鋼骨鋼筋混凝土結構(SRC)設計規範在台灣的發展
【 2000-11-01 / 國立交通大學土木工程系教授、中華民國鋼結構協會理事 / 翁正強】
 
                         摘 要

    本文之主要目的在介紹鋼骨鋼筋混凝土結構(Steel Reinforced Concrete, SRC)設計規範在台灣發展的狀況。SRC結構係經由適當的設計,將鋼骨(Steel)與鋼筋混凝土(RC)結合起來,互相發揮其優點且彌補各自的缺點,使它成為更安全與經濟的結構體。本文闡述SRC設計規範在台灣發展之過程,包括設計邏輯的思考,設計方法的建立及構造細則等相關規定的研擬。目前台灣的SRC設計規範已完成草案,內容共包含十一個章節,近期內將進行另一階段的學者專家審查程序,待審查工作完畢再正式公佈施行。由於台灣所採用的鋼結構與RC結構設計規範主要係參考美國AISC (American Institute of Steel Construction) 與ACI (American Concrete Institute) 設計規範而訂定,因此有關SRC規範的研擬亦朝向結合AISC與ACI規範的方向進行,其主要目的在於使台灣的Steel、RC及SRC三種設計規範能夠具有一貫性。此外,由於日本在SRC構造方面經驗頗豐,因此台灣在SRC在規範的發展亦適度的參考日本方面的經驗。

關鍵詞:  鋼骨鋼筋混凝土結構、設計規範、設計強度、構造細則、梁柱接頭

1  前 言

    鋼骨鋼筋混凝土構造(Steel Reinforced Concrete, SRC)由於結合了鋼骨與RC兩種構造,使得它兼具這兩種構造的特色,一個經由適當設計的SRC構造將可有效的發揮鋼骨與RC的優點。圖一與圖二分別顯示幾種包覆型SRC梁與SRC柱斷面的配置情況,圖三則顯示三種鋼管混凝土柱(Concrete-Filled Tubular Column) 的斷面型式。

圖一 包覆型SRC樑斷面及配筋示意圖 圖二 包覆型SRC柱斷面示意圖 圖三 鋼管混凝土柱斷面示意圖
一般而言,SRC構造可以有效發揮混凝土抗壓強度之優點,很適合用於高樓建築中低樓層柱。相對於純鋼骨構造而言,由於SRC構造之勁度較大,有助於減少建築物之側向位移。此外,對包覆型SRC構造而言,混凝土之包覆有助於避免鋼骨斷面發生局部屈曲之現象,並可作為鋼骨之防火被覆。對鋼管混凝土柱而言,充填的混凝土可在不增加構材斷面積的情況下有效提高構材之抗壓強度,並可延緩鋼管之局部屈曲;而鋼管也可作為澆置混凝土時的模板並可提供混凝土之圍束效應。 近年來,由於建築功能與結構力學方面之雙重需求,台灣高樓建築採用SRC構造的情況有逐漸增加之趨勢。不過,因為目前台灣營建署所頒佈的「建築技術規則」中尚未訂定有關SRC構造之設計規範,使得從事SRC設計之工程師及相關之審查單位常有無所依循之感。因此,儘速研擬一套適合台灣使用的SRC設計規範以確保SRC構造之品質與安全性,實為當前重要之課題。基於此一需求,建築研究所乃以專案研究計劃之方式,委託結構工程學會進行有關SRC設計規範條文與解說之研究,並於一九九七年六月完成研擬SRC構造設計規範之條文與解說之草案。 目前台灣所採用的鋼結構與RC結構設計規範主要係參考美國AISC、ACI及UBC設計規範,因此有關SRC規範的研擬亦朝結合上述規範的方向進行,其主要目的在於使台灣的Steel、RC及SRC三種設計規範能夠具有一貫性。此外,由於日本在SRC設計方面研究成果頗豐,因此台灣在SRC規範的發展亦適度的參考日本的經驗。再者,本規範亦具有兼顧工程教育背景之考量,因此規範的寫法係以台灣工程師所熟悉的型式出現以便於使用。 