臺灣博碩士論文加值系統

由於國內舊有鋼筋混凝土橋柱之耐震能力不佳，如箍筋量不足、箍筋由兩半圓搭接、箍筋間距於距離基礎面上一個柱的直徑後即放寬為塑鉸區之兩倍等問題，故本研究規劃七支圓形橋柱試體以進行反覆載重試驗，其中包括一支為交通部公路局在日本阪神大地震後所修改之塑鉸區箍筋細部設計之橋柱縮小尺寸試體；二支為根據舊有橋柱設計規範所設計之橋柱縮小尺寸試體，分別於橋柱未產生裂縫及產生降伏裂縫後使用碳纖維強化高分子複合材料(CFRP)包覆補強設計；一支為驗證耐震能力分析評估結果柱底撓剪破壞；二支為橋柱主筋於塑鉸區同一斷面搭接使用CFRP包覆補強設計，以及一支為橋柱主筋於塑鉸區同一斷面搭接破壞後經修復斷面再使用CFRP包覆補強設計。
以上七支圓形橋柱試體於國家地震工程研究中心(NCREE)進行反覆載重試驗，以了解新、舊橋柱以及橋柱於破壞前包覆CFRP補強(Retrofit)和破壞後包覆CFRP修復與加固(Repair and Strengthening)之耐震行為差異。試驗結果顯示箍筋間距減小，可提高橋柱韌性，舊橋柱以CFRP補強後之試體其消能能力、橋柱韌性及行為表現等皆能合於設計之要求且能提高韌性，未補強試體破壞後經斷面修復再包覆CFRP加固仍可提高消能力、橋柱韌性及行為表現等。

In this thesis, the experimental results of circular section reinforced concrete (RC) bridge columns retrofitted by carbon fiber reinforced plastic (CFRP) jacketing were introduced. The design of the RC circular bridge columns were based on the new
(published in 1995) and old (before 1995) bridge seismic design codes in Taiwan (MOTC, 1995, 1987). The benchmark tests of bridge column with different failure modes, namely, flexural failure, flexural-shear failure, and lap splice failure, were tested in the National Center for Research on Earthquake Engineering (NCREE). Also introduced are the seismic retrofit design and the experimental performance of bridge column retrofitted by CFRP jacketing for the above failure modes. The experimental results show that the retrofit can incredibly improve the seismic performance (ductility and strength) and can change the failure mode of bridge columns. The Lin and Li confined concrete constitutive model can predict the results more accurate than the other models.

摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目次 iv
表目錄 vii
圖目錄 viii
照片目錄 xiii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究目的與內容 2
第二章 圓形橋柱之韌性分析與FRP補強設計原理 3
2.1 前言 3
2.2 混凝土之應力-應變曲線 3
2.2.1 圍束混凝土應力-應變理論 4
2.2.2 無圍束混凝土應力-應變理論 6
2.2.3 FRP圍束混凝土之抗壓強度 7
2.3 縱向鋼筋之應力-應變曲線 7
2.4 橋柱斷面分析 8
2.5 橋柱之位移韌性比 11
2.6 橋梁耐震能力評估 12
