自來水管線含水力學試驗與非線性側推之研究

國

立

交

通

大

學

土 木 工 程 學 系

碩

士

論

文

自來水管線含水力學試驗與非線性側推分析之研究

Tests with Water Pressure and Nonlinear

Pushover Analysis of Water Pipeline

研 究 生：汪渤喻

指導教授：黃炯憲 教授

指導教授：鍾立來 教授

自來水管線含水力學試驗與非線性側推分析之研究

Tests with Water Pressure and Nonlinear

Pushover Analysis of Water Pipeline

研 究 生：汪渤喻

Student：Po-Yu Uang

指導教授：黃炯憲

Advisor：Dr. Chiung-Shiann Huang

指導教授：鍾立來

Dr. Lap-Loi Chung

國 立 交 通 大 學

土 木 工 程 學 系

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Department of Civil Engineering College of Engineering

National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master

in

Civil Engineering July 2013

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

誌謝

首先最感謝我的家人，家人永遠是最強力的後盾，沒有你們一路上的支持與 鼓勵，也就沒有現在的我，謝謝爸媽無時無刻的愛心。 感謝黃炯憲老師讓我有機會可以進入國家地震工程研究中心學習，能夠進入 鍾立來老師團隊是我最大的福氣，鍾老師的耐心以及對學術上的堅持，讓學生充 滿感激與敬佩；博班大學長們：昇哥、卓諺、小美、豹哥皆是不可多得的好學長， 昇哥、卓諺學長是本團隊的二本柱，不論是學術上的指導亦或是人生經驗的分享， 無不傾囊相授，學長們的細心與用心，令我不勝感激，還要特別感謝管線組的振 豪學長和峻瑋學長，育誠是我在地震中心的最佳夥伴，很謝謝各位的包容，希望 大家在未來的日子裡能一帆風順，往自己的夢想邁進。

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自來水管線含水力學試驗與非線性側推分析之研究

研 究 生：汪渤喻

指導教授：黃炯憲 教授

鍾立來 教授

摘要

本研究首先針對自來水接續管線進行試驗研究，選擇延性鑄鐵管(DIP)中，K 型接頭、A 型接頭管，以及延性鑄鐵平口管(多用於制水閥前後，與用戶水表接 續，或者淨水廠內各單元間之接續)，進行耐震性能試驗，受測管材之標稱管徑 統一取為 DN400；試驗過程中以油壓致動器逐步施加位移，強制受測管材在加 壓滿水的條件下，產生超出規範所容許的接頭伸縮量或彎折角，以研究其破壞機 制與耐震能耐。 經由管材耐震試驗，可知 K 型接頭之水密性良好，但不具防脫功能 ; A 型 接頭延性鑄鐵管(試體承口端為 A 型接頭十字管，插口端為 D2K 直管)水密性不 良且不具防脫功能，在軸拉力或彎矩作用下，接頭十分容易鬆脫，耐震性能極差； 延性鑄鐵平口管(試體由兩支單突緣短管對接)屬剛性接頭，軸拉與轉角的變形容 量均極低，接頭界面之橡膠墊圈彈性不足，稍有張力或加壓後卸載即會漏水。基 於以上研究成果，證實 A 型接頭延性鑄鐵管十分容易鬆脫，耐震性能極差，既 有管線應加速汰換；平口管則變形容量極低，實不宜單獨作為輸配水管線之使用， 若用於制水閥前後，或是淨水廠各單元間接續使用，則宜加強此類接頭之密合度 檢查。 第二部分為進行分段管線非線性側推分析，在執行側推分析之前，必須先配 置接頭的非線性塑鉸參數，前人研究中利用材料參數與實驗分析的結果建立管體 的軸力、壓力、彎矩非線性塑鉸，而本研究則是利用試驗結果與非線性挫屈分析 的比對結果，建立接頭的軸力、壓力、彎矩非線性塑鉸。總合上述兩部分的結果， 利用案例分析探討了延性鑄鐵管 DN400mm 的管體受平移斷層之行為，考慮容許

ii

錯動量以及管線破壞模式，在接頭控制破壞模式下可以發現容許錯動量有減少的 趨勢。

關鍵字：地下自來水管線、管線試驗、局部挫屈、非線性鉸、地層錯動、側推分 析。

iii

Tests with Water Pressure and Nonlinear

Pushover Analysis of Water Pipeline

Student：Po-Yu Uang Advisor：Dr. Chiung-Shiann Huang

Dr. Lap-Loi Chung

Department of Civil Engineering National Chiao-Tung University

ABSTRACT

This study has firstly conducted seismic testing of the DIPs. Three joint types, namely K-type-joint、A-type-joint and flange joint, were selected for the testing. Full and pressurized pipe specimens were tested under tension, compression and bending load, separately. The deformation capacity and failure mechanism of each pipe specimen were investigated experimentally.

According to the test results, K-type-joint DIPs are high tightness of water but easily disengaged under either axial tension or bending load ; A-type-joint DIPs are low tightness of water and easily disengaged under either axial tension or bending load ; flange-joint DIPs, as rigid joints, have very low tensile and flexural deformation capacity; leakage may occur as a result of poor elasticity of the gaskets. The following recommendations can be made according to the finding : Due to the fact of poor seismic performance, existing A-type-joint DIPs should be replaced as soon as possible; owing to the poor deformation capacity, flange-joint DIPs should not be used for water transmission and distribution; regarding the other usages, the water tightness of flange-joint DIPs should be regularly inspected.

Before carrying out nonlinear pushover analysis of pipelines, K-type-joint nonlinear plastic hinges must be set. In the early literature, material parameter and the

iv

analysis of ABAQUS are used to set the tube axial and moment plastic hinges. In this study, the K-type-joint axial and moment plastic hinges are set by combining the results of the tests and analysis. According to the results of nonlinear pushover analysis, the allowable fault displacement and failure model of pipes under the strike-slip fault are investigated. Under the failure mode controlled by joint of the pipes, the allowable fault displacement tends to decrease when compared with the continuous pipeline without joints.

Keywords: water pipelines tests, pushover analysis, plastic hinges, DIP, K-type-joint,

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目錄

摘要………... i ABATRACT………...…iii 目錄………....v 表目錄………...ix 圖目錄………..….…xi 第一章 緒論... 1 1.1 研究動機及目的... 1 1.2 文獻回顧... 2 1.3 本文內容... 5 第二章 試驗規劃介紹 ... 9 2.1 延性鑄鐵管與接頭尺寸與介紹... 9 2.1.1 K 型延性鑄鐵管 ... 9 2.1.2 延性螺壓式三承口十字管(A 型管) ... 9 2.1.3 延性螺壓式單突緣短管(平口管) ... 10 2.2 軸向抗拉壓試驗規劃... 10 2.2.1 K 型延性鑄鐵管 ... 11 2.2.2 延性螺壓式三承口十字管(A 型管) ... 12 2.2.3 延性螺壓式單突緣短管(平口管) ... 13 2.2.4 致動、量測與資料收集系統 ... 13 2.3 四點式撓曲試驗規劃... 15 2.3.1 K 型延性鑄鐵管 ... 16 2.3.2 延性螺壓式三承口十字管(A 型管) ... 17 2.3.3 延性螺壓式單突緣短管(平口管) ... 18 第三章 試驗結果分析與量測觀察 ... 51 3.1 變形容量... 51 3.2 標稱管長變形容量之計算... 51 3.2.1 軸向變形容量 ... 51

vi 3.2.2 轉角變形容量 ... 52 3.2.3 耐震分級 ... 52 3.3 K 型延性鑄鐵管 ... 53 3.3.1. 軸拉試驗 ... 53 3.3.2 軸壓試驗 ... 54 3.3.3 撓曲試驗 ... 55 3.3.4 試驗結果彙整與耐震分級 ... 56 3.3.5 管材破壞模式與綜合性能評價 ... 56 3.4 延性螺壓式三承口十字管(A 型管) ... 57 3.4.1 軸拉試驗 ... 57 3.4.2 軸壓試驗 ... 58 3.4.3 撓曲試驗 ... 59 3.4.4 試驗結果彙整與耐震分級 ... 60 3.4.5 管材破壞模式與綜合性能評價 ... 61 3.5 延性螺壓式單突緣短管(平口管) ... 62 3.5.1 軸拉試驗 ... 62 3.5.2 軸壓試驗 ... 62 3.5.3 撓曲試驗 ... 63 3.5.4 試驗結果彙整與耐震分級 ... 64 3.5.5 管材破壞模式與性能評價 ... 65 3.6 含水試驗與不含水試驗之比較... 65 3.6.1 拉力試驗比較 ... 65 3.6.2 壓力試驗比較 ... 66 3.6.3 撓曲試驗比較 ... 66 3.7 延性鑄鐵管 K 型接頭非線性鉸建立 ... 66 3.7.1 K 型接頭之拉力非線性鉸建立 ... 67 3.7.2 K 型接頭之撓曲非線性鉸建立 ... 67

vii 第四章 理論分析與非線性鉸建立 ... 115 4.1 ABAQUS 非線性挫屈介紹 ... 115 4.2 理論分析與試驗比較... 116 4.3 延性鑄鐵管 K 型接頭壓力非線性鉸建立與設定 ... 117 第五章 案例分析... 127 5.1 利用 SAP2000 建立管線側推分析模型 ... 127 5.2 管線受平移斷層之案例分析(拉力破壞) ... 128 5.3 管線受平移斷層之案例分析(壓力與撓曲破壞) ... 129 第六章 結論與建議 ... 167 6.1 結論... 167 參考文獻 ... 171

