鋼筋混凝土梁主筋與鋼柱續接設計之探討

鋼筋混凝土梁主筋與鋼柱續接

設計之探討

內 政 部 建 築 研 究 所 自 行 研 究 報 告

PG10903-0363

鋼筋混凝土梁主筋與鋼柱續接

設計之探討

研究主持人：李台光

內 政 部 建 築 研 究 所 自 行 研 究 報 告

中華民國

109 年 12 月

目次

表 次 ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ Ⅲ

圖 次 ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ Ⅴ

摘要‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧

VII

第 一 章

緒 論 ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ 1

第一節

研究緣起與背景‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1

第二節 研究方法及進度說明‧‧‧‧‧‧‧‧‧2

第 二 章

文 獻 回 顧 ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ 5

第一節

國內相關文獻蒐集‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧8

第二節

小結‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧14

第三章

大尺寸梁柱續接試體及試驗程序規劃‧‧‧‧‧‧15

第一節

大尺寸梁柱續接試體之規劃設計‧‧‧‧‧15

第二節

試驗裝置與加載歷程‧‧‧‧‧‧‧‧‧31

第三節

試體製作品質管制計畫‧‧‧‧‧‧‧‧35

第四章

結論與建議‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧41

第一節

結論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧41

第二節

建議‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧42

參考資料‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧

43

附錄

1 期初審查會議紀錄及回應表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧45

附錄

2 期中審查會議紀錄及回應表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧47

表次

表次

圖次

圖次

圖

1-1 填充型鋼箱型柱斷面圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧3

圖

1-2 鋼結構高樓地面層超挖示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧4

圖

2-1 SRC 梁與 RC 梁之斷面轉換示意圖‧‧‧‧‧‧6

圖

2-2 包覆型 SRC 梁柱接頭之接合細部示意圖‧‧‧‧‧7

圖

2-3 RC 梁與鋼骨托梁之接合型式‧‧‧‧‧‧‧‧‧9

圖

2-4 RC 梁主筋以續接器銲接與鋼柱接合‧‧‧‧‧‧10

圖

2-5 SRC 梁與 RC 梁縱向力偶傳遞圖‧‧‧‧‧‧‧11

圖

2-6 SRC 梁與 RC 梁横向力偶傳遞圖‧‧‧‧‧‧‧12

圖

2-7 轉換段之插入鋼筋與剪力傳遞筋‧‧‧‧‧‧‧‧13

圖

3-1 RC 梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體示意圖‧‧‧16

圖

3-2 RC 梁斷面極限彎矩強度計算結果‧‧‧‧‧‧‧22

圖

3-3 鋼骨柱與 RC 墩柱間之承壓力分佈‧‧‧‧‧‧23

圖

3-4 鋼骨柱承壓有效寬度‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24

圖

3-5 調整埋入深度之鋼骨柱與 RC 墩柱承壓力分佈‧25

圖

3-6 SRC 梁與 RC 梁横向力偶傳遞近似分佈圖‧‧‧26

圖

3-7 A 試體細部圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧27

圖

3-8 B 試體細部圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧28

圖

3-9 大尺寸試體示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧32

圖

3-10 試驗裝置‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧33

圖

3-11 側向位移加載歷程圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧34

圖

3-12 SRC 梁柱接頭示意圖(鋼骨托梁續接方式)‧‧‧‧38

圖

3-13 SRC 柱內之連續板適當開孔‧‧‧‧‧‧‧‧‧39

摘 要

摘

要

關鍵詞：鋼骨鋼筋混凝土、梁、續接 一 、 研 究 緣 起

鋼骨鋼筋混凝土結構(Steel Reinforced Concrete，簡稱 SRC)是將鋼骨構造與鋼 筋混凝土結構予以合併而成的合成結構，在民國88 年 921 大地震之後，採用 SRC 結構之建築物日增。另一方面，供住宅用途之房屋，國人較習慣防振動性及隔音 性較佳之包覆混凝土之結構，因此SRC 結構應運而生。但 SRC 結構在施工過程， 二種不同的結構系統會互相干擾，致施工品質會大受影響，甚而常有下降的情況 發生。因此有關 SRC 結構耐震性能之設計與施工品質，影響建築物耐震能力甚 鉅。其影響因素很多，其中以結構系統傳力路徑及結構耐震細部設計、以及鋼骨 與鋼筋之設計空間與施工放樣精度等，最為關鍵。 鋼骨鋼筋混凝土(SRC)結構已在國內普遍使用，921 大地震後採用 SRC 結構之 建築比率更迅速提昇。SRC 結構結合鋼筋混凝土與鋼骨兩種不同構材，不論在設 計或施工上均較為繁複，以致於國內目前 SRC 結構之設計與施工仍存在許多問 題，而對於處於地震帶之臺灣，SRC 結構之耐震能力更是值得重視。 影響建築物耐震能力的因素很多，但就施工的觀點來看，以耐震細部最為關 鍵。結構之耐震細部影響構材之延展性進而影響結構之耐震能力，尤其是 SRC 結 構內含鋼骨及鋼筋，使得配筋及澆置混凝土之施工困難度更高，不僅設計者須對 SRC 結構之細部有深入之瞭解，施工品質之確保亦為重要關鍵，因此為確保結構 物之耐震能力，建立系統化之施工檢查機制乃為當務之急。 由於填充型鋼箱型柱不但可以降低結構材料的使用量，也可以提升材料回收 再利用的效率，是有利於降低環境衝擊的方法，是適合在國內研發、推廣的構材 型式，且未來若需拆除時，比鋼筋混凝土構件更容易回收再利用，因此使用填充 型鋼箱型柱相當具有經濟上及環保上的優勢，目前國內常用的鋼箱型柱，是使用 4 片鋼板於角落使用全滲透開槽銲接接合而成。 國內鋼結構高樓在主要結構構架之外圍常有擴大範圍超挖的情形，很多設計案 例在主要結構構架之外圍，考量梁、柱與外周連續壁相接之施工性、經濟性與耐久

性等考量因素，常會在超挖範圍，採用鋼筋混凝土梁與主要鋼結構構架或鋼骨鋼筋 混凝土構架之鋼箱型柱相接的情形。 目前國內對於鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接主要採用2 種型式，包含 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」第8.7 節建議之托梁型式，並改良為鋼筋 混凝土梁主筋經由續接器與鋼柱上之鋼骨托梁續接，以及鋼筋混凝土梁主筋藉由鋼 筋續接器與鋼骨鋼筋混凝土柱續接的型式，業界對於這2 種型式設計之正確性尚有 疑義，莫衷一是，影響SRC 建築梁柱接頭之耐震安全性，因此有必要進行研究，以 提升國內SRC 建築整體耐震能力。 二 、 研 究 方 法 及 過 程 本計畫之工作內容包括相關文獻之回顧與蒐集、並進行大尺寸鋼筋混凝土梁 與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體及試驗程序規劃，以及舉辦期中與期末簡報會議， 邀請國內專家學者與相關業界人士與會，以進行意見交流。並視實際需求於下一 年度進行大尺寸鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體之試驗，以驗證其耐 震安全性。 三 、 重 要 發 現 (1)本計畫已完成相關文獻之回顧與蒐集，以及大尺寸鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝 土柱續接試體及試驗程序初步規劃。 (2)本計畫後續將進行大尺寸鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體之細部設 計、施工場地及施工程序之規劃。 (3)後續將完成進行大尺寸續接試體製作之招標文件，俾利明年度續接試體製作之招 標作業。 四 、 主 要 建 議 事 項 以下分別從立即可行的建議及長期性建議加以列舉。

