高軸力比柱所有外圍縱向鋼筋均需以箍、繫筋鉤住

一、前言
筆者曾撰文對現行“混凝土結構設計規範”，關於繫筋二端之彎鉤隔根鉤住柱縱向鋼筋之作法，其圍束效果，相較於將繫筋鉤住橫箍筋之綁紮方式，較為不佳的看法，提出討論。近期國內外對鋼筋混凝土柱之抗壓試驗相關研究文獻資料均指出，繫筋二端之彎鉤，隔根鉤住箍筋之作法，較隔根鉤住柱縱向鋼筋之作法，其韌性行為較佳[1、2]；且承受高軸力比(軸力比超過30%)之柱，發現隔根鉤住柱縱向鋼筋之作法，其圍束效果及抗壓強度欠佳，而有不符現行“混凝土結構設計規範”規定之情形。ACI 318-14對此現象，提出補救規定：在Pu > 0.3Ag fc′ 或 fc′ > 10,000 psi(700kgf/cm2)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耐震彎鉤，提供側向支撐。上述新規定，提升了柱之承載安全性，但也將致使繫筋的安裝更加困難，同時每根縱向鋼筋均有繫筋鉤住，將使得混凝土澆置更容易產生蜂窩現象。

二、箍筋之圍束原理
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，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

989-7-1

所規定之箍筋量，其強度以彌補混凝土保護層剝落時之強度損失為目標，用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，故圍束箍筋之配置，並沒有增加柱構材之極限荷重能力。
箍筋之所以能發揮圍束作用，而提高混凝土柱之強度及韌性，其原因在於當混凝土受高壓力作用而側向擴張時，箍筋提供了被動壓力，而使得柱體承受側向圍束效應。當箍筋為圓形時，此圍束效應最佳，因為圓形之箍筋可有效地提供軸向之被動壓力(註：大尺寸圓柱之圓形箍筋，其曲率較小，其圍束行為接近矩形箍筋，圍朿效果較差)。然而當使用矩形箍筋時，除了箍筋四個角落處，可提供有效圍束作用以外，四邊之鋼筋會有向外擴張之傾向(趨向弧形）；因此大大減低了圍束的效果。這也就是混凝土耐震規範中，強調矩形圍束箍筋之效應不及螺箍筋，因此必須採用較高體積比之原因。

由於矩形箍筋只有四個角落能提供有效的圍束壓力，導致有效的被圍束面積(圖1中之影線部分)也相對減少。因此，為了增加被圍束面積，採用繫筋鉤住箍筋是一個較有效的方法之一(註：繫筋鉤住箍筋的方式，會使繫筋之彎鉤突出箍筋之外側而致保護層較小)；繫筋鉤住柱縱向鋼筋之綁紮方式，好處是繫筋之彎鉤不會突出箍筋之外側，但箍筋除四個角落處可提供圍束效果外，其餘中間段完全沒有圍束作用，導致隔根無繫筋鉤住之柱縱向鋼筋無任何圍束(見圖1之紅點處)。此觀點由最近之數個大型混凝土矩形柱之抗壓試驗結果獲得了證實[1、2]，同時亦證實現行“混凝土結構設計規範”，關於繫筋二端之彎鉤，隔根鉤住柱縱向鋼筋之作法，當外圍未被圍束之混凝土受壓剝落後，會有一半柱縱向鋼筋失去圍束而提早挫屈(見圖1及照片1)。也因此導致承受高軸力比之柱，外圍縱向鋼筋因提早發生挫屈現象，而致柱之承載強度不符現行“混凝土結構設計規範”之規定。

989-7-2

圖1 矩形箍筋圍束效果
989-7-3
照片1 無繫筋提供橫向支撐之柱縱向鋼筋提前挫屈(資料來源：建研所)

三、設計規範之變革

在實務應用上，及現行“混凝土結構設計規範”第13.9.5.3節中規定：「橫箍筋之配置，須使在各柱角處之主鋼筋及每隔一根主鋼筋，均已有轉角之橫箍作橫向支撐；…；主鋼筋無橫向支撐者至有橫向支撐者之淨距，不得大於15公分…」，所以並不是每一根縱向鋼筋均有箍、繫筋鉤住，筆者認為未有繫筋鉤住之縱向鋼筋，座落於繫筋保護範圍之外側(見圖1之紅點)，同時又因外圍箍筋只有轉角處有較為明確之轉彎固定。因此未有繫筋鉤住之縱向鋼筋，不能受到外圍箍筋之保護，尤其長扁柱之長邊，當柱受壓時柱縱向鋼筋隨時有向外爆開而挫屈之可能。

3.1 ACI318-77 Building Code and Commentary

ACI318-77建議繫筋(Supplementary Crosstie)為鉤住緊鄰柱主筋處之箍筋，另可視需要配置鉤住主筋之輔助繫筋(Supplementary tie)(見圖2)，惟因不論繫筋或輔助繫筋，均採180o之標凖彎鉤之作法，造成施工上的困擾，因而ACI 318-77後續之版次，便將繫筋之綁紮方式修改為隔根鉤住柱縱向鋼筋之方式。

989-7-4
圖2 柱圍束箍筋配置例(ACI 318-77規範解說)〔6〕
3.2 ACI 318-14 Building Code and Commentary 18.7.5.2 橫向鋼筋須符合(a)至(f)之規定：

