從台南維冠金龍大樓倒塌 談「單跨RC構架」之設計與施工

一、前言

2016年2月6日清晨3點57分,南台灣高雄美濃發生芮氏規模6.4強震,地震深度16.7公里,全台都有感,南台灣也陸續傳出災情,其中雲林縣草嶺震度6級為最大,台南市為5級。台南市區災情最為慘重,可能是地盤共振效應,造成台南有多處大樓倒塌,據台南市應變中心資料彙整,總計約有16件建築物倒塌,造成多人死傷、數百人無家可歸。位於台南市永康區永大路的維冠金龍大樓,倒塌災情最為慘重,整棟呈90度轉折,橫躺在永大路二段上(見圖1及2)。

新聞媒體報導多方專家、學者,提出倒塌原因的初步看法,其中主要觀點有:1、結構系統不佳「高寬比」偏大,穩定性欠佳;2、柱箍筋閉合接頭及繫筋端部為90度彎鉤,及梁柱接頭區之箍筋間距較設計圖所標示者為大;3、一樓挑高及柱鋼筋量較少;4、單跨構架結構系統不佳,梁柱接頭鋼筋過密,可能因而影響施工品質;5、續接器品質不良又在同一斷面全數續接,造成柱主筋續接處脫牙現象;6、土壤液化;7、工址曾為鯽魚大湖,地質偏軟;8、沙拉油桶埋入結構梁、柱構材;9、柱之實際斷面尺寸比原設計圖為小;10、大樓1至3樓隔間牆有被打掉,供作為賣場使用等情事。其中「單跨構架結構系統不佳」乙項,對結構耐震行為到底有何不良影響,卻未見有進一步的說明。筆者於大年初一,趁倒塌大樓尚未拆除搶救受難人之前,赴現場了解建築物結構破壤模式,探討倒塌原因,並於技師報第1003期,提出倒塌原因初步探討,供工程界記取慘痛教訓,不要再重踏覆轍,亦可提供鑑定單位參考。

現行「混凝土結構設計規範」,有關梁柱接頭區內,梁主筋之伸展與錨定之規定,甚為糢糊不清。施工廠商甚至為了使工地施工快速,常會有對梁柱接頭區內之梁主筋之長度,或標準彎鉤之伸展長度,故意縮減之情形(見圖3)。筆者亦曾參與一些鋼筋混凝土結構配筋準則,或設計標準圖的制定,在討論的過程中,亦發現甚多資深執業技師或專家學者,對梁柱接頭區的力學行為,仍不甚清楚,而會有一些對結構安全造成疑慮的看法,令人甚為耽憂。例如有委員認為,具標準彎鉤中直線延伸段,只要有1008-7-1,已足夠符合錨定需求;亦有認為只要標準彎鉤,通過柱中心線,即可符合錨定需求;亦有認為只要標準彎鉤,通過柱圍束核心的四分之三,即可符合錨定需求。當然梁主筋能依現行規範之規定,越伸入柱核心內越遠端,其錨定效果越佳,是不可否認的事實,但到底是否有其必要,卻甚少有人深入探討。本文再就台南維冠金龍大樓,「單跨構架結構系統」(見圖4)的耐震行為,提出探討,供工程師參考,不當之處,亦請不吝指正。

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 圖1 維冠金龍大樓倒塌 

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圖2 維冠金龍大樓倒塌,整棟橫躺在永大路二段上

1008-7-4 圖3 標準彎鉤未延伸至柱核心遠端之案例

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圖4 維冠金龍大樓平面示意圖[5]


二、混凝土結構設計規範之相關規定

「單跨構架」或「單柱搭梁構架」,在結構設計理念而言,也是被允許的,但其梁-柱接頭都是外柱接頭,其設計及施工品質,需特別予以監督,才能保有規範所預期的耐震性能。筆者長久以來,一直認為現行「混凝土結構設計規範」,對鋼筋混凝土梁柱構架之梁柱接頭區內,梁主筋之伸展與錨定需求之規定,有不足之處,但我國「混凝土結構設計規範」,係參考ACI-318設計規範制訂,ACI-318設計規範,僅對鋼筋之伸展提供規定,但對錨定需求,則幾乎沒有提到。ACI-318設計規範既未有明訂,國內「混凝土結構設計規範」,係參考ACI-318規範編訂,因此甚難有重大突破之變革,設計及施工人員,需深入了解,才不會背負無限的責任。