摘 要 大尺寸鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體之實驗研究。－立即可行之建 議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部建築研究所 目前鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接主要採用2 種型式，包含「鋼骨鋼 筋混凝土構造設計規範與解說」第8.7 節建議之托梁型式，並改良為鋼筋混凝土梁 主筋經由續接器與鋼柱上之鋼骨托梁續接，以及鋼筋混凝土梁主筋藉由鋼筋續接器 與鋼骨鋼筋混凝土柱續接的型式，業界對於這2 種型式設計之正確性尚有疑慮，莫 衷一是，影響SRC 建築梁柱接頭之耐震安全性，因此有必要進行大尺寸鋼筋混凝土 梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體之實驗研究，以提升國內SRC 建築整體耐震能力。 本研究針對現行「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」第8.7 節規定之鋼骨托梁 型式，且鋼筋混凝土梁鋼筋沒有延伸至梁柱接頭內力學傳遞不佳的情形，規劃大尺 寸鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體，並視實際需求於下一年度進行試 驗，以驗證其耐震安全性。 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」第8.7 節修訂建議。－長期性之建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部建築研究所 規劃明年度進行大尺寸鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體之實驗研 究，研究成果可做為「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」第8.7 節修訂之參考。

第一章 緒 論

第一章

緒 論

第一節

研究緣起與背景

國內常用的建築構造型式有鋼筋混凝土(RC, Reinforced Concrete)、鋼骨(Steel) 及鋼骨鋼筋混凝土(SRC, Steel Reinforced Concrete)等 3 種。鋼筋混凝土(RC)由於具 有工程造價較低、勁度高、受風力或地震力作用下，側向位移較小等優點，因此 臺灣地區以鋼筋混凝土做為建築結構材料的情形相當普遍。依據內政部營建署 107 年營建統計年報[1]核發建築物建造執照資料顯示，國內鋼筋混凝土造建築樓地板 面積約佔總樓地板面積的70%。由於 RC 結構自重大，且其強度不及鋼結構，因此 建築高度會受到限制。而鋼骨結構雖然高度之限制較小，但其勁度較小，因此結 構設計時常有層間位移太大的困擾。 鋼骨鋼筋混凝土結構是將鋼骨構造與鋼筋混凝土結構予以合併而成的合成結 構，在民國 88 年 921 大地震之後，根據調查顯示建築物以鋼筋混凝土構造倒塌佔 大多數，因而後續新建築及災區重建建築採用鋼骨鋼筋混凝土構造的比率有逐漸 增加的趨勢，不論是公有建築物(如學校、機關、醫院、變電所等)及民間建築工程 (如住宅、辦公大樓、醫院等)均可見甚多的 SRC 建築案例，這種現象不單只發生在 高層建築，許多中低層建築亦見甚多案例。興建 SRC 建築似乎蔚為追求結構安全 保證途之一，甚多建商亦紛紛標榜以 SRC 構造作為銷售重點訴求，並成為相關業 主藉以行銷的重要利器。但 SRC 結構在施工過程，二種不同的結構系統會互相干 擾，致施工品質會大受影響，甚而常有下降的情況發生。 影響建築物耐震能力的因素很多，但就施工的觀點來看，以耐震細部最為關 鍵。結構之耐震細部影響構材之延展性進而影響結構之耐震能力，尤其是 SRC 結 構內含鋼骨及鋼筋，使得配筋及澆置混凝土之施工困難度更高，不僅設計者須對 SRC 結構之細部有深入之瞭解，施工品質之確保亦為重要關鍵，因此為確保結構 物之耐震能力。 由於填充型鋼箱型柱不但可以降低結構材料的使用量，也可以提升材料回收 再利用的效率，是有利於降低環境衝擊的方法，是適合在國內研發、推廣的構材型 式，且未來若需拆除時，比鋼筋混凝土構件更容易回收再利用，因此使用填充型鋼箱

型柱相當具有經濟上及環保上的優勢，目前國內常用的鋼箱型柱，是使用 4 片鋼板於 角落使用全滲透開槽銲接接合而成，如圖1-1 所示。 國內鋼結構高樓在主要結構構架之外圍常有擴大範圍超挖的情形，很多設計案 例在主要結構構架之外圍，考量梁、柱與外周連續壁相接之施工性、經濟性與耐久 性等考量因素，常會在超挖範圍，採用鋼筋混凝土梁與主要鋼結構構架或鋼骨鋼筋 混凝土構架之鋼箱型柱相接的情形，如圖1-2 所示。 依據現行「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[2]第 8.7 節(構材斷面之轉 換續接)鋼骨鋼筋混凝土結構接頭設計或轉接設計之基本原則，當設計鋼骨鋼筋混凝 土柱與鋼筋混凝土梁相接時，為使應力傳遞平順，應使鋼筋混凝土梁之應力先傳 遞至鋼骨鋼筋混凝土梁上，再由鋼骨鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱相接合。 此類梁柱接頭係參考日本建築學會出版的鋼骨鋼筋混凝土構造配筋指針[3]，除 日本及臺灣外，在世界其他地區的應用並不廣泛，因此相關的研究文獻較為少見。 目前在臺灣，此類梁柱接頭還是很常見到，同時國內業界常用的改良做法是將 RC 梁之主筋續接器，直接銲在SRC 之鋼柱上。 目前鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接主要採用2 種型式，包含前述「鋼 骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[2]第 8.7 節建議之托梁型式，並改良為鋼筋混 凝土梁主筋經由續接器與鋼柱上之鋼骨托梁續接，以及鋼筋混凝土梁主筋藉由鋼筋 續接器與鋼骨鋼筋混凝土柱續接的型式，業界對於這2 種型式設計之正確性尚有疑 慮，莫衷一是，影響SRC 建築梁柱接頭之耐震安全性，因此有必要進行研究，以提 升國內SRC 建築整體耐震能力。

第二節

研究方法及進度說明

本計畫之工作內容包括相關文獻之回顧與蒐集、並進行大尺寸鋼筋混凝土梁 與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體及試驗程序規劃，以及舉辦期中與期末簡報會議，邀 請國內專家學者與相關業界人士與會，以進行意見交流。並視實際需求於下一年 度進行大尺寸鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體之試驗，以驗證其耐震安 全性。

第一章 緒 論

圖

1-1 填充型鋼箱型柱斷面圖

H型鋼梁

C.J.P.

TYP.

內填充混凝土

H型鋼梁

第二章 文獻回顧

第二章

文獻回顧

現行「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[2]第 8.7 節(構材斷面之轉換續 接)，有關鋼骨鋼筋混凝土梁轉換成鋼筋混凝土梁之規定如下所述： 第8.7 節(構材斷面之轉換續接)： 1.鋼骨鋼筋混凝土梁轉換成鋼筋混凝土梁，或鋼骨鋼筋混凝土柱轉換成鋼筋 混凝土柱時，應檢討以下各事項： (1)轉換處儘可能位於該構材反曲點附近彎矩較小的位置。 (2)轉換處應配置適當的剪力釘與箍筋，使鋼筋混凝土與鋼骨間能有效傳遞應 力。 (3)轉換處之鋼筋混凝土部份之彎矩強度應大於該處需求彎矩之 1.1 倍，若有不 足則應於轉換處加設補強鋼筋，並以該處彎矩之1.1 倍設計補強筋量。 2.當設計鋼骨鋼筋混凝土柱與鋼筋混凝土梁相接時，為使應力傳遞平順，應 使鋼筋混凝土梁之應力先傳遞至鋼骨鋼筋混凝土梁上，再由鋼骨鋼筋混凝土梁與 鋼骨鋼筋混凝土柱相接合。 第8.7 節(構材斷面之轉換續接)之解說： 為了使SRC 構材的應力能順利傳遞至 RC 構材上，在轉換處 SRC 構材之鋼骨 可以配置適當的剪力釘，轉換處之RC 部份亦可加配補強箍筋與長向補強筋。 有關轉換處之補強，依文獻[3]之建議，若轉換處之彎矩為梁端 RC 部份彎矩 之1/1.1 倍以上時，則於轉換處須加設補強筋。補強筋之計算方式為依 1.1 倍轉換處 之彎矩計算必要之主筋量，扣除原設計主筋量後即為補強筋量。補強筋之錨定方 法與續接相同，可不須延伸至梁柱接頭內。 為使應力傳遞平順，若設計上需要有 SRC 柱與 RC 梁相接時，應採用「漸進 方式」來進行構材斷面之轉換續接，即先以SRC 柱接一段 SRC 梁，再將 SRC 梁轉 換為RC 梁，如圖 2-1 所示。

