試體經濟效益之探討

此節將探討本軸壓試驗中的 15 支五螺箍 RC 短柱與 2 支傳統橫箍 RC 短柱試 體之經濟效益，圖 3.25 與圖 3.26 為依照混凝土強度分類以比較兩種圍束箍筋型式 之經濟性差異，而五螺箍各自包含之大螺箍或小螺箍比例，由圖中即可發現小螺 箍所佔整體箍筋用量確實不低，因此針對小螺箍圍束直徑之優化結果較偏向於採 用 S 系列之五螺箍斷面。根據強度、韌性及箍筋用量之經濟效益作一综合整理，

如表 3.8 所示，該表之箍筋體積比是根據實際配置之箍筋量計算後之結果，可參考 公式(3-23)；每單位長度之箍筋重量是根據箍筋體積比與鋼筋密度所求得，可參考 公式(3-24)，本研究即以該項參數值作為經濟性指標。

本研究中五螺箍斷面所包含的三種尺寸之小螺箍圍束直徑，其箍筋用量將隨 著圍束直徑擴大而增加，因此理論上若採用相同材料參數作設計，將可看出小螺 箍圍束直徑變化之趨勢，根據本軸壓試驗結果大致上可以觀察出該趨勢，即大螺

箍圍束直徑變大則強度與韌性將隨之提高。但若採用較大尺寸的小螺箍圍束直徑 作設計時，即本研究中 L 系列之五螺箍斷面，則其強度與韌性表現較佳，應屬於 可預期之情況，因為增加小螺箍圍束直徑，其整體箍筋量絕對比採用較小尺寸之 小螺箍圍束直徑來得多。整體而言，增加小螺箍圍束直徑雖然可提升軸壓強度，

但其提升效益不及於所增加的箍筋用量，若採用較小之小螺箍圍束直徑同樣可符 合預期軸壓強度值，就經濟效益方面之考量，建議可選用較小尺寸之小螺箍圍束 直徑作設計即可。

四、第二部分五螺箍矩形 RC 短柱之軸壓試驗

4.1 試驗規劃與試體設計

第二部分的短柱軸壓試驗共製作 12 支大尺寸 RC 短柱試體，包括 10 支五螺箍 RC 短柱試體及 2 支傳統橫箍 RC 短柱試體，其中五螺箍試體部分又依照交集區輔 助筋之配置情形分成兩類，如照片 4.1 與照片 4.2 所示。短柱試體之全斷面尺寸為 600×600 mm，試體總長度均為 1200 mm。本研究所有 RC 短柱試體之箍筋用量 皆依照 ACI-318 規範之最低需求作設計，並固定試體斷面主筋之用量，試體製作 所採用的鋼筋材料強度，除了主筋及輔助筋採用一般竹節鋼筋之外，所有試體之 圍束箍筋皆採用高拉力鋼線，其不僅具高度抗拉之材料特性，相對地亦可達到節 省箍筋用量之經濟效益，並且很適合應用在機械化加工製造之五螺箍。表 4.1 為本 研究所有短柱試體之試驗規劃表，該表詳細列出試體之編號、大螺箍與小螺箍 之設計間距及需求間距、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、箍筋之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。本研究為找出小螺箍圍束直徑的最佳尺寸，

故針對該項參數設計三種不同尺寸之試體以進行軸壓測試，小螺箍之圍束直徑大 小包括以下三種：(1)小螺箍之圍束直徑為 150 mm 之 S 系列，共 3 支試體；(2)小 螺箍之圍束直徑為 180 mm 之 M 系列，共 5 支試體；(3)小螺箍之圍束直徑為 210 mm 之 L 系列，共 2 支試體。其中 S 與 M 系列中各有 1 支為交集區配置輔助筋(採用 D13 鋼筋)之試體，各試體斷面圖分別如圖 4.1 至圖 4.4 所示；另外製作 2 支斷面配 置傳統橫箍之試體作為對照組，如圖 4.5 所示。為了更加詳細探討五螺箍 RC 柱 之箍筋間距限制問題，即針對 ACI-318 規範中第 7.10.4.3 節對於螺箍柱最大淨間 距 75 mm 之規定，因此共製作 6 支箍筋間距大於 75 mm 之五螺箍 RC 短柱試體，

