第三章 現有港灣構造物安全評估方法之檢討 現有港灣構造物安全評估方法之檢討 現有港灣構造物安全評估方法之檢討 現有港灣構造物安全評估方法之檢討
1. 較高強度混凝土 較高強度混凝土 較高強度混凝土 較高強度混凝土(fc’=300kgf/cm 2 )
平衡鋼筋量 Asb＝0.85fc’×β1×[εc/(εc+fy/Es)]×b×d/fy=10.62 cm2 低鋼筋量 H2(ρ=0.0127)時之彎矩強度為
As×fy×d(1-0.59×ρ×fy/fc’)= 132292.5 kgf×cm 高鋼筋量 H4(ρ=0.0253)時之彎矩強度為 As×fy×d(1-0.59×ρ×fy/fc’)= 244846.6kgf×cm 2. 一般強度混凝土一般強度混凝土一般強度混凝土一般強度混凝土(fc’=250kgf/cm2)
平衡鋼筋量 Asb＝0.85fc’×β1×[εc/(εc+fy/Es)]×b×d/fy=8.852 cm2 低鋼筋量時 M2(ρ=0.0127)之彎矩強度為
As×fy×d(1-0.59×ρ×fy/fc’)= 130303 kgf×cm 高鋼筋量時 M4(ρ=0.0253)之彎矩強度為 As×fy×d(1-0.59×ρ×fy/fc’)= 236920 kgf×cm 3. 較低強度混凝土較低強度混凝土較低強度混凝土較低強度混凝土(fc’=200kgf/cm2)
平衡鋼筋量 Asb＝0.85fc’×β1×[εc/(εc+fy/Es)]×b×d/fy=7.08 cm2 低鋼筋量時 L2(ρ=0.0127)之彎矩強度為
As×fy×d(1-0.59×ρ×fy/fc’)= 127318.7 kgf×cm 高鋼筋量時 L4(ρ=0.0253)之彎矩強度為 As×fy×d(1-0.59×ρ×fy/fc’)= 225030 kgf×cm
3.2.2 模具模具模具模具
由於混凝土漿體的比重相當大，且柱型模型灌漿時漿體給模具的 壓力會因為高度落差大的原因而變得更大，故模具必須非常堅固，故 本研究採用鐵製模具，考量到模具如果鐵板厚度不夠，則鎖緊時或灌
漿時可能導致鐵板變形，而太厚的話模具的重量太重移動不便，故將 模具的厚度定為 0.8cm。此模具分為一對夾板、一對活動式可伸縮之側 板以及底板，各板之間以螺絲鎖緊固定。夾板之間距離固定為 20cm，
而活動式的測板上有數個平行的水平溝槽，以方便調整兩側板之距 離，最小可到 6cm 最大可達 20cm。且附有一個底板，其上有螺絲孔用 來固定兩個夾板的位置，可以節省模具組裝的時間。示意圖及模具照 片如圖 3.2、圖 3.3、圖 3.4。
圖圖
圖圖 3.2 模具上視示意圖模具上視示意圖模具上視示意圖模具上視示意圖 圖圖 3.3 模具圖圖 模具模具 3D 示意圖模具 示意圖示意圖示意圖
圖圖
圖圖 3.4 模具照片模具照片模具照片模具照片
3.2.3 混凝土配比選定混凝土配比選定混凝土配比選定混凝土配比選定
參考混凝土配比設計法，因模型中間鋼筋的間距不大，若工作度 過低有可能會增加搗實困難度造成底部蜂窩狀，故設定水膠比在 0.4~0.5 之間，又考量到粗骨材是整個混凝土結構中主要的強度來源，
在水膠比較高的配比中特別再減少粗骨材的使用量以減低強度，使強 度的差距可以更大。在決定混凝土配比之前，預先澆灌數個有些差距 的配比製作成直徑 12cm 的圓柱試體進行抗壓試驗，每一個配比均澆灌 9 個試體，分三個齡期進行抗壓試驗。預先設計的 28 天抗壓強度大約 在 300kgf/cm2、250 kgf/cm2、200 kgf/cm2，1 並依其抗壓強度來給予 H(High)、M(Medium)、L(Low)的編號以便辨認。
表表表
表 3-2 材料配比表材料配比表材料配比表材料配比表 代號
代號代號
代號 H M L
材料\目標 300 kgf/cm2 250 kgf/cm2 200 kgf/cm2
水 4.582 5.122 5.236
水泥 10.91 10.91 10.91
砂 10.91 10.91 10.91
石 13 13 9.75(75%)
水膠比 0.42 0.47 0.48
3.2.4 鋼筋量選定鋼筋量選定鋼筋量選定鋼筋量選定
