圓柱及樁之橫箍筋具標準彎鉤搭接長度建議

前言

現行『混凝土結構設計規範』[1]對於鋼筋混凝土圓形柱或基樁之箍筋，其搭接長度僅對採用螺箍筋時有作規定，對於採用一般橫箍筋時，其搭接長度究應採用多少長度並無明確之規定，導致設計與施工者無所適從。在『混凝土結構設計規範』第13.9.4節(螺箍筋)中第13.9.4.5條規定：「螺箍筋之續接可用銲接或搭接，無塗布竹節鋼筋之搭接長度至少為48db，且不得小於30cm。」，但該條規定並未敘明該螺箍筋究為光面圓鋼筋或竹節鋼筋；亦未敘明該48db搭接長度是否適用於fyt＝4,200 kgf/cm2之高強度鋼筋，或可用於fc'＝210 kgf∕cm2之一般強度混凝土之情況。同時於第3.10.3條亦增列：「螺箍筋之降伏強度fyt 介於7,000 kgf/cm2≧fyt≧4,200 kgf/cm2時，不得採用48db搭接之方式續接；fyt≦4200 kgf/ cm2之箍筋可使用48db搭接，但同樣未敍明適用於何種強度之混凝土材料。

以上規定之箍筋搭接長度均遠低於一般竹節鋼筋所需搭接長度之規定，更何況當柱主筋保護層受壓而爆裂或剝落後，箍筋僅柱核心單側有混凝土握褢，其搭接長度可能還須倍增才夠。因此，該等條文對結構安全幾無可信賴性，而唯一明確顯示的是「鋼筋混凝土圓形柱之箍筋可以搭接」。至於搭接長度應多長才安全、合理?又，是否須考慮箍筋外側之混凝土保護層因不受箍筋的圍束而剝落後之影響？則有待進一步探討。筆者嘗試從『混凝土結構設計規範』之既有條文中，整理歸納出可依循的方向，供工程師設計參考，也希望建築主管機關及學術單位能儘速進行相關實驗，提供一套可靠安全之箍筋搭接長度供設計者遵循，以維公共安全。

箍筋之力學模式

當柱承受較大之軸力時，受壓構材所配置之橫箍筋，其功能就如同一鋼桶內裝滿了砂，當砂承受荷重時，砂的側向壓力作用於桶壁使其產生被動環向張力[3、4]，隨著荷重之增加，環向張力增至極大，最後鋼桶發生爆開現象。鋼桶的圍束作用就如同箍筋的功能，當受箍筋圍束之鋼筋混凝土柱達到破壞載重時，箍筋會防止柱核心內之混凝土向外擠壓破壞，但箍筋外側之混凝土保護層會因不受箍筋的圍束而剝落。混凝土結構設計規範第3.10.3節式(3-8)螺箍筋之體積比

所規定之箍筋量，其強度以彌補或略超過混凝土保護層剝落時之強度損失為目標，以延緩混凝土柱發生壓碎現象，使破壞現象呈緩慢而具有延展性[5]。故圍束箍筋之配置並沒有增加柱構材之極限荷重能力。但當箍筋外側之混凝土保護層因不受箍筋的圍束而剝落時，橫箍筋是否仍然可以保有發揮箍筋達全應力之搭接效果，則存有疑慮。

一般工地之施工方式

一般工地施工也因無可適用的規範而任由設計者或施工者自由發揮，照片1所示之箍筋搭接方式為目前工地普遍採用之續接方式，其搭接長度僅約25倍db，另外，再加上頭、尾有為了保持圓箍筋形狀的二處任意點銲。此種箍筋續接方式不但搭接之長度明顯不足，且任意點銲之強度不明確，且勁度與搭接之滑移量不一致而無法併用；搭接效果更無法符合耐震需求，已嚴重影響結構安全，因此現行規範應盡速修訂，主管機關若不予以重視，恐會造成工程災害。

箍筋在直線段續接 是否可比照轉角續接方式疑義探討

常見有技師朋友在爭論方柱或圓柱橫箍筋在任何位置之續接，是否可比照方柱閉合橫箍筋在轉角處，以135o彎鉤鉤住同一柱角落主筋的續接方式，不作直線段續接而僅在圓弧段或直線段，以90o彎鉤鉤住同一柱主筋續接？此點筆者認為其效果不明確，其理由如下：

