作者:陳正平 技師
現行《鋼骨鋼筋混凝土結構設計規範與解說》(SRC規範)多參考日本相關規範訂定,其部分設計理念係建立於較高設計地震力水準之基礎上,對構材韌性與耐震細部設計要求相對較為寬鬆。然而,我國耐震設計規範已採用較低之設計地震力,並透過強柱弱梁、容量設計及耐震細部設計等規定確保結構韌性與耐震性能。因此,SRC規範中部分沿襲自日本規範之條文,若未配合我國耐震設計理念重新檢討,可能產生與現行混凝土結構設計規範不一致,甚至影響結構安全之疑慮。
本文針對現行SRC規範部分條文進行檢討,並從力學原理、梁柱接頭受力機制、傳力路徑完整性、鋼筋發展與錨定、主筋防止挫屈、混凝土圍束需求及耐震細部設計等觀點加以分析。研究發現,部分條文對梁柱接頭之應力傳遞機制、梁柱主筋續接位置、梁主筋於接頭內之錨定長度、鋼筋與鋼骨間之力流轉換,以及柱構材之圍束與主筋側向支撐等重要耐震行為,未能充分反映現代耐震設計之基本原則。
其中,現行規範所採「梁主筋直接穿越鋼柱接頭,並避免以鋼筋續接器銲接於鋼柱翼板」之設計原則,可能無法充分滿足梁柱接頭區不同材料間之力流轉換需求,亦可能削弱耐震系統傳力路徑之完整性,值得進一步檢討。此外,部分有關梁、柱主筋搭接、圍束箍筋及接頭細部設計之規定,相較於現行《建築物混凝土結構設計規範與解說》亦有較為寬鬆之情形,可能造成設計與施工實務上之誤解與誤用。
本文提出若干具體修正建議,包括強化梁柱接頭區之傳力機制設計、明確規範鋼筋續接與錨定要求、增訂主筋防挫屈及混凝土圍束規定,並建議SRC規範與現行鋼結構及混凝土結構耐震設計規範進行整合與檢討。期能提升SRC結構之耐震性能、構造合理性及整體安全性,作為未來規範修訂之參考。
關鍵詞:鋼骨鋼筋混凝土、SRC結構、梁柱接頭、傳力路徑、鋼筋錨定、圍束箍筋、耐震設計、主筋挫屈
我國《鋼骨鋼筋混凝土結構設計規範與解說》(以下簡稱SRC規範)於民國93年4月26日發布施行,其後僅於民國100年進行部分條文修正,自此迄今尚未進行全面性檢討與修訂。近二十年來,國內外耐震工程設計理念、結構分析技術及施工工法均有顯著進展,鋼結構與鋼筋混凝土相關規範亦歷經多次修訂。例如,美國鋼結構規範由ANSI/AISC 360-10發展至ANSI/AISC 360-22,對鋼與混凝土合成構件之設計理念及設計方法均有相當程度之更新;國內《建築物混凝土結構設計規範與解說》亦歷經數次修訂,對耐震細部設計、構件韌性及接頭區設計等規定均有更完整之要求。
SRC結構兼具鋼結構與鋼筋混凝土結構之特性,其設計除須考量鋼骨與鋼筋混凝土各自之受力行為外,更須重視不同材料間之力傳遞機制、接頭區受力平衡及耐震系統傳力路徑之完整性。因此,SRC結構之耐震性能除取決於構件強度外,亦與梁柱接頭細部設計、鋼筋續接方式、鋼筋錨定長度、混凝土圍束效果及施工品質等因素密切相關。
現行SRC規範部分內容係參考日本SRC設計規準制定。然而,日本與我國之耐震設計理念、設計地震力及規範架構並不完全相同。日本規範部分條文係建立於較高設計地震力與不同韌性設計假設之基礎上,而我國則採用另一套耐震設計哲學與設計程序。因此,部分條文於引用或轉換過程中,其適用性及與現行國內耐震規範間之協調性,值得進一步檢討。
近年來,筆者於工程設計實務及特殊結構審查過程中,發現部分SRC規範條文在實際應用時,對梁柱接頭受力傳遞、鋼筋續接與錨定、主筋側向支撐、混凝土圍束及接頭區構造細節等事項,存在不同解讀情形,亦有若干條文與現行混凝土結構耐震設計規定之要求有所差異。此類差異是否影響構件韌性、接頭區耐震性能及整體結構安全,值得進一步分析與探討。
