剛性鋪面邊、角破損部分深度維修斷面尺寸分析

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林昭斌(Jhao-Bin Lin) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

剛性鋪面邊、角破損部分深度維修斷面尺寸分析
(Analysis of Repairing Area in partial-Depth Repair for Corner and Side Damges on Concrete Pavement)

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摘要(中)

本研究利用有限元素分析方法，模擬與評估剛性鋪面版塊角隅、邊緣破損部分深度維修的成效，考量的因素包括不同維修區域的形狀、尺寸和深淺，不同性質的維修材料，與車輪和溫度的荷載條件，針對混凝土斷面及維修材料內部的應力數值與應力分佈趨勢，進行比較探討並作為評估的依據。
研究中發現在維修角隅破損時，若考量車輪荷載，增加方形斷面的深度，可以增加混凝土斷面之穩定性，三角形與弧形斷面僅適用在小尺寸的維修；若考量溫度荷載，則不宜採用較大之維修尺寸。在邊緣破損維修時，不論考量車輪或溫度荷載，均應避免長度過長，或寬度過寬的維修範圍，且不建議刻意加深維修深度。角隅與邊緣破損維修的分析結果顯示，單版模型與九版模型的應力趨勢相同，且單版模型的結果傾向於保守面，故建議採用單版模型即可掌握趨勢。使用彈性模數較混凝土低且相近的維修材料，相較於其他材料可產生較低的應力值；波松比僅對小尺寸之角隅破損維修有些許影響；邊緣破損方面，建議增加斷面深度，或選擇彈性模數較高、柏松比較低的維修材料，以增加維修斷面的穩定性。

摘要(英)

The purposes of this research are to analyze the effects of repairing materials, size, depth and shape of the area on the partial depth repair for corner and side damages on concrete pavement by finite element method. A single-slab model and a nine-slab model were established in this study. The efficiency of repairing works were evaluated in consideration of wheel and thermal loads.
Results showed that the increase in the depth of square repairing area for corner damages could increase the stability of the interface on concrete under wheel load. Triangular and spherical shaped repairing areas were recommended for small repairing zone. In consideration of thermal loading, the increase of repairing area tended to increase the stress generated on the interface between the repairing material and concrete.
In repairing of side damage on concrete slab, the increase of the length and width of repairing area should be avoided. The properties, including modulus of elasticity, poison ratio, and coefficient of thermal expansion, of repairing materials should be closed to the original concrete.
The results obtained from the single-slab were more conservative than the results from the nine-slab model. Therefore, the single-slab model could be reasonable used in simplified analysis for studying the tendency of repairing works.

關鍵字(中)

★ 剛性鋪面
★ 邊角破損
★ 部分深度維修
★ 維修斷面尺寸
★ 有限元素法

關鍵字(英)

★ corner and side damage
★ Rigid pavement
★ finitle element method
★ the partial depth repair
★ repairing area