(a) 橫向鋼筋應包含單個或重疊螺箍筋、圓形閉合箍筋，或含與不含繫筋之直線型閉合箍筋。

(b) 直線型閉合箍筋與繫筋之彎轉段，均須緊繞於外周之縱向鋼筋。

(d)直線型閉合箍筋或繫筋，應按25.7.2.2與25.7.2.3之規定，提供縱向鋼筋側向支撐。

(e) 鋼筋應配置使沿柱周邊上，受繫筋轉角或閉合箍筋各肢側向支撐之縱向鋼筋，間距hx不超過35cm。

(f) 在Pu > 0.3Ag fc′ 或 fc′ > 700kg/cm2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，有閉合箍筋轉角或耐震彎鉤所提供之側向支撐，且hx之值應不超過20cm。Pu應為含E之因數化載重組合所得之最大壓力。

一個90°彎鉤之繫筋提供圍束之有效性，不如含兩個135°彎鉤之繫筋或閉合箍筋。對較低Pu/Agfc′值與較低混凝土抗壓強度而言，若繫筋之90°彎鉤沿著柱長度與周邊交錯配置，則配置90°彎鉤之繫筋是足夠的。對較高Pu/Ag fc′值而言，壓力控制行為是可預期的，對較高抗壓強度而言，行為傾向於較脆性，為達到預期的性能，透過以箍筋轉角或耐震彎鉤提供所有縱向鋼筋側向支撐，來改善圍束效果是很重要的。在前述狀況下，繫筋兩端皆需為耐震彎鉤，hx限制為20cm，亦為改善在前述臨界狀況下之性能方法。對束筋而言，閉合箍筋與繫筋之彎轉段或彎鉤需將其圍繞，且需有較長的彎鉤延伸段。柱之軸力Pu應反映地震與重力載重兩者之因數化壓力需求。

在2014年版的規範中，基於載重、變形與性能要求之考量，不同構材型式有不同公式與細部配置要求。此外，hx 在2014年版之前，係指閉合箍筋或繫筋各肢之距離；在2014年版的規範中，hx係指受箍筋與繫筋支撐之縱向鋼筋間之距離。

18.7.5.4 橫向鋼筋用量應符合表18.7.5.4之規定。

混凝土強度係數kf與圍束有效係數kn以式(18.7.5.4a)與式(18.7.5.4b)計算之。

989-7-5

式中nl為沿直線型閉合箍筋柱核心周邊，單根縱向鋼筋或成束鋼筋，受閉合箍筋轉角或耐震彎鉤側向支撐之縱向鋼筋數目。

表18.7.5.4 特殊抗彎矩構架柱之橫向鋼筋

989-7-6

螺旋狀鋼筋與適當配置之直線型閉合箍筋，對柱變形能力之效應，已明確建立 (Sakai 與 Sheikh，1989)。ACI 318 歷史上，一直使用表18.7.5.4 中計算式(a)、(b)、(d)、與(e)計算所需之圍束鋼筋，以確保混凝土保護層剝落後，不會導致柱軸力強度之損失。計算式(c)與(f)，由柱試驗資料之回顧而得(Elwood 等人，2009)，旨在使柱能承受0.03 之位移比，且僅呈現有限度的強度衰減。計算式(c)與(f)，在軸力大於0.3Ag fc′時開始使用，該軸力對於對稱的鋼筋混凝土柱而言，大約開始進入壓力控制行為。若柱之縱向鋼筋具緊密間距之側向支撐時，kn 項 (Paultre 與Légeron，2008) 可降低該柱所需之圍束，係因該類柱相較於縱向鋼筋具較大間距之柱，更能有效地被圍束。kf 項增加fc′ >700kgf/cm2柱之所需圍束，係因該類柱若無適當圍束可能產生脆性破壞。使用混凝土強度大於15,000 psi 宜謹慎，因相關柱之試驗資料相當有限。用於決定圍束鋼筋用量之混凝土強度需與施工文件上所標明的一致。

矩形核心斷面兩方向，皆須符合表18.7.5.4 中計算式(a)、(b)、與(c)。對每一方向而言，bc 為垂直構成Ash之箍筋肢之核心尺度。

25.7.2.4.1—單一圓形箍筋之端部錨定須符合(a)至(c)之規定：

(a) 端部須有6 in.以上之重疊。

(b) 端部須有符合25.3.2之標準彎鉤，並緊繞於一主鋼筋上。

相鄰圓形箍筋之端部重疊部分，若錨定於單一主鋼筋上時，可能造成垂直劈裂及箍筋之束制喪失。因此，相鄰圓形箍筋之彎鉤錨定位置，不宜於同一根主鋼筋上。

四、結語

自從ACI 318-77以後之版本，將「柱繫筋二端之彎鉤鉤住箍筋」，改為將「柱繫筋二端之彎鉤，隔根鉤住柱縱向鋼筋之作法」，筆者直覺認為對柱之圍束效果不完全，會影響鋼筋混凝土柱之承載能力，因此，一再撰文提出呼籲，經內政部建築研究所進行大尺寸矩形柱之載重試驗，及ACI 318-14之修訂，證實了筆者的觀點與所憂心的現象，是確實存在的。

筆者另擔憂，以ACI 318-77以後版本，所規定之柱繫筋二端之彎鉤隔根鉤住柱縱向鋼筋之作法，若每層柱均以乙級直線搭接之柱，有隔根之柱縱向鋼筋，完全沒有圍束之鋼筋，在混凝土表層爆裂後，會完全失去搭接效果(見照片2)；尤其是以偏折方式搭接，又未依現行“混凝土結構設計規範”第13.7.1.3節規定：「須以偏折部份橫向分力1.5倍之推力作橫向支撐」。因若每根柱縱向鋼筋，均須以偏折部份橫向分力1.5倍之推力作橫向支撐，將造成施工不便，故實務上不可行，其對結構安全性之影響，更為嚴重。

989-7-7
照片2 柱縱向鋼筋搭接段在保護層剝落後失去握裹力
989-7-8
照片3 柱縱向鋼筋偏折部位未以繫筋鉤住