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表目錄

表 2.1 K 型延性鑄鐵管接頭尺寸 ... 20 表 2.2 K 型延性鑄鐵管接合配件-壓圈尺寸 ... 20 表 2.3 K 型延性鑄鐵管接合配件-橡膠圈尺寸 ... 21 表 2.4 K 型延性鑄鐵管接合配件-T 頭螺栓、螺帽 ... 21 表 2.5 A 型接頭延性鑄鐵十字管 ... 22 表 2.6 A 型接頭壓圈 ... 22 表 2.7 A 型接頭橡膠圈 ... 23 表 2.8 A 型接頭延性鑄鐵管接合配件 ... 23 表 2.9 單突緣延性鑄鐵平口管... 24 表 2.10 延性鑄鐵平口管接合配件... 24 表 2.11 軸拉壓試驗設備儀器使用一覽表 ... 25 表 3.1 ISO 16134 管材耐震分級[27] ... 68 表 3.2 K 型接頭延性鑄鐵管試驗數據彙整表 ... 69 表 3.3 K 型接頭延性鑄鐵管標稱管長之管材變形容量 ... 70 表 3.4 K 型接頭延性鑄鐵管之 ISO 16134 耐震分級 ... 70 表 3.5 A 型接頭延性鑄鐵管試驗數據彙整表 ... 71 表 3.6 A 型接頭延性鑄鐵管標稱管長之管材變形容量 ... 72 表 3.7 A 型接頭延性鑄鐵管之 ISO 16134 耐震分級 ... 72 表 3.8 平口管試驗數據彙整表... 73 表 3.9 平口管標稱管長之管材變形容量... 74 表 3.10 平口管之 ISO 16134 耐震分級 ... 74 表 4.1 試驗結果以及數值模擬之結果... 118 表 4.2 延性鑄鐵管軸壓力參數整理[10] ... 119 表 5.1 案例分析數值模擬之參數整理[29][30][31][32] ... 132

x

表 5.2 斷層容許錯動量比較(拉力控制) ... 133 表 5.3 斷層容許錯動量比較(撓曲與壓力控制) ... 133

xi

圖目錄

圖 1.1 自來水管線局部錯屈[6] ... 7 圖 1.2 非線性側推分析數值模型[20] ... 7 圖 2.1 延性鑄鐵管... 26 圖 2.2 K 型接頭承口端 ... 26 圖 2.3 K 型接頭插口端 ... 26 圖 2.4 K 型接頭壓圈 ... 27 圖 2.5 K 型接頭橡膠圈 ... 27 圖 2.6 K 型接頭壓圈之 T 型螺栓 ... 27 圖 2.7 A 型接頭十字管 ... 27 圖 2.8 DN400 (D2K)直管 ... 27 圖 2.9 A 型接頭壓圈 ... 28 圖 2.10 A 型接頭膠圈 ... 28 圖 2.11 A 型接頭 T 型螺栓 ... 28 圖 2.12 A 型接頭延性螺壓式管塞 ... 28 圖 2.13 單突緣平口管... 29 圖 2.14 橡膠墊圈... 29 圖 2.15 不鏽鋼螺栓... 29 圖 2.16 Shimadzu 500 噸萬能試驗機... 30 圖 2.17 水壓控制系統... 30 圖 2.18 軸拉壓實驗建置構想流程圖... 31 圖 2.19 K 型管軸拉壓試驗裝置示意圖 ... 32 圖 2.20 A 型管接頭拉伸及壓力試驗儀器佈置 ... 33 圖 2.21 平口管接頭拉伸及壓力試驗儀器佈置... 33 圖 2.22 軸拉壓試驗端板尺寸示意圖... 34

xii 圖 2.23 詳細夾具各部尺寸... 35 圖 2.24 軸拉壓試驗接頭量測範圍... 38 圖 2.25 A 型管加勁裝置示意圖 ... 38 圖 2.26 A 型管組立圖 ... 38 圖 2.27 A 型管軸拉壓試驗量測區域 ... 39 圖 2.28 平口管橡膠墊圈... 40 圖 2.29 平口管組裝完成圖... 40 圖 2.30 平口管軸拉壓試驗量測區域... 40 圖 2.31 壓力傳感器... 41 圖 2.32 電磁閥... 41 圖 2.33 50 噸荷重計... 41 圖 2.34 LVDT 位移轉換器 ... 41 圖 2.35 水壓控制系統水壓錶(左：指針式水壓錶；右：數位式水壓錶) ... 41 圖 2.36 資料擷取系統... 42 圖 2.37 撓曲試驗(四點彎矩試驗)裝置示意圖 ... 42 圖 2.38 撓曲實驗建置構想流程圖... 43 圖 2.39 彎矩端板... 44 圖 2.40 鉸支承用試體轉接板... 44 圖 2.41 試體安裝於鉸支承之情形... 45 圖 2.42 四點彎矩試驗施力點之 V 型開口治具 ... 45 圖 2.43 L 型鋼座詳細尺寸 ... 46 圖 2.44 K 型試體撓曲試驗組立 ... 47 圖 2.45 撓曲試驗角度計配置示意圖(試體北側) ... 47 圖 2.46 撓曲試驗角度計配置示意圖(試體南側) ... 47 圖 2.47 撓曲試驗所用轉接鋼梁... 48

xiii 圖 2.48 撓曲試驗施力點裝置... 49 圖 2.49 A 型試體撓曲試驗角度計配置示意圖(試體南側) ... 50 圖 2.50 A 型試體撓曲試驗角度計配置示意圖(試體北側) ... 50 圖 2.51 平口管試體撓曲試驗角度計配置示意圖(試體南側) ... 50 圖 2.52 平口管試體撓曲試驗角度計配置示意圖(試體北側) ... 50 圖 3.1 容量點示意圖(試體強度達峰值且下降至其 0.8 倍以下，例一) ... 75 圖 3.2 容量點示意圖(試體強度達峰值且下降至其 0.8 倍以下，例二) ... 75 圖 3.3 容量點示意圖(試體強度未達峰值) ... 76 圖 3.4 容量點示意圖(試體強度達峰值但未下降至其 0.8 倍) ... 76 圖 3.5 DIP(K)400-T1 之軸力與位移關係圖 ... 77 圖 3.6 DIP(K)400-T1 試驗終止時情形 ... 78 圖 3.7 DIP(K)400-T1 試驗結束試體檢視 ... 78 圖 3.8 DIP(K)400-T2 之軸力與位移關係圖 ... 79 圖 3.9 DIP(K)400-T2 試驗終止時情形 ... 80 圖 3.10 DIP(K)400-T2 試驗結束試體檢視 ... 80 圖 3.11 DIP(K)400-C1 之軸力與位移關係圖 ... 81 圖 3.12 DIP(K)400-C1 試驗終止情形... 82 圖 3.13 DIP(K)400-C1 試驗結束試體檢視... 82 圖 3.14 DIP(K)400-C2 之軸力與位移關係圖... 83 圖 3.15 DIP(K)400-C2 試驗終止情形... 84 圖 3.16 DIP(K)400-C2 試驗結束試體檢視... 84 圖 3.17 DIP(K)400-B1 撓曲試驗之致動器力量與位移關係圖... 85 圖 3.18 DIP(K)400-B1 撓曲試驗之彎矩與相對轉角關係圖... 85 圖 3.19 DIP(K)400-B1 試體之情形... 86 圖 3.20 DIP(K)400-B1 試驗結束試體檢視... 86

xiv 圖 3.21 DIP(K)400-B2 撓曲試驗之致動器力量與位移關係圖... 87 圖 3.22 DIP(K)400-B2 撓曲試驗之彎矩與相對轉角關係圖... 87 圖 3.23 DIP(K)400-B2 試體之情形... 88 圖 3.24 DIP(K)400-B2 試驗結束試體檢視... 88 圖 3.25 DIP(A)400-T1 之軸力與位移關係圖 ... 89 圖 3.26 DIP(A)400-T1 試驗終止時情形 ... 90 圖 3.27 DIP(A)400-T1 試驗結束試體檢視 ... 90 圖 3.28 DIP(A)400-T2 之軸力與位移關係圖 ... 91 圖 3.31 DIP(A)400-T2 試驗結束試體檢視 ... 92 圖 3.32 DIP(A)400-C1 之軸力與位移關係圖... 93 圖 3.35 DIP(A)400-C1 試驗結束試體檢視... 94 圖 3.36 DIP(A)400-C2 之軸力與位移關係圖... 95 圖 3.37 DIP(A)400-C2 試驗中情形於 1mm 東側水微漏 ... 96 圖 3.38 DIP(A)400-C2 試驗終止情形於 2mm 東側噴水水壓無法控制 ... 96 圖 3.39 DIP(A)400-C2 試驗結束試體檢視... 96 圖 3.40 DIP(A)400-B1 撓曲試驗之致動器力量與位移關係圖... 97 圖 3.41 DIP(A)400-B1 撓曲試驗之彎矩與相對轉角關係圖... 97 圖 3.42 DIP(A)400-B1 試驗終止情形... 98 圖 3.43 DIP(A)400-B1 試驗結束試體檢視... 98 圖 3.44 DIP(A)400-B2 撓曲試驗之致動器力量與位移關係圖... 99 圖 3.45 DIP(A)400-B2 撓曲試驗之彎矩與相對轉角關係圖... 99 圖 3.46 DIP(A)400-B2 試體之情形... 100 圖 3.47 DIP(A)400-B2 試驗結束試體檢視... 100 圖 3.48 DIP(F)400-T1 抗拉試驗之軸力與致動器位移關係圖 ... 101 圖 3.49 DIP(F)400-T1 試驗終止情形 ... 101