其中 4 支(試體 YW1-S-110、YW4-M-SPE、YW5-M-110 及 YW7-L-95)為交集區無

配置鋼筋之五螺箍 RC 柱，另外 2 支(試體 YW9-S-110 及 YW10-M-110)為交集區有 配置鋼筋之五螺箍 RC 柱。

進行軸壓試驗之前，試體製作所採用之鋼筋及混凝土皆依 ASTM 之規定進行 基本力學性質試驗。混凝土材料部分，在試體灌漿時同時製作 150×300 mm 的標準 混凝土圓柱試體，並於短柱軸壓試驗當日進行圓柱試體抗壓試驗，由於本研究中 配置一般強度混凝土(

f ′

_c = 34.3 MPa)之試體數較多且灌漿所採用的鋼模數量有 限，故其試體灌漿作業分成兩批進行，並且各別於灌漿現場製作混凝土圓柱試體，

而配置高強度混凝土(

f ′

_c = 54.9 MPa)之試體數較少故同時進行灌漿。本研究各短柱 試體之混凝土實測強度如表 4.2 所示。在主筋、輔助筋及箍筋材料部分，分別取自 於與試體同批之鋼筋進行拉伸試驗，經測試後的鋼筋實測材料強度如表 4.3 所示。

本試驗所進行的地點皆與第一部分軸壓試驗相同，其餘相關之試驗設備、方法及 試體設計亦同於第一部分軸壓試驗。

4.2 第二部分之五螺箍短柱試體破壞模式

本優化研究所進行的第一部分軸壓試驗共進行 10 支五螺箍及 2 支傳統橫箍 RC 短柱之軸向抗壓試驗，針對五螺箍 RC 柱的軸壓試驗結果，主要欲探討之重點 包括：(1)箍筋採用高拉力鋼線之軸壓行為表現；(2)箍筋間距能否突破 75 mm 之限 制；(3)小螺箍之圍束直徑最佳尺寸；(4)交集區配置輔助筋對軸壓強度之影響。首 先，根據試驗結果短柱試體之破壞模式進行討論，再分別依照試體規劃之設計參 數，比較以上不同類型五螺箍之強度、韌性及箍筋用量之經濟性等。

圖 4.6 至圖 4.10 為本研究中各試體於軸壓試驗過程中所記錄的軸力-位移曲線 圖。一般而言，對於斷面配置足夠圍束箍筋量之 RC 柱而言，箍筋能夠對柱核心混 凝土產生足夠的圍束力，阻止柱核心混凝土向外爆開，使得試體之軸力-位移曲線 到試驗末段呈現較為平緩之遞減趨勢，若其圍束箍筋量不足，則箍筋所產生之圍 束力將無法抵抗混凝土向外之膨脹力，故箍筋圍束區內混凝土之開裂及剝落情況 將較為嚴重，因此當試體達極限載重後，軸壓強度之下降現象亦較為明顯。

根據試驗結果破壞模式及試體之軸力-位移曲線圖的觀察所發現，五螺箍RC柱 在到達極限狀態之後，除了箍筋間距較小之試體以外，大部分之五螺箍試體在箍 筋發生斷裂時會出現強度遞減之現象。如照片4.3與圖4.6 (b)所示，試體YW2-S-55 在到達極限強度時角落之小螺箍發生局部性斷裂情形，並可從試體之軸力-位移曲 線清楚看出試體在到達極限軸壓強度時，該曲線即隨之出現強度驟降之情形。另 一種試體破壞模式為較嚴重的箍筋連續性斷裂情形，可經由試體之軸力-位移曲線 之下降曲線段明顯看出箍筋斷裂時之強度驟降點。如照片4.4與圖4.6 (a)所示，試體 YW1-S-110在接近試驗終止時大螺箍發生連續性斷裂情形，並可從試體之軸力-位 移曲線看出其下降曲線末段出現兩個明顯的強度驟降點，最後因軸壓強度持續下 降而終止試驗。

