研究內容

本文共分為六章。本章首先介紹五螺箍應用在 RC 矩形柱之特色及優化目標，

包含五螺箍 RC 柱的在設計上應考量之問題及各設計參數之影響，並說明本研究中 的兩大重點目標，即突破螺箍柱之「最大淨間距為 75 mm」之限制並找出「最佳 之小螺箍圍束直徑」。

第二章針對相關設計規範中對於 RC 柱之圍束箍筋量與設計受壓強度之設計 方法作一簡要說明；其次再分別介紹有關箍筋圍束混凝土作用及 RC 柱破壞行為，

特別針對螺箍筋之圍束效應方面之研究成果與文獻回顧。

第三、四章分別為五螺箍 RC 短柱軸壓試驗，本論文中共進行兩部份之軸壓試 驗，分別是採用一般竹節鋼筋與高拉力鋼線作為短柱試體之圍束箍筋，文中首先 介紹試驗規劃及設計方法，並針對五螺箍 RC 柱設計中的斷面及材料參數加以介 紹，最後根據試驗結果針對強度、韌性及經濟性之三個主要方向進行比較及討論。

第五章為介紹兩種五螺箍 RC 柱之圍束箍筋設計公式，其中「最佳化設計法」

係根據前兩章之軸壓試驗結果，並且根據相關力學原理與試驗數據分析，藉此提 出一套兼具經濟與簡化設計特性之五螺箍 RC 柱圍束箍筋設計公式。

第六章則是對整個研究成果作一總結與建議。

最後為本研究所參考之相關規範與研究文獻、符號說明、表、圖、照片。

二、相關設計規範與文獻回顧

2.1 美國 ACI 設計規範

本研究主要乃根據美國 ACI (American Concrete Institute) 318-08 規範[4]進行 試體設計，故以下將針對 ACI-318 規範之圍束箍筋設計之相關要求進行說明：

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2.2 相關文獻回顧

國內外對於探討「五螺箍」RC 柱力學行為之相關研究相當有限，然而對於 RC 柱之「圍束箍筋混凝土及軸向行為」上的研究即相當豐富，以下首先介紹關於 五螺箍之相關研究，接著再針對與本研究相關之文獻加以介紹，並分別依照文獻 年代先後順序簡要回顧如下：

2.2.1 五螺箍圍束箍筋型式之相關研究

王柄雄等(2004) [1]探討多種新型圍束箍筋在矩形 RC 柱之圍束行為及圍束效 應，進行一系列實尺寸之軸壓試驗及反復載重試驗研究，經由試驗比較不同圍束 箍筋型式之圍束效果，並建立解析圍束混凝土特性之數值模式。試驗參數包括圍 束箍筋型式、間距、號數及箍筋與混凝土之材料強度。根據試驗結果發現，在適 當的組合之下五螺箍型式最能夠對 RC 柱核心之混凝土發揮良好的圍束效果，其軸 壓強度及韌性明顯優於配置傳統矩形橫箍筋 RC 柱，而高強度混凝土的強度及韌性 表現皆略差於一般強度混凝土者。圖 2.1 為該軸壓試驗結果之五螺箍 RC 柱及傳統 橫箍 RC 柱之應力-應變曲線比較圖，由圖中可看出斷面配置五螺箍型式之 RC 柱 具有較佳之延展性，亦即其韌性表現明顯優於配置傳統矩形橫箍 RC 柱。

尹衍樑等(2006) [2]以傳統橫箍及五螺箍應用於矩形 SRC 柱，進行一系列大尺 寸五螺箍 SRC 短柱的抗壓試驗，主要將試體之鋼骨用量及主筋用量固定，改變其 箍筋間距與箍筋型式，並採用不同方法設計 SRC 柱之圍束箍筋量。研究結果顯示 採用 Weng’s Formula 設計之組合式五螺箍 SRC 柱具有最佳的強度、韌性與經濟效 益，五螺箍 SRC 柱之軸壓強度與韌性表現不僅優於傳統橫箍 SRC 柱，亦比五螺箍 RC 柱為佳，顯示五螺箍應用於矩形 SRC 柱具有良好的抗壓及耐震能力。