"混凝土結構設計規範"第5.6條(受拉鋼筋標準彎鉤之伸展),解說中敘明:抗拉彎鉤之破壞模式,通常為其鋼筋彎鉤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,須降低鋼筋彎鉤,在彎轉段內之拉應力,故對標準彎鉤之伸展長度1008-7-1作規定,1008-7-1為由臨界斷面起算,直至彎鉤之外側端之長度。而制定1008-7-1之目的,係期望透過在1008-7-1範圍內之握裹應力,逐漸降低臨界斷面處鋼筋之最大應力 fy,使得鋼筋彎鉤彎轉段內之鋼筋拉應力,降低至不足以發生,鋼筋彎鉤彎轉段內緣混凝土的擠碎之破壞情形。

換言之,1008-7-1也就是鋼筋彎鉤,在彎轉段內緣混凝土,不致產生擠碎破壞,所需之折減伸展長度。但筆者認為:規範未對鋼筋受拉拔出(見圖5),尤其是多根鋼筋成束或靠近,一起受拉拔出時,會有共用同一混凝土破壞錐的現象及解決方案加以說明。

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圖5 未排除鋼筋受拉拔出破壞時,適用混凝土結構用錨栓之規定[ACI 318-14]。

"ACI352(Recommendations for Design of Beam-Column Connections in Monolithic Reinforced Concrete Structures)"第4.5.2.5節:「......對於大部分之第一型 (無承受重大非彈性變形之非耐震結構接頭),及第二型 (承受反復載重會進入非彈性變形之耐震結構接頭)之外柱接頭,梁縱向鋼筋終止於柱內時,須使用標準彎鉤或擴頭鋼筋錨定。標準彎鉤或擴頭鋼筋之尾端,應延伸至柱圍束核心區之另一面(如圖6所示),以促使接頭區內發展形成對角受壓桿,此為接頭區內力學平衡之主要抵抗機制......」。

三、鋼筋「錨定」之力學行為

"混凝土結構設計規範"之相關規定及說明,並未提及鋼筋之伸展,只是鋼筋錨定行為中之一個基本條件而已,其影響範圍內之混凝土拉破強度,是否可大於鋼筋斷面積之拉力強度?又一根鋼筋之伸展,與多根鋼筋成束或靠近,同時受拉之伸展,是否可達到同鋼筋強度的錨定效果等等作規定或說明。

蓋鋼筋之錨定,除須滿足(1)、混凝土對單一鋼筋的握裹強度(亦即伸展長度)是否足夠;(2)、混凝土圓錐狀破壞錐拔出之破壞模式,尤其是多根鋼筋之間距太近,或距離混凝土結構物之外緣太近時,應力破壞錐重疊,或應力破壞錐之形狀不完整之情形,是否會導致應力錐有效投影面積,不足以抵抗多根鋼筋之總拉力的現象。

若混凝土應力破壞錐之強度,不足以達到鋼筋斷面積之拉力強度,此時鋼筋在梁柱接頭區內之錨定行為,便須藉標準彎鉤延伸至圍束核心之遠端,才能鉤住接頭區內之對角向受壓桿(見圖6),並藉桁架模式(Strut-and-Tie Models)行為來平衡,才能抵抗多根鋼筋(鋼筋群)之總拉拔力。

當埋置深度不足,就無法產生完整之桁架平衡模式,圖7所示為梁主筋90度標準彎鉤,各種延伸長度試驗,所得接頭剪力強度與設計規範規定值之比例值,其中90度標準彎鉤,延伸長度為四分之三深度時,12個試體中僅1個試體之試驗強度,大於設計規範規定值,另由圖7a之桁架平衡模式觀之,柱尺寸越大,標準彎鉤外緣,距離柱圍束核心之遠端之尺寸越大,推估接頭剪力強度,越不易達設計規範規定值。

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圖6 接頭區桁架行為平衡模式,藉由保持等於
或大於d/1.5之錨定長度,以避免接頭拉破破壞 

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圖7 梁主筋90度彎鉤延伸長度不足之影響[黃世建] 

 

 


另外,規範要求梁柱接頭內之梁主筋,必須延伸到鄰跨或柱圍束核心區之另一面,設置標準彎鉤錨定,此係為確保多根錨定入梁柱接頭區之梁主筋可形成完整之桁架模式,才能達到充分之錨定效果,及接頭剪力強度才可適用規範提供之接頭剪力檢核公式。

從「ACI-ASCE Committee 352R-02」"ACI 352 (Recommendations for Design of Beam-Column Connections in Monolithic Reinforced Concrete Structures)",第4.5.2.5之規定,亦可明瞭標準彎鉤須延伸至柱圍束核心區之另一面錨定之用意(見圖8)。

