鋼筋混凝土柱梁偏心接合之耐震抗剪強度檢討

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鋼筋混凝土柱梁偏心接合之耐震抗剪強度檢討

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國 108 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)

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108301070000G0025

鋼筋混凝土柱梁偏心接合之耐震抗剪強度檢討

受委託單位：國立雲林科技大學計畫主持人：李宏仁

協同主持人：林克強研究員：紀凱甯研究助理：林明志

研究期程：108 年 1 月 30 日至 108 年 12 月 31 日研究經費：新臺幣 283 萬 5,000 元整

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國 108 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)

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表次

表 1-1 鋼筋混凝土梁柱接頭剪力強度之規範比較 ... 10

表 1-2 四種接頭情況之接頭強度正規化比較 ... 11

表 1-3 既有偏心梁柱接頭試體之剪力強度比較 ... 12

表 1-4 預定進度表 ... 13

表 3-1 測試系列 I 之試體參數表 ... 31

表 3-2 測試系列 II 之試體參數表 ... 32

表 3-3 測試系列 I 之接頭有效寬度和接頭應力比 ... 33

表 3-4 測試系列 II 之接頭有效寬度和接頭應力比 ... 34

表 3-5 梁柱接頭試體用鋼筋機械性質 ... 35

表 3-6 混凝土圓柱試體抗壓強度(第一批次) ... 35

表 3-7 圓柱試體抗壓強度(第二批次) ... 36

表 3-8 軸力加載表 ... 36

表 3-9 位移歷時表 ... 37

表 4-1 試體 1A 之各迴圈消散能量累積及平均值(單位:KJ) ... 51

表 4-2 試體 1B 之各迴圈消散能量累積及平均值(單位:KJ)... 51

表 4-3 試體 1C 之各迴圈消散能量累積及平均值(單位:KJ) ... 52

表 4-4 試體 1D 之各迴圈消散能量累積及平均值(單位:KJ) ... 52

表 4-5 試體 2A 之各迴圈消散能量累積及平均值(單位:KJ) ... 53

表 4-6 試體 2B 之各迴圈消散能量累積及平均值(單位:KJ)... 53

表 4-7 試體 2C 之各迴圈消散能量累積及平均值(單位:KJ)\ ... 54

表 4-8 試體 2D 之各迴圈消散能量累積及平均值(單位:KJ) ... 54

表 4-9 試體 1A 之各迴圈相對消能比(ED

/E

PP

) ... 55

表 4-10 試體 1B 之各迴圈相對消能比(ED

/E

PP

) ... 55

表 4-11 試體 1C 之各迴圈相對消能比(ED

/E

PP

) ... 55

表 4-12 試體 1D 之各迴圈相對消能比(ED

/E

PP

) ... 56

表 4-13 試體 2A 之各迴圈相對消能比(ED

/E

PP

) ... 56

表 4-14 試體 2B 之各迴圈相對消能比(E

/E ) ... 56

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表 4-16 試體 2D 之各迴圈相對消能比(ED

/E

PP

) ... 57

表 4-17 系列 I 試體實際參數表 ... 58 表 4-18 系列 II 試體實際參數表 ... 58

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圖次

圖 1-1 台北市某建物之樓層結構平面圖 ... 14

圖 1-2 柱梁接合平面示意圖 ... 14

圖 1-3 研究步驟 ... 15

圖 2-1 弱柱強梁構架軟層破壞與強柱弱梁構架均佈塑性鉸之差異 ... 23

圖 2-2 特殊抗彎矩構架之內部接頭設計剪力 ... 23

圖 2-3 1999 年地震倒塌的建築物梁柱接頭無箍筋圍束 ... 24

圖 2-4 ACI 318 規範之耐震柱圍束箍筋示意圖 ... 24

圖 3-1 接頭剪力需求、抗剪容量和破壞模式之示意圖 ... 37

圖 3-2 測試系列 I 之梁柱構材斷面圖 ... 38

圖 3-3 測試系列 I 梁主筋貫穿或錨定於接頭之平面示意圖 ... 39

圖 3-4 測試系列 II 梁主筋貫穿或錨定於接頭之平面示意圖 ... 39

圖 3-5 試體製造過程部分照片 ... 40

圖 3-6 混凝土抗壓強度試驗用圓柱試體和鋼筋拉伸試樣 ... 41

圖 3-7 梁柱接頭組件之典型試驗佈設 ... 41

圖 3-8 梁柱接頭試體受力自由體圖 ... 42

圖 3-9 本研究之試驗佈設立面圖 ... 42

圖 3-10 反復加載位移波示意圖 ... 43

圖 3-11 試驗 1A 之佈設照片 ... 43

圖 3-12 試驗儀器架設 ... 44

圖 4-1 試體 1A 之遲滯迴圈與層間變位 3%照片 ... 59

圖 4-2 試體 1A 層間變位 4%、6%照片 ... 60

圖 4-3 試體 1B 之遲滯迴圈與層間變位 3%照片 ... 61

圖 4-4 試體 1B 層間變位 4%、6%照片 ... 62

圖 4-5 試體 1C 之遲滯迴圈與層間變位 3%照片 ... 63

圖 4-6 試體 1C 層間變位 4%、6%照片 ... 64

圖 4-7 試體 1D 之遲滯迴圈與層間變位 3%照片 ... 65

圖 4-8 試體 1D 層間變位 4%、6%照片 ... 66

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圖 4-10 試體 2A 層間變位 4%、6%照片 ... 68

圖 4-11 試體 2B 之遲滯迴圈與層間變位 3%照片 ... 69

圖 4-12 試體 2B 層間變位 4%、6%照片 ... 70

圖 4-13 試體 2C 之遲滯迴圈與層間變位 3%照片 ... 71

圖 4-14 試體 2C 層間變位 4%、6%照片 ... 72

圖 4-15 試體 2D 之遲滯迴圈與層間變位 3%照片 ... 73

圖 4-16 試體 2D 層間變位 4%、6%照片 ... 74

圖 4-17 消散能量 ED 與理想塑性曲線 EPP 之示意圖 ... 75

圖 4-18 試體 1A 各迴圈之消散能量圖 ... 76

圖 4-19 試體 1B 各迴圈之消散能量圖 ... 76

圖 4-20 試體 1C 各迴圈之消散能量圖 ... 77

圖 4-21 試體 1D 各迴圈之消散能量圖 ... 77

圖 4-22 試體 2A 各迴圈之消散能量圖 ... 78

圖 4-23 試體 2B 各迴圈之消散能量圖 ... 78

圖 4-24 試體 2C 各迴圈之消散能量圖 ... 79

圖 4-25 試體 2D 各迴圈之消散能量圖 ... 79

圖 4-26 系列 I 試體各迴圈之累積消散能量圖 ... 80

圖 4-27 系列 II 試體各迴圈之累積消散能量圖 ... 80

圖 4-28 系列 I 試體各迴圈之平均相對消散能量比 ... 81

圖 4-29 系列 II 試體各迴圈之平均相對消散能量比 ... 81

圖 4-30 系列 I 試體第一迴圈之層剪力-層間變位包絡線圖 ... 82

圖 4-31 系列 I 試體第二迴圈之層剪力-層間變位包絡線圖 ... 82

圖 4-32 系列 I 試體第三迴圈之層剪力-層間變位包絡線圖 ... 83

圖 4-33 系列 II 試體第一迴圈之層剪力-層間變位包絡線圖 ... 83

圖 4-34 系列 II 試體第二迴圈之層剪力-層間變位包絡線圖 ... 84

圖 4-35 系列 II 試體第三迴圈之層剪力-層間變位包絡線圖 ... 84

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摘要

關鍵詞：梁柱接頭、剪力、耐震設計、規範 一、研究緣起

鋼筋混凝土造建築物之耐震設計攸關國人生命財產安全，其結構設計及細部配筋應依循部頒混凝土結構設計規範。國人基於建築外觀及空間利用之考量，建築物柱斷面時常設計為長方形，且梁中心線時常不能通過柱中心線形成柱梁偏心接合，偏心梁對接頭區會造成意外扭矩，減損接頭耐震抗剪強度，現行設計規範針對偏心梁連續貫穿接頭之情況，依偏心程度折減其接頭抗剪強度，惟此折減公式係根據偏心梁連續貫穿接頭之實驗歸納而來，然而實務上常見柱斷面長寬比值達 2.0 甚至 2.5，梁柱不但是偏心接合，接頭兩側所接之梁甚至不連續，梁主筋分別中斷錨定於接頭內，形成錯位偏心梁柱接頭，此類偏心梁柱接頭之耐震行為複雜，亦不在現行設計規範所考慮的情況，因為錯位偏心梁柱接頭剪力強度如何計算未有明確的規範或依據，造成工程師認知不一致，相同的梁柱接頭剪力強度計算結果可能相差一倍以上，亟待釐清檢討改善，避免設計錯誤。