基於上述背景,本文針對現行SRC規範部分條文進行檢討,並與現行混凝土結構設計規範之相關規定加以比較,從力學原理、構件受力行為、耐震設計需求及工程實務等角度探討其合理性與適用性。同時提出若干修正建議,供未來規範檢討與修訂參考,以期提升SRC結構之耐震性能、施工品質及整體結構安全。
筆者曾接獲多位土木及結構技師反應於特殊結構委外審查會中被要求必需依照現行《鋼骨鋼筋混凝土結構設計規範與解說》有結構安全疑義的條文修改,造成設計者甚為困擾。
因此現行「鋼骨鋼筋混凝土設計規範與解說」面臨須大幅修訂,本文探討現行「鋼骨鋼筋混凝土設計規範與解說」部分不合力學原理、與相關範衝突,或存有結構安全疑義之條文,並供工程師參考,並提出建議供規範修訂參考,不當之處尚請不吝指正。
現行《鋼骨鋼筋混凝土結構設計規範與解說》(以下簡稱SRC設計規範)中,有甚多條文編訂時考慮欠周,致部分條文存有結構安全性不足或施作困難等疑慮,玆列舉探討如下:
2.1 鋼梁與鋼柱接頭之連續板與内隔板設計:
SRC設計規範第8.4.1節(接合處之應力傳遞):『接合處之應力傳遞 1.剪力之傳遞 ……2.彎矩之傳遞 (1) 鋼骨部分鋼梁與鋼柱之接合設計應能使梁翼板之拉力或壓力順利傳遞至鋼柱上。在鋼柱中與鋼梁翼板同高處,應配置適當之柱內或柱外連續板,以傳遞梁翼板傳入之水平力』。
SRC設計規範第8.4.1節未敍明連續板所需強度與厚度及寛度(見圖1),因國内CNS所提供之結構型鋼斷面種類非常有限,與美國大都採用熱軋H型鋼不同,因此對連續板的所需強度與厚度及寛度等要項應予規定清楚,以防誤用致生工程災害事故。再者,國内房屋建築物較少使用H型柱,大多數為採用箱型柱。因此會採用連續板與內隔板二種情況:H型柱應於梁翼板高程設置連續板,箱型柱應於梁翼板高程設置內隔板。連續板或內隔板之設置,應符合以下之規定:
(a) 連續板及內隔板之寬度
(1) 採用H型鋼柱時,連續板寬應自柱腹板延伸至少至梁翼最外緣位置。
(2) 採用箱型柱時,內隔板應與四周柱板相接。
(3) 梁翼板之應力須能平順傳遞至內隔板。
(b) 連續板及內隔板之厚度
(1) 採用H型鋼柱時,連續板之厚度應不小於與柱採彎矩接頭相接梁之翼板厚度較大者。連續板之寬厚比並須符合算式1之限制,其中E=鋼材彈性模數=2,040 tf/cm2 ;b=自柱腹板至連續板最外緣之寬度,cm。
(2) 採用H型鋼柱時,當連續板之有效寬度小於梁寬,連續板應增加厚度使其具有足夠強度。連續板之有效斷面積,須考慮避銲孔或截角或銲道退縮等情況,致有效斷面積減小的問題。
(3) 採用箱型柱時,內隔板之厚度考量部分位置受電熱熔碴銲(ESW)銲接背襯板阻礙、及柱板二側之内隔板與梁翼板間存在板位差等情形,内隔板厚度應不小於與柱採彎矩接頭相接梁之翼板厚度之較大者,且需≧25mm(供ESW用)。這也是為了降低因板位高差錯位而產生額外偏心彎矩的影響。內隔板之寬厚比並須符合算式2之限制。其中,E=鋼材彈性模數=2,040 tf/cm2;b=與梁相接側之箱型柱柱寬。填充型箱型之內隔板不需檢核寬厚比。
【註:與柱相接之梁翼板高程不同時,每一梁翼板均須有對應的連續板或內隔板,且連續板或內隔板應有足夠之間距以確保銲接施工性。】
【註】 算式1:
算式2:
(c) 連續板之銲接
(1)當柱翼板兩側分別與梁翼板及連續板連接時,柱翼板與連續板間應使用全滲透槽銲道連接;若柱翼板外側未與梁翼板連接時,柱翼板與連續板間得使用部分滲透槽銲道或雙邊填角銲道連接。
(2)連續板與柱腹板及疊合板間應使用槽銲道或填角銲道連接,銲道總需求強度為連續板兩端梁翼板可用拉力強度之總和。
(d) 內隔板之銲接
內隔板與柱板間應使用全滲透槽銲道連接。
圖1 「十」形柱之梁柱接頭示意圖
2.2 梁之主筋續接:
