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研究生:郭啟文
研究生(外文):Kuo Chi Wen
論文名稱:地震對新澆置混凝土柱之影響研究
指導教授:高健章高健章引用關係蔡益超蔡益超引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:土木工程學研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:127
中文關鍵詞:新澆置混凝土地震鋼筋握裹力
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國立台灣大學土木工程學研究所
民國91年 (碩士) 學位論文摘要
地震對新澆置混凝土柱之影響研究
研 究 生:郭啟文
指導教授:高健章 蔡益超
第一章 緒 論
地震之發生,乃無可避免,對剛澆置鋼筋混凝土構造物之握裹力存有疑慮即逕加以拆除或僅以無自外觀審視可查之瑕疵則恣意判定為安全,皆非良好之處置方法。如何兼顧結構物安全與施工經濟之考量,同時能對鋼筋之握裹應力作一初步之評量,有待深入研究。地震對新澆置RC結構之影響,大致可分為因模板變形和甩筋作用而引起,因模板變形而引起者,隨模板施工條件之差異影響甚大,較難實驗模擬其影響程度,況且實驗結果隨個案情況不同而異。而柱之影響大都起因於甩筋作用,其影響程度為何?握裹損失程度為何?本文為明瞭因甩筋作用而減少握裹力對柱體之強度、勁度、韌性等行為,特設計實尺寸之具體實驗試體來探討模型柱於混凝土澆置後不久,以國家地震中心震動台,最大加速度0.5g之921實際地震波加以震動,並待28天混凝土強度發揮後,施作柱反覆載重實驗,以了解其結構行為。
第二章 文獻回顧
混凝土於水化作用後,原先用以充填於骨材間隙之水泥漿體,由具潤滑作用之型態,轉變為膠結硬化之硬固狀態。鋼筋混凝土結構物不可避免因分層施作之故,為求安全與經濟之效益,而有相當之鋼筋搭接長度,此作為逐層澆置用之預留筋,於地震來襲時,會因質量慣性之故,而產生甩動之型態,鋼筋之甩動,在混凝土澆置之續接面上造成橫向位移與轉角之擴孔,擴孔之產生為沿鋼筋之縱向發展,如此可能造成鋼筋握裹力的喪失,甚至嚴重影響鋼筋混凝土結構物之安全,為了解鋼筋混凝土之握裹力,特將握裹機制做一回顧。
根據ACI Committee 408定義,握裹應力為一沿著鋼筋與混凝土之間介面所傳遞之應力,以此,鋼筋與混凝土之間倘發生沿鋼筋方向擴孔,勢必影響鋼筋表面應力之剪力傳遞。剪力傳遞之機制為剪應力隨鋼筋位置之不同而有變化,與鋼筋、混凝土之介面性質有密切之關係。載重除錨釘或基礎螺栓等之外,鮮少直接作用於鋼筋上。鋼筋透過其周緣之混凝土,達到承擔應力的效果。如何使鋼筋和混凝土間的握裹力能有效發展,使鋼筋混凝土成為一複合體,鋼筋握裹性能需符合要求,並進一步避免人為或天然外力(如地震力)造成握裹力之減損,為今日探討之重點。
鋼筋與混凝土兩種材料組合為一體,相互作用膠結契合,達到斷面強度之需求。此膠結力於鋼筋混凝土,可將鋼筋握裹力視為一種剪力,複合材料藉此,傳遞應力,使組合斷面上的各點,在受力變形後,仍為一平面,各處的應變與斷面之中性軸呈線性變化關係。如果兩者分離,即為握裹力喪失之情形,原本為提高斷面材料之使用效率,期使斷面慣性矩增大,而將鋼筋擺置於斷面外緣之法,將失去利基。影響握裹強度變化的因素則包括:
1. 化學粘附力
□係由水泥起水和作用,產生水泥膠體之化學反應,在鋼筋表面形成黏著力。當構件承受較低應力時,鋼筋與混凝土之變形尚小,握裹力主要由化學粘著力所提供,此所產生之握裹力量值,大約在14~21 kg/cm2之間,且當鋼筋與混凝土之接觸面產生滑動後,此種作用力隨即消失。
