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鋼骨結構 編輯詞條

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鋼骨結構概述編輯本段

鋼骨結構鋼骨結構

鋼骨--SC--是指用純鋼骨結構多為辦公大樓,外觀可使用帷幕(玻璃, 複合鋁板, PC版...)結構包覆

鋼骨鋼筋混凝土結構--SRC
SRC = 鋼骨+鋼筋混凝土的混和構造

SRC是日本率先採用的技術,在歐美,鋼骨就是鋼骨,RC就是RC,歐美發展鋼骨建築已經有百年歷史,但亞洲國家也才不過五十多年,剛開始亞洲人普遍不太適應純鋼骨外包封版的做法,廠房辦公、商業建築還能接受純鋼骨(SC)構造的,但若用來作住宅,總有摸來讓人有不踏實的感覺,亞洲營建技術最好的日本人才開發結合兩者特性的構造,就是在鋼骨外層再另外配鋼筋並灌漿同時作保護層,好處是具有鋼骨構造及RC構造的優點,柱子強度高則柱斷面減小可使整個建築重量變輕,因而其受地震力的影響也因此變小,而RC構造特性則減少純鋼骨建築受側向力時變形過大問題,純鋼骨的高層建築地震來時搖晃程度可比RC構造利害的多。而台灣的建築營造技術向來師法日本,心理因素、地震因素和營造因素類似的情況下,自然比較能接受並且採用這種方法了。SC或SRC構造本來成本就比RC構造來得高,這無庸置疑,至於消費者接不接受,那純粹是個人的選擇性問題。在921地震後因為很多結構學者和媒體炒作鋼骨構造話題,所以現在民眾和建商也開始接受住宅用SC或SRC的了。至於說討論住宅大樓的話,那麼自從發生921地震後幾乎所有採用SRC的,不管是哪家建商都在打"安全"宣傳牌, 這又是另一個迷思....認為SRC必然....决對比RC安全, 這點就姑且不論,因為這又是另一個課題了。

鋼骨結構壓力承載力遠低於張力承載力,主要原因是先天受挫於鋼骨細長比(aspect ratio)效應下的局部撓屈(local buckling)強度薄弱的緣故。同樣的,鋼筋混凝土結構,最大的課題是如何避免龜裂(cracking)的產生。不過,混凝土本身的乾縮 (shrinkage)和潛變(creep),也是設計及施工中必須考慮的關鍵因素。鋼筋混凝土結構壓力承載力遠超過張力承載力,應用於承受垂直方向的自 重力(gravity load, self weight),鋼筋混凝土結構是非常恰當的。當然,鋼筋混凝土結構中非結構性的龜裂現象,譬如溫度鋼筋量不夠、保護層混凝土過厚或過薄,僅侷限於結構外 觀上的不良狀況而已,並沒有影響到結構本身的強度及安全。

建築結構構造之採用可多元化選擇的,在國內有用磚構造、加強磚構造、木構造、RC構造、、SC構造或用SRC構造等,根據營建署的統計,國內建築物一般而言以RC構造最多,RC構造物的建築面積約佔全國95%以上,同時也是全世界比率最多的地區。在建築物建築規劃作業的時候,究係要用何種結構作為主體結構構造,會涉及耐震需求、建築成本、使用需求及完工時程等等,所以業主及設計者對於結構構造類型之採用,往往需審慎考量,國內自從九二一集集大地震之後,根據調查顯示建築物以鋼筋混凝土構造(Reinforced Concrete, RC)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(Steel Reinforced Concrete, SRC)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…)及民間建築工程(如住宅、辦公大樓、醫院…)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。


