鋼鈑補強受損鋼筋混凝土樑柱結點之反覆載重行為

Abstract

台灣地區地震頻繁，建築物受震後，部份桿件往往遭受不同程度之損壞。基於經濟原則之考量，在安全許可之前提下，對受損構件修復補強，常常是最佳的選擇。在補強工法中，利用環氧樹脂黏貼鋼鈑於鋼筋混凝土表面之補強方式，已證實有效且實用。本文特別針對受地震損傷之鋼筋混凝土樑柱接頭部分，進行環氧樹脂黏貼鋼鈑補強，以探討其適用性，併深入研究其構件行為。 本研究中所有原始試體，皆設計為二維樑柱十字形接頭，並依強柱弱樑之觀念，加載後將由樑撓曲破壞。除控制組試體外，所有原始試體皆以反覆加載之方式，預壓至位移達1.5倍降伏位移為止(用以模擬遭受地震作用而受呈中度損壞之狀態)，而後分別利用環氧樹脂修復，再側貼鋼鈑補強。試驗參數為補強型式與鋼鈑厚度。試驗主要探討各型補強試體之破壞方式、能量吸收能力、強度、勁度…等構件行為。 試驗結果顯示，鋼鈑補強確實可以有效提昇受損樑柱接頭試體之構件行為，並使其具有相當之抗震能力。於試體未降伏前，構件行為發展主要受補強鋼鈑控制，其強度與勁度提昇量以鋼鈑厚度越大之試體表現越好。試體降伏後，補強型式主控其破壞方式以及相關構件行為之表現，結果顯示，鋼鈑具適當束制之補強試體具有最佳之能量吸收能力(韌性需求)以及強度維持能力(避免突發性崩塌)，其破壞過程相當緩和，皆成十分良好之韌性破壞。Some components of the reinforced concrete structure will damage due to the effect of earthquake. Repairing those damaged parts by gluing steel plates is one of several economical methods. The purpose of this study is researching the behavior of the damage reinforced concrete beams rehabilitated and strengthened by gluing steel plate. The original specimens were preloaded to 1.5 times of their yield displacement and subsequently repaired by gluing steel plate on the lateral surfaces. The result of experiment was evaluated and compared with each other in terms of the repairing type and the thickness of the steel plate. The failure modes, strength, stiffness, and ductility were discussed. The results are shown that plate bonding repair technique is a useful method to rehabilitate and strengthen the damage beam. Anchorages to the bonded plates can increase ductility and improve the failure mode.目錄 ◎ 摘要……………………………………………………………Ⅰ ◎ ABSTRACT………………………………………………………Ⅱ ◎ 目錄……………………………………………………………Ⅲ ◎ 表目錄…………………………………………………………Ⅵ ◎ 圖目錄…………………………………………………………Ⅶ ◎ 照片目錄………………………………………………………Ⅹ 第一章 緒論…………………………………………………………1 第二章 文獻回顧……………………………………………………2 2-1 外國文獻………………………………………………………2 2-2 本國文獻………………………………………………………3 第三章 試驗規劃……………………………………………………5 3-1 研究目的………………………………………………………5 3-2 試體設計與資料擷取規劃……………………………………6 3-2-1 試體設計…………………………………………………6 3-2-2 試體與資料擷取規劃……………………………………6 3-3 材料性質………………………………………………………7 3-3-1 混凝土……………………………………………………7 3-3-2 鋼鈑………………………………………………………7 3-3-3 鋼筋………………………………………………………8 3-3-4 環氧樹脂…………………………………………………8 3-4 試體編號………………………………………………………8 3-5 試體製作………………………………………………………9 3-5-1 鋼筋混凝土樑柱接頭十字型試體製作…………………9 3-5-2 試體預壓試驗…………………..