SRC設計規範第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」。但國内全部地區均屬於地震帶,均須依SRC設計規範第9.5.3節(梁之設計細則)第2項第(3)款之規定:「鋼骨鋼筋混凝土梁之主筋除非在搭接處全長配置閉合箍筋,否則 不得搭接。搭接處之箍筋間距不得大於 100mm 或四分之一梁斷面深度。此外,以下三種位置不可搭接:(i) 構材接頭內;(ii) 接頭交接面起算兩倍梁深內;(iii) 可能產生塑鉸處」,以及第3項第(1)款亦有規定:「在梁柱接頭交接面兩倍梁深內及可能發生塑鉸處左右各兩倍梁深 須配置閉合箍筋。第一個閉合箍筋須配置在距梁柱接頭交接面 50mm 以內。閉合箍筋之間距不得超過:(i) 四分之一梁斷面有效深度;(ii) 八倍最小主筋直徑;(iii) 24 倍閉合箍筋直徑;(iv) 300mm」。
因SRC規範第 8.6.2.1.節對梁之搭接位置距「柱之混凝土面1.5倍之梁深處」,可能有部分搭接長度位於塑鉸區範圍内,且SRC構材之外層混凝土被芯部鋼骨光滑面隔開,較易產生裂損或剝離及剝落等現象。既然國内全部屬於地震帶,建議SRC設計規範第 8.6.2.1.節應予刪除,以避免發生誤解或誤用的情形。又,前述第9.5.3節(梁之設計細則)第2項第(3)款及第3項第(1)款,均未對閉合箍筋予以定義,因有甚多專家學者均以為只需外閉合箍筋圍束即可,無需隔根以耐震彎鉤鉤住,依據現行《建築物混凝土結構設計規範與解說》第18.3.4.2節有定義:『在需要閉合箍筋之範圍內,最靠近拉力側與壓力側表面之主要縱向鋼筋須有符合第 25.7.2.3節……之側向支撐。具橫向支撐之撓曲鋼筋,其間距不應大於35 cm。依據第9.7.2.3節配置之表層鋼筋不需橫向支撐(見圖2)』,第25.7.2.3節:『直線構成之箍筋,其配置應符合(a)及(b)之規定: (a) 每個角隅及每隔一根之縱向鋼筋,應有箍筋圍繞以提供橫向支撐,其內轉角不 得大於135°。(b) 無橫向支撐鋼筋沿箍筋方向至兩側有橫向支撐鋼筋之淨距均不得大於15 cm』,及第18.3.3.3節:「若於搭接範圍配置閉合箍筋或螺箍筋,則應允許竹節縱向鋼筋之搭接。此圍封搭接鋼筋之橫向鋼筋最大間距應不大於d/4與10 cm之較小值……」。且第18.3.3.3節規定:「圍封搭接鋼筋之橫向鋼筋最大間距應不大於d/4與10 cm之較小值」,而非SRC設計規範第9.5.3節(梁之設計細則) 第2項第(3)款中所述「100mm或四分之一梁斷面深度」。
現行《建築物混凝土結構設計規範與解說》亦規定梁之縱向鋼筋在下列情況下須以繫筋隔根鉤住:
(1)第9.7.6.4.1節:『橫向鋼筋應設置於整個需要縱向受壓鋼筋之範圍,縱向受壓鋼筋之側向支撐應 依照第9.7.6.4.2 節至第9.7.6.4.4 節之規定設置閉合肋筋或閉合箍筋』。梁中受壓鋼筋宜以橫向鋼筋圍繞,以防止挫屈。
(2)第9.7.6.4.2 節:『橫向鋼筋之尺度應至少為(a)或(b),得使用相等面積之麻面鋼線或銲接鋼線網。 (a) 對於縱向鋼筋為D32及較小者:D10。 (b) 對於縱向鋼筋為D36及較大者與縱向成束鋼筋:D13』。
( 3)第9.7.6.4.3節:『橫向鋼筋之間距不得超過(a)至(c)之最小者: (a) 縱向鋼筋直徑之16倍(16db); (b) 橫向鋼筋直徑之48倍(48db); (c) 梁之最小尺度』。
(4)第9.7.6.4.4節規定:『縱向受壓鋼筋之配置,應使得每一角隅鋼筋及每隔一根受壓鋼筋,由夾角不大於135°之橫向鋼筋圍繞。且沿著橫向鋼筋每邊,任何未受圍繞之縱向鋼筋與 受圍繞縱向鋼筋之淨距不得超過15cm」。