為研究鋼筋腐蝕後斷面損失對鋼筋混凝土梁的影響，故規劃兩個 組別來進行試驗分析。一組代表對照組，而另一組模擬鋼筋受腐蝕下 的混凝土梁。在一般情況下，鋼筋被侵蝕時，會從鋼筋表面往中心逐 漸變質，變質的鋼筋會失去其作用，侵蝕越嚴重代表功能正常的鋼筋 斷面越小而變細。本研究不採用強酸快速腐蝕試驗而採用鋼筋量的變 化來模擬鋼筋受腐蝕的狀況，預先設定兩組比值分別為 0.03 與 0.015 的鋼筋量來模擬兩種不同程度的侵蝕。
圖 圖 圖
圖 3.5 往復荷載往復荷載往復荷載往復荷載破壞破壞破壞破壞試驗示意圖試驗示意圖試驗示意圖試驗示意圖 圖圖 3.6 Strain Gauge 擺放位置圖圖 擺放位置擺放位置擺放位置
圖圖
圖圖 3.7 以螺絲系統將以螺絲系統將以螺絲系統將以螺絲系統將 RC 柱鎖死於柱鎖死於柱鎖死於柱鎖死於 底板上
底板上 底板上 底板上
圖圖
圖圖 3.8 MTS 油壓系統致動器作用油壓系統致動器作用油壓系統致動器作用油壓系統致動器作用 於構件模型
於構件模型 於構件模型 於構件模型
3.3 縮尺結構構件實驗結果分析討論縮尺結構構件實驗結果分析討論縮尺結構構件實驗結果分析討論縮尺結構構件實驗結果分析討論
實驗中探討模擬具不同鋼筋量的 RC 樑受到腐蝕之後的各項力學 表現，並以不同強度的混凝土來進行比較，以瞭解當鋼筋混凝土結構 之材料強度，或材料斷面受環境作用產生變化時，如鋼筋受到腐蝕作 用或混凝土材料劣化時，本計畫中所建議之破壞指標是否具有可行 性。此為一系列實驗計畫中之最初步試驗，旨在評估本研究中建議使 用之構件破壞指標應用於單一鋼筋混凝土抗彎構件之可行性。
3.3.1 MTS 往復荷載破壞試驗結果往復荷載破壞試驗結果往復荷載破壞試驗結果往復荷載破壞試驗結果
依照實驗規劃，將模型 RC 樑放置於試驗基座上，並使用 MTS 制 振器輸出，試驗裝置如圖 3.5~圖 3.8 所示，擷取出力及位移瞬時數據(其 中變位數據擷取如圖 3.6 所示)，並使用 LABVIEW 撰寫程式將之數據 記錄並加以分析結果。所獲得之位移外力圖由試驗數據繪製得出，由 於模型 RC 樑在實驗時僅僅施力於自由端，故其自由端之位移越大，可 代表整體 RC 模型梁的角變形量越大，以下之位移數據皆代表 RC 模型 樑自由端之位移。本研究分為兩組鋼筋量，三組混凝土強度配比，故 有六種組別。
表 3-3 所示為低鋼筋組構件受力及位移數據，其中包括三種混凝土 強度下之差異表現。圖 3.9 至圖 3.11 為其中一組構件(M2 組為一般混 凝土強度)，受往復荷載作用下之受力及位移遲滯迴圈圖(hysteresis loop)；圖 3.12 則為較低強度混凝土構件之受力位移遲滯迴圈圖。
從數據中發現，H2 組試驗平均最大受力 21775N (預估值為 21629 N)，位移 31.291 mm。M2 組平均最大受力 20417.3N(預估值為 21304 N)，位移 27.583mm。L2 組平均最大受力 17478N(預估值為 20816 N)，
位移 24.875mm。
表 表 表
表 3-3 低鋼筋組構件受力位移數據低鋼筋組構件受力位移數據低鋼筋組構件受力位移數據 低鋼筋組構件受力位移數據 編號編號編號
編號 / 數值數值數值數值 最大受力最大受力最大受力最大受力(N) 最大受力之位移最大受力之位移最大受力之位移最大受力之位移(mm)
H2-1 19738.8 33.099
H2-2 22503.7 22.878
H2-3 23082.8 33.896
M2-1 20742.3 20.586
M2-2 19018 23.752
M2-3 21491.7 39.414
L2-1 16313.8 17.236
L2-2 20601 27.931
L2-3 15536.7 29.46
表 3-4 所示為高鋼筋組構件受力及位移數據，其中同樣包括三種混 凝土強度下之差異表現。部分典型之受力位移遲滯回圈圖，圖 3.13 至 圖 3.14 為其中一組構件(H4 組為較高混凝土強度)，受往復荷載作用下
之受力及位移遲滯迴圈圖(hysteresis loop)；圖 3.15 及圖 3.16 則分別為 一般及較低強度混凝土構件之受力位移遲滯迴圈圖。