…………………… 10 3-5-3 環氧樹脂修復與鋼鈑補強…………………………… 11 3-6 試驗設備與量測規劃……………………………………… 13 3-6-1 試驗儀器……………………………………………… 13 3-6-2 資料量測規劃………………………………………… 13 3-7 試體架設與加載方式……………………………………… 16 第四章 試驗結果與討論………………………………………… 18 4-1 試體破壞方式之觀察……………………………………… 19 4-1-1 控制組試體(O型)破壞方式觀測結果 ……………… 19 4-1-2 A型補強試體破壞方式觀測結果………………………22 4-1-3 B型補強試體破壞方式觀察結果………………………25 4-1-4 C型補強試體破壞方式觀察結果………………………27 4-1-5 試體破壞方式觀察心得……………………………… 30 4-2 載重-位移遲滯曲線…………………………………………33 4-2-1 控制組試體(O型)………………………………………33 4-2-2 A型補強試體……………………………………………34 4-2-3 B型補強試體……………………………………………35 4-2-4 C型補強試體……………………………………………36 4-2-5 載重-位移遲滯曲線結論………………………………36 4-3 鋼鈑補強於力控制階段之效益…………………………… 39 4-3-1 強度與勁度之修正…………………………………… 40 4-3-2 各型試體之補強效益………………………………… 41 4-4 試體降伏後之能量吸收…………………………………… 43 4-4-1 原理…………………………………………………… 43 4-4-2 各型試體之能量吸收情形…………………………… 43 4-4-3 各型試體之比較與結論……………………………… 45 4-5 試體降伏後之強度發展…………………………………… 48 4-5-1 各型試體降伏後之強度發展………………………… 48 4-5-2 各型試體強度衰減之比較與結論…………………… 50 4-6 試體降伏後之勁度衰減…………………………………… 52 4-6-1 各型試體之勁度衰減與比較………………………… 52 4-7 理論計算之應用…………………………………………… 54 第五章 結論與建議……………………………………………… 55 相關文獻整理………………………………………………………… 58 附件一………………………………………………………………… 65 表目錄 表3-1 試體規劃表……………………………………………………66 表4-1 C型試體降伏勁度修正表…………………………………… 67 表4-2 O、A型試體力控制階段補強效益表…………………………68 表4-3 B、C型試體力控制階段補強效益表…………………………69 表4-4 各型試體能量吸收表…………………………………………70 表4-5 各型試體累積能量吸收表……………………………………71 表4-6 正加載各型試體強度發展表…………………………………72 表4-7 負加載各型試體強度發展表…………………………………73 表4-8 正加載各型試體強度比值表…………………………………74 表4-9 負加載各型試體強度比值表…………………………………75 表4-10 正加載各型試體勁度發展表…………………………………76 表4-11 負加載各型試體勁度發展表…………………………………77 表4-12 正加載各型試體勁度衰減殘餘比值表………………………78 表4-13 負加載各型試體勁度衰減殘餘比值表………………………79 表4-14 理論極限強度與試驗值之比較………………………………80 圖目錄 圖3-1 試體設計圖……………………………………………………81 圖3-2 試體規劃圖……………………………………………………82 圖3-3 O型試體尺寸示意圖………………………………………… 83 圖3-4 A型試體尺寸示意圖………………………………………… 83 圖3-5 B型試體尺寸示意圖………………………………………… 84 圖3-6 C型試體尺寸示意圖………………………………………… 84 圖3-7 預壓試體架設圖………………………………………………85 圖3-8 試體架設圖……………………………………………………86 圖3-9 各感測器獨立配線圖…………………………………………87 圖3-10 