Weng 等(2008) [19]進行四組大尺寸五螺箍之矩形 SRC 柱之反復載重耐震試 驗，試驗結果顯示四組試體之遲滯迴圈均相當飽滿，其所發揮的層間變位角均高 達 6.0% 弧度，且強度方面並無明顯下降的趨勢，從試驗結果可明顯看出五螺箍圍

束型式之遲滯迴圈比傳統圍束型式來的飽滿許多，具備優越的消能與耐震能力。

此外，由試體破壞模式可知，在五螺箍 SRC 柱底部之塑鉸區域，其所圍束之混凝 土僅有保護層剝落，且主筋亦無挫屈現象發生，顯示五螺箍 SRC 柱具有良好的圍 束混凝土能力及防止主筋挫屈之功能。

2.2.2 RC 柱之箍筋圍束混凝土與軸向行為研究

Considire 等(1903) [6]最先探討箍筋對混凝土圍束方面之研究，結果顯示在相 同箍筋用量下，圓形箍筋對強度提升之效益為矩形箍筋的兩倍以上。

Richart 等(1928) [16]利用側向靜水壓力之主動液壓的方式進行圍束效應試 驗，再經由彈簧螺旋箍筋試驗，提出一套彈簧螺旋箍筋圍束效應之理論公式。

Kent & Park 等(1971) [10]首先提出受箍筋圍束之混凝土的應力-應變關係曲 線，該曲線之上升段為二次曲線；下降段則為一次曲線，而曲線下降之斜率即代 表箍筋圍束作用之效益，且圍束效果與箍筋降伏強度及箍筋體積成比例。

Muguruma 等(1980) [14]提出之應力-應變關係曲線，其為上、下兩段二次拋物 線組成，曲線之係數由有效圍束係數所組成，利用試驗結果回歸及分析後，求出 軸壓極限狀態之應力與應變值。

Sheikh 等(1982) [18]提出圍束混凝土之應力-應變曲線，認為最大應力值為有 效圍束應力的函數，而有效圍束應力與箍筋體積比及箍筋綁紮方式有關。

Martinez 等(1984) [13]製作一系列不同尺寸之高強度混凝土 RC 柱進行軸壓試 驗，主要探討螺箍在不同混凝土強度下之強度與圍束效應，將到達極限強度後且 強度降至 85%時與極限強度時所對應的應變比值定義為塑性比。試驗結果顯示相 同箍筋圍束型式下，高強度混凝土試體極限強度之應變量與塑性比皆低於普通強 度混凝土試體，且箍筋降伏強度較高之試體變形能力及韌性亦低於較一般強度者。

Mander 等(1988) [12]製作一系列圓形、方形與矩形的混凝土柱，以螺旋、圓 形或矩形箍筋圍束進行軸壓試驗，提出有效圍束係數以顯示箍筋之圍束效果，認 為其與間距及受圍束之核心斷面大小有關。探討的參數包含：柱斷面型式、圍束

箍筋型式、反復載重與應變速率。試驗結果發現於配置橫向箍筋圍束混凝土構件 於軸壓試驗中，確實可以增加構件之強度與延展性；並且修正 Park 等人的強度預 測模式。

Fujii 等(1988) [8]引用 Park 的理論為基礎，將試驗結果進一步回歸分析後找出 其應力-應變曲線，該曲線由二次拋物與三次曲線之下降段所構成，藉由混凝土應 力最大值和衰減率之線性函數來表示有效圍束係數。

Saatcioglu 等(1992) [17]探討在不同柱斷面形狀與尺寸中配置螺箍與橫箍之軸 壓行為，提出混凝土超過極限應力之後，縱向鋼筋的行為明顯影響混凝土的變形，

由於箍筋外圍部份混凝土的剝落，造成縱向鋼筋易於挫屈。經由試驗結果證實箍 筋對混凝土造成的圍壓非均佈力，但分析時可轉換成等效均壓而建立受圍束混凝 土之單軸抗壓強度關係式。

