第1431期-鋼柱基板錨定螺栓埋設缺失之補強與修復方法介紹

一、前言

鋼柱基板之「錨定螺栓」簡稱「錨栓」,係用來固定鋼柱,承受鋼柱底端的彎矩、剪力及軸力,為抵抗風力及地震力之結構系統的一部分,因此「錨栓」必須具有足夠的強度與勁度,使整體構架可發展靭性行為。在結構物設計過程中,通常基板及錨栓是最後一個設計的項目,但卻是工地第一個施作的工項。錨栓安裝精度是否準確,會影響上部鋼結構柱安裝作業之正確性甚鉅,因此不正確的錨栓位置,會使得後續之鋼結構組立作業困難,且安裝完成後之位置、高程及傾斜率,會與施工圖說之規定不符,最重要的是,錨栓位於結構物傳力路徑中最重要的位置,混凝土澆灌後,一旦發現基礎錨栓埋設精度有疑義,錨栓位置產生誤差,很難加以修正,影響結構安全至鉅。因此在安裝之前應儘可能減少誤差,安裝前除須對錨栓位置詳加測量校核外,對安裝方法亦需妥善規劃。

若以錨栓與鋼筋混凝土結構的鋼筋綁紮施工次序而論,可分為錨栓先施工與錨栓後施工兩種方式。錨栓不易正確定位的原因,不外乎埋設作業時的放樣測量誤差、安裝作業時產生誤差及模板、鋼筋綁紮作業之相互干擾,或混凝土澆灌衝擊力等,導致錨栓位置錯誤、移位、突出長度太長或不足、錨栓斷裂或受到意外碰撞致歪斜等情形,致無法使用而需要修復。因錨栓位於結構物的基部的關鍵位置,其結構安全性是否足夠?會影響整體結構物的安全性,其重要性不言可喩。

所有錨栓補強與修復計畫,均須經監造單位或轉請設計單位書面審査核可後,方可施工。監造單位須依個案情況,評估是否同意所提補強與修復方案,或要求拆除局部基礎重新施作。監造單位須保存修復過程之紀錄,並視需要檢驗修復後之錨栓品質。

大部分的錨栓修復,僅是不需經結構計算的修改,惟其補強與修復方案之結構安全性,須高於或等於原設計之結構安全性。本文試提一些可行之補強與修復方案的構想,供工程師作為錨栓之施工及補強與修復設計參考,不當之處,亦請工程先進不吝指正。

二、基礎錨栓埋設

埋設於混凝土中之錨栓,應配合鋼筋組立之順序預先埋置,錨栓須精確埋設,後續鋼結構工程安裝才能順利。就理論而言,到底應先施作錨栓之埋設再進行鋼筋之綁紮作業,或是先進行鋼筋之綁紮作業再進行錨栓之埋設?有部分專家學者認為,應先安裝精度需求較高之錨栓,再進行鋼筋綁紮作業,以方便控制錨栓之埋設精度,繼而可控制鋼筋綁紮作業之精度。

但筆者認為須配合鋼筋綁紮作業之進度,二者同時進行,才是合理且方便可行的方案。理由是先施作的工項,會妨礙到後施作者的施工空間之情形,若錨栓先安裝,在單一柱墩之情況雖尚屬可行,但已有妨礙鋼筋綁紮作業的情況;對於位在正交梁之交會區處之錨栓,則會嚴重妨礙鋼筋綁紮作業,對安裝精度需求較高的錨栓,無法承受安裝過程的碰撞力量而移位,錨栓被後者移動或破壞現象勢難避免,且鋼構工班與鋼筋綁紮工班易生糾紛;若鋼筋先行綁紮,常有鋼構工程之基礎錨栓等待基礎地梁鋼筋綁紮完成才要來安裝錨栓,發現鋼筋緊密的程度已無空間可供埋設錨栓,且鋼筋綁紮完成後,若所剩空間不足以安裝基礎錨栓,此時幾乎無法移動鋼筋挪出空間供錨栓埋設,尤其是位於正交梁交會區之錨栓,有二向之梁鋼筋交會,還有垂直向之柱筋夾在梁鋼筋間,已綁紮完成之鋼筋幾乎完全無法挪動,在無計可施之情況下只好切除部分鋼筋,或燒彎鋼筋,或燒彎錨栓,或切除錨栓彎鉤,或去除基礎錨栓固端之螺帽或端板,才能勉強將基礎錨栓塞入鋼筋籠內。但此種情況下安裝完成之錨栓,常無法符合設計受力之需求。