2 美、日主要相關設計規範之比較 目前美國與日本主要的SRC構造相關設計規範中,其設計觀念可以概分為以下三大類: (1)第一類為引用「鋼結構」設計公式,將SRC構造中RC所提供的強度與勁度 轉換為相當的鋼骨來進行設計,例如美國AISC-LRFD鋼結構設計規範 (1993)與NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program) 合 成構造設計規定(1997)。 (2)第二類為使用「RC構造」的設計方法,將SRC構造中的鋼骨視為增加構材 強度與勁度的普通鋼筋來進行設計,如美國ACI結構混凝土設計規範 (1999)。 (3)第三類為採用「強度疊加法」,此法係先將鋼骨及RC之強度個別分開計 算,然後予以疊加以求得SRC構材之強度,如日本建築學會 (Architecture Institute of Japan, AIJ) 的SRC設計規範(1987)。 在上述的設計規範中,目前以日本AIJ-SRC設計規範及美國NEHRP合成構造設計規定較為完整。在SRC構造設計方法上,AIJ-SRC設計規範係採用工作應力設計法 (WSD) 再輔以極限層剪力之檢核;而NEHRP合成構造設計規定則採用極限強度設計法 (USD)。目前美國ACI規範及AISC-LRFD規範中有關合成構造之設計規定均僅包含構材之設計,較不如AIJ-SRC及NEHRP之規定完整。日本AIJ-SRC規範之主要優點在於具有較多的經驗及研究成果,且該規範對SRC構造細則之規定較為明確。 3 台灣SRC設計規範之研擬 3.1 設計邏輯與設計方法 由於SRC構造同時涉及Steel與RC兩種構造之設計,基於設計邏輯一致之觀點,SRC構造中之Steel與RC應以採用同一種設計方法為宜。因此,本研究乃在設計邏輯一致的基本原則下 (與台灣現行的鋼構造、RC構造、設計地震力等規範相互配合) 致力研擬一套合理的SRC設計規範與解說。 在設計方法的選擇上,根據第一階段之問卷調查結果顯示,多數的設計者希望未來SRC規範能夠同時包含ASD(Allowable Stress Design)與USD(Ultimate Strength Design)兩種設計方法。此一狀況類似於目前鋼結構設計規範同時存在ASD與LRFD (Load and Resistance Factor Design) 兩種設計規範的情形。但是,問卷調查之結果亦顯示,如果只選用一種設計方法時,則工程師們又以選擇極限強度設計法 (USD) 佔多數。此一情況顯示,極限強度設計法逐漸成為結構設計方法之主流,此亦為世界各先進國家結構設計規範之共同趨勢。 在載重係數方面,由於目前台灣尚未有較為深入的調查研究,因此本研究建議SRC規範中暫時採用美國ANSI (American National Standards Institute) 在1994年最新發佈的載重組合方式。將來台灣若有深入的本土調查研究資料,將可再作適當之修正。 3.2 構材強度計算 為了探討SRC 構材強度之計算方法,本研究小組經過反覆討論後,認為日本AIJ-SRC規範中所採用的強度疊加觀念頗有參考價值,因此乃提出一稱為「直接強度疊加法」之SRC構材強度計算法。該法係先將SRC 構材中之鋼骨部份與RC部份,分別依照台灣工程師習用的AISC 鋼結構設計規範及ACI 混凝土設計規範求得鋼骨與RC 之個別強度,然後再予疊加以求得SRC構材之強度。此一方式將使台灣的SRC 設計規範較能適切的配合營建署已頒行的鋼構造 (Steel) 與混凝土構造 (RC) 設計規範,使Steel、RC 與SRC 三者結合為一體。 