再談『鋼筋混凝土柱之箍、繫筋綁紮方式安全性探討』

【摘要】

由內政部建築研究所(2008) [3]進行一系列75×75 cm，高寬比3之混凝土結構柱之抗壓實驗，試驗結果證實以繫筋二端之彎鉤鉤住箍筋之綁紮方式，較鉤住柱主筋之韌性比例平均可高出22 %。內政部建築研究所(2011) [6] 針對六組大尺寸鋼筋混凝土方形短柱進行一系列研究，以軸壓試驗的方式，驗證其繫筋的圍束效果，各組試體主要的參數為繫筋的彎鉤鉤住位置、繫筋的型式及繫筋90度彎鉤與縱向鋼筋的間隙。由試驗結果得知，將繫筋彎鉤同時鉤住於箍筋及縱向鋼筋的效果，較僅鉤住於縱向鋼筋，所得之韌性比例高出26%，但是在施作上會較為困難，及有保護層較小的問題。

前言

筆者曾於技師報第412期撰文討論混凝土結構設計規範對於柱繫筋二端之彎鉤鉤住橫箍筋，比鉤住縱向柱主筋之綁紮方式，可得較佳之圍束效果的看法，嗣後從內政部建築研究所李台光博士「繫筋細部對大尺寸鋼筋混凝土柱行為影響之研究」(2008)，及台大張國鎮教授對中尺寸之柱(60cm×60cm)的研究成果顯示，將柱繫筋鉤住柱橫箍筋，承受軸壓力之應力-應變曲線，均較鉤住縱向柱主筋之綁紮方式為佳。最近從內政部建築研究所李台光研究員、國立臺灣科技大學營建工程系陳正誠教授及南亞技術學院建築系華根副教授所提出之「大型鋼筋混凝土方形柱軸壓行為之探討」一文，亦指出將傳統的繫筋型式，繫筋二端之彎鉤同時鉤住於箍筋及縱向鋼筋交點的效果，較僅鉤住於縱向柱主鋼筋為佳。由上述研究案顯示，只要柱之繫筋二端之彎鉤有鉤住箍筋，其抗壓之韌性比例平均可高出約25%。

柱橫箍筋之力學行為

柱構材在房屋結構系統中扮演極為重要之角色，除須承載結構體之軸向載重外，亦須負責承受各種水平剪力及彎矩；且若柱構材發生承壓失敗，將使人員在地震發生時逃生之機率大為降低，故柱構材中橫向鋼筋之綁紮方式是否能確實發揮圍束效果，對結構體之安全性及穩定性影響至鉅。現行規範柱繫筋二端之彎鉤，僅鉤住縱向柱主筋之綁紮方式，所存疑之安全疑點說明如下。

(1)因為規範所規定之柱橫向箍筋量，其強度僅夠彌補混凝土保護層剝落時之強度損失，其橫向箍筋量之計算式原本就未計入由於縱向主鋼筋受軸壓及側壓所產生之向外挫屈力，縱向主筋向外挫屈力會導致箍筋或繫筋承受額外之張力。

(2)縱向柱主筋承受柱核心混凝土向外爆開力量，會增加縱向主筋產生向外挫屈之可能性。

(3)因為規範規定柱主筋隔根才提供側撐即可，但因箍筋在4個角落轉角處間之全段橫箍筋均無繫筋提供側撐，此項規定對較大尺寸之柱或扁柱之長邊，當混凝土保護層受壓爆開後，柱主筋中無繫筋提供橫向支撐者，其從柱頂至柱底全段均幾乎無側撐，此種現象將造成幾近半數之柱主筋，其無支撐長度太長，因此會產生提前挫屈而降低承受軸壓力之能力，尤其是柱主筋搭接段將因失去圍束而致搭接握裹失效，此種情況尤其是當柱之橫向尺度較大，且混凝土保護層剝落後之情形更為嚴重。

