強度疊加法之原理與特色

為了探討SRC構材強度之計算方法，我國SRC規範研究小組認為日本建築學會 (Architectural Institute of Japan，AIJ) SRC構造設計規範(2001)中所採用的強度疊加觀 念頗有參考價值，因此經過審慎討論後建議以「強度疊加法」(Strength Superposition Method) 作為SRC構材強度計算之基本架構。

「強度疊加法」主要的概念是先將SRC構材中之鋼骨部份與RC部份，分別參考

第二章 我國 SRC 構造設計規範之發展

國內工程師熟悉的美國AISC-LRFD鋼構造設計規範及ACI-318鋼筋混凝土構造設計 規範，計算出鋼骨部份與RC部份之個別強度之後，然後再將兩者疊加起來，以求得 SRC構材之整體強度。

如上節所述，由於目前我國所採用的鋼構造與RC構造設計規範主要是分別參考 美國AISC-LRFD及ACI-318設計規範而訂定，SRC構材強度之計算採用「強度疊加法」

將有助於使SRC構造設計規範結合營建署已頒佈的鋼構造與RC構造設計規範，使得 我國S、RC與SRC三種構造之設計規範互相連貫結合為一體。

有關強度疊加法的合理性，日本京都大學若林實教授(Minoru Wakabayashi, 1976) 曾針對此一問題進行深入的探討。基本上，由於 SRC 構材可以視為 S 構材與 RC 構 材之組合體。由於 SRC 梁、柱構材內部之鋼骨表面近似一光滑面，不同於竹節鋼筋 具有凸出的竹節，因此當 SRC 構材受力狀態在彈性範圍內時，鋼骨與混凝土之間尚 可維持黏結，惟當 SRC 構材受力狀態進入非彈性範圍時，鋼骨與混凝土之間則可能 產生滑動。

基於上述緣由，日本 AIJ-SRC 規範乃假設在極限狀態下，鋼骨表面與混凝土之 間的握裹力(Bond Force)可以保守的予以忽略，而此一假設係「偏向安全側」，亦有 考量 SRC 施工較複雜對構材強度影響之因素。

值得一提的是，日本 AIJ-SRC 規範自 1958 年發行第一版以來，直至最近 2001 年出版的 SRC 規範均維持採用強度疊加法的設計理念，顯示強度疊加法在 SRC 構 造設計與工程經驗上的實用性。

由於日本是世界上在 SRC 構造研究與實務經驗最先進的國家，因此我國 SRC 規範研究小組在探討「為何日本 AIJ-SRC 規範數十年來一直維持採用強度疊加法的 設計理念？」時，研究小組發現，強度疊加法除了可以合理略偏保守的計算出 SRC 構材強度之外，該法的另一項特色在於能夠使 SRC 構材之設計流程變得「更簡便與 具有彈性」。對設計者而言，採用強度疊加法進行 SRC 構材設計時，設計者可以選 擇(1)先決定鋼骨之尺寸，由鋼骨先負擔一部份之外力，剩餘之外力再由 RC 負擔；

或(2)設計者可以選擇先決定混凝土之尺寸與鋼筋量，由 RC 先負擔一部份之外力，

剩餘之外力再由鋼骨負擔。

雖然我國 SRC 規範採用的強度疊加法與日本 AIJ-SRC 規範所採用的簡單疊加法 (Simple Superposition Method)在概念上相近，不過在實際應用上仍然有以下差異﹕

第二章 我國 SRC 構造設計規範之發展

(1) 我國 SRC 規範採用的設計方法為極限強度設計法(USD)；而 AIJ-SRC 規範則 採用工作應力設計法(Working Stress Design, WSD)再輔以極限層剪力之檢核。