2. 摩擦力
□鋼筋與混凝土間因接觸表面有相對滑動所引致之力,此值大小與表面粗糙度有關,當鋼筋與混凝土之間有些許錯位發生時,此時化學粘著力將喪失,而握裹力則由摩擦力與混凝土作用於鋼筋竹節環所造成的支承力共同來提供。
3. 楔形作用力(Wedging Action)
係鋼筋竹節環與混凝土之間,於發生相當程度之錯位後,所造成之作用力。當鋼筋與混凝土發生更進一步滑動時,則此楔型作用力之機制對於握裹力的貢獻更形重要。
竹節鋼筋較光面鋼筋為大的握裹力容量,乃因竹節環與周圍混凝土的互鎖作用(Interlocking)。於鋼筋相鄰竹節環之間鋸齒狀之混凝土,稱為混凝土鎖(Concrete Key),此為竹節鋼筋的握裹力的主要貢獻來源,化學粘著力與摩擦力為次要阻力,除非鋼筋與混凝土之應變相同,且在相當長度內維持同樣之應變,否則鋼筋竹節環將與周圍的混凝土發生滑動錯位。在竹節鋼筋之化學粘著力破壞後,此時鋼筋由竹節環與混凝土鎖及接觸表面之摩擦力共同抵抗進一步的滑動。隨著應力的提高,相對錯位之量值亦必然隨之增加,到最後,不計摩擦力之貢獻,直接由互鎖作用之楔形作用力提供竹節鋼筋之握裹力。
第三章 拉拔試驗
本實驗之地震力輸入設備採國家地震中心之振動台,除四組實尺寸柱體模型之外,另規劃一組單筋拉拔試驗之試體,用以分析單筋在四種不同圍束狀況下,於臨界齡期內,受地震力擾動後,鋼筋握裹力之發展情形。受地震力擾動的鋼筋如果因混凝土產生擴孔而喪失握裹力,握裹力喪失,在主筋進行拉拔試驗時,鋼筋周圍的混凝土無法傳遞鋼筋拉力,因此鋼筋試體本身將承受大部份的拉應力,以此,混凝土埋置斷內之鋼筋相鄰之應變差值將極小;反之,鋼筋握裹力良好,其拉應力將完全傳遞至混凝土,因此鋼筋相鄰應變計之差值將較大。本實驗於不同拉力下,以鋼筋於混凝土埋置段內,各電阻型應變計之量測值變化作為握裹力之比較。從這些圖中可清楚表示,無論有無加質量,在受力端鋼筋應變變化甚大,顯示握裹不因震動而損失,且發展長度約略40cm即可,40cm以下之應變極小。然而本次實驗之施作,於澆置模板混凝土時,混凝土澆置較滿,使得鋼筋頂端之鐵塊直接承壓於混凝土上,因此加質量之震動效果未能突顯其效應,此為實驗之缺憾,此實驗之結果並不表示鋼筋頂端加質量塊對其握裹不會產生握裹減損的影響。
第四章 柱試體製作與新澆置混凝土柱鋼筋籠受震試驗
鋼筋混凝土構造物,受限於混凝土材料之施工性能及模板支撐強度,於分層澆置時,為求良好之續接及力量傳遞,需設置預留筋,而預留之長度在工地現址澆置混凝土達初凝之後,倘於終凝前遭遇地震力之擾動,由於竹節鋼筋與混凝土質量不同加上自由端之預留筋受地震力之加速度,因質量慣性所產生對預留筋與混凝土面的彎矩與側力,造成預留筋相當程度之位移,在混凝土初凝之際,強度發展尚低,使得竹節鋼筋基部對混凝土推擠,發生擴孔。此間隙將致使竹節鋼筋與混凝土之間的握裹力減低,並可能引發混凝土內部之應力裂縫,產生結構損傷。此種情形,在預留筋較長之橋柱,擋土牆及長柱等結構,因預留長度長且竹節鋼筋之斷面較大,地震力加速度所引致之慣性力亦隨之俱增,構件內竹節鋼筋對初凝之混凝土推擠壓迫及接觸面滑動走位之情形更為劇烈。本實驗之目的,即探討預留筋在初凝後至終凝之前,受地震加速度之擾動,檢核地震對新澆置鋼筋混凝土柱在竹節鋼筋之握裹強度上所造成的影響。本實驗設計之目的,即在探討預留筋於混凝土澆置之後,初凝後至終凝之前,混凝土流動性差且強度發展尚低的情況下,受地震力之擾動,預留筋因慣性力甩動,在預留筋基部產生擴孔或滑移,在依據建築技術規範之設計錨定長度下,是否會對竹節鋼筋與混凝土之間的握裹強度造成嚴重的損失。倘使產生擴孔,而有握裹強度的嚴重損失,是否能以結構補強的方式獲得改善。
