6 第六章 實驗結果分析與數值模擬比較
6.1 試驗結果與分析
本節介紹管線系統破壞反覆載重試驗結果，對於管線系統破壞模式、管線的 力學行為，以及所量測得的數據，作一系列介紹：
本次管線系統試驗並無發生法蘭接頭螺栓鬆脫所導致至洩漏現象，且頸縮接 頭、彎管及三通管焊接處皆無破壞，故採用管壁發生局部破壞，作為失效依據參 考。本試驗施力來源為壓力容量 1000kN 之油壓致動器施加力於質量塊上，與質 量塊先連接之三通管雖已將內部灌入水泥以避免破壞，仍因局部應力太大導致內 部水泥破碎，失去水泥的加勁效果後，三通管之金屬管壁則因為反覆加載而破壞 導致漏水，如圖 6.1，以此作為本次實驗之終點。
本試驗施力來源為壓力容量 1000kN 之油壓致動器施加力於質量塊上，採用 位移控制，其致動器所得到之位移歷時與力量歷時如圖 6.2 與圖 6.3 所示。可看 出圖 6.3 致動器施力歷時圖呈現些微不對稱狀態，由於本試驗支管線系統為非對 稱結構，此一現象實屬合理。因此，以下所有量測儀器(例：角度計與應變計)均 有不對稱現象發生。
6.1.1 荷重計
本試驗於水平管線段與反力牆面之間配置四組荷重計(L1/L2/L3/L4)，於垂直 管線段與強力地板之間配置一組荷重計(L5)，記錄管線系統邊界受力狀態。由於本 試驗試體變形較大，並未束制油壓致動器施力方向，實驗過程中油壓致動器明顯 有垂直抬升、下降及水平擺盪之現象，因此試驗過程中施力方向不固定，因此荷 重計的各方向受力變化也較為複雜，在此先定義整體管線之系統座標與荷重計之
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編號，如圖 6.4 所示，以此座標作進一步討論。各荷種計三向之量測訊號如圖 6.5。
當油壓致動器對管線系統施以推力時，牆面上之四枚荷重計於 X 向之受力行為分 別為：1 號荷重計受正向力、2~4 號荷重計受負向力，由於油壓致動器施加力於質 量塊上，且質量塊之位置高於此四枚荷重計，因此當油壓致動器對管線系統施以 推力時，會對此處管線產生一正 Y 向與正 Z 向之間之傾斜力矩(如圖 6.6)，而導致 此受力現象，而 5 號荷重計受負向力則是因管線系統受推力作用時，直管沿推力 方向傾斜，而在直管支承處產生一回推力，而當油壓致動器對管線系統施以拉力 時，所有 X 向之受力行為皆呈現相反之現象；當油壓致動器對管線系統施以推力 時，牆面上之四枚荷重計於Ｙ向之受力行為分別為：1 號、4 號荷重計受負向力、
2 號、3 號荷重計受正向力，如圖 6.7，推測能原因為館線系統與荷重計之間之鋼 板並非完美鋼體，而管線所在位置位於鋼板中心點偏上(如圖 6.7)，因此當管線系 統成數推力時，靠近管線之鋼板(1 號、2 號荷重計處)呈現外張之情形，而離管線 較遠之鋼板(3 號、4 號荷重計處)則呈現內縮之情形，而 5 號荷重計受負向力之原 因與 X 向相同，管線系統受推力作用時，直管沿推力方向傾斜，而在直管支承處 產生一回推力，而當油壓致動器對管線系統施以拉力時，所有 Y 向之受力行為皆 呈現相反之現象；當油壓致動器對管線系統施以推力時，牆面上之四枚荷重計於 Z 向之受力行為分別為：1~3 號荷重計受正向力、4 號荷重計受負向力，此一受力情 形可對應 Y 向之受力情形一同觀察，可之當油壓致動器施力於質量塊上時，牆面 支承處會產生扭轉效應，如圖 6.8 所示，而 5 號荷重計則受正向力，可知當管線 系統受推力時，直管與地面之支承處會呈現拉拔之情形，而當油壓致動器對管線 系統施以拉力時，所有 Z 向之受力行為皆呈現相反之現象。若將與反力牆連接之 管線視為一支承點，可將牆面上之四枚荷重計加總，觀察其力學行為，如圖 6.9 所示，當油壓致動器對管線系統施以推力時，此支承點之三向受力皆為正向，當 油壓致動器對管線系統施以拉力時，此支承點之三向受力皆為負向。
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6.1.2 角度計
試驗中所設置之角度計結果如圖 6.10，定義角度計順時針旋轉為負、逆時針 旋轉為正。 本試驗角度計分別位於直管段、三通管及與反力牆連接之橫管段，圖 6.11 為直管段角度計之比較，由圖可看出垂直管線段垂直分配之五組角度計角度 (A1/A2/A3/A4/A5)變化幾乎一致，此一結果顯示直管段呈顯鋼體旋轉，油壓致動器 作用所造成之彎矩幾乎由直管段底部之荷重計來承受；圖 6.12 為三通管段垂直分 配之兩枚角度計比較，由圖可看出此兩枚角度計角度變化幾乎一致，此一結果顯 示三通管段呈顯鋼體旋轉；圖 6.13 為位於與反力牆連接之橫管段角度計比較，三 組角度計(A6/A7/A8)沿水平方向分佈，由圖可看出最接近反力牆之角度計 A8 具有 最小之角度變化，而最接近油壓致動器之角度計 A7 具有最大之角度變化，而 A6 之角度變化則因與另一橫管連接，角度變化受到束制，因此角度變化介於 A7、A8 兩者之間，此外，三枚角度計變化方向一致，由圖可看出當油壓推進器施以推力 時，三枚角度計之變化為正方向(逆時針)，表示當油壓推進器施以推力時橫管段會 以反力牆為支點呈逆時針傾斜。
