1 前 言
钢骨钢筋混凝土构造（Steel Reinforced Concrete, SRC）由于结合了钢骨与RC两种构造，使得它兼具这两种构造的特色，一个经由适当设计的SRC构造将可有效的发挥钢骨与RC的优点。图一与图二分别显示几种包覆型SRC梁与SRC柱断面的配置情况，图三则显示三种钢管混凝土柱(Concrete-Filled Tubular Column) 的断面型式。
图一 包覆型SRC梁断面及配筋示意图
图二 包覆型SRC柱断面示意图
图三 钢管混凝土柱断面示意图
一般而言，SRC构造可以有效发挥混凝土抗压强度之优点，很适合用于高楼建筑中低楼层柱。相对于纯钢骨构造而言，由于SRC构造之劲度较大，有助于减少建筑物之侧向位移。此外，对包覆型SRC构造而言，混凝土之包覆有助于避免钢骨断面发生局部屈曲之现象，并可作为钢骨之防火被覆。对钢管混凝土柱而言，充填的混凝土可在不增加构材断面积的情况下有效提高构材之抗压强度，并可延缓钢管之局部屈曲；而钢管也可作为浇置混凝土时的模板并可提供混凝土之围束效应。
近年来，由于建筑功能与结构力学方面之双重需求，台湾高楼建筑采用SRC构造的情况有逐渐增加之趋势。不过，因为目前台湾营建署所颁布的「建筑技术规则」中尚未订定有关SRC构造之设计规范，使得从事SRC设计之工程师及相关之审查单位常有无所依循之感。因此，尽速研拟一套适合台湾使用的SRC设计规范以确保SRC构造之质量与安全性，实为当前重要之课题。基于此一需求，建筑研究所乃以项目研究计划之方式，委托结构工程学会进行有关SRC设计规范条文与解说之研究，并于一九九七年六月完成研拟SRC构造设计规范之条文与解说之草案。
目前台湾所采用的钢结构与RC结构设计规范主要系参考美国AISC、ACI及UBC设计规范，因此有关SRC规范的研拟亦朝结合上述规范的方向进行，其主要目的在于使台湾的Steel、RC及SRC三种设计规范能够具有一贯性。此外，由于日本在SRC设计方面研究成果颇丰，因此台湾在SRC规范的发展亦适度的参考日本的经验。再者，本规范亦具有兼顾工程教育背景之考虑，因此规范的写法系以台湾工程师所熟悉的型式出现以便于使用。
2 美、日主要相关设计规范之比较
目前美国与日本主要的SRC构造相关设计规范中，其设计观念可以概分为以下三大类：
（1）第一类为引用「钢结构」设计公式，将SRC构造中RC所提供的强度与劲度转换为相当的钢骨来进行设计，例如美国AISC-LRFD钢结构设计规范(1993)与NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program) 合 成构造设计规定(1997)。
（2）第二类为使用「RC构造」的设计方法，将SRC构造中的钢骨视为增加构材强度与劲度的普通钢筋来进行设计，如美国ACI结构混凝土设计规范(1999)。
（3）第三类为采用「强度迭加法」，此法系先将钢骨及RC之强度个别分开计算，然后予以迭加以求得SRC构材之强度，如日本建筑学会(Architecture Institute of Japan, AIJ) 的SRC设计规范(1987)。
在上述的设计规范中，目前以日本AIJ-SRC设计规范及美国NEHRP合成构造设计规定较为完整。在SRC构造设计方法上，AIJ-SRC设计规范系采用工作应力设计法 (WSD) 再辅以极限层剪力之检核；而NEHRP合成构造设计规定则采用极限强度设计法 （USD）。目前美国ACI规范及AISC-LRFD规范中有关合成构造之设计规定均仅包含构材之设计，较不如AIJ-SRC及NEHRP之规定完整。日本AIJ-SRC规范之主要优点在于具有较多的经验及研究成果，且该规范对SRC构造细则之规定较为明确。
