樓層鋼結構建筑設計與施工問題探討

【摘要】一般業主常認為，鋼骨的韌性
和強度比起鋼筋混凝土都要好，所以鋼結
構就一定會比鋼筋混凝土結構來的有韌性，
耐震力也必然增強。殊不知若欲設計一耐
震的鋼結構，除鋼材之外，尚必須針對結
構系統、接頭、銲接與施工等問題審慎考
量，否則難以完成一棟耐震建筑。根據本
研究調查發現，民間許多低樓層鋼結構可
能未經詳細結構分析與設計，甚至只是憑
粗淺的經驗就逕行搭建，這樣的鋼結構是
否真的在耐震能力方面勝過鋼筋混凝土結
構，在施工方面，樓層鋼結構建筑的施工
質量常是一項令人憂心的問題。由于施工
人員對鋼結構的認知程度不足，有些即使
是經過詳細設計的建筑物，也有可能因為
施工細節疏忽的問題而扭曲了原先整個結
構耐震系統的設計概念，在本文稍后將有
進一步的說明。
【關鍵詞】樓層鋼結構 ；建筑設計 ；施
工問題 ；探討
一、引言
國內在近兩年以來所新建的低樓層鋼
骨建筑，有很多因為設計不良或是施工不
當，再加上缺乏有效的監工，已經使得這
些鋼結構建筑變得不安全，也使得原先耐
震的理想變的遙不可及。另外，從專業角
度來看，很多只是憑著土師傅經驗便匆忙
上陣，因此也就遑論施工質量保證。深究
這其中原委，鋼結構專業知識的普遍缺乏
是造成低樓層鋼骨建筑質量低落的根本原
因。本研究的主要目的包含以下兩點 ：
1. 從民間低樓層鋼結構建筑調查中發
現的設計缺失，分析對整體結構的影響，
評估其安全性。
2. 由施工與監造之角度，探討國內低
樓層鋼骨建筑存在的一些問題，并提出可
能的建議。
二、建筑的設計方面
在低樓層鋼骨建筑的設計方面，民間
業者常會出現的問題之一就是缺乏在耐震
方面的正確考量。這是一個矛盾的現象，
因為現今許多業主都是因為害怕地震才選
擇鋼結構建筑。然而，選擇了鋼結構建筑
卻不知鋼結構若沒有經過適當的設計可能
會比施工不良的鋼筋混凝土結構更為危險。
鋼構的設計存在以下幾項常見的問題 ：
2.1 結構系統設計問題 ：
這包括建筑配置違反耐震設計的基本
原則，如平面與立面配置不當、勁度分配
不均，形成軟弱層或扭力效應等。
2.2 梁柱接頭設計問題 ：
本研究發現許多案例的梁柱接頭僅以
梁腹板鎖螺栓的鉸接方式來施工。如果梁
柱接頭原本就以鉸接設計時，此類型的鋼
結構比起梁柱接頭為剛接的結構，在受到
地震力作用時，鋼梁中心點與柱之底部所
受到的彎矩將會增加很多，因此梁或是柱
所需的斷面也須增大，亦即較不經濟。如
果梁柱接頭原本就以剛性接合設計時，由
于偷工而省略梁端翼板與柱的全滲透開槽
銲的施工，將使原設計為剛接的梁柱接頭
行為近似鉸接。當地震來臨時，可能因梁
與柱斷面之抗彎強度不足而破壞。許多案
例顯示原本梁柱接頭采用剛接方式設計，
但是因為施工不當，使得鋼結構與原設計
之理念背道而馳，情況十分嚴重。
2.3 低樓層鋼結構建筑設計分析
鋼骨構架耐震設計時，常用的梁柱接
合方式為梁柱抗彎接頭（剛接接頭），其施
工方式是將梁上、下翼鈑與柱之接合采用
全滲透開槽銲接方式，并且在鋼柱腹板加
上連續板傳遞梁翼板的彎矩，使柱與梁之
間形成一固定接頭，得以傳遞彎矩和剪力。
另一種接合為簡支接合（鉸接接頭）的方式，
常用于小梁與大梁之接合，采用梁腹板加
剪力板鎖螺栓之方式，大梁與小梁的翼板
并不接觸。簡支設計只用來抵抗剪力，對
于彎矩的傳遞十分的有限。本研究調查案
例中發現許多低樓層鋼結構建筑，在工地
現場其梁柱接頭僅采用梁腹板鎖螺栓的鉸
