第四章 試驗結果與分析
4.5 複合式混凝土橋柱之性能探討
4.5.5 跨深比對於橋柱性能之影響
2.27，有兩組試體可以相互比較，分別為 STRC1（3.6tf/cm2）
與 STRC6（2.9tf/cm2），ST3 與 ST5(fsj 相等)。取林科銘【8】
試體 SB03 與其相互比較跨深比之影響，因為此試體之斷面性
壓桿，容易直接傳遞至未圍束區之柱頭，使得鋼管無法發揮其
由於圓形鋼管圍束面積為曲面式包覆混凝土，不會有鋼管側向 勁度不足之問題，使得達極限強度後可發揮較佳的消散能量。
以上短跨深比之試體可得知，有軸力作用下，雖然可抑制 混凝土斜向裂縫之成長，但會使得混凝土之裂縫成長會較為平 緩，當混凝土開裂嚴重形成壓桿時，容易使得壓桿無法與鋼管 形成良好 Truss Action。但與傳統混凝土橋柱相較下，複合式 橋柱於最極端情況下，於低跨深比下且軸力作用，仍然可發揮 束形成良好之 Truss Action，當側向力使得橋柱受剪力時，可 將力量均勻傳遞至橋柱基礎。此外，於跨深比較高之狀況下，
鋼管形狀比例會較為細長，鋼管若採用一體連貫時，較長之鋼 管於撓曲變形下，使得鋼管斷面上承受軸向力量之狀況，而降 低環向鋼管所提供圍束的效果，所以鋼管採用分段式設計，即 鋼管分段而不採用整體連貫，可使得鋼管發揮較好之效果。
4.5.6 剪力釘對於橋柱性能之影響
由鋼管應變計可知，鋼管所受之應變量會較為均勻，即鋼管受
桿會直接傳遞至柱頭，使得鋼管無法發揮其圍束效應，而且壓
釘可配置間距為 30cm。此外，剪力釘配置方式，於鋼管四面
得橋柱有較佳之韌性；高軸力下(0.2f’cAg)作用下，混凝土受到
此外，N. Wehbe, M. Saiidi, D. Sanders, D. Sanders and B. Douglas【32】等國外學者認為，一般橋柱之軸力係數皆小 於0.4A fg c'。而 Riyad S. Aboutaha, and Rafael Machado【37】
列於各種載重下有共同現象，就是當軸力越來越大時，強度會 提高，不過 Drift Ratio 會越來越低，亦即代表其韌性會隨著遞 減。SCRC 系列，可發現當軸力提升時，其強度與其韌性會隨 著提高，但若軸壓力大於0.25A fg c'後，雖然強度會提高，但其 橋柱韌性卻會降低，如同軸力為P 0.25A f andg c' 0.36A fg c'之比 較。由實驗數據得知，SCRC 系列其 Drift Ratio 均可達到 6%，
當軸壓為0.25A fg c'左右，橋柱可得到較佳之強度與韌性。
表 4.5.7.2 所表示之數據，為軸力對於彎矩強度比植之影 響，個別分析林科銘【8】與王志德【12】之設計斷面，亦可 發現當P 0.25A fg c'時，其彎矩強度比值增加較多，而且與 Riyad S. Aboutaha, and Rafael Machado【37】之數據比較，
有相接近之結果，所以可得知施加適當的軸力，對於複合式橋 柱之韌性與強度是有好處的，根據此論點可設計出較為經濟之 斷面。
第五章 結論與建議
本文主要探討複合式混凝土橋柱之受力行為。分析複合式橋 柱之剪力容量，即混凝土與鋼管剪力強度之疊加法評估，以及 討論橋柱不同破壞模式之結構行為。分別針對軸力、鋼管厚度、
剪力釘的配置與跨深比的不同，來探討鋼管在複合式混凝土斷 面中所扮演的角色。以下為本文研究之結論與建議：
1. 以鋼管來取代傳統箍筋之概念，可改善傳統鋼筋混凝土施工 上之困擾，在橋柱跨深比較小而剪力需求大時，亦可承受高 剪力與高彎矩同時作用下，無論是強度、韌性與消能能力也 都較傳統鋼筋混凝土桿件要高出許多。
2. 由 Aschheim and Moehle【21】所提出於施加軸壓力下之剪 力容量計算公式，與鋼管剪力強度相疊加而得橋柱之設計剪 力強度，由實驗分析結果可知，實驗值與設計值之比值最大 1.17，可得到不錯之結果。
3. 由王智德【12】之實驗結果可知，根據 2.8 之鋼管厚度設計，
從各種破壞模式可知，皆有很好韌性之表現。而採用厚度不 足之 2mm 鋼管，亦有不錯的表現，遠較傳統式橋柱具韌性，
