樓層鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)與施工問題探討

【摘要】一般業(yè)主常認(rèn)為，鋼骨的韌性
和強(qiáng)度比起鋼筋混凝土都要好，所以鋼結(jié)
構(gòu)就一定會比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來的有韌性，
耐震力也必然增強(qiáng)。殊不知若欲設(shè)計(jì)一耐
震的鋼結(jié)構(gòu)，除鋼材之外，尚必須針對結(jié)
構(gòu)系統(tǒng)、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(jù)本
研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，民間許多低樓層鋼結(jié)構(gòu)可
能未經(jīng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，甚至只是憑
粗淺的經(jīng)驗(yàn)就逕行搭建，這樣的鋼結(jié)構(gòu)是
否真的在耐震能力方面勝過鋼筋混凝土結(jié)
構(gòu)，在施工方面，樓層鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工
質(zhì)量常是一項(xiàng)令人憂心的問題。由于施工
人員對鋼結(jié)構(gòu)的認(rèn)知程度不足，有些即使
是經(jīng)過詳細(xì)設(shè)計(jì)的建筑物，也有可能因?yàn)?br /> 施工細(xì)節(jié)疏忽的問題而扭曲了原先整個結(jié)
構(gòu)耐震系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念，在本文稍后將有
進(jìn)一步的說明。
【關(guān)鍵詞】樓層鋼結(jié)構(gòu) ；建筑設(shè)計(jì) ；施
工問題 ；探討
一、引言
國內(nèi)在近兩年以來所新建的低樓層鋼
骨建筑，有很多因?yàn)樵O(shè)計(jì)不良或是施工不
當(dāng)，再加上缺乏有效的監(jiān)工，已經(jīng)使得這
些鋼結(jié)構(gòu)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(yè)角
度來看，很多只是憑著土師傅經(jīng)驗(yàn)便匆忙
上陣，因此也就遑論施工質(zhì)量保證。深究
這其中原委，鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)知識的普遍缺乏
是造成低樓層鋼骨建筑質(zhì)量低落的根本原
因。本研究的主要目的包含以下兩點(diǎn) ：
1. 從民間低樓層鋼結(jié)構(gòu)建筑調(diào)查中發(fā)
現(xiàn)的設(shè)計(jì)缺失，分析對整體結(jié)構(gòu)的影響，
評估其安全性。
2. 由施工與監(jiān)造之角度，探討國內(nèi)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(shè)計(jì)方面
在低樓層鋼骨建筑的設(shè)計(jì)方面，民間
業(yè)者常會出現(xiàn)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(xiàn)象，
因?yàn)楝F(xiàn)今許多業(yè)主都是因?yàn)楹ε碌卣鸩胚x
擇鋼結(jié)構(gòu)建筑。然而，選擇了鋼結(jié)構(gòu)建筑
卻不知鋼結(jié)構(gòu)若沒有經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可能
會比施工不良的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更為危險(xiǎn)。
鋼構(gòu)的設(shè)計(jì)存在以下幾項(xiàng)常見的問題 ：
2.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題 ：
這包括建筑配置違反耐震設(shè)計(jì)的基本
原則，如平面與立面配置不當(dāng)、勁度分配
不均，形成軟弱層或扭力效應(yīng)等。
2.2 梁柱接頭設(shè)計(jì)問題 ：
本研究發(fā)現(xiàn)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(shè)計(jì)時，此類型的鋼
結(jié)構(gòu)比起梁柱接頭為剛接的結(jié)構(gòu)，在受到
地震力作用時，鋼梁中心點(diǎn)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(jīng)濟(jì)。如
果梁柱接頭原本就以剛性接合設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)為剛接的梁柱接頭
行為近似鉸接。當(dāng)?shù)卣饋砼R時，可能因梁
與柱斷面之抗彎強(qiáng)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(shè)計(jì)，
但是因?yàn)槭┕げ划?dāng)，使得鋼結(jié)構(gòu)與原設(shè)計(jì)
之理念背道而馳，情況十分嚴(yán)重。
2.3 低樓層鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)分析
