第1416期- 新版「建築物混凝土結構設計規範」建議增訂「受拉竹節鋼筋之錯位搭接長度」我見

一、前言

新版「建築物混凝土結構設計規範」（下稱：新版結構設計規範），有關「受拉竹節鋼筋之搭接長度」中，僅提供「直線接觸搭接」一種，但在實務應用上，常會遇到二搭接鋼筋之間距較大而須採用錯位搭接之情況，有時還會出現竹節鋼筋之標準彎鉤的有錯位或無錯位搭接的情況。鋼筋之續接若處理不當，會造成鋼筋混凝土桿件或梁柱接頭産生弱點，進而造成梁及柱桿件斷裂結構物倒塌，影響結構構架之整體安全性甚鉅。

新版規範未提供設計方法，造成工程師不知如何依據既有條文變通應用，或未考慮受拉鋼筋搭接有錯位須增長及衍生之偏心彎矩等特性，而僅採用規範既有之直線接觸搭接規定用於錯位搭接之情況。倘若因此而造成工程災害，雖然設計規範僅係提供結構安全的最低需求，簽證技師須負完全責任；惟前述疑慮，若能提醒簽證技師事前防範，避免災害發生，否則結構物使用人，遭受身心傷害的損失，並非金錢所能彌補。本文試擬受拉竹節鋼筋直線錯位搭接長度，及具標準彎鉤錯位搭接長度之決定及設計方法，供工程師作為設計參考，亦提供混凝土結構設計規範未來增訂或修訂參考，不當之處，敬請工程先進和專家學者不吝指正。

二、新版結構設計規範：竹節鋼筋錯位搭接之相關條文

第25.5.1.3節：「對於受撓構材中之非接觸續接，續接鋼筋之側向心至心間距不得大於所需搭接長度 之1/5及15 cm之較小值。」

第25.5.2.1及10.7.5.2.2節：「在因數化載重作用下柱筋承受拉力時，受拉搭接應依照表 10.7.5.2.2 之規定：任一斷面之鋼筋搭接根數≧50 %，或搭接位置未錯開至少一個搭接長度，須採乙級搭接型式（見表25.5.2.1及10.7.5.2.2）。」

第25.5.2.2節：「不同直徑之受拉鋼筋搭接時，搭接長度應為大號鋼筋伸展長度與小號鋼筋搭接長度 之較大值。」

第25.6.1.7節：「束筋搭接長度，應先計算束筋內個別鋼筋之搭接長度，再依第25.6.1.5節規定增加長度。束筋內個別鋼筋之續接位置不得相互重疊，束筋不可作整束之搭接。」第25.6.1.5節：「受拉或受壓束筋內個別鋼筋之伸展長度，應按其單筋之伸展長度再增加，三根成束者增加20%；四根成束者增加33 %。」

10.7.4.2 柱面偏移7.5 cm以上時，縱向鋼筋不得偏折，且須設置插接筋與鄰近偏移柱面之縱向鋼筋搭接。

三、錯位搭接案例

工程實務上常出現下列受拉竹節鋼筋錯位搭接情形，造成結構系統産生弱點，致生工程災害風險：

1.樓板或牆開孔補強

樓板或牆設有開孔時，樓板主筋被開孔截斷的鋼筋，或地下室開挖擋土支撐之中間樁臨時開孔，因預留之90度彎折供復原使用之鋼筋不但數量及綁紮位置不正確且不易彎回成直線，而增以開孔補強筋加強等情況。均須以至少等於被截斷鋼筋之斷面積，配置於樓板或牆開孔之二側，其延伸長度並可達到錯位搭接的長度，使被開孔截斷的受拉鋼筋得以繞過孔邊傳遞回到原位。然而配置於開孔二側之轉接補強筋，距離最遠之被截斷板筋之最大錯位距離為二分之一孔邊尺寸加上鋼筋保護層，此尺寸通常會遠大於「建築物混凝土結構設計規範」第25.5.1.3節：「對於受撓構材中之非接觸續接，續接鋼筋之側向心至心間距不得大於所需搭接長度之1/5及15 cm之較小值。」所規定的15cm。常見國外有關樓板開孔補強的標準圖僅針對開孔角隅配置防裂鋼筋是不正確的作法。筆者參與國内鋼筋混凝土標準圖的製作時即將受拉竹節鋼筋之錯位搭接長度置入標準圖中，以確保樓板結構安全性。