1. 抗拉鋼筋之錨定除其端部須有錨定彎鉤外，亦須有足夠之直線延伸段Ldh 。

2. 閉合方箍在轉角處鉤住同一柱主筋(作為錨定筋)以取代直線延伸段Ldh的續接方式，為不得已之權宜措施。『混凝土結構設計規範』[1]第5.14.2.1對梁箍筋規定：「鋼筋為D16及麻面鋼線直徑為16 mm，或較小者，以及鋼筋為D19、D22及D25且其規定降伏應力fyt不大於2,800 kgf/cm2者，應以標準彎鉤緊繞於縱向鋼筋上」；第5.14.2.1規定：「鋼筋為D19、D22及D25且其規定降伏應力fyt大於2,800 kgf/cm2者，應以標準彎鉤緊繞於縱向鋼筋上，且自構材深度中線至彎鉤外緣間之埋置長度不得小於」，其中= 混凝土單位重之修正因數。惟若比照用於柱箍筋之情況，實務上彎鉤難以做到緊密鉤住柱主筋，致其錨定效果並不明確，尤其是D19以上之SD4200箍筋更難以發揮全應力。

3. ACI 318-11第7.10.5.4節有增列：「若主鋼筋為一圓形排列且位於圓周上，則可使用全圓形橫箍筋；全圓形橫箍筋二端須有15cm以上之重疊，且端部須為標準彎鉤並固定於一主鋼筋上。相鄰全圓形橫箍筋之端部重疊部份於圓周上之位置則應錯開」。其「全圓形橫箍筋二端須有15cm以上之重疊」之理由為：「相鄰全圓形橫箍筋之端部重疊部份若錨定於單一主鋼筋上時，可能造成垂直劈裂及橫箍筋之束制喪失。因此，相鄰全圓形橫箍筋之彎鉤錨定位置，不應於同一根主鋼筋上」。因此，其原意仍為鉤住同一柱主筋。但由實驗室柱試體抗壓試驗之結果證實絕大多數之箍筋破壞模式均為橫箍筋之接頭彎鉤脫開，箍筋之彎鉤脫開見照片二及三。其中，不論是方柱或圓柱，橫箍筋之接頭位置均有隔箍錯開，可見橫箍筋之接頭弱點已有一部分力量經由錯位搭接方式轉移至上、下之鄰箍，但仍然會發生因箍筋之接頭彎鉤脫開之現象，可見前述ACI 318-11第7.10.5.4節所之規定，並不能使箍筋發展全應力，且其安全性存有很大疑義。

4. 通常圓橫箍筋不易彎紮成形，會先以點銲固定，鋼筋綁紮時彎鉤無法正確鉤住柱主筋，一般至少有一端會留有間隙。

箍筋合理搭接長度探討

『混凝土結構設計規範』第13.9.4.5條「螺箍筋之搭接長度至少為48db，且不得小於30cm」之規定，因未敘明該螺箍筋是否適用於fy＝4,200 kgf∕cm2之高強度鋼筋，或fc'＝210 kgf∕cm2之一般強度混凝土。縱使該條文僅適用於一般非耐震要求之螺箍筋，但台灣位於地震帶，其韌性需求應更高。另外，螺箍筋雖圍束效果較橫箍筋佳，但螺箍筋之靜不定贅餘度甚低，只要一處螺箍筋斷裂，即會產生連鎖性之整體鬆脫破壞。此種破壞模式在1994年元月美國南加州洛杉磯西北方之北嶺地區所發生之規模6.6地震[5]，及1995年元月日本淡路島北端明石海峽附近所發生之規模7.2地震中，圓形橋柱螺箍筋損害案例非常多。

一、規範搭接長度探討

一般鋼筋之搭接長度之計算，若依『混凝土結構設計規範』第5.3節(受拉竹節鋼筋之伸展)及第5.16節(受拉竹節鋼筋之續接)之規定，考量鋼筋之最小淨保護層厚不小於db，且鋼筋最小淨間距不小於2db，依其計算流程如下[1]。

