Q&A | RC柱箍筋設計

作者：陳正平 技師

【問】RC柱箍筋設計

　　前版《混凝土結構設計規範》第15.5.4.1節中規定「橫向鋼筋應按…規定配置，惟不得小於第15.5.5節(剪力強度要求)規定之橫向鋼筋量【註：現行設計規範似有遺漏】。軸壓力產生之爆開力在圍束箍筋內之張力必須保持平衡(見圖二(a))所示；剪力所需之箍筋為另一組平衡系統(見圖二(b) 所示)，二組平衡系統理論上應各自獨立存在以滿足平衡條件。設計規範規定容許「柱圍束箍筋量」與「柱剪力強度需求」，僅擇大者配置而不是採二者疉加配置，請問理由為何?

【答】

　　受壓構材所配置之橫向箍筋，其功能就如同一個鋼桶內裝滿了砂，當砂承受荷重時，砂的側向壓力作用於桶壁使其產生環向張力(見圖一)，隨著荷重之增加，環向張力增至極大，最後鋼桶發生爆開現象（此時鋼桶之圍束力未包含額外承受之剪力），故圍束箍筋之配置並沒有預留承受「柱剪力強度需求」所需箍筋之餘裕；另從剪力鋼筋量需求的角度而言，若設計結果為剪力鋼筋控制，則所配置的剪力箍筋僅能滿足剪力需求，顯然沒有預留供「柱核心圍束」需求之橫箍筋量。再由柱段承受軸力及剪力之自由體(見圖二所示)顯示，軸壓力產生之爆開力在箍筋內之張力必須保持平衡，才能達到圍束柱核心之目的 (見圖二(a))；剪力所需之箍筋為另一組平衡系統(見圖二(b))，二組平衡系統理論上應各自獨立存在以滿足平衡條件。

　　因此受壓構材在軸力與剪力均較大之情況下，箍筋取大者配置，可能有些情況會有偏不安全之情形，但柱構材在軸壓力與剪力同時作用下其「壓-剪」聯合作用之力學模式非常複雜，且柱之承載能力受到「軸壓-彎矩」(P-M)曲線控制、柱核心斷面積佔全斷面積之比例、柱之斷面尺寸及高度(影響柱端塑鉸產生剪力大小)等因素所控制，故其影響並非如同圖二所示之簡化模式那麼單純。另規範所要求之圍束箍筋量及剪力容量設計之箍筋量，均為在安全要求而採用之「可能之極限狀況」，例如柱在純軸壓作用下外殼全數剝落，亦或塑鉸機制全部發展之剪力強度需求，以及第18.4.5.5節規定：「於第18.4.5.1節所規定長度ℓｏ 範圍之外，除非第18.4.4.3節或第18.4.6節另有要求較多 之橫向鋼筋量，否則柱應採用符合第25.7.3節規定之螺箍筋或第25.7.2節與第25.7.4 節規定之閉合箍筋與繫筋，其間距s應不超過15cm、柱最小fy = 4,200 kgf/cm2 縱向鋼筋直徑之6倍、最小fy = 5,000 kgf/cm2 縱向鋼筋直徑之5.5倍與最小fy = 5,600 kgf/cm2 縱向鋼筋直徑之5倍之最小值」。這些假想情況並非按結構分析而得之預計值，因此若逕行將圍束箍筋與剪力筋直接疊加就會太保守。

　　在工程實務上柱構材在剪力較大情況下(亦即剪力産生之彎矩較大)，柱軸壓力亦同時較大之情況不易發生。現行《建築物混凝土結構設計規範》第18.4.5.1節之解說中特別提醒『於撓曲降伏通常會發生之柱兩端，本節規定配置密集橫向鋼筋之最小範圍。研究顯示如建築物底層 柱底，其軸力與彎矩需求特別高，橫向鋼筋配置之長度範圍宜增加50%或更多 (Watson等人 1994)』。故在設計實務上若欲確保結構物安全性及免除設計者之責任，宜針對「壓力及剪力」均較大之少部分柱構材依實際軸壓力與實際剪力及扭力來檢核柱構材之總箍筋量並酌予加強。再者，當豎向構材用於未承受軸力或承受較小軸力之情況(例如擋土排樁)，此時可將既有橫箍筋量部份或全部兼用來承受剪力。