超高強度鋼筋混凝土建築結構
設計施工審核要項之研擬
內 政 部 建 築 研 究 所 協 同 研 究 報 告
中華民國 102 年 12 月超高強度鋼筋混凝土建築結構
設計施工審核要項之研擬
研究主持人：陳 建 忠 協同主持人：廖 慧 明 研 究 員：林克強、蔡江洋、夏沛禹、鄒本駒內 政 部 建 築 研 究 所 協 同 研 究 報 告
中華民國 102 年 12 月 （本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）超高強度鋼筋混凝土建築結構設計施工審核要項之研擬
目次
目次...I 表次...Ⅴ 圖次...Ⅶ 摘要...Ⅸ Abstract...ⅩⅢ 第一章 緒論 第一節 研究緣起與背景...1 第二節 研究範圍及方法...4 第三節 既有文獻之回顧...7 一. 超高強度鋼筋混凝土建築之設計施工指針之研擬...8 二. 高強度鋼筋混凝土應用在高層建築之耐震性能探討...12 第四節 預期目標...15 第二章 審查內容重點 第一節 日本 New RC 之發展經驗...17 第二節 審查加強之重點 ...22 一. 使用材料之性質...22 二. 構材性質之預先驗證 ...34 三. 分析方法之要求...36 四. 根據分析結果之斷面設計...37 五. 施工之可能性評估...38 第三章 審查作業流程 第一節 審查適用對象...41 第二節 預審之申請...44 一. 提出申請時機...44 二. 提供預審資料...44 三. 確認是否進入詳細審查...45 第三節 詳細審查作業流程...46 一. 詳細審查...46 二. 審查結果判定...46 三. 審查報告書...47 第四節 審查流程...48五. 地質調查概要...55 六. 使用材料、特殊工法或裝置...55 七. 特殊工法及預定之實驗...56 第二節 詳細審查時提出之資料...57 一. 使用材料之認證...57 二. 構材性能調查或實驗結果...57 三. 特殊裝置之檢討...58 四. 結構安全檢討...58 五. 施工計畫...59 六. 施工管理與查核...61 第五章 耐震分析與性能評定 第一節 水平方向地震力之設定...67 一. 歷時反應分析之方針...67 二. 採用之地震波...68 第二節 動力分析所使用振動系模型的設定...69 一. 振動系模型的設定...69 二. 鋼筋混凝土造構材之遲滯迴圈...71 第三節 歷時反應分析結果...76 第四節 耐震性能之評定標準...78 一. 中小度地震...78 二. 設計地震...78 三. 最大考量地震...79 第五節 斷面設計之考量...80 第六章 施工計畫、品質管理與品質確保之審核要項 第一節 施工計畫概要...83 一. 施工之基本方針...83 二. 施工方法概要...84
三. 施工之管理計畫...84 第二節 混凝土工程...85 一. 混凝土種類及使用區分...85 二. 使用材料...85 三. 配比計畫...86 四. 產製與輸送...88 五. 搬運、澆置與養護...90 六. 品質管理...94 第三節 鋼筋工程...96 一. 鋼筋種類及使用區分...96 二. 加工及組立...96 三. 續接器、錨定板...97 四. 品質管理...99 第四節 預鑄化工程...100 一. 預鑄混凝土...100 二. 構材之預鑄化...100 三. 循環工法...102 第五節 施工品質之確保...106 一. 施工廠商與監造廠商應提報之計劃...106 二. 混凝土工程之品質確保...107 三. 鋼筋工程之品質確保...108 四. 預鑄化工程之品質確保...108 第七章 結論與建議 第一節 結論...109 第二節 建議...111 附錄一、評選委員發言單與廠商回應一覽表 ...113 附錄二、期中簡報紀錄與回應...115 附錄三、座談會紀錄與回應...123 附錄四、期末簡報紀錄與回應... ...125 附錄五、參考資料 參考資料一 日本超高層建築物等之認定機關...131 參考資料二 日本高層建築性能評價表案例...133 參考資料三 高強度混凝土之彈性係數對地震反應之影響...137 參考資料四 日本和台灣之超高層鋼筋混凝土造建築物的耐震設計...151 參考資料五 高強度混凝土之耐火性...159 參考書目...163
表次 表 2.2.1 SD685/SD785 鋼筋之力學性質表...24 表 2.2.2 斷面設計原則...38 表 3.4.1 審查之流程...48 表 4.1.1 建築物概要表...51 表 4.1.2 結構概要表...52 表 4.1.3 結構設計概要表...54 表 5.3.1 歷時分析反應結果例...77 表 6.2.1 使用高性能 AE 減水劑之高強度混凝土期單位粗骨材之標準值範圍..88 表 6.3.1 鋼筋之品質管理、檢查方法例...99
圖次 圖 1.3.1 標準層平面及構架立面例...8 圖 1.3.2 典型柱、梁斷面...9 圖 1.3.3 骨材之種類和抗壓強度的關係...9 圖 1.3.4 SD590/685 鋼筋力學性質示意圖...10 圖 1.3.5 立體架構模型...10 圖 1.3.6 日本 New RC 高層建築結構設計流程...11 圖 1.3.7 預鑄混凝土接合部的概念...12 圖 1.3.8 預鑄構件之組立工程例...12 圖 1.3.9 高強度混凝土組成律...13 圖 1.3.10 軸力-彎矩交互影響圖與彎矩-曲率示意圖...13 圖 1.3.11 性能點...14 圖 1.3.12 各階段樓層力、層間位移及層間勁度...14 圖 2.2.1 SD685 鋼筋應力應變示意圖...25 圖 2.2.2 日本續接器評定書之例...26 圖 2.2.3 日本續接器設計指針之目次例...32 圖 2.2.4 日本續接器標準施工說明書之日次例...33 圖 2.2.5 RC 架構之載重-變形關係例...35 圖 3.1.1 螺紋節鋼筋...43 圖 3.1.2 填充式螺紋續接器...43 圖 3.1.3 預鑄用套管續接器...43 圖 3.1.4 螺帽型錨定器...43 圖 5.2.1 多質點振動系模型例...70 圖 5.2.2 勁度折減 Tri-Linear 模型...72 圖 5.2.3 Clough Model...73 圖 5.2.4 Takeda 模型...74 圖 5.2.5 Pivot 模型之象限...75 圖 5.3.1 以圖形顯出分析反應值...76 圖 6.2.1 材料強度使用分區圖...85 圖 6.2.2 以吊桶澆置柱構材...91 圖 6.2.3 混凝土澆置中止處理例...91 圖 6.2.4 柱及樓板的養護例...93 圖 6.3.1 檢討配筋之可能性...96 圖 6.3.2 機械式續接器...98 圖 6.3.3 錨定板...99 圖 6.4.1 外殼半預鑄柱安裝狀況...101 圖 6.4.2 半預鑄梁狀設狀況...102 圖 6.4.3 全預鑄工法的標準循環工程...104
摘要
關鍵詞：超高強度鋼筋混凝土、施工計劃書、歷時反應分析、預鑄混凝土構材一、研究緣起
近年來有關超高強度鋼筋混凝土(New RC)於超高層建築工程之應 用，各界感受到有迫切的需求也投入相當的心力。相關研究報告有「超 高強度鋼筋混凝土建築設計施工指針的研擬」、「高強度鋼筋混凝土應 用在超高樓層建築物之耐震性能探討」、「高強度鋼筋混凝土建築審核 認可機制之探討」等，材料方面，國內高強度鋼筋、續接器及高強度 混凝土的研究頗有成果，而國外相關廠商對於高強度鋼筋、續接器等 也希望提供其產品及技術，進一步更計畫進行有關高強度鋼筋混凝土 構件之本土化實驗研究。此外為了確保品質、施工合理化、生產性、 工期縮短，超高層 RC 建築採用預鑄化也是必然的發展。如此等 New RC 建築之建造因材料強度及施工方式，可能或必須超過目前建築技術規 則與結構混凝土設計規範的一般規定，如何確保設計的安全性及施工 的可靠性成為此等建築物發展上的課題。然而作為結構材料性能優越 的超高強度鋼筋混凝土，從某種角度看來可說是與現行傳統的鋼筋混 凝土屬於不同的材料，為了其發展及普及此結構系統之應用非精確掌 握其結構構材特性不可，目前，於日本使用超高強度鋼筋混凝土之超 高層建築物，都必須進行基於構材彈塑性特性之結構分析、非線性動 力地震歷時反應分析等。國內現行制度對於高度超過 50 公尺或特殊結 構等，需進行主管機關委託審查機構的結構審查，另有使用超出技術 規則之材料或施工方法則又將適用於「建築新技術新工法新設備及新 材料認可申請」，惟此認可辦法適用於使用超高強度 RC 之超高層建築 似乎有所不足，如上述 New RC 建築並非僅需高強度材料及施工方法的 認定，整體結構分析設計方法的考量也極為重要。因此參考日本 New RC 高強度材料認定‧認可辦法、設計施工審核制度以及內容的演變並兼 顧國內法令制度與工程實務等實情，研擬適合於國內 New RC 建築之設 計施工審核要項，以利 New RC 建築實際應用與發展。針，將超高強度鋼筋混凝土的品質管理、施工計畫等具體化， 混凝土建築之非線性構架分析明確化。 3. 彙整國內相關之審查機制，並參考日本建築學會出版之各種相 關資料、日本建築中心「高層 RC 建築技術審查會」之審查內 容及機制、及「混凝土構造評定委員會」之鋼筋及續接器等評 定報告書等，擬定國內適用之設計施工審查要項內容。 4. 本研究的範圍將針對超高強度混凝土、鋼筋所衍生之材料特 性、設計分析方法及施工技術等提供進一步的審查項目。並檢 視國內尚須進行的研究項目，包括結構非線性分析方法的開 發、構材性能實驗、高強度材料製作及施工技術、預鑄工法的 推廣等。