1、基本伸展長度([1]第5.3.2節)，

(1) D19鋼筋或較小之鋼筋

(2) D22鋼筋或較大之鋼筋

其中，

 = 混凝土單位重之修正因數。

 伸展長度之鋼筋位置修正因數。

 伸展長度之鋼筋塗布修正因數。

fc¢ = 混凝土規定抗壓強度；kgf/cm2。

fy = 鋼筋之規定降伏強度；kgf/cm2。

db = 鋼筋、鋼線或預力鋼絞線之標稱直徑；cm。

2、 頂層鋼筋修正因素([1]第5.3.3節)

頂層鋼筋......取α＝1.3

3、 箍筋朿制情況

考量柱保護層剝落後箍筋外側外露(cb=鋼筋或鋼線中心至最近混凝土表面之距離＝0)......折減因素＝2.0。

4、乙級搭接因數＝1.3 ([1]第5.16.1節) 。

5、最小搭接長度＝30公分 ([1]第5.3.1節) 。

依據以上原則計得之搭接長度，以#5鋼筋(fy＝4200 kgf∕cm2；fc'＝280 kgf∕cm2)為例，考量柱筋保護層未剝落之情況，其搭接長度長達 Ld＝102 cm。

此搭接長度已達102cm(約為64db)；若考量柱筋保護層已剝落鋼筋外側外露，其搭接效果未能完全發揮，則搭接長度以折減因素＝2.0，則還會更長。雖然此搭接長度更為合理且有明確的規範條文依據，但搭接長度實在太長，二者均遠大於48db，在工程實務上幾乎不可行。

二、圓柱橫箍筋之合理搭接長度探討

由前述探討顯示箍筋之直線搭接效果，受到搭接範圍的束制情況有很大之關係，因此，若於「搭接段之末端以90o標準彎鉤向柱核心內部彎入錨定」，則因標準彎鉤係向核心內部彎入，彎鉤受力時不易產生末端展開而鬆脫之現象，其錨定效果明確；且向內彎入之標準彎鉤在柱軸壓力作用下，其錨定效果更佳。因此，以標準彎鉤向柱核心內部彎入錨定之效果，可消除柱保護層剝落後對柱箍筋搭接效果之部份疑慮。但當柱之混凝土保護層剝落後，箍筋之直線搭接段Ldh之長度應如何決定也是另人頭痛的問題。

受拉竹節鋼筋之直線伸展長度，應可採「具標準彎鉤受拉竹節鋼筋之伸展長度」取代，惟現行『混凝土結構設計規範』並未規定。吾人若已於搭接段之末端以標準彎鉤向柱核心內部彎入錨定，則依『結構混凝土設計規範』第5.6節(受拉竹節鋼筋標準彎鉤之伸展)之解說：「...具標準彎鉤之受拉竹節鋼筋伸展長度之修正因數...和直線鋼筋不同之處是彎鉤之伸展長度無所謂頂層鋼筋之效應，而彎鉤也不易使用頂層鋼筋之定義去辨別」。依該等規定可知，吾人僅須針對Ldb的直線長度部份之束制條件作因數修正即可。經比照『混凝土結構設計規範』第5.16節對受拉竹節鋼筋之續接之修正因素規定，及第5.6節對具標準彎鉤受拉竹節鋼筋之伸展長度之修正因素規定，來修正伸展長度Ldh，其計算流程如下。

1、基本伸展長度([1]第5.6.2節)

但是 Ldh不得小於 8 db 或 15 cm。

2、保護層([1]第5.6.3節)

符合D36以下鋼筋其側面(垂直彎鉤平面)保護層≧6.5cm，且90o彎鉤直線延長段之保護層≧5cm。修正因數 = 0.7。

3、 頂層鋼筋修正因素([1]第5.3.3節)

頂層鋼筋α＝1.0(依5.6條解說「彎鉤之伸展長度無所謂頂層鋼筋之效應」)