圖

2-1 SRC 梁與 RC 梁之斷面轉換示意圖[文獻 2]

檢討前述現行「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[2]第 8.7 節之條文及解 說，有關鋼骨鋼筋混凝土梁轉換成鋼筋混凝土梁之規定，似有不合理之處，如建議 轉換處儘可能位於該構材反曲點附近彎矩較小的位置，建築梁構材在承受地震力 的作用下，構材反曲點附近彎矩較小的位置應位於梁構材的中心，也就是說，若採 用規範建議的設計原則，鋼骨托梁的長度應延伸至梁構材中心的附近位置，並非如 國內業界習用使用一小段鋼骨托梁的作法。此外，依據圖2.1 於鋼骨托梁配置剪力 釘的作法，其彎矩傳力模式為由鋼骨翼板表面之剪力釘承受，國內業界亦有爭議， 尚待釐清。 由於此類梁柱接頭係參考日本建築學會出版的鋼骨鋼筋混凝土構造配筋指針 [3]，除日本及臺灣外，在世界其他地區的應用並不廣泛，因此國際上相關的研究文 獻較為少見，本章僅就國內相關的文獻進行蒐集彙整。 此外，現行「鋼骨鋼筋混凝土設計規範與解說」第 8.5.1.1 節訂有鋼骨鋼筋混 凝土梁柱接頭處之主筋應以直接通過接頭為原則，宜儘量避免以鋼筋續接器銲於鋼 柱翼板上以續接主筋之規定，如圖2-2 所示。另第 4.2.3.3 節訂有鋼骨鋼筋混凝土柱 之鋼骨斷面之腹板，於必要時得設置鋼筋貫穿孔之規定。以上2 項規定適用於在 H 型鋼骨斷面柱，或由H 型鋼所組成之十字型鋼骨斷面柱，亦有類似傳力路徑完整性 之疑義，可做為規劃後續研究課題之參考。

第二章 文獻回顧

第一節

國內相關文獻蒐集

目前國內鋼筋混凝土梁主筋與鋼骨鋼筋混凝土柱續接主要有以下2 種型式[4]： 1.鋼筋混凝土梁主筋經由續接器與鋼柱上之鋼骨托梁續接：填充箱型柱上使用 一小段鋼骨托梁與RC 梁主筋續接。鋼骨托梁主要用來與梁主筋進行續接，並將梁 的剪力與彎矩傳遞接入柱。RC 梁主筋可以續接器與鋼骨托梁翼板疊接方式續接， 當梁主筋需作雙層配置時，可於翼板之上、下面對稱配置，惟應注意第2 層鋼筋之 位置是否具有足夠的銲接施工空間，且內側層鋼筋應以配置於翼板內側外緣，並以 2 支為限。RC 梁之剪力則另需於鋼骨托梁腹板或鋼柱面上，植銲剪力釘傳遞剪力。 此種接頭型式中，箱型柱內在梁鋼骨上、下翼板處僅需各設置一塊橫隔板即可，鋼 筋與鋼骨翼板所需距離可以縮小，在相同的梁全深下可以使用較深之鋼骨梁斷面， 如此一方面可以提升鋼骨梁斷面抗彎矩的有效深度，另一方面可以減少鋼筋的使用 量，如圖2-3 所示。 2.梁主筋以續接器銲於鋼骨柱面：梁主鋼筋可經由鋼筋續接器，銲接於柱翼板 上之方式續接。這種型式的接頭，箱型柱內在鋼筋與鋼骨翼板的接合位置，皆須設 置橫隔板，每個接頭需設置4 塊橫隔板。考慮施工空間之需求，橫隔板間之淨距離 需要100 至 150 mm(以 150 mm 為佳)，因此鋼骨的深度常受到限制，而無法有效發 揮其強度。改善此現象的可能辦法，是將鋼筋與鋼骨翼板配置在相同的高度，此種 型式的梁斷面需要較大的寬度，但是可減少橫隔板的數量，也可以提升鋼材發揮彎 矩強度的效率，如圖2-4 所示。 由前述陳正平研究[4]發現，目前國內常見 2 種型式的接頭，並不與現行「鋼骨 鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[2]第 8.7 節的建議型式相符。其中第 1 型式雖然 配置鋼骨托梁，但是卻以鋼筋混凝土梁主筋經由續接器與鋼柱上之鋼骨托梁續接， 則2 種型式的接頭之梁主筋的力量，皆可藉由續接器傳遞至梁柱接頭，應力傳遞應 無太大的問題。

第二章 文獻回顧

圖

2-4 RC 梁主筋以續接器銲接與鋼柱接合[文獻 4]

前述 2 種形式的第 1 型式與現行「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[2] 第8.7 節規定形式類似，但鋼筋混凝土梁主筋是經由續接器與鋼柱上之鋼骨托梁續 接，而非如圖2-1 所示，藉由鋼骨托梁翼板表面之剪力釘傳遞至鋼骨托梁。依陳正 平[5]之研究，現行規範規定疑有不當之處，建議採用第 2 型式。其立論在於 RC 梁 銜接入SRC 柱或鋼柱，力量是由較低強度材質之 RC 構材，接入較高強度材質之鋼 構材的接頭，因RC 構材之強度較低，直接接入 SRC 柱或鋼柱，其力量可平順傳遞 進入SRC 柱或鋼柱，並無需要採用「漸進方式」，先以 SRC 柱接一段 SRC 梁，再 將SRC 梁轉換為 RC 梁。其接合界面並無力量傳遞路徑產生弱面之疑慮，惟鋼柱內 側在鋼筋續接器銲接高度須有橫隔板，且柱面須配置剪力釘傳遞RC 梁之剪力。 此外鋼骨托梁在構材斷面之內心部，而鋼筋配置於外周。鋼筋之拉力是透過鋼 骨托梁翼板上之剪力釘轉給鋼骨托梁翼板，因鋼骨托梁翼板上之剪力釘承受剪力時 會有滑移產生，而依鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範，第8.7 節解說：「補強筋之錨定 方法與續接相同，可不須延伸至梁柱接頭內」。因此除了位於SRC 梁外周之鋼筋原

第二章 文獻回顧 本就會有較大的變形外，另會因鋼骨托梁翼板上之剪力釘承受剪力時會有滑移現象 產生之變形，再因鋼筋端部「可不須延伸至梁柱接頭內」，導致所有的變形裂縫會 集中在鋼筋端部與鋼柱柱面間處，而致有耐久性疑慮。剪力釘滑移現象參考「鋼柱 埋入混凝土柱墩之剪力連接物設計」[6]，由其試驗結果所得之對應於極限強度處之 滑移量約有5 mm。 依陳正誠[6]之研究，鋼骨托梁轉換續接之傳力模式，並非如圖 2-5 所示全由鋼 骨托梁翼板表面之剪力釘承受。鋼柱插入混凝土柱墩之試驗顯示，轉換續接段會產 生高剪力，其力學平衡模式主要大部分是由鋼柱(托梁)二端之混凝土承壓模式及托 梁二端密集配置之剪力釘抵抗，而由圖2-5 所示之翼板上縱向配置之剪力釘承受之 部分僅為小部分。鋼骨托梁之轉換續接段會產生很大的橫向剪力力偶，且此剪力須 於鋼柱(托梁)二端處之 RC 梁內配置密集之箍筋承受，且對應 RC 梁密集箍筋處之鋼 梁上，除由鋼梁翼腹轉角處提供錨定及混凝土承壓之貢獻外，尚須密集配置適量之 剪力釘來確保可轉接剪力至鋼拱頭內，如圖2-6 所示。圖 2-5 所示之傳力模式內涵 及規範解說之內容未能滿足前述傳力連結之需求及設計要點。結構設計者若依其建 議之模式施作，將首先會在托梁二端產生剪力破壞，發生工程災害是遲早的事。另 外，1995 年 1 月 17 日發生於日本阪神之直下型地震中，發生多起下部為 SRC 結構 與上部為RC 結構之轉接層，整層柱壓垮之破壞模式，推測即為轉接層柱之下半柱 拱頭處因勁度突變而致在直下型地震中，發生中間層柱整層柱壓垮之破壞模式。