xv 圖 3.50 DIP(F)400-T1 試驗膠圈檢視 ... 101 圖 3.51 DIP(F)400-T2 抗拉試驗之軸力與致動器位移關係圖 ... 102 圖 3.52 DIP(F)400-T2 試驗終止情形 ... 102 圖 3.53 DIP(F)400-T2 試驗膠圈檢視 ... 102 圖 3.54 DIP(F)400-C1 抗壓試驗之軸力與致動器位移關係圖 ... 103 圖 3.55 DIP(F)400-C1 試驗終止情形 ... 103 圖 3.56 DIP(F)400-C1 試驗膠圈檢視 ... 103 圖 3.57 DIP(F)400-C2 抗壓試驗之軸力與致動器位移關係圖 ... 104 圖 3.58 DIP(F)400-C2 試驗終止情形 ... 104 圖 3.59 DIP(F)400-C2 試驗膠圈檢視 ... 104 圖 3.60 DIP(F)400-B1 撓曲試驗之致動器力量與位移關係圖 ... 105 圖 3.61 DIP(F)400-B1 撓曲試驗之彎矩與相對轉角關係圖 ... 105 圖 3.62 DIP(F)400-B1 試驗終止情形 ... 106 圖 3.63 DIP(F)400-B1 試驗膠圈檢視 ... 106 圖 3.64 DIP(F)400-B2 撓曲試驗之致動器力量與位移關係圖 ... 106 圖 3.65 DIP(F)400-B2 撓曲試驗之彎矩與相對轉角關係圖 ... 107 圖 3.66 DIP(F)400-B1 試驗終止情形 ... 107 圖 3.67 DIP(F)400-B2 試驗膠圈檢視 ... 107 圖 3.68 DIP(K)400-T1 與無水拉力試驗比較圖[10] ... 108 圖 3.69 DIP(K)400-T2 與無水拉力試驗比較圖[10] ... 108 圖 3.70 DIP(K)400-C1 與無水壓力試驗比較圖[10] ... 109 圖 3.71 DIP(K)400-C2 與無水壓力試驗比較圖[10] ... 109 圖 3.72 DIP(K)400-B1 與無水撓曲試驗比較圖[10] ... 110 圖 3.73 DIP(K)400-B2 與無水撓曲試驗比較圖[10] ... 110 圖 3.74 K 型接頭軸拉力非線性鉸示意圖 ... 111

xvi 圖 3.75 DIP(K)400-T1 與接頭軸拉力非線性鉸之比較 ... 111 圖 3.76 DIP(K)400-T2 與接頭軸拉力非線性鉸之比較 ... 112 圖 3.77 K 型接頭彎矩非線性鉸示意圖 ... 112 圖 3.78 DIP(K)400-B1 與接頭彎矩非線性鉸之比較... 113 圖 3.79 DIP(K)400-B2 與接頭彎矩非線性鉸之比較... 113 圖 4.1 DN100 數值模型破壞 ... 120 圖 4.2 DN200 數值模型破壞 ... 120 圖 4.3 DN400 數值模型破壞圖 4.4 DN600 數值模型破壞 ... 121 圖 4.5 DN100 數值模型與無水壓力試驗比較[10] ... 122 圖 4.6 DN200 數值模型與無水壓力試驗比較[10] ... 122 圖 4.7 DN400 數值模型與無水壓力試驗比較[10] ... 123 圖 4.8 DN600 數值模型與無水壓力試驗比較[10] ... 123 圖 4.9 K 型接頭壓力非線性鉸示意圖 ... 124 圖 4.10 DIP(K)400-C1 與接頭軸壓力非線性鉸之比較... 124 圖 4.11 DIP(K)400-C2 與接頭軸壓力非線性鉸之比較 ... 125 圖 5.1 管線受斷層錯動示意圖... 134 圖 5.2 ASCE(1984)所定義之非線性土彈簧示意圖[30] ... 134 圖 5.3 自由端修正後之數值模型[10] ... 134 圖 5.4 管線與平移斷層夾角為 0 度之破壞示意圖(拉力破壞) ... 135 圖 5.5 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 0 度) ... 135 圖 5.6 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 0 度) ... 136 圖 5.7 管線與平移斷層夾角為 15 度之破壞示意圖(拉力破壞) ... 136 圖 5.8 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 15 度) ... 137 圖 5.9 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 15 度) ... 137 圖 5.10 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 15 度) ... 138

xvii 圖 5.11 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 15 度) ... 138 圖 5.12 管線與平移斷層夾角為 30 度之破壞示意圖(拉力破壞) ... 139 圖 5.13 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 30 度) ... 139 圖 5.14 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 30 度) ... 140 圖 5.15 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 30 度) ... 140 圖 5.16 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 30 度) ... 141 圖 5.17 管線與平移斷層夾角為 45 度之破壞示意圖(拉力破壞) ... 141 圖 5.18 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 45 度) ... 142 圖 5.19 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 45 度) ... 142 圖 5.20 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 45 度) ... 143 圖 5.21 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 45 度) ... 143 圖 5.22 管線與平移斷層夾角為 60 度之破壞示意圖(拉力破壞) ... 144 圖 5.23 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 60 度) ... 144 圖 5.24 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 60 度) ... 145 圖 5.25 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 60 度) ... 145 圖 5.26 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 60 度) ... 146 圖 5.27 管線與平移斷層夾角為 75 度之破壞示意圖(拉力破壞) ... 146 圖 5.28 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 75 度) ... 147 圖 5.29 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 75 度) ... 147 圖 5.30 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 75 度) ... 148 圖 5.31 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 75 度) ... 148 圖 5.32 管線與平移斷層夾角為 90 度之破壞示意圖(拉力破壞) ... 149 圖 5.33 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 90 度) ... 149 圖 5.34 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 90 度) ... 150 圖 5.35 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 90 度) ... 150

xviii 圖 5.36 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 90 度) ... 151 圖 5.37 管線與平移斷層夾角為 105 度之破壞示意圖(撓曲破壞) ... 151 圖 5.38 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 105 度) ... 152 圖 5.39 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 105 度) ... 152 圖 5.40 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 105 度) ... 153 圖 5.41 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 105 度) ... 153 圖 5.42 管線與平移斷層夾角為 120 度之破壞示意圖(撓曲破壞) ... 154 圖 5.43 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 120 度) ... 154 圖 5.44 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 120 度) ... 155 圖 5.45 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 120 度) ... 155 圖 5.46 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 120 度) ... 156 圖 5.47 管線與平移斷層夾角為 135 度之破壞示意圖(壓力破壞) ... 156 圖 5.48 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 135 度) ... 157 圖 5.49 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 135 度) ... 157 圖 5.50 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 135 度) ... 158 圖 5.51 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 135 度) ... 158 圖 5.52 管線與平移斷層夾角為 150 度之破壞示意圖(壓力破壞) ... 159 圖 5.53 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 150 度) ... 159 圖 5.54 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 150 度) ... 160 圖 5.55 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 150 度) ... 160 圖 5.56 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 150 度) ... 161 圖 5.57 管線與平移斷層夾角為 165 度之破壞示意圖(壓力破壞) ... 161 圖 5.58 管線破壞時之撓曲變形圖(管線與平移斷層夾角為 165 度) ... 162 圖 5.59 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 165 度) ... 162 圖 5.60 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 165 度) ... 163

xix 圖 5.61 管線破壞時之撓曲圖(管線與平移斷層夾角為 165 度) ... 163 圖 5.62 管線與平移斷層夾角為 180 度之破壞示意圖(壓力破壞) ... 164 圖 5.63 管線於接頭處之力與位移關係(管線與平移斷層夾角為 180 度) ... 164 圖 5.64 管線破壞時之軸力圖(管線與平移斷層夾角為 180 度) ... 165 圖 5.65 斷層容許錯動量在不同斷層角下比較(0 至 180 度)[10] ... 165