6.1.3 應變計
試體中所設置之應變計所測得的數值用於分析試體變形情況，且利用單向與 三軸向之應變計作為試體支承處受力之確認與力矩之計算，於試體各處配置二組 單項應變計量測軸向(Ａ)與弧向(Ｃ)之應變或配之三向應變計量測軸向(Ａ)、弧向 (Ｃ)與 45 度夾角向(B)之應變，用以換算最大剪應變(力)，量測結果如附錄所示，
以下分別深入比較支承處(1 號、11 號應變計)與系統破壞處(9 號應變計)之應變計 訊號：比較垂直管底部之 1 號管線軸向應變計，如圖 6.14 所示，可看出當油壓致 動器對管線系統施以推力時，北向與東向應變計皆呈現拉伸，南向與西向應變計 皆呈現縮短，由於油壓致動器之施力方向介於南向與西向應變計之間，此結果十 分合理；觀察與反力牆連接之水平管支承處之 11 號應變計，如圖 6.15 所示，可
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看出當油壓致動器對管線系統施以推力時，南向與東向應變計皆呈現拉伸，北向 與西向應變計皆呈現縮短，由於油壓致動器之施力點高於此支承，且會對此處管 線產生一正 Y 向與正 Z 向之間之傾斜力矩(如圖 6.6)，此結果可與本節荷重計之結 果相呼應。
若以平面應力與彈性之假設將應變換算為應力，如(6.1)所示：
2 ( )
A 1 A C
E
(6.1)其中
A為軸向應變、
C為弧向應變、
為金屬材料之柏松比 0.3、E
為本試體材料之楊氏係數 211GPa、
A為軸向應力，以軸向及弧向應變計之訊號換算為軸 向應力，觀察管線系統降伏情形(此試體材料之降伏強度為)，圖 6.16 為受力較大 之反力牆面支承處之 11 號應變計換算之應力，黑色橫線為本試體材料之降伏應力 331MPa，由圖可看出約在油壓致動器位移為 60mm~80mm 時(3000 秒~3500 秒)，北向與南向之表面開始降伏；圖 6.17 為接近油壓致動器三通處之 9 號應變計換算 之應力，黑色橫線為本試體材料之降伏應力 331MPa，由圖可看出約在油壓致動 器位移為 20mm~30mm 時(1500 秒~2000 秒)，北向與南向之表面開始降伏，亦可由 各處應變計換算之應力大小觀察出接近油壓致動器之三通處為本試驗之應力集中 處，此處亦是本試驗之破壞位置。
本試驗法蘭接頭處為兩端螺帽對鎖於螺桿上，於試驗前每顆法蘭螺帽均鎖緊 並透過扭力板手施加 54 54 kgf‧m 扭力值，使螺桿有一定預拉力。圖 6.18 為螺栓 應變計讀值，其最大應變為編號 M2805 之螺栓應變計 56.12 micro Strain，仍在彈 性區域。
6.1.4 影像量測系統(NDI)
影像量測系統為利用光學量測各量測點之座標位置，可用於分析試體的變位
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情況，如附錄，可看出油壓致動器施力的質量塊頂部(D25)有最大的位移，與質量 塊底部(D11、D26)之位移皆不同，表示油壓致動器的施力方向並非水平，且施力 水平方向也不固定；此外，根據荷重計之讀值可知垂直管段受力較小，且由圖 6.19 看出法蘭上下部之影像量測點 D2、D3 位移幾乎重疊，錯位極小，因此實驗過程 中也沒發生漏水情形。此外，由圖 6.20 可看出彈簧支撐架之 U 型托架與接近之管 壁量測點 D8、D9 位移幾乎重疊，錯位極小，因此實驗過程中彈簧支撐架與管線 之間並無產生滑動情形，此為後續模型修正之依據，將於 6.2 節作進一步的討論。
6.1.5 水壓計
試驗進行中，量測試體內部水壓變化情況，水壓初始值設定為 7kgf/cm2，試 驗過程中不補壓。試驗過程中，可發現於小振幅位移時，水壓變化不大，但於大 振幅時，由壓致動器施力與管壁變形情況對管內水壓產生急劇之變化，然而皆在
±0.5 kgf/cm2之變動範圍內，如圖 6.21 所示。
以上之實驗結果，皆會作為管線模擬之依據，並依照試驗結果對數值模型做 適當之修改，其模型之設定與比較將於下節說明。