圖

2-5 SRC 梁與 RC 梁縱向力偶傳遞圖

圖

2-6 SRC 梁與 RC 梁横向力偶傳遞圖

然而依陳純森[7]之研究，其論點為鋼骨鋼筋混凝土之梁柱接頭，國內業界常用 RC 梁之主筋續接器，直接銲在 SRC 之鋼柱上，其實並不符合建築技術規則與 SRC 規範之規定，如欲符合規範之設計，日本建築學會務實之設計細則與指針，是頗 值得參考的，如圖2-7 所示。

第二章 文獻回顧

(b)

第二節

小結

由前 1 節國內相關文獻之蒐集及分析可知，目前國內鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼 筋混凝土柱續接主要採用2 種型式，包含「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」 第8.7 節建議之托梁型式，並改良為鋼筋混凝土梁主筋經由續接器與鋼柱上之鋼骨 托梁續接，以及鋼筋混凝土梁主筋藉由鋼筋續接器與鋼骨鋼筋混凝土柱續接的型 式，業界對於這2 種型式設計之正確性尚有疑慮，莫衷一是，影響 SRC 建築梁柱接 頭之耐震安全性。 本研究擬針對鋼筋混凝土梁主筋與鋼骨鋼筋混凝土柱續接疑義之處，進行大尺 寸鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體及試驗程序規劃，並視實際需求於下 一年度進行大尺寸鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體之試驗，以驗證其耐 震安全性。

第三章 大尺寸梁柱續接試體及試驗程序規劃

第三章

大尺寸梁柱續接試體及試驗程序規劃

第一節

大尺寸梁柱續接試體之規劃設計

由第二章蒐集之國內相關文獻得知，目前國內建築業界確實常見鋼筋混凝土梁 與鋼骨鋼筋混凝土柱續接的情形，同時有2 種常見的續接型式，而業界對於這 2 種 型式的耐震性能仍存有疑義。又根據陳正平研究[5]，依現行「混凝土工程設計規範 與解說」[8]第 15.4.2.3 節規定：「受撓鋼筋之搭接，必須於搭接範圍配置閉合箍筋 或螺箍，此橫向鋼筋之最大間距不得大於d/4或10 cm。搭接不得用於：(1)構材接 頭內；(2)距接頭交接面 2 倍構材深度以內範圍，及(3)分析顯示由構架非彈性側向變 位所引起撓曲降伏之位置。」，而鋼骨托梁所在位置常在距接頭交接面 2 倍構材深 度以內範圍，並不符合現行混凝土規範之條文。 考量國內建築業界常見之鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱 2 種常見的續接 型式，梁主筋經由續接器與鋼柱上之鋼骨托梁或直接與鋼柱續接，力學傳遞應無太 大的問題。本研究擬針對現行「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[2]第 8.7 節 規定之鋼骨托梁型式，且鋼筋混凝土梁鋼筋沒有延伸至梁柱接頭內力學傳遞不佳的 情形，規劃大尺寸鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體，並視實際需求於下 一年度進行試驗，以驗證其耐震安全性。 考量本所材料實驗中心大型力學實驗室場地及設備的規格，鋼筋混凝土梁的跨 度設定為8 m，試體梁長度設定為 4 m(假設梁構材中心為反曲點)，鋼骨托梁長度設 定為 1560 mm。此外鋼筋混凝土梁的尺寸：450 600 mm；鋼骨托梁尺寸：H 4502501636 (mm)，如圖 3-1 所示。材料強度為 f_c28MPa； f_y 420MPa；  yt f 420 MPa；F_y 350MPa。

圖

3-1 RC 梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體示意圖

依據ACI 318M-11[9]式 12-1，鋼筋受拉伸展長度如下式： b b tr b s e t c y d d d K c f f                            1 . 1  其中  y f 鋼筋規定降伏強度   c f 混凝土規定抗壓強度 3 1. t   鋼筋位置修正因數(對於水平鋼筋其下混凝土澆置厚度大於 300 mm 者) 0 1. e   鋼筋塗布修正因數(對於未塗布鋼筋) 0 1. s   鋼筋尺寸修正因數(對於 D22 或較大之鋼筋) 0 1.   混凝土單位重之修正因數(對於常重混凝土) 箱 型 鋼 柱 不配置補助筋 鋼骨托梁 4 m長RC梁 橫隔板 橫隔板 試體施力點模 擬8 m長RC梁

第三章 大尺寸梁柱續接試體及試驗程序規劃  b c 鋼筋中心至最近混凝土表面之距離及待伸展鋼筋中心間距之半之較小者 sn A K tr tr 40  橫向鋼筋指標  b d 鋼筋之標稱直徑 5 2. d K c b tr b  _  tr A 在s距離內且垂直於待伸展或續接鋼筋之握裹劈裂面橫向鋼筋總面積  n 在握裹劈裂面上待伸展或續接鋼筋根數 另依據ACI 318M-11 第 12.3.2 節，鋼筋壓力伸展長度如下式： b c y dc d f f   0.24  b y dc (0.043f )d  本研究試體若採用SD420W D32(#10)梁主筋之拉力伸展長度為 mm 1201 32 5 . 2 0 . 1 0 . 1 3 . 1 28 0 . 1 1 . 1 420 _{ }            d  此外SD420W D32(#10)梁主筋之壓力伸展長度為 (Control) mm 610 32 28 0 . 1 420 24 . 0 _{ }    dc  mm 578 32 420 043 . 0     dc  本研究RC 梁主筋採用 B 級搭接長度1.3_d 1.312011561mm，因此鋼骨托 梁長度採用1560 mm，符合規範之規定。 有關鋼筋混凝土梁的剪力設計相關規定，說明如下： 混凝土之剪力計算強度，依據ACI 318M-11[9]式 11-3 計算： d b f V_c  0.17 _c _w 其中  w b 梁腹寬度  d 構材最外受壓纖維至縱向受拉鋼筋斷面重心之距離 剪力鋼筋之剪力計算強度，依據ACI 318M-11[9]式 11-15 計算：

s d f A V v yt s  其中  v A 剪力鋼筋於s距離內之面積  yt f 橫向鋼筋之規定降伏強度  s 橫向鋼筋之中心距 依據ACI 318M-11[9]第 11.4.5.1 節，剪力鋼筋之配置垂直於構材軸向者，其間 距在非預力混凝土中不得超過d /2，依據 ACI 318M-11[9]第 11.4.5.3 節，若 d b f V_s  330. _c _w ，其間距在非預力混凝土中不得超過d /4。依據 ACI 318M-11[9] 第11.4.6.3 節，若V_u  50. V_c，構材最少剪力鋼筋量如下式： yt w c v f s b f   0.062 A _,min 有關鋼梁的彎矩及剪力設計相關規定，說明如下： 依據ANSI/AISC 360-10[10]式 F2-1，鋼骨斷面標稱撓曲強度如下式： x y p n M F Z M   其中  y F 標稱降伏強度  x Z 斷面之塑性模數 另依據ANSI/AISC 360-10[10]式 G2-1，鋼骨斷面標稱剪力強度如下式： v w y n F A C V 0.6 其中  w A 腹板面積 0 1. C_v  若h t_w2.24 E F_y  h 於熱軋型鋼為兩翼板間扣除二倍角隅半徑後之淨距；於銲接組合斷面為翼 板間淨距  w t 腹板厚度