三、重要發現
審視國內有關鋼筋混凝土高層樓之審查內容，適用於超高強度鋼 筋混凝土造高層建築時尚有不足之處，因此建議增加之審查項目為 (1)耐震設計方法，將要求考慮構材彈塑性行為之非線性歷時分 析。(2)使用之高強度混凝土、高強度鋼筋、續接器、錨定鐵件等 材料時，需經過主管機關之新材料認可。(3)採用預鑄積層工法時， 應提出施工計畫，預鑄構材之接續方法或位置超出規範要求時，應 以構材實驗方式證明其可行性。 適 用 對 象 為 ： (1) 主 要 結 構 構 材 使 用 混 凝 土 設 計 強 度 高 於 560kgf/cm2 以及主筋採用 SD550、SD685 等級以上鋼筋的鋼筋混凝土結構。(2) 鋼筋混凝土造建築之結構施工方式採用預鑄工法者。 審查之流程將包括預審及詳細審查兩階段，提出結構預審的時機 為，於建築規劃中同時進行，確定結構計畫之概要、使用材料之強 度、施工方法、特殊裝置之使用等。初審時審查委員會根據所提供 圖說及當場詢問，確認是否進行詳細審查。
四、主要建議事項
建議一 舉辦研討會加強超高強度鋼筋混凝土審查要項及需求內容等的推廣： 立即可行建議 主辦機關：財團法人台灣建築中心 協辦機關：內政部建築研究所 超高強度鋼筋混凝土與現行傳統的鋼筋混凝土屬於不同的材料， 須精確掌握其結構構材特性，目前於日本使用超高強度鋼筋混凝土之 超高層建築物，都必須進行基於構材彈塑性特性之結構分析、非線性 動力地震歷時反應分析等。當前國內對於高度超過50公尺或特殊結構 等，需進行主管機關委託審查機構的結構審查，另如超高強度鋼筋混 凝土有使用超出技術規則之材料或施工方法則又須適用於「建築新技 術新工法新設備及新材料認可申請」。本研究所整理之審查要項及需 求內容有必要先推廣給業界及審查單位瞭解，以利發展及普及此種結 構系統之應用。 建議二 研擬超高強度鋼筋混凝土造高層建築結構設計施工審查之申請資料案 例，提供申請者參考： 中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所程等不同於以往，並含預審須提出之資料，雖與目前各主管建築機關 委託結構審查之初步內容大致相同，但是高強度鋼筋混凝土建築，對 於使用之高強度鋼筋及混凝土的結構性能，有超出目前規則或規範所 記載者，以及施工方法為顧及品質管理及縮短施工期間，經常採用積 層預鑄工法等不同工法，因此有必要研擬超高強度鋼筋混凝土造高層 建築之申請資料案例提供申請者參考。 建議三 研訂預鑄構材之設計施工指針及材料製品規範等，推動預鑄建築發展： 中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：社團法人臺灣混凝土學會 超高強度鋼筋混凝土在日本發展多年，高層建築已普遍使用，而 其工法中，預鑄及半預鑄工法為關鍵技術。預鑄可大量減少現場施工 工種與勞工數量，縮短工期，並有效提升結構構件施工品質，因此國 內有必要研擬預鑄構材之設計施工指針，並透過更多有關高強度鋼筋 混凝土的相關實驗與研究，制定出高強度材料、製品之規範，作為產 業界進一步研發之依據。並推動中低層建築使用預鑄工法，同時也有 助於超高強度鋼筋混凝土建築的發展。
Review Items on Structural Design and Construction for Buildings using Ultra High-Strength Reinforced-Concrete
Keywords, ultra high-strength reinforced-concrete, construction plan, time history response analysis, precast reinforced-concrete members
Abstract
In Recent years, for an application of ultra high-strength reinforced-concrete (New RC) on super high-rise buildings, the public, including researchers, building developer, building designer etc, not only have a strong interest but also have paid many efforts on it. The strengths of the New RC materials exceed range specified in the existing RC code in Taiwan. Basically, the characteristics of structure made by the New RC materials are different from that made by traditional RC material in many aspects, especially on a concept of application. Therefore, for development and wide application of this type structural system, its structural characteristics shall be clear understood. So far, use of the New RC materials on super high-rise seismic buildings in Japan has been very mature. In Japan, the design of buildings using the New RC materials shall be based on analysis considering elastic-plastic behavior of its members and containing inelastic dynamic time history responses of the whole structure. According to Taiwan’s official review system of building structure, a procedure of peer review for a building structure should be lunched as the height of building exceeds 50 meters. In addition, if a building structure adopts some materials that exceeded limitations of the related latest codes, a recognized application for new material and new construction methodology should be approved by an authorized building administration. For an initiation of developing New RC buildings in Taiwan, the recognized application gives a basic and necessary qualification for constructing New RC buildings but it is less help to positively develop the New RC industry. In fact, it needs more practical experience accumulations efficiently including material certification, analysis and design methods of individual members and whole structure, and details and arrangement of construction than just a recognized application of the new methodology. For helpful developments of Taiwan’s New RC technologies on buildings, the aim of this report is to establish the review items that consider Japan’s experiences and Taiwan’s engineering practices. This establishment of the review items is focused on special parts on analysis, design and construction of New RC building exception Taiwan’s existing “Commissioned Review
accumulate engineering experiences on the New RC buildings, single review unit is recommended in this report at beginning development stage of the New RC building.