2.7 橋柱韌性補強強設計原理 12
2.8 橋柱包覆FRP補強設計 14
2.8.1 橋柱剪力容量 之計算 14
2.8.2 FRP補強提供之剪力強度 17
2.8.3 橋柱韌性補強強設計 19
2.8.4 鋼筋搭接長度不足之補強設計 22
2.8.5 其他破壞模式之補強設計 23
第三章 試驗規劃與執行 32
3.1 試驗規劃與設計 32
3.1.1 試驗規劃 32
3.1.2 設計細節 32
3.1.3 試體材料強度 34
3.1.4 CFRP補強施工 34
3.2 試驗裝置 35
3.3 試驗程序 36
第四章 試驗觀察 53
4.1 前言 53
4.2 試體FC1實驗觀察 53
4.3 試體FC2實驗觀察 54
4.4 試體FC3實驗觀察 54
4.5 試體FC4實驗觀察 54
4.6 試體FCL1實驗觀察 55
4.7 試體FCL2實驗觀察 55
4.8 試體FCL3實驗觀察 56
第五章 實驗結果與分析 64
5.1 前言 64
5.2 側向力-位移遲滯迴圈 64
5.2.1 試體FC1 65
5.2.2 試體FC2 65
5.2.3 試體FC3 66
5.2.4 試體FC4 66
5.2.5 試體FCL1 66
5.2.6 試體FCL2 66
5.2.7 試體FCL3 67
5.2.8 試體比較 67
5.3 理論分析與試驗結果比較 67
5.3.1 混凝土橋柱試體 68
5.3.2 CFRP補強試體 68
5.4 微震量測結果(未加軸力下量測) 68
5.5 橋柱斷面曲率 69
5.6 柱主筋之行為 70
5.6.1 試體FC1 70
5.6.2 試體FC2 70
5.6.3 試體FC3 71
5.6.4 試體FC4 71
5.6.5 試體FCL1 71
5.6.6 試體FCL2 71
5.6.7 試體比較 71
5.7 橋柱箍筋之圍束應 71
5.7.1 試體FC1 72
5.7.2 試體FC2 72
5.7.3 試體FC3 72
5.7.4 試體FC4 72
5.7.5 試體FCL1 73
5.7.6 試體FCL2 73
5.8 碳纖維貼布(CFRP)之圍束應變 73
第六章 結論與建議 93
6.1 結論 93
6.2 建議 94
參考文獻 96
附錄
A 橋柱試體FC1耐震能力評估 99
B CFRP補強程式及輸出報表 114
C 橋柱試體之斷面曲率及應變圖 128
表 目 錄
表3.1 試體規劃表 37
表3.2 試體FC2、FC3之補強厚度計算 39
表3.3 試體FCL1、FCL2、FCL3之補強厚度計算 39
表3.4 試體材料性質 40
表3.5 CFRP材料性質 40
表3.6 油壓千斤頂反覆加載位移歷時表 40
表5.1 各試體之位移韌性 74
表5.2 各試體微震量測之自然頻率(Hz) 76
表5.3 各試體微震量測之自然頻率比 76
表A.1 柱底之彎矩破壞係數αy及降伏時之柱標稱軸力Pe 103
表A.2 剪力弱面區的剪力破壞係數αy1*，αy2* 105
表A.3 橋單柱式橋墩橋軸向振動單元內之韌性容量折減比例γ 106
表A.4 柱之破壞模式 107
表A.5 柱之剪力 108
表A.6 崩塌地表加速度Ac 110
表A.7 落橋破壞模式耐震能力評估 111
表A.8 支承耐震能力評估 112
表A.9 評估結論 113
圖 目 錄
圖2.1 圍束混凝土之應力-應變曲線(Mander 等人) 24
圖2.2 圓柱斷面橫向鋼筋圍束力分佈圖 24
圖2.3 圓柱斷面之有效圍束斷面示意圖 25
圖2.4 鋼筋之應力-應變曲線(Mirza 與 MacGregor) 25
圖2.5 圓柱斷面之切片分析 26
圖2.6 柱全斷面之弓形面積A(sec)i示意圖 26
圖2.7 柱斷面之A(core)i面積及A(cover)i面積示意圖 27
圖2.8 縱向鋼筋切片(As)i面積之示意圖 27
圖2.9 斷面之彎矩-曲率曲線 28
圖2.10 橋柱側向位移、彎矩、降伏曲率及極限曲率圖 28
圖2.11 橋柱剪力需求與位移之關係 29
圖2.12 橋柱單向與雙向彎矩示意圖 29
圖2.13 混凝土剪力係數k與橋柱位移韌性 關係圖 30
圖2.14 混凝土剪力係數k與橋柱位移韌性 關係圖 30
圖2.15 鋼筋搭接所需之圍束力示意圖 31
圖2.16 橋柱主筋搭接破壞模式 31
圖3.1 柱頭及基礎配筋示意圖 41
圖3.2 柱頭及基礎預留孔上視圖 42
圖3.3 FC1試體 43