4mm 較 2mm 鋼管韌性增加約 13~30%。
4. 本研究之圓形與矩形鋼管長度約為 D，鋼管過短且錨定長度 不足，使得鋼管邊緣無法發揮效應，圍束區僅於剪力釘內，
導致無法有效圍束混凝土之壓桿，使得混凝土壓桿皆直接傳 遞至柱頭。建議鋼管之長度應大於 2D，如此混凝土壓桿與 鋼管圍束可形成 Truss Action。
5. 由實驗結果分析可發現，於軸力作用下，混凝土斜向裂縫較
距離橋柱底 10cm 處。
9. 由本研究低跨深比之剪力破壞試體發現，高軸力下(0.2f’cAg) 作用下，使得混凝土較少橫向裂縫，形成較為平緩且較大塊 之壓桿，鋼管之圍束效果較差。由此可發現軸壓力約於 0.1f’cAg~0.2f’cAg，混凝土開裂後形成之壓桿會較為傾斜，
發展出較細微裂縫，可與鋼管圍束產生較好之 Truss Action。
參考文獻
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表 2.1 摩擦係數 μ
剪力面狀況 μ
整體澆鑄之混凝土 1.4
澆鑄於已硬化之混凝土面者* 1.0
澆鑄於型鋼面者** 0.7
* 其剪力傳遞之介面須乾淨、無浮垢，並刻意使其粗糙程度約達 0.6cm。
**所剪力於型鋼及混凝土間傳遞，則型鋼面須無鬆銹、鬆屑、油脂、油漆 或其他雜物。
表 3.1.1 林科銘【8】試體設計資料
試體編號 斷面幾何 橋柱尺寸 橋柱高 跨深比 鋼筋比（%） 鋼管厚度 間隙區域 軸向載重 CBO3 圓形 D=50cm 250cm 5 2.34(16-D19) 3mm 3cm 50 噸 CBO6 圓形 D=50cm 250cm 5 2.34(16-D19) 6mm 3cm 50 噸
未斷筋 2.34(16-D19) CMO6 圓形 D=50cm 250cm 5
斷筋後 1.17(8-D19)
6mm 3cm 50 噸
SBO3 矩形 45×45cm2 250cm 5.56 2.34(16-D19) 3mm 3cm 50 噸 SBO6 矩形 45×45cm2 250cm 5.56 2.34(16-D19) 6mm 3cm 50 噸
未斷筋 2.34(16-D19) SMO6 矩形 45×45cm2 250cm 5.56
斷筋後 1.17(8-D19)
6mm 3cm 50 噸
表 3.1.2 林科銘【8】試體破壞模式
試體編號 Mn
tf m
Mu
tf m
Vn
tf Vu
tf nu
M M
n u
V
V 破壞模式
CB03 58.34 147.28 58.91 23.79 0.40 2.48 彎矩破壞 CB06 63.65 294.53 117.81 25.95 0.22 4.54 彎矩破壞 CM06 63.65 294.53 117.81 25.95 0.22 4.54 彎矩破壞 SB03 53.92 84.38 33.75 21.57 0.64 1.57 彎矩破壞 SB06 59.92 168.75 67.5 23.97 0.36 2.82 彎矩破壞 SM06 59.92 168.75 67.5 23.97 0.36 2.82 彎矩破壞
表 3.2.1 王智德【12】試體設計資料
試體編號 橋柱尺寸 橋柱高 跨深比 鋼筋比（%） 鋼管厚度 鋼管長度 剪力釘 ORC1 60 60cm 2 86cm 1.43 2.25 (16-D25) - - -STRC1 60 60cm 2 86cm 1.43 2.25 (16-D25) 2mm 70cm -STRC3 60 60cm 2 86cm 1.43 2.25 (16-D25) 4 70 -ST3 60 60cm 2 86cm 1.43 2.25 (16-D25) 4 70 16 ORC2 60 60cm 2 86cm 1.43 1.12 (8-D25) - - -STRC2 60 60cm 2 86cm 1.43 1.12 (8-D25) 2 70 -STRC4 60 60cm 2 86cm 1.43 1.12 (8-D25) 4 70 -STRC6 60 60cm 2 136cm 2.27 2.25 (16-D25) 2 120 -ST5 60 60cm 2 136cm 2.27 2.25 (16-D25) 4 120 16