第一章 緒論
第一章 緒 論
第 一 節 研 究 緣 起 與 背 景 近年來有關超高強度鋼筋混凝土(New RC)於超高層建築工程之應 用，各界感受到有迫切的需求也投入相當的心力。相關研究報告有「超 高強度鋼筋混凝土建築設計施工指針的研擬」、「高強度鋼筋混凝土應用 在超高樓層建築物之耐震性能探討」、「高強度鋼筋混凝土建築審核認可 機制之探討」等，材料方面，國內高強度鋼筋、續接器及高強度混凝土 的研究頗有成果，而國外相關廠商對於高強度鋼筋、續接器等也希望提 供其產品及技術，進一步更計畫進行有關高強度鋼筋混凝土構件之本土 化實驗研究。 有鑑於此，預測國內今後充分利用超高強度鋼筋混凝土的超高層建 築物將會漸漸普及，並隨著活用超高強度鋼筋混凝土的特性，不久將來 不僅是超高層建築物，中高層建築的廣泛利用也是指日可待，然而作為 結構材料性能優越的超高強度鋼筋混凝土，從某種角度看來可說是與現 行傳統的鋼筋混凝土屬於不同的材料，為了其發展及普及此結構系統之 應用非精確掌握其結構構材特性不可，目前，於日本使用超高強度鋼筋 混凝土之超高層建築物，都必須進行基於構材彈塑性特性之結構分析、 非線性動力地震歷時反應分析等。 另一方面，隨著鋼筋混凝土(RC)建物的高層化，鋼筋的高強度化和 大直徑化的需求也提升，因此有關於高密度配筋和鋼筋彎曲加工等配筋 設計施工的範疇內，發生了種種技術上的問題。因應此問題，市場上開 發了鎔接式高強度剪力箍筋、灌漿式機械續接器及機械錨定鐵件等，以 便進行超高層 RC 建物的設計、施工。目前有些中高層 RC 建築物，也有 於結構設計完成後，施工的階段中，為無法獲得合理的鋼筋配置的案 例。此因為於結構設計階段中未能先行考量配筋設計所致。於結構設計 階段，結構設計和設計圖製作常被分別作業，配筋詳細圖於設計階段未合設計圖說及標準施工說明書等。如果無法如設計所預想的方式配置柱 梁接合部鋼筋，將無法保證 RC 建物的結構性能。 此外為了確保品質、施工合理化、生產性、工期縮短，超高層 RC 建 築採用預鑄化也是必然的發展。預鑄化有下述之優點： (1)品質的安定:傳統工法的結構體構築受技術人員、天候、施工條 件等常導致混凝土的不安定，造成結構體品質很大的變動，預鑄化可除 去這些不安定因素外，同時配筋、模板的精度也提升，或部分機械化施 作獲得安定的製品； (2)工期縮短: 傳統工法通常以約 7~11 天完成一個樓層的工程循環 來進行，預鑄化可縮短至 5~8 天。整個超高層 RC 建築則可縮短幾個月 的工期，另外預鑄結構體本身已具有一定的強度，可減少支撐或提早拆 除，混凝土澆注後的第二天即可進行下一樓層的工程，或內裝工程可提 早開始。特別是受天候的影響小，容易工程管理； (3) 減少高處的鋼筋、模板作業，提升安全性，同時大量減少模板 使用，為對地球環境有利的優良工法。 如上述此等 New RC 建築之建造因材料強度及施工方式，可能或必 須超過目前建築技術規則與結構混凝土設計規範的一般規定，如何確保 設計的安全性及施工的可靠性成為此等建築物發展上的課題。 目前國內對於高度超過 50 公尺或特殊結構等，需進行主管機關委 託審查機構的結構審查，另有使用超出技術規則之材料或施工方法則又 將適用於「建築新技術新工法新設備及新材料認可申請」，惟此認可辦 法適用於使用超高強度 RC 之超高層建築似乎有所不足，如上述 New RC 建築並非僅需高強度材料及施工方法的認定，整體結構分析設計方法的
第一章 緒論
考量也極為重要。因此參考日本 New RC 高強度材料認定‧認可辦法、 設計施工審核制度以及內容的演變並兼顧國內法令制度與工程實務等 實情，研擬適合於國內 New RC 建築之設計施工審核要項，以利 New RC 建築實際應用與發展。
今 New RC 建築已超過 700 棟，最高 59 層高達 200 公尺，顯示該工程技 術應用已趨成熟。國內近年來對於相關課題亦投入相當的心力，惟 New RC 建築之發展尚處於研究階段，開發建設廠商雖對此種建築物感到應興趣 卻又抱著觀望心態。此乃國內尚未整合出一套 New RC 的審核認定標準， 可說是主要原因之一，不確定的審核內容、不確定的審核期間，將使廠 商裹足不前。有鑑於此，參考日本 New RC 發展過程及審查內容的演變， 考量國內實情，期待能研擬出適用於國內之超高強度鋼筋混凝土設計施 工的審核機制。 具體作法為彙整國內相關之審查機制，並參考日本建築學會出版之 各種相關資料、日本建築中心「高層 RC 建築技術審查會」之審查內容 及機制、及「混凝土構造評定委員會」之鋼筋及續接器等評定報告書等， 擬定國內適用之設計施工審查要項內容。同時建議國內須進行的研究項 目，包括結構非線性分析方法的開發、構材性能實驗、高強度材料製作 及施工技術、預鑄工法的推廣等，商請學術單位及相關業者參與實際的 研究，研究過程中邀請專家學者以座談方式檢核研究內容之可行性。 日本於高層混凝土建築的發展過程中，審核機制已由初期的單一機 構擴展到成熟期的指定多處審查機構，可見審核內容項目已趨於標準 化，其中許多成果都可由報告或圖書取得，利於直接引用，或參照國情 透過國內專家之建議討論加以修正。因此採用如此研究方法可於最短時 間達到最佳的成果。 目前國內已有高層建築結構設計審查辦法，由主管建築機關委託學 術單位、建築師及技師公會等進行審查。審查內容已相當完備，且運作 已相當順暢，對鋼筋混凝土建築而言，僅適用於現行鋼筋混凝土設計規
第一章 緒論 範所規定之一般強度鋼筋混凝土造的高層建築物。主要審查項目有(1) 建築及基地概況，(2)結構系統，(3)設計載重，(4)結構分析，(5)結構 材料，(6)結構設計細部，(7)臨時開挖檔土措施，(8)與結構安全相關 之施工系統，(9)結構設計圖。 高強度鋼筋混凝土材料與結構之特徵有 (1) 一定以上強度的混凝土其彈性係數、抗壓強度時之應變、抗拉強度 不會隨強度大增大而變大，另外，潛變係數、收縮應變，乾燥收縮應變小， 而自收縮應變大。 (2)達到混凝土抗壓強度時幾乎為彈性，抗壓強度後急速破壞，最大強 度以後之斜率的控制必須有某種程度以上的橫向圍束鋼筋量，已獲得足夠之 韌性，圍束鋼筋量不足時，欠缺改善效果。 (3)初期勁度之評價方法，幾乎與普通強度的混凝土相同。高強度混凝 土之裂縫為貫穿粗骨材，形成平滑的破壞面、此構材之裂縫影響剪力傳遞路 徑。 (4)主筋為高強度鋼筋時，降伏變形變大，有時於主筋降伏達彎曲極限 強度前，因混凝土達到極限壓應變而達最大強度。彎曲極限強度之計算，必 須考慮高強度鋼筋與混凝土的應力-應變關係。 (5)剪力強度，使用適切的有效抗壓強度係數，可根據以往的剪力極限 強度計算式求出。 (6)界限變形，與使用普通強度之混凝土相同，軸力比的大小及構材抗 壓性能或規定抗壓性能之結構因素將成為性能評價的基本。 高層鋼筋混凝土結構物的施工，大多使用柱及梁為預鑄構材而現場組立 的工法。常用的工法有(1)將柱、梁構材預鑄化，柱梁接合部為現場澆置混 凝土的工法，(2)柱構材預鑄化，接合部及梁構材結合成一預鑄構材，於梁 中央部接合的工法，(3)柱構材與接合部結合為一預鑄構材，梁構材預鑄化， 於梁端部接合工法。柱梁架構建物之柱梁接合部，大地震時之應力相當高，
(1)耐震設計方法，將要求考慮構材彈塑性行為之非線性歷時分析。
(2)使用之高強度混凝土、高強度鋼筋、續接器、錨定鐵件等材料時， 需經過主管機關之新材料認可。
(3)採用預鑄積層工法時，應提出施工計畫，預鑄構材之接續方法或位 置超出規範要求時，應以構材實驗方式證明其可行性。