論文目次

目錄
圖目錄 IV
表目錄 XII
第一章　緒論 1
1.1　研究動機 1
1.2　研究目的 2
第二章　文獻回顧 3
2.1　接縫式剛性鋪面與常見之破損模式 3
2.1.1　接縫式剛性鋪面簡介 3
2.1.2　接縫式剛性鋪面破損種類與成因 4
2.2　剛性鋪面邊、角部分深破損維修 7
2.2.1　部份深破損維修之流程 7
2.2.2　部份深破損維修材料之選用 14
2.2.3　部份深破損維修斷面尺寸之選擇與處理 17
2.3　剛性鋪面之有限元素法分析 19
2.3.1　剛性鋪面分析之組成要素 20
2.3.2　剛性鋪面底層之特色與型式 20
2.3.3　剛性鋪面之傳力筋模擬 22
2.3.4　剛性鋪面之骨材互鎖效應模擬 23
2.3.5　剛性鋪面之界面（inter-face）模擬 24
2.3.6　國內、外剛性鋪面之相關研究 24
第三章　ANSYS分析模型建構與驗證 26
3.1　ANSYS分析流程與架構 26
3.1.1　分析流程 26
3.1.2　元素簡介 27
3.1.3　界面設定 29
3.1.4　板塊垂直向之元素層數劃分 30
3.2　ANSYS單版分析模型建構 32
3.3　ANSYS單版分析模型驗證 33
3.3.1　輪荷載驗證 33
3.3.2　溫度荷載驗證 38
3.4　ANSYS多版分析模型建構與驗證 42
3.4.1　ANSYS多版分析模型建構 42
3.4.2　ANSYS多版分析模型驗證 42
3.5　ANSYS破損分析模型建立 44
3.5.1　角隅破損模型之構建 44
3.5.2　邊緣破損模型之建構 45
3.5.3　外界影響因素 46
第四章　ANSYS分析模型應用 47
4.1　應力評判準則 47
4.1.1　第一主應力 47
4.1.2　等效應力 47
4.1.3　低應力面積百分比之比較 48
4.2　剛性鋪面部分深維修之車輪荷載分析 49
4.2.1　角隅破損之維修斷面尺寸分析 49
4.2.2　角隅破損維修之單版模型與九版模型分析 58
4.2.3　邊緣破損之維修斷面尺寸分析 61
4.2.4　邊緣破損維修之單版模型與九版模型分析 77
4.3　剛性鋪面部分深維修之溫度荷載分析 91
4.3.1　角隅破損受溫度荷載之維修斷面尺寸分析 91
4.2.2　邊緣破損受溫度荷載之維修斷面尺寸分析 98
4.4　維修材料參數對部分深維修受車輪荷載之影響 106
4.4.1　維修材料參數對角隅破損維修後受車輪荷載之影響 106
4.4.2　維修材料參數對邊緣破損維修後受車輪荷載之影響 117
第五章　結論與建議 131
5.1　結論 131
5.2　建議 132
參考文獻 133
附錄…………………….……………………………………………..135
圖目錄
圖2.1　接縫式剛性鋪面示意圖 3
圖2.2　綴縫筋示意圖 3
圖2.3　繫筋示意圖 3
圖2.4　剛性鋪面部份深破損之維修流程 9
圖2.5　預先刻痕之襯縫板 12
圖2.6　襯縫板裝置範圍示意圖 12
圖2.7　破損位置鄰接單邊接縫（邊裂損）之最小維修斷面尺寸 18
圖2.8　破損位置鄰接雙邊接縫（角隅裂損）之最小維修斷面尺寸 18
圖2-9　剛性鋪面分析示意圖 19
圖2.10　溫氏彈性基礎荷載之變位示意圖 20
圖2.11　布氏固體彈性基礎在邊緣荷載之變位 21
圖2.12　樑元素模擬綴縫筋 23
圖2.13　骨材互鎖效應之模擬 23
圖3.1　分析研究流程 26
圖3.2　SOLID 45元素 27
圖3.3　COMBIN 39元素 27
圖3.4　COMTA 52元素 28
圖3.5　SOLID 70元素 29
圖3.5　混凝土版分層數分析模型 31
圖3.6　單版角隅車輪荷載驗證示意圖 33
圖3.7　單版角隅輪荷載最大應力比較（ANSYS） 35