鋼骨構(gòu)架耐震設(shè)計(jì)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(xù)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(shè)計(jì)只用來抵抗剪力，對
于彎矩的傳遞十分的有限。本研究調(diào)查案
例中發(fā)現(xiàn)許多低樓層鋼結(jié)構(gòu)建筑，在工地
現(xiàn)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(shè)計(jì)
時，
此類型的鋼結(jié)構(gòu)比起梁柱接頭為剛接
的結(jié)構(gòu)，在受到地震力作用時，鋼梁中心
點(diǎn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)為剛接的梁柱接頭行
為近似鉸接。當(dāng)?shù)卣饋砼R時，可能因梁與
柱斷面之抗彎強(qiáng)度不足而破壞。結(jié)構(gòu)梁端
采用鉸接方式時之變位能符合規(guī)范之要求
外，其余 3 種鋼結(jié)構(gòu)在側(cè)向地震力作用下，
所產(chǎn)生之變位均遠(yuǎn)超過規(guī)范所要求之容許
層間相對側(cè)向位移角的規(guī)定。
三、施工問題探討
對于鋼結(jié)構(gòu)而言，其構(gòu)件必須經(jīng)由螺
栓及銲接等組裝才能成為完整的構(gòu)架，組
裝的施工質(zhì)量若不良，當(dāng)?shù)卣饋頃r將會比
混凝土結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生破壞。從調(diào)查案例
中可發(fā)現(xiàn)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(xù)板問題以及強(qiáng)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(jīng)常
需要開孔，若依開孔類型區(qū)分，可大致分
為下列兩種 ：
（1）接合設(shè)計(jì)所需之開孔
接合設(shè)計(jì)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(guī)定事先在工廠
內(nèi)施作完成等。
（2）管線施工所需之開孔
結(jié)構(gòu)施工時為配合水電工程的管線配
置或空調(diào)系統(tǒng)的管線配置，會于梁腹板處
開孔預(yù)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(bǔ)強(qiáng)的措施，補(bǔ)強(qiáng)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(dá)到補(bǔ)強(qiáng)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(diào)查中常見
的施工問題之一。民間中小型的鋼結(jié)構(gòu)施
工中，為了方便管線通過，許多業(yè)者會任
意在鋼梁上燒切開孔，完全無視于開孔對
結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之負(fù)面影響。柱子上預(yù)留柱與梁
之接頭原本應(yīng)在原有設(shè)計(jì)接合的剪力板上，
但是施工時業(yè)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(jié)構(gòu)常用的螺栓有美規(guī) A490 與
A325 兩種或是日規(guī) F10T 與 F8T 兩種。對
于螺栓之安裝，設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定必須以規(guī)
定的預(yù)拉力（Pretension）安裝，也就是螺
栓應(yīng)力達(dá)到螺栓最小抗張強(qiáng)度的 70% 時之
載重值。連接鋼骨構(gòu)材之柱梁接合若采用
螺栓接合一定要用高強(qiáng)度螺栓，利用其軸
力對接合面產(chǎn)生摩擦力的特性來傳遞結(jié)構(gòu)
應(yīng)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(dá)到設(shè)計(jì)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(yù)拉力值后自斷尾部。
四、結(jié)語
長久以來，由于許多建筑師、包商、
工地主任與監(jiān)工缺乏正確的鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)知
識，所以時常不知道問題出在何處，更遑
論確實(shí)監(jiān)造。基于本研究之調(diào)查與分析發(fā)
現(xiàn)，國內(nèi)部分低樓層鋼構(gòu)造建筑確實(shí)存在
許多設(shè)計(jì)、施工與監(jiān)造方面的問題與缺失。
為避免在下次大地震來臨時造成嚴(yán)重?fù)p害
與倒塌，期望政府與民間相關(guān)單位能以大
眾生命財(cái)產(chǎn)安全為優(yōu)先考量，盡速謀求改
善之道。
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