第三章 大尺寸梁柱續接試體及試驗程序規劃  E 鋼之彈性模數 此外依據鋼結構設計手冊[11]第 5-100 頁 MPa 28   c f ；16mm；Q_n 8.3 tf 若上下梁主筋各5 支時， 20.6 1000 8.3 4200 8.143 5 _     n ，鋼骨托梁上下翼板採用21 支剪力釘。 依據雙鋼筋矩形梁斷面分析應力分析，RC 梁斷面之極限彎矩強度為 857.55 MN-mm，如圖 3-2 所示。另依陳正誠[6]之有關鋼柱埋入墩柱之剪力釘設計之研究， 根據現有慣用設計方法與結構細部，剪力釘無法充分發揮其強度，且強度發揮的 程度也尚難以估計，因此當鋼骨柱不承受拉力時，鋼骨埋入RC 墩柱的設計以不考 慮剪力釘的貢獻為宜。此外根據Pertold 的建議，鋼骨柱與 RC 墩柱間之承壓力分佈 如圖3-3 所示。承壓力以矩形應力塊估計之，承壓強度為0.67f _c，對鋼骨而言鋼骨 埋入段上端的承壓力F 由右向左，而下端的承壓力_t F 則由左向右。承壓力的計算還_b 需要知道鋼骨柱承壓有效寬度b ，如圖 3-4 所示。鋼骨柱的兩個翼板皆可傳遞承壓_eff 力，當力量由左向右時，右側翼板寬度全部有效，而左側翼板在鋼骨斷面深度較小 時則只有部分寬度有效。有效寬度的計算根據式3-1 及 3-2 決定之，而F 及_t F 即可_b 由式3-3 及 3-4 表示之。 I eff b b b  2 (式 3-1)          w eff t b d b b 2 5 . 0 min (式 3-2) eff c t f x b F 0.67 0.8  (式 3-3)





eff c b f H x b F 0.67 0.8   (式 3-4) 根據水平方向之力平衡條件



F_x0，可以建立式 3-5，將式 3-3 及 3-4 代入 式3-5 並經整理後，可以得到標示中立軸位置之x的表示式如式3-6。再根據力矩平 衡條件，對A 點(圖 3-3)取力矩並令其等於零(即



M_@A 0)，可以得到第 2 條平衡 方程式如式3-7，並經整理後可以得到鋼骨柱所需埋入深度 required H 之表示式如 式3-8。 0    _{t b} sd F F V (式 3-5)

c eff c eff sd f b f Hb V x    0.93 0.5 (式 3-6)







0.4



0 4 . 0       V H F H x F H x M_{sd sd b t} (式 3-7) c eff eff c sd sd sd required f b b f M V V H     1.56 4.74 6.22 2 (式 3-8) 計得H_required後即可根據平衡條件計算鋼骨柱埋入段之剪力分佈，鋼骨柱之最 大剪力等於F 。對 RC 墩柱而言，最大剪力等於_b V_sd  。除了剪力外，亦可以根F_b 據平衡條件計算鋼骨柱及 RC 墩柱之彎矩分佈。鋼骨柱最大彎矩發生在接近V 施_sd 加點(圖 3-3)，其值略高於M 。RC 墩柱最大彎矩發生在墩柱底部，其彎矩等於_sd H V M_sd  _sd (圖 3-3)。有了鋼骨柱及 RC 墩柱的剪力及彎矩分佈，就可以據以進行 設計或強度檢核。 當H 加大，承壓力也會下降，假設承壓力仍呈矩形分佈，且承壓應力會下降， 假 設 承 壓 應 力 為 ，此時墩柱的受力情況如圖 3-5 所示。根據f _c



F_x 0及 0 @A 



M 等兩個平衡條件，可以重新推導H 的表示式如式 3-9。此時可以選取一 個大於H_required之H ，並根據式 3-9 及試誤法求得值，然後使用平衡條件求得鋼骨 柱及RC 墩柱所承受之內力。 c eff eff c sd sd sd f b b f M V V H       1.042 2.127 4.167 2 (式 3-9) 前述計算流程稍嫌繁複，應用於鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接的情 形，可採用近似計算法，亦即假設鋼骨托梁的應力呈線性分佈，且中性軸位於鋼骨 托梁的，而F 及_t F 的作用點分別為距離鋼骨托梁邊緣_b H /6，則F 及_t F 可由以下兩_b 式求得，如圖3-6 所示。 3 / 2H V F sd b  (式 3-10) b sd t V F F   (式 3-11) 若取H 1560mm 由式3-10 及式 3-10 可求得

第三章 大尺寸梁柱續接試體及試驗程序規劃 1.25 3 / 1560 2 1299 _   b F MN -0.9252 1.25 0.3248   t F MN(RC 梁之最大剪力) 本研究規劃包括A 及 B 共 2 座試體，其中 A 試體係依據「鋼骨鋼筋混凝土構 造設計規範與解說」[2]第 8.7 節規定之鋼骨托梁型式，且鋼筋混凝土梁鋼筋沒有延 伸至梁柱接頭，且SRC 梁與 RC 梁以縱向力偶傳遞；B 試體則是假設 SRC 梁與 RC 梁以橫向力偶傳遞。試體包括鋼筋混凝土梁及基礎等2 個部分。本研究試體設計彙 整於表3-1。 對於A 試體，假設為縱向力偶傳遞機制，因此配置 21 支剪力釘，另以梁柱界 面為設計目標斷面，鋼梁的彎矩強度1299 MN-mm，則對應剪力需求 0.3248 MN， 托梁界面對應彎矩792.51 MN-mm，低於 RC 梁斷面之極限彎矩強度，故鋼骨托梁 界面彎矩強度滿足要求，RC 梁斷面混凝土提供之剪力強度為 0.223 MN，若配置 #3@270 剪力鋼筋，則剪力鋼筋提供剪力強度為 0.121 MN，RC 斷面提供之總剪力 強度為0.344 MN，高於剪力需求 0.3248 MN，故滿足設計要求，因此 A 試體全長 配置#3@270 剪力鋼筋。A 試體細部圖，如圖 3-7 所示。 對於B 試體，假設為橫向力偶傳遞機制，因此不配置剪力釘，亦以梁柱界面為 設計目標斷面，不含鋼骨托梁部分之設計與A 試體相同，另採用近似計算法，亦即 假設F 及_t F 的作用點分別為距離鋼骨托梁邊緣_b H /6，則F 及_t F 可由式 3-10 及由_b 式3-11 求得，F = 1.25 MN 及_b F = -0.9252 MN。含鋼骨托梁部分 RC 梁斷面混凝土_t 提供之剪力強度為0.223 MN，若配置#4@80 剪力鋼筋，則剪力鋼筋提供剪力強度 為0.745 MN，RC 斷面提供之總剪力強度為 0.968 MN，高於剪力需求 0.9252 MN， 故滿足設計要求，因此B 試體含鋼骨托梁部分配置#4@80 剪力鋼筋。另於鋼骨托梁 兩端因應F = 1.25 MN 及_b F = -0.9252 MN 之集中剪力，配置 2#4@80 剪力鋼筋。B_t 試體細部圖，如圖3-8 所示。

第三章 大尺寸梁柱續接試體及試驗程序規劃 50 mm x 0.8x Ft Fb H (H-x) 0.8(H-x) Cover concrete

V

_Sd A

M

_Sd 0.67fc’

F

_t

=0.8x0.67f

_c

’b

_eff

F

_b

=0.8(H-x)0.67f

_c

’b

_eff

圖

3-3 鋼骨柱與 RC 墩柱間之承壓力分佈

第三章 大尺寸梁柱續接試體及試驗程序規劃 50 mm H

V

_Sd A

M

_Sd

α

f

_c

’