Hoshikuma 等(1997) [9]針對不同柱斷面型式及尺寸之試體探討不同抗壓強 度、箍筋排列與錨定方式之軸壓行為，並觀察箍筋對混凝土的圍束效應，依據其 抗壓試驗結果回歸分析建立圍束混凝土強度之預測公式。

Foster 等(1998) [7]探討高強度混凝土在單軸向壓力作用並到達極限狀態時，其 箍筋外圍保護層的剝落情況與採用一般強度混凝土之差異，試驗結果顯示高強度 混凝土到達理論之壓碎載重前，其混凝土保護層已有剝落現象發生，根據試驗結 果經回歸分析後以預測不同剝落情況下之應力-應變曲線。

Pessiki 等(2001) [15]主要探討螺旋箍筋 RC 構材之軸壓行為，研究包含製作 14 支配置高強度螺箍之大尺寸軸向抗壓試體，根據試驗結果提出符合其軸壓行為及 有效預測方法。

Légeron 等(2003) [11]以變形諧和及力平衡為基礎提出一套新的圍束混凝土模 式，主要可有效地預測橫向箍筋之圍束效應，並且為高強度鋼筋對高強度混凝土 之圍束模式。此外，透過將近五十個大尺寸之矩形、圓形斷面 RC 柱之軸壓與反復 載重試驗結果，經該模式分析後獲得很好的預測結果。

三、第一部分五螺箍矩形 RC 短柱之軸壓試驗

3.1 試驗規劃

第一部分的短柱軸壓試驗共製作 15 支五螺箍及 2 支傳統橫箍 RC 短柱，所有 RC 短柱試體之全斷面尺寸為 600×600 mm，長度均為 1200 mm。其中對於五螺 箍 RC 柱可依照交集區之縱向鋼筋配置型式分為兩類，第一類為「交集區無配置鋼 筋」之五螺箍斷面；第二類為「交集區有配置鋼筋」之五螺箍斷面，如照片 3.1 所 示。第一類五螺箍斷面包含以下三種系列：(1)小螺箍之圍束直徑為 150 mm 之 S 系列，共 4 支試體，如圖 3.2 所示；(2)小螺箍之圍束直徑為 180 mm 之 M 系列，

共 5 支試體，如圖 3.3 所示；(3)小螺箍之圍束直徑為 210 mm 之 L 系列，共 4 支試 體，如圖 3.4 所示。第二類主要針對交集區面積較小之五螺箍斷面(即 S 系列之五 螺箍斷面)，探討有關大螺箍與小螺箍之嵌合與軸壓行為，在柱斷面四個角落之交 集區各配置一根輔助筋(採用 D13 鋼筋)，共 2 支試體，如圖 3.5 所示。另外並製作 2 支配置傳統橫箍之試體作為對照組，如圖 3.6 所示。試體編號格式依序代表：「箍 筋型式」–「試體個數」–「小螺箍之圍束直徑系列」–「間距」；傳統橫箍斷 面之試體編號格式則為：「箍筋型式及個數」–「間距」。各試體詳細之規劃 設計如表 3.1 所示，該表所列出的項目與試體參數包括：短柱試體之編號、

設計箍筋間距、大螺箍與小螺箍之箍筋間距、混凝土之強度、大螺箍與小螺箍 之線徑、小螺箍之圍束直徑、大螺箍與小螺箍之圍束直徑比、箍筋體積比及單位 長度之箍筋用量。本研究主要設計參數包括大螺箍與小螺箍之線徑與間距、小 螺箍之圍束直徑、混凝土之強度及交集區配筋與否。為探討五螺箍之箍筋間距

設計箍筋間距、大螺箍與小螺箍之箍筋間距、混凝土之強度、大螺箍與小螺箍 之線徑、小螺箍之圍束直徑、大螺箍與小螺箍之圍束直徑比、箍筋體積比及單位 長度之箍筋用量。本研究主要設計參數包括大螺箍與小螺箍之線徑與間距、小 螺箍之圍束直徑、混凝土之強度及交集區配筋與否。為探討五螺箍之箍筋間距