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第六節 火害鋼筋混凝土結構補強研究

國內李其忠等人[62] 以自充填混凝土及聚丙烯纖維自充填混凝土修復4根受 火害後的鋼筋混凝土柱,並依據CNS 12514[63]進行耐火試驗,實驗結果發現4根柱 均具有4小時防火時效,但是自充填混凝土修復柱,受高溫時發生混凝土爆裂,其 深度可見箍筋,影響柱的耐火性能。聚丙烯纖維自充填混凝土修復柱,則在高溫 中無明顯發生混凝土爆裂。由火害後修復柱之殘餘強度試驗結果顯示,柱的殘餘 強度與核心混凝土強度有關。陳舜田等人[17]探討鋼筋混凝土柱受火害後,將受火 害較嚴重部份之混凝土敲除,補以添加膨脹劑之混凝土,則原柱體是否可恢復大 部份強度及勁度以繼續使用。試驗結果顯示經火害受損之柱試體(三種斷面尺寸 20㎝、30㎝、40㎝,長度180㎝)補強後之柱構件強度及勁度大致尚能恢復未受火 害前之情形。趙文成等人[64]探討鋼筋混凝土柱受火害後,藉以碳纖維與玻璃纖維 貼布纏繞方式,外層塗以環氧樹脂固定進行補強,試驗結果得知,補強後之試體 皆能恢復未受火害前之強度。黃獻政[65]探討鋼筋混凝土樓版火害後應用碳纖維複 合材料補強效果,其研究成果顯示,補強過之樓版在強度和勁度均高於未補強之 樓版,在低補強量(50﹪以下)時貼片強度可完全發揮,高補強量(70﹪以上)

時因貼片脫離或支承破壞而使貼片無法發揮其強度。陳志弘[66]研究防火版材應用 於一般碳纖維補強梁之強度影響,藉以分析防火版材之防火能力,進而探討版材 披覆之施工法,做為日後防火版材施工參考依據。林慶元[67]及周逢霖等人[68]探 討鋼筋混凝土梁使用鋼板貼片補強後遭受高溫之行為,梁尺寸為30cm×50cm×950cm

,補強採用鋼板貼覆於梁底以補強彎矩強度之作法。由試驗結果發現,補強試體 之強度隨受熱增高而降低,另補強試體在預載加熱階段中之最大撓度與跨度比遠 大於常溫補強試體,且補強試體受熱後之破壞最大撓度與跨度比明顯較常溫之補 強試體大,應於設計過程中對此撓度影響詳加考慮。林宗毅[69]曾研究火害受損之 鋼筋混凝土梁試體,對於不同再養護方式與不同養護齡期之下,以及進行碳纖維

鋼筋混凝土梁補強後提升強度效率較大,灑水養護3個月後補強為較有效率且強度 已超過原始補強強度,養護齡期6至9個月齡期較長,因此強度變化較不大。

國外Bisby 與 Kodur [70]、Williams 等人[71]、Chowdhury 等人[72]、Ahmed 與Kodur [73,74]進行具有防火被覆之 FRP 補強鋼筋混凝土 T 形梁及矩形梁的耐火 性能試驗,探討碳纖維及玻璃纖維複合材料、不同防火被覆材料、梁的束制條件 等參數對其防火時效影響,並進行火害後殘餘強度試驗,及提出數值模擬程式評 估FRP 補強材料受高溫時黏結性降低的影響。Haddad 等人[75,76]探討受火害鋼筋 混凝土單向板及T 形梁,將受火害較嚴重部份之混凝土敲除,補以 FRP,試驗結 果顯示經火害受損試體補強後大致尚能恢復未受火害前之情形。Yaqub 等人[77,78]

則探討受火害鋼筋混凝土方形(20cm×20cm)及圓形(直徑 20cm)柱,將受火害 較嚴重部份之混凝土敲除,以不同FRP 材料進行補強,補強後柱試體多可恢復大 部份強度及勁度。