Cover concrete

F

_t

=0.8xαf

_c

’b

_eff

F

_b

=0.8(H-x)αf

_c

’b

_eff • RC Pedestal • α factor x 0.8x F_t F_b (H-x) 0.8(H-x) 0.38 2 _f  _y b E t F

圖

3-5 調整埋入深度之鋼骨柱與 RC 墩柱承壓力分佈

第三章 大尺寸梁柱續接試體及試驗程序規劃

第三章 大尺寸梁柱續接試體及試驗程序規劃

表

3-1 試體規劃表

試體 RC 斷面 托梁斷面 托梁 長度 (mm) 剪力需求 (MN) 上下梁主 筋(#10) 根數 RC 斷面標稱 彎矩 (MN-mm) 托梁界面彎 矩(MN-mm) 混凝土 提供剪 力(MN) 剪力鋼筋提供 剪力(MN) RC 斷面提供 剪力(MN) A 450600 H 4502501636 (彎矩強度=1299 MN-mm；  x Z 3710 cm3₎ (剪力強度=1.344 MN) 1560 0.3248 5 (配置剪 力釘) 857.55 792.51(OK) Ratio=1.08 0.223 0.121(#3@270) 均勻配置 0.344(OK) B 450600 H 4502501636 (彎矩強度=1299 MN-mm；  x Z 3710 cm3₎ (剪力強度=1.344 MN) 1560 0.3248 (-0.9252) 5 (無配置 剪力釘) 857.55 792.51(OK) Ratio=1.08 0.223 0.121(#3@270) 非托梁範圍 0.745(#4@80) 托梁範圍 1.49(2#4@80) 托梁兩端 0.344(OK) 0.968(OK) 1.713(OK)

第三章 大尺寸梁柱續接試體及試驗程序規劃

第二節

試驗裝置與加載歷程

規劃試體包括鋼筋混凝土梁及基礎等 2 個部分，梁試體透過箱型鋼柱(Box 55050025)基礎，內灌 f_c28MPa之混凝土，橫隔板及加勁板為 36 mm 厚度， 以50 mm 直徑之螺桿固定到強力地板，基礎之外觀及尺寸如圖 3-9 所示。所有試體 鋼骨部分的銲接作業規劃皆在鋼構廠內完成，再將鋼骨送至大型力學實驗室進行 鋼筋綁紮及混凝土澆置作業。所有試體之混凝土採用一階段澆置，同時澆置基礎 柱及試體梁，其中基礎柱保持垂直方向，上方加勁板及梁柱接頭內2 片橫隔板中心 事先切割直徑300 mm 圓孔供澆置混凝土用，待完成澆置混凝土後，再將直徑 300 mm 圓形鋼板蓋回上方加勁板，試體梁保持水平方向，以模擬工地實際澆置混凝土 的情況。所有試體柱使用同一車預拌混凝土。試體所使用之鋼板，相同厚度者皆 來自同一爐號，同號數鋼筋皆來自同一批。 試體載重試驗規劃於內政部建築研究所大型力學試驗室進行，試驗裝置如圖 3-10 所示。基礎柱以高強度螺桿鎖固至強力樓版，試體與反力牆間設置一台施加 側向力之200 噸油壓致動器。水平力由試驗機內建之荷重計量測，加載點之水平位 移以編號L1 之 LVDT 量測，另外設置 RG1~RG2 之角度計，監測試體及試驗機是 否有過大之傾斜。此外，在鋼筋混凝土梁塗上一層白漆，並繪製間隔100 mm 之格 線，以紀錄裂縫發展之過程。 載重試驗開始時，以位移控制的方式施加側向位移，側向位移 由層間位移 角換算而得， 等於L，而側向位移加載歷程如圖3-11 所示。

圖

3-9 大尺寸試體示意圖

反復載重

Unit: mm

2600

(a ) 側視圖

(b) 上視圖

梁試體

基礎(箱型鋼柱)

梁試體

加勁板

橫隔板 橫隔板

基礎(箱型鋼柱)

第三章 大尺寸梁柱續接試體及試驗程序規劃

圖

3-10 試驗裝置

L1

NOTE: L _LVDT RG _{Rotation gauge}

水平力施加致動器

(%rad.)

第三章 大尺寸梁柱續接試體及試驗程序規劃

第三節

試體製作品質管制計畫

為確保本研究試體製作之品質及精確度，試體製作一般注意事項規劃如下： 1. 試體鋼板之切割及鑽孔，應於工廠中進行。 2. 試體鋼板之銲接接合，應符合內政部「鋼構造建築物鋼結構施工規範」銲接 施工之相關規定，不得有銲道厚度不足、下陷氣孔、或留有銲渣等瑕疵之現 象。全滲透銲接接合之銲道，如鋼箱型柱的4 片鋼板於角落使用全滲透開槽銲 接、梁柱接頭內橫隔板及鋼骨托梁翼板銲接等，如圖3-12 所示，均應通過超 音波之檢測(須聯絡本所人員確認是否前往會驗)，尤其梁柱接頭內橫隔板之 全滲透銲接超音波檢測要特別注意。 3. 梁柱接頭內橫隔板需適當開孔，以利澆置及填充混凝土，如圖 3-13 所示。 4. 試體之混凝土採用一階段澆置，同時澆置基礎柱及試體梁，其中基礎柱保持 垂直方向，試體梁保持水平方向。試體於混凝土澆置後7 天內，不得移動。 5. 所有製作完成之試體，應有足以識別試體編號之明顯標記。 6. 試體製作若有缺失，廠商應負責補強或重新製作。 7. 試體之材料試驗(例如金屬材料拉伸試驗及混凝土圓柱試體抗壓強度試驗)， 應至具TAF 認證之實驗室進行。 8. 混凝土工程施工前，試體底座區域應先行整平，且於底模鋪設前須由確認本 所人員確認其水平度後，才能進行試體之施作。 9. 廠商於施工過程中，以及完工後須負責維護場地清潔。 10. 廠商須負責現場之安全衛生之設計及施工作業。 11. 試體適當位置需加設吊耳或螺栓孔，以利試體之移動與安裝，吊耳或螺栓孔 之位置，應依本所人員要求施作。 12. 為便利於日後試體架設量測儀器，廠商應依本所人員要求，在試體適當位置 銲接螺桿或鐵件。 13. 為便利日後試體架設油壓致動器，如有必要，廠商應依本所人員要求，在試

體適當位置預留凹槽。 14. 考量本所材料實驗中心實驗場地之排程及工項眾多，本案試體混凝土澆置 前，廠商應至少提早24 小時通知本所人員，確認本所可配合澆置作業。 15. 試體混凝土澆置時，廠商應以振動器進行內部及外部振實之工作，不得發生 材料析離與泌水之情形。 16. 本所不提供混凝土圓柱試體製作用模具。 17. 混凝土圓柱試體拆模後，廠商應配合本所人員指示，對圓柱試體進行適當之 處理。 18. 試體完成灌漿後，待試體進行試驗前，本所將另行通知承包廠商將所有試體 垂直面塗上白色水泥漆或石膏，並完成畫線工作。 19. 廠商需於試驗完成後進行試體清運處理(依廢棄物清理相關法規規定辦理)。 20. 其他未盡事宜，除應遵照試體圖說、補充說明及契約書之規定外，依內政部 「鋼構造建築物鋼結構施工規範」、「混凝土結構設計規範」及「結構混凝土 施工規範」與建築土木工程施工慣例辦理。 21. 鋼材、鋼筋、結合鐵件及銲接材料要求： (1) 厚度 16 mm、25 mm 及 36 mm 鋼板必須為 SN490B 鋼材或 A572 Gr.50 鋼材， 需提供出廠證明。 (2) 厚度相同之箱型柱鋼板及其餘鋼板，需為同一片鋼板，鋼板切割前須通知 本所人員以便瞭解製作進度。 (3) 按鋼板厚度(16 mm、25 mm 及 36 mm)之不同，需依 CNS 2112 製作厚度 16 mm、25 mm 及 36 mm 之金屬材料拉伸試驗試片，共計製作 18 片試片(每種 厚度6 片)，其中 9 片試片(不同厚度各 3 片)，應依 CNS 2111 進行金屬材料 拉伸試驗，另9 片試片(不同厚度各 3 片)於驗收同時，交本所收存。 (4) 鋼筋均應符合 JIS-G 3112 規格或竹節鋼筋 CNS 560 或 ASTM A706。不得使