從數據中發現，H4 組平均最大受力 26046N(預估值為 40036 N)，
位移 53.1346mm。M4 組平均最大受力 25449N(預估值為 38736 N)，最 大位移 57.49mm。L4 組平均最大受力 22630.4N(預估值為 36792 N)，
最大位移 38.39mm。
表 表 表
表 3-4 高鋼筋組構件受力位移數據高鋼筋組構件受力位移數據高鋼筋組構件受力位移數據 高鋼筋組構件受力位移數據 編號編號
編號編號 / 數值數值數值 數值 最大受力最大受力(N) 最大受力之位移最大受力最大受力 最大受力之位移最大受力之位移最大受力之位移(mm)
H4-1 26365.7 45.44
H4-2 25813 50.58
H4-3 25957.2 63.38
M4-1 25539.6 59.197
M4-2 25357.7 55.798
L4-1 22228.4 38.544
L4-2 23511.6 42.13
L4-3 22151.3 34.5
註：模型樑 M4-3 由於灌漿之疏失而導致數據差距極大，故不列入。
圖圖
圖圖 3.9 M2-1 力量位移圖力量位移圖力量位移圖力量位移圖
圖 圖圖
圖 3.10 M2-2 力量位移圖力量位移圖力量位移圖力量位移圖
圖 圖 圖
圖 3.11 M2-3 力量位移圖力量位移圖力量位移圖 力量位移圖
圖圖圖
圖 3.12 L2-3 力量力量力量力量位移圖位移圖位移圖 位移圖
圖 圖 圖
圖 3.13 H4-2 力量位移圖力量位移圖力量位移圖 力量位移圖
圖圖
圖圖 3.14 H4-3 力量位移圖力量位移圖力量位移圖 力量位移圖
圖 圖圖
圖 3.15 M4-1 力量位移圖力量位移圖力量位移圖力量位移圖
圖 圖圖
圖 3.16 L4-3 力量位移圖力量位移圖力量位移圖力量位移圖
圖 圖 圖
圖 3.17 低鋼筋量組不同混凝土強度受力位移圖低鋼筋量組不同混凝土強度受力位移圖低鋼筋量組不同混凝土強度受力位移圖 低鋼筋量組不同混凝土強度受力位移圖
圖 圖 圖
圖 3.18 高鋼筋量高鋼筋量高鋼筋量組不同混凝土強度受力位移圖高鋼筋量組不同混凝土強度受力位移圖組不同混凝土強度受力位移圖 組不同混凝土強度受力位移圖
圖 圖圖
圖 3.19 高強度組不同鋼筋量受力位移圖高強度組不同鋼筋量受力位移圖高強度組不同鋼筋量受力位移圖高強度組不同鋼筋量受力位移圖
圖 圖圖
圖 3.20 中強度組不同鋼筋量受力位移圖中強度組不同鋼筋量受力位移圖中強度組不同鋼筋量受力位移圖中強度組不同鋼筋量受力位移圖
圖圖圖
圖 3.21 低強度組不同鋼筋量受力位移圖低強度組不同鋼筋量受力位移圖低強度組不同鋼筋量受力位移圖低強度組不同鋼筋量受力位移圖 3.3.2 試驗模型構件之力學性質試驗模型構件之力學性質試驗模型構件之力學性質試驗模型構件之力學性質
經將往復荷載試驗之遲滯迴圈曲線整理後，將各組不同混凝土強 度及鋼筋量之構件繪製其受力與位移圖，如圖 3.17 為低鋼筋量組不同 混凝土強度之受力及位移關係圖，圖 3.18 則為高鋼筋量組不同混凝土
強度之受力及位移關係圖。圖 3.17 中顯示當構件中之鋼筋量較低時，
混凝土材料之強度對於構件整體之受力行為影響較為明顯，因此在受 力過程中達到一定位移量後，不同強度之混凝土構件依設計強度呈現 出對應之差異；但最終之強度，各組之間並無明顯差別，試驗結果與 預估結果相當接近。但鋼筋量較低時，混凝土強度對於最終位移量之 影響在此次試驗結果中並不明顯。
高鋼筋量構件試體之受力行為受混凝土材料強度之影響似乎相對 較小，如圖 3.18 所示，在尚未達到低強度混土構件破壞前之受力－位 移曲線，三種強度之試體受力曲線非常接近，比較大的差異在於構件 破壞前最後能達到之位移量，混凝土強度較大之構件其最後位移量亦
高鋼筋量構件試體之受力行為受混凝土材料強度之影響似乎相對 較小，如圖 3.18 所示，在尚未達到低強度混土構件破壞前之受力－位 移曲線，三種強度之試體受力曲線非常接近，比較大的差異在於構件 破壞前最後能達到之位移量，混凝土強度較大之構件其最後位移量亦