另一方面,由於目前台灣「建築技術規則」有關混凝土構造之規定中亦提供了一個可以用來計算合成受壓構材強度之方法 (第426條,依ACI規範訂定)。該法係將合成構材中之鋼骨視為等量之鋼筋,並假設完全合成作用之情況來計算構材之強度。由於台灣大多數工程師對ACI 規範十分熟悉,因此本研究仍將該計算方式予以納入,以提供設計者另一個選擇。 SRC 梁之抗彎強度 符合本規範設計細則規定之包覆型SRC 梁,其設計抗彎強度φbMn0 應不小於由因數化載重組合所計得之最大需求抗彎強度Mu。設計抗彎強度φbMn0為鋼骨部份與鋼筋混凝土部份抗彎強度之和,即: φbMn0=(φb)s (Mn0)s+(φb)rc (Mn0)rc 其中:φb=(φb)s=(φb)rc=強度折減係數=0.9;(Mn0)s=鋼骨部分之標稱抗 彎強度,(Mn0)s=ZFys,Z為鋼骨之塑性斷面模數,Fys為鋼骨之標稱降 伏應力;(Mn0)rc=鋼筋混凝土部分之標稱抗彎強度。 SRC柱之抗壓強度 符合本規範設計細則規定之SRC柱,其設計抗壓強度φcPn0 應不小於由因數化載重組合所計得之最大需求抗壓強度Pu。設計抗壓強度φcPn0 為鋼骨部份與鋼筋混凝土部份抗壓強度之和,即: φcPn0=(φc)s(Pn0)s+(φc)rc(Pn0)rc 其中:(φc)s=鋼骨部份之強度折減係數;(φc)rc=鋼筋混凝土部份之強度折減 係數; (Pn0)s=鋼骨部份之標稱抗壓強度;(Pn0)rc=鋼筋混凝土部份 之標稱抗壓強度。 上述方法與日本AIJ-SRC規範所採用的簡單疊加法在概念上相近,但仍有幾項重要差異﹕ (1)本規範採用極限強度設計法(USD)。而日本AIJ-SRC規範則採用容許應力 設計法(ASD)再輔以極限層剪力之檢核。 (2)由於教育背景之因素,台灣大多數的工程師對於鋼結構與RC的設計仍以美 國AISC的鋼結構設計規範與ACI的RC設計規範作為主要的參考依據。因 此,在強度計算方面,本規範係將SRC構材中的鋼骨與RC分別依照AISC及 ACI設計規範求得強度後再予疊加。而AIJ係將SRC構材中之鋼骨與RC分別 依照日本的鋼結構與RC設計規範求得強度後再予疊加,其內容與台灣之規 範有明顯的差異。 3.3 SRC梁柱及接頭之構造細則 有鑒於SRC 構造品質的提昇必須仰賴於合理的構造細則(特別是RC配筋與梁柱接合方面),本研究乃致力明確規範SRC構造中相關之配筋及接合細則,以避免不合理的鋼筋配置或接合設計損害SRC構造之安全性。此外,在決定SRC構造中鋼骨與鋼筋之關係位置時,應於構造中較複雜之處 (構材續接處、梁柱接頭等) 檢核鋼筋配置及混凝土施工之可行性。 鋼骨之寬厚比 在鋼骨斷面之寬厚比限制方面,基於考量SRC斷面中鋼骨受混凝土包覆之影響,其局部挫屈行為應有別於純鋼骨斷面之情形,本研究乃參考AIJ-SRC規範(1987)之作法,將SRC斷面中之鋼骨肢材寬厚比限制酌予放寬。惟設計者宜注意,此種放寬之規定係基於SRC斷面必須符合本規範有關配筋及混凝土保護層等要求條件下才能成立。 鋼筋之配置 有關SRC 構造之配筋,應考慮下列各項因素:(a) 力學上之特性;(b) 混凝土之填充性;(c) 鋼骨及鋼筋之接合及配筋之順序;(d) 結構體之耐久性及耐火性;(e) 梁與柱接頭處主筋之連續性與施工可行性。 檢討鋼骨和鋼筋之配置時,須考量混凝土之填充性與鋼筋之握裹性,通常主筋和軸方向鋼骨板面之淨間距應為25 mm以上且為粗骨材最大粒徑之1.25倍。若間距太小則無法發揮鋼筋之握裹力,但主筋和鋼骨面直交接觸時則可不受此限。圖四顯示一組SRC梁柱接頭處鋼骨與鋼筋間距之示意圖。