為免鋼筋組立完成後錨栓無法埋設就位,或無法符合設計需求,筆者認為須預先繪製施工圖,確認有足夠的空間可供埋設錨栓。若發現錨栓與鋼筋衝突時,必須事先請設計或監造人員指示解決方式,並配合鋼筋綁紮作業之進度同時配合進行,才能圓滿達成基礎錨栓埋設作業。錨栓埋設於混凝土基座內時,另外一個重點是在澆灌混凝土之前,須避免以電銲方式直接銲於鋼筋籠上固定錨栓,以免因所用錨栓之材質銲接性及銲工技術欠佳而產生脆化現象。曾有發生高強度材質之錨栓,在施工安裝錨栓時,以點銲固定於鋼筋籠上,待施工完進行基礎錨栓鎖固作業時,發生錨栓應力集中現象而斷裂的情形。

(一)錨栓埋設時應注意事項

1.埋設前應先核對錨栓之規格尺寸,並去除表面之浮銹、油脂、其他污物,以免影響與混凝土之黏結性。

2.於混凝土澆置前,檢查其埋設之正確精度、方向高程、垂直度及錨栓應露出之長度。若露出之長度太長(見照片1),此種情況並非較安全,相反的,有可能埋入長度不足而影響結構安全;突出長度不足(見照片2),則螺帽鎖固強度不足,亦會影響結構安全。

3.錨栓埋設完成後,應有適當之保護措施避免碰撞致歪斜,並以膠布及塑膠袋或其他適當物品包紮螺牙,以防螺牙附著混凝土或銹蝕,以及其他之損傷、碰撞、彎曲等。

4.澆置混凝土時,須注意澆置時之衝擊力量,不致使錨栓移位。若發現移位時,於未凝固前應立即隨時調整並維持其正確位置;上部結構吊裝前,須將樣板(TEMPLATE)拆除,並測量澆置後之錨栓位置。

5.混凝土澆置後,如發現超出容許範圍時,應與相關人員研商並採正確修正方法,以免基座板無法安裝。

(二)基礎錨栓埋設精度

錨栓應依施工圖說規定埋設,其與施工圖中之尺寸誤差不得超過下列容許值:

1. 固定同一構件之錨栓群中,任意一顆錨定螺栓中心與該群錨栓中心間之距離誤差不得大於±3 mm。

2. 二相鄰錨栓群中心間之距離誤差不得大於±6 mm。

3. 沿同一柱線之錨栓群中心間之距離累積誤差,每30公尺不得大於±6 mm,但其累積誤差總和不得大於±25 mm。

4. 任一錨栓群實際埋設後之中心與設計柱中心間之距離誤差不得大於±6 mm。

5. 錨栓頂之高程誤差不得大於+13 mm,但最少須凸出螺帽2牙。

6.與鄰柱中心對中心之相對偏差不得大於±25 mm。

7.柱基板下緣之高程差不得大於±5 mm。

1431-2-1

照片1 錨栓突出長度太長

 

1431-2-2

照片2 錨栓突出長度太短積水生鏽

三、錨栓埋設缺失類型

(一) 錨栓位置錯誤

當錨栓位置錯誤時,其修復方法端視錯位之距離、同一柱墩内僅須修復1根錨栓或整組錨栓及錨栓之強度等級錯誤等均需修復而定。如果錨栓錯位係發生在柱基板或柱基座尚未製造前時,可考慮採用重新製作配合既有錨栓位置之錨栓孔配置型式的新基板,甚至不同的基板厚度。如果錨栓位置與鋼柱或加勁板衝突時(見照片3),須局部切割鋼柱翼板、腹板或加勁板,並另於其傍側另施作基板擴邊並增作補強加勁板。

若同一柱墩内僅1 根或2根錨栓位置發生錯誤,且基座或基板已製造完成,則最常用的方法為將已製造完成之基板錨栓孔依據錯位距離改為擴大孔或槽形孔,並將墊圈改為尺寸可跨過擴大孔或槽形孔之較厚墊板(圏),並將較厚墊板採全周塡角銲固定於基板上。若同一柱墩内所有錨栓位置均發生錯位,則須切除基板,配合錨栓錯位距離,及偏移基板位置,並重新檢核偏心基板的結構安全性,必要時於另側施作基板擴邊,以減緩偏心的影響。