接方式來施工。如果梁柱接頭以鉸接設計
時，
此類型的鋼結構比起梁柱接頭為剛接
的結構，在受到地震力作用時，鋼梁中心
點與柱之底部所受到的彎矩將會增加很多，
因此梁或是柱所需的斷面也須增大。如果
梁柱接頭原本就以剛性接合設計時，由于
偷工而省略梁端翼板與柱的全滲透開槽銲
的施工，將使原設計為剛接的梁柱接頭行
為近似鉸接。當地震來臨時，可能因梁與
柱斷面之抗彎強度不足而破壞。結構梁端
采用鉸接方式時之變位能符合規范之要求
外，其余 3 種鋼結構在側向地震力作用下，
所產生之變位均遠超過規范所要求之容許
層間相對側向位移角的規定。
三、施工問題探討
對于鋼結構而言，其構件必須經由螺
栓及銲接等組裝才能成為完整的構架，組
裝的施工質量若不良，當地震來時將會比
混凝土結構更容易發生破壞。從調查案例
中可發現種種不同的施工問題，例如鋼梁
開孔問題、梁柱接頭處之梁端銲接問題、
扇形開孔問題、連續板問題以及強柱弱梁
問題與柱基腳施工不良等問題。
3.1 梁端腹板開孔問題
鋼梁常為了安裝、接合、或配管經常
需要開孔，若依開孔類型區分，可大致分
為下列兩種 ：
（1）接合設計所需之開孔
接合設計所需的開孔一般屬于螺栓孔，
其孔徑較小，此類的施工問題多屬于開孔
之間的間距太小或開孔與鋼板邊緣之距離
過于接近，或螺栓孔未依規定事先在工廠
內施作完成等。
（2）管線施工所需之開孔
結構施工時為配合水電工程的管線配
置或空調系統的管線配置，會于梁腹板處
開孔預留管線，一旦腹板面積減少，梁抵
抗剪力或彎矩的能力也隨之降低，其中又
以抗剪力的能力降低最多。因此，開孔后
必須做一些補強的措施，補強的方式包含
以下兩種 ：一種是在開孔的周圍加上加勁
條，另一種則是增加開孔周圍的腹板厚度，
此兩種方式都可達到補強腹板開孔的功能。
（3）梁柱接頭處之配管與開孔問題
管線配置的問題是本研究調查中常見
的施工問題之一。民間中小型的鋼結構施
工中，為了方便管線通過，許多業者會任
意在鋼梁上燒切開孔，完全無視于開孔對
結構強度之負面影響。柱子上預留柱與梁
之接頭原本應在原有設計接合的剪力板上，
但是施工時業者將原有的梁往柱子后方移
動組裝，而前面的部位則留給管線使用。
（4）梁柱接頭處螺栓配置問題
一般鋼結構常用的螺栓有美規 A490 與
A325 兩種或是日規 F10T 與 F8T 兩種。對
于螺栓之安裝，設計規范中規定必須以規
定的預拉力（Pretension）安裝，也就是螺
栓應力達到螺栓最小抗張強度的 70% 時之
載重值。連接鋼骨構材之柱梁接合若采用
螺栓接合一定要用高強度螺栓，利用其軸
力對接合面產生摩擦力的特性來傳遞結構
應力。螺栓之造型有六角頭型與圓頭型，
其中圓頭型之螺栓尾端均有一施工時須在
達到設計軸力扭斷之尾部。目前于工地多
采用斷尾式螺栓，采用的螺栓就是斷尾螺
栓，于螺栓鎖固至預拉力值后自斷尾部。
四、結語
長久以來，由于許多建筑師、包商、
工地主任與監工缺乏正確的鋼結構專業知
識，所以時常不知道問題出在何處，更遑
論確實監造。基于本研究之調查與分析發
現，國內部分低樓層鋼構造建筑確實存在
許多設計、施工與監造方面的問題與缺失。
為避免在下次大地震來臨時造成嚴重損害
與倒塌，期望政府與民間相關單位能以大
眾生命財產安全為優先考量，盡速謀求改
善之道。
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