國內外絕大多數的梁柱接頭實驗為無偏心之梁柱接合，偏心梁柱接頭之實驗成果非常稀少，而且幾乎都是梁連續貫穿接頭的情況，我國建築工程常用長方形柱斷面且兩長邊各接一偏心梁且梁不連續，形成錯位偏心梁柱接合，此類接頭之實驗數據相當罕見，但實務上確有需要。現行混凝土結構設計規範和新版規範草案並未涵蓋此類偏心接頭，為確保建築結構安全，本研究檢討此類接頭之耐震抗剪強度，藉由大型結構實驗探討鋼筋混凝土柱接不同偏心距之梁，其接頭剪力強度之衰減程度，補足過往實驗經驗不足之處，俾利規範審議時參考引

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用，讓設計及施工單位有所依循，確保建築結構耐震性能及國人生命財產安全。

二、研究方法及過程

本研究內容包含資料蒐集、實驗設計及測試、規範修正案研擬。研究步驟如下：

1. 蒐集調查國內外鋼筋混凝土柱梁偏心接合實驗成果，執行數據分析並整理資料作為比對參考依據。

2. 依我國實務設計鋼筋混凝土柱接偏心梁之梁柱接頭試體，試驗參數包括梁主筋量、梁連續或不連續、梁偏心距等，預計測試八座試體。

3. 執行梁柱接頭試體抵抗反復側力之耐震性能試驗，透過大型結構實驗探討柱梁偏心接合之影響，特別是接頭耐震抗剪強度之衰減程度。

4. 依據實驗成果綜合比對前述資料數據，評估錯位偏心梁柱接合之影響，檢討混凝土結構設計規範之接頭剪力計算強度，研擬修正案。

三、研究發現

既有國內外十字形梁柱接頭之耐震試驗結果，絕大多數都是無偏心之梁柱接頭，偶有少數偏心梁柱接頭實驗，但幾乎都是梁連續貫穿接頭之情況，罕見接頭兩側接錯位偏心梁的試驗。但實務上確實有需要此類錯位偏心梁柱接頭，而在現行混凝土結構設計規範 [2]第 15.6.3 節或新版混凝土結構建築規範 [3]第 15.4.2 節和 18.5.4 節，並未涵蓋此類錯位偏心接頭，有待檢討釐清。

本研究將完成八座大尺寸鋼筋混凝土梁柱接頭反復載重試驗，實驗結果可用來檢討錯位偏心接頭之耐震剪力強度，此類接頭常見於國

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內的住宅大樓，實務上常用但卻未被現行規範納入考慮，經由本實驗驗證可知新版草案 15.4.2.4 節的接頭有效寬度公式是適當的，惟若遇錯位偏心接頭兩對面接頭有效寬度計算結果不一致時，建議此節接頭有效寬度公式之解說取兩側之較小值。

四、建議事項

本研究進行鋼筋混凝土柱梁偏心接合之耐震抗剪強度檢討，提出下列具體建議。

建議一

於新版「混凝土結構建築規範」 (草案)第 18.5.4 節審議過程修正條文及解說：立即可行建議

主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：中國土木水利工程學會

新版「混凝土結構建築規範」 (草案)第 15.4.2 節和 18.5.4 節僅規定梁柱接頭剪力強度之分級依柱連續性、梁連續性和橫向梁圍束作用分成八等級，但接頭有效寬度之認定則是基於梁連續的實驗經驗，欠缺梁不連續造成的錯位偏心接頭的驗證，此類接頭常見於國內的住宅大樓，實務上常用但卻未被現行規範納入考慮，經由本實驗驗證可知新版草案 15.4.2.4 節的接頭有效寬度公式是適當的，惟若遇錯位偏心接頭兩對面接頭有效寬度計算結果不一致時，建議此節接頭有效寬度公式之解說取兩側之較小值。

建議二

規劃高強度鋼筋機械式續接性能合格標準及構材驗證研究：立即可行建議

主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：無

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目前我國「混凝土結構設計規範」 100 年版內容主要是參考美國混凝土學會 ACI 318-05 規範，其中耐震梁柱構架及剪力牆主筋降伏強度等級上限為 420 MPa。近年來 ACI 318-19 規範放寬耐震梁柱構架及剪力牆主筋使用高強度 550 MPa 和 690 MPa 等級鋼筋，可以降低構材鋼筋用量，有助於舒緩梁柱接頭或剪力牆鋼筋過於擁擠、難以施工的問題，國內各界引頸企盼我國混凝土結構規範跟進 ACI 318-19 規範允許耐震結構系統使用高強度鋼筋。本所於 106 年辦理「建築工程鋼筋機械式續接性能基準及驗證研究」研究計畫，

惟未能涵蓋強度等級超過 500 MPa 之高強度鋼筋，欠缺高強度鋼筋機械式續接之檢驗合格標準，亟待實驗研究後研提混凝土結構規範條文修正草案。

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ABSTRACT

Keywords: beam-column joint, shear, seismic design, code

The life and property safety of reinforced concrete buildings depends on the building codes and requirements given by the building officials.

Due to architectural reasons, rectangular columns and eccentric beam -to- column connections are commonly used. Eccentric beams may introduce additional torsions on the joints and reduce the joint capacity under seismic reversals. Current building codes use effective joint width to accounting the effects of column’s aspect ratio and joint eccentricity.

However, the provisions of effective joint width a re based on the experiments of beam-column connections having eccentric beams continuously extended through the joint. Unfortunately, two eccentric beams faming into the opposite faces of the joint with unequal eccentricities are used very often, where the eccentric beams are discontinuous and terminated at the joint. The complicated seismic behavior of such beam-column connections with offset eccentric beams are not considered in the current building codes. Because the lack of provisions for determining th e shear strength of beam-column joints with offset eccentric beams, code users and engineers may could not correctly estimate such joint shear strength. Review and evaluation of such eccentric beam-to-column connections are needed.

Most of the existing connection experiments are beam -column joints without eccentricity. Eccentric beam -column connections are relatively rare, and all of available data having eccentric beams continuously extended through the joint. Taiwanese buildings have many rectangular columns and offset beam-to-column connections, which are not considered in the current building codes section 15.6.3. To promote the life and property safety of building structures, this project will test and evaluate the shear strength and degradation of beam -column connections

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with varying joint eccentricities. According to this experimental investigation, it is recommended to take the smaller value of effective joint widths for oppoite faces of a joint with eccentric beams.