對較小直徑之錨栓如果錯位距離達50 mm以上,可切除錨栓改用鑽孔植化學錨栓的方式,並檢核錨栓之混凝土拔出強度及拉破強度符合設計需求。若較大直徑之錨栓則採植化學錨栓的埋置深度不易達到錨栓原設計之強度需求時,須改鑽較深的孔,插入錨栓後灌注環氧樹脂砂漿,並檢核錨栓之混凝土拔出強度及拉破強度符合設計需求。

若因受限植化學錨栓的埋置深度不易達到錨栓原設計之強度需求時,亦可於緊鄰基板外圍增加化學錨栓數量,再以「L」形墊板夾頭(見圖1:Lindapter公司墊板夾頭型錄)鎖固基板外緣的方式來固定基板。

1431-2-3

照片3 基礎錨栓埋設位置不正確致螺帽無法鎖固

 

1431-2-4

圖1"Lindapter"公司L型墊板(夾頭)

不論是採鑽孔植化學錨栓或鑽較深的孔插入全牙螺桿錨栓後,灌注環氧樹脂砂漿方式,均不得鑽斷下方混凝土結構體内之既有鋼筋。修復計畫另須包含錨栓錯位偏心對混凝土墩柱及基礎的結構安全檢核。

(二)錨栓彎折或不垂直

錨栓安裝完成後桿身須保持垂直,若錨栓與鋼筋位置發生干擾衝突,而無法穿入樣板或定位,錨栓可能須彎折一角度,致基板錨栓孔無法穿入。錨栓亦可能會在設備安裝過程或被施工機具碰撞而彎折一角度。〔ASTM F1554允許冷彎或熱彎一90度或180度彎鉤做為錨定端。〕但在車牙部位彎折會是一個問題,須套入螺帽或内牙套筒保護螺牙後才可彎折。在此亦建議只有Grade 36等級才可現場彎折,且必要時打除局部混凝土使彎折角度限在1:6,且彎折點須有良好的混凝土圍束或彎折點附近(不宜超過上下各7cm範圍)須有偏折分力1.5倍之箍繫筋箍住。

直徑25mm以内之錨栓可採冷彎,直徑超過25mm可採650℃以内之熱彎,彎折時建議採用鋼筋彎折專用機具,彎折完成後須檢視不得有裂紋産生,若錨栓有拉力強度需求時,須經拉拔試驗合格方可使用。

(三)錨栓突出長度太長

錨栓突出長度太長時(照片1),有可能埋置深度不足,致錨栓無法發展全拉力強度,須檢核埋置深度是否足夠。當錨栓突出長度太長,可用填板或墊板來使螺帽可施展壓力至基板上。螺桿有必要預留額外的 75 mm 螺牙長度,以防錨栓突出長度太長時螺帽仍可向下旋緊。若因埋置深度不足,致錨栓無法發展全拉力強度,必要時可採用於緊鄰基板外圍增加化學錨栓數量,再以「L」形墊板夾頭鎖固基板外緣的方式來固定基板 (見圖1)。

(四)錨栓突出長度太短

錨栓突出長度太短若以銲接方式改善時,ASTM
F1554 Grade 36 為可銲鋼材, ASTM F1554 Grade 55 錨栓須有附加 S1(亦即限制碳當量之上限為 0.45%,以確保可銲性)條款,其他材質除經熱處理鋼材外,碳當量須符合下列條件:

1.合金或低合金鋼之碳當量CE

CE=C%+Mn%/6+Cu%/40+Ni%/20+Cr%/10-Mo%/50-V%/10 ≦0.45%

2.碳鋼之碳當量

CE=C%+Mn%/4 ≦0.45%

錨栓突出長度太短時可採下列方式改善:

1.採錨栓有效牙長檢核可用強度

突出長度太短(照片2),而該錨栓僅考慮鋼柱安裝過程之穩定用途時,若螺帽至少有半數螺牙鎖到螺桿上,則可依螺帽鎖至螺桿螺牙的牙數評估是否能承受吊裝過程中之穩定及安全性,惟須配合將螺桿長度不足而凹陷洞穴以防水材料塡塞以防螺桿頂部積水銹蝕。若螺帽未達半數螺牙鎖到螺桿上或錨栓剩餘可用強度不足時,則須以機械式續接器或對銲續接一小段車牙桿件來延伸突出長度達原設計需求。

2.以續接器延長

將突出長度太短之錨栓以機械式續接器續接一小段車牙桿件來延伸突出長度。此種做法須配合機械式續接器直徑來擴大基板上之錨栓孔,及使用配合機械式續接器直徑之超大孔墊板,此法可發展出錨栓全強度。參考標準機械式續接器尺寸,決定基板上開孔尺寸及填板厚度及墊板或墊圈厚度等。