第一章 緒論 第三節 既有文獻之回顧 日本自 1988 年度開始積極推動為期五年的國家研究型計畫「高強度鋼 筋混凝土研究發展計畫」，簡稱為 New RC 研究計畫，其主要成果有(1)高強 度、超高強度鋼筋混凝土用材料的開發，(2)施工基準之開發，(3)結構性能 評估方法之開發，(4)設計方法的開發。因此目前日本東京首都圈，應用 New RC 於五十餘層樓超高層建築已習以為常，大幅節約工程材料，環保效益彰 顯；且採用預鑄構材之積層工法施工，工期可縮短，蔚為風氣。 有鑑於此，除了參考日本研究應用的成果及施工經驗外，國內近年來對 於 New RC 材料開發及設計施工方法也投注相當的心力。2007 年由財團法 人台灣中心與台灣省土木技師公會主辦，內政部營建署、內政部建築研究 所及行政院公共工程委員會之指導下，於台北及高雄各舉辦了「新世代超 高強度鋼筋混凝土構造工程技術研討會」，邀請日本學者專家就 New RC 的 發展、結構計畫及分析方法、結構安全評估方法以及施工實例進行精闢的 演講。 2009 年由廖慧明博士(協同主持人)邀請四位日本資深學者專家來台，舉 辦第二次演講會，內容涵蓋(1)結構計劃和耐震設計的現況和性能評價， (2)New RC 技術之演變，構造種別之推移，混凝土強度與建物高度之關係， 主筋及剪力筋強度之使用範圍，基本週期之分布，(3)日本建築中心性能評 估之流程，(4)超高層鋼筋混凝土造建築之施工計劃與管理，提供現場預鑄 工法的相關資訊。 2011 年 9 月 19 日於台北舉辦第三次 「新世代超高強度鋼筋混凝土構 造工程技術研討會」，內容除了 2011 年 3 月 11 日之東日本大地震之介紹外， 也將日本普遍實施之設計方法及最新施工技術加以詳細介紹。主題為(1)東 日本大震災與 RC 造建築物之受害，(2)日本高強度 RC 造建築物之設計，包 括耐震設計概要、構材設計與性能值，(3)日本最近超高層 RC 造建築物之 施工例。
高強度材料於高層 RC 建築之應用研討會」。 除上述舉辦各種研討會、座談會外，內政部建築研究所針對 New RC 課 題也投入相當心力，在此，就建築研究所協同研究報告中有關 New RC 設計 及分析的相關研究概述如下： 一. 超高強度鋼筋混凝土建築設計施工指針之研擬(參考書目 16)) 上述研究報告於 2009 年所提出，期待可供業界推展超高強度鋼筋混凝 土建築構造的指引，依循其設計施工之要求與要點的指導，引進開發優質 的建築個案。主要內容如下: (1) 結構計劃 建議採取之規則性結構系統、標準結構構材、結構體之要求目標性 能、構材製造與工地施工可行性之確認 圖 1.3.1 標準層平面及構架立面案例 【資料來源:參考書目 1】
第一章 緒論 圖 1.3.2 典型柱、梁斷面 【資料來源:參考書目 1】 (2) 高強度鋼筋混凝土之材料與構材性能 材料與構材之品質目標及性能要求、設計時應有的施工考量、高強 度混凝土之性能要求、高強度混凝土使用材料之一般事項、混凝土 配比強度與結構強度、高強度鋼筋、高強度鋼筋混凝土構材之力學 特性 圖 1.3.3 骨材之種類和抗壓強度的關係 【資料來源:參考書目 3】
圖 1.3.4 SD590/685 鋼筋力學性質示意圖 【資料來源:參考書目 16】 (3) 耐震設計與分析方法 耐震設計基本原則、耐震設計之判定基準、結構物之模擬方式、構 材之反復受力特性、地震設計的方向性、根據靜力分析之耐震性能 的確認、基礎構造、根據動力分析之耐震性能的確認 圖 1.3.5 立體架構模型 【資料來源:參考書目 33】
第一章 緒論
圖 1.3.6 日本 New RC 高層建築結構設計流程
圖 1.3.7 預鑄混凝土接合部的概念 【資料來源:參考書目 34】 (5) 施工與管理 特殊工法之必要性、混凝土之發包製造及輸送、預鑄構材之組裝、 施工計劃及施工管理、施工品質之管理、施工品質之確認。 圖 1.3.8 預鑄構件之組立工程例【資料來源:參考書目 5】
第一章 緒論 二. 高強度鋼筋混凝土應用在超高層樓建築物之耐震性能探討 上述報告(參考書目 17)於 2011 年所提出，研究內容為參考相關高強度 鋼筋混凝土之力學行為計算方式，透過與實驗之比對，確定研究所採用 的高強度混凝土組成律與剪力公式等之適用性，並提供視窗化作業環 境，有效的建立結構分析軟體所需之前後處理分析工具，並依據日本案 例之分析，建立超高樓層建築物之分析流程並制定檢核標準。主要內容 如下: (1) 高強度鋼筋混凝土構件非線性行為之探討 高強度混凝土組成律、構件撓曲行為、構件剪力行為、構件塑角設 定、高強度鋼筋混凝土單柱容量曲線之分析比較、高強度混凝土構 材實驗資料與理論分析比較 圖 1.3.9 高強度混凝土組成律(六車模型) 【資料來源:參考書目 17】 圖 1.3.10 軸力-彎矩交互影響圖與彎矩-曲率示意圖【資料來源:參考書目 17】
圖 1.3.11 性能點 【資料來源:參考書目 17】 (3) 高強度鋼筋混凝土建築物耐震能力評估檢核系統介紹 輔助分析系統之設計目標、輔助分析系統分析及設計、輔助分析系 統實作 (4) 超高層建築物結構耐震性能評估及探討案例 結構模型建立與側推分析、多質點模型建立與非線性動力分析 圖 1.3.12 各階段樓層力、層間位移及層間勁度【資料來源:參考書目 17】
第一章 緒論 第四節 預期目標 本研究之預期目標如下述: 1. 完成超高強度鋼筋混凝土設計審核要項編輯。 2. 完成超高強度鋼筋混凝土施工品管審核要項編輯。 3. 建議高強度混凝土製造商、高強度鋼筋相關材料之認可辦法。 4. 建議國內審核認可機制的建立。 5. 建議未來超高強度鋼筋混凝土實驗研究課題方針。
第二章 審查內容重點
第二章 審查內容重點
第 一 節 日 本 New RC 之 發 展 經 驗 日本於 1981 年導入所謂新耐震設計法而修正建築基準法施行令，其中 指出「高度 60 公尺以上建築物的結構計算，必須為建設大臣認定之可確認 該建築物結構強度上安全的結構計算」。但是並未出示具體的結構計算法。 日本高層建築物構造評定委員會(1986 年 6 月)提出動力分析用地震力，將 建築物耐用年限中可能遭遇 1 次以上地震定義為等級 1 地震，過去及將來 可能之最強地震定義為等級 2 地震，標準地震波形必須使用具地區特性之 地震波形，及含有長周期成分等之地震波形共 3 地震波以上。地震的強度 規定，支持層為堅實地盤，並具有剛強地下部分的建築物，地表面的地震 最大速度，等級 1 地震為 250mm/sec 以上，等級 2 地震動為 500mm/sec 以 上。 根據新耐震設計法，雖說日本已可建設超高層建築物，但是 RC 結構一 直以來被認為缺乏韌性，耐震性尚有令人無法安心的地方，因此根據行政 指導持續長期間被限制於 20m 以下之低樓層建築。而經過多次震災的經驗 後，產官學協力進行實驗性研究，開發出對地震具足夠韌性抵抗的 RC 構造 技術。更因 RC 結構具有高遮音性，樓板振動問題較小等優點，適合高層化 集合住宅，最近幾乎與鋼結構同數或以上之 RC 造超高層建築物取得國土交 通大臣的認定。造成此契機的是，日本建築中心所設立「高層鋼筋混凝土 造技術檢討委員會」(1985 年 1 月)和以使用高強度 RC 構造技術開發為目標 之「鋼筋混凝土造建築物之超輕量‧超高層化技術的開發」(通稱 New RC 計劃，1988~1993)總合技術開發計劃。 隨著大規模集合住宅的需要，從 1970 年代末以大型建設公司為中心進 行了建設高層 RC 造集合住宅之技術開發，同時也向日本建築中心提出接受 評定之案件。但是，當時審查專家側及受審查設計者側對於高層 RC 造之技法。 建議之結構設計方針為，形成韌性梁先行降伏的降伏機構，期待結構物 塑性化的同時，也要防止導致建築物崩壞之構材的脆性破壞。委員會設置 當初並無技術標準等，大型建設公司提出其獨自檢討之設計方法或施工方 法出席檢討委員會，與學識經驗者之委員進行攻防，於相互試行錯誤中產 生出新的技術。但是中型建設公司或設計事務所接受檢討委員會審查時， 漸漸失去企業的技術獨自性，學識經驗之審查側累積更多的經驗知識，檢 討委員會對於申請者漸漸變成進行技術指導，名稱也變更為「高層鋼筋混 凝土造技術指導委員會」，1998 年委員會活動結束。此技術檢討(指導)委員 會，對於高層 RC 造建築物的設計‧施工技術能於中型建設公司間普及扮演 著非常大重要的角色。 建設省鑒於高層住宅建設需要升高，提出「New RC 計劃」針對建造高 強度混凝土及鋼筋之 RC 造超高層建築物時必要的技術開發，得到民間建設 公司及大學關係者之協力而得以實施。研究活動分別為高強度混凝土、高 強度鋼筋、構造性能、設計、工法等分科會。對象之材料為，抗壓強度 300~1200kgf/cm2 之混凝土和降伏強度 4000~12,000 kgf/cm2 的鋼筋，根據 此研究，600 kgf/cm2 為止的混凝土，7,000kgf/cm2 為止的鋼筋得以實用化。 此外，也製作出高強度混凝土的配比設計和品質管理基準，高強度鋼筋之 製造及使用基準，確立材料、結構構材、架構之基本性能評價法。有關結 構設計製作出地震反應評價指針、結構設計指針，關於施工也製作出標準 施工指針。結構設計方法中，對於等級 1 地震之性能目標為，結構構材及 非結構構材不得產生破壞，對於等級 2 地震則為，除根據地震反應分析確 認其不會倒塌外，並以靜力側推分析確認架構之降伏機構及水平強度。另
