SRC結構對於RC梁主筋與鋼柱間之續接設計與施工

一、前言

鋼骨鋼筋混凝土結構 (Steel Reinforced Concrete，簡稱SRC)是將鋼骨構造與鋼筋混凝土結構予以合併而成的合成結構，在民國88年921大地震之後，採用SRC結構之建築物日增。另一方面，供住宅用途之房屋，國人較習慣防振動性及隔音性較佳之包覆混凝土之結構，因此SRC結構應運而生。但SRC結構在施工過程，二種不同的結構系統會互相干擾，致施工品質會大受影響，甚而常有下降的情況發生。因此有關SRC結構耐震性能之設計與施工品質，影響建築物耐震能力甚鉅。其影響因素很多，其中以結構系統傳力路徑及結構耐震細部設計、以及鋼骨與鋼筋之設計空間與施工放樣精度等，最為關鍵。

在SRC結構中，鋼筋與鋼骨之續接勢難避免，且為了梁-柱接頭力系平衡、及耐震系統傳力路徑完整性所需，梁主筋以續接器銲接於鋼骨上，亦為結構安全所必需，且鋼筋以續接器銲於鋼骨上，所產生之力學效益及結構安全性，遠高於鋼筋以直通方式通過接頭區(事實上，鋼筋以直通方式通過接頭區之作法，常會造成傳力路徑的弱點)。SRC結構中，梁主筋以續接器銲接於鋼骨上，常會發生在塑性鉸區之同一斷面上而無法錯開，續接器之設計與施工品質，影響SRC結構之耐震性能甚大，因此必須非常審慎。本文針對SRC結構中鋼骨與鋼筋續接之型式、結構細部、設計方法、施工要點，進行探討與說明，期能對SRC結構耐震性能之提升有所助益。不當之處亦請工程先進不吝指正。

二、梁鋼筋接入鋼骨柱之續接型式

梁(或柱)鋼筋與柱鋼骨(或梁鋼骨)續接之型式，與柱的斷面型式及梁的斷面型式有關，其主要之接入型式有二種：

（一）梁鋼筋經由鋼筋續接器與梁端擴頭鋼骨翼板續接

SRC梁接入混凝土填充箱型鋼柱之接頭型式，可先將梁鋼筋經由鋼筋續接器與擴頭鋼骨梁之擴頭續接，再由擴頭鋼骨梁接入箱型柱。鋼筋續接器係以臥式疊接的方式，與拱頭鋼骨梁之翼板接合。此種接頭型式中，箱型柱內，在梁鋼骨上、下翼板處，僅需各設置一塊橫隔板即可，鋼筋與鋼骨翼板所需距離可以縮小，在相同的梁全深下可以使用較深之鋼骨斷面，如此一方面可以提升鋼骨斷面抗彎矩的有效深度，另一方面可以減少鋼筋的使用量，既可節省材料也較容易施工，施工品質也較容易控制。另外，鋼筋續接器與擴頭鋼骨梁之銲接，可在鋼構廠施作，銲接品質容易控制；再者，鋼骨梁之端部翼板需要擴頭加寬，以符合鋼梁及鋼筋合併之全強度，這部分的工作也是可在鋼構廠內施作。鋼筋與擴頭鋼骨梁間亦可直接以銲接方式進行疊接，而不經由續接器。不過鋼筋與擴頭鋼骨梁翼板之銲接需在工地施作，且鋼筋需要使用可銲鋼筋，施工品質控制較複雜。

（二）鋼筋混凝土梁主筋經由續接器與鋼柱上之拱頭梁疊接

此型接頭為填充箱型柱上使用一小段鋼骨拱頭梁與RC梁主筋續接(照片1及2)。拱頭主要用來與梁鋼筋進行續接，並將梁的剪力與彎矩傳遞接入柱。RC梁主筋可以續接器與拱頭梁翼板疊接方式續接，當梁鋼筋需作雙層配置時，可於翼板之上、下面對稱配置，惟應注意第二層鋼筋之位置是否具有足夠的銲接施工空間，且內側層鋼筋應以配置於翼板內側外緣，並以2支為限。拱頭也可以直接和鋼筋作銲接疊接進行續接，但為了避免現場仰銲，不建議使用雙層鋼筋。RC梁之剪力則另需於拱頭梁腹板或鋼柱面上，植銲剪力釘來傳遞剪力。此種接頭型式中，箱型柱內，在梁鋼骨上、下翼板處僅需各設置一塊橫隔板即可，鋼筋與鋼骨翼板所需距離可以縮小，在相同的梁全深下可以使用較深之鋼骨梁斷面，如此一方面可以提升鋼骨梁斷面抗彎矩的有效深度，另一方面可以減少鋼筋的使用量。

