評論『修正RC梁上預留開口處補強配筋之芻議』

一、引言暨概述

本報1270期『修正RC梁上預留開口處補強配筋之芻議』,探討鋼筋混凝土梁腹部穿孔補強配筋之配置細部的建議,文中照片(見照片1)顯示裂縫,為略呈45度方向穿越開孔處。該文作者認為:1.梁之腹部穿孔會降低了梁的剪力強度,並依據鋼筋混凝土的理論及「混凝土結構設計規範」相關規定,探討實務上工程師現況常用之補強方案的合理性;2.「混凝土結構設計規範」,係假設剪力斜裂縫以45度角發展,而且在剪力斜裂縫之寛度受到適當控制條件下,剪力強度可由開裂範圍之混凝土抗剪強度,以及剪力鋼筋的抗剪強度共同承擔,因開孔而降低的剪力強度會依開孔直徑佔全部梁有效深度(d値)的比値,等比例減小。例如,開口直徑為三分之一梁有效深度,梁開孔後之剪力剩餘強度為無開孔梁剪力強度的三分之二強度;3.開孔補強之重點在於將開孔所減少的剪力強度補回,使開孔處補強後之剪力強度至少回復至無開孔時之剪力強度,避免開孔處剪力裂縫發生後,梁斷面會處於剪力強度不足的危險,甚至失去控制撓曲破壞模式發生先於剪力破壞的目標;4.工程實務常用之梁上預留開孔之補強設計標準圖,均著重於控制裂縫發展及裂縫寬度配筋,對於預留開孔造成之剪力強度減損的補強略顯不足;5.建議,應考量剪力強度減損量,採用補強箍筋全部承擔減損量的概念,將剪力強度減損量轉換成補強箍筋數量後,平均分配於預留開孔之兩側,以使預留開孔處之抗剪能力能達到無開孔之強度。

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照片1 管穿過梁裂損案例

惟,筆者認為:照片1顯示,開孔位置除不宜位於兩倍梁深塑鉸範圍的不利位置外,亦可能為施工時未進行梁腹穿孔補強,或為施工完成後再進行鑽孔的未補強穿孔,亦可能為已鑽斷既有梁之剪力箍筋的梁腹穿孔,因而造成斜裂縫現況。由上述可能原因看此種裂損現象,是否為現行各公會所提供之開孔處補強設計參考圖,未能符合需求所致?尚待進一步商榷。

事實上,各公會所提供之梁穿孔補強參考圖,均或多或少考慮剪力及因開孔衍生之二次彎矩所需補強鋼筋量,只是所考量之補強等級有別而已。且一般情況為圓形孔,孔徑受到須小於三分之一梁深的控制,斜向鋼筋不致會大於45度(除非開孔為水平向長條矩形孔),否則斜向補強筋不致於會大於45度而降低剪力補強效果。查台中市土木技師公會,民國110年底所提之參考圖,則改以「壓拉桿桁架(二力桿件)模式」設計觀念,配置補強鋼筋,可減少配筋量,提高施工性,堪稱一大改進。

再者,不論是鋼梁腹板開孔補強,或鋼筋混凝土梁腹部穿孔補強,除了既有梁之抗剪力斷面減少外,亦會因開孔後,孔之上、下梁段剩餘之抗剪斷面積,於傳遞剪力之行為時會衍生二次彎矩,因而需要額外的撓曲鋼筋補強,以及上、下剩餘之抗剪斷面積傳遞剪力所需之剪力補強筋(採用「壓拉桿桁架模式」設計法除外)。

若依該文作者認為,僅於開孔二側補回剪力強度減損量,採用補強箍筋全部承擔減損量的概念,將剪力強度減損量轉換成補強箍筋數量後,平均分配於預留開孔之兩側。筆者認為不見得可達到預留開孔處之抗剪能力可達到無開孔之強度的目標。因為45度梁式剪力只是各種剪力破壞面角度中,最弱、最容易破壊的角度而已,剪力面尚可能通過二側補強箍筋間未補強範圍之任一角度之仼一剪力破壞面,差別只是該等剪力破壞面之抗剪強度略高於45度梁式剪力破壞面而已。況且穿孔直徑尺寸越大,所遺留之開孔後,孔之上、下梁段剩餘之抗剪斷面積於傳遞剪力之行為,會衍生二次彎矩所需要額外的撓曲補強鋼筋,以及上、下梁段剩餘之抗剪斷面積傳遞剪力所需之剪力補強筋等,鋼筋量會不足更多。

二、鋼筋混凝土梁腹部穿孔補強之力學原理探討

一般樓層之梁(地下室梁或地梁除外)須符合梁二端達塑鉸所産生之梁塑性剪力、強柱弱梁及梁柱接頭剪力等韌性需求之規定設計之。此時梁穿孔補強,就必須符合「距柱面二倍梁深範圍内不得穿孔」之規定。其主要理由係,一旦梁上之穿孔位置位於距柱面二倍梁深範圍内,則縱使有依參考圖之「梁穿孔補強詳圖」進行補強,仍無法確定穿孔處之彎矩強度可達到原斷面之塑鉸強度,及梁二端達塑鉸所産生之梁塑性剪力所需強度,因此梁穿孔宜設在淨跨度扣除4倍梁深後之中央區(或跨度中央三分之一範圍)。因跨度中央點之剪力最小,造成之二次彎矩最小,故以跨度中央位置為最佳開孔位置(非跨度四分之一之反曲點處),且宜位於梁斷面之中央三分之一深度範圍(以位於中性軸上最佳)可降低對鋼筋混凝土梁受壓側抗壓強度及剰餘斷面抗壓挫屈之影響,依此原則就可將對梁之不利影響因素降至最低。