第二章 審查內容重點 外於設計用地震定義工學上的基盤位置，考慮由於地盤的放大效應，及水 平 2 方向地震和垂直地震的影響。 日本更於 2000 年 6 月導入「界限強度計算」之新結構設計方法。於超 高層建築物之特例中指出「超高層建築物之結構計算，因應建築物之構造 方法、振動性能等，必須依據建設大臣所定基準進行結構計算，連續把握 載重及外力導致建築物各部所產生的力量及變形，才可確保建築物結構強 度上安全」。進一步要求確定性能的結構計算(歷時反應分析)，成為評定時 必須審查的焦點。此外，超高層建築物之結構性能評價開放指定性能評價 機關，各自根據所製作之「歷時反應分析建築物性能評價業務方法書」實 施評價業務。 目前日本於高層建築物之設計，有關設計地震波為，從代表性觀測地震 波中考慮建設地及建築物之特性適切選取 3 波以上，等級 1 地震最大速度 為 250mm/sec，等級 2 地震最大速度為 500mm/sec，而將其乘上地震地域係 數之值基準化，進行結構性能之檢討。建築物之地震反應分析方法，必須 為可評價結構物主要部分的破壞及建築物崩塌的方法。實際的做法為，將 結構物進行預設水平力分布之側推分析，定出彎曲剪力質點系模型的恢復 力特性，針對輸入地震進行彈塑性地震反應分析。推定建築物與地盤之動 態相互作用大的時候，則使用考慮其影響之質點系模型。 質點系模型的反應無法評價結構構材所作用之力與變形，因此對於等級 1 地震，從(a)最大層間位移角大小，(b)從大於質點系模型最大層剪力之層 剪力，根據架構靜力側推分析所得結構構材之應力值，來確認結構構材不 會發生破壞。對於等級 2 地震，從(a)最大層間位移角之大小，(b)層之最 大塑性率大小，(c)於超過質點系最大可能地震反應之變形，根據架構靜力 側推分析所計算構材的塑性率及脆性破壞寬裕率的大小，確認建築物不會 崩塌。 關於高強度材料之想法為，高強度混凝土之製造被要求比通常之混凝土 有更安定的材料品質及更確實的製造管理。強度超過 600 kgf/cm2 之混凝
通常高強度混凝土使用於垂直構材的柱，使用柱模擬構材澆置混凝土， 進行確認結構體強度之實大試驗，決定配比。決定養護試體強度與結構物 強度之修正值時，採取之流程為，(1)於與實結構體相同斷面尺寸之柱模型 澆置混凝土，(2)於各材齡從模型試驗體鑽心取樣測定其抗壓強度，(3)同 時測定標準養護試體之強度。這種試驗因為花費大量時間及費用，目前也 有使用簡易隔熱養護層，來推定結構體混凝土強度的方法。 日本 2000 年 6 月建築基準法之修正，規定未符合 JIS A 5308 之混凝 土必須經過大臣的認定，當初混凝土標稱強度最大值為 400kgf/cm2，即超 過此強度則必須經過認定。目前 JIS A 5308 之最高混凝土強度已包含到 600 kgf/cm2 。 高強度鋼筋根據成分調整和延壓及熱處理所製造出，因為瓦斯壓接或焊 接續接器等加熱類型之續接器會使鋼筋母材之金屬組織產生變化，很難得 到與母材同等的強度，因此通常使用套管續接器及填充式續接器等機械式 續接器。高強度鋼筋 USD685 所使用續接器的方法有(1)將螺紋節鋼筋以連 結器作機械式接合，(2)將螺紋節鋼筋以連結器連接，於續接器內注入填充 材加以固定，(3)異形鋼筋相互的一方以螺栓固定，他方透過套管以水泥砂 漿固定等。梁通常採用上述(1),(2)的方法，柱則大多採用(3)的方法。續 接器性能依所定判定基準以單體試驗結果來判定。 高強度混凝土欠缺到達抗壓強度後的韌性，會引起急劇的破壞。控制此 急劇強度降低的方法為使用強度鋼筋的橫向圍束效果。橫向圍束效果隨著 (橫向補強筋比 X 補強筋降伏強度)增大，其達到抗壓強度後的強度降低將 變小，抗壓韌性可大幅改善。
第二章 審查內容重點 對於施工計劃之檢討，應(1)把握現場條件：如基地條件、道路條件、 輸送條件、近鄰條件、氣象條件等，(2)檢討施工的妥當性：如結構條件、 作業狀況、外部安全、機械設備、計測設備等。關於工程計畫上應檢討事 項如，(1)結構特殊性和問題點，(2)起重方法與建物形狀，(3)起重機械之 種類和特徵等。對於構築工法之選定可考慮構材之預鑄化、系統化，確保 結構體之品質、縮短工期、有利於現場施工之簡略化、施工之安全性。 一般結構體工程期間，約佔工期的 50%~80%，計劃初期階段之構築工法 的選定對整體工期之影響非常大。另外，決定整體工期時，從基礎工程到 標準層為止之期間和裝修期間，難以考慮工期的縮短，因此標準層每層設 定為幾天的循環工程變成重點。關於循環工程之檢討事項有(1)起重機配 置、台數、機種，(2)循環工期日期，(3)混凝土澆置方法，(4)現場預鑄之 構材製作，(5)工區分割之檢討等。
力，產業界對高強度材料(高強度混凝土、高強度鋼筋及續接器、錨定 器、高強度箍筋等)的全力開發，政府單位配合提出五年的國家級發展 計劃(New RC 計劃)，進行建築基準法的修正，規定未合乎當時規範可使 用範圍之建築材料必須經過建設大臣的認定；學術單位等更於日本建築 中心組成「高層鋼筋混凝土造技術檢討委員會」與接受評定之業界共同 討論，產生新技術，之後改名為「高層鋼筋混凝土造技術指導委員會」 將累積之新技術，推廣到有意願參與的各業界。目前日本超高樓層之審 查已開放到 14 個機構，惟提出之性能評價單格式相同(參考資料一、二)。 本案「超高強度鋼筋混凝土建築設計施工審核要項」之擬定，正期 待如日本建築中心之「技術檢討(指導)委員會」發揮技術的累積及推廣 的使命，除目前國內「特殊結構委託審查原則」外，將針對超高強度鋼 筋混凝土造建築物之特殊處，提出加強的相關審查要項，並參考國外資 料提供審查要項內容說明等，以供參考。加強重點有(1)使用材料的特 性(組成及力學特性)，(2)組成構材的結構特性，必要時以實驗預先驗 證，(3)分析方法，為求掌握結構物整體行為，建議需進行彈塑性歷時 分析，(4)斷面分析時應考慮架構最大變形時的應力狀態，(5)施工之可 行性評估。 一．使用材料之性質 (1) 混凝土 日本於 2000 年之建築基準法修正時，規定未符合 JIS A 5308 預拌混凝土品質之高強度混凝土必須經過國土交通大臣的認定(該 規格目前混凝土最高強度範圍為 600kgf/cm2)。因此建議使用超過 此強度之混凝土時，審查單位可要求該使用材料必須經相關單位之 認定。
