擴柱補強對非韌性鋼筋混凝土梁柱內接頭抗剪提昇之研究

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郭瑞宗(Ruei-Tzung Guo) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

擴柱補強對非韌性鋼筋混凝土梁柱內接頭抗剪提昇之研究
(Investigation of Shear Enhancement of Non-ductile Interior Beam-Column Joints Retrofitted by Concrete Jacketing)

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摘要(中)

本實驗主要針對非韌性梁柱內接頭在未受到任何損傷前，採用普通強度混凝土擴柱補強之，藉由擴柱補強後分析其所增加之接頭剪力強度，以及探討擴柱補強後之現象如軸力所造成之影響、新舊混凝土不一致產生介面滑移之影響、強度及勁度之提昇優劣比較、並且驗證現今評估接頭剪力強度模式的準確性。
本實驗以內接頭為探討對象，一支原型試體及三支RC擴柱補強試體均設計成接頭剪力破壞型式，其中原型及一支補強試體有垂直軸力考量。實驗結果顯示，非韌性梁柱內接頭經由混凝土擴柱補強後，其剪力強度、勁度皆有效提升，而軸力對於新舊混凝土剝離滑移是有遏止的功效，並且會增加接頭剪力強度。以現行之評估方式剪力衰減模式與軟化壓拉桿評估模式皆是適合用來分析原型試體或補強試體，但剪力衰減模式對於擴柱有加載軸力之試體有高估之情形。

摘要(英)

The purpose of this study is to observe the results for concrete jacketing with the general strength concrete for non-ductile interior beam-column joints before damage. In comparison with the increased joint shear, and axial load, the bond slip between new and old concrete interface, strength and effect of stiffness. Finally, the accuracy of the current assessment of joint shear models is evaluated.
The test is based on interior beam-column joints. The specimens comprise one prototype interior beam-column joint and three retrofitted specimens with RC jacketing. Prototype and one of RC jacketing joints have axial load. All of the specimens were designed to joint shear failure. From the test results, it was found that the retrofitted specimens are superior to the benchmark specimens in strength, stiffness. The axial load can prohibit the bond slip between new and old concrete interface and increase the joint shear. It is suitable to analyze the prototype or RC jacketing specimens by means of the current assessment of joint shear models(shear degradation model and softened strut-and-tie model). However shear degradation model overestimated the joint shear for RC jacketing specimens with axial load.

關鍵字(中)

★ 混凝土擴柱補強
★ 補強
★ 梁柱接頭
★ 接頭剪力

關鍵字(英)