3 台湾SRC设计规范之研拟
3.1 设计逻辑与设计方法
由于SRC构造同时涉及Steel与RC两种构造之设计，基于设计逻辑一致之观点，SRC构造中之Steel与RC应以采用同一种设计方法为宜。因此，本研究乃在设计逻辑一致的基本原则下 (与台湾现行的钢构造、RC构造、设计地震力等规范相互配合) 致力研拟一套合理的SRC设计规范与解说。
在设计方法的选择上，根据第一阶段之问卷调查结果显示，多数的设计者希望未来SRC规范能够同时包含ASD（Allowable Stress Design）与USD（Ultimate Strength Design）两种设计方法。此一状况类似于目前钢结构设计规范同时存在ASD与LRFD (Load and Resistance Factor Design) 两种设计规范的情形。但是，问卷调查之结果亦显示，如果只选用一种设计方法时，则工程师们又以选择极限强度设计法 (USD) 占多数。此一情况显示，极限强度设计法逐渐成为结构设计方法之主流，此亦为世界各先进国家结构设计规范之共同趋势。
在载重系数方面，由于目前台湾尚未有较为深入的调查研究，因此本研究建议SRC规范中暂时采用美国ANSI (American National Standards Institute) 在1994年最新发布的载重组合方式。将来台湾若有深入的本土调查研究资料，将可再作适当之修正。
3.2 构材强度计算
为了探讨SRC 构材强度之计算方法，本研究小组经过反复讨论后，认为日本AIJ-SRC规范中所采用的强度迭加观念颇有参考价值，因此乃提出一称为「直接强度迭加法」之SRC构材强度计算法。该法系先将SRC 构材中之钢骨部份与RC部份，分别依照台湾工程师习用的AISC 钢结构设计规范及ACI 混凝土设计规范求得钢骨与RC 之个别强度，然后再予迭加以求得SRC构材之强度。此一方式将使台湾的SRC 设计规范较能适切的配合营建署已颁行的钢构造 (Steel) 与混凝土构造 (RC) 设计规范，使Steel、RC 与SRC 三者结合为一体。
另一方面，由于目前台湾「建筑技术规则」有关混凝土构造之规定中亦提供了一个可以用来计算合成受压构材强度之方法 (第426条，依ACI规范订定)。该法系将合成构材中之钢骨视为等量之钢筋，并假设完全合成作用之情况来计算构材之强度。由于台湾大多数工程师对ACI 规范十分熟悉，因此本研究仍将该计算方式予以纳入，以提供设计者另一个选择。
SRC 梁之抗弯强度
符合本规范设计细则规定之包覆型SRC 梁，其设计抗弯强度φbMn0 应不小于由因子化载重组合所计得之最大需求抗弯强度Mu。设计抗弯强度φbMn0为钢骨部份与钢筋混凝土部份抗弯强度之和，即：
φbMn0＝(φb)s (Mn0)s＋(φb)rc (Mn0)rc
其中：φb＝(φb)s＝(φb)rc＝强度折减系数＝0.9；(Mn0)s＝钢骨部分之标称抗弯强度，(Mn0)s＝ZFys，Z为钢骨之塑性断面模数，Fys为钢骨之标称降伏应力；(Mn0)rc＝钢筋混凝土部分之标称抗弯强度。
SRC柱之抗压强度
符合本规范设计细则规定之SRC柱，其设计抗压强度φcPn0 应不小于由因子化载重组合所计得之最大需求抗压强度Pu。设计抗压强度φcPn0 为钢骨部份与钢筋混凝土部份抗压强度之和，即：
φcPn0＝(φc)s(Pn0)s＋(φc)rc(Pn0)rc
其中：(φc)s＝钢骨部份之强度折减系数；(φc)rc＝钢筋混凝土部份之强度折减系数； (Pn0)s＝钢骨部份之标称抗压强度；(Pn0)rc＝钢筋混凝土部份之标称抗压强度。
上述方法与日本AIJ-SRC规范所采用的简单迭加法在概念上相近，但仍有几项重要差异﹕