第七節 建築物修復補強

以建築物修復補強為探討主題之文獻資料相當豐富,如「鋼筋混凝土建築物 之修復與補強技術彙編」[79],「鋼筋混凝土建築物之修復與補強技術彙編(二)」[80],

「既有混凝土結構物維修及補強技術手冊」[81],「混凝土結構物修補技術指引」

[82]。依據本所 93 年研究「鋼筋混凝土建築結構桿件補強準則之研擬」[83],對於 修復與補強的定義為修復是將損壞桿件回復至原有強度,補強是回復或提高原有 結構桿件的強度。

目前工程界修復補強材料種類可分為(一)填補用修補材料,常用為水泥系 修補材料(如水泥砂漿或一般混凝土材料)、樹脂砂漿材料及裂縫灌注材料。(二)

補強修補材料,建築結構修復補強工法常以外加貼片(鋼板、FRP…)或植入鋼材

(螺栓、鋼筋)等方法,以補強原有構造。

建築物的補強方式大致分為,(一)原有結構桿件補強:當結構補強的桿件數 量不多,這些桿件的結構補強結果,對建築物的整體耐震性能力影響並不大。單 純的結構桿件補強,應避免不當或過當的補強,因而使得臨近的未補強桿件成為 耐震弱點,或降低原有建築物的耐震能力。(二)原有結構系統補強:在不改變原 有結構系統及結構行為的狀況下,將舊有梁、柱、牆壁、樓版等,作整體性、系 統性的補強。例如將部份的柱梁構架系統補強,或將原有剪力牆由下至上作整體 性的補強等。原有結構系統的補強,應會提高原有建築物之耐震能力,唯仍應避 免原有結構系統補強後,反而產生偏心扭轉振動,或新增其他耐震弱點的情形發 生。(三)新增結構桿件或新增結構系統補強:除非能確切掌握新增結構桿件(如 新增柱、牆、斜撐等)或新增結構系統(如新增柱梁構架等)的結構行為,否則,

任意新增結構桿件或新增結構系統,是相當危險的。因為新增結構桿件或新增結 構系統,可能會改變原有的結構系統及結構行為。若處理不好,新增結構桿件或

第八節 混凝土鋼承板剪力釘火害研究

Zhao 與 Kruppa [84]利用推出試驗設備,經由定載及 ISO 834 標準升溫試驗,

載重比為0,0.2,0.4,0.6 等,進行在常溫與高溫下平版和鋼承板與鋼梁垂直混凝 土版中剪力釘之抗剪性能研究,共47 組試驗,提出高溫下剪力釘承載力計算公式。

Mirza 等人[85,86]使用 ABAQUS 有限元素軟體建立含鋼梁之複合鋼承板模型,分 析剪力釘在高溫中的承載力與水平滑移量關係。並對高溫中(200℃、400℃、600

℃)的平版和鋼承板與鋼梁垂直混凝土版中剪力釘之抗剪性能進行試驗,實驗結果 顯示平版混凝土中的剪力釘之承載力較鋼承板中的剪力釘高,平版混凝土中的剪 力釘之延展性較鋼承板中的剪力釘差,且經由實驗數據擬合得到高溫下剪力釘承 載力計算公式。陳玲珠等人[87,88]採用 ABAQUS 有限元素軟體,建立三維的溫度 場分布,模擬分析高溫中合成梁之剪力釘破壞形式、破壞原因及抗剪承載力和荷 重-滑移關係。且進行高溫下平版、鋼承板與鋼梁垂直和鋼梁平行混凝土版剪力釘 推出試驗,計24 個試驗,實驗結果發現,平版混凝土及鋼承板與鋼梁平行混凝土 版試體均為焊道上側剪力釘剪斷破壞,鋼承板與鋼梁垂直混凝土版試體,在溫度 較低時為混凝土拔出破壞,在溫度較高時為剪力釘剪斷破壞,此外,剪力釘的抗 剪承載力和剛度隨溫度上升而減小,平版混凝土及鋼承板與鋼梁平行混凝土版試 體剪力釘的承載力較鋼承板與鋼梁垂直混凝土版試體高。