資料擷取系統配線……………………………………………86 圖4-1 原始試體單向加載載重位移圖………………………………88 圖4-2 試體FON001載重位移圖…………………………………… 88 圖4-3 試體FOP001預壓載重位移圖……………………………… 89 圖4-4 試體FOP001載重位移圖…………………………………… 89 圖4-5 試體FAP121預壓載重位移圖……………………………… 90 圖4-6 試體FAP121載重位移圖…………………………………… 90 圖4-7 試體FAP122預壓載重位移圖……………………………… 91 圖4-8 試體FAP122載重位移圖…………………………………… 91 圖4-9 試體FAP201預壓載重位移圖……………………………… 92 圖4-10 試體FAP201載重位移圖…………………………………… 92 圖4-11 試體FAP202預壓載重位移圖……………………………… 93 圖4-12 試體FAP202載重位移圖…………………………………… 93 圖4-13 試體FBP121預壓載重位移圖……………………………… 94 圖4-14 試體FBP121載重位移圖…………………………………… 94 圖4-15 試體FBP122預壓載重位移圖……………………………… 95 圖4-16 試體FBP122載重位移圖…………………………………… 95 圖4-17 試體FBP201預壓載重位移圖……………………………… 96 圖4-18 試體FBP201載重位移圖…………………………………… 96 圖4-19 試體FBP202預壓載重位移圖……………………………… 97 圖4-20 試體FBP202載重位移圖…………………………………… 97 圖4-21 試體FCP122預壓載重位移圖……………………………… 98 圖4-22 試體FCP122載重位移圖…………………………………… 98 圖4-23 試體FCP201預壓載重位移圖……………………………… 99 圖4-24 試體FCP201載重位移圖…………………………………… 99 圖4-25 試體FCP202預壓載重位移圖………………………………100 圖4-26 試體FCP202載重位移圖……………………………………100 圖4-27 O型試體降伏強度與勁度提升量比值圖(正循環)……… 101 圖4-28 A型試體降伏強度與勁度提升量比值圖(正循環)……… 101 圖4-29 B型試體降伏強度與勁度提升量比值圖(正循環)……… 102 圖4-30 C型試體降伏強度與勁度提升量比值圖(正循環)……… 102 圖4-31 O型試體降伏強度與勁度提升量比值圖(負循環)……… 103 圖4-32 A型試體降伏強度與勁度提升量比值圖(負循環)……… 103 圖4-33 B型試體降伏強度與勁度提升量比值圖(負循環)……… 104 圖4-34 C型試體降伏強度與勁度提升量比值圖(負循環)……… 104 圖4-35 正循環各型試體降伏強度與勁度提升量比值圖(鋼鈑厚1.2mm)……………………………………………………105 圖4-36 正循環各型試體降伏強度與勁度提升量比值圖(鋼鈑厚2.0mm)……………………………………………………105 圖4-37 負循環各型試體降伏強度與勁度提升量比值圖(鋼鈑厚1.2mm)……………………………………………………106 圖4-38 負循環各型試體降伏強度與勁度提升量比值圖(鋼鈑厚2.0mm)……………………………………………………106 圖4-39 懸臂樑自由端受力與解壓示意圖…………………………107 圖4-40 載重-位移圖 ………………………………………………107 圖4-41 O型試體累積能量………………………………………… 108 圖4-42 A型試體累積能量………………………………………… 108 圖4-43 B型試體累積能量………………………………………… 109 圖4-44 C型試體累積能量………………………………………… 109 圖4-45 各型試體累積能量比較圖(鋼鈑厚1.2mm)……………… 110 圖4-46 各型試體累積能量比較圖(鋼鈑厚2.0mm)……………… 110 圖4-47 正加載各型試體強度發展比較圖(鋼鈑厚1.2mm )………111 圖4-48 正加載各型試體強度發展比較圖(鋼鈑厚2.0mm )………111 圖4-49 負加載各型試體強度發展比較圖(鋼鈑厚1.2mm )………112 圖4-50 負加載各型試體強度發展比較圖(鋼鈑厚2.0mm )………112 照片目錄 照片3-1 柱面黏貼應變計處……………………………………… 113 照片3-2 鋼筋籠之製作…………………………………………… 113 照片3-3 模具……………………………………………………… 113 照片3-4 澆置混凝土前之鋼筋籠定位…………………………… 