鋼筋混凝土梁腹部穿孔,一般情況有圓形孔與矩形孔二種,不論是圓形孔或矩形孔,梁之剪力必須通過開孔處之上、下梁段剩餘斷面積,其補強筋配置細節可採用「構架模式」或「壓拉桿桁架(二力桿件)模式」,其設計分述如下:

(一)構架模式

構架模式即為模擬為梁、柱構架,並簡化假設梁柱構架的梁反曲點位於梁腹穿孔之上、下剩餘斷面之中央(示意圖見圖1) ,其計算歩驟如下:

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圖1 開孔之力系示意圖

1.斷面m-m以全斷面核算彎矩:亦即,梁開口上、下梁段之軸力Z=M ÷ z。(z=開口上、下梁段之重心間距)。此部分為梁之原有撓曲配筋。

2.梁開口上、下梁段之剪力:一般壓力側承受大部分剪力(拉力側開裂後剪力強度降低)。建議壓力側分配0.6Q;拉力側分配0.4Q。此上、下梁段之抗剪力配筋須額外叧加。

3.梁開口上、下梁段之設計:壓力側梁段之二次彎矩=0.6Q×L/2。

拉力側梁段之二次彎矩=0.4Q×L/2。軸力=M÷ z。梁開口上、下
梁段之深度不同時,通過開孔斷面之梁剪力得簡化依二者斷面積之比例分配於梁開口上、下梁段。沿梁軸向之補強筋配置於各該上、下梁段的上、下端,其與梁主筋間須有足夠之搭接長度加錯位距離。

4.在開口二側配置懸吊箍筋:以0.6Q計,懸吊箍、繫筋須以標準彎鈎鈎住梁主筋。(開口角隅視需要另配置斜向防裂鋼筋)。

5.且補強筋應配置在穿孔四周,並均勻分布在梁腹全寬,不能僅配置於梁腹之二側。

(二)「壓拉桿桁架模式」

壓拉桿桁架模式之理論與鋼結構桁架之力學行為相同,其設計重點為桁架節點區須能發展完整的伸展長度,否則節點接頭區之補強鋼筋端部,須以標準彎鈎鈎住梁主筋,或以標準彎鈎鈎住比補強筋大一號以上之錨定鋼筋。「拉壓桿桁架模式」之設計法及配筋細節,可參見現行「混凝土結構設計規範」附篇A或新版「混凝土結構設計規範」草案第23章。

三、開孔補強特例

穿梁套管的垂直位置(距離中性軸多少範圍內)在規範中有規定嗎?如照片2中,2根內徑5cm的PVC管,直接由版內穿過梁上層筋下方,但因管線機能目的無法將管線移至梁中性軸位置,此種情況是否可以接受?此種情況會造成開孔位置上方所剩之梁厚度較小,梁開口上、下梁段之深度不同,通過開孔斷面之梁剪力得簡化,依二者斷面積之比例分配於梁開口上、下梁段。雖然穿孔位置剩餘斷面上所分攤到的剪力會較小,但位於受壓側時,壓力可能會造成梁主筋或混凝土斷面抗壓強度不足,或可能會發生挫屈現象。因此通常會建議穿孔宜設置在梁高度中央三分之一範圍為宜。解決方法宜採穿梁管之上、下方增設補強筋及箍、繫筋(或髪夾筋)以防止發生挫屈,檢核受壓側之主筋或混凝土斷面,使其不致發生挫屈,且穿孔位置剩餘斷面上之壓力、剪力及其産生之二次彎矩,補強後之強度及韌性均須符合安全需求。檢核方法可採拉壓桿桁架模式或構架模式。

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照片2 管穿過梁上層筋下方之情況

相較於較深的大梁尺寸而言,梁之較小穿孔所減損之斷面積比例不大,在計算上常有不需補強的情形,設計圖說中應註明不需補強之限制條件(例如:孔徑對梁深比例在1/10以下,且孔間距在3倍直徑以上)或僅採用簡易之防裂補強細部,但是穿孔位置仍應盡可能避開地梁的高應力區,且補強筋應配置在穿孔四周,並均勻分布在梁腹全寬,不能僅配置於梁腹之二側。

一般參考圖之開孔補強筋數量,只是提供一個可行的補強型式,並不保證可足夠承受開孔處之剪力及衍生之二次彎矩,設計者必須個別檢核是否安全。原則上,設置於跨度中央段,因剪力較小,比較容易通過檢核。若開孔設置於接近梁端時剪力會較大,開孔所産生之二次彎矩較大,參考圖之補強筋數量有較大的可能性會檢核不易通過,尤其是方形長條孔之情況會更嚴重,因此必須檢核參考圖之補強筋量是否足夠承受該處之剪力及衍生之二次彎矩;況且參考圖之開孔補強圖上,未將有韌性需求與無韌性需求之可開孔位置,分別提供補強詳圖,因此將開孔設置於距柱邊二倍梁深範圍內、且直接依鋼筋混凝土結構參考圖之「梁穿孔補強詳圖」進行補強,此時容易引起爭議。

若工地開孔已施作完成,只好依前述結構力學原理及耐震設計條文規定,二方面進行梁端開孔處之設計彎矩(含穿孔處之剪力所産生之二次彎矩)及剪力補強筋需求量檢核,必要時得採外部包覆鋼板補強,補強細部及計算細筋式鋼筋,須特別注意剪力傳遞過程所産生之偏心彎矩及如何在二者不同結構材料間傳遞。

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】

 


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