2.大樓之外柱與地下室連續壁共構，二者間上舉力之轉接

大樓之外柱與地下室連續壁共構時，通常共構鋼筋混凝土柱之主筋或鋼柱底部會立於下方樓板面上，當共構柱承受地震時産生之軸力（尤其是上舉力）時，柱之軸力須藉連續壁主筋之拉力向下傳遞，藉由連續壁之重量來平衡上舉力。因連續壁主筋之配置位置較為分散，而柱之上舉力係集中於柱斷面，二者間之最大錯位距離，會遠大於設計規範第25.5.1.3節所規定之15cm。若未考慮錯位搭接的影響，共構柱之上舉力將無法有效向下傳遞。

3.牛腿受拉鋼筋（開榫端接合部）之錨定

「建築物混凝土結構設計規範」第23.2.7節圖R23.2.7之梁開榫端接合部其支承端下緣産生之拉力於進入開榫根部(臨界面)後，除須達足夠的伸展長度外，尚須考慮錯位搭接的影響，使支承端下緣産生之拉力可藉由錯位搭接向上、下傳遞進入原有之上、下(邊構材)主筋。當然亦可採用該條文所建議之拉壓桿桁架模式的方法使力量達到力量向上、下傳遞進入上、下主筋平衡的目標，但採用拉壓桿桁架模式的方法，其結點區拉桿不易有足夠的伸展錨定空間，致拉壓桿桁架模式的方法無法採用。

4.横膈板邊構材錯位

横膈板之邊構材常會因基地局部退縮，致邊構材須轉折而産生轉角處邊構材錯位不連續現象（見圖1），此時為使邊構材軸向拉力在轉角處可達到連續傳遞的效果，便須用到受拉錯位搭接概念。當然亦可採用拉壓桿桁架模式的方法使力量達到平衡及傳遞的目的，惟採用拉壓桿桁架模式的方法，其結點區拉桿須能有足夠的伸展錨定空間，否則此法難以應用。新版「建築物混凝土結構設計規範」第12.5.2.3節：「抵抗彎矩所引致拉力之非預力鋼筋與機械式續接器，應位於橫膈板受拉側邊緣h/4範圍內，h為該範圍之橫膈板平面內量測之深度。當橫膈板深度沿跨度方向上有變化時，鋼筋得伸展至鄰近橫膈板h/4範圍外」。惟該條文僅規定「得伸展至鄰近橫膈板h/4範圍外」，未敍明可能會産生混凝土拉破的破壞模式，也未敘明可用錯位搭接的方法及同時考慮因錯位偏心距離連帶衍生偏心彎矩的問題，來解決轉角處邊構材錯位不連續的問題。僅在解説中建議採用「壓拉桿方法或彈性平面應力分析都可以用來決定鋼筋的延伸和其他鋼筋需求以提供斷面變化處連續性要求」，但採用拉壓桿桁架模式的方法，其結點區拉桿不易有足夠的伸展錨定空間，是壓拉桿方法難以應用的主因，而錯位搭接配合偏心彎矩檢核是一個簡易可行的方法。

圖1 樓板邊構材主筋錯位搭接示意圖

5.集力構件

「建築物混凝土結構設計規範」第12.5.4.1節（集力構件）：「當集力構件需將剪力由橫膈板傳遞至豎向剪力牆構件時，集力構件應從側向力抵抗系統之豎向剪力牆構件延伸出來並穿過橫膈板全部或部分之深度。沿側向力抵抗系統之豎向剪力牆構件之長度方向上，不需傳遞集力構件設計力之處，該集力構件得終止。」惟橫膈板剪力進入集力構件後，「集力構件」與「側向力抵抗系統之豎向剪力牆構件」間就産生錯位搭接，及因錯位偏心距離連帶衍生偏心彎矩的問題，可用受拉構材錯位搭接的概念設計，尤其是豎向剪力牆構件位於集力構件之一端時更須考慮錯位搭接的影響。當然圖圖2所示之剪力摩擦筋及抵抗偏心機制亦為可行，但樓板之剪力筋過密難以施工，且樓板之摩擦剪力強度亦有上限，不一定能滿足設計需求。在此特別提醒讀者，將集力構件之主筋全數集中配置在側向力抵抗系統之豎向剪力牆構件之寛度内，可避開錯位搭接及豎向剪力牆構件位於集力構件之一端時不易設計的問題，如此才是最佳設計。