（三）梁主筋以續接器銲於鋼骨柱面

梁主鋼筋可經由鋼筋續接器，以T形接合銲於柱翼板上之方式續接。這種型式的接頭，箱型柱內在鋼筋與鋼骨翼板的位置，皆須設置橫隔板，每個接頭需設置4塊橫隔板。考慮施工空間之需求，橫隔板間之淨距離需要100至150 mm（以150 mm為佳），因此鋼骨的深度常受到限制，而無法有效發揮其強度。改善此現象的可能辦法，是將鋼筋與鋼骨翼板配置在相同的高度，此種型式的梁斷面需要較大的寬度，但是可減少橫隔板的數量，也可以提升鋼材發揮彎矩強度的效率。

使用雙H之X型SRC鋼柱時，若柱翼板較寬，梁鋼筋也可以經由續接器以T形接合和柱翼板續接。此型梁柱接頭需要有較寬的柱翼板，但是柱翼板也不可以過大而影響到X型鋼柱內連續板之施工。一般X型鋼柱相鄰翼板端間之淨距離W，需要150 mm以上。相同的鋼筋續接方法也可以使用在混凝土填充箱型柱與RC梁之接頭，此種接合需要考慮剪力的傳遞，一般以剪力釘為之(照片3)。

三、鋼筋續接器之設計與施工要點

上述接頭中，鋼筋與鋼骨之續接不外以疊接接合或是T形接合為之，這兩種接合的設計、施工時應該注意之事項說明如下

（一）梁主筋與鋼骨直接銲接接合

梁主筋與鋼骨直接銲接接合需要使用可銲鋼筋，如CNS
SD420W及SD280W等鋼筋。鋼筋與鋼骨的疊接，一般以喇叭形單邊開槽銲道（flare-bevel-groove welds）為之，銲道與鋼筋竹節外環切齊。此銲道以剪力的方式傳遞力量，根據AWS D1.4[2]的規定，每一邊銲道的有效銲喉為0.2 Db，其中Db是鋼筋標稱直徑。假設剪力平行銲軸，依AISC LRFD規範[3]之規定，銲道之設計強度為f (0.6FEXX)，其中強度折減係數f = 0.75。

為了確保降伏進而斷裂是發生在鋼筋而不是發生在銲道，應該使用容量設計的觀念，設計載重使用afyAs，其中a為鋼筋超額降伏強度係數，fy為鋼筋標稱降伏強度，As為單根鋼筋之標稱斷面積（= pDb2/4）。文獻[4、5、6]之資料顯示，SD420熱軋鋼筋（或稱加釩鋼筋）之a可採用1.25。

鋼筋與鋼骨疊接之臨界斷面在銲道端趾處，此處的銲接品質影響疊接強度最大，銲接的作業需要盡量降低此處發生銲接瑕疵的可能性。由於喇叭形單邊開槽之尖端處空間很小，第一道銲接要使用較細的銲條，以增加銲道的熔透量，並採用多層銲道。為避免銲接處幾何形狀的改變，引致之銲道瑕疵，銲道應該和鋼筋以及鋼骨的端點，保持10 mm以上的距離。此外，銲接起弧與收弧的地方最容易產生瑕疵，應該避免在銲道端部20 mm內起弧或收弧。在進行銲接之前，一般鋼筋先以點銲固定位置，鋼筋點銲絕大部分會造成缺陷，因此點銲應在銲道中間部分施作，然後在進行實際銲接時將點銲蓋過，抹除點銲造成之缺陷。

當鋼筋的銲道並排排列時，鋼筋之間距應至少90 mm，否則有些鋼筋的第一道銲道不容易施作，很容易造成熔透不足的現象。當鋼筋間距不足時，應將鋼筋交錯排列。並採用適當的銲接順序，先銲中間鋼筋續接器後銲兩側。

（二）鋼筋續接器與鋼骨疊接

鋼筋續接器與鋼骨疊接時，續接器需要使用可銲鋼材製作，此種續接器本文稱為臥式續接器。圖2所示為實際工程上常見的鋼筋續接器與鋼骨之疊接方式。鋼筋續接器的長度若不到60 mm，由於銲道很短，因此銲道尺寸很大。這種短型的鋼筋續接器，其設計與施工方法，發現有如下的問題：（1）銲道尺寸過大，造成續接器銲接後產生變形，影響續接器續接的性能；（2）銲接時沒有將續接器尾端開孔封住，讓銲接噴濺物或其他雜物進入續接器內，影響鋼筋續接器之續接，原來通過SA級（續接器續接等級之相關規定詳文獻[7]）的續接器續接，在使用到臥式續接器續接時，由於續接器銲接變形過大導致脫牙的破壞模式，而無法達到原有的SA續接等級。

臥式續接器與鋼骨的疊接，一般也是以喇叭形單邊開槽銲道（flare-bevel-groove welds）為之，銲道與鋼筋續接器外緣切齊。銲道以剪力的方式傳遞力量，根據AWS D1.4[2]的規定，每一邊銲道的有效銲喉為0.2 Dc，其中Dc是鋼筋續接器的外徑。