第二章 審查內容重點 高強度混凝土與一般混凝土使用之材料雖無太大的不同，但是 需注意配比計劃及性狀、品質管理、輸送的特殊性等。以日本為例 提出申請認定的方式有 3 種情形(a)建設公司和預拌混凝土公司共 同申請，(b)預拌混凝土公司單獨申請，(c)建設公司單獨申請。但 是最普通的申請方式為(a)，因為可由預拌混凝土公司控制產品的 品質而建設公司則負責施工時之品管制度。 申請提出之資料應包括： (a) 建築材料的適用範圍：說明混凝土抗壓強度之適用範圍、配 比材料來源、使用期限等。 (b) 建築材料之品質基準：包括水泥、粗細骨材(品質及粒徑分 布)、拌和水、混和材、化學摻料、氯離子含量等 (c) 抗壓強度之標準值：管理強度、標準值與管理強度之關係、 配比、管理強度和坍度、坍流度及空氣量等之關係 (d) 建築材料之製造及檢查體制：製造工廠、製造及檢查體制、 品質管理體制(責任、權限、契約內容確認、教育訓練、品質 紀錄) 其中抗壓強度之標準值為，作為設計標準強度所用的強度值。管理 強度與設計強度標準值的關係為，作為安全上必要之混凝土強度對 應於抗壓強度之標準值。以日本為例，混凝土強度根據規定進行強 度試驗後應該滿足下述標準①1 次之試驗結果為管理強度的○○%以 上，②3 次試驗結果的平均值為管理值以上。試驗原則上，每管理 強度由每澆置日及每 300m3 以內構成 1 個單元。1 檢查單元試驗次數 為 3 次，1 次之試驗為 100m3 以內，且採取適切的間隔。1 次之試驗 為從任意 1 台運搬車採取 3 各個試體來進行。但是 1 天澆置量未達 30 m3 ，且幾乎以相同條件定期澆置的情形，可 1 天進行 1 次試驗， 由 3 天份構成 1 個檢查單元。 (2) 鋼筋及續接器等 本研究案所應用之高強度鋼筋材質，為超越現行規範降伏強度
建議草案，如表 2.2.1 所示，其中做為構件主筋之 SD685 鋼筋參考 日本 USD685A 及 USD685B 之鋼筋規格，此鋼筋規格要求必須具有降 伏平台、降伏強度上限不得大於 7850kgf/cm2 ，下限不得低於 6850 kgf/cm2 與抗降比(實際抗拉強度與實際降伏強度比)不得低於 0.85 之規定(詳圖 2.2.1)；做為構件箍筋之 SD785 鋼筋參考日本 USD785 鋼筋規格，無降伏平台、降伏強度上限與抗降比之規定，僅規定降 伏強度與抗拉強度之下限值(參考書目 1)。同時，也邀集國內東和 鋼鐵股份有限公司進行此新材料之本土化技術研發。研發過程發 現，此類高強度鋼筋材質之生產製程與品質管控有其技術門檻。除 鋼筋外，鋼筋續接、端部錨定套筒與灌注漿體亦為確保結構安全之 關鍵材料，因此相關材料應列為審查之重點。 表 2.2.1 SD685/SD785 鋼筋之力學性質表 力 學 性 質 符號 降伏 強度 N/mm2 抗拉 強度 N/mm2 實際降伏強度 實際抗拉強度 RSR 達降伏 強度上 限之應 變 試片 伸長率 % 彎曲 角度 彎曲 直徑 SD 685 685~ 785 856 以上 1.25 以上 0.014 以上 2 號 14A 號 10 以上 90° 標稱直徑 之 4 倍 母材 2 號 14A 號 8 以上 180° 標稱直徑 之 3 倍 SD 785 785 以上 930 以上 － － 電焊 處 2 號 14A 號 5 以上 － － 註：1. 參考 CNS 2111，降伏點不明顯時以 0.2%橫距法測定。 參考 CNS 2111 及 2112，拉伸試驗時，以伸長計求出伸長量除以標點距離之軸向平均應變，對應負載達降伏強度上限之應變值不 得少於 0.014。 γ 鋼筋混凝土用 SD 785 鋼筋應於直線段對焊，對焊續接不得位於彎曲處。 2. 拉伸試驗結果，其實測抗拉強度小於最小抗拉強度規定值 14 N/mm2 以內，實測降伏強度小於最小規定降伏強度值 7 N/mm2 以內，實 測降伏強度大於最大規定降伏強度值 7 N/mm2 以內，或其伸長率小於最小伸長率規定值 2.0 %以內者，得進行重驗。
第二章 審查內容重點 圖 2.2.1 SD685 鋼筋應力應變示意圖 目前我國「建築技術規則」及相關關定除了對於使用鋼筋之強 度有所限制外，對於配筋方面也有所規定，如柱梁同一斷面之鋼筋 最多只能隔根續接，且隔根續皆應相距 60cm 以上。2011 年 10 月 12 日內政部營建署修正公佈「建築新技術新工法新設備及新材料認可 申請要點」並於 2012 年 7 月 1 日實施。上述超出目前規範規定之鋼 筋強度及施工方法者將可透過認可申請，取得使用之合法性。 高強度鋼筋應避免使用搭接續接與彎鉤錨定為原則，因此採用螺 紋節鋼筋，搭配使用之續接器、錨定器皆應申請取得認定方可使用。 建築新材料之認定並非僅限於材料本身的性質，為達到材料所提供 性能時之施工方式及品質管理皆應加以考慮列入認定內容。以日本 取得評定書(圖 2.2.2)之內容為例，申請時需提供之資料應包括: (a) 續接器概要：使用鋼筋種類、鋼種、稱號、形狀、材質 、填充材性質、續接方法、續接器斷面圖 (b) 續接器性能、施工要件 其中施工要件包括說明續接器部品之供給責任者、續接器工程 之施工責任者、續接器工程之施工技能者資格、設計指針、施工 說明書等。設計指針內容之目次如圖 2.2.3，施工說明書內容之 目次如圖 2.2.4。
第二章 審查內容重點
第二章 審查內容重點
第二章 審查內容重點
第二章 審查內容重點
析。歷時反應分析為模擬所謂地盤移動建物搖動之地震實態的手 法，得到判斷設計建築物之防止破壞、防止崩塌的資訊。比較分析 結果和設計標準來評價建築物之破壞、安全，但是前提必須是分析 模型及分析條件為正確的。因此分析所使用載重-變形關係應與實 驗資料比較，認識設定模型之精度及破壞之程度，不僅是慣用的數 值更應該理解破壞界限或安全界限之實態，而反應於設計標準內。 如上述建物之歷時反應受到建築物恢復力特性很大的影響，而架 構之勁度根據使用材料之力學特性而設定，即混凝土彈性係數也影 響建築物之反應(參考資料三)。因此地震反應分析時也應檢討設定 適切的彈性係數。如果無可信資料證實分析時使用之構材復元力特 性的正確性，則應透過實驗加以驗證。 因此審查單位對於構材之特性，將要求 (1) 分析時使用之混凝土的彈性係數。 該係數可透過實驗的驗證或參考公認可信用的資料來推算。日本 根據多數實驗結果，對於抗壓強度大於 36N/mm2 之高強度混凝 土，提出可適用之彈性係數平均值的推算式如下: c 1 2 1 2 3 f E=33500 k k 24 60 其中，E：混凝土之彈性模數(N/mm2) γ：混凝土之氣乾單位體積質量(kN/m3) fc：混凝土之抗壓強度(N/mm2) k1：根據使用骨材所定之常數 k2：根據卜作嵐材料所定之常數
第二章 審查內容重點 式中根據所使用骨材決定之常數k1，及根據摻合材料決定之常數 k2，其值如下: k1 = 0.95 : 石英片岩、安山岩、玄武岩 k1 = 1.2 : 石灰石 k1 = 1.0 : 其他的骨材 k2 = 0.95 : 矽灰、爐石粉微粉末 k2 = 1.1 : 飛灰 k2 = 1.0 : 未使用卜作嵐材料 (2) 構材之載重-變形關係及樓層恢復力特性之合理性。 該等性質可透過實驗之驗證，或參考公認可信用的資料。 分析用載重-變形關係與實驗資料之比較例如圖 2.2.4。 圖 2.2.5 RC 架構之載重-變形關係例 【資料來源:參考書目 23】
出之設計地震力的大值，進行結構分析，並且通常僅採用彈性分析 之應力作為斷面設計之依據。 參考日本 New RC 之設計方針為，對於任意方向之輸入地震，以 梁降伏之整體降伏行為前提。對於中小度地震，確認構材不會降 伏，次要構材也不會產生受害的變形。對於設計地震，變形不致於 集中於特定樓層，構材容許降伏，但是不容許架構產生強度降低的 狀態。架構設計變形時形成塑鉸的構材確保其韌性，非塑鉸的構材 避免其產生塑鉸確保足夠的強度。 根據與日本千葉大學和泉教授之共同研究「日本和台灣之超高層 鋼筋混凝土造建築物的耐震設計」(參考資料四)，主要指出(1)柱 之極限強度設計用彎矩，隨著水平變形的增大彎曲反曲點將移動， 彈性分析和彈塑性分析之分析結果會有很大的差異，(2)極限強度 設計時，應進行靜力彈塑性分析，希望使用對於地震變形時具有安 全係數之保證設計變形時之應力及變形。 另外長期高軸力對鋼筋混凝土潛變等之影響等也應加以考量。跟 據「有關使用超高強度混凝土之鋼筋混凝土柱的壓縮特性研究」(參 考書目 35)中，使用超高強度 RC 之 60 層建超高層 RC 造建築物，進 行考慮潛變之架構分析，檢討超高層 RC 造建築物之長期設計，其 結論主要指出(1)設定設計軸力比 1/3，下層柱使用設計標準強度 1500 kgf/cm2 之混凝土，其彈性變形約 1,000μ 左右，潛變之應變 約 400μ，(2)考慮施工順序之分析模型，垂直載重之樓板節點變位 計算結果，建物中間層部分變為最大約 80mm 左右，其中潛變之變 形約佔 30%，另外頂部樓板節點變位約 40mm 左右，潛變應變之變形