用水淬鋼筋。鋼筋之降伏強度要求為420 MPa 不可超過 540 MPa)。使用竹 節鋼筋#3、#4 及#10，組筋前，須先行至具 TAF 認證之實驗室做抗拉應力-應變曲線試驗(同批鋼筋料各號數鋼筋各提供 3 支 1000 mm 長之鋼筋試片試

第三章 大尺寸梁柱續接試體及試驗程序規劃

驗結果，試驗費用由承包廠商支付)。

(5) 結合鐵件：SN490B 鋼材或 A572 Gr.50 鋼材之要求。

(6) 銲接材料：CNS 3506 E70XX、AWS A5.1 E70XX 或同級材料。 22. 混凝土材料要求： (1) 水泥：符合 CNS 61「卜特蘭水泥」、CNS 3654「卜特蘭高爐水泥」或 CNS 11270「卜特蘭飛灰水泥」。 (2) 骨材：粗骨材最大尺寸為 25 mm，細骨材為未受污染之天然砂，含泥量不 得超過3%，FM 在 2.3 以上。 (3) 水：須潔淨，不得含有害的酸、鹼、油、鹽類有機物及懸游有害物質。 (4) 本案混凝土 28 天設計強度為 28 MPa。每一批混凝土材料針對 28 天提供 3 個抗壓試體(須做溼布養護)；每一試體之混凝土材料針對試驗當天提供 3 個 抗壓試體(與柱試體養護條件相同)以供測試抗壓強度( f  )，試體取樣位置由_c 本所人員於現場指定之，混凝土強度試驗須符合ASTM 試驗規範及一般規 定。混凝土澆置前，須提送配比至本所審核，並於現場澆置時做坍度試 驗，不合格者則予以退回，不得澆置。混凝土抗壓強度，需至具TAF 認證 之實驗室進行混凝土抗壓試驗(試驗費用由承包廠商支付)。每一批混凝土 28 天材齡試體之抗壓試驗強度需滿足(a)個別抗壓強度均大於 28 MPa 且(b) 平均抗壓強度小於36 MPa 之合格標準，否則承包廠商必須拆除、重作，不 得異議。經本所人員同意，28 天材齡試體之抗壓試驗得延期進行，惟以 3 天為限。

第三章 大尺寸梁柱續接試體及試驗程序規劃

第四章 結論與建議

第四章

結論與建議

第一節

結論

(1)本計畫已完成相關文獻之回顧與蒐集，以及大尺寸鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝 土柱續接試體及試驗程序規劃。 (2)本計畫已完成大尺寸鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體之細部設計、施 工場地及施工程序之規劃。 (3)後續將修正完成大尺寸續接試體製作之招標文件，俾利明年度續接試體製作之招 標作業。

第二節

建議

以下分別從立即可行的建議及長期性建議加以列舉。 大尺寸鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體之實驗研究。－立即可行之建 議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部建築研究所 目前鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接主要採用2 種型式，包含「鋼骨鋼 筋混凝土構造設計規範與解說」第8.7 節建議之托梁型式，並改良為鋼筋混凝土梁 主筋經由續接器與鋼柱上之鋼骨托梁續接，以及鋼筋混凝土梁主筋藉由鋼筋續接器 與鋼骨鋼筋混凝土柱續接的型式，業界對於這2 種型式設計之正確性尚有疑慮，莫 衷一是，影響SRC 建築梁柱接頭之耐震安全性，因此有必要進行大尺寸鋼筋混凝土 梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體之實驗研究，以提升國內SRC 建築整體耐震能力。 本研究針對現行「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」第8.7 節規定之鋼骨托梁 型式，且鋼筋混凝土梁鋼筋沒有延伸至梁柱接頭內力學傳遞不佳的情形，規劃大尺 寸鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體，並視實際需求於下一年度進行試 驗，以驗證其耐震安全性。 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」第8.7 節修訂建議。－長期性之建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部建築研究所 規劃明年度進行大尺寸鋼筋混凝土梁與鋼骨鋼筋混凝土柱續接試體之實驗研 究，研究成果可做為「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」第8.7 節修訂之參考。

參考資料

參

考 資 料

[1] 內 政 部 營 建 署 (2020). “107 年 營 建 統 計 年 報 ＂ ， 內 政 部 營 建 署 網 站 http://www.cpami.gov.tw/。 [2] 內政部 “鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說＂ 2011 年。 [3] 日 本 建 築 學 會 (1994). “鐵 骨 鐵 筋 混 凝 土 構 造 配 筋 指 針( 案) 同 解 說 ＂ ， Architecture Institute of Japan (AIJ)，東京。

[4] 陳正平 (2017). “SRC 結構對於 RC 梁主筋與鋼柱間之續接設計與施工＂，技 師報第1064 期，台灣省土木技師公會。 [5] 陳正平 (2018). “鋼筋混凝土梁接鋼柱以鋼托梁轉接之正確性探討＂，技師期 刊第81 期第 83-90 頁，台北市土木技師公會。 [6] 陳正誠 (2015). “鋼柱埋入混凝土柱墩之剪力連接物設計＂，財團法人中技社 104 年度專案計畫期末報告。 [7] 陳純森 (2017). “鋼骨鋼筋混凝土結構 RC 梁與 SRC 柱之接合設計＂，技師報 第1072 期，台灣省土木技師公會。 [8] 中 國 土 木 水 利 工 程 學 會 (2011). “ 混 凝 土 工 程 設 計 規 範 與 解 說 ( 土 木 401-100)＂，混凝土工程委員會，台北。

[9] ACI Committee 318, 2011. “Building code requirements for structural concrete (ACI 318M-11) and commentary (ACI 318RM-11)”, Michigan, USA.

[10] AISC, 2010. “ANSI/AISC 360-10 Specification for structural steel buildings”, Illinois, USA.

[11] 陳正誠等人 (2003). “鋼結構設計手冊極限設計法(LSD)＂，中華民國結構工 程學會，台北。

附錄1 期初審查會議審查意見回覆

期初審查意見 意見回覆 1. 國內建築結構設計規範，多參 考美日相關規範，相關名詞的 翻譯應統一，如「續接」、「接 合」、「接頭」等類似名詞的意 義應檢討與釐清。 目前「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規 範與解說」第8 章接合設計包含梁 柱接頭及構材之續接與錨定等內 容，其中「接頭」一般適用於梁柱 接頭，「續接」則適用於梁構材及 柱構材。 2. 本案參考文獻臺灣省土木技師 公會技師報「SRC 結構對於 RC 梁主筋與鋼柱間之續接設計與 施工」，亦提及現行「鋼骨鋼筋 混 凝 土 設 計 規 範 與 解 說 」 第 8.5.1.1 節及第 4.2.3.3 節之相關 規定，不符合結構力系平衡及 耐震系統傳力路徑完整性的安 全基本要求，亦請併入本案研 究內容研討。 第8.5.1.1 節訂有鋼骨鋼筋混凝土 梁柱接頭處之主筋應以直接通過 接頭為原則，宜儘量避免以鋼筋續 接器銲於鋼柱翼板上以續接主筋 之規定。另第4.2.3.3 節訂有鋼骨鋼 筋混凝土柱之鋼骨斷面之腹板，於 必要時得設置鋼筋貫穿孔之規 定。以上2 項規定適用於在 H 型鋼 骨斷面柱，或由H 型鋼所組成之十 字型鋼骨斷面柱，亦有類似傳力路 徑完整性之疑義，可做為規劃後續 研究課題之參考。