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第一章緒論

第一節研究緣起與背景

一、研究緣起

鋼筋混凝土造建築物之耐震設計攸關國人生命財產安全，其結構設計及細部配筋應依循部頒混凝土結構設計規範。國人基於建築外觀及空間利用之考量，建築物柱斷面時常設計為長方形，且梁中心線時常不能通過柱中心線形成柱梁偏心接合，偏心梁對接頭區會造成意外扭矩，減損接頭耐震抗剪強度，現行設計規範針對偏心梁連續貫穿接頭之情況，依偏心程度折減其接頭抗剪強度，惟此折減公式係根據偏心梁連續貫穿接頭之實驗歸納而來，然而實務上常見柱斷面長寬比值達 2.0 甚至 2.5，梁柱不僅偏心接合，接頭兩對面的梁甚至不連續，梁主筋分別中斷錨定於接頭內，形成錯位偏心梁柱接頭，此類偏心梁柱接頭之耐震行為較難以預期，亦不在現行設計規範所考慮的情況，規範未明確說明錯位偏心梁柱接頭剪力強度如何計算，造成工程師認知不一致，相同的梁柱接頭剪力強度計算結果可能相差一倍以上，亟待釐清檢討改善，避免爭議。

國內外絕大多數的梁柱接頭實驗為無偏心接合，偏心梁柱接頭之實驗成果非常稀少，而且幾乎都是梁連續貫穿接頭的情況，我國建築工程常用長方形柱斷面且兩長邊各接一偏心梁且不連續，形成錯位偏心梁柱接合，此類接頭之實驗數據相當罕見，但實務上確有需要。現行混凝土結構設計規範 15.6.3 節並未涵蓋此類偏心接頭，為確保建築結構安全，本研究擬檢討此類接頭之抗剪強度和耐震行為，藉由大型結構實驗探討鋼筋混凝土柱接不同偏心距之梁，其接頭剪力強度之衰

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減程度，補足過往實驗經驗不足之處，提出規範解說修正案，俾利規範參考引用，讓設計及施工單位有所依循，確保建築結構耐震性能及國人生命財產安全。

二、研究背景

台灣地狹人稠導致建築基地較侷促，使得建築設計多傾向於室內空間極大化利用，時常為了建築物外觀造型或內部空間的平整，使用長方形柱斷面並調整梁中心線偏向柱邊形成偏心梁柱接頭。例如圖 1- 1 所示某台北市建案的樓層結構平面為例，有 21 個柱梁接頭都是偏心接合，可見得實務上梁柱接合比例極高，注意圖 1-1 中柱 C3、C17、

C18、C8、C16、C19、C1 處，接頭兩對面的梁甚至不連續，其中柱 C17 和 C19 最極端，其柱斷面長寬比達 2 甚至 2.5，接頭兩對面接梁但梁各偏向一側，形成錯位偏心梁柱接頭，此類偏心梁柱接頭之耐震行為較複雜，不僅梁主筋須分別中斷錨定於接頭內，其剪力強度如何檢核亦不在現行設計規範原先所考慮的情況內。由於這種錯位偏心梁柱接頭剪力強度如何計算不明確，造成工程師認知不一致，不同設計者的剪力強度計算結果可能相差一倍，亟待研究檢討釐清，避免爭議。

依內政部統計處資料顯示，我國每年核發的新建建築使用執照樓地板面積，大約八成是鋼筋混凝土構造，大部分國人的生命財產和居家安全端賴建築主管機關內政部制定嚴謹的相關規範，包括「建築物耐震設計規範」[1]、各構造設計規範、施工規範等，其中有關於鋼筋混凝土梁柱接頭之耐震設計及配筋，原則上設計者須依循現行部頒版

「混凝土結構設計規範」 [2]，其內容主要以美國混凝土學會 ACI 318 規範 2005 年版為藍本，過去 15 年來 ACI 318 規範已經經歷四次改版更新，內容與架構已有很大的變化。有鑑於此，在中國土木水利工程學會與內政部建築研究所的共同努力下，已研擬新版混凝土結構設計

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規範之草案 [3]，展開草案之審查作業，預計很快可公布實施。新版混凝土結構設計規範係參考自美國混凝土學會於 2019 年公布之結構混凝土設計規範 (ACI 318-19)，並加入國內相關研究成果而得，特別是梁柱接頭部分有幾項較進步的變革，有關於現行規範與新版規範在梁柱接頭剪力強度之計算差異，整理比較如表 1-1 所示。

我國現行混凝土結構規範 [2]與美國 ACI 318-14 規範 [4]或更早版本相同，將接頭剪力計算強度分成三個等級：接頭四面皆受梁圍束、

三面或一雙對面受梁圍束、及其他情況，接頭面受梁圍束是指梁構材構入接頭側面之梁寬度須不小於 3/4 柱寬，此經驗法則源自 ACI 352 梁柱接頭委員會報告 [5]，僅圍束作用之定義稍有修正。新版「混凝土結構建築規範」 [2]則依我方研究成果提出的修正案，參照美國 ACI 318-19 規範 [6]依柱連續性、產生剪力方向之梁連續性以及兩側有無橫向梁提供圍束作用將接頭剪力強度分為八等級，其中樓層間柱連續之接頭剪力強度分為四等級。如表 1-1 所示。

接頭剪力強度計算公式如下 𝑉_𝑛 = 𝛾√𝑓_𝑐^′𝐴_𝑗

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其中係數 γ 值視接頭圍束條件分三級， 𝐴_𝑗為接頭之有效面積，為接頭沿剪力方向之有效深度 ℎ乘以接頭有效寬度 𝑏_𝑗，注意現行規範 [2]與新版規範[3]之 𝑏_𝑗定義有差異。多年之使用經驗顯示，ACI 318-14 規範[6]

對於寬柱 -偏心梁接頭有效寬度之折減過多而太保守，而寬柱 -窄梁之正交接頭則有不保守之虞，有鑑於此，黃世建等人 [7]比對偏心梁柱接頭資料庫實驗結果後，建議修正接頭有效寬度自梁腹側面各延伸一寬度不超過柱邊緣或 1/4 柱深度，對於寬柱 -窄梁之接頭，或是寬柱 -偏心梁接頭都可以獲得較合理之強度預測。但黃世建等人 [7]之偏心梁柱接頭實驗資料庫，全數都是梁連續貫穿接頭的實驗，並沒有任何錯位

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偏心的梁柱接頭實驗。

實務上錯位偏心梁柱接合常見於台灣的大樓建築中，惟無論是現行規範 [2]或新版規範 [3]，皆未曾考慮錯位偏心梁柱接頭該如何計算其剪力強度，所有的經驗公式包括 γ 值和接頭有效寬度 𝑏_𝑗都是根據梁連續貫穿之情況來制定，可否適用於錯位偏心梁柱接頭仍有待釐清。

故本研究規畫測試四類梁柱接頭，如圖 1-2 所示，情況 A 是連續的梁貫穿接頭且中心線通過柱中心之正交梁柱接頭，作為標準對照組；情況 B 是連續梁貫穿梁柱接頭但有偏心距，是典型的單邊偏心梁柱接頭；情況 C 和 D 都是梁不連續，其中情況 C 是一側梁無偏心、

一側有偏心，情況 D 是兩側梁錯位偏心。

情況 A 和 B 的測試結果，將作為規範標準之對照組，本研究目的在於檢討情況 C 和 D 之接頭剪力強度。其中情況 C 根據無論依據現行規範 [2]或是新版規範[3]，接頭兩側之有效寬度值不相等，設計者有自由心證的空間選擇兩側 𝑏_𝑗較大者、較小者、或是取平均值等可能的計算方式，因為規範未明確說明錯位偏心梁柱接頭剪力強度如何計算，導致工程師認知不一致，相同的梁柱接頭剪力強度計算結果可能相差一倍以上，有待釐清。

至於情況 D，雖然接頭兩側 𝑏_𝑗計算值是一致的，但接頭兩對面的梁不連續，梁主筋分別中斷錨定於接頭內，形成錯位偏心梁柱接頭，

是否適用現有的接頭剪力強度公式值得檢討。

將圖 1-2 所列四種梁柱接合情況以現行規範 [2]及新版規範 [3]分別計算其標稱接頭剪力強度，以全斷面積強度作正規化比較如表 1-2 所示，注意現行規範情況 C 接頭兩側的 𝑏_𝑗值分別為 100 cm 和 50 cm，