圖3.8　單版角隅輪荷載最大變位比較（ANSYS） 35
圖3.9　單版邊緣車輪荷載示意圖 35
圖3.10　單版邊緣輪荷載最大應力比較（ANSYS） 37
圖3.11　單版邊緣輪荷載最大變位比較（ANSYS） 37
圖3.12　單版溫氏基礎受溫度荷載之撓曲應力比較（ANSYS） 39
圖3.13　單版正溫度荷載之應力比較（PARTIAL CONTACT，ANSYS） 40
圖3.14　單版負溫度荷載之應力比較（PARTIAL CONTACT，ANSYS） 41
圖3.15　多版輪荷載示意圖 43
圖3.16　各種角隅破損部分深度維修斷面 44
圖3.17　24小時之版頂與版底溫差變化曲線 46
圖4.1　角隅部份深破損受車輪荷載之最大第一主應力比較 51
圖4.2　角隅部份深破損受車輪荷載之最大等效應力比較 51
圖4.3　車輪荷載下水泥系維修材料填補方形斷面之最大應力位置 52
圖4.4　角隅部份深破損受車輪荷載之最大第一主應力低應力面積百分比 52
圖4.5　角隅部份深破損受車輪荷載之最大等效應力低應力面積百分比 53
圖4.6　車輪荷載下水泥系維修材料填補三角形斷面之最大應力位置 54
圖4.7　車輪荷載下水泥系維修材料填補弧形斷面之最大應力位置 55
圖4.8　車輪荷載下環氧樹脂砂漿填補方形斷面之最大應力位置 56
圖4.9　車輪荷載下環氧樹脂砂漿填補三角形斷面之最大應力位置 57
圖4.10　單版與九版角隅破損部份深維修受車輪荷載之最大第一主應力比較 59
圖4.11　單版與九版角隅破損部份深維修受車輪荷載之最大等效應力比較 60
圖4.12　單版與九版角隅破損部份深維修受車輪荷載之第一主應力之低應力區分佈百分比 60
圖4.13　單版與九版角隅破損部份深維修受車輪荷載之等效應力之低應力區分佈百分比 60
圖4.14　維修長度對邊緣破損部份深維修受車輪荷載之最大第一主應力比較（混凝土斷面） 64
圖4.15　維修長度對邊緣破損部份深維修受車輪荷載之等效應力比較（混凝土斷面） 65
圖4.16　維修長度對邊緣破損部份深維修受車輪荷載之等效應力－低應力面積百分比 66
圖4.17　維修長度對邊緣破損部份深維修受車輪荷載之最大第一主應力比較（維修材料整體） 67
圖4.18　維修長度對邊緣破損部份深維修受車輪荷載之最大等效應力比較（維修材料整體） 68
圖4.19　維修寬度對邊緣破損部份深維修受車輪荷載之最大第一主應力的影響（混凝土斷面） 72
圖4.20　維修寬度對邊緣破損部份深維修受車輪荷載之最大等效應力的影響（混凝土斷面） 73
圖4.21　維修寬度對邊緣破損部份深維修受車輪荷載之等效應力－低應力面積百分比 74
圖4.22　維修寬度對邊緣破損部份深維修受車輪荷載之最大第一主應力比較（維修材料整體） 75
圖4.23　維修寬度對邊緣破損部份深維修受車輪荷載之最大等效應力比較（維修材料整體） 76
圖4.24　單版與九版邊緣維修受車輪荷載之最大第一主應力比較（深度5 CM，長度影響，混凝土斷面） 79
圖4.25　單版與九版邊緣維修受車輪荷載之最大第一主應力比較（深度8 CM，長度影響，混凝土斷面） 79
圖4.26　單版與九版邊緣維修受車輪荷載之最大等效應力比較（深度5 CM，長度影響，混凝土斷面） 80
圖4.27　單版與九版邊緣維修受車輪荷載之最大等效應力比較（深度8 CM，長度影響，混凝土斷面） 80
圖4.28　單版與九版邊緣維修受車輪荷載等效應力之低應力面積百分比（深度5 CM，長度影響） 81
圖4.29　單版與九版邊緣維修受車輪荷載等效應力之低應力面積百分比（深度8 CM，長度影響） 81
圖4.30　單版與九版邊緣維修受車輪荷載之最大第一主應力比較（深度5 CM，長度影響，維修材料整體） 82
圖4.31　單版與九版邊緣維修受車輪荷載之最大第一主應力比較（深度8 CM，長度影響，維修材料整體） 82