由以上規定顯示,梁之縱向鋼筋受壓時,不但須配置箍筋,且須使得每一角隅鋼筋及每隔一根受壓鋼筋,由夾角不大於135°之橫向鋼筋圍繞。且沿著橫向鋼筋每邊,任何未受圍繞之縱向鋼筋與受圍繞縱向鋼筋之淨距不得超過15cm。然而鋼骨鋼筋混凝土梁之主筋均位於構材之外周,當構材承受撓曲彎矩時,位於構材之主筋受壓後可能産生挫屈,但SRC規範並未規定須使得每一角隅鋼筋及每隔一根受壓鋼筋,由夾角不大於135°之橫向鋼筋圍繞。且沿著橫向鋼筋每邊,任何未受圍繞之縱向鋼筋與受圍繞縱向鋼筋之淨距不得超過15cm。
圖2 互相重疊閉合箍筋之範例與受支撐縱向鋼筋之最大水平間距
也常見有些專家學者認為SRC之力學行為與RC不同,無需依現行《建築物混凝土結構設計規範與解說》之規定,採隔根以耐震箍、繫筋鉤住。但筆者認為RC與SRC之力學行為相同,位於外周之縱向鋼筋受壓超過其挫屈強度時一定會挫屈。對鋼筋及接頭細節之些微改變,可顯著提高結構全面之整體性,增進結構體之贅餘度及韌性,當主要支承構件發生損傷或不正常載重事件時,其損傷可能被侷限且結構體將有較高可能性維持整體穩定。雖然某些實驗試體中縱向鋼筋沒有出現挫屈現象,應該只是因個別試體之設計過度保守,或斷面中之鋼骨所站比例較高所致,不能以試體個案的試驗結果下定論作為通案原則,否則豈不材料力學的挫屈原理不就需修改?
2.3 鋼骨鋼筋混凝土柱之主筋續接:
SRC設計規範第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,第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」。但國内全部屬於地震帶,均須依SRC設計規範第9.6.3節第2項第(2)款規定:「主筋之搭接僅容許在柱中央之一半構材長度內進行,且須以拉力搭接設計之,搭接長度內應配置適當之圍束箍筋」。既然國内全部屬於地震帶,建議SRC設計規範第 8.6.2.1.節應予刪除,以避免發生誤解或誤用的情形。
再者,SRC設計規範第9.6.3節第2項第(2)款規定:「……搭接長度內應配置「適當之圍束箍筋」。卻未對「圍束箍筋之型式」予以定義。依據現行《鋼骨鋼筋混凝土結構設計規範與解說》第18.4.4.3節規定:「……搭接續接僅容許於構材長度之中央1/2內,並應設計為拉力搭接,且應被圍封於符合第18.4.5.2節與第18.4.5.3節之橫向鋼筋內」。其中,第18.4.5.2節規定:「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圍繞於外周之縱向鋼筋;(c) 在第25.7.2.2節(縱向鋼筋不大於D32,箍筋之直徑應為D10)規定之限制下,繫筋應可使用與閉合箍筋同尺度或較小之鋼筋。沿著縱向鋼筋與沿著斷面周邊,相鄰繫筋端部應交替;(d) 直線型閉合箍筋或繫筋應按第25.7.2.2節與第25.7.2.3節(每個角隅及每隔一根縱向鋼筋,應有箍筋角隅提供橫向支撐,沿著箍筋方向之無橫向支撐鋼筋至有橫向支撐鋼筋的淨距不得大於15cm)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¢ > 700 kgf/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繫筋彎轉段所提供之側向支撐,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」。第18.4.5.3節規定:「橫向鋼筋之間距應不超過(a)至(e)之最小值:(a) 柱最小尺度之1/4。 (b) 對fy = 4,200 kgf/cm2 鋼筋而言,6倍最小縱向鋼筋直徑。 (c) 對fy = 5,000 kgf/cm2 鋼筋而言,5.5倍最小縱向鋼筋直徑。 (d) 對fy = 5,600 kgf/cm2 鋼筋而言,5倍最小縱向鋼筋直徑。 (e) so,如下式計算,式中之so值應不超過15cm ,亦不須小於10cm」。