SRC結構雖可經由適當的設計,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,使它成為一種更安全與實用的結構體;惟一個優良建築物的產生,除了完善的規劃設計外,更需要仰賴良好的施工管理以保障品質,才能獲得預期的產品,由於SRC結構涵蓋鋼骨及鋼筋混凝土兩種構造,其設計及施工較RC構造複雜,同時因為國內並尚未正式訂定有關SRC構造之設計與施工規範,供從事設計的工程師及業主作為遵循的依據,因此國內目前 SRC構造設計可謂在無正式規範的情況下進行,其設計與施工技術不如RC構造成熟普遍,尤其是設計者(含建築師、土木技師、結構技師)引據之設計規範及理念不同,設計圖說之成果與品質往往差異甚大,以致有百家爭鳴各行其道之現象。SRC施工期間之作業項目較RC構造繁雜,施工廠商更需具備特別之專業施工技術及品質控制能力,同時監造單位更需具備相關的監造能力,才能確保整體結構之耐震品質,因此設計單位、監造單位與施工廠商均須共同致力於相關作業之品質提昇,方能獲致預期之結構耐震性能。鑑於上述,謹將吾人對於SRC建築之構造設計施工的一些觀感,供從業人員或相關單位參考。

SRC構造之規劃設計編輯本段

(一)建築構造簡述

建築物主體結構類型在國內有用磚構造、加強磚構造、木構造、RC構造、SC構造或用SRC構造等,根據營建署的統計,國內建築物一般而言以RC構造最多, RC構造物的建築面積約佔全國95%以上,同時也是全世界比率最多的地區。目前國內常用的建築構造類型有鋼筋混凝土(RC, Reinforced Concrete)、鋼骨(Steel)及鋼骨鋼筋混凝(SRC, Steel Reinforced Concrete)三種。

RC結構使用最多,但自重大,且其強度不及鋼結構,因此建築高度會受到限制。鋼骨Steel結構雖高度之限制較小,但其勁度較小,因此結構設計時常有層間位移太大的困擾。SRC結構可改善RC構造及Steel構造上述之缺點。所謂鋼骨鋼筋混凝土構造,即構造主體以鋼骨為主構材,其外圍再輔以鋼筋混凝土而形成鋼骨鋼筋混凝土,工程界一般以SRC稱之。

建築物主體結構類型可多元化選擇的,一般而言設計者及業主於規劃設計階段除應考量耐震需求(安全性)、建築成本(經濟性)、美觀性,更應考量建築物之機能需求、施工期限、施工性及使用維護等因素,而選定合適之結構類型。

(二)SRC設計方法概述

目前國外主要的SRC構造設計規範中,其設計理念可以概分為三大類:第一類為引用”鋼結構”設計公式,即將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)即採用之;第二類為使用”RC構造 ”的設計方法,即將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;第三類為採用”強度疊加法”,此法係將鋼骨及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)SRC設計規範。

根據現有文獻,將國內外之SRC構造設計規範臚列如下:

1.AIJ-SRC採二次設計法,一次設計係以中小地震為對象,進行結構物之耐震設計,即以工作應力法(ASD)。二次設計則以極限強度檢核保有之水平耐力,主要目的確保結構物受大地震時仍具有韌性而不危及人員生命安全及財物的損失。

採用強度疊加的觀念有二種設計方法

(1)簡單疊加法(Simple Superpose Method, SSM): 構材中鋼骨與RC視為獨立個體,分別計算強度,鋼骨與RC受到軸力與彎矩之比例限制條件下進行疊加,過程較簡單,結果較保守。

(2)一般疊加法(Generalize Superpose Method, GSM) :將鋼骨與RC分別計算極限強度,再予疊加,鋼骨與RC只要兩者軸向及彎矩強度之和大於結構所分析的需求軸力及彎矩即可,相對於簡單設計法較複雜,但可調整設計斷面至最經濟。

2.ACI318-95

ACI規範為極限強度設計法,將鋼骨部份視為連續排置之等量鋼筋,以RC梁柱設計方式計算之。

3.AISC-LRFD

針對合成構材之設計方法採用極限強度設計法,將RC部份所提供之強度與勁度,轉換成等值之鋼骨,再直接以純鋼骨計算合成構材之極限強度。

4.「鋼骨鋼筋混凝土構造(SRC)設計規範與解說研究」,內政部建築研究所,翁正強。

採用強度疊加之設計方法,鋼骨部份採用LRFD之設計規範,RC部份採用ACI之設計規範,個別求得設計強度疊加後即為SRC之構材強度。內政部建築研究所「鋼骨鋼筋混凝土設計參考規範與解說」內之設計方法亦如同。