本實驗之重點乃在於基座搭載柱筋鋼筋籠,於基座澆置混凝土後,置於國家地震中心之地震模擬台桌面,施予地震力擾動。後續柱體封模,柱體混凝土澆置及柱體反覆載重實驗乃計劃於台大土木所大型結構實驗室進行,受限於結構實驗室出入口之高度限制,柱體主筋之預留長度為280cm。為控制鋼筋混泥土柱體於進行反覆載重實驗時,在柱體基部產生剪力破壞之前,能發展出彎矩破壞,同時於柱體基部產生塑鉸區,特於柱頂設計加載一1.5m高之鋼結構箱型斷面鋼柱,鋼筋混凝土柱體主筋以摩擦焊續接M33牙條,用以傳遞箱型斷面鋼柱之彎矩至柱體試體上,以此探討地震力引致之擴孔間隙對竹節鋼筋握裹強度之影響。
地震力對新澆置鋼筋混凝土構造物之影響,主要為鋼筋與混凝土間質量與勁度之差異,造成兩者之相對位移,在此考量之下,模板所提供之支承力,亦會對此相對位移之量造成影響. 為冀減少因尺度比例之因素,影響鋼筋、混凝土及模板支承受地震加速度擾動之慣性力差值,並真實反映現場施工狀況下,鋼筋、混凝土與模板支承之間的互制行為,此外由於材料之力學性質與結構模型本身之非線性反應,往往無法滿足縮小比例模型與原型結構之間的比例關係,故設計實尺寸之柱試體進行試驗。柱體鋼筋龍於震動台桌面受震,鋼筋籠頂端於地震力擾動時,由目視觀察,產生極大之側向變位,來回振動,然觀察混凝土基座上柱體鋼筋籠之基部混凝土交界面上,未見明顯之擴孔,鋼筋對混凝土推擠之情況,並未達到目視裂縫之程度,鋼筋主筋周圍無錐形之擴孔,略見極小之極些微細縫,圍繞在柱體主筋之周圍,但裂縫之寬度極小,未達0.3mm的尺寸。亦無有對周圍混凝土產生推擠之現象,整體基座外觀正常,無裂縫發生且面層混凝土亦無剝落抑或是裂縫發生之情形。主筋鋼筋周緣之些微細縫,在柱體之角隅主筋較為明顯,非角隅處則幾乎無目視可察之細縫。
第五章 柱反覆載重實驗
由於新澆置混凝土,受地震力作用時,對其預留筋握裹強度之影響及混凝土強度發展之機制目前尚不清楚。本實驗採實尺寸柱體模型於受地震力擾動後,進行柱體之反覆載重實驗。並依據實驗結果和數據之量測,探討混凝土基座澆置初期,柱筋之預留筋受地震力作用之柱體模型,如圖5-1。並於柱體施作完成28日後,以反覆載重試驗檢討彎矩強度及柱底基座之鋼筋握裹強度,是否與未受地震力擾動者相同,斷面強度是否受到減損。
本實驗主要分為兩部分,第一部份之試驗為在國家地震中心之地震模擬震動台試驗,第二部分為在台大土木所大型結構實驗室之柱反覆載重試驗。
  反覆載重實驗採用行程 500mm,荷載 1000kn MTS油壓伺服閥千斤頂施加水平推力,首先將型鋼鋼柱安裝於混凝土柱頂之上,再將大型轉接鋼板固定於反力牆上,並施加預力固定,然後裝置轉接版於MTS千斤頂之尾端,將MTS千斤頂按預設之位置裝設於柱頂箱型鋼樑之施載部位,對柱體頂端施加反覆載重,柱體將油壓千斤頂之力量傳遞至柱體基座,柱體基座再將力量傳遞至強力地板之上。
於欲測計應變之主筋鋼筋上,在抗拉鋼筋伸展長度內,依10cm間距,裝置電阻應變計,測量鋼筋在不同部位處之應變量,藉以推算鋼筋之應力狀況,評核該處之握裹強度。
柱體受MTS油壓千斤頂施予反覆載重時,柱體會隨彎矩變化,而有彎曲曲率之不同,柱體各部之側向位移亦與之變化,採用夾狀測微器測量此位移量。首先於基座上組設參考框架,以避免基座自身之滑移或轉角而影響柱體位移之計測,由柱底基部向上配置,配置間距67.5cm,直至柱頂,每支柱於南北兩向皆安裝,共8只夾狀測微器。
油壓千斤頂之實驗設備在機身附有LVDT,用以量測水平推力施力端之伸展或收縮之水平位移,此測計裝置於MTS司服閥千斤頂內部,接收控制器(MTS-458)與電腦命令,來控制千斤頂之位移量,並回傳資料至收集系統與電腦程式之中。本實驗反覆載重實驗MTS油壓千斤頂之操作,由位移量作控制,分別以位移量值於正負號兩方向反覆操作,每一位移量皆循環兩次。