位於柱外周之縱向主鋼筋,其力學行為不論柱中心有無鋼骨存在,均與RC柱相同,不應降低續接及圍束之安全標準。由SRC設計規範對柱主筋相關續接及圍束之規定,顯示對位於柱外周之主筋過於寬鬆,恐不符我國耐震設計規範對地震力訂定之精神及結構安全需求。
2.4 包覆型鋼骨鋼筋混凝土柱之主筋束制:
現行SRC設計規範第4.3.3.節規定:「…… 2. 鋼骨鋼筋混凝土柱中之主筋間距不得大於300mm。若主筋間距大於300mm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設計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,柱中心被鋼骨隔開,厚度一般僅約為15公分,其圍束狀況沒有比RC柱更佳,很容易爆裂,SRC規範不但未注意到對柱混凝土的圍束需求問題,亦未注意到柱主筋挫屈的防止,而未以耐震繫筋鉤住。又,SRC設計規範第9.6.3節第3項第(4) (i)款規定:「包覆型鋼骨鋼筋混凝土柱內應視需要配置適當之繫筋以協助固定主筋及提供混凝土適當之圍束」。規範條文僅要求「視需要配置適當之繫筋以協助固定主筋及提供混凝土適當之圍束」,其中「視需要」配置「適當之繫筋」及「適當之圍束」標準為何?均未規定,因柱心受鋼骨柱阻擋而無法配置鉤住主筋之繫筋,因而防止主筋挫屈及提供圍束混凝土之措施不足,建議以接力式繫筋方式(接力式繫筋掛鉤座見圖3)依照現行《建築物混凝土結構設計規範》第18.4.5節之規定,針對混凝土圍束及防止鋼筋挫屈等提供圍束(見圖隔根鉤住主筋圍束(見圖4)。
圖3 接力式繫筋掛鉤座
圖4 柱橫向鋼筋配置例示意圖
2.5 柱之箍筋間距
現行SRC設計規範第4.3.5.3.節規定:「柱之箍筋使用D10時,其間距不得大於150mm;當使用較大直徑之箍筋時,可適量增大間距,惟不得超過200mm」。雖然SRC設計規範第9.6.3節(柱之設計細則)第3項第(3)(i)款有規定:「圍束區之圍束箍筋間距不得超過柱短邊的1/4或150mm,且不得大於柱主筋直徑之六倍。」,及3項第(4)(i)款有規定:「包覆型鋼骨鋼筋混凝土柱內應視需要配置適當之繫筋以協助固定主筋及提供混凝土適當之圍束」。然而國内全部均屬地震帶,建議SRC設計規範第4.3.5.3節應予刪除,以避免發生誤解或誤用的情形。又,前述第9.6.3節(柱之設計細則)第3項第(3)(i)款及(4)(i)款對箍、筋間距之規定,及對「適當之繫筋以協助固定主筋及提供混凝土適當之圍束」,均未明定或與現行《建築物混凝土結構設計規範》相較,有過於寛鬆的情形。
SRC柱與RC柱之主筋均相同位於柱之外周,均須承受設計軸壓力,且主筋受壓達挫屈強度均有挫屈之疑慮,因此均須以本文2.3節所述之箍、繫筋隔根鉤住,以防止鋼筋挫屈及混凝土爆裂。二者之力學功能需求完全相同,但二者之設計規範對柱之箍筋間距却差異甚大。依據AISC 341-22及新版《鋼結構設計規範》草案(民國115年6月)有關「高韌性合成桿件」規定:『具高韌性需求之包覆型合成柱之橫向鋼筋應符合「建築物混凝土結構設計規範」第18章之耐震箍筋細部要求』。
2.6 鋼骨鋼筋混凝土梁主筋之柱內錨定:
現行SRC設計規範第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。」。