設計者可能取 𝑏_𝑗=100 或 50 cm，強度即相差一倍；若改用新版規範 [3]

接頭兩側的 𝑏_𝑗值分別為 75 cm 和 62.5 cm，正規化強度分別為 0.75 對 0.63，尚有 12%差距。

(21)

情況 C 和 D 這兩種錯位偏心梁柱接頭之剪力強度該如何計算，尚未有明確的規範，造成設計者無所適從，亟待檢討改善。此類錯位偏心梁柱接頭之實驗成果付之闕如，亟待產官學研投入測試，檢討規範相關條款，期能使規範條文更嚴謹，避免出現不保守的設計結果，

以保障國人住居的安全。

第二節文獻回顧

有關本研究收集之相關文獻資料，分別說明如下：

一、國內外有關本案之研究情況

偏心梁柱接頭的剪力強度的探討，可以參閱 ACI 352 委員會工作小組的資料庫調查研究成果，如 LaFave 等人[8]和黃世建等人 [7]整理之偏心梁柱接頭資料庫，實驗資料大致上是重疊的，既有的偏心梁柱接頭試體資料摘要如表 1-3 所示，資料來源詳文獻 [7]，僅有 19 個試體，但是都沒有錯位偏心接頭。過去十年來美國和日本方面並沒有新的錯位偏心梁柱接頭試驗成果，但實務上我國建築設計時常需要使用，亟待我國自行研究釐清疑慮。

二、重要參考文獻

除了現行規範 [2]和新版規範 [3]外，本研究最重要參考文獻是黃世建等人 [7]所著之偏心梁柱接頭之抗剪強度設計。黃世建等人 [7]指出現行規範定義接頭剪力計算強度 𝑉_𝑛 = γ√𝑓_𝑐^′𝐴_𝑗，但多年之使用經驗顯示，現行規範對偏心梁柱接頭抗剪有效寬度之規定過於嚴苛。黃世建等人 [7]除了以資料庫實驗結果比較美日紐各國規範有效寬度 𝑏_𝑗之差

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異，更進一步地提出接頭有效寬度之修正公式，即新版規範之接頭之有效寬度 𝑏_𝑗 = 𝑏_𝑤+ 𝑥₁+ 𝑥₂，其中 𝑏_𝑤為梁腹寬， 𝑥₁與 𝑥₂為梁腹側面至柱邊距離，𝑥₁或 𝑥₂不取超過 ℎ 4⁄ 。此 𝑏_𝑗公式可反映各種矩形梁柱接頭之幾何尺寸變化差異，並可合理預測資料庫之偏心及同心梁柱接頭的剪力強度。惟黃世建等人 [7]所建議之接頭有效寬度，乃是基於表 1-3 偏心梁柱接頭實驗成果，並沒有任何錯位偏心梁柱接頭的驗證。

此外，本研究團隊過去十年來一直致力於研究梁柱接頭耐震設計，特別是針對使用新高強度鋼筋的設計細則，過去五年來在國震中心亦曾有執行大型梁柱接頭試驗經驗， 2017 年與研究夥伴合著出版

「高強度鋼筋混凝土結構設計手冊」[9]，其中第五章「梁柱接頭」相關規定，歸納特殊抗彎構架接頭四個主要的設計參數，包括 ① 接頭圍束箍筋、② 接頭剪力強度、③ 梁主筋貫穿接頭之最小柱尺度、以及 ④ 梁主筋錨定於接頭內之伸展長度，分別提出不同的修正建議，通用於常規及高強度鋼筋混凝土結構。

計畫主持人目前是 ACI 318J 梁柱接頭委員會委員，近五年來持續參與美國 ACI 318 規範及我國混凝土結構建築規範編修作業，前往美國報告我方在梁柱接頭之研究成果及設計建議，並有效影響 ACI 318-19 規範 [6]及我國新版規範 [3]之梁柱接頭設計條款，本研究團隊在梁柱接頭領域研究已居於全球前沿，有自信可以實驗研究檢討錯位偏心梁柱接頭之剪力強度，提出規範修正案，促使我國混凝土結構設計規範更嚴謹，亦可透過期刊論文發表和參與國際規範編修作業，增加我國研究成果之國際影響力。

第三節研究方法及步驟

本研究案研究方法包括：(1) 文獻之蒐集與整理；(2)座談試體設

(23)

計及製造；(3) 梁柱接頭反復載重試驗；(4) 數據分析及比對；(5)座談檢討及撰寫報告。流程如圖 1-3 所示，預定之進度如表 1-4 所示。採用的研究方法及步驟說明敘述如後。

一、文獻之蒐集與整理

收集、整理相關文獻，一方面先徹底研究相關規範之演進及緣由，

避免本研究之內容與現有成果重複，另一方面蒐集之規範及文獻資料可作為規範檢討及實驗數據比對分析的參考或補充資料。本研究蒐集到重要相關規範及文獻約 30 篇，其中規範檢討及比對結果彙整在前一節中詳細說明。部分文獻資訊在下一章中引用。

二、座談、試體設計及製造

本研究將蒐集國內十層至三十層建築物設計案例，整理慣用之梁柱斷面設計和配筋，參考現行設計規範，設計八座鋼筋混凝土梁柱接頭試體。實驗規劃過程邀請專家學者座談，蒐集意見檢討修正實驗設計。確認設計後在北部實驗場現地製造八座試體，試體混凝土齡期 45~70 天間完成反復載重試驗。

三、 梁柱接頭反復載重試驗

基於目前國內外偏心梁柱接頭實驗成果極少，錯位偏心梁柱接頭實驗數據更是罕見，故本研究為檢討錯位偏心梁柱接頭之抗剪強度和耐震行為，以大型結構實驗模擬偏心梁柱接頭之受力行為，測試錯位偏心梁柱接頭之剪力強度，並與混凝土結構設計規範計算值作比較。

本研究共設計並製作八座十字形梁柱接頭組件，模擬特殊抗彎矩構架系統(Special Moment Frame System)於設計地震 (中震 )和最大考

(24)

量地震(大震)可能承受的最大側向層間變位，檢討梁柱接頭之剪力強度和耐震性能。

四、數據分析統計及比對

本研究除實驗外，尚蒐集調查國內外鋼筋混凝土柱梁偏心接合實驗成果，整理資料作為比對參考依據。將依據實驗成果綜合比對前述資料數據，評估錯位偏心梁柱接合之影響，檢討混凝土結構設計規範之接頭剪力計算強度，研擬規範修正案。

五、座談檢討及報告之撰寫

本研究包含召開專家座談會探討規範修正方案，期中、期末兩次報告審查，本報告為期末成果報告，除本報告之成果外，後續尚有雲林科技大學營建系碩士論文一部，詳細分析量測數據和壓拉桿解析模型。

第四節研究目的

既有國內外十字形梁柱接頭之耐震試驗結果，絕大多數都是無偏心之梁柱接頭，偶有少數偏心梁柱接頭實驗，但幾乎都是梁連續貫穿接頭之情況，罕見接頭兩對面接錯位偏心梁的試驗。但實務上確實有需要此類錯位偏心梁柱接頭，而在現行混凝土結構設計規範 [2] 第 15.6.3 節或新版混凝土結構建築規範 [3]第 18.5.4 節，並未涵蓋此類錯位偏心接頭，為確保建築結構安全，本研究將以上述四種接合方式設計試體四至八座，藉由大型結構實驗探討鋼筋混凝土柱接不同偏心距之梁，檢討接頭剪力強度之衰減程度，補足過往實驗經驗不足之處，

(25)

來檢討對於偏心接頭剪力強度之設計公式，提出務實可行之規範修正案，俾利規範引用，讓設計及施工單位有所依循，確保建築結構耐震性能及國人生命財產安全。

(26)

