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研究生:陳柏佑
研究生(外文):Po-Yu Chan
論文名稱:以有限元素分析五螺箍筋混凝土柱之力學行為及優化配置探討
論文名稱(外文):FEM Analysis and Optimization Design of 5-Spiral Stirrup Concrete Column
指導教授:陳振川陳振川引用關係
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:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:115
中文關鍵詞:五螺箍圍束ATENA軸壓偏心載重優化配置
外文關鍵詞:five-spiral stirrupconfinementATENAaxial compressiveexcentrical loadingoptimization design
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摘要
現今土木建築設施中,主要多為鋼筋混凝土結構物,其中柱子為整體結構物十分重要之一環。傳統的鋼筋混凝土柱施作方法主要是以工地現場施工為主,包括鋼筋的綁紮、箍筋彎鉤的施作等等,既費時又耗費人力,而且施工品質及其效率難以準確控制。
因此,尹衍樑與其集團對於各種特殊的圍束形式,進行包含一系列矩形箍筋與螺旋箍筋等不同的外觀箍筋型式實尺寸柱體軸壓,偏心載重,反覆載重等試驗,且經由其強度、韌性與經濟方面的總合研究結果顯示五螺箍柱不論在各方面均有優良的表現,具有較一般傳統圍束混凝土柱更好的潛力。然而,五螺箍混凝土柱的發展與研究並不如傳統圍束型式混凝土來的多,尚有許多待探討之空間。本文藉由潤泰集團提供之針對鋼筋混凝土結構物新型有限元素軟體ATENA,進行五螺箍混凝土柱於軸向載重,偏心載重下之力學行為作分析研究,且以既有文獻之試驗以ATENA進行分析並與其結果作比對,期盼獲得良好之預測結果以提供往後分析之可信度,並希望藉由進一步之設計模型進行分析討論而得到五螺箍筋柱較優良之配置模式。
本研究結果顯示,ATENA分析結果於軸壓方面與試驗結果比較其力學行為趨勢相近,且經由分析結果之數據可觀察出各組配置在軸壓情形下內外圈螺箍受力關係,進而判斷在其配置情形下大小螺箍之破壞情形,而在偏心載重方面,ATENA分析在力位移曲線與實驗比較結果,於軸力的部份無明顯差異而位移有不小差異,經由理論反算結果以及量測儀器資訊方面的觀察,判斷差異來自於試驗量測系統誤差所致。在優化配置方面,本研究結果判斷在斷面扣除保護層之核心區域配置大小螺箍筋斷面積約等於大小螺箍直徑比值時為佳。軸壓分析結果,判斷配置大小螺箍直徑d1/d2比約為3.0時較佳,而接著在偏心載重分析結果,判斷配置大小螺箍直徑比d1/d2比約為3.5時為佳。

Abstract
In modern civil engineering structures, which most of them are RC structures, column elements are the important part of these structures. Traditional RC columns are composed of cross ties and rectangular hoops. It takes not only time and human resources to form the cages, but there are also some difficulties in quality control.
Therefore, Dr. Samuel Ying and his company design a series of new patterns of confinements for rectangular concrete columns. The result of tests including axial compressive and excentrical loading tests of full-scale rectangular specimens and lateral cyclic loading test of full scaled columns shows that the five-spiral stirrup type is much more excellent and effective compared to others. Therefore, it is important to have more understanding about the behavior of five-spiral stirrup concrete column. In this research, non-linear FEM analysis by the product of Č ervenka consulting:ATENA is used to simulate the axial compressive and excentrical loading tests, and the analysis results are quite fit with the test results.
In this research, from the result of axial compressive and excentrical loading analysis of a series of design models, we can conclude an optimized design for the disposition of inner spiral and outer spiral of the cross section in five-spiral stirrup concrete column under axial compressive and excentrical loading.