（1）本规范采用极限强度设计法（USD）。而日本AIJ-SRC规范则采用容许应力设计法（ASD）再辅以极限层剪力之检核。
（2）由于教育背景之因素，台湾大多数的工程师对于钢结构与RC的设计仍以美国AISC的钢结构设计规范与ACI的RC设计规范作为主要的参考依据。因此，在强度计算方面，本规范系将SRC构材中的钢骨与RC分别依照AISC及ACI设计规范求得强度后再予迭加。而AIJ系将SRC构材中之钢骨与RC分别依照日本的钢结构与RC设计规范求得强度后再予迭加，其内容与台湾之规 范有明显的差异。
3.3 SRC梁柱及接头之构造细则
有鉴于SRC 构造质量的提升必须仰赖于合理的构造细则（特别是RC配筋与梁柱接合方面），本研究乃致力明确规范SRC构造中相关之配筋及接合细则，以避免不合理的钢筋配置或接合设计损害SRC构造之安全性。此外，在决定SRC构造中钢骨与钢筋之关系位置时，应于构造中较复杂之处 (构材续接处、梁柱接头等) 检核钢筋配置及混凝土施工之可行性。
钢骨之宽厚比
在钢骨断面之宽厚比限制方面，基于考虑SRC断面中钢骨受混凝土包覆之影响，其局部挫屈行为应有别于纯钢骨断面之情形，本研究乃参考AIJ-SRC规范(1987)之作法，将SRC断面中之钢骨肢材宽厚比限制酌予放宽。惟设计者宜注意，此种放宽之规定系基于SRC断面必须符合本规范有关配筋及混凝土保护层等要求条件下才能成立。
钢筋之配置
有关SRC 构造之配筋，应考虑下列各项因素：(a) 力学上之特性；(b) 混凝土之填充性；(c) 钢骨及钢筋之接合及配筋之顺序；(d) 结构体之耐久性及耐火性；(e) 梁与柱接头处主筋之连续性与施工可行性。
检讨钢骨和钢筋之配置时，须考虑混凝土之填充性与钢筋之握裹性，通常主筋和轴方向钢骨板面之净间距应为25 mm以上且为粗骨材最大粒径之1.25倍。若间距太小则无法发挥钢筋之握裹力，但主筋和钢骨面直交接触时则可不受此限。图四显示一组SRC梁柱接头处钢骨与钢筋间距之示意图。
(s：25mm以上或粗骨材最大粒径之1.25倍以上)
图四 钢骨与钢筋之间距示意图
另一方面，对于未连续通过SRC 梁柱接头之主筋应视其为「补助筋」且不计其对强度之贡献。这主要是为了避免主筋因受梁柱接头处之钢骨阻挡而导致施工者任意将主筋在梁柱接头处切断或弯折，在设计与施工时均应特别注意避免发生此种状况。基本上，设计者应避免在SRC梁或柱中配置太密的主筋，以免造成此种不合理的现象。
SRC 构材之箍筋配置能提供混凝土适当之围束，以利构材在可能发生塑性变形之区域内能发挥适当之塑性变形能力。此外，SRC 构材中之箍筋不得与钢骨面密贴，其净间距应保持为2.5cm以上。对于包覆型柱之围束箍筋量之规定，基于考虑SRC柱中之钢骨对混凝土围束效应之贡献，本研究建议将SRC柱之围束箍筋用量酌予放宽。其放宽之结果将比ACI规范对RC柱之要求略松，但仍比AIJ-SRC规范之要求略为严格，此放宽规定亦有助于减低SRC 构造施工之困难度。
混凝土之施工
SRC工程之混凝土浇置应特别注意混凝土之填充性，尤其是在钢梁翼板下方及在梁柱接头处之柱内连续板下方处。施工时应能使混凝土与钢骨充分结合，并应避免发生骨材析离之现象。
另一方面，SRC构材之钢骨表面至混凝土表面之厚度，一般须为10cm以上，以使混凝土中之钢筋有足够之握裹效力与保护层。若以SRC 结构常用之钢筋尺寸，主筋为D25、箍筋为D13为例，考虑钢筋之最外径尺寸，且梁柱接头处之梁主筋贯穿孔位置为距钢骨翼板上端面净距为15mm处时，钢骨混凝土之保护层厚度须为12.5cm以上。
SRC 之梁柱接头
