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
國內鋼筋混凝土(RC)造建築樓地板面積約佔總樓地板面積的70%。現行「混凝土結構設計規範」[1]採用「强柱弱梁」的觀念，希望塑性鉸出現在梁端，不要出現在柱端部，可以發揮很好的消能作用，增强韌性且結構不至於發生坍塌。也就是說梁先於柱破壞，因为梁破壞屬於構材的破壞，是局部性的，柱破壞則將危及整個结構的安全，可能發生整體倒塌，後果嚴重。
塑性鉸是指靜不定結構中的非鉸接節點所受的彎矩在彈性範圍內增加時，其轉動變形量會隨之成線性比例增加；當彎矩超過降伏彎矩後，進入塑性行為，其轉動變形仍隨彎矩增大而加大，但不是線性增加；當彎矩到達塑性彎矩後，但在斷面未達斷裂轉動量時，彎矩仍維持塑性彎矩，轉動變形會隨著構材的變形繼續增加，行為就像鉸接一樣(但仍承受塑性彎矩)，所以稱為塑性鉸。構材材料的延展性越好，在到達塑性彎矩之後，斷裂之前可容許的轉動量越大，在此期間可吸收塑性彎矩乘以轉動角的能量就越多，也就是發揮的韌性程度越大。
鋼筋混凝土梁斷面之橫向鋼筋，其主要作用為提供剪力強度、改善鋼筋與混凝土之間的握裹力、圍束主筋搭接區、避免主筋受壓挫屈及圍束核心混凝土。現行「混凝土結構設計規範」[1]第15.4.3.3節規定，RC梁於塑性鉸區域，主筋需與RC柱相同，在各角隅處之主鋼筋及每隔一根主鋼筋，均須以閉合箍筋之轉角或繫筋之彎鉤作橫向支撐，惟國內鋼筋混凝土工程施工實務，RC梁主筋配置較為密集，致使難以施工。此外，國內建築普遍存在RC梁與RC柱偏心接合的情況，偏心接合RC梁之韌性尚未獲得實驗驗證，參見圖1-1。
本研究針對前述兩種國內工程實務問題，規劃2組8座大型鋼筋混凝土梁試體，並於本所材料實驗中心進行實驗驗證。預期成果包括：(1)彙整國內外相關規範規定，並蒐集探討繫筋配置對於鋼筋混凝土梁耐震性能影響，及RC梁與RC柱偏心接合之研究文獻；(2)規劃大型鋼筋混凝土梁試體，並於本所材料實驗中心進行實驗驗證；(3)研究結果可提供國內業界參考應用。
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、RC梁試體之規劃及設計、RC梁試體之製作、試驗及試驗結果之整理及分析、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。經由本案之研究，希望可將國內結構工程整體水準向上提升，使RC梁之規劃及設計更有依循的參考，以確實達到提高結構物耐震能力之預期目標，並使工程設計單位能充分瞭解正確的繫筋之設計及施工。本研究已完成相關文獻之回顧與蒐集與RC梁試體之規劃及設計，並於110年4月26日及5月5日辦理第1次及第2次RC梁試體之採購開標作業，於5月5日完成決標預計於70日曆天內完成，已於6月19日完成混凝土澆置，並於7月22日完成驗收作業，後續配合大型力學實驗室規劃使用空間及排程，於11月24日完成RC梁試體之撓曲試驗，並完成試驗結果之整理與分析。
三、重要發現