(2) 我國 SRC 規範將 SRC 構材中鋼骨與 RC 部份之強度，分別依照國內工程師熟 悉的 AISC 及 ACI 規範個別計算之後再予疊加，以求得 SRC 構材之強度。此 一方式與 AIJ-SRC 規範並不相同，AIJ-SRC 規範將 SRC 構材中鋼骨與 RC 部 份之強度，分別依照日本的鋼結構與 RC 規範求得後再予疊加，而日本的鋼結 構規範與 RC 規範與國內工程師熟悉的 AISC 及 ACI 規範有明顯的差異。由於 教育背景之因素，國內的工程師對於鋼結構與 RC 的設計仍以美國 AISC 與 ACI 規範作為主要的參考。對於國內大多數不熟悉日本規範的工程師而言，通常較 不易正確的運用日本的鋼結構與 RC 設計規範。

2.4 國外 SRC 相關規範之比較

有關 SRC 構造的名稱，在美國稱之為「合成構造（Composite Structure）」。目 前國內工程界對「SRC 構造」一詞的習慣稱呼主要沿襲日本的用法。

在美國與日本方面，與 SRC 構造相關的設計規範主要有（1）美國 AISC-LRFD 鋼構造設計規範，（2）美國 ACI-318 混凝土構造設計規範，（3）日本 AIJ-SRC 構造 設計規範。在上述規範中，其對於 SRC 構材之設計觀念可以概分為以下三大類：

第一類引用「鋼結構」設計方法，此法係將SRC構造中RC部份所提供的強度與 勁度轉換為相當的鋼骨來進行設計，例如美國AISC-LRFD鋼構造設計規範(1999)。

第二類使用「RC構造」設計方法，此法係將SRC構造中的鋼骨視為普通鋼筋來 進行設計，例如美國ACI-318混凝土構造設計規範(2002)。

第三類採用「強度疊加法」，此法係先將鋼骨部份及 RC 部份之強度個別分開依 照鋼構造規範與混凝土構造規範計算，然後再將兩者予以疊加，以求得 SRC 構材之 整體強度，例如日本 AIJ-SRC 構造設計規範(2001) ，日本 SRC 規範的全名為「鐵 骨鐵筋混凝土構造計算規準同解說」。

在上述的設計規範中，目前以日本 AIJ-SRC 構造設計規範較為完整，主要優點 在於日本具有較多的 SRC 工程實務經驗及研究成果，且該規範對 SRC 構造細則（如 SRC 斷面配筋、梁柱接合等）之規定較為明確。由於美國在 SRC 構造設計與實務方 面不如日本具有豐富的經驗，相關的研究成果也比較少，因此規範中與 SRC 構造相

第二章 我國 SRC 構造設計規範之發展

關的內容較為簡略。以下將針對美國與日本的 SRC 構造相關設計規範作簡要的介紹。

2.4.1 美國 AISC-LRFD 鋼構造設計規範

AISC-LRFD 規範對於 SRC 構造之設計方法基本上是延續鋼結構之設計理念，

將 SRC 構材中 RC 部份所提供的強度與勁度轉換成等值之鋼骨，再直接以鋼結構之 設計公式計算 SRC 構材之強度。

美國學者 Furlong (1968、1974)依據實驗資料並配合理論推導，提出了預 測鋼管及包覆型 SRC 構材強度的計算公式。Furlong 指出利用適當的「轉換係 數」將鋼筋與混凝土所提供的貢獻轉換為相當的鋼骨量，則純鋼柱及梁柱的設 計 公 式 依 然 適 用 於 SRC 構 材 ， 此 種 設 計 邏 輯 隨 後 被 應 用 於 1986 年 出 版 的 AISC-LRFD 設計規範 。

以SRC柱之設計為例，AISC規範採用類似轉換斷面的概念，利用三個轉換係數 將SRC柱中的RC部份轉換為鋼骨，然後以純鋼柱之公式來計算SRC柱之強度。但是 這種方法並未能適當反映SRC柱中RC部份的真實力學行為。

由於鋼柱在製造過程中（熱軋或銲接）會有殘留應力(Residual Stress)存留於鋼 骨之中，因此殘留應力在鋼柱強度公式的推導過程中扮演很重要的角色，這是鋼結 構設計課程中熟知的力學行為。由於純鋼柱的抗壓強度受到殘留應力之影響遠大於 SRC柱，因此若以純鋼柱之公式來設計SRC柱，意味著SRC柱中的RC部份之抗壓強 度也受到殘留應力很大的影響，這一點與RC部份的真實力學行為並不相符。