整體而言，根據本軸壓試驗結果顯示，在符合強度及韌性之要求下，採用高 拉力鋼線之五螺箍RC柱不僅可有效發揮其圍束效應且更優於傳統橫箍RC柱。本研 究所採用的圍束箍筋材料為高拉力鋼線，其本身即具備高強度低韌性之材料特 性，因此在承受變形能力上較易發生脆性破壞，也因此將其應用在五螺箍上也同 樣會反應出此種材料特性之行為。由於受圍束混凝土在軸壓作用下產生軸向應 變，進而使其於橫方向相對地產生側向應變，此膨脹效應觸發了外圍箍筋產生抵 抗混凝土膨脹之環向張力，此圍束效應將提升混凝土之軸向抗壓能力。試體於軸 向壓力作用下，當外圍混凝土保護層開裂與剝落後，主筋及核心混凝土將會對箍 筋產生額外的側向力，當箍筋無法承受過度變形時就會發生斷裂的情形，試驗結 果顯示大部分五螺箍試體之破壞模式為箍筋連續性斷裂之情形，此破壞模式對柱 整體之韌性較為不佳，但在使用相同之箍筋用量下，五螺箍試體之韌性表現大致 上略優於傳統橫箍RC柱。根據試驗結果的觀察與破壞模式之分析，採用高拉力鋼 線之五螺箍RC柱斷面中心的大螺箍及角落四個小螺箍皆能有效發揮其圍束作用，

可提高箍筋內部受圍束混凝土之軸向抗壓能力，其所提升軸壓強度之效果皆優於 傳統橫箍RC柱。

4.3 試體軸壓強度之探討

表 4.4 顯示所有短柱試體之軸壓試驗強度(Pu)test與壓碎強度(Pu)squash之比值，

此比值即代表軸壓強度提升程度。軸壓試驗強度包含箍筋的圍束效應所導致的混 凝土強度提升之影響，亦為試體進行軸壓測試之加載過程的最大值；壓碎強度係 根據材料的實測強度所計算之預測值。在此所定義之壓碎強度計算公式與第一部 分軸壓試驗相同，即為公式(3-25)。

本研究所設計的短柱試體包含兩種混凝土強度，圖 4.11 及圖 4.12 分別依照混 凝土強度分類且箍筋用量相近之試體的正規化軸力-位移曲線比較圖。由圖中即可 明顯看出五螺箍 RC 柱所提升之軸壓強度皆明顯高於傳統橫箍 RC 柱。此外，本研 究之五螺箍斷面設計之縱向鋼筋包含主筋與縱向輔助鋼筋(簡稱輔助筋)，其中，輔 助筋在設計上並非以抵抗軸力為主要目的，係考量交集區面積過小時，混凝土抗 剪強度不足導致螺箍嵌合效果不佳，其主要功能為提升交集區之抗剪強度，減緩 交集區混凝土開裂後而造成箍筋滑動，以確保大螺箍與小螺箍能夠順利相互嵌 合。故針對交集區配置輔助筋之五螺箍 RC 柱，由於設計時輔助筋長度較主筋短(主 筋為 1160 mm；輔助筋為 1140 mm)，理論上應不會直接受到軸力的作用，因此計 算上並未將其計入整體軸壓強度之貢獻。以下再分別針對「箍筋間距」與「小螺

本研究所設計的短柱試體包含兩種混凝土強度，圖 4.11 及圖 4.12 分別依照混 凝土強度分類且箍筋用量相近之試體的正規化軸力-位移曲線比較圖。由圖中即可 明顯看出五螺箍 RC 柱所提升之軸壓強度皆明顯高於傳統橫箍 RC 柱。此外，本研 究之五螺箍斷面設計之縱向鋼筋包含主筋與縱向輔助鋼筋(簡稱輔助筋)，其中，輔 助筋在設計上並非以抵抗軸力為主要目的，係考量交集區面積過小時，混凝土抗 剪強度不足導致螺箍嵌合效果不佳，其主要功能為提升交集區之抗剪強度，減緩 交集區混凝土開裂後而造成箍筋滑動，以確保大螺箍與小螺箍能夠順利相互嵌 合。故針對交集區配置輔助筋之五螺箍 RC 柱，由於設計時輔助筋長度較主筋短(主 筋為 1160 mm；輔助筋為 1140 mm)，理論上應不會直接受到軸力的作用，因此計 算上並未將其計入整體軸壓強度之貢獻。以下再分別針對「箍筋間距」與「小螺

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