一、前言
現行“鋼骨鋼筋混凝土設計規範與解說”於民國93年訂定後,內政部另於民國100年修訂,迄今已約5年,這期間美國ANSI/ AISC 360-10版有了大幅度變革,尤其鋼結構設計規範對鋼與鋼筋混凝土合成之構件,其設計方法有了大幅度的增修,因此現行“鋼骨鋼筋混凝土設計規範與解說”,面臨須隨之大幅修訂或全面廢止,而採用修訂中之鋼結構設計規範及混凝土結構設計規範的問題。筆者探討現行“鋼骨鋼筋混凝土設計規範與解說”部分不合理或存有安全疑義之條文,並提出修訂建議供參考,不當之處,尚請不吝指正。

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照片1 鋼結構與鋼筋混凝土相互干擾之一

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照片2 鋼結構與鋼筋混凝土相互干擾之二

二、規範探討
現行“鋼骨鋼筋混凝土設計規範與解說(以下簡稱SRC規範)”中,有甚多條文編訂時考慮欠周,致部分條文存有安全性不足或施作困難等疑慮,玆列舉探討如下:
1.“SRC規範”第 8.6.2.1.節:「鋼骨鋼筋混凝土梁之主筋續接應距柱之混凝土面 1.5 倍之梁深以上」。但現行“混凝土設計規範與解說”第15.4.2.3.節規定:「 受撓鋼筋之搭接必須於搭接範圍配置閉合箍筋或螺箍,此橫向鋼筋之最大間距不得大於d / 4或10 cm。搭接不得用於:(1)構材接頭內,(2)距接頭交接面2倍構材深度以內範圍,及(3)分析顯示由構架非彈性側向變位所引起撓曲降伏之位置」。因此“SRC規範”對梁之搭接位置,距「柱之混凝土面 1.5 倍之梁深處」,可能有部分落於塑鉸區,且SRC結構外層混凝土被芯部鋼骨隔開,較易產生裂損或易剝離、剝落。但SRC規範卻未如混凝土結構設計規範第15.4.2.3.節規定,「需於搭接段及塑鉸區提供緊密圍束,防止受壓主筋挫屈」之規定。
2.“SRC規範”8.6.2.2.節規定:「鋼骨鋼筋混凝土柱之主筋續接應距梁之混凝土面 500mm 以上,且任一斷面之主筋續接面積百分比不得大於 50%。又,8.6.2.4.節規定:「 鋼骨鋼筋混凝土柱在基礎處主筋之續接位置應在基礎版上方一倍鋼骨柱寬以上,且不小於 500mm。但現行“混凝土設計規範與解說”第15.5.3.2.機械式續接器須符合第15.3.6.3與15.3.6.4節之規定,銲接續接則須符合第15.3.6.1.與15.3.6.2.節之規定。鋼筋之搭接僅容許於構材淨長之中央1/2內,並應考慮為拉力搭接,此外並應配置符合第15.5.4.2與15.5.4.3節之橫向鋼筋」。由SRC規範對柱主筋相關續接及圍束之規定,對於位於柱外周之主筋過於寬鬆,恐不符耐震設計規範對地震力訂定之精神。
3.現行“SRC規範”4.3.3.節規定:『 1.矩形斷面之鋼骨鋼筋混凝土柱,至少應於斷面四個角落各配置一根主筋。一般柱內之主筋排列,以在每個角落各配置三根主筋為原則。主筋不宜配置於鋼柱翼板之上下方或左右兩側,以免主筋在梁柱接頭處受到梁內鋼骨阻擋而無法連續通過梁柱接頭。2.鋼骨鋼筋混凝土柱中之主筋間距不得大於 300 mm。若主筋間距大於300 mm時,則須加配 D13以上之軸向補助筋,補助筋可以不用錨定,且補助筋應不計其對柱強度之貢獻』。但SRC規範並未規定輔助筋是否須隔根以耐震繫筋鉤住,SRC柱之RC部分位於柱之外圍,其中心被鋼骨隔開,厚度一般僅約為15公分,其圍束狀況沒有比RC柱具整整圍束性更佳,很容易爆裂,SRC規範不但未注意到柱混凝土圍束的問題,亦未注意到柱主筋挫屈的防止,而未以耐震繫筋鉤住。且ACI318-14第18.7.5.2.(f).甚至規定:「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,且柱主筋間距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」。現行“混凝土結構設計規範與解說”第13.9.5.3 節亦規定:「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有轉角之橫箍作橫向支承;該內轉角不得大於135°;主鋼筋無橫向支承者至有橫向支承者之淨距不得大於15 cm。主鋼筋排列成圓形時,可用全圓形橫箍」。由此顯見現行“SRC規範”已不符最新混凝土結構規範之規定。