致謝.............. 一
中文摘要.............. 二
英文摘要.............. 四
目錄.............. 五
表目錄.............. 九
圖目錄.............. 一0
照片目錄.............. 一五
第一章 緒論.............. 1
1.1前言 ....................1
1.2研究動機與目的 ...............2
第二章 文獻回顧 ..................3
2.1圍束混凝土力學行為............... 3
2.1.1混凝土材料特性................. 3
2.1.2 混凝土三軸行為................ 4
2.1.3 混凝土圍束形式................ 5
2.1.4圍束混凝土材料組成律模式................ 6
2.2新矩形混凝土柱圍束型式介紹................ 8
2.3五螺箍柱之相關試驗............... 12
2.3.1軸壓試驗[1]........... 12
2.3.2偏心載重試驗[6]................ 13
2.3.3其他五螺箍柱相關研究........... 15
2.4近年來針對圍束柱之研究........... 16
第三章 非線性有限元素模型及分析規劃.......... 18
3.1 ATENA軟體簡介.......... 18
3.1.1簡介.................. 18
3.1.2前處理模組..................................... 18
3.1.3分析計算模組................................... 19
3.1.4後處理模組..................................... 20
3.2 鋼筋混凝土之非線性力學模型 20
3.2.1混凝土材料參數 21
3.2.2 混凝土受拉行為模擬 22
3.2.3混凝土受壓行為模擬 23
3.2.4鋼筋 25
3.3 與MANDER預測公式簡單比較 26
3.3.1簡單配置規劃 26
3.3.2 分析結果比較討論 26
3.4有限元素分析模型之建立 27
3.4.1概論 27
3.4.2建立模型及網格劃分 28
3.4.3邊界條件設定 29
3.5分析模型規劃與設計 30
3.5.1單軸壓模型之設計 30
3.5.2偏心載重模型之設計 32
第四章 分析結果與討論 34
4.1單軸壓模型分析 34
4.1.1與文獻[1]試驗相同配置分析之比較與討論: 34
4.1.2五螺箍筋柱大小螺箍配置差異之優化 37
4.1.3考慮實務配置情形............................... 42
4.2 偏心載重模型分析 44
4.2.1與文獻[6] 試驗相同配置分析之比較與討論: 44
4.2.2五螺箍筋柱大小螺箍配置差異之優化 47
4.2.3五螺箍圍束式與傳統方箍式比較................... 49
第五章 結論與建議 51
5.1結論 51
5.2 建議 53
文獻參考................................................ 55


表目錄
表2.1 試體設計表[1]……………………………………………….59
表2.2 試驗結果[1]…………………………………………………59
表2.3 混凝土抗壓強度[6]………………………………………59
表2.4 偏心試驗鋼筋實驗強度[6]……………………………………60
表3.1 e建議值[16]………………………………………………....60
表3.2 ATENA與mander比較之簡單配置規劃……………………60
表3.3 ATENA以及mander之簡單比較分析結果…………………61
表3.4 ATENA模擬分析試驗之試體配置表………………………...61
表3.5 大小螺箍配置差異組配置設計……………………………….61
表4.1 各組配置不同內圈號數下柱體扣除主筋強度………………62
表4.2 優化配置各組強度及效益評估……………………………….62
表4.3 實務箍筋組配置設計………………………………………….62
表4.4 實務箍筋組強度及效益評估………………………………….63
表4.5 實務斷面配置情形…………………………………………….63
表4.6 實務斷面組強度及效益評估………………………………….63
表4.7 優化配置組P-M軸力彎矩互制強度比(a值)……………….64
表4.8 優化配置組箍筋用量比較(b值……………………………...64