圖3.4 FC2試體 44
圖3.5 FC3試體 45
圖3.6 FC4試體 46
圖3.7 FCL1、FCL2、FCL3試體 47
圖3.8 實驗裝置 48
圖3.9 油壓千斤頂反覆加載位移歷 49
圖5.1 軸力偏心修正示意圖 77
圖5.2 側向力與位移圖 78
圖5.3 試體FC1之側向力與位移圖 78
圖5.4 試體FC2之側向力與位移圖 79
圖5.5 試體FC3之側向力與位移圖 79
圖5.6 試體FC4之側向力與位移圖 80
圖5.7 試體FCL1之側向力與位移圖 80
圖5.8 試體BMCL100之側向力與位移圖 81
圖5.9 試體FCL2之側向力與位移圖 81
圖5.10 試體FCL100之側向力與位移圖 82
圖5.11 試體FCL3之側向力與位移圖 82
圖5.12 試體FC1、FC2、FC3、FC4之側向力─位移包絡線圖 83
圖5.13 試體BMCL100、FCL100、FCL1、FCL2、FCL3之側向力─位移
包絡線圖 83
圖5.14 試體能量消散比較圖 84
圖5.15 試體FC1理論與實驗之側向力與位移圖 84
圖5.16 試體FC2理論與實驗之側向力與位移圖 85
圖5.17 試體FC3理論與實驗之側向力與位移圖 85
圖5.18 試體FC4理論與實驗之側向力與位移圖 86
圖5.19 試體FCL1理論與實驗之側向力與位移圖 86
圖5.20 試體FCL2理論與實驗之側向力與位移圖 87
圖5.21 試體FC1破壞後微震量測自然頻率 87
圖5.22 試體FC2破壞後微震量測自然頻率 88
圖5.23 試體FC3破壞後微震量測自然頻率 89
圖5.24 試體FCL1破壞後微震量測自然頻率 90
圖5.25 試體FCL2破壞後微震量測自然頻率 91
圖5.26 試體FCL3破壞後微震量測自然頻率 92
圖C.1 試體FC1斷面曲率變化圖 129
圖C.2 試體FC2斷面曲率變化圖 130
圖C.3 試體FC3斷面曲率變化圖 131
圖C.4 試體FC4斷面曲率變化圖 132
圖C.5 試體FCL1斷面曲率變化圖 133
圖C.6 試體FCL2斷面曲率變化圖 134
圖C.7 試體FC1於距基礎2.5cm處之主鋼筋應變圖 135
圖C.8 試體FC1於距基礎12.5cm處之主鋼筋應變圖 136
圖C.9 試體FC1於距基礎30cm處之主鋼筋應變圖 137
圖C.10 試體FC1於距基礎70cm處之主鋼筋應變圖 138
圖C.11 試體FC2於距基礎2.5cm處之主鋼筋應變圖 139
圖C.12 試體FC2於距基礎12.5cm處之主鋼筋應變圖 140
圖C.13 試體FC2於距基礎30cm處之主鋼筋應變圖 141
圖C.14 試體FC2於距基礎70cm處之主鋼筋應變圖 142
圖C.15 試體FC2(補強後)於距基礎2.5cm處之主鋼筋應變圖 143
圖C.16 試體FC2(補強後)於距基礎12.5cm處之主鋼筋應變圖 144
圖C.17 試體FC2(補強後)於距基礎30cm處之主鋼筋應變圖 145
圖C.18 試體FC2(補強後)於距基礎70cm處之主鋼筋應變圖 146
圖C.19 試體FC3於距基礎2.5cm處之主鋼筋應變圖 147
圖C.20 試體FC3於距基礎12.5cm處之主鋼筋應變圖 148
圖C.21 試體FC3於距基礎30cm處之主鋼筋應變圖 149
圖C.22 試體FC3於距基礎70cm處之主鋼筋應變圖 150
圖C.23 試體FC4於距基礎2.5cm處之主鋼筋應變圖 151
圖C.24 試體FC4於距基礎12.5cm處之主鋼筋應變圖 152
圖C.25 試體FC4於距基礎30cm處之主鋼筋應變圖 153
圖C.26 試體FC4於距基礎70cm處之主鋼筋應變圖 154
圖C.27 試體FCL1於距基礎2.5cm處之主鋼筋應變圖 155
圖C.28 試體FCL1於距基礎17cm處之主鋼筋應變圖 156
圖C.29 試體FCL1於距基礎30cm處之主鋼筋應變圖 157
圖C.30 試體FCL1於距基礎43cm處之主鋼筋應變圖 158
圖C.31 試體FCL1於距基礎56cm處之主鋼筋應變圖 159
圖C.32 試體FCL1於距基礎69cm處之主鋼筋應變圖 160
圖C.33 試體FCL1於距基礎82cm處之主鋼筋應變圖 161
圖C.34 試體FCL2於距基礎2.5cm處之主鋼筋應變圖 162
圖C.35 試體FCL2於距基礎17cm處之主鋼筋應變圖 163