113 照片3-5 混凝土拌合……………………………………………… 113 照片3-6 B型試體預留孔洞 ……………………………………… 113 照片3-7 拆模室外養護…………………………………………… 114 照片3-8 B型試體預壓架設圖 …………………………………… 114 照片3-9 B型試體預留孔洞鋼棒拔除後磨平混凝土表面 ……… 114 照片3-10 灌注環氧樹脂修復樑頂混凝土開裂面(B型試體正面)……………………………………………………… 114 照片3-11 灌注環氧樹脂修復樑頂混凝土開裂面(B型試體背面)……………………………………………………… 114 照片3-12 灌注環氧樹脂修復樑身混凝土開裂面(B型試體)…… 114 照片3-13 灌注環氧樹脂修復樑身混凝土開裂面(O、A、C型試體)……………………………………………………… 115 照片3-14 鋼鈑與R.C樑間之封邊作業準備…………………… 115 照片3-15 灌注環氧樹脂後進行養生……………………………… 115 照片3-16 灌注環氧樹脂後靜置等待硬化之完全………………… 115 照片3-17 反力框架示意圖………………………………………… 115 照片3-18 ADAM資料擷取系統……………………………………… 115 照片4-1 試體FON001於力控制階段所出現之斜裂縫與剪力裂縫交織情形………………………………………………………116 照片4-2 試體FON001於μ=2時出現之樑頂撓曲裂縫與樑身撓剪裂縫發展情形…………………………………………………116 照片4-3 試體FON001於μ=2時所出現之明顯剪力裂縫…………116 照片4-4 試體FON001於位移控制階段中期裂縫發展情形……… 116 照片4-5 試體FON001於試驗結束時之裂縫發展情形(側視圖) … 116 照片4-6 試體FON001於試驗結束時之裂縫發展情形(正視圖) … 116 照片4-7 試體FOP001於試驗開始前裂縫未出現之原始狀態 …… 117 照片4-8 試體FOP001於力控制階段前期裂縫發展情形(側視圖)………………………………… …………………… 117 照片4-9 試體FOP001降伏時之電腦紀錄圖形…………………… 117 照片4-10 試體FOP001結束試驗時之裂縫發展情形……………… 117 照片4-11 試體FAP121支承處鋼鈑剝離情形……………………… 117 照片4-12 試體FAP121柱面鋼鈑挫曲情形………………………… 117 照片4-13 試體FAP121鋼鈑挫曲範圍由柱面向支承延伸，最終剝離之情形……………………………………………………118 照片4-14 試體FAP121於試驗結束後移除剝離鋼鈑之試體外觀示意圖(正面)…………………………………………………118 照片4-15 試體FAP121於試驗結束後移除剝離鋼鈑之試體外觀示意圖(背面)…………………………………………………118 照片4-16 試體FAP122試驗結束後之破壞情形……………………118 照片4-17 試體FAP122試驗結束後鋼鈑未脫落情形………………118 照片4-18 試體FAP201 加載時柱面鋼鈑挫屈情形 ………………118 照片4-19 試體FAP201 柱面鋼鈑受拉壓平，受壓凸起之現象… 119 照片4-20 試體FAP201利用環氧樹脂修復處之混凝土開列情形…119 照片4-21 試體FAP201鋼鈑由柱面向支承剝離情形………………119 照片4-22 試體FAP201鋼鈑剝離情形………………………………119 照片4-23 試體FAP201柱面鋼鈑嚴重挫屈剝離情形………………119 照片4-24 試體FAP201於試驗結束後移除剝離鋼鈑之試體外觀… 119 照片4-25 試體FBP122 柱面附近之貫穿裂縫 …………………… 120 照片4-26 試體FBP201柱面鋼鈑挫屈情形……………………… 120 照片4-27 試體FBP201柱面鋼鈑挫屈範圍束制情形………….. 120 照片4-28 試體FCP122柱面鋼鈑挫屈情形……………………… 120 照片4-29 試體FCP122裂縫發展情形…………………………… 120 照片4-30 試體FCP122試驗結束後之裂縫發展情形…………… 120 照片4-31 試體FCP201柱面處之鋼鈑挫屈情形………………… 121 照片4-32 試體FCP201撓曲裂縫與縱向裂縫交叉情形………… 121 照片4-33 試體FCP201 裂縫發展與鋼鈑剝離情形 ……………… 121 照片4-34 試體FCP201 柱面加勁條於焊接處斷裂 ……………… 121 照片4-35 試體FCP201試驗結束時之試體破壞情形…………… 121 照片4-36 試體FCP201試驗結束時之裂縫發展情形 …………… 12