表 1-1 鋼筋混凝土梁柱接頭剪力強度之規範比較

當接合面之梁寬大於 3/4 柱寬時，該接頭面即視為已受圍束作用。接頭之有效斷面積 𝐴_𝑗 = 𝑏_𝑗× ℎ。

現行規範 [2] 新版規範 [3]

受圍束程度 𝑉_𝑛 , kgf

柱連續性

梁連續性

橫向梁圍束

𝑉_𝑛 , kgf 接頭四面

皆受圍束 5.3√𝑓_𝑐^′𝐴_𝑗

連續

連續有 5.3√𝑓_𝑐^′𝐴_𝑗 三面或

一雙對面受圍束

3.9√𝑓_𝑐^′𝐴_𝑗

無 3.9√𝑓_𝑐^′𝐴_𝑗 不連

續

有 3.9√𝑓_𝑐^′𝐴_𝑗 其他 3.2√𝑓_𝑐^′𝐴_𝑗 無 3.2√𝑓_𝑐^′𝐴_𝑗

接頭之有效寬度 𝑏_𝑗 ≤ 𝑏 + ℎ

≤ 𝑏 + 2𝑥 其中 𝑏為梁寬， ℎ為剪力方向之柱全深， 𝑥為梁邊至柱邊距離之較小值。

接頭之有效寬度 𝑏_𝑗 ≤ 𝑏𝑤+ 𝑥1+ 𝑥2

其中 𝑏_𝑤為梁寬，ℎ為剪力方向之柱全深，𝑥₁ 與 𝑥₂≤ ℎ 4⁄ ( 𝑥₁、 𝑥₂為梁腹側面至柱邊距離 )。

符號說明： 𝑉𝑛 為接頭標稱剪力強度；𝑓𝑐′為混凝土抗壓強度。

（資料來源：規範 [2, 3]，本研究整理）

有效接頭寬度bw+x₁+x₂ x₁與x₂h/4 有效接頭面積A_j

產生剪力之鋼筋平 面之接頭深度=h

產生剪力之鋼筋

產生剪力之方向 b_w

x₁ h x₂

>3/4h

註：有效接頭面積應根據每一作用力方向分開計算，

圖示接頭符合第18.5.2.7節之可視為具有橫向梁圍束之規定，因為橫向梁覆蓋至少3/4之接頭面寬度。

(27)

表 1-2 四種接頭情況之接頭強度正規化比較 現行規範 [2] 新版規範 [3]

𝑏_𝑗(𝑐𝑚) γ 𝑉_𝑛

3.2√𝑓𝑐′𝐴_𝑔 𝑏_𝑗(𝑐𝑚) γ 𝑉_𝑛 3.2√𝑓𝑐′𝐴_𝑔 A 左側 100

3.2 1.0 75

3.9 0.91

右側 100 1.0 75 0.91

B 左側 50

3.2 0.5 62.5

3.9 0.76

右側 50 0.5 62.5 0.76

C 左側 100

3.2 1.0 75

3.2 0.75

右側 50 0.5 62.5 0.625

D 左側 50

3.2 0.5 62.5

3.2 0.625

右側 50 0.5 62.5 0.625

（資料來源：本研究整理）

(28)

表 1-3 既有偏心梁柱接頭試體之剪力強度比較

Specimens

V

test

[kN]

(4)

DR^† [%]

(5)

FM^‡ (6)

Shear Strength Ratio No

. (1)

Authors (2)

ID (3)

V

318

V

test

(7)

R test

V V

352

(8)

𝑉_{𝑡𝑒𝑠𝑡} 𝑉_𝑝𝑟𝑜 (9) 1 Joh et al. JX0-B5 294 3.3 BJ 1.36 1.05 0.91 2

Raffaelle and Wight

S1 605 4.0 BJ 1.25 1.04 0.93 3 S2 421 3.0 BJ 1.29 0.99 0.86 4 S3 472 4.0 BJ 1.13 0.89 0.77 5 S4 412 4.0 BJ 1.39 1.08 0.94 6 Teng and

Zhou

S3 743 2.7 BJ 2.09 1.71 1.52 7 S6 437 2.6 BJ 1.77 1.54 1.42 8 Shin and

LaFave

S1* 645 3.0 BJ 1.28 1.09 0.99 9 S2* 649 3.9 BJ 1.84 1.44 1.26 10 Canbolat and

Wight

2-S* 863 4.0 BJ 1.53 1.26 1.13 11 3-S* 827 2.4 BJ 1.70 1.40 1.26 12 Goto and Joh ^UM-60 779 4.0 J 1.59 1.81 1.54

13 UM-125 666 2.9 J 2.21 1.80 1.61

14 Kamimura et

al. NN.2 419 3.0 BJ 1.16 1.13 1.02 15 Kashiwazaki

et al.

^{No. 35}

1228 2.0 BJ 1.12 0.98 0.87 16 Kusuhara et

al.

JE-55 448 3.0 BJ 1.46 1.30 1.16

17 JE-55S 461 3.2 BJ 1.51 1.34 1.19

18 Lee and Ko (2007)

W75 781 5.0 BJ 0.79 0.79 0.75 19 W150 739 4.0 BJ 1.14 0.95 0.86 Mean 1.45 1.24 1.10 COV 0.24 0.25 0.24 註： *帶版試體；^†對應 Vtest之層間變位角；破壞模式 BJ-梁降伏後接

頭剪力破壞、 J-接頭剪力破壞。

（資料來源：參考書目 [7]）

(29)

表 1-4 預定進度表

月次

工作項目第一月

第二月

第三月

第四月

第五月

第六月

第七月

第八月

第九月

第十月

第十一月

第十二月

備

註評選簽約 ■

文獻蒐集 ■ ■

實驗規劃

專家座談 ■ ■

試體設計

製作 ■ ■ ■ ■

期中報告 ■ 6/28

反復載重

試驗 ■ ■

數據分析 ■ ■ ■

綜合研究 ■ ■

期末報告 ■ 10/15

結案報告 ■ ■ 12/06

研究進度

百分比 10 20 30 35 40 45 55 65 75 90 95 100 預定查核

點

第 1 季：無第 2 季：期中報告第 3 季：期末報告

說明：１工作項目請視計畫性質及需要自行訂定，預定研究進度以粗線表示其起訖日期。

２預定研究進度百分比一欄，係為配合追蹤考核作業所設計。請以每一小格粗組線為一分，統計求得本計畫之總分，再將各月份工作項目之累積得分 (與之前各月加總 )除以總分，即為各月份之預定進度。

３科技計畫請註明查核點，作為每一季所預定完成工作項目之查核依據。

(30)

圖 1-1 台北市某建物之樓層結構平面圖

（資料來源：本研究蒐集案例示意圖）

示意圖左側梁無偏心 e=0 左側梁有偏心 e=25

梁連續

(A)正交 (B)同側偏心

梁不連續

(C)一側正交、一側偏心 (D)極端偏心灰色為柱斷面 (b × h = 100cm × 50cm)，兩側白色為梁 (b = 50cm)。

圖 1-2 柱梁接合平面示意圖

（資料來源：本研究製作）

C1

Up

GD-2

GD-3 C17

B2-2

B2-3 b9

GG-2 GG-3 GG-4

GG-5

b10 b1 b1b2

b2

B4-2B4-3

b11-1 b11-2

GD-4 GD-5 GD-6 GD-7

b7 b7 b7 b7

GF-5 GF-6 GF-7

b8 B11-2 B11-3

GH-2 GH-3 GH-4 GH-5 GH-6 GH-7

B5-2

B5-3 B7-2B7-3

g1

g3-2g3-1 g2 B8-3B8-2 b3

b4

B9-2B9-3 b6

b5

C18 C8

C9

C6 C7 C15 C2 C3 C4 C5

C11 C12 C13 C14 C10

C19 C21 C20

C16

(31)