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。依據筆者對2016年2月6日高雄美濃地震台南市永康區維冠金龍大樓倒塌模式的觀察,一樓梁接入外柱内之梁主筋,埋入外柱内之深度疑有不足,地震時梁之錨定筋出現將柱主筋拉彎突出柱面的現象,研判是維冠金龍大樓發生倒塌的主要原因之一(見圖5)。現行《建築物混凝土結構設計規範》第18.5.2.2節規定:「縱向鋼筋終止於接頭內時,應延伸至接頭核心區之另一面,且應按第18.5.5節之規定 發展其受拉強度,以及按第25.4.9節之規定發展其受壓強度」。現行《建築物混凝土結構設計規範》與現行SRC設計規範對梁主筋在梁-柱接頭內之錨定規定,其相異之大有如有天壤之別。蓋梁端主筋錨定入梁-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與柱主筋及對角壓桿三力平衡模式;對梁軸拉力之平衡,亦無法達到足夠之錐狀拉破強度或抗剪強度。筆者認為SRC設計規範第8.6.2.5.節之規定,有考慮欠周影響結構安全之嫌。因此建議應參照現行《建築物混凝土結構設計規範》第18.5.5節之規定修正,以避免發生誤解或誤用致生工程災害的情形。
圖5 建物傾倒後梁主筋錨定深度不足造成柱主筋受拉彎出
2.7 鋼骨鋼筋混凝土梁柱接頭處梁主筋直接通過接頭:
現行SRC設計規範第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。」。
但筆者考量「梁-柱接頭區不同材料間力系於梁主筋與鋼骨柱腹板間互傳及平衡之需求,以及耐震結構系統傳力路徑之完整性」,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《建築物混凝土結構設計規範》第18.5.2.3節規定:「當縱向梁鋼筋貫穿梁柱接頭時,若使用常重混凝土,則平行於梁縱向鋼筋方向之接頭深度h應至少為(a)至(d)之最大值: (a) fy = 4,200 kgf/cm2 縱向鋼筋最大直徑之20倍,對輕質混凝土而言,λ= 0.75,對所有其他情形而言,λ=1.0。 (b) fy = 5,000 kgf/cm2縱向鋼筋最大直徑之23倍。 (c) fy = 5,600 kgf/cm2縱向鋼筋最大直徑之26倍。 (d) 任何構入接頭且在所考慮方向上作為抵抗地震力系統一部分而產生接頭剪力梁之h/2……。」;然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(見圖6),縱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,及拉壓桿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,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」不但效果有限或不明確,可能帶來災害。SRC設計規範第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柱板上來續接主筋,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或柱內橫隔板,(見圖6及圖7)」。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柱板上以續接主筋。梁之主筋若連續通過梁-柱接頭,須於鋼柱表面設置足夠數量之剪力連接器,或經過適當檢核可將梁主筋之拉力傳遞進入鋼骨」。
圖6 鋼骨表面為光滑面無法提供足夠的握裹力
圖7 以鋼筋續接器銲於鋼柱翼板上續接主筋
2.8 SRC柱高度圍束區混凝土斷面積Ahcc 之定義:
現行SRC設計規範第9.6.3節第3項(柱之箍筋)第(1)項(圍束箍筋需求量)中,對高度圍束區混凝土之斷面積Ahcc之規定:
Ahcc=高度圍束區混凝土之斷面積,指鋼骨翼板所圍束之混凝土面積,若鋼骨為 H 型或 T 型斷面且對弱軸彎曲時,Ahcc 應取為零。惟Ahcc不得大於2500cm2。
此規定易被誤解為包覆型箱型斷面亦受「Ahcc不得大於2500cm2」之限制,建議修正為「Ahcc= 高度圍束區混凝土之斷面積,指鋼骨翼板所圍束之混凝土面積。若鋼骨為H型或T型斷面時,Ahcc不得大於2500cm2,且對弱軸彎曲時,Ahcc應取為零。」。
2.9 RC梁接入SRC柱接頭:
SRC設計規範第8.7節(構材斷面之轉換續接)第2項規定當設計鋼骨鋼筋混凝土柱與鋼筋混凝土梁相接時,為使應力傳遞平順,應使鋼筋混凝土梁之應力先傳遞至鋼骨鋼筋混凝土梁上, 再由鋼骨鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱相接合」。
但筆者認為,若為鋼筋混凝土梁係屬低強度構材接高強度構材,無需作多此一舉增加施工困難度及増加工程費之作法。以鋼筋續接器直接與鋼箱柱連接即可(見圖8)。且以鋼托梁轉接之力學模式並非如SRC設計規範第8.7節解説中所載之梁縱向(水平)力偶(見圖9)轉接模式為主,而是梁之横向(豎向)力偶為主(見圖10)。
圖8 鋼筋續接器直接與鋼箱柱銲接
圖9 SRC梁與RC梁以縱向力偶傳遞之示意圖
圖10 SRC梁與RC梁以横向力偶傳遞之示意圖
本文針對現行《鋼骨鋼筋混凝土結構設計規範與解說》部分條文進行檢討,並與現行《建築物混凝土結構設計規範與解說》及近年耐震設計理念進行比較分析。結果顯示,現行SRC規範部分條文係參考日本SRC設計規準制定,而日本規範係建立於較高設計地震力及不同設計哲學之基礎上;我國則採用較低設計地震力並配合較嚴格之韌性設計要求。因此,部分SRC規範條文在主筋續接、主筋錨定、梁柱接頭傳力、混凝土圍束及主筋防挫屈等耐震細部設計方面,與現行RC耐震設計規範之要求存在差異,值得進一步檢討其合理性及適用性。
本文檢討結果顯示,現行SRC規範部分條文對於梁柱接頭區之受力傳遞機制、不同材料間之力流轉換、接頭區力系平衡及耐震系統傳力路徑完整性等重要課題,尚有進一步明確化之空間。例如,梁主筋穿越鋼柱接頭、梁主筋柱內錨定長度、鋼筋與鋼骨間之傳力機制,以及接頭區連續板與內隔板之設計要求等,均涉及接頭區受力行為及耐震性能,宜透過理論分析、試驗研究及工程實務經驗加以驗證與修正。
此外,SRC構材外周縱向鋼筋之受力機制與RC構材外周縱向鋼筋本質上並無顯著差異,其受壓時均可能發生鋼筋挫屈,並影響構件延性及耗能能力。因此,在主筋續接、側向支撐、橫向圍束及塑鉸區細部設計等方面,宜參考現行RC耐震設計規範之相關規定,建立一致且明確之設計原則,以避免因規範解讀差異而產生設計與施工上的爭議。
另一方面,SRC結構兼具鋼結構與鋼筋混凝土結構之特性,其耐震性能除取決於構件強度外,更與接頭區細部設計、鋼骨與鋼筋之力傳遞機制、施工可行性及施工品質密切相關。近年來鋼筋續接器、銲接技術及施工工法已有顯著進步,對於鋼筋與鋼骨間之連接方式,亦有重新檢討與優化之空間。因此,相關設計規定宜從結構行為、施工品質及耐震性能等面向進行整體評估,而非僅以施工便利性作為主要考量。
綜合而言,現行SRC規範自民國93年公布迄今已逾二十年,期間國內外鋼結構、混凝土結構及耐震設計規範均有相當幅度之修訂與發展。本文所提出之各項議題與修正建議,主要目的在於促進相關條文之檢討與完善,使SRC規範能更充分反映現代耐震工程之設計理念、受力機制及施工需求,進一步提升我國SRC結構之耐震性能、施工品質與整體結構安全。
本文所提觀點與建議,尚有賴後續理論分析、試驗研究及工程實例驗證,以作為未來規範修訂之參考,並期能引發工程界對SRC結構設計細部與耐震性能之持續關注與討論。