(4)依「結構混凝土設計規範」第7.4.6節規定「牆之垂直鋼筋……未作抗壓鋼筋用者，則無需以橫箍筋圍封」。準此規定，未受繫筋隔根鉤住之主筋不得作為抗壓鋼筋用途。

根據Moehle[8]的研究，當繫筋鉤住於箍筋且同時緊靠縱向鋼筋時，如圖1所示，可能會造成箍筋的斷裂。若傳統的繫筋同時鉤住箍筋及縱向鋼筋時，Moehle所提出箍筋斷裂的情形可能會減少，且可較傳統繫筋僅鉤住縱向鋼筋的圍束效應更佳。

圖1 繫筋鉤住箍筋上且同時緊靠縱向鋼筋

由台大張國鎮教授對中尺寸之柱，依現行規範之規定所綁紮鋼筋之「繫筋鉤住柱主筋之橫箍鋼筋混凝土柱受軸壓之應力-應變曲線」，由試驗結果顯示當載重達極限強度時，其後續強度呈急速下降之低韌性行為。在工程實務上，柱尚有承載軸向載重，當載重達極限強度時，其後續破壞現象將會比試驗室之破壞行為更為快速、嚴重。此種韌性較低之現象將導致使用者失去逃生之時機，與耐震設計規範「小震不壞，中震可修，大震不倒」之基本精神不符合。

繫筋彎鉤同時鉤住箍筋及縱向鋼筋之研究成果

將傳統的繫筋型式，繫筋二端之彎鉤同時鉤住於箍筋及縱向鋼筋交點的效果(即照片1之MH1試體，在彎鉤與箍筋間難免會有間隙，然而在兩端的間隙，都控制在5 mm之內)，較僅鉤住於縱向柱主鋼筋(即照片2之M1試體，其繫筋很精確地製作及施工，使得彎鉤與縱向鋼筋之間的間隙，達到可以忽略的程度)，所得之韌性比例仍可高出26%。另從試驗後試體的上方與下方區段可觀察到部份混凝土的剝落，但是沒有發現鋼筋產生挫屈的現象(MH1試體見照片1)。相較於現行「混凝土結構設計規範」將傳統的繫筋型式鉤住柱主筋的綁紮方式，有一半的柱主筋發生明顯的挫屈現象(M1試體見照片2及3)。試體的曲線見圖2。

照片1：(MH1試體)繫筋二端之彎鉤同時鉤住
於箍筋及縱向鋼筋交點試體破壞的情形

 
照片2：(M1試體)繫筋鉤住柱縱向鋼筋試體
破壞的情形

照片3：(M1試體)繫筋鉤住柱縱向
鋼筋試體破壞的情形

(a)為鉤住柱主筋。(b)為鉤住柱主筋與箍筋交點。
圖2：試體的曲線

表1：試驗結果

現行規範規定，以繫筋二端之彎鉤，未鉤住橫箍筋，而僅鉤住縱向柱主筋之綁紮方式，所存在之爭議隨著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多且更正確的答案。惟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結構柱之實驗(尤其是一公尺以上方柱及扁柱之長邊)，萬一最後試驗結果證實現行規範以繫筋二端之彎鉤，鉤住縱向柱主筋之綁紮方式確為不理想之作法，其後果堪憂。

結論與建議

柱構材內不同組裝方式之橫向繫筋的性能，根據試驗的結果，可得以下結論。

【參考文獻】

張國鎮、尹衍樑、王瑞禎、王柄雄 (2005)。螺旋箍筋於矩形柱應用之試驗研究。中國工程師學會，78（3），101-124，台北。

王柄雄(2004)。新矩形混凝土柱圍束型式之研究。碩士論文，國立台灣大學土木工程研究所，台北。

繫筋細部對大尺寸鋼筋混凝土柱行為影響之研究期末報告(2008)。內政部建築研究所 。

蔡益超（1995）。柱箍筋設計Q&A，10（1），123。

結構混凝土設計規範(2002)。內政部91年6月27日台內營字第0910084633號頒佈。

大型鋼筋混凝土方形柱軸壓行為之探討(2011)。內政部建築研究所。

ACI (1988).Building Code　Requirements　for　Reinforced　Concrete　and　Commentary,318-77.

Moehle, J. P., and Cavanagh, T., (1985).Confinement Effectiveness of Crossties in R/C"Journal of the Structural Division, ASCE, 111（10）, 2105-2120

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