綜合上述,建築物主體結構類型可多元化選擇的,設計者及業主於規劃設計階段除應考量耐震需求(安全性)、建築成本(經濟性)、美觀性,更應考量建築物之機能需求、施工期限、施工性及使用維護等因素,而選定合適之結構類型。若擇定採SRC構造時作為主體結構,則在SRC規劃設計方面,囿於國內並尚未正式訂定有關SRC構造之設計規範(僅有參考規範與解說) ,且國內SRC構造之設計技術尚未成熟普遍,設計者(含建築師、土木技師、結構技師)引據之設計規範及理念不同,設計圖說之成果與品質往往差異甚大,設計圖常有超量設計的情事,另外如梁柱主筋量過多、箍筋不易施工或是斷面設計不當等亦經常發生,致使現場施工性不佳。設計階段設計圖說之品質是非常重要的,因其設計品質之良窳與否,除影響工程費用外,亦對施工階段之施工性及耐震品質影響甚大。因此期盼主管機關儘速訂定SRC構造之設計與施工規範,供從事設計者及業主作為遵循之依據。【附註:依93.1.16修正之建築技術規則建築構造編第497條,鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範及鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範,由中央主管建築機關定之。惟今尚未訂定實施。】

SRC構造之施工編輯本段

SRC構造涉及鋼骨及RC二種材料,施工期間之作業項目較鋼筋混凝土構造繁雜,若設計者於規劃設計階段時,不能做好妥善的規劃設計,繪製完備合理的設計圖說供施工廠商據以施工,就易衍生出甚多的施工問題,且鋼骨作業中之鋼結構製造、銲接、吊裝組立等作業,施工廠商更需具備特別之專業施工技術及品質控制能力,方能使鋼骨構造能達其基本設計之安全需求;1994年美國洛杉磯北嶺大地震時,有許多鋼骨大樓受到嚴重損毀,經過探究原因發現,鋼結構在梁柱接頭處的人工焊接品質較不易控制,而梁柱接頭處的焊道品質,深深影響著梁柱接頭的韌性能力,以致未能承受地震所帶來強大的作用力而撕裂,因此鋼骨梁柱接頭處的焊接技術及品質控制,是SRC構造安全上的重要考慮因素。另外箱型鋼柱柱內橫隔板之電熔渣焊(Electric Slag Welding,ESG)品質更不易控制,所以有關鋼骨之焊接品質控制工作(含工廠焊、工地焊)就成為SRC構造中關鍵的工作要項,尤其是焊接箱型鋼柱及梁柱接頭之焊接品控最為重要,而要確保焊接品質則需落實非破壞檢測(Non-Destructive Test,NDT)工作,有關非破壞檢測工作可委託專業檢測機構辦理。

除上述鋼結構部份之施工要注重工程品質外,SRC構造之RC部份施工更要有比傳統RC構造較詳細的設計與精確的施工配合,才能夠確保整體結構之耐震品質,茲將SRC構造中RC部份現場施工最常見之的問題,例如箍筋不易施工、梁柱主筋不易施工、混凝土配比不當、梁模板組立不易…..等,分述如下:

(一)箍筋不易施工

1.柱箍筋施工問題:

柱箍筋不易施工是SRC構造現場施工最大困擾之一,尤其是梁柱接頭處更是難以處理,常見的問題如柱箍筋135°彎鉤與鋼柱牴觸,致使彎鉤無法施作,究其原因往往是鋼骨表面至混凝土表面之保護層厚度不足,保護層厚度一般而言以大於15cm以上為宜。其次以設計圖繪示須以閉合箍筋方式施工,但由於受制於梁柱接頭外伸托架等因素,無法預先將箍筋套入柱入,須改採用L型或ㄇ型組合方式施工,一般而言若採用4支L型箍筋組合而成的配置方式施工,在梁柱接頭區箍筋應以搭接方式銲接而成,而每處搭接之有效銲接長度須為10倍箍筋直徑以上,所以若於規劃設計階段時,設計者未能妥善設計,不僅致使箍筋難以施工,同時易影響箍筋之圍束能力。

2.梁箍筋施工問題:

當SRC大梁尺寸未適當設計,鋼骨保護層厚度一般而言以大於12.5cm以上為宜,若保護層大小時,則大梁箍筋135°彎鉤不易施工,易與梁鋼骨翼板牴觸。

上述有關柱梁箍筋不易施工問題,國內對於SRC構造鋼筋彎鉤形狀之設計仍需依內政部訂定之「結構混凝土設計規範」之相關規定辦理設計,並未另訂SRC設計施工專用之規範,所以箍筋須以135°彎鉤施作。但有關箍筋彎鉤形狀若依AIJ「SRC配筋指針(案)同解說」之規定設計,則可免除部份施工不易問題,相對提昇施工性,大大減低柱梁箍筋施工性不佳的情事,例如梁箍筋若於非塑性區可免用135°彎鉤改用90°彎鉤,另外柱箍筋之135°彎鉤閉合型可改以搭接銲接方式或兩支L型的方式設計施工等,此等方式是否可行有待設計規範整合明訂,這也說明國內亟需SRC設計施工規範之急迫性。

(二)梁柱主筋不易施工:

1.梁主筋施工問題

SRC梁上下主筋配置不宜過多,一般以上下層各4支以內為宜,如主筋量配置過多,尤以採雙層主筋配置者,更是施工不易,而易將形成下述之施工困難:

(1)鋼柱內水平橫隔板數量太多或間距太小,造成鋼構件於場內組裝時銲接施工困難,更影響構件品質。

(2)梁主筋與主筋之間間距太小,致使混凝土澆置性不佳,進而影響鋼筋與混凝土間之握裹力。

(3)主筋多時主筋搭接處易造成鋼筋與鋼骨間的間隙太小(主筋和軸方向鋼骨板面之淨間距應為25mm以上且為粗骨材最大粒徑之1.25倍),會影響混凝土正常流動,容易發生蜂窩現象。

(4)主筋多時相對柱端續接器亦須配合增加配置續接器,相對增加銲接施工不易,另可能因柱內橫隔板與續接器位置無法水平對齊,而造成柱翼板撕裂現象。

2.柱主筋過多問題:

SRC構造可藉由主筋與鋼骨共同分擔軸向壓力及彎矩,由於各設計者引據之設計規範及設計理念等不同考量,以致設計圖說之成果及品質,往往差異甚大,舉例來說,有的設計者可能完全不計鋼筋來分擔應力,全部以鋼骨來承受,所須之主筋量少,施工性會較佳。若以鋼筋承擔較多應力時,主筋數量必須較多,每個角落可能超過三支以上主筋,相對施工性不佳,易形成下述之施工問題:

(1)柱斷面過小,且主筋排列過多,易造成混凝土填充性不佳,尤以梁柱接頭處為甚。

(2)柱主筋易與鋼梁翼板相牴觸,一般以彎折或以續接器連結方式。

(3)柱主筋易與大梁主筋衝突,使鋼筋施工性不佳。

SRC構造梁柱配筋施工性不佳,為工地最困擾課題之一,另外鋼筋續接器設計施工品質之良寙,亦影響結構耐震性能甚大,為提昇施工性及確保耐震性能,因此設計者於設計階段除考慮結構安全需求之強度、勁度與韌性外,並應確實檢討施工之可行性,尤以SRC構造中較複雜處(如:梁柱接頭、構材續接處)確實檢核鋼筋配置及混凝土施工之可行性,以避免設計出不合理或難以施作的圖說;而施工廠商於施工前更應確實繪製鋼構施工詳圖(Shop Drawing)及鋼筋施工大樣圖(Working Drawing),若發現不合理或難以施作處應回饋給設計者修正圖說,以免而影響耐震品質。惟國內甚多的施工廠商並未落實施工前之鋼筋施工大樣圖(如:梁柱接頭)繪製檢討工作,常發生鋼構及鋼筋組立後無法施工,才回饋設計單位檢討修正圖說,如此往往會影響施工進度及品質。

(三)混凝土配比不當:

混凝土配比不當亦為SRC構造施工中重要之課題,但往往會被忽略,究其原因乃係契約規範或施工說明書並未訂定適用SRC之混凝土配比,仍沿用傳統RC構造物之配比施工,殊不知由於SRC構造之鋼骨與鋼筋間隙較小且柱內有橫隔板加勁板等阻礙混凝土流動性,與傳統RC構造施工不同,必須具較高流動性及適當稠度,同時限制粗骨材最大粒徑之大小(一般採用20mm,但較難灌注之梁柱接頭,有時須採用較小之粗骨材),一般而言為增加混凝土之工作度,其粗骨材用量得酌減10%以內,換言之即增加混凝土中水泥砂漿之用量,如此可增加混凝土之流動性及充填性,SRC構造常見之混凝土問題如下:

(1)沿用傳統RC構造之混凝土配比,混凝土坍度或流動性不足,造成現場混凝土澆置作業不易施工。

(2)混凝土澆置搗實不足,尤以在鋼梁翼板下方及梁柱接頭區易形成蜂窩現象。

(3)粗骨材最大粒徑未限制,易造成混凝土材料析離現象,於梁柱內形成空間孔隙。

(四)梁模板組立不易:

在SRC構造中,由於主筋須以鋼筋續接器接續施做,梁柱模板組立作業較傳統RC構造困難,尤以大梁模板組立,甚難於RC構造,主要是大梁側模橫向加勁繫材,無法穿越鋼梁,僅能從鋼梁頂底部穿越,但若模板側壓力過大時,則須於鋼構件製造加工階段,即須預先加焊繫件,若無預焊者,則於組模前現場鋼梁尚須加焊供模板束縛用之繫件,如此會增加較多之人力。除上述外,另若SRC構造之樓板配合採用鋼承鈑( Metal Deck)設計或作為樓板模板支撐時,雖可藉以提高施工效率、節省人力、增加高空作業安全等時,但大梁與樓板間之收邊端板組裝作業更不易,所需之技術層次需較高,相對亦需花費較多之組模人力及成本。

結論與建議編輯本段

1.建築物主體結構類型可多元化選擇的且須審慎考量,若擇定採SRC構造時,其設計與施工所涉之專業技術層次較傳統RC構造複雜,國內甚多的設計單位、監造單位、業主經辦人員及施工廠商仍不甚熟悉,建議主管機關儘速訂定專供SRC構造設計與施工之規範並多舉辦技術研討會,藉此讓從業人員有所遵循並將技術觀念深入各層面,以提昇國內之整體設計施工水準。

2.SRC構造梁柱配筋施工性不佳,為工地最困擾之課題之一,因此設計者於設計階段除考慮結構安全需求之強度、勁度與韌性外,並應確實檢討施工之可行性,尤以SRC構造中較複雜處(如:梁柱接頭、構材續接處)確實檢核鋼筋配置及混凝土施工之可行性,以避免設計不合理或難以施作的圖說;而施工廠商於施工前更應確實繪製鋼構施工詳圖及鋼筋施工大樣圖,若發現不合理或難以施作處應回饋給設計者修正圖說,以免影響耐震品質。

3.SRC構造之混凝土配比應經適當之配比設計,以確保混凝土具適當之充填性、工作度、強度,同時應具較高流動性及適當稠度,避免直接沿用以往傳統RC構造之混凝土配比施工,以維混凝土施工品質。

4.SRC構造之品質管理作業比RC構造作業更為複雜,首先要注重設計階段設計圖說之品質,因其設計品質之良窳與否,除影響工程費用外,亦對施工階段之施工性及耐震品質甚大。另外亦應嚴加落實施工中之查驗監造工作,方能獲致預期之結構耐震性能。

5.有關鋼骨之焊接品質控制工作為SRC構造中關鍵的工作要項,尤其是焊接箱型鋼柱及梁柱接頭之焊接品質控制更應落實非破壞檢測工作,為確保焊接品質,有關非破壞檢測工作可委託專業檢測機構辦理。■


參考文獻編輯本段


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2.沈進發…等,鋼骨鋼筋混凝土施工規範之解說編訂,內政部建築研究所籌備處,民國84年。


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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,民國85年6月,中華民國結構工程學會。


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11.最新建築技術則,大中國圖書公司,民國91年。

參考資料
[1].  鋼骨結構   http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1305100704269
[2].  參考資料   http://www.arch.net.tw/modern/month/293/293-2.htm

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