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第一章 緒論

1.1 研究動機及目的

我國位處環太平洋地震帶，平均十數年會發生一次致災性陸上強震，並因社 會經濟發展的日趨成熟，而有損壞、損失升高之趨勢。地下自來水管線的耐震容 量若是無法滿足耐震需求則會損壞並且漏水，自來水為維生線系統中重要的一環， 因此當地下自來水管線因地震產生損壞而無法提供正常服務功能，則勢必產生民 生與衛生問題，更可能因此產生二次災害如火災與瘟疫，故自來水管線因地震所 引起之損壞不可不視。其震害型式主要為地表震動、變形所引致的地下管線損壞， 九二一地震經驗顯示作為主要管材的延性鑄鐵管(DIP)，損壞多集中於接頭處， 並且與管徑與接頭型式關係密切，當地震發生時，地下自來水管線系統可能因為 地震所引致之地層錯動或土壤液化而產生損傷，因此必先瞭解水管的耐震行為才 可執行設計或評估。 國內外歷次地震災害調查報告顯示，自來水管線的震害一般而言可歸納為以 下三種類型：直管折損、接頭損壞、餘另件破壞。1995 年日本阪神地震於神戶 市所調查之 1679 公里給水管線中，接頭損壞數約佔管線總破壞數的 54.7%，值 得注意者為 NS 耐震接頭在本次地震中竟然無一脫接(蔡錦松等，1999[1])。1999 年集集大地震的調查報告顯示，當時中部災區之自來水主要管種為 DIP 管(ductile iron pipe，延性鑄鐵管)與 PVCP 管(polyvinylchloride pipe，聚氯乙烯管)，其中前 者又以 A 型及 K 型接頭為主；DIP 管中 450mm 以下配水管災損率為 500mm 以 上輸水管災損率的 8 倍，其中接頭損壞數佔 DIP 管總破壞數的 61%，且絕大多 數為接頭的脫接；PVCP 管則管材本身之耐震性即極差，因此其管線震害以直管 折損佔大宗(王炳鑫，2000[2])。由上述可知：作為自來水主要管材的 DIP 管，其 受震損壞多集中於接頭處，並且與管徑與接頭型式關係密切。 在土層破壞作用下，自來水接續管材隨之受力而變形，其行為端視管線與土

2 壤之互制關係，管線與土層破壞在不同之方位角下，受力與變形之型態亦隨之不 同，或拉、或壓、或撓曲、或其組合。目前國內外 DIP 管線施工規範訂有管線 接頭處的容許偏位與偏倚角，然地震以強震動的形式，對管線施加額外的位移， 造成管線與接頭的隨機損壞，其所施加之軸向或側向位移量，已超出規範所容許 的接頭伸長量或彎折角，而且超出的程度亦可能極可觀。綜上所述，自來水管線 必須同時具備良好之強度與變形能力，故管線接頭之功效相當重要。若接頭之設 計，使相接之兩管段之間，具有足夠之裕度，以柔克剛，讓管段之間自由變形， 並保持功能，不致於漏水。當變形之裕度用盡時，接頭具有足夠之強度，防止管 線之間鬆脫，讓力量傳至相鄰之管段，促使其他相鄰之接頭，相繼發揮變形之能 力，避免管線破壞。

地下自來水管線規範，如 ISO 2531[3]、BSI EN 545-2010[4]及 JDPA T55[5]， 大多著重於性能及封密性之測試。有鑑於此，本文針對臺北自來水事業處以及水 利署所提供之 DIP 配水管接頭，在管內充填自來水並施予水壓，進行拉、壓及 撓曲之測試。在測試之過程中，監測水壓，據以判斷管線供水能力與其受力及變 形之關係，藉以訂定管線之容許強度及變形，量化其耐震之能力。 當地下自來水管線受地層錯動時，管線可能因為承受過大之彎矩或軸壓力進 而產生局部挫屈(local buckling)[6]如圖 1.1，如果利用梁元素來模擬管線受地層錯 動的行為時，並無法表現出管線局部挫屈破壞狀態，一般皆利用殼元素來進行模 擬，但是利用殼元素對於整體的計算量以及分析是較為複雜且耗時的，在工程實 務上的運用可行性是比較低的，基於上述的原因，本文也預計利用非線性側推分 析，討論地下水自來管線受地層錯動的行為。

1.2 文獻回顧

相關文獻可以回溯到國外，Singhal (1984)[7]根據延性鑄鐵管柔性接頭受震 行為，進行實體試驗，探討軸向拉伸壓縮、撓曲彎折以及扭轉等三種接頭受力破 壞情況，Gu (2011)[8]將鑄鐵管柔性接頭置於土壤中作管內滿水拉伸試驗，觀察

3 管體受土壓之水密效能，國內蔡錦松(1999)[1]等人曾就自來水管線接頭進行耐震 檢測試驗，選擇管徑 200mm 及 300mm 之 A 型柔性接頭，固定管內水壓在 10kgf/cm2，分別進行接頭往復荷載及頂水伸張試驗，探討接頭伸縮變形能力， Meis et al. (2003)[9]的延性鑄鐵管試驗使用了四種不同接頭，分為無束制接頭以 及束制接頭。對於接頭受震時之靜態反應，係以致動器施力，探討接頭受拉、壓 以及彎矩作用下之行為反應，撓曲試驗採四點撓曲方式，距兩端 1/4 處施力，試 體為管徑的 8 倍(8DN)。對於接頭受震時之動態反應，係以振動台當施力系統來 探討接頭受往復載重下之行為反應。拉壓試驗結果包含了降伏強度、位移以及破 壞時的強度和位移，其 200mm 管的試驗結果對於束制接頭和無束制接頭，皆達 到降伏強度以及降伏位移後才破壞。在 2011 年國家地震工程研究中心報告[10] 的研究係針對柔性的 K 型接頭，選擇 100mm、200mm、400mm 及 600mm 四種 標稱管徑進行一系列管體與接頭的力學試驗，利用適當長度延性鑄鐵管對接 K 型柔性接頭，接頭置於中央，以油壓致動器逐步施加位移，進行軸向抗拉拔、軸 向抗壓及四點式撓曲測試，進而取得管體與接頭的廣義力與廣義位移關係，以及 接頭的抗拉、壓、彎曲能力，藉此作為一管線耐震評估指標。 除了自來水管線試驗外，由於側推分析本質上為非線性靜力分析，故亦有研 究是利用側推分析的概念來分析地下結構物如基樁或地下管線，如邱俊翔等人 [11][12]便以非線性側推分析的概念來探討基樁受側力之非線性行為，將基樁以 離散的梁元素來模擬，並給予梁元素非線性之彎矩與轉角關係，土壤之效應則由 離散非線性土彈簧來模擬；在地下管線之研究方面，侯信宇[13]以離散線性梁元 素與離散非線性土彈簧來探討分段管受逆斷層錯動之行為，並以非線性彈簧來模 擬接頭效應。近期則有 Joshi 等人[14]以非線性梁元素與非線性土彈簧來探討連 續管受逆斷層錯動之行為。上述的研究中，基本概念均是以非線性梁元素搭配非 線性土彈簧來分析地下結構物之行為，上述的概念與側推分析是完全相同的，不 同之處僅在於對地下結構之加載方式，如 Joshi 等人之模擬方式乃是給予土彈簧

4

基底位移控制來模擬斷層效應。另一方面，在連續管受地層錯動之理論分析上， 已有許多學者提出相關之理論，早期 Hall 與 Newmark[15]探討在小變形情況下， 連續管因地層錯動而受拉之行為；Kennedy 等人[16][17]則延續 Hall 與 Newmark 之研究，以大變形分析之角度來探討連續管因地層錯動之受拉行為；但 Wang 與 Yeh[18]指出上述之研究並無考慮到連續管受錯動時，除了受軸力外，管線本身 亦有撓曲行為，因此 Wang 與 Yeh 以彈性基礎上之 Winkler 梁原理[19]搭配大 變形分析來探討連續管受地層錯動之行為，Wang 與 Yeh 推導時假設連續管受 平移斷層時，變形乃是反對稱，因此可取半分析並簡化成半無限長梁來分析，其 中此半無限長梁可分成兩個區域，第一個區域為管線靠近斷層處，Wang 與 Yeh 假設此區域變形為大變形且撓曲變形曲線之曲率為定值，第二個區域為管線遠離 斷層處，Wang 與 Yeh 假設此區域變形為小變形，因此以 Winkler 梁來推導， Wang 與 Yeh 另指出當管線位置距離斷層夠遠時，土壤與管線間無相對位移，因 此管線幾乎無變形而成一直線。 而國家地震工程研究中心報告[20]綜合上述學者的研究，利用梁元素和土壤 彈簧以非線性側推分析來探討連續管受平移斷層錯動之行為，也對於平移斷層與 管線之間的交互作用以及與斷層夾角關係作一完整說明，數值模型如圖 1.2，對 於側推分析的模型，只考慮平移斷層的影響，故模型座標只有考慮水平面(XY 軸)， 不考慮垂直面(Z 軸)，因此土壤彈簧的作用方向為水平面，不考慮垂直面，接著 由 ABAQUS 分析管線之撓曲行為，並建立管體彎矩非線性鉸。同時，根據管線 之材料試驗，訂定軸力非線性鉸，而土壤則以非線性彈簧模擬之，採用 SAP2000 建立管線之數值模型，並將管線及土壤之非線性參數置於模型中，繼而執行非線 性側推分析。國家地震工程研究中心報告[10]藉由 ABAQUS 分析管線之壓力行 為，並建立管體壓力非線性鉸，套入 SAP2000 數值模型做更進一步的非線性側 推分析。