圖C.36 試體FCL2於距基礎30cm處之主鋼筋應變圖 164
圖C.37 試體FCL2於距基礎43cm處之主鋼筋應變圖 165
圖C.38 試體FCL2於距基礎56cm處之主鋼筋應變圖 166
圖C.39 試體FCL2於距基礎69cm處之主鋼筋應變圖 167
圖C.40 試體FCL2於距基礎82cm處之主鋼筋應變圖 168
圖C.41 試體FC1於距基礎15cm處之箍筋圍束應變圖 169
圖C.42 試體FC1於距基礎35cm處之箍筋圍束應變圖 170
圖C.43 試體FC1於距基礎55cm處之箍筋圍束應變圖 171
圖C.44 試體FC1於距基礎75cm處之箍筋圍束應變圖 172
圖C.45 試體FC2於距基礎25cm處之箍筋圍束應變圖 173
圖C.46 試體FC2於距基礎45cm處之箍筋圍束應變圖 174
圖C.47 試體FC2於距基礎65cm處之箍筋圍束應變圖 175
圖C.48 試體FC2於距基礎90cm處之箍筋圍束應變圖 176
圖C.49 試體FC2(補強後)於距基礎25cm處之箍筋圍束應變圖 177
圖C.50 試體FC2(補強後)於距基礎45cm處之箍筋圍束應變圖 178
圖C.51 試體FC2(補強後)於距基礎65cm處之箍筋圍束應變圖 179
圖C.52 試體FC2(補強後)於距基礎90cm處之箍筋圍束應變圖 180
圖C.53 試體FC3於距基礎25cm處之箍筋圍束應變圖 181
圖C.54 試體FC3於距基礎45cm處之箍筋圍束應變圖 182
圖C.55 試體FC3於距基礎65cm處之箍筋圍束應變圖 183
圖C.56 試體FC3於距基礎95cm處之箍筋圍束應變圖 184
圖C.57 試體FC4於距基礎5cm處之箍筋圍束應變圖 185
圖C.58 試體FC4於距基礎35cm處之箍筋圍束應變圖 186
圖C.59 試體FC4於距基礎65cm處之箍筋圍束應變圖 187
圖C.60 試體FC4於距基礎95cm處之箍筋圍束應變圖 188
圖C.61 試體FCL1於距基礎10.5cm處之箍筋圍束應變圖 189
圖C.62 試體FCL1於距基礎23.5cm處之箍筋圍束應變圖 190
圖C.63 試體FCL1於距基礎36.5cm處之箍筋圍束應變圖 191
圖C.64 試體FCL1於距基礎75.5cm處之箍筋圍束應變圖 192
圖C.65 試體FCL1於距基礎97.5cm處之箍筋圍束應變圖 193
圖C.66 試體FCL2於距基礎10.5cm處之箍筋圍束應變圖 194
圖C.67 試體FCL2於距基礎23.5cm處之箍筋圍束應變圖 195
圖C.68 試體FCL2於距基礎36.5cm處之箍筋圍束應變圖 196
圖C.69 試體FCL2於距基礎75.5cm處之箍筋圍束應變圖 197
圖C.70 試體FCL2於距基礎97.5cm處之箍筋圍束應變圖 198
圖C.71 試體FC2(補強後)CFRP圍束應變圖 199
圖C.72 試體FC3 CFRP圍束應變圖 200
圖C.73 試體FCL1 CFRP圍束應變圖 201
圖C.74 試體FCL2 CFRP圍束應變圖 202
照 片 目 錄
照片3.1 面層處理 50
照片3.2 斷面復舊 50
照片3.3 不平整修正 50
照片3.4 轉角打磨 50
照片3.5 空氣鎗清洗 51
照片3.6 底膠塗佈 51
照片3.7 環氧樹脂塗佈 51
照片3.8 CFRP貼片手積疊層 51
照片3.9 資料收集器 52
照片4.1 試體FC1之破壞情形 57
照片4.2 試體FC1之破壞情形 57
照片4.3 試體FC2產生0.5mm之情形 58
照片4.4 試體FC2之破壞情形 58
照片4.5 試體FC3之破壞情形 59
照片4.6 試體FC3主筋斷裂情形 59
照片4.7 試體FC4之破壞情形 60
照片4.8 試體FC4之破壞情形 60
照片4.9 試體FCL1之破壞情形 61
照片4.10 試體FCL1之破壞情形 61
照片4.11 試體FCL2之破壞情形 62
照片4.12 試體FCL2之破壞情形 62
照片4.13 試體BMCL100之破壞情形 62
照片4.14 試體BMCL100之破壞情形 62
照片4.15 試體BMCL100之斷面修復 63
照片4.16 試體FCL3之破壞情形 63
照片4.17 試體FCL3之破壞情形 63
照片4.18 試體FCL3之破壞情形 63

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