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5.現行“SRC規範”第8.6.2.5.節規定:「鋼骨鋼筋混凝土梁之主筋錨定於柱內時,受張力之鋼筋應以超過柱中心線再彎折錨定為原則。梁之主筋錨定於梁柱接頭內時,主筋須超過柱中心線,且鋼筋之水平直線部分須深入柱混凝土面10倍主筋標稱直徑以上,90度彎鉤應直線延伸12倍主筋 標稱直徑以上」。且SRC設計規範第8.5.1.1.節又有規定:「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」。由前述規定梁主鋼筋僅埋入梁柱接頭內至中心線,將出現埋入深度嚴重不足的現象。筆者對維冠金龍大樓倒塌模式的觀察,一樓外柱集力梁之接頭處有「梁主鋼筋僅埋入梁柱接頭內」之埋入深度不足,地震時梁之錨定筋將柱主筋拉彎突出柱面,研判是維冠金龍大樓發生倒塌的主要原因之一(見照片3)。現行“混凝土結構設計規範與解說”第15.6.1.3節規定:「梁縱向鋼筋終止於柱內時,應延伸至柱圍束核心區之另一面,其拉力筋之錨定應按第15.6.4節之規定,壓力筋之錨定應按第五章之規定」。二者對梁主筋在梁柱接頭內之錨定規定,其相異之大有如有天壤之別。梁端主筋錨定入梁柱接頭內,若未延伸至柱圍束核心區之另一面,則對梁柱接頭彎矩之力系平衡無法達到桁架模式;對集力梁軸拉力之平衡,亦無法達到足夠之錐狀拉破強度。筆者認為“SRC規範”第8.6.2.5.節之規定,有影響結構安全,考慮欠周之嫌。

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照片3 梁主筋錨定深度不足造成柱主筋受拉彎出
6.現行“SRC規範”第8.5.1.1.節規定:「鋼骨鋼筋混凝土梁柱接頭處之梁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」。

筆者考量「梁柱接頭區不同材料間力系互傳及平衡需求,以及耐震結構系統傳力路徑完整性」,在梁柱接頭區有或多或少的力量在鋼筋混凝土構架與鋼骨構架間互傳。鋼筋則因表面有竹節,可提供握裹力。依據現行“混凝土結構設計規範與解說”第15.6.1.4.節規定:「當梁主筋貫穿梁柱接頭時,若使用常重混凝土,則平行於梁主筋方向之柱尺寸不得小於最大梁主筋直徑之20倍,若使用輕質混凝土,則上述之柱尺寸不得小於最大梁主筋直徑之26倍」。其解說中亦說明「許多研究指出,在承受反覆彎矩作用下,梁柱接頭內直的梁主筋可能滑移,其握裹應力可能很大。為顯著降低梁塑鉸旁梁柱接頭內主筋之滑移,柱尺寸須達梁主筋直徑的32倍,如此將使接頭過大。檢視試驗資料後,規範取平行於梁主筋方向之柱尺寸不得小於最大梁主筋直徑之20倍,若使用輕質混凝土,則為26倍」;而鋼骨表面為光滑面,若未提供足夠的剪力錨定設施,無法提供足夠的握裹力。即使有些情況混凝土與鋼骨間可藉由鋼骨之鋼板轉角處之錨定效果,及桁架力系模式來傳遞鋼筋與鋼骨間所需轉傳之力,但其效果不但有限又不明確。且鋼板轉角處之錨定作用會使鋼板產生面外之力及面外變形,而致外周混凝土龜裂、剝離或剝落。因此筆者認為,第8.5.1.1節之規定,雖解決了一部分鋼筋排紮的施工的問題,但對「梁柱接頭區不同材料間力系互傳及平衡之需求,以及耐震結構系統傳力路徑之完整性」不但毫無幫助,反而可能帶來無限的災害。因此筆者認為“SRC規範”第8.5.1.1節應修改為:「鋼骨鋼筋混凝土梁-柱接頭處之主筋,應以鋼筋續接器銲於鋼柱二側以續接主筋,儘量避免以直接通過接頭為原則。」。第8.5.1.1.(2)節應可修改為:「以鋼筋續接器銲於鋼柱翼板上續接主筋時,須在鋼柱內與主筋同一水平面處設置適當之水平連續板。」。第8.4.1.2.(2).建議修改為:「鋼骨鋼筋混凝土梁柱接頭處,梁之主筋應以鋼筋續接器銲於鋼柱翼板或腹板上之二側續接主筋,梁之主筋若以連續通過梁柱接頭,除非於鋼柱表面設置足夠數量之剪力連接器,可將梁主筋之拉力傳遞進入鋼骨,或經過適當檢核,否則直接通過梁-柱接頭之梁主筋,不得視為具有傳遞梁與柱間彎矩之功能」。
三、結語
綜合以上探討,發現現行“SRC規範”參考日本規範,其對構材設計的較寬鬆規定,卻使用國內考量韌性效果而採用較小設計地震力之規定。又部分條文,似未了解「梁柱接頭力系平衡及耐震系統傳力路徑完整性」之內涵,而規定「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」。筆者認為此種觀念,不符合合成結構之力系平衡需求、及耐震系統傳力路徑完整性的安全基本要求,設計者若不明就裡而盲目依該二條規定設計梁柱接頭,恐導致傳力不順,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案例。
鋼骨鋼筋混凝土結構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結構之建築物略有增加。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,而常有下降的情況發生。因此有關SRC結構之耐震性能之設計與施工品質,影響建築物耐震能力甚巨。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。
鋼筋續接器的研究發展演進與銲接技術的進步,使得「鋼骨鋼筋混凝土結構之設計與施工變為安全且輕易可行。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。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,因此鋼筋續接器的品質檢驗及品質管制必須非常審慎。

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