(1)現行「混凝土結構設計規範」第15.4.3.3節規定，RC梁於塑性鉸區域，在各角隅處之主鋼筋及每隔1根主鋼筋，均須以閉合箍筋之轉角或繫筋之彎鉤作橫向支撐，惟國內鋼筋混凝土工程施工實務，RC梁主筋配置較為密集，致使難以施工。本研究針對此課題，規劃S6D、S4D、S6D-SHB及S6D-SHT等4座梁試體，其中S6D試體橫向鋼筋間距為6倍最小縱向梁筋直徑(D25)，且中間主筋不配置繫筋；S4D試體橫向鋼筋間距為4倍最小縱向梁筋直徑(D25)，且中間主筋不配置繫筋；S6D-SHB試體橫向鋼筋間距為6倍最小縱向梁筋直徑(D25)，中間主筋配置繫筋其耐震彎鉤勾住下方主筋，且其橫向鋼筋總圍束力與S6D及S4D試體相同；S6D-SHT試體橫向鋼筋間距為6倍最小縱向梁筋直徑(D25)，中間主筋配置繫筋其耐震彎鉤勾住上方主筋，且其橫向鋼筋總圍束力與S6D及S4D試體相同。研究結果發現，S4D試體自負向層間變位角4.5%時，強度有明顯衰減的情形，S6D試體自負向層間變位角4.0%時，強度有明顯衰減的情形，推測應與S4D試體橫向鋼筋間距為100 mm，S6D試體橫向鋼筋間距為150 mm有關。另S6D-SHT及S6D-SHB試體之負向撓曲韌性較S6D試體為佳。
(2)國內建築普遍存在RC梁與RC柱偏心接合的情況，偏心接合RC梁之韌性尚未獲得實驗驗證。本研究針對此類國內工程實務問題，規劃4座大型鋼筋混凝土梁試體，並於本所材料實驗中心進行實驗驗證。研究結果發現，RH/SU試體、SH/SLB試體，以及RH試體等3座試體之撓曲韌性，皆能達到規範耐震要求。負向韌性表現，以RH/SU試體(主筋偏移且箍筋為縮小尺寸，側面配置U型肋筋並以2支輔助筋固定)為最優，RH試體(主筋偏移且箍筋為縮小尺寸)次之，R試體(主筋不偏移，箍筋為正常尺寸)再次之，SH/SLB試體(主筋偏移且箍筋為正常尺寸，箍筋增加2支輔助筋固定)為最差，推測原因為SH/SLB試體2支下層主筋，僅有1支為箍筋角落束制之故。
 (3)觀察本研究8試體側向載重位移包絡線圖，所有8個試體共通的現象，雖然採用側向位移歷時圖，正向與負向為對稱。但側向載重位移包絡線圖，並非對稱，其原因在於梁試體上、下層主筋並非上、下層對稱配置。因上層配置較多的主筋，故負向側向強度較高，但撓曲韌性則較差。
(4)所有8個試體正向包絡線強度無明顯衰減的情形，負向層間變位角強度則有明顯衰減的情形，此外Pinching(收縮)效應明顯，且極限側向位移角均可達到4.0%以上，耐震性能良好。
四、主要建議事項
以下為立即可行的建議。
本研究案之研究成果，可供工程實務界參考應用，並可提供相關規範研修訂時之參考，以解決國內工程實務問題。－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
現行「混凝土結構設計規範」第15.4.3.3節規定，RC梁於塑性鉸區域，在各角隅處之主鋼筋及每隔一根主鋼筋，均須以閉合箍筋之轉角或繫筋之彎鉤作橫向支撐，惟國內鋼筋混凝土工程施工實務，RC梁主筋配置較為密集，致使難以施工。此外，國內建築普遍存在RC梁與RC柱偏心接合的情況，偏心接合RC梁之韌性尚未獲得實驗驗證。
本研究針對前述兩種國內工程實務問題，規劃2組8座大型鋼筋混凝土梁試體，並於本所材料實驗中心進行實驗驗證。探討繫筋配置對於鋼筋混凝土梁，及RC梁與RC柱偏心接合耐震性能之影響。研究結果發現，負向韌性表現以S6D-SHB試體(中間主筋配置繫筋其耐震彎鉤勾住下方主筋)為最優，S6D-SHT試體(中間主筋配置繫筋其耐震彎鉤勾住上方主筋)次之，S6D試體(中間主筋不配置繫筋)為最差，推測原因為S6D-SHB試體中間主筋配置繫筋，其耐震彎鈎勾住下方主筋束制之故。另RH/SU試體(主筋偏移且箍筋為縮小尺寸，側面配置U型肋筋並以2支輔助筋固定)為最優，RH試體(主筋偏移且箍筋為縮小尺寸)次之，R試體(主筋不偏移，箍筋為正常尺寸)再次之，SH/SLB試體(主筋偏移且箍筋為正常尺寸，箍筋增加2支輔助筋固定)為最差。研究結果可提供國內業界參考，並可提供相關規範研修訂時之參考，以解決國內工程實務問題。