試體軸壓強度之探討

在軸壓強度方面，本研究探討各試體之軸壓試驗強度(Pu)test 與壓碎強度

(Pu)squash之比值，(Pu)test /(Pu)squash，此比值越高表示箍筋的圍束效果越好，即所提

升之軸壓強度較高。軸壓試驗強度包含箍筋的圍束效應所導致的混凝土強度提升 之影響，亦為試體進行軸壓測試之加載過程的最大值；壓碎強度係根據材料的實 測強度所計算之預測值。本研究之壓碎強度計算公式如下：

(

P

_{u squash}) =0.85(

f

_{c test}′)

A

_c+(

f

_{y test})

A

_st (3-25)

其中 ( )

f ′

_{c tset}為混凝土實測抗壓強度；

A 為柱構件混凝土淨斷面積；( f

_c y)test為縱向鋼 筋實測降伏強度；

A 為縱向鋼筋總斷面積。本研究採用 0.85 ′

_st

f 而非 ′

_c

f 來作為未受

_c 圍束的混凝土之抗壓強度，主要是考慮混凝土材料強度受尺寸效應(Size Effect)的 影響。根據 Bresler[5]之研究，混凝土圓柱試體的抗壓強度會隨著試體尺寸的增加 而逐漸降低，降幅由1.0 ′

f 漸變 0.85 ′

_c

f 至左右。尺寸效應發生的原因可能是小尺寸

_c 的混凝土圓柱試體製作上較簡易且搗實效果較好，發生骨材粒料析離或泌水的現 象亦較少，故其變異性較低，試體也較為結實。因此，在考慮未受圍束的混凝土 之抗壓強度時，大尺寸試體的混凝土強度通常低於小尺寸圓柱試體；故本研究參 考 Bresler 之建議，以 0.85 ′

f 作為計算未受圍束的混凝土之抗壓強度。表 3.5 顯示

_c 所有短柱試體預測之壓碎強度值(Pu)squash；試驗所得之軸壓試驗強度值(Pu)test及試 驗結果之軸壓強度提升比值(Pu)test /(Pu)squash。

整體而言，五螺箍 RC 短柱試體經測試後的軸壓試驗強度值皆比所預測之壓碎 強度值為高，除了間距較大之試體 Y2-S-145 與試體 Y14-S-145 的表現較不佳以外，

大部分配置五螺箍之試體受圍束混凝土之抗壓強度提升比值約為 1.20 倍；而 配置傳統橫箍之試體則約提升 1.05 倍，在軸壓強度提升效果上比五螺箍試體較 不明顯，故顯示混凝土受到五螺箍圍束作用下，試體整體軸壓強度提升之比值可 有效增加。

根據各試體經測試後之軸壓強度來推估受到箍筋圍束作用之混凝土的抗壓強 度，

f ′ ，即將 RC 柱之軸壓試驗強度扣除主筋的軸力貢獻後，再除以受箍筋圍束

_cc 部分柱核之斷面積，其計算公式如下：

[( ) ( ) ] /

cc u test y test st ch

f

′ =

P

−

f A A

(3-26)

其中(Pu)test為柱構件軸壓試驗強度；( fy)test為柱構件軸壓試驗強度；

A 為縱向鋼筋

_st

總斷面積；

A 為受箍筋圍束部分柱核之斷面積，即五螺箍整體圍束面積。表 3.6

_ch 顯示各 RC 短柱試體未受圍束的混凝土抗壓強度

f ′ ，即 0.85( )

_co

f ′

_{c test}；經上式計算所 求得之的混凝土圍束抗壓強度

f ′ 及未受圍束與受圍束之混凝土抗壓強度比值

_cc

cc/ co

f

′

f

′ ，由表中可看出五螺箍對圍束區域內部混凝土提供良好的圍束效果，配置 五螺箍之試體受圍束混凝土之抗壓強度提升比值約為 1.60 倍；而配置傳統橫 箍之試體則約提升 1.20 倍。因此，根據試驗結果顯示五螺箍 RC 柱其受圍束混 凝土之抗壓強度提升比值明顯優於傳統橫箍 RC 柱，證實五螺箍確實發揮較佳 的圍束效應，進而有效地提升圍束箍筋内部混凝土之抗壓強度。以下再分別針對