5

1.3 本文內容

本研究選擇接頭型式為柔性的 K 型接頭延性鑄鐵管、A 型接頭延性鑄鐵管 以及剛性的平口接頭延性鑄鐵管，標稱管徑皆為 400mm，強制受測管材在加壓 滿水的條件下，接頭置於中央，以油壓致動器逐步施加位移，進行軸向抗拉拔、 軸向抗壓及四點式撓曲測試，產生超出規範所容許的接頭伸縮量或彎折角，以研 究其破壞機制、漏水狀態與耐震容量，作為未來規劃自來水管線汰換與耐震性能 提升方案之參考，並且透過試驗結果，建立接頭的拉力、撓曲非線性鉸。之後再 導入商用有限元素軟體 ABAQUS 中，設置與試驗相同的水壓條件，進行四種管 徑軸向抗壓試驗的模擬，再跟試驗所得力與位移曲線比較，比較之後對於數值模 型進行合理的修正與假設，取得力與位移關係後，建立接頭的壓力非線性鉸。最 後對於國家地震中心報告[20]所建立管線受平移斷層錯動的側推分析數值模型 進行每隔六公尺設置接頭的拉力、壓力、撓曲非線性鉸以模擬成分段管線，利用 側推分析的結果，分析分段管線在平移斷層錯動下的容許錯動量。由上述可得本 文之架構如下： 第一章 緒論 本文之研究動機與目的，說明本文之文獻回顧與架構。 第二章 試驗規劃介紹 對於三種台灣常用的接頭與延性鑄鐵管對接，在加壓滿水的條件下，進行三 項管線力學測試規劃，其中包括試驗組立、試驗加載、試驗致動、量測、資料收 集系統以及 sensor 配置。 第三章 試驗結果分析與量測觀察 在完成三項管體與接頭力學試驗後，所得數據進行適當處理，整理成圖表， 對於管體與接頭的試驗曲線進行探討，最後與規範進行比較，建立管線耐震容量 以及接頭的拉力、撓曲非線性鉸。 第四章 理論分析與非線性鉸建立 首先對於管體的材料曲線進行三線性的簡化假設，利用商用有限元素軟體

6 ABAQUS 導入簡化後的材料參數後，設置與試驗相同的水壓條件，模擬四種管 徑管體之軸向抗壓行為，取得四種管徑力與位移關係後，再與試驗數據比對，建 立接頭的壓力非線性鉸，在得到所有管徑的力與位移曲線後，利用商用有限元素 軟體 SAP2000，利用其中的塑鉸設定，正規化取得所有管徑的壓力塑鉸參數。 第五章 案例分析 對於側推分析數值模型進行一簡短介紹，利用所取得接頭的拉力、壓力、撓 曲非線性鉸參數，模擬成分段管線，對 DN400 管徑進行側推分析，再與之前連 續管線的分析作比較與探討。 第六章 結論與建議 歸納第二章到第五章結論，並提出本研究的結論與建議。

7

圖 1.1 自來水管線局部錯屈[6]

Beam element 1 Beam element 2 Beam element 3 Beam element 4 Beam element 5

axial V

L shear

9

第二章

試驗規劃介紹

為了測試延性鑄鐵管與柔性接頭以及剛性接頭之耐震能力，受測管材之標稱 管徑統一取為 DN400，配合 K 型柔性接頭、A 型柔性接頭以及平口型剛性接頭 對接延性鑄鐵管，在國家地震工程研究中心進行耐震性能試驗，管材在加壓滿水 的條件下，以拉、壓以及撓曲試驗研究其漏水狀態、破壞機制與耐震能耐。

2.1 延性鑄鐵管與接頭尺寸與介紹

延性鑄鐵管(DIP)具有高強度、高延展性，安全性高，以及耐衝擊、可塑性 佳，容許彎曲不容易破裂，容許變形但不壓破等優點，為台灣地區自來水管線常 見管材，臺北自來水事業處轄區自來水管線以延性鑄鐵管(ductile iron pipes, DIP) 為最大宗，佔管線總長度的 66%，一般國內廠商產生之延性鑄鐵管，其長度為 6m，內面襯裡為普通卜特蘭水泥砂漿，內襯厚度為 6mm，外部塗裝為底鋅加柏 油漆，如圖 2.1 所示，製作規範直管符合 CNS 10808 -G3219[21]、JIS G5526[22]， 管件符合 CNS 13272-G3253[23]、JIS G5527[24]。

2.1.1

K 型延性鑄鐵管

標稱管徑 DN 400 之 K 型延性鑄鐵管，外徑 D 為 425.6mm，接合長度 P 為 110mm，管厚 t 為 7mm (屬 D3K 管)。K 型接頭構造，一端為承口，另一端為插 口，壓圈需要的螺栓數量為 12 支，各部實體如圖 2.2至圖 2.6 所示，管材詳細尺 寸可參考表 2.1 至表 2.4 所列。K 型接頭之橡膠圈，於 CNS 13272 G3253[23]國家 標準中，屬於接合配件第 III 類，材料為良質之苯乙烯丁二烯膠(SBR)、氯化丁二 烯橡膠(CR)與丙烯晴丁二烯橡膠，依規定其圓部硬度須達 IA 55，角部硬度須達 IA 70，橡膠物性及製造須符合 CNS 10774 K40802[25]之第 I 類 A 種之規定，所 實施之軸拉、軸壓及撓曲試驗各採取兩組試體，總共實施六次試驗。

2.1.2

延性螺壓式三承口十字管(A 型管)

10 延性螺壓式三承口十字管，以下簡稱 A 型管，管材外型呈現十字狀，長向 一端為承口端，一端為接口端，總長度為 1280 mm，短向則兩端皆為承口端，總 長度為 960 mm，本次試驗取標稱管徑 DN400 為試驗管體，外徑(D2)為 425.6 mm、 管厚(T)為 14 mm 及接合長度(P)為 90 mm，壓圈管徑越大需要螺栓數量越多，取 標稱管徑 DN400，需要 12 根鑄鐵螺栓，插口則取標稱管徑 DN400，管厚(D2) 為 7.5mm 之直管進行組裝。A 型管管材詳細尺寸可參考表 2.5 至表 2.8 所列，零 件實體如圖 2.7至圖 2.12 所示。所實施之軸拉、軸壓及撓曲試驗各採取兩組試體， 總共實施六次試驗。

2.1.3

延性螺壓式單突緣短管(平口管)

延性螺壓式單突緣短管常稱為平口管，以下簡稱平口管；管材外型一端為 突緣，一端為插口，總長度為 750mm，於管材突緣處預留孔位與對端的管件接 合，試驗取標稱管徑 DN400 為試驗管體，外徑(D2)為 425.6mm，管厚(T)為 14mm， 需要 12 根不鏽鋼螺栓。平口管管材詳細尺寸可參考表 2.9 至表 2.10 所列，零件 實體如圖 2.13 至圖 2.15 所示。所實施之軸拉、軸壓及撓曲試驗各採取兩組試體， 總共實施六次試驗。

2.2 軸向抗拉壓試驗規劃

軸拉、壓試驗裝置包含施力設備、夾具、水壓控制系統、感測計(量測接頭 相對位移及試體整體變形)以及資料擷取系統。試驗時將試體垂直置於 500 噸萬 能試驗機之中，如圖 2.16 所示，水壓控制系統如圖 2.17 所示，上、下兩端分別 透過夾具固定，再以位移控制方式，對試體施加軸向拉力或壓力，軸拉壓實驗建 置構想流程如圖 2.18 所示。 試驗過程中以 500 噸萬能試驗機內建之荷重計與位移計，分別量測軸拉、壓 試驗之施力，以及試體整體變形量(軸向伸長或壓縮量)，其 Cross Head 位移範圍 ±75 mm，位移控制最大速率為 4.5 mm/s。另以位移計(LVDT)量測接頭之相對位 移，以水壓計感測試體內的水壓變化。由於試體為有限容積之密閉容器，對試體

11 進行加載時，即使是試體保持完好，仍可能導致其容積發生變化，進而水壓也一 起隨之變化。因此，水壓控制系統必須具備自動增壓或洩壓之機制。本研究為此 特別設計 並訂 製一專 屬之水壓 控制 系統， 可提供試 驗壓 力之上 限值為 10 kgf/cm2。 以上所有量測數據均統一由資料擷取系統進行全程之資料擷錄，主要使用資 料擷取系統及量測儀器說明如表 2.11 所列，K 型管拉伸及壓力試驗儀器佈置如 圖 2.19，A 型管拉伸及壓力試驗儀器佈置如圖 2.20，平口管拉伸及壓力試驗儀器 佈置如圖 2.21，管材裝置要則之詳細說明如以下各小節分別所述。

2.2.1

K 型延性鑄鐵管

(a) 試體管長：所取得管材為市面上標準 6 m 長的自來水管，就其承口段由管件 裁切並取兩倍標稱管徑長度，長度為 800 mm。插口段則由直管裁切兩倍的 標稱管徑加上該管之接合長度 110 mm，長度為 910 mm。則總長經組立後為 四倍的標稱管徑(4 DN)長度，長度為 1600 mm。 (b) 試體端板：於試體的兩端焊接端板，端板之尺寸長及寬皆為 600 mm，厚度 為 20 mm，端板中心開 PT 3/4”管牙孔以利注出水，如圖 2.22 所示。 (c) 端板焊接：延性鑄鐵管與端板間以焊接方式接合，因兩者材料不同，屬異料 焊接，經常發生焊道混入碳元素，使得熱影響區或焊接金屬發生硬化，提高 龜裂發生之風險。本研究焊接要領如下：應用兩種焊料進行焊接，以 GC-100 (SMAW)打底，GMX309L (GMAW)作為表面堆焊；焊接前，須將母材(鑄鐵 管端部及端版)預熱至 120℃；為防止母材因熱脹冷縮，造成材質變異或焊道 斷裂，每次焊接之焊道長度以不超過 50 mm 為原則，且須以對稱交錯段焊 方行進行，焊接每一段後，須立即以機具連續敲擊，減輕焊接時造成的收縮 應力；焊接層間溫度須控制在 250℃以內，防止材質變異；最後以高溫泡棉 包覆試件，以均溫方式進行冷卻。 (d) 試體安裝：將壓圈與膠圈套至試體之插口，接著將試體之插口端與承口端接