3.增設錨栓補強

若採用增設錨栓補強,例如,在基板上新增鑽孔,對較小直徑之錨栓採鑽孔植化學錨栓;對較大直徑之錨栓則採鑽較深的孔,插入錨栓後灌注環氧樹脂砂漿等方式補強,惟埋置深度須能提供足夠之拔出強度及混凝土拉破強度,或與既有鋼筋間有足夠之錯位搭接長度。鑽孔時須注意不得鑽斷原結構之鋼筋。

4.採全滲透開槽對銲續接

採全滲透開槽對銲續接一小段車牙桿件來延伸突出長度。為方便對銲銲接,可設置銲接輔助平台(runout tab),銲接完成後輔助平台可視需要切除,錨栓亦可視需要磨圓。銲接細節可參考 AISC Design Guide 21, Welded Connections‒A Primer for Engineers (Miller, 2006)。AWS D1.4 亦有提供全滲透開槽對銲續接之細部詳圖。材質須先確定為可銲鋼材(亦即限制碳當量之上限為 45%)。

5.錨栓二側以續接板銲接續接

錨栓二側以續接板銲接續接一小段車牙桿件來延伸突出長度,此種工法須配合續接板厚度擴大基板上之錨栓孔,及使用配合續接板厚度之超大孔之填板及墊板,此法亦可發展出錨栓全強度。

6.錨栓突出長度不足以孔中堆疊銲並擴頭取代螺帽

錨栓突出長度不足以鎖緊螺帽,可於錨栓頂部以孔中堆疊銲並擴頭取代螺帽,惟錨栓材質須為可銲鋼材。

7.錨栓之突出長度頂面僅接近基板底面以孔中塞銲補強

錨栓之突出長度頂面僅接近基板底面時,可於錨栓孔中施作塞銲,補強達錨栓之全拉力強度,惟錨栓材質須為可銲鋼材。

8.在基板下方增設補強板以鎖固螺帽或銲接

在基板上原錨栓孔先擴孔至足以供螺帽鎖緊的尺寸,並於基板下方增設補強板並全周填角銲固定於基板,以使錨栓之突出長度足以提供螺帽鎖固,補強達錨栓之全拉力強度,惟基板材質須為可銲鋼材。且須防止積水銹蝕螺帽。

(五)錨栓配置誤轉 90°

非兩向對稱配置之錨栓群誤轉了 90°就很難修補,可將鋼柱之基板切除,並重新設計一片可容納利用既有錨栓及新增鑚孔灌環氧樹脂型補強錨栓的新做基板,惟埋置深度須能提供足夠之拔出強度及混凝土拉破強度,或與既有鋼筋間有足夠之錯位搭接長度。鑽孔時須注意不得鑽斷原結構之鋼筋,必要時尚須一併擴大混凝土柱墩或補強基礎。

(六)錨栓群整組錯位

若錨栓群整組錯位則須重新施作柱墩及埋設錨栓,並須檢討偏心彎矩對基礎的影響,必要時可採擴大基礎及增設地梁補強。

四、結語

依據現行「鋼結構建築物鋼結構施工規範」第10.1節(埋設鐵件)第2(5)條規定:「錨栓頂之高程......最少須凸出螺帽2牙」。一般工程實務上為以「突出螺帽以外0.5倍之螺帽厚度」為施作標凖。另依據RCSC [2] 2000對高強度螺栓安裝所需之長度定義為「經妥善安裝完成後之螺栓尾端應延伸至螺帽以外或至少與螺帽之外側面齊平」。

施工完成之錨栓頂面約與螺帽之外側面齊平,雖未能符合鋼結構施工規範之規定,但對結構安全之影響並不大。若結構柱基板之高程允許降低不足之牙螺數高度,亦為處理方式之一。

錨栓埋設缺失雖可採用本文建議之補強與修復方法處理,惟無論如何,錨栓埋設精度以混凝土澆灌前作事前校核測量才是上策。

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】

 



【版權重要說明】:本網站內容係由該著作權人或團體同意下轉載、或由該作者或會員自行創作上載發表之沒有違反著作權之圖稿內容,一切內容僅代表該個人意見,並非本網站之立場,本站不負任何法律責任;若讀者認為文章或評論有侵權不妥之處,請與聯絡我們,將儘速協同處理;同時未經本網站同意請勿任意轉載內容,我們也將保留一切法律追訴權利。