4、箍筋朿制情況

考量柱保護層剝落後箍筋外側外露(cb=鋼筋或鋼線中心至最近混凝土表面之距離＝0)折減因素＝2.0。

5、甲級搭接因數＝1.0，([1]第5.16.1節)。

乙級搭接因數＝1.3，([1]第5.16.1節)。

考慮混凝土保護層已剝落，另考量相鄰箍筋之搭接位置均錯開及箍筋之搭接段在軸壓力作用下搭接效果較佳，故比照甲級搭接：

由此理念計得之Ldh之長度，不但更為合理適中，且有規範條文依據，在施工實務上亦較為合理、可行。圓柱橫箍筋具標準彎鉤之搭接長度依上述原則計算彙整如表1及圖1所示。

註：1.圓形橫箍筋搭接長度至少為Ldt，兩端並以90o標準彎鉤錨定於柱內，且應儘可能鉤住柱主筋。

2.上、下箍筋之搭接位置應錯開；繫筋之彎鉤應鉤住柱主筋或箍筋。
3.D：柱直徑。 

結論

本探討所得之圓柱橫箍筋具標準彎鉤之搭接長度(見表1)長度適中，應可為工程實務所接受，且若配合上、下箍筋之搭接位置錯開以及以具耐震彎鉤之繫筋作輔助，其靜不定贅餘度比螺箍筋高很多，研判結構安全性及可靠性均應已高於『混凝土結構設計規範』第13.9.4節(螺箍筋)中第13.9.4.5條所規定之「螺箍筋之續接可用銲接或搭接，搭接長度至少為48db」。惟由於橫箍搭接長度牽涉之因素實在太多，且力學平衡模式又複雜，已非計算方式及工程經驗判斷可以確定其安全性，因此，本研討成果實務上當柱箍筋外側混凝土保護層，因不受箍筋的圍束而剝落時，橫箍筋是否仍然可以保有發揮箍筋全應力之搭接效果，有待進一步實驗證明。

箍筋綁紮若配合上、下箍筋之搭接位置錯開，以及增設「具耐震彎鉤之"＃或＋"字形繫筋」作輔助，其靜不定贅餘度可遠比螺箍筋高很多，結構安全性應已遠高於『混凝土結構設計規範』第13.9.4節(螺箍筋)中第13.9.4.5條所規定之「螺箍筋之......搭接長度至少為48db」之規定。

圓柱橫箍筋採用銲接方式續接，為目前最為安全可靠的施工法，依『混凝土結構設計規範』對於鋼筋混凝土圓形柱或基樁之箍筋的續接依第13.9.4.5條規定：「螺箍筋之續接可用銲接...」，故若採用可銲鋼筋(SDXXXW級)，並以可發展達箍筋全應力之銲道續接，其接合效果不但明確，且不受混凝土保護層剝落後之影響。再者，箍筋綁紮時，其接合位置為符合上、下層箍筋須錯間之規定時，可任意旋轉，而不會有受標準彎鉤卡住柱主筋而無法轉動之問題，施工更為方便，惟其造價略高。若其接頭採用電阻壓銲對接之方式，亦為可行，惟須有專用之銲接設備。

本研討成果除提供設計者參考外，亦突顯解決橫箍筋續接問題的迫切性，目前「台灣世曦工程顧問股份有限公司」位於楊梅之材料試驗室6,000噸萬能試驗機及「內政部建築研究所」的3,000噸萬能試驗機的裝置完成，相信很快即可得到更正確的答案，惟實驗模型建議應以單箍或多箍且接頭在同一位置不錯開之模式進行，才能確認接頭彎鉤及整組箍筋之有效性。目前大量混凝土房屋結構正在興建中，若不盡速完成一系列大尺寸混凝土橫箍結構圓柱之實驗(尤其是一公尺以上)，萬一最後試驗結果證實現行規範以48db為不安全之綁紮方式，其後果將不堪設想。建請建築主管機關及學術單位儘速進行相關研究，期望在最短的時間內能有更明確研究成果呈現，以供制訂設計規範及設計參考。

【參考資料】
[1]內政部 （2002）。"結構混凝土設計規範"。內政部91.6.27台內營字第0910084633號頒佈。
[2]中國土木水利工程學會（土木401-96）（2007）。"混凝土工程設計規範"。
[3]張志超 (2002) 。"鋼筋混凝土學精要"。九樺出版社。
[4]George　Winter，Arthur　H.Nilson （1973）. "Design　of　Concrete　Structures".
[5]國家地震工程研究中心 (2005) 。"1994年元月17日美國洛杉磯北嶺地震震災訪查報告書"。 NCREE-94-001。
[6]曹昌盛（2006）。"日本高層預鑄建築"。投影片，潤泰集團。
[7]李台光（2000）。"大尺寸鋼筋混凝土圓柱軸壓行為之分析研究"。內政部建築研究所。

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