油壓千斤頂於實驗設備在機身附有Load Cell,用以量測施力端之荷載量值。隨著施力端位移控制之變化,在施力球座之端部,即可同步回傳此時試驗裝置之荷載量值,據以量測此時油壓千斤頂之水平推力量值,據以判斷柱體是否達到塑性彎矩破壞。
由四組試體在各個水平推力施載循環內之荷載位移圖作比較,發覺此四組試體在彎矩容量上並無太大差別,雖C4試體發生基座之剪力破壞,但在 150mm之施載循環之內,柱體之強度表現並無差異。可見在新澆置混凝土5.5小時後,本實驗預留筋結構物之強度並未嚴重受損,且受震的柱體極限彎矩強度皆些微略高於未受震之對照組試體,並皆較以Modified Kent and Park(1971)之圍束與非圍束混凝土應力應變理論及考慮鋼筋應變硬化之模型但假設鋼筋與混凝土無滑移所計算而得之理論強度為高。極限彎矩強度最高之受震試體(C2) ,其超出4組試體平均強度有2.7%之譜,且高出理論強度值0.7%。而極限彎矩最弱之受震試體(C4) ,其低於平均強度值則為2.9%,若以理論值比較,則為減損5.09%。然C4試體最終之破壞形式,包含基座本身之剪力破壞,故無法確認是否為地震力造成之柱體主筋鋼筋之握裹力減損所引起。
就荷載位移圖之遲滯迴圈圖形作比較,各水平推力施載循環內,其圖形之包絡線皆極為近似。此次實驗試體,極限彎矩強度之值與理論計算值極為接近,可見鋼筋之握裹強度並未受到嚴重影響。就鋼筋電阻應變計之資料作分析顯示,柱體鋼筋皆可發展出降伏強度,由不同量值之水平推力荷載對應每支主筋不同位置上應變顯示,皆無圖形斜率為零之情況,即沒有發生相鄰應變計在相同之水平推力荷載差值下,鋼筋應變相同之狀況。
第六章 理論分析
藉由材料力學之基本模型,由理論分析本實驗柱體以預測抗彎強度及其相對應彎矩作用下之變形位移關係。分析柱試體受彎矩作用時,須同時考慮彈性範圍內之及非彈性範圍之應力應變模式。
欲計算實驗試體模型的破壞強度以及其相對應之變形,需先建立一個代表性的混凝土應力應變關係,此模型主要由尖峰應力與破壞時的應變量作為控制參數。其他諸如應力應變關係的線形等等,通常不會對最終的輸出結果產生太大的影響。然而混凝土尖峰應力與破壞時之應變量皆同時對圍束鋼筋的鋼筋量與鋼筋配置極為靈敏,故圍束混凝土與無圍束混凝土兩者須分別討論其應力應變關係。由許多相關試驗結果顯示,可發現應力與應變曲線是由一遞升段、一持續段與一遞減段所構成。幾乎所有的應力與應變模式皆提出二次拋物曲線來表示遞升段,此乃因為拋物曲線是一簡單的數學式,同時良好的表示出應力與應變之關係。在具圍束的情形下,混凝土應力為箍筋體積比的隱函數,因為尖峰應力與應變是與箍筋圍束有關。
柱試體施予反覆載重實驗,其主要之力學行為,為彎矩與剪力作用效應,其中彎矩所引致柱體之變形,可以彎矩曲率方來著手進行分析計算。
第七章 結論與建議
剛澆置普通混凝土柱鋼筋籠,於自混凝土攪拌後起算5.5小時之際,施加最大加速度為0.5g之實際921地震波加以震動之後,再加以灌注完成模型RC柱,作柱反覆載重實驗,根據實驗結果,可推得以下幾點結論:
1. 混凝土之凝結時間受澆置溫度,化學摻料與水灰比等等之影響甚大,而本實驗混凝土基座尺寸較一般混凝土定性試驗所採用之試體為巨,因水化發熱之影響,加速混凝土之硬固速度。單筋拉拔試驗試體與反覆載重之柱試體,於澆置後5.5小時後,施予地震力擾動,並於剛澆置RC柱鋼筋籠280cm長之柱預留筋頂端加載之25kg質量塊,施振時,柱筋晃動,頂端位移量極大,然卻未在柱筋預留筋之基部產生明顯擴孔,可知混凝土初始凝結之強度發展快速,並可抵抗相當量值之鋼筋側向推力。