12 合，安裝過程中必須鎖緊壓圈上之螺栓使其去推擠壓圈，如此方能使 K 型 接頭之接合處能達到密合，鎖緊扭力依規定為 100 N·m (臺北自來水事業處 第 02505 章[26])。 (e) 試驗組立：首先將夾具固定於 500 噸萬能試驗機上，在將試體以螺栓鎖附的 方式，固定於夾具裝置上，即完成試體於設備上的組立，詳細夾具各部尺寸， 如圖 2.23。 (f) 感應計安裝：為觀察試驗中試體接頭的相對位移，試驗時取試體接頭之兩個 相反方位，架設位移計(LVDT)各一只，量測區域之上端距離承口邊緣 165mm (1.5P)，下端距離承口端邊緣 110mm (1P)，如圖 2.24。 (g) 試驗條件：本軸拉、軸壓試驗定位為靜態試驗，因此油壓致動器之位移速率 以慢速為原則，例如 0.15 mm/sec 左右，過程中並得於試驗觀察之時機，暫 停動作。

2.2.2

延性螺壓式三承口十字管(A 型管)

(a) 試體管長：承口段就所取得的管材，取長向組立直管進行試驗，但長向總長 即 1280 mm，超出長度 480 mm，因此於長向插口端部設立四片加勁裝置， 長度符合超出長度，使試體承口端有效長度為兩倍標稱管徑(2DN)即 800 mm， 如圖 2.25 所示。插口段則由直管裁切兩倍標稱管徑(2DN)加上該管之接合長 度 90 mm，長度為 890 mm，總長經組立含端板有效長度為四倍標稱管徑 (8DN)長度，長度為 1600 mm，組立完成如圖 2.26 所示。 (b) 試體組立：安裝 A 型管接頭時，乃將壓圈與橡膠圈套至直管之接口端，接 著將直管之接口端與 A 型接頭之承口端使用螺栓鎖緊接合，另外短向兩承 口端則以螺栓將管塞封緊，所有螺栓鎖緊之扭矩值為 100 kgf-cm (資料來源： 臺北自來水事業處)；而自來水管體內水壓穩定則以一 600 mm 正方形板件， 厚度 20 mm，材質為 A36 的封板，並以焊接方法與管體接合，且在封板中 間取一直徑 3/4 英吋管牙孔位用以方便安裝進出水管的位置。

13 (c) 夾持裝置：由於自來水管體以及拉、壓設備皆為獨立的單元，所以必須考慮 在固定管材於拉壓設備，以及自來水管內的水壓穩定；因此，在設備與管材 件的固定上設計一夾具，用以方便安裝試體與進出水管。 (d) 接頭量測區域：為觀察試驗中試體接頭的相對位移，試驗時取試體接頭之兩 個相反方位，架設位移計(LVDT)各一只，量測區域之上端距離承口邊緣 135mm (1.5P)，下端距離承口端邊緣 90mm (1P)，如圖 2.27 所示。

2.2.3

延性螺壓式單突緣短管(平口管)

(a) 管體組立：平口管試體的組成，係由兩個平口管對接組成，組裝要領為橡膠 墊圈放置在兩平口管中間，對準後以螺栓旋緊之，螺栓與螺帽材質為不銹鋼， 而鎖緊之扭矩值為 100kgf-cm；由於平口管之管長為 750mm，所以兩平口管 對接總長度為 1500mm。需特別一提，橡膠墊圈取得係以橡膠片放置於平口 管接合端處，以鐵鎚敲擊平口管突緣處而得，如圖 2.28 所示。最終，平口 管試體組立如圖 2.29 所示。 (b) 試體與接頭量測區域：拉線式位移計(SP)用於量測試體之整體位移，安裝於 試體兩端版之間。位移計(LVDT)用於量測接頭之相對位移，量測區域之上 端距平口突緣 100 mm (DN/4)，下端相同的距平口突緣 100 mm (DN/4)。於 試體之周圍，於相反兩側分別架設 LVDT 與 SP 位移計各一組，如圖 2.30 所示。 (c) 平口管除了試體以及量測區域不同於 A 型管，其餘設置皆相同。

2.2.4

致動、量測與資料收集系統

(a) 水壓控制設備 本試驗必須藉助於水壓控制系統，以維持試體之滿水，並進行水壓控制， 使之維持於固定之試驗水壓，並於試驗過程中全程記錄水壓變化情形。試驗過程 中，因接頭鬆脫、損壞或管體開裂，導致試體漏水而無法維持試驗水壓時，即視 為試體已喪失其功能性，試驗中止。

14

目前國內配水管工作水壓約為 1~2 kgf/cm2_{，輸水幹管工作水壓約為 3}

kgf/cm2左右。依 ISO 2531 Ductile Iron Pipes, Fittings, Accessories and Their Joints for Water Applications (2009)[3]之試驗水壓規定，試驗水壓應為(1.5PN+5) kgf/cm2， PN 為工作水壓。本研究之標的管材屬配水管之管徑範圍(詳後)，因此，以(1.52+5) = 8 kgf/cm2作為試驗水壓，容許變化範圍取為±0.5 kgf/cm2_{。試驗過程中，試體之} 持壓能力無法維持於此範圍時，視為失效，並以此時試體之變形能力等參數作為 其耐震能力，進行耐震分級。 由於試體為有限容積之密閉容器，對試體進行加載時，即使是試體保持完好， 仍可能導致其容積發生變化，進而水壓也一起變化。因此，水壓控制系統必須具 備自動增壓或洩壓之機制。本研究為此特別設計並訂製一水壓控制系統，可提供 試驗壓力之上限值為 10 kgf/cm2_。 該系統係以壓力感測器，如圖 2.31 所示，偵測水壓值，當水壓不足時，壓 力感測器便會啟動加壓馬達進行增壓，以補足水壓力至試驗壓力後，壓力感應器 即停止馬達運轉；反之，當水壓過大時，壓力感測器便會啟動電磁閥，如圖 2.32 所示，進行洩壓，直至到達試驗壓力為止。由於試驗進行中，試體容積變化(水 壓變化)為一連續之過程，為避免在這個過程中，發生加壓馬達(或是電磁閥)的頻 繁啟動，本水壓控制系統可以設定一容許值(例如±0.5 kgf/cm2 )，當水壓變動超出 容許值時，加壓馬達(或是電磁閥)方纔動作。 (b) 感測計 為了解試體在軸拉、軸壓試驗過程中的受力與變形情形，須於試驗系統與試 體之特定位置設置感測計，說明如下。 (1) 荷重計 本試驗以 500 噸萬能試驗機內建之荷重計，量測軸拉、軸壓試驗中對於試體 的施力。又對於非防脫管材的軸拉試驗，由於預期施力可能很小，因此於試體上

15 端夾具與萬能試驗機之間，增設一國震中心自製之荷重計，容量為 50 噸，如圖 2.33 所示，以提高量測精度。 (2) 位移計 本試驗以 500 噸萬能試驗機內建之位移計，量測軸拉、軸壓試驗中試體的整 體變形量(軸向伸長或壓縮量)。另外，亦以 LVDT 位移計量測接頭之相對位移， 試驗時取試體接頭之兩個相反方位，架設位移計各一只。LVDT 位移計為東京測 器研究所之 SDP-200D 型 LVDT 位移轉換器，測量範圍為±100 mm，如圖 2.34 所示。 (3) 水壓計 試驗進行全程須監控水壓變化情形，首先於試體之出水端設置一壓力傳感器， 作為代表水壓之量測點，除將訊號送至水壓控制器以判讀是否加壓或洩壓，亦將 訊號送至資料擷取系統已進行數化記錄。其次，亦於試體進、出水管線的位置設 置水壓錶各一只，如圖 2.35 所示，以利現場人員即時判讀。所採 Atlantis 指針式 水壓錶，量測範圍為 0~10kgf/cm2_{，而數位式水壓錶之量測範圍則為 0~99 kgf/cm}2_， 精度±0.1 kgf/cm2_。 (c) 資料擷取系統 本試驗採東京測器研究所之 THS-1100 型資料擷取器(data logger)，如圖 2.36 所示，作為所有量測訊號之數化、記錄之用，其最快取樣頻率為 1 Hz，可滿足 靜態試驗需求。

2.3 四點式撓曲試驗規劃

撓曲試驗裝置包含施力設備、夾治具、水壓控制系統、感測計(量測接頭相 對轉角、接頭下沉量、支承反力)以及資料擷取系統，如圖 2.37 所示。試驗進行 方式，係將試體以水平方式，置於門型構架中間，以油壓致動器移動施力橫梁下 降，透過一對 V 型夾具施力於試體，並以鉸支承作為對試體兩端點，進行四點 彎矩試驗，撓曲實驗建置構想流程如圖 2.38 所示。