圖4.32　單版與九版邊緣維修受車輪荷載之最大等效主應力比較（深度5 CM，長度影響，維修材料整體） 83
圖4.33　單版與九版邊緣維修受車輪荷載之最大等效應力比較（深度8 CM，長度影響，維修材料整體） 83
圖4.34　單版與九版邊緣維修受車輪荷載之最大第一主應力比較（深度5 CM，混凝土斷面） 86
圖4.35　單版與九版邊緣維修受車輪荷載之最大第一主應力比較（深度8 CM，混凝土斷面） 86
圖4.36　單版與九版邊緣維修受車輪荷載之最大等效應力比較（深度5 CM，混凝土斷面） 87
圖4.37　單版與九版邊緣維修受車輪荷載之最大等效應力比較（深度8 CM，混凝土斷面） 87
圖4.38　單版與九版邊緣維修受車輪荷載等效應力之低應力面積百分比（深度5 CM，寬度影響） 88
圖4.39　單版與九版邊緣維修受車輪荷載等效應力之低應力面積百分比（深度8 CM，寬度影響） 88
圖4.40　單版與九版邊緣維修受車輪荷載之最大第一主應力比較（深度5 CM之寬度變換－維修材料整體） 89
圖4.41　單版與九版邊緣維修受車輪荷載之最大第一主應力比較（深度8 CM之寬度變換－維修材料整體） 89
圖4.42　單版與九版邊緣維修受車輪荷載之最大等效主應力比較（深度5 CM之寬度變換－維修材料整體） 90
圖4.43　單版與九版邊緣維修受車輪荷載之最大等效應力比較（深度8 CM之寬度變換－維修材料整體） 90
圖4.44　角隅破損維修後受溫度荷載之最大第一主應力比較 96
圖4.45　角隅破損維修後受溫度荷載之最大等效應力比較 96
圖4.46　角隅破損維修受溫度荷載第一主應力之低應力面積百分比 97
圖4.47　角隅破損維修受溫度荷載等效應力之低應力面積百分比 97
圖4.48　邊緣維修受溫度荷載之最大第一主應力比較（混凝土斷面） 100
圖4.49　邊緣維修受溫度荷載之最大等效應力比較（混凝土斷面） 100
圖4.50　邊緣維修受溫度荷載之第一主應力－低應力面積百分比 102
圖4.51　邊緣維修受溫度荷載之等效應力－低應力面積百分比 102
圖4.52　邊緣維修受溫度荷載之最大第一主應力比較（維修材料整體） 105
圖4.53　邊緣維修受溫度荷載之最大等效應力比較（維修材料整體） 105
圖4.54　角隅破損變換材料E值於車輪荷載之S1比較（混凝土破損斷面） 109
圖4.55　角隅破損變換材料E值於車輪荷載之s¢比較（混凝土破損斷面） 109
圖4.56　角隅破損變換材料E值於車輪荷載之S1低應力區分佈百分比 110
圖4.57　角隅破損變換材料E值於車輪荷載之s¢低應力區分佈百分比 110
圖4.58　角隅破損變換材料E值於車輪荷載之S1比較（維修材料整體） 111
圖4.59　角隅破損變換材料E值於車輪荷載之s¢比較（維修材料整體） 111
圖4.60　角隅破損變換材料Υ值於車輪荷載之S1比較（混凝土破損斷面） 114
圖4.61　角隅破損變換材料Υ值於車輪荷載之s¢比較（混凝土破損斷面） 114
圖4.62　角隅破損變換材料Υ值於車輪荷載之S1低應力區分佈百分比 115
圖4.63　角隅破損變換材料Υ值於車輪荷載之s¢低應力區分佈百分比 115
圖4.64　角隅破損變換材料Υ值於車輪荷載之S1比較（維修材料整體） 116
圖4.65　角隅破損變換材料Υ值於車輪荷載之s¢比較（維修材料整體） 116
圖4.66　維修材料E值對邊緣維修受車輪荷載之S1比較（混凝土破損斷面，深度5 CM） 119
圖4.67　維修材料E值對邊緣維修受車輪荷載之S1比較（混凝土破損斷面，深度8 CM） 119
圖4.68　維修材料E值對邊緣維修受車輪荷載之s¢比較（混凝土破損斷面，深度5 CM） 120