2.本實驗之受震試體,取一組施作環氧樹脂低壓灌注補強,鑽孔深度控制在混凝土續接面下10cm,由於經目視檢測,裂縫極小,甚難以低壓進行灌注,故於鑽孔後,埋置灌注針座前,以空氣壓力檢測是否於鋼筋表面產生可供壓力氣體逸失之路徑。經壓力計檢測,無明顯之壓力漏失狀況,實際以低壓灌注環氧樹脂,亦未見環氧樹脂自鋼筋週緣溢出。
3.四組柱試體,除其中一組因基座破壞之故,無法達到理論分析之斷面彎矩容量,其餘經振動台施予地震力擾動後之試體,彎矩容量皆比未經地震力擾動者為高。以斷面分析法(Section Analysis )配合混凝土之圍束、非圍束條件與鋼筋配置,利用材料應力應變關係,進行試體反覆載重試驗之斷面彎矩容量理論計算,與實驗所得之結果極為近似,可見分析模型能相當準確的模擬與推算柱體之實際行為。
4.由單筋拉拔實驗與柱體反覆載重實驗中鋼筋電阻應變計之計測,經分析,無明顯因握裹喪失,而引致相鄰位置之應變計發生應變相同之情形,由大部分之應變計測資料,可發現柱體實驗,位於混凝土續接面下10至20cm之應變,有較其他位置為高之歧異值,於斷面有變化處之鋼筋應力分佈相當複雜,與本實驗之反覆載重實驗基座於載重後期發生開裂破損之情況有關,然而就單筋拉拔實驗之計測數據,則可確認無握裹破壞之情形,。
5.本實驗澆置之混凝土,現場取樣製作圓柱試體,取6組置於振動台桌面施以地震力擾動,另7組則靜置養護不施振動,待28日後,進行圓柱試體抗壓試驗,並量測混凝土之彈性模數。結果顯示,純混凝土圓柱試體於地震力擾動後,平均之抗壓強度與彈性模數皆較靜置之對照組為高。可推論,於模板束制良好之情形下,地震力之擾動並不會造成混凝土強度之減損,與國內外相關文獻相符。
6.剛澆置混凝土柱埋入於混凝土內之鋼筋籠,一則因有箍筋圍束,且施工時,將鋼筋與箍筋利用鐵絲加以綁紮固定,二則柱鋼筋籠埋於混凝土內,有如靜水壓力一般,深度越深,則靜水壓力越大,因此鋼筋位於混凝土越深處,越難產生擴孔,因此推斷,擴孔效應造成握裹損失可能只有表面下幾公分,補強時,從表面加以灌注環氧樹脂,應可修復。
7.柱鋼筋籠埋於剛澆置完之基礎混凝土內,地震時因鋼筋籠甩動,而造成基礎表面下幾公分之握裹損失,日後柱體建造完成後,若再次遭遇地震之侵襲,則會於柱端產生塑鉸,對柱鋼筋籠末端若有彎鉤而言,因鋼筋不可能被拉出,反而會因握裹損失,而使塑鉸延伸至基礎內,產生更大之塑鉸,使柱端有更好之轉角能力,此對結構物之耐震能力而言,有正面之效果,然可能因轉角增大,而使得柱頂位移增加,造成柱頂位移不符合規範之要求。若鋼筋籠末端無彎鉤,雖然握裹損失可能僅達澆置面下幾公分,然對柱筋之續接採搭接方式者而言,仍可能有被拉出之虞,因此建議,若在柱端有擴孔,必須用環氧樹脂加以灌注修復。
新澆置混凝土受地震力擾動後,對於鋼筋之握裹力與構件強度之初步分析,可藉由本實驗所得之結果,作為評估之參考。
如構件在拆模後,於表面發生明顯裂縫,即表示模板支承勁度不足,造成混凝土損傷。對此種情況,則非單純鋼筋握裹力減損之問題,而需進一步檢測混凝土受損之程度,予以補強修復亦或拆除重建。
如混凝土無外觀損傷,鋼筋基部無明顯擴孔或擴孔尺度極小,無法進行環氧樹脂灌注者,則對鋼筋之握裹力影響有限,應不致造成構件強度之減損,若可進行灌注者,應加以灌注,確保結構之安全。
第一章 緒 論
第二章 文獻回顧
第三章 拉拔試驗
第四章 柱試體製作與新澆置混凝土柱鋼筋籠受震試驗
第五章 柱反覆載重實驗
第六章 理論分析
第七章 結論與建議
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