第二章 審查內容重點 約佔 50%。(3)最大軸力比 1/3 之柱和最大軸力比 1/6 的柱，相鄰 的情形時，節點變位差為 20mm 左右，傾斜角為 1/500 程度。 綜合上述，適用本審查要項之 RC 建築物，方析時應考慮下述各點: 1. 結構體重量之長期軸力應考慮施工順序之影響 2. 長期載重作用下，須確認是否會發生影響建築物耐久性的裂縫 3. 地震歷時彈塑性分析使用之地震波，至少包含三個與設計反應 譜對應的水平地震紀錄及三個具有代表性的既往觀測波，如 EL Centro 1940 NS、TAFT 1952 EW、Hachinode 1986 NS，以 作為性能評價之判別。 4. 採用適當水平力豎向分布之靜力非線性分析(側推分析)，計算 最大考量地震之性能點，比較該性能點之構材應力和地震反應 分析結果時之應力進行斷面設計。 5. 對於較規則之建築物，彈塑性歷時分析可使用多質點系模型 (STICK MODEL)，不規則之建築物則應使用 3D 構材等級模型。 四．依分析結果之斷面設計 目前國內斷面設計使用之應力主要依據靜力分析所得之組合結 果，因此對各構材皆須具有相同之韌性要求，高層 RＣ建築底層之 柱承受相當大之彎矩、軸力，須大量之彎曲主筋，要求與其他構材 具相同韌性時經常導致剪力鋼筋無法配置的情形。日本 New RC 之 設計，著重於確保降伏機構之形成，即經過詳細之彈塑性分析，確 認不致於形成預想外的降伏機構，而對於產生降伏塑鉸之構材應確 保其韌性。 利用靜力彈塑性側推分析時，當構架位移達設計變形前，確認 不會發生彎矩及軸力導致混凝土壓壞、剪力破壞或握裹破壞。對於 不致產生降伏塑鉸的構材，應確保其具有足夠的強度。為保證構材 達到上述性能要求，考慮到材料強度的上升、樓板有效寬度的增大
表 2.2.2 斷面設計原則 構材 位置 設計原則 塑鉸部 確認具足夠的韌性 形成 塑鉸構材 (h-1) 非塑鉸部 確認具足夠的強度 塑鉸部 (1)確認假定塑鉸形成時具足夠韌性 (2)確認對存在應力具足夠強度 計畫 塑鉸 構材 未形成 塑鉸構材 (h-2) 非塑鉸部 (1)確認對假定塑鉸形成時之應力具足夠強度 (2)確認對存在應力具足夠強度 對(h-1) 確保足夠強度 非 塑鉸 構材 對(h-2) (1)確認對假定塑鉸形成時之應力具足夠強度 (2)確認對存在應力具足夠強度 五．施工之可行性 施工可行性可透過施工計劃書之製作加以檢討，施工計劃書製 作之目的為，訂定完成設計圖面、施工說明書所述工程項目將採取 之流程或工法以及施工中之管理。施工計劃書內容至少應包括，(1) 施工之基本方針，(2)施工方法概要，(3)施工管理計畫，(4)品質 管理內容等。 另外，採用預鑄化工程之施工時，應注意下述幾點: 1. 鋼筋之續接採用機械式續接器，應檢討續接器之保護層及與 其他鋼筋或續接器之間距合乎法規要求。此常左右斷面之尺 寸，應事先檢討。 2. 續接於構材端部時，續接器將導致應力之提高，應檢討不致 使構材產生剪力破壞，必要時以實驗加以驗證。 3. 設計時根據整體結構進行分析，因此於預鑄必要之接合處必
第二章 審查內容重點 須採取適當的接合元件，確保預鑄構材與現場一體澆置構材 具相同性能。 4. 預鑄混凝土構材與現場澆置混凝土之接合處，須注意避免 形成冷縫而降低耐久性及防水性。 5. 超高強度混凝土對於高溫容易引起爆裂，應檢討其耐火性 (參考資料五)。
第三章 審查作業流程
第三章 審查作業流程
第 一 節 審 查 適 用 對 象 目前國內針對特殊結構由各縣市政府訂定「特殊結構委託審查原則」， 以台北市為例，其適用對象為高度超過 50m 之建築物或為(a)鋼筋混凝土構 造且設計跨距在十五公尺以上者、(b)地下層開挖之總深度（含基礎）在十 二公尺以上，或地下層開挖超過三層之建築物、(c)建築基地位於地質敏感 地區者,地下層開挖之總深度（含基礎）在七公尺以上，或地下層開挖超過 一層之建築物、(d) 地形特殊、結構體相連之同一幢建築物，其規劃建築 基地地面在三個以上者、(e) 他情況特殊並有安全顧慮者。其他縣市也都 為類似之規定。使用超高強度鋼筋混凝土造之建築物大多為高層建築物， 因此自然會進入特殊結構審查之對象，但是如第一章所述，超高強度鋼筋 混凝土建築攸關的審查內容，將比目前之特殊結構審查更為煩雜，其也將 要求更詳細的結構分析以及施工計畫等，因此建議在此審查內容尚未完全 整備前，將由單一機構來執行，等到累積足夠資料後，再將主管機關開放 給有意願的機構參與審查。 本研究研擬之超高強度高筋混凝土設計施工審查要項之適用對象將針 對使用超高強度之鋼筋混凝土建築物，或鋼筋混凝土造建築其結構施工方 法採用預鑄工法者。 一. 審查適用對象 本超高強度鋼筋混凝土建築設計施工審查要項之適用對象為： (1) 主要結構構材使用混凝土設計強度高於 560kgf/cm2 以及主筋採用 SD550、SD685 等級以上鋼筋的鋼筋混凝土結構。 (2) 鋼筋混凝土造建築之結構施工方式採用預鑄工法者。 [解說]同。根據研究高強度混凝土之應力-應變關係，達抗壓強度之應變隨 著混凝土之高強度化而增大，但是其傾向根據粗骨材之種類、量及 最大尺寸而不同，因此應力-應變的關係式必須考慮粗骨材為變數。 此外高強度混凝土之抗壓強度與彈性係數(E 值)之關係，也與骨材種 類及混和材種類有關。日本將超高強度混凝土設定為超過 600kgf/cm2 者，國內混凝土強度之單位習慣使用 Psi，因此此處設定 超過 8,000Psi(約 560 Kgf/cm2 )之混凝土為超高強度混凝土。 現行鋼筋混凝土設計規範規之耐震設計規定，鋼筋降伏強度不得 超過 4200kgf/cm2 。當鋼筋強度過高時，特別達 SD550、SD685 等級 者，除鋼筋搭接續接長度過長不利施工性外，鋼筋本體不適合進行 電銲與彎折之加工作業，因此為方便鋼筋的續接與端部錨定作業， 鋼筋表面節理形狀製作成螺紋節形式，如圖 3.1.1。鋼筋續接可採用 砂漿(或樹脂)填充螺紋續接器(圖 3.1.2)續接，或對預鑄柱構件可採 用預鑄用套筒續接器(圖 3.1.3)續接；鋼筋端部錨定可利用螺帽型錨 定器做為端部錨定，如圖 3.1.4 所示。此 SD685 高強度螺紋節鋼筋、 鋼筋套筒續接器、與鋼筋端部錨定器皆為本新式高強度鋼筋混凝土 結構系統之重要關鍵元件。 目前國內普遍使用之高強度鋼筋其設計標準強度為 4900kgf/cm2 (SD490)，依據 ACU ITG-6R-10 之研究報告顯示，受壓主筋強度因受 壓混凝土極限應變值 0.003 所限，其最大應力值多不會超過 5600kgf/cm2 ，與現行規範公式不同。另比較我國與日本 SD 490 鋼筋 材料之力學性質，其結果顯示 CNS 560 與 JIS G 3112 對於 SD 490 鋼筋之力學性質規定幾乎相同，現行規範對於耐震設計規定雖然未
第三章 審查作業流程 列於使用範圍內，但因其設計公式與規範較接近，故使用材料需經 內政部「建築新技術新工法新設備及新材料認可申請」通過使用於 韌性結構之申請，即可依循一般「特殊結構委託審查原則」進行設 計。 圖 3.1.1 螺紋節鋼筋 圖 3.1.2 填充式螺紋續接器 (Tokyo Tekko Co.)
圖 3.1.3 預鑄用套管續接器 圖 3.1.4 螺帽型錨定器
(Tokyo Tekko Co.) (Tokyo Tekko Co.)
