鋼筋腐蝕柱構件塑鉸容量修正

鋼筋混凝土結構物老劣化現象大部分會伴隨著鋼筋腐蝕，導致鋼筋斷面積減 少，並於局部區域發生孔蝕，降低鋼筋韌性與承載力；鋼筋腐蝕後體積會膨脹，

降低鋼筋與混凝土介面間之握裹能力和造成保護層混凝土剝落，保護層剝落則會 影響混凝土斷面幾何的完整性，進而降低構件勁度；橫向鋼筋腐蝕除了造就構件 抗剪強度下降外，亦會減弱對混凝土之圍束能力，進而降低核心混凝土之強度與 韌性；綜合上述之現象，腐蝕構件可能發生非預期破壞模式。

因此，本節主要探討劣化現象對於梁柱構件力學性質之影響，並針對其塑鉸 性質進行修正，其整體流程如圖 4- 1 所示。

鋼筋腐蝕

(重量減少率)

鋼筋力學性質 握裹能力 混凝土保護層

影響 影響 開裂或剝落

構件破壞模式

撓曲破壞 剪力破壞 握裹破壞

彎矩強度 撓曲握裹 M^nc 破壞 Q_bn

剪力強度 握裹破壞 箍筋降伏 V^bu 破壞 V_yu V^nc

彎矩塑鉸 剪力塑鉸

圖 4- 1 構件鋼筋腐蝕後之塑鉸修正流程圖 (資料來源：蔡宜靜，2018)

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壹、 鋼筋腐蝕局部放大倍率

腐蝕對鋼筋斷面積影響並非沿著鋼筋軸向均勻分佈，不均勻分佈(孔蝕)會導 致鋼筋受力時，其斷面應力應變性質為不均勻分佈。腐蝕鋼筋之拉力強度通常取 決於鋼筋最小斷面，因此若依據整根鋼筋平均重量減少率推得平均剩餘斷面積，

來計算腐蝕鋼筋的殘餘強度，往往會高估其真實強度，而有不保守的評估結果，

且無法反應鋼筋孔蝕對整體鋼筋極限變形能力之影響。然鋼筋孔蝕之局部放大倍 率與鋼筋腐蝕速率相同皆有著不確定性高的特性，因此本章節將相關文獻整理如 下。

金螢來(2008)針對含鋼筋之混凝土縮尺試體進行加速腐蝕試驗，其中腐蝕方 法分為通電加速腐蝕與乾溼循環試驗兩種，腐蝕深度量測之方式為使用 3D 表面

形狀量測儀來觀察鋼筋整體腐蝕情況。研究結果說明不同腐蝕方法對應的局部放 大倍率會有所差異，通電加速腐蝕為 2.06 倍，乾溼循環為 1.40 倍，平均則為 1.8 倍。

林宜鋒(2011)亦進行含鋼筋之混凝土縮尺試體通電加速腐蝕試驗，並以 3D 表面形狀量測儀來建立腐蝕鋼筋之完整 3D 模型，進行斷面積計算，其研究結果 說明局部斷面最大減少倍率約為平均斷面減少率之 2 倍。

加速腐蝕試驗是為利用電化學方法，並藉由控制實驗條件(可能較實際環境 更為嚴苛)，模擬構材暴露於大氣環境中力學性質改變之程度，以在短時間內取 得特定材料於腐蝕發生後之力學性質，一般而言加速腐蝕試驗之結果較真實腐蝕 情況為保守。

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貳、 腐蝕對鋼筋力學性質與握裹強度之影響

腐蝕除會造成鋼筋應力應變性質改變外，亦會使混凝土與鋼筋間之握裹強度

參、 混凝土保護層剝落對構件之影響

肆、 腐蝕柱構件撓曲行為

4- 4 鋼筋混凝土斷面應力分佈

當 

伍、 腐蝕柱構件剪力行為

構件之剪力分析為參考文獻(Ririt Aprilin S，2010)，以桁架與拱理論 (Truss- arch theory) 為基礎，建立因腐蝕而造成握裹強度衰減行為之剪力容量 (Shear

橫向鋼筋降伏模式其剪力容量Vyu 評估如式(4-31)所示，第一項 V^su 為模擬鋼筋 之桁架效應提供之剪力，如圖 4- 6，其橫向鋼筋進入降伏階段時主筋與混凝土間之 握裹並無破壞，第二項 V^a 為模擬核心混凝土拱效應提供之剪力，如圖 4- 7

所示，整體計算流程如圖 4- 10。

V yu  Vsu Va

V

 b  j

 

 f

cot 

式中， f ^ytc：橫向鋼筋腐蝕後之降伏強度(kgf/cm²)。

(4-31)

(4-32)

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4- 5 桁架效應機制(握裹破壞)

Compression Strut

Reinforcement

Reinforcement σca

L

4- 8 腐蝕柱構件撓曲行為計算流程 (資料來源：蔡宜靜，2018)

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初始握裹應力

陸、 柱構件變位角估算

根據文獻(Elwood et al.，2005)說明，當一雙曲率柱受軸力與側力的作用下，

當側向位移 達 y 時，柱主筋會先降伏；側向位移 達 ^s 時，柱端部的非線鉸區 會產生明顯的剪力斜裂縫，此狀態稱為撓剪破壞 (Flexural-shear failure)，之後側 力強度會下降；側向位移 達 a 時，側力強度趨近於零，柱體亦喪失軸向承載能 力，以致發生軸向破壞 (Axial failure)，如圖 4- 11 及圖 4- 12 所示。

H

圖 4- 11 雙曲率柱受力與變形機制 (資料來源：國家地震工程研究中心，2013)

圖 4- 12 雙曲率柱破壞發展過程 (資料來源：國家地震工程研究中心，2013)

本章節變位角估算為參考文獻(Moehle et al.，2002)由 50 個各種尺寸及不同 橫向鋼筋比之鋼筋混凝土柱試體，控制雙曲率變形試驗，用最小平方差的數值方 法，歸納出柱體剪力破壞時剪應力與變位(Drift ratio)之關係，以定義塑鉸性質。

其理論發展主要應用於完美柱構件，而非腐蝕柱，然目前腐蝕柱變位角相關研究 成果不足，未來若有更為可靠之實驗成果或理論則可取代。

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柱主筋降伏時其變位角如式(4-33)，撓剪破壞時的變位角如式(4-35)，軸向破

Aprilin S，2010)，以桁架與拱理論 (Truss-arch theory) 為基礎，建立因腐蝕而造 成握裹強度衰減行為之剪力容量 (Shear capacity) 評估模型，並需同時考量橫向

柒、 劣化柱構件塑鉸容量折減係數

M

表 4- 3 腐蝕後 RC 柱彎矩非線性鉸之參數 Point

M/M

 / H

A ' 0 0

B ' min(Myc/Mnc,0.95) 0

C ' R

D '

R

E ' 0 c '

(資料來源：蔡宜靜，2018)

表 4- 4 腐蝕後 RC 柱剪力非線性鉸之參數 Point

V/V

 / H

A ' 0 0

B '

R

C '

D ' , E ' 0

10d '

(資料來源：蔡宜靜，2018)

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