圖4.69　維修材料E值對邊緣維修受車輪荷載之s¢比較（混凝土破損斷面，深度8 CM） 120
圖4.70　維修材料E值對邊緣維修受車輪荷載之低應力面積百分比之影響(深度5 CM) 121
圖4.71　維修材料E值對邊緣維修受車輪荷載之低應力面積百分比之影響(深度8 CM) 121
圖4.72　維修材料E值對邊緣維修受車輪荷載之S1比較（維修材料整體，深度5 CM） 122
圖4.73　維修材料E值對邊緣維修受車輪荷載之S1比較（維修材料整體，深度8 CM） 122
圖4.74　維修材料E值對邊緣維修受車輪荷載之s¢比較（維修材料整體，深度5 CM） 123
圖4.75　維修材料E值對邊緣維修受車輪荷載之s¢比較（維修材料整體，深度8 CM） 123
圖4.76　維修材料n值對邊緣維修受車輪荷載之S1比較（混凝土破損斷面，深度5 CM ） 126
圖4.77　維修材料n值對邊緣維修受車輪荷載之S1比較（混凝土破損斷面，深度8 CM ） 126
圖4.78　維修材料n值對邊緣維修受車輪荷載之s¢比較（混凝土破損斷面，深度5 CM ） 127
圖4.79　維修材料n值對邊緣維修受車輪荷載之s¢比較（混凝土破損斷面，深度8 CM ） 127
圖4.80　維修材料n值對邊緣維修受車輪荷載之s¢低應力面積百分比比較（混凝土破損斷面，深度5 CM） 128
圖4.81　維修材料n值對邊緣維修受車輪荷載之s¢低應力面積百分比比較（混凝土破損斷面，深度8 CM） 128
圖4.82　維修材料n值對邊緣維修受車輪荷載之S1比較（維修材料整體，深度5 CM） 129
圖4.83　維修材料n值對邊緣維修受車輪荷載之S1比較（維修材料整體，深度8 CM） 129
圖4.84　維修材料n值對邊緣維修受車輪荷載之s¢比較（維修材料整體，深度5 CM ） 130
圖4.85　維修材料n值對邊緣維修受車輪荷載之s¢比較（維修材料整體，深度8 CM ） 130
表目錄
表2.1　剛性鋪面破損模式與形成原因 5
表2.1　剛性鋪面破損模式與形成原因（續） 6
表2.2　部份深度破損維修之適用範圍與注意事項 8
表2.3　不同維修材料之澆置步驟與注意事項 13
表2.4　維修材料之相關特性綜合比較 16
表2.5　不同損壞位置之最小維修斷面尺寸規定 17
表2.6　國外三維有限元素應用於剛性鋪面之相關研究 25
表3.1　材料性質 31
表3.2　不同混凝土分層數目最大應力之比較 31
表3.3　單版輪荷載驗證基本材料相關性質 33
表3.4　單版角隅輪荷載最大應力比較 34
表3.5　單版角隅輪荷載最大變位比較 34
表3.6　單版邊緣輪荷載最大應力比較（FULL CONTACT） 36
表3.7　單版邊緣輪荷載最大變位比較（FULL CONTACT） 37
表3.8　相關材料參數 38
表3.9　單版溫氏基礎溫度（上熱下冷）撓曲應力比較（FULL CONTACT） 39
表3.10　單版受正溫度荷載之撓曲應力比較（PARTIAL CONTACT） 40
表3.11　單版受負溫度荷載之撓曲應力比較（PARTIAL CONTACT） 41
表3.13　多版模型角隅荷載驗證 43
表3.14　多版模型邊緣荷載驗證 43
表4.1　維修材料之相關材料參數 49
表A.1　角隅部分深破損受車輪荷載之最大第一主應力 136
表A.2　角隅部分深破損受車輪荷載之最大等效應力 136
表A.3　角隅部分深破損受車輪荷載之第一主應力低應力區面積百分比 137
表A.4　角隅部分深破損受車輪荷載之等效應力低應力區面積百分比 137
表A.5　單版與九版角隅破損部分深維修受車輪荷載之最大第一主應力 138
表A.6　單版與九版角隅破損部分深維修受車輪荷載之最大等效應力 138
表A.7　單版與九版角隅破損部分深維修受車輪荷載之第一主應力低應力面積百分比 139
