討，係基於工程力學與工程實務可行性為出發點作考量。構材主筋以偏折方式轉彎或續接，其缺點甚多，若有其中一、二項未能符合規定，鋼筋除未能發揮全應力外，亦易造成結構安全疑慮，況且「偏折點座落於塑鉸區內」及「未對每一根鋼筋偏折點之橫向分力作150%之補強」，已嚴重影響結構安全，因此建議避免採用偏折搭接。以鋼筋續接器續接，只要確實作到鋼筋續接器之品質查驗，及將鋼筋續接器配置於受力較小之位置，並儘可能錯開60cm配置鋼筋續接器，則幾乎可做到無結構安全疑慮的程度。

在此特別提醒：當柱主筋發生放樣位置錯誤，導致必須全數同方向偏折時，此種情況縱使符合現行「混凝土結構設計規範」第13.7.1節之規定，仍然有構材P-δ效應存在、因此「混凝土結構設計規範」第13.7.1節之規定，應是僅適用於同一構材斷面内對稱偏折之情況。

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