中華民國內政部建築研究所中華民國內政部建築研究所

一、研究緣起
目前我國部頒版「混凝土結構設計規範」[1]內容主要是參考美國混凝土學會ACI 318-05規範[2]，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15年來ACI 318規範經過共4次修訂[3-6]，內容及架構已大幅變革，其中最大的變革是ACI 318-19規範[6]放寬耐震梁柱構架及剪力牆主要鋼筋可使用高強度550 MPa和690 MPa等級鋼筋。結構使用高強度鋼筋可以降低鋼筋用量，較經濟且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。我國國家標準CNS 560[7]鋼筋規格2018年新增550 MPa和690 MPa等級鋼筋，國內亦有鋼廠能生產，各界期盼我國混凝土結構規範跟進ACI 318-19規範[6]允許耐震結構使用高強度鋼筋。
為期使我國規範能與時俱進，內政部建研所陸續於105及106年辦理「混凝土結構技術規範之修正研擬」[8]和「建築工程鋼筋機械式續接性能基準及驗證研究」[9]計畫，完成「新版混凝土結構設計規範草案」，惟草案內容係以ACI 318-14規範[5]為藍本，中國土木水利工程學會混凝土委員會於審議期間參考ACI 318-19規範[6]更新部分內容，規範修正版允許耐震結構系統縱向鋼筋使用550 MPa等級，橫向鋼筋最高可達690 MPa等級。國人房屋住宅多數為鋼筋混凝土造，近年來都會區建築物有趨向高樓化，需要使用較大號徑或較高強度鋼筋，因此鋼筋使用機械式續接較美國更為普遍。因應修正版擬允許使用550和690 MPa等級鋼筋，本研究建議修正鋼筋機械式續皆部分試驗程序和合格標準，經實驗證明修正版後可適用於所有等級鋼筋，可望納入「新版混凝土結構設計規範」第26.6.5節，讓業界有所依循。
二、研究方法及過程
本研究內容包含資料蒐集、鋼筋機械續接組件測試、構件耐震試驗數值分析、專家座談意見蒐集以及規範增修條文之研擬。研究步驟如下：
蒐集調查美國、日本和歐盟鋼筋機械續接之規範和論文報告作為參考資料。
測試日本及台灣工廠製造的高強度鋼筋續接組件，試驗參數為鋼筋等級、號徑、續接器樣式和試驗程序等。
以數值模型模擬構材抵抗地震力時鋼筋可能降伏處使用機械式續接之耐震需求，比對實驗數據檢討續接器單體試驗程序。
彙整測試結果，比對國內外既有試驗資料和日本New RC經驗，就混凝土設計規範修正案架構下，研擬高強度鋼筋機械式續接性能合格標準和適用時機，包含預鑄構造之特別規定。
三、重要發現
比對美日歐等國之鋼筋機械續接規範，109年度審議中的〔混凝土結構設計規範修正版〕第26.6.5節雖已規定鋼筋機械式續接之檢驗頻率及合格標準，包含性能判別、施工檢查、取樣頻率、試驗程序及合格標準，可以讓業界有所依循，惟其中表26.6.5.2的高塑性反復負載試驗程序，先在彈性域(0.95P_y↔ -0.5P_y)間重複16回，再拉伸至6 倍δ_y後再反向加壓至-0.50Py重複8回，接著續再拉伸至12 倍δ_y再重複8回，累計32回，最後再拉伸至破壞。上述彈性域重覆負載考慮的是較常遭遇的小震，結構物維持在彈性階段，6 倍δ_y約略是考慮在中震時構材已經產生塑性鉸，該位置鋼筋可能需要的塑性伸長率，最後12 倍δ_y則約莫在最大考量地震時構材塑性鉸需要的塑性伸長率。
對於550 MPa或更高強度等級鋼筋續接，6倍δ_y及12倍δ_y各8回有過於嚴苛之情形，需要檢討調整[9]。根據本研究檢討梁塑性鉸彎矩曲率分析結果顯示，當鋼筋強度等級提高至550 MPa等級時，高塑性反復負載試驗程序約莫調降為5倍δ_y及10倍δ_y各8 回，鋼筋強度等級690 MPa時，高塑性反復負載試驗約為4倍δ_y及8倍δ_y各8回。但需要更多的測試驗證，特別是針對台灣製造的產品。