圖 1-3 研究步驟

（資料來源：本研究製作）

現有文獻調查

座談、試體設計及製造

梁柱接頭反復載重試驗

數據分析統計及比對

座談、檢討及撰寫結案報告

(32)

(33)

第二章梁柱接頭耐震設計條款

我國現行規範 [2]和新版規範 [3]有關於特殊抗彎矩構架接頭之耐震設計條款，可以歸納有四款，分別是 ① 強柱弱梁、② 接頭剪力強度、

③ 接頭箍筋以及 ④ 梁主筋在接頭內之伸展與錨定。本章歸納上述四個設計參數，並說明須要檢討的問題。

第一節強柱弱梁

台灣位於強震區幾乎所有的建築物皆需要作耐震設計，多層樓建築結構最常用的結構系統是特殊抗彎矩構架或是二元系統，其中梁柱接頭區皆須滿足耐震設計特別條款。首先是柱弱梁條款，規定柱撓曲強度須高於梁撓曲強度，以降低柱在大地震襲擊時產生撓曲降伏之可能性。倘若連接至同一接頭之柱強度小於梁，柱發生非彈性反應之機會將增加，弱柱最嚴重的情況下，一個特定樓層中所有柱之兩端有可能皆發生撓曲降伏，導致柱破壞機構，進而造成結構崩塌，如圖 2-1 所示，而強柱弱梁的構架較有可能讓所有的梁端均勻地產生撓曲降伏且維持垂直承載能力不崩塌。

因此規範要求，柱之彎矩強度應符合

Σ Mnc

 (6/5) ΣM

nb (2-1) 式中 ΣMnc 為構入於接頭各柱在接頭面之標稱彎矩強度之總和。柱彎矩強度應為所考慮方向之側力作用下由各因數化軸力計算所得之最小彎矩強度；ΣMnb 為構入於接頭各梁在接頭面之標稱彎矩強度之總和。

上述要求柱標稱彎矩強度總和須大於梁標稱彎矩強度總和之 1.2

(34)

倍，雖不能保證強震時柱維持彈性，但可促使較多梁發生撓曲降伏。

第二節接頭剪力強度

大地震時負責抵抗側向力之特殊抗彎矩構架，耐震設計規範預期在梁柱接頭面產生梁塑鉸且有較大之塑性轉角，如圖 2-1(c)所示，此時接頭必須具有足夠的強度來支撐梁產生梁塑鉸，接頭設計剪力 𝑉_𝑢之計算應考慮接頭半高處可能抵抗的最大剪力，如圖 2-2 所示，假設梁受拉鋼筋應力為 𝛼𝑓_𝑦，分別計算梁之最大可能彎矩強度 𝑀_𝑝𝑟和對應 𝑀_𝑝𝑟 之柱剪力 𝑉_𝑐𝑜𝑙，惟構架抵抗地震力時各樓層柱之反曲點位置並不固定，

作容量設計時可假設柱反曲點位於樓層柱一半高度處，如圖 2-2 所示。

十字形梁柱接頭設計剪力 𝑉_𝑢和對應之柱剪力 𝑉_𝑐𝑜𝑙可以表示如下

𝑉_𝑢 = 𝑇_𝑝𝑟+ 𝐶_𝑝𝑟− 𝑉_𝑐𝑜𝑙= 𝛼𝐴_𝑠𝑓_𝑦+ 𝛼𝐴_𝑠^′𝑓_𝑦− 𝑉_𝑐𝑜𝑙 (2-2)

𝑉_𝑐𝑜𝑙 = 1

𝑙_𝑐[𝑀_𝑝𝑟⁺ + 𝑀_𝑝𝑟⁻ + (𝑉_𝑝𝑟1+ 𝑉_𝑝𝑟2)ℎ_𝑐

2] (2-3)

式中 𝛼=1.25 為撓曲拉力鋼筋之超額強度因子；𝐴_𝑠和 𝐴_𝑠^′分別為梁頂層和底層鋼筋面積；𝑓_𝑦為鋼筋規定降伏強度；𝑙_𝑐為假設柱反曲點距離，

約等於樓層平均高度； 𝑉_𝑝𝑟1和𝑉_𝑝𝑟2是梁剪力； ℎ_𝑐是柱深度。

特殊抗彎矩構架接頭之設計剪力 𝑉_𝑢應不大於接頭設計強度 ϕ𝑉_𝑛，其中強度折減係數 ϕ = 0.85，標稱剪力強度應以下式計算：

𝑉_𝑛 = 𝛾√𝑓_𝑐^′𝐴_𝑗 (2-4)

接頭標稱剪應力 𝛾√𝑓_𝑐^′規定如表 1-1 所示。依圍束條件將接頭剪力強度分等級。

現行規範 [2]將接頭標稱剪應力 𝛾√𝑓_𝑐^′分成三個等級：接頭四面皆受梁圍束、三面或一雙對面受梁圍束、及其他情況，如表 1-1 所示。然

(35)

而此一分級方式對於寬柱 -窄梁之接頭，或是寬柱 -偏心梁接頭，會出現強度變化不連續的不合理情況。因此新版規範 [3]改成依柱連續性、

產生剪力方向之梁連續性以及兩側有無橫向梁提供圍束作用將接頭剪力強度分為八等級，其中柱連續者分成四個等級，比較合理。

式 (2-4)中接頭有效面積 𝐴_𝑗為接頭有效寬度 𝑏_𝑗乘以柱深 ℎ_𝑐。現行規範[2]與新版規範 [3]之 𝑏_𝑗公式如下

現行規範 𝑏_𝑗 = 𝑏_𝑤 + 2𝑥 ≤ 𝑏_𝑤+ ℎ_𝑐 (2-5)

新版規範 𝑏_𝑗 = 𝑏_𝑤+ 𝑥₁+ 𝑥₂ (2-6) 其中 𝑏_𝑤為梁腹寬度； 𝑥₁及 𝑥₂分別為梁腹側面至柱邊之距離，代入上式計算時， 𝑥₁或 𝑥₂值不得超過 hc

/4。現行規範

𝑥則是取 𝑥₁和 𝑥₂之較小值，但 𝑏_𝑤 + 2𝑥不得超過 𝑏_𝑤+ ℎ_𝑐。無論如何 𝑏_𝑗皆不得超過柱寬度。

然而，上述的標稱剪力強度 𝛾√𝑓_𝑐^′和接頭有效寬度公式，皆基於梁連續貫穿梁柱接頭之實驗，詳參閱 ACI 352R-02[5]梁柱接頭委員會報告。實務上於台灣的大樓建築中，如圖 1-1 所示的錯位偏心梁柱接合是很常見的，但這類接頭之接頭抗剪強度和有效寬度如何計算，並不在規範原本考慮的情況範圍內，是否適用具有爭議待釐清。

以圖 1-2 的四種情況為例來檢討，以現行規範[2]及新版規範 [3]分別計算其 𝑏_𝑗和 𝑉_𝑛，再除以全斷面積強度 3.2√𝑓_𝑐^′𝐴_𝑔作正規化比較如表 1-2 所示。最大的問題是 𝑏_𝑗應該如何計算，表 1-2 分別按接頭左右兩側情況代入式 (2-5)和式 (2-6)計算，在正交梁會得到較大的 𝑏_𝑗值，偏心梁則會折減，如情況 A 和 B，但若一側梁正交一側梁偏心時，如情況 C，

則左右兩側之 𝑏_𝑗值差異較大。至於情況 D，梁不連續又偏心，兩側計算之 𝑏_𝑗值雖然相同，但是否正確仍有疑慮。

依現行規範計算情況 A 之接頭標稱剪力強度為 3.2√𝑓_𝑐^′𝐴_𝑔，情況 B 之標稱強度只有 50%，情況 C 若用左側 𝑏值計算仍為 100%，用右側

(36)