表 3.2.2 王智德【12】試體破壞模式
試體編號 Mn tf( m) Mu tf( m) Vn tf( ) Vu tf( ) nu
M M
Vn
Vu 破壞模式
ORC1 98.55 75.25 86.8 114 1.31 0.76 剪力破壞 STRC1 98.55 70.78 82.2 114 1.39 0.72 剪力破壞 STRC3 98.55 96.32 122.2 114 1.02 0.85 撓剪破壞 ST3 98.55 96.58 112.2 114 1.02 0.98 撓剪破壞 ORC2 57.8 67.34 78.2 67 0.86 1.17 彎矩破壞 STRC2 57.8 70.78 82.2 67.2 0.82 1.22 彎矩破壞 STRC4 57.8 96.32 122.2 67.2 0.6 1.82 彎矩破壞 STRC6 98.55 111.92 82.2 72.5 0.88 1.13 彎矩破壞 ST5 98.55 152.73 112.2 72.5 0.65 1.55 彎矩破壞
表 3.2.3 王修駿【13】試體設計資料
試體編號 橋柱尺寸 橋柱高 跨深比 鋼筋比（%） 鋼管厚度 鋼管長度
STRC1 D=45 cm 60 cm 1.33 5.10（16-D25） 2 mm 54 cm STRC2 D=45 cm 60 cm 1.33 3.83（12-D25） 2 54 STRC3 D=45 cm 60 cm 1.33 1.91（6-D25） 2 54
STRC4 D=45 cm 70 cm 1.56 5.10（16-D25） 2 64
STRC5 D=45 cm 70 cm 1.56 4.47（14-D25） 2 64
STRC6 D=45 cm 70 cm 1.56 2.55（8-D25） 2 54
表 3.2.4 王修駿【13】試體破壞模式
試體編號 Mn tf( m) Mu tf( m) Vn tf( ) Vu tf( ) nu
M M
Vn
Vu 破壞模式
STRC1 51.72 38.12 63.53 77.58 1.357 0.819 剪力破壞 STRC2 40.84 38.12 63.53 61.26 1.071 1.037 撓剪破壞 STRC3 23.28 38.12 63.53 34.92 0.611 1.819 彎矩破壞 STRC4 51.72 44.47 63.53 66.50 1.163 0.955 剪力破壞 STRC5 45.80 44.47 63.53 58.89 1.030 1.079 撓剪破壞 STRC6 29.96 44.47 63.53 38.52 0.674 1.649 彎矩破壞
表 3.2.5 楊立群【14】試體設計資料
試體編號 橋柱尺寸 橋柱高 跨深比 鋼筋比（%） 鋼管厚度 鋼管長度 軸壓力
CBC1 D=45 cm 81 cm 1.80 5.10（16-D25） 2 mm 47 cm 80 tf
CBC2 D=45 cm 81 cm 1.80 5.10（16-D25） 2 47 160 tf
SBC1 40 40 cm 2 68 cm 1.70 4.43（14-D25） 2 47 80 tf
SBC2 40 40 cm 2 81 cm 2.03 4.43（14-D25） 2 47 160 tf
表 3.2.6 楊立群【14】試體設計破壞模式
試體編號 Mn tf( m) Mu tf( m) Vn tf( ) Vu tf( ) n
u
M M
Vn
Vu 破壞模式
CBC1 61.59 64.53 79.67 76.04 0.95 1.05 撓剪破壞
CBC2 65.85 73.57 90.83 81.30 0.90 1.12 撓剪破壞
SBC1 59.73 58.01 85.31 87.84 1.03 0.97 撓剪破壞