第九節 剪力釘承載力

國內有關剪力釘承載力的規定,於「鋼結構極限設計法規範及解說」[89] 第 九章合成構材有要求,但未考慮受高溫,其條文如下:

9.6 剪力釘 9.6.1 材料

(1) 剪力釘材料應符合第三章之規定。

(2) 剪力釘之長度應大於 4 倍剪力釘之直徑。

(3) 剪力釘應埋置於每立方公尺重量不少於 1.45 噸之混凝土中。而混凝土材料應 符合相關規範之規定。

9.6.2 水平剪力

除包覆型合成梁外,鋼骨與混凝土版間之剪力應假設全由剪力釘傳遞。在混 凝土承受彎曲壓力下,最大正彎矩至零彎矩間所承受之總水平剪力應為下列三者 中最小者:(1)0.85f Ac' c;(2)A Fs y及(3)

Qn

其中:

'

fc=混凝土之標稱抗壓強度,tf/cm2 Ac=在有效寬度內之混凝土面積,cm2 As=鋼骨之斷面積,cm2

Fy=鋼骨之標稱降伏應力,tf/cm2

Qn

=最大正彎矩至零彎矩間剪力釘之總標稱強度,tf

合成斷面連續梁在負彎矩區內之縱向鋼筋與鋼骨共同作用時,則最大負彎矩 至零彎矩間所承受之總水平剪力可取A Fr yr

Qn兩者之較小者。

其中:

9.6.3 剪力釘之強度

1.埋置於均勻厚度混凝土版內單一剪力釘之標稱強度為:

0.5

'

n sc c c sc u

Q

A f E

A F 其中:

Asc=剪力釘之斷面積,cm2

'

fc=混凝土之抗壓強度,tf/cm2 Fu=剪力釘之標稱抗拉強度,tf/cm2 Ec=混凝土之彈性模數,tf/cm2

2.剪力釘埋置於鋼浪板上之混凝土版中者,其強度須以「鋼結構極限設計法規範 及解說」9.4.5 節之公式(9.4-1)或(9.4-2)中之折減係數修正之,但此係數只用在 式(2-12)中之

0.5

Asc f Ec' c 一項。

9.6.4 所需剪力釘之數目

最大正彎矩或最大負彎矩至零彎矩間所需剪力釘之數目為以9.6.2 節計算出 之總水平剪力,除以根據9.6.3 節所計算得之單一剪力釘之標稱強度計得。

9.6.5 剪力釘之配置

1.在最大正彎矩或最大負彎矩至零彎矩間之剪力釘,可以其所需數目以等間距配 置。但在任一集中載重至鄰近零彎矩間之剪力釘數目,須足以發展出集中載重 處所需之最大彎矩。

2.剪力釘側向應最少有 2.5 cm 厚之混凝土保護層,但設置在鋼浪板肋梁上之剪力 釘除外。

3.除非直接配置在腹板正上方之翼板,否則剪力釘之直徑不得大於 2.5 倍鋼骨翼 板之厚度。

4.兩剪力釘間之最小中心間距,在梁之軸方向為 6 倍釘直徑,在橫方向為 4 倍釘 直徑;但鋼浪板肋梁上之剪力釘,兩方向之最小間距均為4 倍剪力釘直徑。兩剪 力釘間之最大中心間距為8 倍混凝土版總厚。

Eurocode 4 [90]有考慮剪力釘受高溫的承載力計算方法,其相關規定如下:

1.1 承載力法 1.1.1 鋼梁溫度

Eurocode 4 建議鋼梁的溫度分成三個部分計算。對於下翼板、腹板分別依據四面 受火考慮,若鋼梁高度小於500 mm,腹板溫度可取下翼板溫度;對於上翼板,若

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