16 試驗過程中，以 100 噸油壓致動器內建之荷重計與位移計，分別量測四點彎 矩試驗之總施力，以及施力橫梁下壓的位移量。另外，以角度計量測試體之轉角， 以拉線式位移計監測接頭下沉量。最後，撓曲試驗構架中，鉸支承底部一律設置 荷重計，以監測受力情形。以上所有量測數據均統一由資料擷取系統進行全程之 資料擷錄。

2.3.1

K 型延性鑄鐵管

(a)

試體管長：所取得管材為市面上標準 6 m 長的自來水管，就其承口段由管 件裁切並取約四倍標稱管徑長度，長度為 1580 mm。插口段則由直管裁切 四倍的標稱管徑加上該管之接合長度 110 mm，長度為 1690 mm。總長經組 立含端板後為八倍的標稱管徑(8 DN)長度，長度為 3200 mm。 (b) 試體端板：於試體的兩端焊接端板，其尺寸長及寬皆為 500 mm，厚度為 25 mm，端板中心開 PT 3/4 英吋管牙孔以利注出水，如圖 2.39 所示。 (c) 端板焊接：延性鑄鐵管與端板間以焊接方式接合，因兩者材料不同，屬異 料焊接，經常發生焊道混入碳元素，使得熱影響區或焊接金屬發生硬化，提 高龜裂發生之風險。本研究焊接要領如下：應用兩種焊料進行焊接，以 GC-100 (SMAW)打底，GMX309L (GMAW)作為表面堆焊；焊接前，須將母 材(鑄鐵管端部及端版)預熱至 120℃；為防止母材因熱脹冷縮，造成材質變 異或焊道斷裂，每次焊接之焊道長度以不超過 50 mm 為原則，且須以對稱 交錯段焊方行進行，焊接每一段後，須立即以機具連續敲擊，減輕焊接時造 成的收縮應力；焊接層間溫度須控制在 250℃以內，防止材質變異；最後以 高溫泡棉包覆試件，以均溫方式進行冷卻。 (d) 試體安裝：先以圖 2.40 所示轉接板固鎖於試體兩側端板，再以直徑 7 cm 光 滑圓棒穿過轉接板，並跨坐於圖 2.41 所示鉸支承，以兩組 L 型鋼座進行夾 持，束制其上下左右移動，結果如圖 2.42 所示，L 型鋼座詳細尺寸圖如圖 2.43 所示。

17 (e) 施力構架組立：利用門型構架結合油壓致動器及施力橫梁之組合，施力橫 梁平行於試體上方，V 型開口治具二組固定於施力橫梁下方，作為四點彎矩 試驗的施力點，最後，得到撓曲試驗之組立如圖 2.44 所示。 (f) 感應計安裝：試驗中以角度計量測試體之轉角，其配置方式依試體南、北兩 側而不同，北側於試體中心左右分別配置 4 只角度計，其位置距離承口邊緣 依序為 165mm (1.5P)、400mm (1DN)、600mm (1.5DN)及 800mm (2DN)，如 圖 2.45 所示；南側則於試體中心左右分別配置 1 只角度計，其位置距離承 口邊緣為 600mm (1.5DN)，如圖 2.46 所示。此外，接頭南北兩側之中心點， 亦於承口邊緣處分別設置拉線式位移計之量測點各一，藉以監測接頭下沉 量。

2.3.2

延性螺壓式三承口十字管(A 型管)

(a) 試體管長：彎矩試體總長應為八倍標稱管徑(8DN)，但承口段不及四倍標稱 管長(4DN)，因此，以管件試體段含端板經組裝後為四倍的標稱管徑(4DN) 即 1600 mm，管件長度不足部分以鋼梁組裝，延長至 8 DN，鋼梁詳細尺寸 圖如圖 2.47 所示。 (b) 端板：試體密封端板以一 500 mm 正方形板件，厚度 20 mm，材質為 A36 的封板，以焊接方法與管體接合，端板的另一端則以螺栓與橫梁鎖緊接合用 以延長。 (c) 排氣及進出水裝置：進出水口設立於試體的正下方近端板處，尺寸為 PT3/4 英吋管牙孔；由於試驗過程試體需注滿水，隨著水緩慢的注入試體內，應將 試體中積存之空氣予以排放，以避免氣堵而難以注水，因此分別設置排氣閥 於試體兩端之最高處。 (d) 鉸支承：為得到四點彎矩之試驗條件，同時束制左、右兩端點不發生軸向 移動，本研究因此設計四座鉸支承(hinge supports)。鉸支承為兩兩一對的組 合，在撓曲試驗上共需兩對，試驗時置放於試體的兩端的兩側，其設計係利

18 用 7cm 光滑圓棒穿過與試體相接的旋轉板治具，置放於工型鋼梁上，再以 兩片 L 型鋼座鎖附於工型鋼梁，提供試體受彎矩變形時，得到試體可旋轉 而不可上下左右移動的設計。 (e) 夾持施力裝置：由於試體的組成為自來水管體與鋼梁藉由螺栓鎖附組合而 成，為使試體受力均勻，因此設計一圓頂夾持夾具，圓頂用於當橫梁下壓彎 矩力時每個角度都可以均勻受力，開口則可同時夾持管體之端板及橫梁，再 次防護不鬆脫，如圖 2.48 所示。 (f) 彎矩試驗組立：試體於鋼梁之兩端以螺栓鎖附固定於旋轉板，旋轉板再置放 於鉸支承與荷重計裝置上，最後再與一片鋼板接合，施加預力固定於反力地 板之孔洞上。施力加載方式則由利用門型構架與油壓致動器及橫梁組合，將 橫梁平行於試體上方，夾持施力裝置固定於試體與鋼梁接合處正中央。 (g) 量測區域：試驗中以角度計量測試體之轉角，配置方式依試體南、北兩側 而不同，南側於試體中心左右分別配置 2 只角度計，其位置距離承口邊緣依 序為 135 mm (1.5P)及 600mm (1.5DN)，如圖 2.49 所示；北側於試體中心左 右分別配置 1 只角度計，其位置距離承口邊緣為 600mm (1.5DN)，如圖 2.50 所示。此外，接頭南北兩側之中心點，亦於承口邊緣處分別設置拉線式位移 計之量測點各一，藉以監測接頭下沉量。

2.3.3

延性螺壓式單突緣短管(平口管)

(a) 試體管長：彎矩試體總長應為八倍標稱管徑(8DN)，但平口管標稱長度為 750 mm 不及四倍標稱管長(4DN)，因此以管件原長對接組裝為試體段，含端板經 組裝後為近四倍的標稱管徑(4DN)即 1540 mm，管件長度不足部分以鋼梁組 裝後延長至 8 DN 替代之。 (b) 量測區域：試驗中以角度計量測試體之轉角，配置方式依試體南、北兩側而 不同，南側於試體中心左右分別配置 3 只角度計，其位置距離承口邊緣依序 為 100mm (DN/4)、200mm (DN/2)及 600mm (1.5DN)，如圖 2.51 所示；北側

19

於試體中心左右分別配置 1 只角度計，其位置距離承口邊緣為 600mm (1.5DN)， 如圖 2.52 所示。此外，接頭南北兩側之中心點，亦於法蘭處分別設置拉線式 位移計之量測點各一，藉以監測接頭下沉量。

20 表 2.1 K 型延性鑄鐵管接頭尺寸 接合部詳細尺寸（單位：mm） T t1 D2 D3 D4 D5 E P K 7 6.0 425.6 429.6 512 558 23 110 25 表 2.2 K 型延性鑄鐵管接合配件-壓圈尺寸 壓圈詳細尺寸（單位：mm） D3 D4 D5 E M 429.6 512 558 23 22

21 表 2.3 K 型延性鑄鐵管接合配件-橡膠圈尺寸

D

3

D

2

d

1

圓部

角部

h

標稱管徑 D 橡膠圈管徑 D2 橡膠圈管徑 D3 圓部直徑 d1 橡膠圈長度 h 400 416 410 14 49 (單位：mm) 表 2.4 K 型延性鑄鐵管接合配件-T 頭螺栓、螺帽 T 頭螺栓、螺帽詳細尺寸（單位：mm） d B C 螺栓長度 一組之數量 M20 30 110 12

22 表 2.5 A 型接頭延性鑄鐵十字管 各部尺寸(mm) T D1 D2 D3 D4 D5 E P K 14 397.6 425.6 429.6 512 558 23 90 25 表 2.6 A 型接頭壓圈 壓圈尺寸(mm) D3 D4 D5 E M 429.6 512 558 23 22

23 表 2.7 A 型接頭橡膠圈 橡膠圈尺寸(mm) D M N I J K L 416 16 6 4 10 19 33 表 2.8 A 型接頭延性鑄鐵管接合配件 T 頭螺栓、螺帽尺寸(mm) d B C 一組之數量 M20 30 110 12

24 表 2.9 單突緣延性鑄鐵平口管 各部尺寸(mm) T D1 D2 L2 14 397.6 425.6 750 表 2.10 延性鑄鐵平口管接合配件 外六角螺栓、螺帽尺寸(mm) d B C 一組之數量 M20 30 90 12