表A.8　單版與九版角隅破損部分深維修受車輪荷載之等效應力低應力面積百分比 139
表A.9　邊緣部分深破損受車輪荷載之最大第一主應力（混凝土斷面） 140
表A.10　邊緣部分深破損受車輪荷載之最大等效應力（混凝土斷面） 140
表A.11　邊緣部分深破損受車輪荷載之等效應力低應力面積百分比 141
表A.12　邊緣部分深破損受車輪荷載之最大第一主應力（維修斷面整體） 141
表A.13　邊緣部分深破損受車輪荷載之最大等效應力（維修斷面整體） 142
表A.14　單版與九版邊緣部分深破損受車輪荷載之最大第一主應力（混凝土斷面） 142
表A.15　單版與九版邊緣部分深破損受車輪荷載之最大等效應力（混凝土斷面） 143
表A.16　單版與九版邊緣部分深破損受車輪荷載之等效應力低應力面積百分比 143
表A.17　單板與九版邊緣部分深破損受車輪荷載之最大等效應力（維修斷面整體） 144
表A.18　單板與九版邊緣部分深破損受車輪荷載之最大等效應力（維修斷面整體） 144
表B.1　角隅破損部分深維修受溫度荷載之最大第一主應力 145
表B.2　角隅破損部分深維修受溫度荷載之最大等效應力 145
表B.3　角隅破損部分深維修受溫度荷載之第一主應力低應力面積百分比 146
表B.4　角隅破損部分深維修受溫度荷載之等效應力低應力面積百分比 146
表B.5　邊緣破損部分深維修受溫度荷載之最大第一主應力（混凝土斷面） 147
表B.6　邊緣破損部分深維修受溫度荷載之最大等效應力（混凝土斷面） 147
表B.7　邊緣破損部分深維修受溫度荷載之第一主應力低應力面積百分比 148
表B.8　邊緣破損部分深維修受溫度荷載之等效應力低應力面積百分比 148
表B.9　邊緣破損部分深維修受溫度荷載之最大第一主應力（維修材料整體） 149
表B.10　邊緣破損部分深維修受溫度荷載之最大等效應力（維修材料整體） 149
表C.1　維修材料參數對角隅維修受車輪荷載之S1比較（混凝土斷面） 150
表C.2　維修材料參數對角隅維修受車輪荷載之s’比較（混凝土斷面） 150
表C.3　維修材料參數對角隅維修受車輪荷載之S1低應力面積百分比 151
表C.4　維修材料參數對角隅維修受車輪荷載之s’低應力面積百分比 151
表C.5　維修材料參數對角隅維修受車輪荷載之S1比較（維修材料整體） 152
表C.6　維修材料參數對角隅維修受車輪荷載之s’比較（維修材料整體） 152
表C.7　維修材料參數對邊緣維修受車輪荷載之S1比較（5㎝，混凝土斷面） 153
表C.8　維修材料參數對邊緣維修受車輪荷載之S1比較（8㎝，混凝土斷面） 153
表C.9　維修材料參數對邊緣維修受車輪荷載之s’比較（5㎝，混凝土斷面） 154
表C.10　維修材料參數對邊緣維修受車輪荷載之s’比較（8㎝，混凝土斷面） 154
表C.11　維修材料參數對邊緣維修受車輪荷載之s’比較（5㎝，混凝土斷面） 155
表C.12　維修材料參數對邊緣維修受車輪荷載之s’比較（8㎝，混凝土斷面） 155
表C.13　維修材料參數對邊緣維修受車輪荷載之S1比較（5㎝，維修材料整體） 156
表C.14　維修材料參數對邊緣維修受車輪荷載之S1比較（8㎝，維修材料整體） 156
表C.15　維修材料參數對邊緣維修受車輪荷載之s’比較（5㎝，維修材料整體） 157
表C.16　維修材料參數對邊緣維修受車輪荷載之s’比較（8㎝，維修材料整體） 157

參考文獻

參考文獻
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指導教授

李釗(Chau Lee)

審核日期

2004-1-28

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