再者，一般鋼柱比SRC柱較為細長，故鋼柱受到構材的「初始變位(Initial Out-of-Straightness)」之影響也比較大。因此，「初始變位」這個參數在鋼柱之強度 公式推導過程中所扮演的角色亦明顯大於SRC柱。

在 SRC 構材剪力強度之計算方面，AISC 規範對於 SRC 構材剪力強度之計算主 要考慮鋼骨部份之貢獻，而將 RC 部份保守的忽略。此外，AISC-LRFD 規範對於對 於 SRC 構材的梁柱接頭及構造細則之規定較亦不明確。

2.4.2 美國 ACI-318 混凝土構造設計規範

美國 ACI-318 規範對於 SRC 構材之設計大致上承襲鋼筋混凝土結構之設計理 念，其設計方法是將 SRC 構材中的鋼骨視為等量的鋼筋來設計，並依據應變一致性

第二章 我國 SRC 構造設計規範之發展

且保持線性分佈來求 SRC 構材斷面的彎矩強度。不過，由於 SRC 構材內部之鋼 骨表面近似一光滑面，不同於竹節鋼筋具有凸出的竹節，將 SRC 構造中的鋼 骨視為普通鋼筋是否合理仍值得商榷。

由於美國在 SRC 構造方面之經驗與相關的研究成果較少，因此 ACI-318 規範中有關 SRC 構造設計之內容較為簡略。值得注意的是，在 SRC 構材之箍筋配 置方面，ACI-318 規範並未考慮 SRC 構材中的「鋼骨對於混凝土圍束效應之貢獻」。

設計者若採用 ACI 規範來進行 SRC 構造之設計，當計算 SRC 柱之箍筋量與箍筋間 距時，依然得遵循一般 RC 構造之規定，使得設計結果過於保守，且易造成 SRC 構 造在施工上的不便（特別是在 SRC 梁柱接頭處的箍筋配置更為困難）。

2.4.3 日本 AIJ-SRC 構造設計規範

日本大約在 1910 年代開始出現 SRC 構造。1923 年的關東大地震之後，SRC 構 造逐漸受到重視。日本於第二次世界大戰的戰後重建採用不少 SRC 構造，因而促使 1950 年代進行廣泛的 SRC 構造研究(Wakabayashi , 1987)。

1956 年，Wakabayashi 教授針對 SRC 梁、SRC 梁柱以及包覆型 SRC 柱之剪力 強度等進行一系列的實驗，深入探討 SRC 構材之力學行為相關問題。1976 年，

Wakabayashi 教授進一步指出，在設計 SRC 構材時，可將鋼骨及 RC 部份保守的視 為兩個獨立個體，先分別計算其強度，然後再進行疊加。此研究成果進一步肯定了 日本自 1958 年第一版 AIJ-SRC 規範中所採用的強度疊加觀念的合理性。

SRC 構材強度疊加之方法分為簡單疊加法（Simple Superposed Method，SSM）

與一般化疊加法（Generalize Superposed Method，GSM）。前者在計算上較為簡單但 結果略偏保守；後者計算上雖較為複雜，但可以調整設計斷面至最經濟的組合。

在鋼管混凝土構造方面，日本於 1967 年首次訂定 「鋼管混凝土構造計算規準 同解說」，並於 1980 年加以修訂。稍後於 1987 年，鋼管混凝土構造再與包覆型 SRC 構造一同納入新版的 SRC 規範中，成為今日 AIJ-SRC 規範之型式。有關日本鋼管 混凝土構造方面之研究可參考 Tomii (1973，1979)等學者之文獻報告。

日本 AIJ-SRC 規範之主要優點在於具有較多的經驗及研究成果，且該規

日本 AIJ-SRC 規範之主要優點在於具有較多的經驗及研究成果，且該規