SBC2 63.89 78.25 96.60 78.88 0.82 1.22 撓剪破壞
表 3.3.1 混凝土抗壓強度試驗結果
表 3.3.2 鋼筋（D25）抗拉強度試驗結果
王智德【12】
試體編號 ORC1 STRC1 STRC3 ST3 ORC2 STRC2 STRC4 STRC6 ST5 試驗日（kgf/cm2） 391 438 453 391 421 421 418 447 407
王修駿【13】
試體編號 STRC1 STRC2 STRC3 STRC4 STRC5 STRC6 - -
-試驗（kgf/cm2） 582 551 554 594 568 596 - -
-楊立群【14】
試體編號 SBC1 SBRC2 CBC1 CBC2 - - - -
-試驗（kgf/cm2） 540 540 540 540 - - - -
-試體編號 【12】 【13】 【14】
fy（tf/cm2） 4.79 4.40 4.22
fu（tf/cm2） 7.18 6.78 6.40
表 3.3.3 鋼管抗拉強度試驗結果
SM400【12】 STRC1 STRC3 ST3 STRC2 STRC4 STRC6 ST5 fy(tf/cm2) 3.67 2.86 3.64 2.95 3.64 2.95 3.64 fu(tf/cm2) 3.90 3.55 4.57 3.73 4.57 3.73 4.57
SM400【13】 試片 1 試片 2 試片 3
fy(tf/cm2) 3.42 3.32 3.34
Average 3.36
fu(tf/cm2) 4.06 4.03 4.04
Average 4.04
SM400【14】 試片 1 試片 2 試片 3
Fy (tf/cm2) 2.762 2.55 2.63
Average 2.647
Fu (tf/cm2) 3.482 3.47 3.475
Average 3.475
表 4.2.1 ORC1 系列試驗過程【12】
試體編號 ORC1 STRC1 STRC3 ST3
載重(tf) 95 108 122 109 長度 20~30cm
第一條撓曲裂縫
強度為極限強度
試體編號 ORC2 STRC2 STRC4
載重(tf) 48 54 43 長度 30~40cm
第一條撓曲裂縫
側傾角(%) 0.75 0.75 0.75
試體編號 ORC2 STRC2 STRC4
載重(tf) 182 206
位移(cm) 6.23 8.15
側傾角(%) 7.25 9.5
6
發生情況 試體達極限強度 試體達極限強度
表 4.2.3 長跨度系列試驗過程【12】
表 4.2.4 短跨度系列試驗過程【13】
試體編號 STRC1 STRC2 STRC3
載重(tf) 65.43 73.03 47.65
側傾角(%) 0.25~0.5 0.25~0.5 0.25~0.5 1
載重(tf) 115.63 97.16 58.02
側傾角(%) 1~1.25 1~1.25 1~1.25
2
載重(tf) 223.25 199.7 141.5
側傾角(%) 3.5 3.5 3.5
載重(tf) 178 138 57.19
側傾角(%) 14.3 14 16
表 4.2.5 長跨度系列試驗過程【13】
試體編號 STRC4 STRC5 STRC6
載重(tf) 41.53 72.64 46.11
側傾角(%) 0.25~0.5 0.25~0.5 0.25~0.5 1
載重(tf) 105.77 99.75 64.37
側傾角(%) 1.5 1.5~1.75 1~1.25
載重(tf) 201.49 187 115.07
側傾角(%) 4.5~5 5~5.5 6~6.5
載重(tf) 161.4 149.59 84.47
側傾角(%) 20 19.5~20 22
表 4.2.6 試驗過程【14】
試體編號 CBC1 CBC2 SBC1 SBC2
載重(tf) 144 191.94 182.39 174.52
側傾角(%) 1.06 1.40 1.31 1.31