「箍筋間距」與「小螺箍之圍束直徑」探討試體於軸壓行為上的差異。

3.5.1 箍筋間距對軸壓強度之影響

本研究試體設計係根據 ACI-318 規範最低需求箍筋體積比的要求，因五螺箍 圍束箍筋型式有別一般單螺箍 RC 柱，螺箍柱最大箍筋間距 75 mm 限制對於五螺 箍可能會過於保守，故本研究測試一系列箍筋間距大於 75 mm 以上之五螺箍試 體，進一步探討 ACI-318 規範中該項箍筋間距限制條件的適用性。各試體之破壞 情況分別如照片 3.10 至照片 3.26 所示。由試體破壞情況來看，斷面配置五螺箍且 箍筋間距較大的試體在極限載重時，混凝土開裂情況較箍筋間距較小者明顯，在 試驗終止剝除破裂混凝土後，其主筋挫屈情況大致相同且軸壓強度仍然符合預期 之值。

整體而言，試驗結果顯示箍筋間距大於 75 mm 以上之五螺箍試體，其軸壓強 度仍然符合預期之值，故證實五螺箍之箍筋間距可突破 ACI-318 規範對於螺箍柱 最大淨間距為 75 mm 之限制，根據試驗結果顯示其箍筋間距放寬到 100 mm 至 150

mm 時，其強度及韌性上皆能優於傳統橫箍 RC 柱。

(1) 交集區無配置鋼筋之五螺箍 RC 柱：

五螺箍 RC 柱之箍筋間距由 55 mm 變化到 150 mm，除了試體 Y5-M-55 因採用 同線徑之大螺箍與小螺箍作設計，故大螺箍之需求間距縮小而使最後所設計的間

距變小，其餘五螺箍試體之間距皆大於 75 mm 以上。由表 3.5 可發現間距大於 75 mm 以上之五螺箍試體，其軸壓強度仍然符合預期之值，故證實五螺箍之箍筋間距可 突破 ACI-318 規範對於螺箍柱最大淨間距為 75 mm 之限制。在箍筋線徑組合方 面，比較 S 系列中的試體 Y1-S-95 及試體 Y2-S-145，其軸壓強度提升比值分別為 1.17 及 0.97；M 系列中的試體 Y8-M-75 及試體 Y9-M-120，其軸壓強度提升比值 分別為 1.22 及 1.18。試體 Y1 與試體 Y8 之大螺箍採用較小線徑之組合(即大螺 箍線徑採用 D13 鋼筋；小螺箍線徑採用 D10 鋼筋)，而相對於大螺箍採用較大線 徑之組合(即大螺箍線徑採用 D16 鋼筋；小螺箍線徑採用 D10 鋼筋)的試體 Y2 與 Y9，因大螺箍需求間距變大而放寬整體箍筋間距，間距放寬後對於主筋的側向 支撐效果相對減低，特別是柱四邊主筋容易發生挫屈而導致箍筋斷裂，故軸壓強 度提升效果比試體 Y1 與 Y8 較不佳。

在混凝土強度方面，如圖 3.18 至圖 3.21 所示，依照混凝土強度及箍筋線徑組 合之不同而分類，利用正規化軸力-位移曲線圖以比較五螺箍與傳統橫箍之軸壓行 為差異。整體而言，五螺箍 RC 柱之軸壓強度提升比值較傳統橫箍 RC 柱高，顯 示五螺箍具有較佳的圍束能力而有效地提升混凝土之抗壓強度。根據 ACI-318 規 範之設計公式，若採用較高強度之混凝土則須配置較密之箍筋間距，故設計結 果所需之箍筋用量較多，其軸壓強度提升之比值將略微提高。比較結果發現，在 約略相同箍筋間距下，混凝土強度為 34.3 MPa 之試體，大致上其軸壓強度提升效 果比混凝土強度為 27.4 MPa 較明顯，顯示採用較高強度混凝土可達到提高混凝土 抗壓強度之效果。