圖2 剪力牆剪力與集力構材主筋錯位搭接示意圖

6.樓板或梁的高低差

樓板或梁有高低差時，高低差界面二側鋼筋會因高低差而無法連續直通，而産生二側力量須採用錯位搭接才能使力量得以平衡的需求。若高低差主筋直接以1：6偏折處理，則會違反「建築物混凝土結構設計規範」第10.7.6.4.1節：「縱向鋼筋偏折時，須有箍筋、閉合箍筋、螺箍筋或局部樓板構造作水平支撐，且須能承受鋼筋偏折部分水平分力 1.5 倍之推力」，及第10.7.6.4.2節：「若用橫向鋼筋做抗力，箍筋、閉合箍筋或螺箍筋須配置於偏折點 15 cm以內」之規定。此「承受鋼筋偏折部分水平分力 1.5 倍之推力之箍、繫筋」施作困難，且容易遺漏或減作而影響結構安全。

7.柱面退縮

「建築物混凝土結構設計規範」第10.7.4.2節：「柱面偏移7.5 cm以上時，縱向鋼筋不得偏折，且須設置插接筋與鄰近偏移柱面之縱向鋼筋搭接」。此時上、下柱主筋錯位搭接距離可能會大於第25.5.1.3節：「對於受撓構材中之非接觸續接，續接鋼筋之側向心至心間距不得大於所需搭接長度之1/5及15 cm之較小值。」所規定的15cm。因而會出現錯位搭接的問題。柱面退縮通常出現在梁柱接頭區，其力學行為須滿足二種可能之傳力需求，其一為直線錯位搭接的力量直線傳力需求；其二是梁柱間彎矩平衡的90度標準彎鉤錨定需求。對於直線搭接直線傳力的需求，因柱面退縮而出現錯位搭接長度增長的問題。

8.錨栓錨定鋼筋

「建築物混凝土結構設計規範」第17.5.2.1節：「錨栓錨定鋼筋......其設計強度得取代混凝土拉破或剪破強度。」由其力系平衡示意圖(規範圖R17.5.2.1(a)見圖3)顯示錨栓之拉力藉由錯位搭接機制，將錨栓拉力傳遞至錨栓錨定鋼筋，且其力系傳遞機制隱含「具標準彎鉤或擴頭鋼筋之錯位搭接」機制，圖3中錯位後之實際搭接長度採用具標準彎鉤（或擴頭）竹節鋼筋之伸度長度Ldh，既不是搭接長度，更不是乙級搭接長度。但其力學行為係「錨栓」與「錨栓錨定鋼筋」間之搭接行為，係全數錨栓錨定鋼筋均搭接，筆者認為宜採用符合乙級搭接之規定（乙級搭接長度－彎鉤錨定力≒2Ldh），才能與設計規範第25.5.2.1及10.7.5.2.2節：「在因數化載重作用下柱筋承受拉力時，受拉搭接應依照表 10.7.5.2.2 之規定：任一斷面之鋼筋搭接根數≧50 %，或搭接位置未錯開至少ψg ℓd，須採乙級搭接型式（見表25.5.2.1及10.7.5.2.2）。」之規定一致。況且柱墩上之鋼柱基板錨定螺栓影響安全程度比上部結構任一構件更重要，其結構安全的重要性更高，不應在其上部結構柱須採用乙級搭接，而位於下方更重要位置之錨栓錨定鋼筋可採用伸展長度，甚至其下方之基樁主筋亦須採乙級搭接的現象更不符比例原則及邏輯性的問題。

圖3 錨栓錨定鋼筋力系平衡示意圖

9.梁之二側板筋間距不同時

當梁之二側樓板或懸臂板與内板間主筋之間距不同時，鋼筋量較多之板主筋須延伸入鋼筋量較少之板内一定距離（懸臂板建議延伸入内板1.5倍懸臂跨度；一般板建議延伸入另側板内，至少等於較多板筋之四分之一板跨度）再與内（另）側板筋搭接，以便使梁二側之板彎矩自行平衡，避開梁扭力筋太密施作不易的問題。此時若梁之二側板筋間距不同時，有可能須用到受拉錯位搭接的概念。