25 表 2.11 軸拉壓試驗設備儀器使用一覽表 名稱 廠牌 型號 500 噸萬能試驗機 Shimadzu EHF-UD500-70L 位移轉換器(LVDT) 東京測器研究所 SDP-200D 拉線式位移計** Celesco PT101-0020-111-1130 荷重計(Load Cell)* NCREE 設計製作

自來水管線試驗水壓控制系統 NCREE 設計製作

資料收集系統(Data Logger) 東京測器研究所 THS-1100 * 適用於 K 型接頭拉壓試驗

** 適用於 A 型接頭拉壓試驗 ***適用於平口接頭拉壓試驗

26

圖 2.1 延性鑄鐵管

27

圖 2.4 K 型接頭壓圈

圖 2.5 K 型接頭橡膠圈

圖 2.6 K 型接頭壓圈之 T 型螺栓

28

圖 2.9 A 型接頭壓圈 圖 2.10 A 型接頭膠圈

29

圖 2.13 單突緣平口管 圖 2.14 橡膠墊圈

30

31

32

33

圖 2.20 A 型管接頭拉伸及壓力試驗儀器佈置

34

35 鋼材: A572 上下板厚: 5 cm 上板開孔直徑:15 cm 腹板厚: 4 cm 上頂板螺栓: M36 下底板螺栓: M46

Fy=3.52 tonf/cm2 ; Fu=4.1 tonf/cm2 (共 2 座) 加勁板 部分滲透銲(共 4 片) 開槽 1cm × 1cm 銲腳 3cm × 2cm 填角銲 銲腳 1cm × 1cm 圖 2.23 詳細夾具各部尺寸

36 長腹板 與上下板全滲透銲 每側開槽: 2cm × 2cm 每側銲腳: 3cm × 3cm (共 1 片) 短腹板 (共 2 片) 角銲 銲腳 1cm × 1cm

37 底板 螺栓環組直徑: 0.5m, 共 4 個孔 頂板 螺栓環組直徑(內圈): 0.3m, 共 8 個孔 螺栓環組直徑(外圈): 0.5m, 共 4 個孔

38

圖 2.24 軸拉壓試驗接頭量測範圍

39

40

(a) 橡膠片鋪於平口突緣處 (b)敲擊成橡膠墊圈 圖 2.28 平口管橡膠墊圈

41

圖 2.31 壓力傳感器

圖 2.32 電磁閥

圖 2.33

50 噸

荷重計

圖 2.34

LVDT

位移轉換器

42 圖 2.36 資料擷取系統 圖 2.37 撓曲試驗(四點彎矩試驗)裝置示意圖 水壓穩定 系統 資料收集 系統 施 力 系 統 鉸支承 量測系統 角度計 施力橫梁

43

44

圖 2.39 彎矩端板

45

圖 2.41 試體安裝於鉸支承之情形

46 6.5cm 45cm 19.5cm 5cm 120ﾟ 2cm 1cm 11.25cm 11.25cm 11.25cm 11.25cm 2.5cm2.5cm 2.5cm 2.5cm 攻牙 10cm A B C 圖 2.43 L 型鋼座詳細尺寸

47

圖 2.44 K 型試體撓曲試驗組立

圖 2.45 撓曲試驗角度計配置示意圖(試體北側)

48 側面圖 俯視圖 圖 2.47 撓曲試驗所用轉接鋼梁 780 420 500 130 130 130 130 25 20 20 90 70 640 70 20 500 315 62.5

49

正面圖

背面圖

側面圖

50

圖 2.49 A 型試體撓曲試驗角度計配置示意圖(試體南側)

圖 2.50 A 型試體撓曲試驗角度計配置示意圖(試體北側)

圖 2.51 平口管試體撓曲試驗角度計配置示意圖(試體南側)

51

第三章 試驗結果分析與量測觀察

本文主旨為對於延性鑄鐵管以台灣常用 K 型柔性接頭對接，在管內打入水 壓進行軸向抗拉、軸向抗壓以及撓曲試驗，進而取得 K 型柔性接頭與接頭之廣 義力與廣義位移之關係曲線，以上圖及表皆來自水利署報告[33]和台北自來水事 業處報告[34] ，最後透過力與位移之曲線，建立管線數值模型之接頭非線性鉸。

3.1 變形容量

根據全程記錄所得之試體軸力-位移曲線，或是彎矩-轉角曲線，當試驗結果 為強度(軸拉力、軸壓力或彎矩)可達峰值，並且下降至 0.8 倍峰值以下時，依圖 3.1 或圖 3.2 之標示，取得試體之變形容量點(deformation capacity point)；當強度 未達峰值，或是強度達峰值但未下降至其 0.8 倍，則分別依圖 3.3、圖 3.4 之標示， 取得試體之變形容量點。圖中，leak與leak分別為試體失效時對應之軸拉(軸壓) 位移與撓曲轉角，Pmax與 Mmax分別為軸拉(軸壓)力與彎矩之峰值。定義(



,F)、 ) , (θ M 為變形容量點對應之試體變形容量與軸力(彎矩)值。

3.2 標稱管長變形容量之計算

ISO 16134[27]之自來水管材耐震分級，係針對標稱管長

L

之延性鑄鐵直管， 依其變形容量而進行分級。因此，當試體長度不及標稱管長時，標稱管長之受測 管材變形容量計算公式規定如下。

3.2.1

軸向變形容量

EA

L

L

F



(



'

)

/









其中



：標稱管長之軸向變形容量



：變形容量點對應之試體整體軸向伸長(或壓縮)量

52

F

：變形容量點對應之軸力

L

：延性鑄鐵管之標稱管長

'

L

：試體長度

E

：延性鑄鐵之楊氏模數( 6 2 / 10 167 kN m )

A

：延性鑄鐵管之斷面積

3.2.2

轉角變形容量

EI

L

L

M

(

'

)

/

)

rad

(













其中



：標稱管長之轉角容量



：變形容量點對應之試體(接頭)兩側相對轉角量

M

：變形容量點對應之彎矩

L

：延性鑄鐵管之標稱管長

'

L

：接頭兩側轉角量測之距離

E

：延性鑄鐵之楊氏模數(₁₆₇₁₀6_kN/m2₎

I

：延性鑄鐵管斷面之面積二次矩

3.2.3

耐震分級

軸拉試驗：依 3.2.1 公式計算標稱管長軸向變形容量(伸長量)以及相應伸長 率

(e

)

；防脫力(Fmax)訂為試驗過程所記錄之最大軸拉力。 軸壓試驗：依 3.2.1 公式計算標稱管長軸向變形容量(壓縮量)以及相應壓縮 率

(e

)

。 撓曲試驗：依 3.2.2 公式計算標稱管長之接頭轉角容量

(



)

。 依 ISO 16134[27]進行受測管材之耐震分級，參考表 3.1 伸長/壓縮率、接頭轉角 容量之計算公式如下：

%

100

)

/

(







L

e



/ 180 ) rad ( (deg)   

53

3.3 K 型延性鑄鐵管

3.3.1. 軸拉試驗

軸拉試驗共執行兩支試體，試體一編號為 DIP(K)400-T1，代表延性鑄鐵管 (DIP)、K 型接頭、標稱管徑 400 mm、軸拉試驗(Tension Testing)之第一支試體； 同理，試體二編號為 DIP(K)400-T2。延性鑄鐵管體降伏強度為 2899 kN，接合長 度為 110 mm，以下就各試體之試驗觀察與分析進行說明。 DIP(K)400-T1 之軸力與位移關係，如圖 3.5 所示，接頭相對位移與試體位移 相近，代表軸拉試驗的位移容量皆由接頭提供。最大軸拉力(防脫力)為 45.24 kN， 為管體降伏強度之 1.56%，對應之致動器位移為 45.53 mm，為接合長度之 41.39% 如符號▲所示，拉力強度遠小於管體降伏強度。於致動器執行至接合長度 110 mm 時，並無任何水滲出，但在 111.45 mm 時(接合長度之 101.32%)，試體西北向開 始產生噴漏情形，接頭漏水導致水壓維持能力喪失，軸拉力為 1.64 kN(管體降伏 強度之 0%)，如符號●所示，變形容量即為接合長度。試驗終止時之情形如圖 3.6 所示，試體在拆裝後發現於橡膠圈上有少許破壞，插口端之柏油有印壓痕跡，其 餘無明顯破壞，如圖 3.7 所示。 DIP(K)400-T2 之軸力與位移關係，如圖 3.8 所示，接頭相對位移與試體位移 相近，代表軸拉試驗的位移容量皆由接頭提供。最大軸拉力(防脫力)為 38.19 kN， 為管體降伏強度之 1.32%，對應之致動器位移為 5.98 mm，為接合長度之 5.43%， 如符號▲所示，拉力強度遠小於管體降伏強度。在致動器位移為 109.25 mm 時(接 合長度之 99.32%)，試體南向開始產生噴漏情形，接頭漏水導致水壓維持能力喪 失，軸拉力為 0.32 kN(管體降伏強度之 0%)，如符號●所示，變形容量即為接合 長度。試驗終止時之情形如圖 3.9 所示，試體在拆裝後發現於橡膠圈上有明顯的 破壞，但試體接頭處僅有外層塗柏油處刮痕產生，試體及接頭本身無明顯破壞， 如圖 3.10 所示。