(s:25mm以上或粗骨材最大粒徑之1.25倍以上) 圖四 鋼骨與鋼筋之間距示意圖
另一方面,對於未連續通過SRC 梁柱接頭之主筋應視其為「補助筋」且不計其對強度之貢獻。這主要是為了避免主筋因受梁柱接頭處之鋼骨阻擋而導致施工者任意將主筋在梁柱接頭處切斷或彎折,在設計與施工時均應特別注意避免發生此種狀況。基本上,設計者應避免在SRC梁或柱中配置太密的主筋,以免造成此種不合理的現象。 SRC 構材之箍筋配置能提供混凝土適當之圍束,以利構材在可能發生塑性變形之區域內能發揮適當之塑性變形能力。此外,SRC 構材中之箍筋不得與鋼骨面密貼,其淨間距應保持為2.5cm以上。對於包覆型柱之圍束箍筋量之規定,基於考量SRC柱中之鋼骨對混凝土圍束效應之貢獻,本研究建議將SRC柱之圍束箍筋用量酌予放寬。其放寬之結果將比ACI規範對RC柱之要求略鬆,但仍比AIJ-SRC規範之要求略為嚴格,此放寬規定亦有助於減低SRC 構造施工之困難度。 混凝土之施工 SRC工程之混凝土澆置應特別注意混凝土之填充性,尤其是在鋼梁翼板下方及在梁柱接頭處之柱內連續板下方處。施工時應能使混凝土與鋼骨充分結合,並應避免發生骨材析離之現象。 另一方面,SRC構材之鋼骨表面至混凝土表面之厚度,一般須為10cm以上,以使混凝土中之鋼筋有足夠之握裹效力與保護層。若以SRC 結構常用之鋼筋尺寸,主筋為D25、箍筋為D13為例,考慮鋼筋之最外徑尺寸,且梁柱接頭處之梁主筋貫穿孔位置為距鋼骨翼板上端面淨距為15mm處時,鋼骨混凝土之保護層厚度須為12.5cm以上。 SRC 之梁柱接頭 圖五與圖六顯示兩種不同的SRC梁柱接合方式,此二圖之主要差異在於鋼梁與鋼柱的接合方式。圖五採用「現場銲接梁柱接合方式」,而圖六則採用「托梁螺栓接合方式」。這兩種方式各有其優缺點,前者類似於美國式的鋼骨梁柱接頭,後者為日本常用之SRC施工方式。後者之主要特點是不需要在工地現場進行銲接,可以有效避免工地銲接所可能引起的品質不穩定問題。
圖五 SRC 樑柱接頭示意圖(鋼骨梁柱接合在工地現場銲接) 圖六 SRC 樑柱接頭示意圖(鋼樑在工地以螺栓續接)
圖七顯示一組SRC梁柱接頭之細部配置圖。由於梁柱接頭是決定構架形式重要部位之一,因此接頭處之鋼骨、主筋、箍筋均須合理的配置,並使混凝土具有良好的填充性,才能使梁的應力很平順傳遞至柱上。梁柱接頭處鋼骨之設計須考量到銲接之施工性及鋼筋貫穿孔位置及大小等因素。設計時並應對直交方向主筋之方向、上下相關位置加以充分檢討以決定梁主筋之位置。此外,為了使梁柱接頭處所澆置之混凝土不致產生蜂窩 (尤其是在角落之處),在柱內連續板開孔以利混凝土填充密實確有其必要性。惟設計時應注意開孔之面積不宜過大,開孔後之連續板應仍具有足夠之強度以傳遞由鋼梁翼板傳來之拉力與壓力。
圖七 包覆型 SRC 樑柱接頭之接合細部示意圖
SRC梁柱接頭處因有鋼骨存在,故其箍筋之配置將比純RC構造複雜。一種可行的方法之一是採用四支L形箍筋組合而成的配置方式,此種L型箍筋在搭接處應確實銲接,銲接之強度應至少能發揮箍筋之降伏拉力強度,一般銲接長度須至少為10倍箍筋直徑。另一方面,在SRC梁柱接合處,當鋼梁的腹板採用螺栓與鋼柱連接時,在設計上應特別注意柱箍筋在鋼梁腹板穿孔之位置不可與螺栓孔過於靠近,以避免產生如圖八所示鋼梁腹板發生撕裂破壞的情形。
圖八 鋼樑腹板螺栓孔與箍筋孔太近可能造成腹板撕裂破壞
4 SRC設計規範草案之內容 茲謹將台灣研擬的「鋼骨鋼筋混凝土構造(SRC)設計規範與解說」草案之目錄陳述於后:
5 結 語 本研究根據資料收集、問卷調查、學者專家諮詢與密集的研究過程,目前謹針對的「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」提出一套建議草案。期望本研究之結果能有助於達成以下三項目標︰ (一)本研究將有助於彌補目前營建署建築技術規則中缺少SRC構造設計規範之缺憾。 (二)本研究將有助於從事SRC構造設計之工程師及相關審查單位之參考依循。 (三)本研究對提昇SRC構造設計之品質與工程之安全性有積極正面之意義。 由於SRC構造同時涉及鋼骨與RC兩種構造的設計與施工,其複雜程度相對提高,本研究雖已初步完成SRC設計規範之草案,仍然希望工程界諸位先進繼續予以批評指正,俾望能夠精益求精。 誌 謝 本研究進行期間承蒙廖慧明建築師、張荻薇經理與陳誠直教授共同主持研究計畫,並由諸多學者專家熱心提供寶貴建議,謹此表達十二萬分之謝意。此外,本研究承建築研究所提供研究經費,葉祥海、鄒本駒與陶其駿先生熱心協助,蔡江洋、宋裕祺先生及研究生顏聖益、王徵文、林俊昌、劉玉梅、梁嘉洲、程幼棣等熱心投入,如果沒有他們的努力奉獻,本研究將不可能完成,在此謹誌由衷謝忱。 參考文獻 (1) 日本建築學會(AIJ, Architectural Institute of Japan),「鐵骨鐵 筋混凝土構造配筋指針(案).同解說」,東京,1994。 (2) 日本建築學會(AIJ,Architectural Institute of Japan),「鐵骨鐵 筋混凝土構造計算規準.同解說」,東京,1987。 (3) 內政部營建署,「建築技術規則」,詹氏書局,1997,台北。 (4) 翁正強、顏聖益、林俊昌,「包覆型SRC柱鋼骨對混凝土圍束箍筋量之影 響」,中國土木水利工程學刊,第十卷,第二期,第193-204頁,1998年 六月,台北。 (5) 翁正強、廖慧明、張荻薇、陳誠直,「鋼骨鋼筋混凝土構造(SRC)設計規 範與解說研究」,結構工程學會,1997年六月,台北。 (6) 翁正強、廖慧明、張荻薇、陳誠直,「鋼骨鋼筋混凝土構造(SRC)設計規 定之調查與規範架構研究」,結構工程學會,1995年六月,台北。 (7) 翁正強,「國內SRC構造設計規範之研訂現況簡介」,營建知訊,第147 期,第16-21頁,1994年十二月,台北。 (8) ACI, “Buildings Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-99),” American Concrete Institute, Detroit, Michigan, 1999. (9) AISC, “Load and Resistance Factor Design Specification for structural Steel Buildings,” American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois, 1993. (10) NEHRP, “Recommended Provisions for the Development of Seismic Regulation for New Building,” National Earthquake Hazards Reduction Program, Building Seismic Safety Council, Washington, D.C., 1997. (11) UBC, “Uniform Building Code,” International Conference of Building Officials, Whittier, California, 1997. 註:本文刊登於鋼結構會刊第十一期