計算則為 50%，實務上係取兩者平均值或是取較小值尚未有定論。至於情況 D，最大的問題是否適用式 (2-5)或式 (2-6)計算。

此類錯位偏心梁柱接頭之實驗成果付之闕如，故本研究完成八座大尺寸鋼筋混凝土梁柱接頭反復載重試驗，實驗結果可用來檢討錯位偏心接頭之剪力強度和耐震行為，此類接頭常見於國內的住宅大樓，

實務上常用但卻未被規範 [2, 3, 6]納入考慮，藉由本實驗可望得知應如何修正規範之接頭剪力計算強度，作為國內未來鋼筋混凝土梁柱偏心接頭設計的參考指標。

第三節接頭箍筋

從 1999 年 921 大地震到近年來的 0206 美濃地震或花蓮地震，勘災時往往發現在 2000 年以前興建的老舊大樓梁柱接頭往往欠缺圍束箍筋，梁柱接頭破壞造成建築物崩塌，如圖 2-3 所示。這些在 2000 年以前建造的大樓，由於當初的設計法規較寬鬆，施工監造又不要求，

通常柱只有 90 度彎鉤閉合箍筋且間距寬鬆，接頭區通常沒有圍束箍筋，加上混凝土品質管制不嚴謹，導致這類無箍筋圍束的接頭在地震時是非常脆弱的 [10-14]。

因此 ACI 318 規範規定不論計算剪力 𝑉_𝑗之大小，規範皆要求在接頭處接頭在最深構入梁深度 ℎ之範圍內配置橫向鋼筋，確保圍束箍筋沿高度連續配置，避免因梁主筋貫穿或梁深段差，造成部分接頭區欠缺橫向鋼筋。增加箍筋量對於梁柱接頭之韌性有幫助，有助於接頭區維持一定的剛度，支持梁塑鉸達到較大的塑性變形。

特殊抗彎矩構架接頭處橫向鋼筋量須符合圖 2-4 要求，且橫向鋼筋面積比值須符合式 (2-7)之要求，除非梁構材連續且梁寬最少為柱寬度之 3/4，則在該梁構材構入範圍內，平行該梁構材方向橫向鋼筋比

(37)

得為式(2-7)之半，但垂直間距應不超過 15 cm。

𝐴_𝑠ℎ

𝑠𝑏_𝑐 ≥ 0.3 𝑓_𝑐^′ 𝑓_𝑦𝑡(𝐴_𝑔

𝐴_𝑐ℎ− 1) (2-7a)

𝐴_𝑠ℎ

𝑠𝑏_𝑐 ≥ 0.09 𝑓_𝑐^′

𝑓_𝑦𝑡 (2-7b)

其中 s為橫向鋼筋之中心間距； 𝐴_𝑠ℎ為 s 間距內垂直於 𝑏_𝑐方向之橫向鋼筋 (包括繫筋 ) 總斷面積； 𝑏_𝑐計算 𝐴_𝑠ℎ時之柱心尺度，即橫向鋼筋外緣至外緣之邊長； 𝐴_𝑔為柱全斷面積； 𝐴_𝑐ℎ橫向鋼筋外緣以內之構材斷面積。

此外如圖 2-4 要求，橫向鋼筋包含閉合箍筋和穿插繫筋，閉合箍筋與繫筋之彎轉段均須圍繞於外周之柱主筋，允許使用 90-135 度彎鉤交錯配置，相鄰繫筋端部應交替，至多間隔一支柱主筋須有繫筋或箍筋彎轉提供柱主筋側向支撐。

本研究擬檢討錯位偏心接頭之抗剪強度，橫向鋼筋比值不是本研究要檢討之課題，儘管過往的研究顯示內部接頭僅具有少量箍筋也可以達到符合規範標準試體類似的剪力強度，但為了聚焦於符合規範圍束箍筋要求的接頭抗剪強度，本研究之試體設計一律依據式 (2-7)配置，並使其箍筋間距為 10 cm，為一般慣用的間距。

第四節梁主筋在接頭內之伸展與錨定

當縱向梁主筋貫穿梁柱接頭且 𝑓_𝑦=4200𝑘𝑔𝑓 𝑐𝑚⁄ ²時，則平行於梁主筋方向之接頭深度 ℎ_𝑐應至少為梁主筋最大直徑之 20 倍。即 hc ≥ 20db。此規定源自 Zhu and Jirsa (1983)[15]檢討 18 支鋼筋規定降伏強度為 4,200 kgf/cm²的梁柱接頭在反復載重下之表現，歸納最小柱深約 20 至

(38)

22 倍 db，對混凝土抗壓強度 280-350 kgf/cm²應屬適當，在 3%層間位移角前可以避免梁主筋在接頭內發生握裹損壞。梁主筋貫穿接頭之深度限制，係在抗彎矩構架受到設計地震時預期產生的反復非彈性位移下，合理抑制但不能完全排除接頭內梁主筋之滑移。當鋼筋降伏強度等級提高，可預期需要較大的接頭深度或較高的混凝土強度來抑制梁主筋滑移量，關於此議題的詳細研究可參考 Lee 等人(2018) [16]。

本研究擬檢討錯位偏心接頭之抗剪強度和耐震性能，為避免模糊焦點，試體設計時皆採用 𝑓_𝑦=4200𝑘𝑔𝑓 𝑐𝑚⁄ ²等級鋼筋，且混凝土設計抗壓強度控制為 280 至 350 kgf/cm² 間，接頭深度 ℎ_𝑐一律為梁主筋直徑之 20 倍，即符合規範之接頭最小深度。

錯位梁柱接頭之梁不連續，即部份或全部的梁主筋可能無法連續地貫穿接頭區，須以具有 90°標準彎鉤之梁主筋終止於接頭內，其自柱面起至彎鉤尾端外緣之伸展長度 ℓ_𝑑ℎ按下式計算[2]，且不小於 8db、 15 cm 及 3/4 柱深 hc。

ℓ_𝑑ℎ = 0.06𝑓_𝑦𝑑_𝑏

√𝑓_𝑐^′

(2-8)

上式是現行規範 [17]第 15 章、新版規範 [3]第 18 章耐震構架接頭內彎鉤之最小伸展長度。係由具標準彎鉤之鋼筋受拉基本伸展長度乘以保護層修正係數 0.7 及箍筋修正係數 0.8 而得，惟計及反復載重效應及鋼筋可能之超額強度 1.25 𝑓_𝑦，伸展長度稍有再增長。以 𝑓_𝑦=4200𝑘𝑔𝑓 𝑐𝑚⁄ ²、 𝑓_𝑐^′=350 kgf/cm² 代入式 (2-8) 所得之伸展長度 ℓ_𝑑ℎ=13.5𝑑_𝑏，本研究試體設計以此為下限，所有的彎鉤伸展長度不小於 13.5𝑑_𝑏。注意 ACI 318-19 規範[6]第 18 章公式並未異動，過去 ℓ_𝑑ℎ是 18 章比 25 章來的長，如今相反， 19 年版規範第 25 章的彎鉤錨定長度較保守，愈大號鋼筋愈明顯 [18]，相對於前版規範增長許多，值得後續研究再檢討。

(39)

圖 2-1 弱柱強梁構架軟層破壞與強柱弱梁構架均佈塑性鉸之差異

（資料來源： Jack P. Moehle[19]）

圖 2-2 特殊抗彎矩構架之內部接頭設計剪力

（資料來源： Jack P. Moehle[19]）

 



(a) Story Mechanism (b) Intermediate Mechanism (c) Beam Mechanism

(40)

圖 2-3 1999 年地震倒塌的建築物梁柱接頭無箍筋圍束

（資料來源：本研究蒐集）

圖 2-4 ACI 318 規範之耐震柱圍束箍筋示意圖

（資料來源： ACI 318-19 規範 [6]）

(41)