為避免銲道端點處產生銲邊燒損（undercut）的瑕疵，銲道兩端與鋼筋續接器端點最好各保持10 mm的距離，因此鋼筋續接器的長度要比銲道長度多出20 mm。所需續接器長度，D25鋼筋（使用Dc= 40 mm）為100 mm，D32鋼筋（使用Dc= 46 mm）為130 mm。臥式鋼筋續接器除了與鋼筋續接所需以外之部分盡量保持實心，如此可降低續接器的銲接變形。臥式續接器與鋼骨的銲接在鋼構廠為之，第一道銲道建議採CO2銲接方法，並使用直徑1.2 mm的銲條，以多層銲道為之。如此不但可以提高熔透量，而且入熱量小，可以減少續接器的銲接變形。圖2為臥式鋼筋續接器之使用實例。

（三）梁主筋與鋼骨柱T形接合

梁主筋與鋼骨之T形接合，一般以鋼筋之單邊開槽全滲透銲為之，銲道背墊板一般採用分割一半之鋼管，半鋼管背墊板與鋼筋間，先在半鋼管背墊板內側，以點銲來與鋼筋固定。使用SD420W鋼筋（標稱抗拉強度為5600 kg/cm2）時應使用E80系列銲材，使用SD490鋼筋（標稱抗拉強度為6300 kg/cm2，應先確認其為可銲）時應使用E90系列銲材。

（四）鋼筋續接器與鋼骨柱T型接合

鋼筋續接器與鋼骨T形接合，一般採用開J槽半滲透填角加強銲道，將鋼筋續接器與鋼骨連結在一起。銲接時鋼筋續接器一般直立放置在鋼骨上，鋼液受到重力的影響而向下流，一般採用半滲透開槽填角銲的垂直與水平腳長相等。J形開槽之形狀根據AWS規範[2]之規定，是由一直線段及一圓弧所組成，圓弧半徑r = 13 mm，直線段與水平線的夾角g = 45o。銲道承受的是沿著鋼筋方向的拉力或壓力，此時其軸向力強度係以有效銲喉厚中心乘內圓周計算。

為了確保降伏進而斷裂是發生在鋼筋而不是發生在銲道，應該使用容量設計的觀念，設計載重Pu = afyAs，其中a為鋼筋超額降伏強度係數，fy為鋼筋標稱降伏強度，As為單根鋼筋之標稱斷面積（= pDb2/4）。銲道尺寸需要滿足fPn ³ Pu之要求。

照片1 RC梁與鋼柱拱頭之接合型式

照片2 RC梁與鋼柱拱頭之接合型式

照片3 RC梁主筋以續接器T型銲接與鋼柱接合

四、結語

由於現行"鋼骨鋼筋混凝土設計規範與解說"第8.5.1.1節規定：「鋼骨鋼筋混凝土梁柱接頭處之主筋應以直接通過接頭為原則，宜儘量避免以鋼筋續接器銲於鋼柱翼板上以續接主筋」。又，規範第4.2.3.3節復規定：「鋼骨鋼筋混凝土柱之鋼骨斷面之腹板，於必要時得設置鋼筋貫穿孔」。以上條文之規定，似未了解到「梁-柱接頭力系平衡及耐震系統傳力路徑完整性」之內涵。筆者認為此種觀念不符合：合成結構力系平衡及耐震系統傳力路徑完整性的安全基本要求，發生災害恐是遲早的事。筆者亦見有國內重大工程之鋼骨與RC梁接頭，採大部分梁主筋由二側直線通過接頭區，而造成傳力路徑弱點的嚴重缺陷的案例。本文之發表希望對SRC結構耐震性能之提升有所助益。

【參考文獻】

[1] 陳正誠、梁宇宸、王錦華，(2013)，SRC構造梁鋼筋與鋼骨柱續接之設計與檢驗。

[2]ANSI/AWS D1.4-92，(1992)， "Structural Welding Code-Reinforcing
Steel", Amerian Welding Society。

[3]AISC，(2001)， "Load and Resistance Factor Design
Specification for Structural Steel Buidings," Chicago, American Institude of
Steel Construction.

[4]陳正誠、黃世建、李宏仁(2000)。「台灣竹節及水淬鋼筋之之機械性質與結構耐震設計」。鋼筋工程技術發展，陳正誠主編，科技圖書公司。

[5]陳正誠、黃世建、李宏仁(2000)。「台灣熱軋竹節及水淬鋼筋之機械性質與超額降伏強度係數」。中國土木水利工程學刊，第十二卷 第二期，pp. 233-238。

[6]黃世建、陳正誠、李宏仁 (2000)。「台灣熱軋竹節鋼筋之力學性質與耐震韌性設計可行性探討」。中華民國結構工程學會，結構工程，第15卷第1期，pp. 23-38。

[7] 陳正誠(2000)。「附錄B：鋼筋續接器續接施工規範及解說」。鋼筋工程技術發展，主編，科技圖書公司，pp. B-1~B-31。

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