本研究按CNS 15560試驗法及自訂的試驗程序，執行100餘組高塑性反復負載試驗，測試涵蓋場鑄和預組、預鑄工法可能使用的續接器樣式，包含擴頭滾牙續接器、摩擦銲接續接器、砂漿填充式螺紋節鋼筋續接器、砂漿充填式續接套管等。藉由續接組件試驗檢討高塑性反復負載試驗程序及其允收標準，根據試驗數據，建議如后。
四、主要建議事項
本研究進行高強度鋼筋機械式續接性能合格標準及驗證研究，提出下列具體建議。
於〔混凝土結構設計規範修正版〕第18章及26章修正鋼筋續接器試驗程序及性能合格要求：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〔混凝土結構設計規範修正版〕第18.2.7節及26.6.5節僅將機械式續接分為第一類和第二類，鋼筋機械式續接試驗合格標準如表26.6.5.2所列，適用f_y不超過5,000 kgf/cm2 [490 MPa]之鋼筋，且高強度鋼筋第二類續接使用位置受限。
首先，本研究建議放寬上述f_y適用範圍至7,000 kgf/cm2 [690 MPa]，配套修正機械式續接試驗程序和表26.6.5.2之合格標準，新增第三類(SA級)機械式續接要求為韌性接合，可用於地震時鋼筋可能降伏並承受多次反復非彈性應變之位置。
其次，修正表26.6.5.2高塑性反復負載試驗加載程序，迴圈數維持不變，但塑性倍率建議為n倍δ_y及2n倍δ_y各8回，對於fy≤4,200 kgf/cm2 [420 MPa]之鋼筋，塑性倍率n=6；fy=5,600 kgf/cm2 [550 MPa]之鋼筋，塑性倍率n=5；fy=7,000 kgf/cm2 [690 MPa]之鋼筋，塑性倍率n=4。
此外，因應鋼筋趨向於大號徑和長套管續接，續接組件試樣可能會有同軸度不佳的情況，高塑性反復負載試驗時第1回會有矯直行為導致殘餘滑動量異常超標現象，然此現象與機械式續接最終之韌性表現無顯著關連，為簡化試驗收件和避免不必要之重驗程序，經蒐集各方意見和檢討數據，最後本研究建議高塑性反復負載試驗彈性域16回殘餘滑動量評估法，調整為第16回對第1回之差異滑動量(相對滑動量)，以免因試驗續接組件同軸度不佳導致拒收或誤判續接性能等級。
舉辦鋼筋機械續接施工品管檢驗相關研究課題之成果發表會：立即可行建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：國立雲林科技大學
近年來鋼筋機械式續接技術大有進步，因應高強度鋼筋需求及預組預鑄工法也有各種等級樣式之續接器可供選擇，本研究已於109年11月13日於內政部建築研究所15樓舉辦成果說明會。本次說明會將介紹我國混凝土設計規範之變革，著重於開放高強度鋼筋之使用所帶來之改變，本案藉由進行多組高強度鋼筋機械式續接器觀察試驗數據後，訂定新版高強度鋼筋機械式續接合格標準，並針對其設計、施工、檢驗進行說明，且一併對於鋼筋續接擴頭錨定之相關進行解說，期望各界設計及施工單位對於新版混凝土結構規範中高強度鋼筋機械式續接器及鋼筋續接擴頭錨定各項細節充分瞭解。
修正工程會施工綱要規範03210章鋼筋第2.2節機械式續接：立即可行建議
主辦機關：公共工程委員會
協辦機關：台灣營建營建院
工程會施工綱要規範03210章最新版V5.0[10]雖然已經跟CNS 15560試驗法相符，但主要的高塑性反復載重之試驗程序和允收標準，仍是依據20年前的土木401-86附錄乙規範[11]，亟待更新比照我國新版混凝土設計規範修正版第26.6.5節。