附錄2 期中審查會議審查意見回覆

專家 期末審查意見 意見回覆 陳組長建忠 1. 試問何種情況時，必須以 RC 梁搭接鋼柱？ 感謝組長意見。國內鋼結構高樓在 主要結構構架之外圍常有擴大範 圍超挖的情形，很多設計案例在主 要結構構架之外圍，考量梁、柱與 外周連續壁相接之施工性、經濟性 與耐久性等考量因素，常會在超挖 範圍，採用鋼筋混凝土梁與主要鋼 結構構架或鋼骨鋼筋混凝土構架 之鋼箱型柱相接的情形。 2. 實驗室施作方式與現場施工， 有何差異？ 感謝組長意見。本案所有試體鋼骨 部分的銲接作業規劃皆在鋼構廠 內完成，再將鋼骨送至大型力學實 驗室進行鋼筋綁紮及混凝土澆置 作業。所有試體之混凝土採用一階 段澆置，同時澆置基礎柱及試體 梁，其中基礎柱保持垂直方向，試 體梁保持水平方向，以模擬工地實 際澆置混凝土的情況。 3. 本研究案期初審查之意見，請 具體回應，並指引納入研究章 節，並研擬試體製作品管清單。 感謝組長意見。期初審查之意見， 已具體回應於附錄1。試體製作品 管事項於第三章第三節呈現。 4. 試體如是以規範為目標，宜以 常用者先。 感謝組長意見。考量國內業界常見 作法，本研究僅規劃托梁梁翼板不 進行切削之試體。 江建築師支川 1. 參考國外梁柱續接之案例時， 請標示地點與年份、施工技術 與社會環境等時空背景之參數 關係。 感謝委員意見。由於此類梁柱接頭 除日本及臺灣外，在世界其他地區 的應用並不廣泛，因此國際上相關 的研究文獻較為少見，本研究僅就 國內相關的文獻進行蒐集彙整。 2. RC 梁 主 筋 與 鋼 柱 表 面 之 銲 接，只能在工地施作，請問該 如何確認銲接的品質？ 感謝委員意見。本研究規劃之試體 未包含RC 梁主筋與鋼柱表面之工 地銲接之作法。 3. 鋼柱托梁與 RC 梁接合處，不 易灌漿，對於混凝土的水灰比 與坍度，將有何限制？ 感謝委員意見。製作試體時，於鋼 柱托梁與RC 梁接合處會要求廠商 確實搗實。

附錄2 期中審查會議審查意見回覆 4. 一般先完成鋼柱後，再施作主 梁，請問 RC 梁主筋的長度， 該如何調整？ 感謝委員意見。本研究規劃之 A 及 B 試體，不採用梁主筋與鋼筋 續接器續接方式，梁主筋長度的精 度要求較具彈性。 5. 所有施工法都與經濟性有關， 若不採用鋼梁而選擇 RC 梁， 可節省多少成本？ 感謝委員意見。若不採用鋼梁而選 用RC 梁，可節省鋼梁的費用。但 箱型柱內在鋼筋與鋼骨翼板的接 合位置，皆須設置橫隔板，每個接 頭需設置4 塊橫隔板。考慮施工空 間 之 需 求( 橫 隔 板 間 之 最 小 淨 距)，因此鋼骨的深度常受到限 制，而無法有效發揮其強度。 劉技師 賢淋 1. 無特別意見，惟應注意續接施 工品質之確實性，並保證試體 之均勻性。 感謝委員意見。試體製作品管事項 於第三章第三節呈現。 李技師英傑 1. 鋼骨短梁翼緣為光滑面，並非 鋼筋，故採鋼筋搭接長1.3_d 來決定鋼梁長度，是否會有力 量傳遞問題。 針對 SRC 梁與 RC 梁縱向力偶傳 遞機制之 A 試體，本研究於鋼梁 上下翼板配置剪力釘，以協助力量 之傳遞。 2. 試體 C 及 D 鋼梁有切削，其施 力彎矩仍與試體A 及 B 相同， 請問如此設置的目的？ 考量試體成本及國內業界習用作 法，本研究暫不規劃托梁梁翼板切 削之試體。 3. 期中報告書第 30 頁試體斷面 圖，是否可增加鋼梁、鋼筋主 筋、箍筋、RC 梁標稱斷面尺寸 及 RC 梁主筋有無續接器等之 圖示及說明。 試體細部設計圖，如圖3-7 及圖 3-8 所示。 4. 該 RC 梁應以韌性構件或非韌 性構件看待。 若用於地下室，較無韌性需求；若 用地上層，則符合規範韌性需求。 林研究員敏郎 1. 本研究案進行鋼筋混凝土梁主 筋與鋼柱續接設計之探討，以 檢驗業界對於 SRC 規範建議 的兩種續接方式之疑慮，研究 具有其必要性及重要性，符合 預期成果需求。 感謝委員意見。

2. 對於本研究案研究成果，建議 可提出相關設計手冊，方便工 程師於實務上採用，以加速成 果之推廣。 感謝委員意見。 3. SRC 構件之實驗試體，施工困 難度高，影響實驗結果之變數 亦多，試體製作宜嚴格控管其 品質。 感謝委員意見。試體製作品管事項 於第三章第三節呈現。 張協理敬昌 1. 本研究案對托梁承受 RC 梁剪 力之傳遞機制，托梁與鋼柱為 剛接，而文獻中鋼柱為直接埋 入混凝土墩，兩者傳力模式是 否相同，後者墩柱尺度較大， 可以承受壓應力，前者似乎須 考慮箍筋量需足夠提供翼板外 緣壓力之平衡力。 感謝委員意見。本研究托梁承受 RC 梁剪力之傳遞機制，而文獻鋼 柱為直接埋入混凝土墩，兩者傳力 模式，確有可否直接引用的疑慮， 因此規劃大尺寸鋼筋混凝土梁與 鋼 骨 鋼 筋 混 凝 土 柱 續 接 試 體 試 驗，以驗證其正確性。 2. 目前業界常用的短托架及剪力 釘 兩 種 方 式 ， 如 可 以 試 驗 方 式，確認其力學性能，有助於 工程應用與施工性。 感謝委員意見。 3. 國內實務用於地下室與地上 層，前者除界面大梁外較無韌 性需求，建議後續研究可納入 考量。 感謝委員意見，納將為後續規劃研 究課題之參考。 羅副總經理遠智 1. 比對鋼梁進行切削之作法，建 議採業界常用之方式。 感謝委員意見。考量國內業界常見 作法，本研究僅規劃托梁梁翼板不 進行切削之試體。 2. RC 與 SRC 續接之搭接長度， 依1.3L_d 是 否 足 夠 ， 亦 或 採 t L .3 1 (頂層鋼筋)。 感謝委員意見。本研究計算搭接長 度時，取_t 1.3鋼筋位置修正因 數，(對於水平鋼筋其下混凝土澆 置厚度大於 300 mm 者)，已考量 頂層鋼筋的效應。 3. 試體設計有縱向及橫向力偶兩 種方式，請詳述其不同之計算 方式。 感謝委員意見。縱向力偶傳遞機制 依「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範 與解說」[2]第 8.7 節之條文及解說 設計。橫向力偶傳遞機制依陳正誠 研究報告流程設計[6]

附錄2 期中審查會議審查意見回覆 4. 建議可以加入業界常用之兩種 方式(托梁+續接器，以及直接 續接於鋼柱)之試體，以比對各 種不同做法之性能差異，對實 務應用很有幫助。 感謝委員意見，將做為後續規劃研 究課題之參考。

鋼筋混凝土梁主筋與鋼柱續接設計之探討

內政部建築研究所自行研

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