第三章實驗設計

本章說明八座試體設計、製造、材料性質和試驗佈設。

第一節試體設計

本研究旨在檢討表 1-2 所示四種情況之柱梁接合部剪力強度，實驗操縱變因為梁是否連續以及是否偏心，由於接頭之抗剪容量並非定值，而是隨著梁塑性鉸發展而衰減，如圖 3-1 所示，假若梁柱接頭具有良好的橫向箍筋圍束且梁柱主筋具有適當的伸展長度，則接頭主要的破壞模式有三種，分別是 J 破壞 (接頭剪力破壞 )、BJ 破壞 (梁撓曲降伏後接頭剪力破壞，和 B 破壞 (梁撓曲破壞 )。J 破壞、BJ 破壞或 B 破壞之關鍵參數在於梁撓曲降伏引致之接頭剪力需求 𝑉_𝑗(式 2-3)和接頭抗剪容量之比值，以無橫向梁之十字形梁柱接頭為例，現行 ACI 318- 14 規範 [4]之接頭標稱剪力強度𝑉_𝑛 = 3.9√𝑓𝑐′𝐴_𝑗，𝑓_𝑐^′單位為 𝑘𝑔𝑓 𝑐𝑚⁄ ²。(𝑉_𝑛 = 1.25√𝑓_𝑐^′𝐴_𝑗， 𝑓_𝑐^′單位為 MPa)，就圖 3-1 之資料庫調查結果顯示， 𝑉_𝑛約略代表著構架側位移韌性比 μ =4 之剪力強度，在韌性比小於 2 情況下，

例如中等抗彎矩構架設計，其 𝑉_𝑛值設定為 𝑉_𝑛 = 5.3√𝑓𝑐′𝐴_𝑗。換句話說，ACI 318-14 規範 [4]之接頭標稱剪力強度之制定，係依據構架之韌性需求而定。特殊抗彎矩構架之韌性需求比較大，故制定較嚴格、較低之接頭標稱剪力強度。為測試接頭在不同韌性比值下之抗剪容量，需要變化剪力需求，本研究決定對無偏心且梁連續之十字形標準接頭分別設計 𝑉_𝑗 = 2.84√𝑓𝑐′𝐴_𝑔和 3.93√𝑓_𝑐^′𝐴_𝑔，兩級剪力需求，然後依表 1-2 所示四種情況變化梁是否連續以及是否偏心，兩級剪力需求乘以四種情況，共八座試體。

(42)

首先，低剪力需求的系列 I 標準試體斷面設計如圖 3-2 所示，假設混凝土抗壓強度 𝑓_𝑐^′ = 350 𝑘𝑔𝑓 𝑐𝑚⁄ ² ，鋼筋規定降伏強度 𝑓_𝑦 = 4200 𝑘𝑔𝑓 𝑐𝑚⁄ ²，設計標準梁斷面寬 500 mm、深度 600 mm，梁上下層撓曲鋼筋分別為 6 支 D25 鋼筋 (鋼筋比 1.14%)，柱斷面寬 1000 mm、

深度 500 mm 以便測試寬柱-窄梁偏心接合之差異，柱主筋配置 16 支 D25 鋼筋 (鋼筋比 1.62%)，另柱深度 500 mm 為梁主筋直徑之 20 倍，符合規範要求之最小柱深度。

以圖 3-2 之梁柱斷面計算彎矩強度，假設柱高 3.2 m、梁跨度 6 m，代入式 (2-2)和式 (2-3)求出系列 I 之接頭剪力需求為 266 tf，相當於 2.84√𝑓_𝑐^′𝐴_𝑔，然後變化變化梁是否連續以及是否偏心，共四座試體命名為 1A、1B、 1C、1D，接頭參數如表 3-1 所列。所有柱橫向鋼筋設計為 D13@100mm，兩橫向鋼筋比分別為式 (2-7)要求的 1.1 倍和 1.21 倍，

圍束箍筋符合耐震要求。假設柱最低軸壓力為 0.10𝐴_𝑔𝑓_𝑐^′情況下，在接頭面之柱標稱彎矩強度總和為梁標稱彎矩強度總和的 1.59 倍 (𝑀_𝑅 = Σ𝑀_𝑛𝑐⁄Σ𝑀_𝑛𝑏 = 1.59)大於式 (2-1)要求的 1.2 倍，屬於強柱弱梁設計。

接著將梁主筋量提高為 8 支 D25 鋼筋 (鋼筋比 1.52%)，梁柱斷面計算彎矩強度代入式 (2-2)和式(2-3)求出矩陣 II 之接頭剪力需求為 368 tf (提高 38%)，相當於 3.93√𝑓_𝑐^′𝐴_𝑔，然後變化變化梁是否連續以及是否偏心，共四座試體命名為 2A、 2B、2C、 2D，因應梁彎矩強度提高，系列 II 之柱斷面尺度不變，但主筋增加為 20 支 D25 鋼筋 (鋼筋比 2.03%) ，使接頭面之柱標稱彎矩強度總和為梁標稱彎矩強度總和的 1.43 倍 (𝑀_𝑅 = Σ𝑀_𝑛𝑐⁄Σ𝑀_𝑛𝑏 = 1.43)，盡可能維持與系列 I 相似，其餘細部設計則維持和系列 I 相同。

梁未連續貫穿接頭時，如圖 3-3 和 3-4 所示，梁主筋須以彎鉤錨定於接頭內，鋼筋交錯配置頗為複雜，詳細之試體斷面設計配筋圖如

〔附錄〕所示。原則上，所有的彎鉤推至柱核心遠端並彎向接頭中心

鋼筋混凝土柱梁偏心接合之 耐震抗剪強度檢討

鋼筋混凝土柱梁偏心接合之 耐震抗剪強度檢討

內 政 部建 築研 究 所 委 託研 究 報告

中華民國 108 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)

108301070000G0025

鋼筋混凝土柱梁偏心接合之 耐震抗剪強度檢討

受委託單位：國立雲林科技大學 計畫主持人：李宏仁

協同主持人：林克強 研 究 員：紀凱甯 研 究 助 理：林明志

研 究 期 程：108 年 1 月 30 日至 108 年 12 月 31 日 研 究 經 費：新臺幣 283 萬 5,000 元整

內 政 部建 築研 究 所 委 託研 究 報告

中華民國 108 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)

目次

表次

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圖次

摘要

ABSTRACT

第一章 緒論

第 一 節 研 究 緣 起 與 背 景

第 二 節 文 獻 回 顧

第 三 節 研 究 方 法 及 步 驟

第 四 節 研 究 目 的

V

V

V

V V

No. 35

第二章 梁柱接頭耐震設計條款

第 一 節 強 柱 弱 梁

 (6/5) ΣM

第 二 節 接 頭 剪 力 強 度

/4。 現 行 規 範

第 三 節 接 頭 箍 筋

第 四 節 梁 主 筋 在 接 頭 內 之 伸 展 與 錨 定

第三章 實驗設計

第 一 節 試 體 設 計

鋼筋混凝土柱梁偏心接合之耐震抗剪強度檢討

鋼筋混凝土柱梁偏心接合之耐震抗剪強度檢討

內政部建築研究所委託研究報告

鋼筋混凝土柱梁偏心接合之耐震抗剪強度檢討

受委託單位：國立雲林科技大學計畫主持人：李宏仁

協同主持人：林克強研究員：紀凱甯研究助理：林明志

研究期程：108 年 1 月 30 日至 108 年 12 月 31 日研究經費：新臺幣 283 萬 5,000 元整

內政部建築研究所委託研究報告

第一章緒論

第一節研究緣起與背景

第二節文獻回顧

第三節研究方法及步驟

第四節研究目的

^{No. 35}

第二章梁柱接頭耐震設計條款

第一節強柱弱梁

第二節接頭剪力強度

/4。現行規範

第三節接頭箍筋

第四節梁主筋在接頭內之伸展與錨定

第三章實驗設計

第一節試體設計