表4.9 優化配置組受偏心加載下效益評比(a/b值)……………….64
圖目錄
圖2.1 一般混凝土單軸壓拉力之應力—應變曲線………………….65
圖2.2 混凝土受較低及中等圍束應力之三軸試驗[3]………………65
圖2.3 混凝土受較大圍束應力之三軸試驗[3]………………………66
圖2.4 混凝土受三軸應力之破壞包絡面(Meyer 1996)…………..66
圖2.5 圓形斷面之有效圍束面積…………………………………….67
圖2.6 矩形斷面之有效圍束面積…………………………………….67
圖2.7 Mander et al. 應力—應變模式[5]…………………………68
圖2.8 (a)、(b) 傳統式箍法與一筆箍[1]………………………..68
圖2.9 (a)、(b) 四宮格與九宮格[1]........................69
圖2.10 (a)、(b) 組合電焊方箍與外方內圓[1]………………….69
圖2.11 奧林匹克(五螺箍圍束)[1]………………………………….70
圖2.12 (a)、(b) 變形一與變形二[1]……………………………70
圖2.13 (a)、(b) 變形三與變形四[1]…………………………….71
圖2.14 (a)、(b) 變形五變形六[1]………………………………71
圖2.15 (a)、(b) 變形七變形八[1]……………………………….72
圖2.16 試體綜合評分[1]………………………………………….…72
圖2.17 軸壓試驗架構圖[1][6].............................73
圖2.18 應變計黏貼位置與外部位移計裝設位置[1] [6]……..…73
圖2.19 C2-1試體應力應變曲線圖[1] [6]…………………………74
圖2.20 C2-2試體應力應變曲線圖[1] [6]…………………………74
圖2.21 試體C2-3應力應變曲線圖[1] [6]………………………...75
圖2.22 試體C2-4應力應變曲線圖[1] [6]………………………..75
圖2.23 試體C2-5應力應變曲線圖[1] [6]………………………….76
圖2.24 試體外觀尺寸圖[6]……………………………………………76
圖2.25 柱斷面配置圖[6]……………………………………………77
圖2.26 試驗位移計裝置平面圖[6]…………………………………77
圖2.27 試體Y-Pe之受力與變形關係圖[6]…………………………78
圖2.28 試體T-Pe之受力與變形關係圖[6]………………………….78
圖2.29 試體Yw-Pe之受力與變形關係圖[6]…………………………79
圖3.1 ATENA模擬軸壓柱構件(1) [11]……………………………..79
圖3.2 ATENA模擬軸壓柱構件(2) [11]……………………………..80
圖3.3 ATENA模擬四點抗彎樑構件裂縫生長情形[11]……………80
圖3.4 ATNEA模擬四點抗彎樑構件示意圖[11]……………………81
圖3.5 ATNEA模擬四點抗彎樑構件力位移曲線[11]………………81
圖3.6 混凝土輸入之相關參數示意圖.........................82
圖3.7 HORDIJK混凝土受拉開裂軟化理論[14]……………………82
圖3.8 Menetréy-Willam混凝土三軸主應力之破壞準則[15]......83
圖3.9 混凝土受壓硬化及軟化[16]........................83
圖3.10 簡化之理想鋼筋應力應變曲線圖......................84
圖3.11 不同型號鋼筋應力應變曲線圖[18]................84
圖3.12 (a)組圍束區應力應變曲線圖........................85
圖3.13 (b)組圍束區應力應變曲線圖.......................85
圖3.14 (c)組圍束區應力應變曲線圖.........................86
圖3.15 (a)組箍筋應變-軸向應變曲線........................86
圖3.16 (b)組箍筋應變-軸向應變曲線........................87
圖3.17 (c)組箍筋應變-軸向應變曲線........................87
圖3.18 軸壓載重簡化分析邊界條件示意圖……………………….88
圖3.19 偏心載重簡化分析邊界條件示意圖....................88
圖3.20 分析模型規劃設計流程..............................89