載重(tf) 178.64 201.39 199.85 179.44
側傾角(%) 2.58 1.69 1.95 1.47 載重(tf) 142.91 161 159.88 143.55
側傾角(%) 5.02 2.84 2.53 2.46
載重(tf) - 123.33 132.15 82.79
側傾角(%) - 5.00 5.00 5.00
表 4.5.1.1 王智德【12】之試體載重位移實驗結果
試 體 ORC1 STRC1 STRC3 ST3 ORC2 STRC2 STRC4 STRC6 ST5
ρ（％） 2.25 1.12 2.25
鋼管厚（mm） - 2 4 4 - 2 4 2 4
跨深比 1.43 2.27
Δy 0.76 0.82 0.77 0.68 0.53 0.43 0.49 0.8 0.97
Δm 1.05 2.70 3.52 3.72 1.59 6.23 8.15 4.52 8.80
Δ80% 1.34 5.10 7.63 7.46 1.93 - - 7.00
-μm 1.38 3.29 4.57 5.47 3.00 14.49 16.63 5.65 9.07
μ80% 1.76 6.22 9.91 10.97 3.64 - - 8.75
-Pmax 之消能 134.78 595.56 825.85 920.33 197.49 989.18 1474.91 644.71 1902.93 P80% 之消能 201.73 1238.39 1880.78 1987.69 251.68 - - 741.94
-Unit : tf - cm
表 4.5.1.2 王修駿【13】之試體載重位移實驗結果
試 體 STRC1 STRC2 STRC3 STRC4 STRC5 STRC6 ρ（％） 5.1 3.8 1.9 5.1 4.5 2.5
鋼管厚（mm） 2 2 2 2 2 2
跨深比 1.33 1.33 1.33 1.56 1.56 1.56 載重 (tf) 111.63 99.85 70.75 100.75 93.51 57.54
Δy 0.947 1.093 0.907 1.397 1.435 1.101 Δm 2.247 2.425 11.67 3.657 3.801 4.627 Δ80% 10.05 10.45 11.71 15.17 14.81 17.61
μm 2.37 2.22 12.87 2.62 2.65 4.20 μ80% 10.61 9.56 12.91 10.86 10.32 15.99 Pmax 之消能 313.36 294.31 1300.90 512.18 478.40 415.40
P80% 之消能 1815.90 1740.30 1305.60 2562.90 2395.70 1426.30
Unit : tf - cm
表 4.5.1.3 楊立群【14】之試體載重位移實驗結果
試 體 CBC1 CBC2 SBC1 SBC2
ρ（％） 5.1 5.1 4.43 4.43
鋼管厚（mm） 2 2 2 2
跨深比 1.8 1.8 1.7 2.03
Δy 0.86 1.13 0.61 0.98 Δm 2.09 1.37 1.33 1.19 Δ80% 4.34 2.47 1.72 1.99 μm 2.43 1.21 2.17 1.22 Drift Ratio 2.59 1.69 1.95 1.47 μ80% 5.03 2.18 2.83 2.03 Drift Ratio 5.36 3.05 2.54 2.46 Pmax 之消能 300.20 181.70 204.84 152.32 P80% 之消能 670.15 387.86 290.77 292.05 單位: tf-cm
表 4.5.2.1 試驗彎矩強度與設計彎矩強度比較（【12】與【13】）
試 體 STRC3 ST3 STRC2 STRC4 STRC6 ST5 STRC2 STRC3 STRC5 STRC6 實驗值 129 137.6 78.26 88.6 126.5 155 59.91 42.45 65.45 40.27 計算值 123.8 123.8 73.92 73.92 123.8 123.8 49.37 31.66 54.87 37.63