图五与图六显示两种不同的SRC梁柱接合方式，此二图之主要差异在于钢梁与钢柱的接合方式。图五采用「现场焊接梁柱接合方式」，而图六则采用「托梁螺栓接合方式」。这两种方式各有其优缺点，前者类似于美国式的钢骨梁柱接头，后者为日本常用之SRC施工方式。后者之主要特点是不需要在工地现场进行焊接，可以有效避免工地焊接所可能引起的质量不稳定问题。
图五 SRC 梁柱接头示意图(钢骨梁柱接合在工地现场焊接)
图六 SRC 梁柱接头示意图(钢梁在工地以螺栓续接)
图七显示一组SRC梁柱接头之细部配置图。由于梁柱接头是决定构架形式重要部位之一，因此接头处之钢骨、主筋、箍筋均须合理的配置，并使混凝土具有良好的填充性，才能使梁的应力很平顺传递至柱上。梁柱接头处钢骨之设计须考虑到焊接之施工性及钢筋贯穿孔位置及大小等因素。设计时并应对直交方向主筋之方向、上下相关位置加以充分检讨以决定梁主筋之位置。此外，为了使梁柱接头处所浇置之混凝土不致产生蜂窝 (尤其是在角落之处)，在柱内连续板开孔以利混凝土填充密实确有其必要性。惟设计时应注意开孔之面积不宜过大，开孔后之连续板应仍具有足够之强度以传递由钢梁翼板传来之拉力与压力。
图七 包覆型 SRC 梁柱接头之接合细部示意图
SRC梁柱接头处因有钢骨存在，故其箍筋之配置将比纯RC构造复杂。一种可行的方法之一是采用四支L形箍筋组合而成的配置方式，此种L型箍筋在搭接处应确实焊接，焊接之强度应至少能发挥箍筋之降伏拉力强度，一般焊接长度须至少为10倍箍筋直径。另一方面，在SRC梁柱接合处，当钢梁的腹板采用螺栓与钢柱连接时，在设计上应特别注意柱箍筋在钢梁腹板穿孔之位置不可与螺栓孔过于靠近，以避免产生如图八所示钢梁腹板发生撕裂破坏的情形。
图八 钢梁腹板螺栓孔与箍筋孔太近可能造成腹板撕裂破坏
4 SRC设计规范草案之内容
兹谨将台湾研拟的「钢骨钢筋混凝土构造(SRC)设计规范与解说」草案之目录陈述于后：
5 结 语
本研究根据资料收集、问卷调查、学者专家咨询与密集的研究过程，目前谨针对的「钢骨钢筋混凝土构造设计规范与解说」提出一套建议草案。期望本研究之结果能有助于达成以下三项目标︰
（一）本研究将有助于弥补目前营建署建筑技术规则中缺少SRC构造设计规范之缺憾。
（二）本研究将有助于从事SRC构造设计之工程师及相关审查单位之参考依循。
（三）本研究对提升SRC构造设计之质量与工程之安全性有积极正面之意义。
由于SRC构造同时涉及钢骨与RC两种构造的设计与施工，其复杂程度相对提高，本研究虽已初步完成SRC设计规范之草案，仍然希望工程界诸位先进继续予以批评指正，俾望能够精益求精。
志 谢
本研究进行期间承蒙廖慧明建筑师、张荻薇经理与陈诚直教授共同主持研究计划，并由诸多学者专家热心提供宝贵建议，谨此表达十二万分之谢意。此外，本研究承建筑研究所提供研究经费，叶祥海、邹本驹与陶其骏先生热心协助，蔡江洋、宋裕祺先生及研究生颜圣益、王征文、林俊昌、刘玉梅、梁嘉洲、程幼棣等热心投入，如果没有他们的努力奉献，本研究将不可能完成，在此谨志由衷谢忱。
参考文献
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(2) 日本建筑学会(AIJ,Architectural Institute of Japan)，「铁骨铁筋混凝土构造计算规准.同解说」，东京，1987。
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(11) UBC, “Uniform Building Code,” International Conference of Building Officials, Whittier, California, 1997.