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圖8 鋼筋標準彎鉤須延伸至柱心遠端,錨定長度須大於 [ACI 352]

四、規範及「鋼筋混凝土結構標準圖」修正建議

綜上探討規定顯示,任何未達理想圍束核心遠端之錨定方式,均會對梁柱接頭效率折減。梁主筋在梁柱接頭區錨定不足,梁主筋可能會產生拉拔破壞,致梁端無法形成塑鉸,繼而影響整體構架之耐震能力甚鉅。尤其是全部為「單跨構架」或「單柱搭梁構架」之建築物,全部梁柱接頭均為位於外柱之梁柱接頭,若全部梁端均因梁主筋錨定不良而無法形成塑鉸,則整體構架之韌性行為便無法發揮。「單跨構架」或「單柱搭梁構架」,若因梁柱接頭之韌性行為無法發揮,而致結構物整體構架之韌性設計的觀念功虧一簣,甚為可惜。因此建議設計規範建議修正如下:

第15.6.5.1條:「D10至D36之90°標準彎鉤鋼筋,其1008-7-1伸展長度之規定如下:

1008-7-11  (15-6)

(1)常重混凝土:1008-7-1不得小於8db、15 cm及式(15-6)之規定。
(2)輕質混凝土:1008-7-1為(15-6)式之1.25倍。

 

受拉鋼筋之90゜標準彎鉤,應延伸至柱圍束核心區之另一面。」。

至於「鋼筋混凝土結構標準圖」,亦建議比照圖8之方式,將『柱箍筋與標準彎鉤尾端間之最大淨間距為50mm』標示清楚。

五、結論

鋼筋混凝土梁柱構架,梁柱接頭區,甚多執業技師認為:『不論是直線伸展或具標準彎鉤之伸展,其錨定需求只要有符合伸展長度,即已足夠符合錨定需求;亦有認為只要標準彎鉤通過柱中心線,即可符合錨定需求;亦有認為只要標準彎鉤通過柱圍束核心的四分之三,即可符合錨定需求,此些論點均不符相關規範之規定,亦無法提出合理之力學依據。

依據ACI 352 (Recommendations for Design of Beam-Column Connections in Monolithic Reinforced Concrete Structures)",第4.5.2.5之規定:對於大部分之第一型 (無承受重大非彈性變形之非耐震結構接頭),及第二型 (承受反復載重會進入非彈性變形之耐震結構接頭)之外柱接頭,梁縱向鋼筋終止於柱內時,須使用標準彎鉤或擴頭鋼筋錨定。標準彎鉤或擴頭鋼筋之尾端,應延伸至柱圍束核心區之另一面(如圖8所示),以促使接頭區內發展形成對角受壓桿,此為接頭區內力學平衡之主要機制。由ACI 352第4.5.2.5之規定,即可明瞭標準彎鉤,須延伸至柱圍束核心區之另一面錨定之用意。

梁主筋任何未達理想圍束核心遠端之錨定方式,均會對梁柱接頭效率折減。梁主筋在梁柱接頭區錨定不足,梁端之塑鉸形成前,先發生「混凝土破壞錐拉破之破壞模式」而致錨定失敗,梁端塑鉸就無法形成(見圖1),而影響建築物結構體之耐震能力甚鉅。維冠金龍大樓為了一樓使用空間及地下室停車方便,整棟全為採「單跨構架」或「單柱搭梁構架」之建築物,尤其是樓梯間旁之扁柱(見圖3),錨定深度不易達到規範之規定,整體韌性行為無法發揮,此恐為造成倒塌之另一因素。因此建議設計規範及鋼筋混凝土結構標準圖,均應明白註明:「標準彎鉤須延伸至柱圍束核心區之另一面錨定,且柱箍筋與標準彎鉤尾端間之最大淨間距為50mm」,不要有糢糊之處而致工程師產生誤解。【參考資料】

[1]ACI-ASCE,Committee 352 (2002)."Recommendations for Design of Beam-Column Connections inMonolithic Reinforced Concrete Structures"。

[2]內政部(2011)。"混凝土結構設計規範"2011年6月9日台內營字第1000801914號令修正。

[3]ACI-318,Committee 318(2014)."Building Code Requirements forStructural Concrete"。

[4]黃世建( 2010)。"國內鋼筋配置常見之瑕疵與改善對策"。

[5]黃武龍 ( 2016)。"由維冠倒塌模式探討結構系統"。

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