圖3.21 R1、R2、R3、R4斷面配置情形........................89
圖3.22 Y-Pe試驗之ATENA分析模型………………………………90
圖3.23 Y-Pe試驗分析模型之受力情形及邊界條件…………….…90
圖4.1 C2-1組分析與試驗數據比較圖........................91
圖4.2 A2-1分析箍筋應變-柱體軸向應變關係圖…………………91
圖4.3 C2-3組試驗與分析數據比較圖...................92
圖4.4 A2-3分析箍筋應變-柱體軸向應變關係圖…………………92
圖4.5 C2-4組試驗與分析數據比較圖……………………………..93
圖4.6 A2-4分析箍筋應變-柱體軸向應變關係圖…………………93
圖4.7 C2-5組試驗與分析數據比較圖……………………………...94
圖4.8 A2-5分析箍筋應變-柱體軸向應變關係圖………………….94
圖4.9 R組配置柱體扣除主筋之應力應變曲線比較圖……………95
圖4.10 R1箍筋應變-柱體軸向應變關係圖……………..………….95
圖4.11 R2箍筋應變-柱體軸向應變關係圖……………..………….96
圖4.12 R3箍筋應變-柱體軸向應變關係圖……………..………….96
圖4.13 R4箍筋應變-柱體軸向應變關係圖……………..………….97
圖4.14 R組配置效益評估曲線圖…………………………………...97
圖4.15 內圈D16各組柱體扣除主筋應力應變曲線比較圖………98
圖4.16 內圈D19各組柱體扣除主筋應力應變曲線比較圖………98
圖4.17 R2組(內圈D16)分析箍筋應變-柱體軸向應變關係圖……99
圖4.18 R3組(內圈D16)分析箍筋應變-柱體軸向應變關係圖……99
圖4.19 R4組(內圈D16)分析箍筋應變-柱體軸向應變關係圖.…100
圖4.20 R2組(內圈D19)分析箍筋應變-柱體軸向應變關係圖….100
圖4.21 R3組(內圈D19)分析箍筋應變-柱體軸向應變關係圖….101
圖4.22 R4組(內圈D19)分析箍筋應變-柱體軸向應變關係圖….101
圖4.23 R組使用不同內圈號數配置下效益曲線圖………………102
圖4.24 優化配置組柱體扣除主筋應力應變曲線比較圖……….102
圖4.25 優化配置組分析箍筋應變-柱體軸向應變關係圖……...103
圖4.26 實務箍筋組柱體扣除主筋應力應變曲線比較圖…………103
圖4.27 實務箍筋組分析箍筋應變-柱體軸向應變關係圖……..…104
圖4.28 實務斷面組柱體扣除主筋應力應變曲線圖…………….104
圖4.29 實務斷面組分析箍筋應變-柱體軸向應變關係圖……....105
圖4.30 Y-Pe試驗值與分析值之力位移曲線比較…………..….…105
圖4.31 Y-Pe試驗於軸力約為1800KN時之裂縫模擬.............106
圖4.32 Y-Pe試驗於軸力達尖峰值時之裂縫模擬………….......106
圖4.33 Y-Pe試驗初達開裂時之斷面應變情形................107
圖4.34 優化配置各組之P-M軸力彎矩互制曲線圖………………107
圖4.35 優化配置各組於平衡破壞時偏心加載之力位移曲線……108
圖4.36 優化配置各組於平衡破壞時偏心加載之箍筋受力情形…108
圖4.37 五螺箍式與傳統式模擬分析之P-M軸力彎矩互制曲線….109
圖4.38 傳統方箍式與五螺箍式偏心加載下箍筋受力比較………109
圖4.39 傳統方箍式偏心加載下箍筋受力情形……………………110

照片目錄
照片2.1 6000頓萬能試驗機[1]…………………………….……111
照片2.2 試驗配置[1]………………………………………….….111
照片2.3 各系列之五螺箍RC短柱試體之配筋情形[8]………....112
照片 2.4 試體架設圖[6]………………...…………………….…112
照片3.1 試驗Y-Pe試體外型[6]……………………………….…113
照片4.1 Y-Pe試驗於軸力約為1800KN時之裂縫情形……….….113
照片4.2 Y-Pe試驗於軸力達尖峰值時之裂縫情形…………….…114


文獻參考
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[28] 楊清宏(胡宣德指導), "複合材料圍束混凝土構材受軸力行為之數值分析", 碩士論文,國立成功大學土木工程研究所,2006.







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