(2) 交集區配置輔助筋之五螺箍 RC 柱：

如圖 3.22 所示，在四個角落交集區各配置一根 4 號(即採用 D13 鋼筋)之縱向 輔助筋，其軸壓強度提升之比值有些微提升之趨勢，特別是針對交集區面積較小 且箍筋間距較大之 S 系列五螺箍斷面，其軸壓強度提升比值有些許提高的趨勢，

例如試體 Y14-S-145 其軸壓強度提升比值為試體 Y2-S-145 的 1.08 倍(試體 Y2 為 0.97；Y14 為 1.05)，故可得知交集區配置輔助筋之試體雖其軸壓強度提升比值稍

高，但所提升之比例並不是很明顯，因此若針對軸壓行為而言，基於經濟上之考 量則交集區可不配置鋼筋。

(3) 傳統橫箍 RC 柱：

對照組 2 支不同混凝土強度之傳統橫箍 RC 柱的箍筋間距皆為 120 mm，因依 照 ACI-318 規範所規定之橫箍筋應配置適當繫筋，故箍筋間距轉而由橫箍筋之最 大箍筋間距限制規定所控制，即公式(2-5)所計算出的最大箍筋間距

s 。其中，若

_o 依照 ACI-318 規範所規定橫箍柱之最小圍束箍筋量的規定作設計，則試體 R1-120 原需求間距為 160.7 mm；試體 R2-120 原需求間距為 128.5 mm，而試體斷面配置相 同數量與線徑之繫筋，依規定所計算出的最大箍筋間距限制皆為 122.5 mm，而試 體 R1 即因該項設計規定必須將設計間距縮小，由此可知在設計上試體 R1 將顯得 較為保守許多。因此，雖 2 支試體皆為配置傳統橫箍之斷面，但試驗結果在軸壓 強度提升比值方面將會有所差異(試體 R1 為 1.09；R2 為 0.83)。

3.5.2 小螺箍之圍束直徑對軸壓強度之影響

根據表 3.4 及表 3.5 所示，分別比較三種不同系列之五螺箍試體之軸壓行為差 異，並依照不同混凝土強度及箍筋線徑組合進行比較。試驗結果顯示，在配置相 同縱向鋼筋、混凝土強度及箍筋線徑組合的情況下，L 系列之五螺箍試體的軸壓強 度提升比值明顯高於 S 與 M 系列。如三種系列之五螺箍試體 Y3-S-75、Y8-M-75、

Y12-L-75，皆為混凝土強度 27.4 MPa 且箍筋線徑組合為 D13 與 D10 鋼筋之試體，

其軸壓強度提升之比值分別為 1.17、1.22、1.29，可得知小螺箍之圍束直徑變大將 有助於提升軸壓強度比值的趨勢。由於 L 系列之小螺箍圍束直徑最大而總箍筋用 量較多，且受箍筋圍束部分柱核之斷面積與交集區面積較大，故增加小螺箍之圍 束直徑可對軸壓強度有所提升。因交集區內部混凝土的圍束行為較為特殊，因同 時受到大螺箍與小螺箍圍束效應交互作用之影響，當試體受到軸向壓力的作用 時，兩者同時會因內部圍束之混凝土側向膨脹而產生環向拉力，顯示混凝土於複 合螺箍中能發揮類似雙重圍束的特性，並有助於提升混凝土軸向抗壓強度。

整體而言，雖將小螺箍圍束直徑加大可提升軸壓強度，但若採用較小之小螺 箍圍束直徑，一方面可使用較少之箍筋用量，且強度仍然符合預期之值，其表現 亦略優於傳統橫箍 RC 柱之軸壓強度，因此採用小螺箍圍束直徑較小之 S 系列作設 計較符合經濟效益。

在文檔中 五螺箍矩形RC 柱之軸壓試驗與優化研究 (頁 32-37)