四、受拉錯位搭接力學行為探討

二根鋼筋橫向並列以搭接方式續接係靠混凝土提供握裏力及斜向受壓支柱（strut）在二根鋼筋間來向後傳遞應力。其平衡系統另須依賴通過二搭接鋼筋端部之橫向張力或壓力力隅來平衡，此橫向力(H)之力隅大小可依據單根搭接鋼筋之受力、偏心橫距，及搭接長度等因素來計算，並藉以決定平衡橫向張力或壓力(H)力隅所需之額外的橫向鋼筋量。此不平衡力(H)筆者建議可採簡化方式計算，如下式：

H= (Ts×SL)/(0.9Lds)

其中， Ts 為搭接鋼筋之張力

SL 為偏心橫距

Lds 為搭接長度

此計得之額外橫向箍繫筋若為張力搭接之情况，必須配置在張力搭接鋼筋之端部十分之一搭接長度範圍内，並將二搭接鋼筋圍束。搭接長度延伸後應不得影響梁柱接頭及構架系統之韌性行為。

雖然受壓竹節鋼筋錯位搭接時，其斜向受壓支柱係向前傳遞而有減少搭接長度的效果，會比受拉竹節鋼筋接觸搭接更偏保守，但應用在地震帶之結構物均會承受反覆作用力，無法永久保持受壓狀態，因此建議避免採用受壓錯位搭接。

依據「建築物混凝土結構設計規範」第25.5.2.1及10.7.5.2.2節之規定，搭接長度内（使用鋼筋As）/（需求鋼筋As）之鋼筋比＜2時，不論搭接鋼筋比例多少，均須採用乙級搭接。若有錯位搭接須另考慮錯位及偏心的影響。「建築物混凝土結構設計規範」第17章採用35度角擴散；第22.6.4節：「承受雙向剪力之構材，其臨界斷面應位於使其周長b0 為最小處，但與下列(a)及(b)之距離不必小於d/2。(a)柱、集中載重或反力面之邊緣或轉角。(b)板或基腳厚度改變處，如柱冠、柱頭板、或剪力帽蓋之邊緣。」亦即，雙向剪力強度係採45度擴散；而紐西蘭混凝土結構設計規範(New Zealand Standard"Concrete Structures Standard" NZS 3101)錯位搭接採用增加錯位的1.5倍（亦即約56度，總搭接長度大於等於(搭接長度)+1.5(錯位距離)）。鑒於「建築物混凝土結構設計規範」第17章係用於淺層錨栓，因此筆者建議採用「建築物混凝土結構設計規範」第22.6.4節之樓板貫穿剪力以45度擴散傳遞來計算額外增加的所需無效搭接長度。

五、結語

「竹節鋼筋受拉直線錯位搭接」及「具標準彎鉤竹節鋼筋受拉錯位搭接」在工程實務上常出現的機會甚多。然而新版結構設計規範：第25.5.1.3節規定受撓構材中之非接觸續接，續接鋼筋之側向心至心間距不得大於所需搭接長度之1/5及15 cm之較小值，未提供錯位搭接的設計方法，因此在結構系統傳力路徑上出現弱點或弱面而不自知，有肇致工程災害之虞。

奇怪的是新版結構設計規範：第12.5.2.3節、第10.7.4.2節、第17.5.2.1節規定錨栓錨定鋼筋...其設計強度得取代混凝土拉破或剪破強度，而於解説中之示意圖中錨栓與錨栓錨定鋼筋間之相當於二端具標準彎鉤的錯位全數搭接，却採用甲級搭接。而未依第25.5.2.1及10.7.5.2.2節之規定採用乙級搭接。新版結構設計規範，如前所述，不但各章節條文相互矛盾，且有邏輯性的問題存在。

因此筆者建議：竹節鋼筋錯位搭接採用45度計算，亦即錯位距離另加搭接長度。至於二端具標準彎鉤竹節鋼筋之搭接長度，建議採用以直線搭接長度減標準彎鉤錨定強度再加錯位距離，作為二端具標準彎鉤受拉竹節鋼筋之搭接長度，亦即2Ldh＋錯位距離。另外，須依設計個案考量錯位搭接造成之偏心彎矩，設計反向平衡機制納入設計考量。

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