(2)為了確保品質及縮短工期等，使用高強度鋼筋混凝土造的高層建築 物通常會採用預鑄工法，預鑄構材的製作、現場接續的處理將為審 查之內容，另外預鑄構材勁度、強度及恢復力特性等力學性能，須 與現場澆置混凝土構材相同，必要時應以構材實體試驗加以確認。
劃中同時進行，確定結構計畫之概要、使用材料之強度、施工方法、 特殊裝置之使用等。 [解說] 使用超高強度鋼筋混凝土之建築物，因使用材料有別於一般強度鋼 筋混凝土，對於材料的力學特性、組成構材後的結構特性、確保建築安 全的分析設計方法及施工管理方法等皆有許多需要探討的空間，為確保 結構之安全性，建築設計者、結構設計者與業主之間常需要有較長時間 及漸進方式的溝通與互動。 因此使用超高強度鋼筋混凝土之建築物提出結構預審的時機，應於 建築規劃中同時進行。 二. 提供預審資料 提供必要之預審資料後，由審查機構召開審查委員會。 [解說] 申請者提供必要之預審資料交付審查機構後，由審查機構排定預審 時程，召開首次審查委員會。參與人員除全體審查委員外，應包括業主、 建築設計單位、結構設計單位者及施工單位等。 預審資料包括建築設計概要、結構計畫概要、結構設計概要、使用 材料或特殊工法說明等。詳細於第三章說明。
第三章 審查作業流程 三. 確認是否進入詳細審查 審查委員會根據所提供圖說及當場詢問，確認是否進行詳細審查。 [解說] 審查委員會就所提供圖說加以審閱，並由建築設計單位說明建築設 計概要，結構設計單位及施工單位對結構設計及施工方式進行概要說 明。審查委員將提出詢問，設計單位無法當場回答時可於正式審查會時 補充說明，設計者應告知使用材料是否經過認可，或施工方法尚須經實 驗認證等事項，將此列入紀錄，並應於詳細審查前完成。 審查委員會經審閱資料及與設計者之問答中，判定是否接受該建築 物之正式審查，接受時考慮該建築物情況等決定正式審查之小委員會名 單、預定詳細審查時間；不接受時則將退回圖說資料。
由小委員會進行複數次詳細審查，並將內容向委員會提出報告。 [解說] 設計單位提出詳細審查必要資料、初次審查會之質疑事項回答及追 加檢討書等，進行小委員會之審查。小委員會審查次數因應其必要性將 複數次舉行。審查內容除詳細檢討設計資料外，針對施工計畫及管理方 法也進行審查。小委員會審查結束，將審查內容整理後，向審查委員會 提出審查報告。 二. 審查結果判定 審查結果之判定分為(1)「通過」、(2)「須再檢討」、(3)「保留」、(4) 「不通過」等 4 種情形。 [解說] 小委員根據整理之資料向委員會進行報告，原則上申請者不必出 席。審查委員依照審查評價標準，作出下述之判定: (1)「通過」的情形:發行審查報告書。 (2)「須再檢討」的情形:有關檢討事項、檢討方法等，將記載於委 員會檢討通知書內，請申請單位檢討該記載內容。檢討事項的回 答及處置完成後，再發行審查報告書。 (3)「保留」的情形:委員會判斷審查結束並不適當時，將再度回到 小委員會進行審查後，再送委員會審查。 (4)「不通過」的情形:委員會判定即使繼續審查也無法符合審查評 價標準時，將發行「無法審查的通知書」告知申請者。
第三章 審查作業流程 三. 審查報告書 通過審查時，審查單位將發行審查報告書。申請者取得認定書後應提 出最終保存圖說兩份。 [解說] 通過審查時審查單位將發行審查報告書，申請者以該審查報告書向 主管機關申請認定，最終由主管建築機關發行該核准該建築物之認定 書。 取得認定書後申請者應該於 2 週內提出最終保存圖說兩份，一份交 由審查單位保管，另一份蓋上確認印後交還申請者。 最終保存圖說的內容為，將審查會提出之圖說根據委員會及小委員 會所質詢事項，加以變更、修正或抽換等，再加上所提出之檢討資料所 構成。
表 3.4.1 審查之流程 申請者 審查單位(委員會及事務員) 事 前 作 業 提出審查申請 事務員—說明申請要領、申請圖說、手續要領、預定時程 申 請 預審資料 ․申請書 ․設計概要圖說 事務員—提出資料之確認 第 一 次 委 員 會 出席委員會 ․使用材料 ․結構設計概要說明 ․施工方法概要說明 委員會—內容審查、是否接受正式審查、小委員會成員(擔 任委員)之決定、審查期間之預定 事務職員—小委員會開會之通知(不接受審查時退回圖說) 小 委 員 會 出席小委員會 (詳細檢討) ․質疑事項回答 ․追加檢討事項書 小委員會—小委員會審查 ․詳細的審查 ․複數回審查(必要時) 第 二 次 委 員 會 委員會(原則上僅提出資料) ․質疑事項回答書 ․追加檢討資料 ․追加檢討項目一覽表 委員會 –委員會審議 ․擔任委員報告審查結果 ․審查之決定 ․審查報告書之審議(適合的情形) 事務職員—通知結果(不適合時不再審查，並附上理由書) 發 行 審 核 報 告 書 領取審查報告書 提出最終圖書 事務職員 ․發行審查報告書 ․最終圖書之保管
第四章 審查時提出之資料
第四章 審查時提出之資料
第 一 節 預 審 時 提 出 之 資 料 預審時提出之資料，與目前各主管建築機關委託結構審查之初步內容大 致相同，但是高強度鋼筋混凝土建築，對於使用之高強度鋼筋及混凝土的結 構性能，有超出目前規則或規範所記載者，以及施工方法為顧及品質管理及 縮短施工期間，經常採用積層預鑄工法，施工便利上所導致結構性能的影響 及施工的可能性等，皆應於預審時提出討論，以便於正式審查時提供更確實 之說明資料，包括材料的認可及構材實驗之驗證等。其資料包括申請書及各 種圖說，詳細如下述。 一. 建築設計概況 建築設計概況將包括下述各部分: (1) 一般事項：建築物名稱、建築地點、使用分區、建築物用途、建築物 業主 (2) 建築物概況：基地面積、建築面積、總樓地板面積、標準層面積、容 積率、樓層數(地上、地下、塔屋)、高度關係(簷高、建 築物高度、最高高度、基礎底深度、基樁支承深度)、基 準層樓高、結構類別(基礎、架構、樓版、剪力牆、斜撐、 外牆、內牆等)、主要設備概要(空調、衛生、電氣、電梯 等) (3) 建築計畫概要：基地週邊環境、整體計畫概要 (4) 所需圖面：配置圖、各層平面圖、主要立面圖、主要剖面圖詳圖 [解說] 建築設計概況所要求資料與一般之結構外審資料相同，目的為了解建 築物所在位置、規模、設備狀況、結構型態等，透過書面說明及圖面表達 必要之資訊。(2) 工址地震、風力等需求 (3) 耐震、耐風性能目標(動力、靜力) (4) 地質資料及基礎形式 (5) 結構分析與設計假設及擬使用軟體 (6) 耐震性能檢核 (7) 施工計劃和結構計劃上之關係 [解說] (1) 結構計畫概要說明主體結構系統，如韌性立體剛構架、或考慮剪 力牆、斜撐等。 (2) 說明工址之設計地震與最大可能地震，是否近斷層等及風力之設 計考量。並提出主要抗震、抗風的元素。 (3) 耐震、耐風的性能目標為，設定受到何種等級之地震或風力，預 期結構物的反應目標為何等。 (4) 地質資料及基礎形式為，指出設計時地震力輸入的地盤位置，以 及建物採用之基礎方式，如筏式基礎或樁基礎等。 (5) 結構分析與設計假設為說明於何種分析狀況下、何種載重組合下 進行斷面設計，如使用狀態下、極限狀態下或確保構材韌性、強 度下之設計方法等。並說明擬使用之分析設計軟體的適用性。 (6) 耐震性能檢核為將設計完成之建築物進行彈塑性歷時分析等，確 認建築物之破壞機構為整體降伏機構，構材合乎容許塑性率範圍 內等。分析時必要之構材之特性必要時應以試驗進行驗證。 (7)施工計劃和結構計劃上之關係，如採用預鑄複合工法時，那些構 材為全預鑄、半預鑄及現場澆置等其與結構計劃上之關係。 建築物概要與結構概要可整理如表 4.1.1 及表 4.1.2 所示案例。
第四章 審查時提出之資料 表 4.1.1 建築物概要表 審 查 編 號 審查日期 年 月 日 案 件 名 申 請 者 建 築 結 構 設 計 者 監 造 施 工 者 建 築 地 點 用 途 敷 地 面 積 m２ 建 築 面 積 m２ 總樓地板面積 m２ 面 積 標 準 層 面 積 m２ 地 上 層 地 下 層 層 数 塔 屋 層 簷 高 m 建 築 物 高 度 m 最 高 部 高 度 m 標 準 層 樓 高 m １ 層 樓 高 m 地 面 層 樓 高 m 高 度 基 礎 底 深 度 m 設計 GL 設計用地下水位 設計 GL－m 地 層 Ｎ値（min～max） 土 質 及 Ｎ 値 建 築 物 概 要 地 盤 有 無 液 化 土砂災害之危險區
材 料 許容支持力 長期： kN /m２ 短期： kN /m２ 拉力： kN /m２ 造 樁 載 重 長期： kN /m２ 短期： kN /m２ 拉力： kN /m２ 架 構 形 式 種 別 剪力牆其他 柱 ・ 梁 斷面・材料 柱 ・ 梁 接 合 部 樓 板 形 式 外 牆 非結 構牆 内 牆 結 構 概 要 主 体 結 構 結 構 上 的 特 色
第四章 審查時提出之資料 三. 結構設計概要 結構設計概要包括下述各部分： (1) 主要使用材料及容許應力 (2) 關於固定載重、活載重及其他載重之檢討(相關之結構計算書) (3) 設計用樓層剪力的檢討(層剪力之豎向分布形狀) (4) 應力分析概要 [解說] 結構設計概要說明使用材料之性質、建物使用區分及載重、靜態水平 力之層剪力分布，以及採用之分析方法，結構設計概要可整如表 3.1.3 (1)主要使用材料及容許應力，高強度材料與一般強度材料於某些性 能上並非直接與其強度成比例，且使用之材料強度通常並非單一 種，因此設計前應該事先調查所使用材料的力學基本特性。 (2)固定載重、活載重及其他載重的檢討。根據建物用途、裝修、設 備等概估建築物各部分之載重狀況。 (3)設計用樓層剪力的檢討。比較法規豎向力分配及結構體動力反應 譜分析之豎向力分配的差異。 (4)應力分析概要。可透過靜力分析等，推算出各構材所需之尺寸等， 檢討是否符合建築設計的要求。