實驗/
計算 1.04 1.11 1.06 1.2 1.02 1.25 1.21 1.34 1.19 1.07 誤差(%) 4 10.04 5.55 16.57 2.14 20.16 17.59 25.42 16.17 6.57
表 4.5.3.1 試驗剪力強度與設計剪力強度比較（【14】、【12】與【13】）
試 體 SBC1 SBC2 CBC1 CBC2 STRC1 STRC3 ST3 STRC1 STRC4
實驗值 99.93 89.72 89.32 100.70 151 150 160 111.6 100.75 計算值 85.31 96.60 79.67 90.83 111 142.4 159.7 87.51 87.51
實驗/計算 1.17 0.93 1.12 1.11 1.36 1.05 1.00 1.28 1.15
誤差(%) 14.63 7.67 10.80 9.80 26.49 5.07 0.19 21.61 13.14
表 4.5.5.1 實際鋼管厚度之計算
圓形試體 CBC1 CBC2 STRC1 STRC2 STRC3 STRC4 STRC5 STRC6 CB03 CB06 CM06
D (cm) 45 45 45 45 45 45 45 45 50 50 50
P (kgf) 80 160 0 0 0 0 0 0 50 50 50
f'c 540 540 570 570 570 570 570 570 350 350 350
fsj 2650 2650 3360 3360 3360 3360 3360 3360 2500 2700 2700 t (cm) 0.17 0.20 0.11 0.11 0.11 0.11 0.11 0.11 0.12 0.11 0.11
Use_t 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.3 0.6 0.6
能量 670 388 1816 1740 1306 2563 2396 1426 3947 4350 4344 單位:TF-CM。其所對應之消能容量為強度下降至 80%
矩形試體 SBC1 SBC2 STRC1 STRC3 ST3 STRC2 STRC4 STRC6 ST5 SB03 SB06 SM06
D (cm) 40 40 60 60 60 60 60 60 60 45 45 45
P (tf) 80 160 0 0 0 0 0 0 0 50 50 50
f'c 540 540 420 420 420 420 420 420 420 350 350 350
fsj 2650 2650 3600 2900 3600 2900 3600 2900 3600 2500 2700 2700 t (cm) 0.45 0.54 0.32 0.39 0.32 0.39 0.32 0.39 0.32 0.33 0.31 0.31
Use_t 0.2 0.2 0.2 0.4 0.4 0.2 0.4 0.2 0.4 0.3 0.6 0.6
能量 291 292 1238 1881 1988 989 1475 742 1903 2472 3658 3139
表 4.5.7.1 反復載重下之極限側推力【37】
'
P A fg c 0 0.25（135 tf） 0.36（195 tf）
ORC （tf） 24.97 32.69 33.60
Ratio 1 1.31 1.35
－ 1 1.03
Drift ratio (%) 5 4.2 3.1 SCRC （tf） 25.88 39.04 42.68
Ratio 1 1.51 1.65
－ 1 1.09
Drift ratio(%) 6 7.3 6.3 Drift ratio 依強度下降 85%所對應之值。
Drift ratio(%) 6 7.3 6.3 Drift ratio 依強度下降 85%所對應之值。