★ Beam-Column Joints
★ Joint Shear
★ RC Jacketing
★ Retrofit

論文目次

目錄……………………………………………………………………Ⅰ
表索引…………………………………………………………………Ⅳ
圖索引…………………………………………………………………Ⅴ
符號說明………………………………………………………………Ⅸ
第一章緒論
1-1 前言………………………………………………………………………………1
1-2研究動機…………………………………………………………………………1
1-3研究目的與方法…………………………………………………………………2
第二章文獻回顧
2-1 美國ACI 318-02規範規定……………………………………………………4
2-1-1 接頭設計剪力之規定……………………………………………………4
2-1-2 強柱弱梁之規定…………………………………………………………5
2-1-3 接頭標稱剪力強度之規定………………………………………………5
2-1-4 錨定與握裹設計之規定…………………………………………………6
2-1-5 接頭緊密箍筋之規定……………………………………………………7
2-1-6 防止柱主筋挫屈之規定…………………………………………………8
2-2 梁柱接頭評估模式………………………………………………………………8
2-2-1 軟化壓拉桿模型(softened strut-and-tie model)…………………8
2-2-2 接頭剪力衰減模式……………………………………………………13
2-3 國內外相關補強回顧…………………………………………………………14
第三章實驗規劃與執行
3-1 試體規劃………………………………………………………………………22
3-2 材料試驗………………………………………………………………………22
3-3 試體設計………………………………………………………………………23
3-3-1 JI1原型試體(考慮軸力)………………………………………………24
3-3-2 JIR1普通強度混凝土擴柱補強試體(不考慮軸力)…………………24
3-3-3 JIR2普通強度混凝土擴柱補強試體(考慮軸力)……………………25
3-3-4 JI2模擬完美植筋擴柱補強試體(不考慮軸力)………………………25
3-4 試體製作………………………………………………………………………25
3-4-1 原型試體製作過程……………………………………………………26
3-4-2 擴柱補強試體製作過程………………………………………………28
3-5 實驗設置………………………………………………………………………29
3-5-1 梁柱接頭試驗…………………………………………………………29
3-5-2 位移量測系統…………………………………………………………30
3-6 實驗數據整理…………………………………………………………………30
第四章實驗結果
4-1 前言……………………………………………………………………………38
4-2 JI1原型試體(考慮軸力)分析…………………………………………………38
4-2-1 一般行為………………………………………………………………38
4-2-2 接頭剪力變形及梁主筋應力…………………………………………40
4-3 JIR1普通強度混凝土擴柱補強試體(不考慮軸力)分析……………………42
4-3-1 一般行為………………………………………………………………42
4-3-2 接頭剪力變形及梁主筋應力…………………………………………44
4-4 JIR2普通強度混凝土擴柱補強試體(考慮軸力)分析………………………46
4-4-1 一般行為………………………………………………………………46
4-4-2 接頭剪力變形及梁主筋應力…………………………………………48
4-5 JI2模擬擴柱補強試體(不考慮軸力)分析……………………………………50
4-5-1 一般行為………………………………………………………………50
4-5-2 接頭剪力變形及梁主筋應力…………………………………………52
第五章分析與討論
5-1 載重與位移關係………………………………………………………………55
5-2 韌性與消能行為………………………………………………………………56
5-3 接頭剪力變形及剝離滑移情況………………………………………………57
5-4 接頭剪力強度預測模式之探討………………………………………………59
第六章結論與建議
6-1 結論……………………………………………………………………………64
6-2 實驗改進方向…………………………………………………………………65
6-3 未來研究之建議………………………………………………………………65
參考文獻……………………………………………………………………67
表……………………………………………………………………………72
圖……………………………………………………………………………79
附錄A (各試體理論標稱載重Hn之計算)…………………………………131
附錄B (各式體接頭剪力強度評估計算)…………………………………135
附錄C (軟化壓拉桿分析模型)……………………………………………147
表索引
表1-1 試體規劃……………………………………………………………………72
表3-1 竹節鋼筋測試結果…………………………………………………………72
表3-2 混凝土圓柱試體抗壓結果…………………………………………………72
表3-3 原型試體用料混凝土配比表………………………………………………73
表3-4 普通強度補強試體用料混凝土配比表……………………………………74
表3-5 各試體之接頭剪力強度計算值……………………………………………75
表4-1 各試體梁柱接頭勁度情形…………………………………………………76
表5-1 各試體梁柱接頭強度發展情況……………………………………………77
表5-2 各試體梁柱接頭剪力預測值與實驗值比較………………………………78
表C試體分析………………………………………………………………………148
表C(續)試體分析…………………………………………………………………149
圖索引
圖1-1 韌性抗彎矩構架……………………………………………………………79
圖2-1 ACI 318-02規範[3]設計接頭流程圖……………………………………80
圖2-2 樑柱接頭標稱剪力強度容許範圍…………………………………………81
圖2-3 ACI 318-02規範[3]梁柱接頭有效寬度……………………………………82
圖2-4 開裂鋼筋混凝土之軟化現象………………………………………………82
圖2-5 對角壓拉桿機制[6] (I)對角機制(II)對角和水平機制…………………83
圖2-5(續) 對角壓拉桿機制(III)對角和垂直機制(IV)完整傳力機制………84
圖2-6 接頭抗剪機制………………………………………………………………85
圖2-7 梁柱接頭模型斜角示意圖[6]……………………………………………86
圖2-8 Hakuto梁柱內接頭剪力衰減曲線[5]………………………………………86
圖2-9 梁柱接頭剪力衰減曲線……………………………………………………87
圖2-10 新舊混凝土面積示意圖…………………………………………………87
圖3-1 JI1原形試體配筋圖………………………………………………………88
圖3-2 JI2、JIR1、JIR2試體配筋圖………………………………………………88
圖3-3 主筋加焊母螺栓……………………………………………………………89
圖3-4 JI2鋼筋籠……………………………………………………………………89
圖3-5 預埋300mm長之M6母螺栓…………………………………………………90
圖3-6 試體養護情形………………………………………………………………90
圖3-7 擴柱補強外加鋼筋籠………………………………………………………91
圖3-8 模板底部開孔………………………………………………………………91
圖3-9 施載系統及位移量測示意圖………………………………………………92
圖3-9-1 實驗設置示意照片圖……………………………………………………92
圖3-10 施載程序圖………………………………………………………………93
圖3-11 內接頭試體力平衡圖……………………………………………………93
圖3-12 試驗載重控制階段降伏位移求法………………………………………94
圖3-13 接頭柱剪力及梁塑鉸彎矩示意圖………………………………………94
圖3-14 接頭剪力變形示意圖……………………………………………………95
圖3-15 demec量測對角變形量……………………………………………………95
圖3-16 Gage以及LVDT位移計量測對角變形量………………………………96
圖3-17 以 Gage量測新舊混凝土區之變形量為例示意圖…………………96
圖4-1 JI1原型試體(考慮軸力)遲滯迴圈圖………………………………………97
圖4-2 JI1原型試體(考慮軸力)在彈性範圍內之遲滯迴圈圖……………………97
圖4-3 JI1原型試體(考慮軸力)各韌性比之裂縫分佈圖…………………………98
圖4-4 JI1原型試體(考慮軸力)破壞時照片-北面………………………………99
圖4-5 JI1原型試體(考慮軸力)破壞時照片-南面………………………………99
圖4-6 JI1原型試體(考慮軸力) 接頭剪力-剪應變圖…………………………100
圖4-7 JI1原型試體(考慮軸力)靠近柱面梁主筋應力圖………………………100
圖4-8 JI1原型試體(考慮軸力)各韌性比之梁主筋應變圖……………………101
圖4-8(續) JI1原型試體(考慮軸力)各韌性比之梁主筋應變圖………………102
圖4-9 JI1原型試體(考慮軸力) 接頭剪力衰減曲線……………………………103
圖4-10 JIR1普通強度混凝土擴柱補強試體(不考慮軸力)遲滯迴圈圖………104
圖4-11 JIR1普通強度混凝土擴柱補強試體(不考慮軸力)彈性範圍內之遲滯迴圈圖……………………………………………………………………………………104
圖4-12 JIR1普通強度混凝土擴柱補強試體(不考慮軸力)各韌性比之裂縫分佈圖……………………………………………………………………………………105
圖4-13 JIR1試體(不考慮軸力)破壞時照片……………………………………106
圖4-14 JIR1普通強度混凝土擴柱補強試體(不考慮軸力) 新舊混凝土區接頭剪力-剪應變圖………………………………………………………………………107
圖4-15 JIR1普通強度混凝土擴柱補強試體(不考慮軸力) 新舊混凝土區接頭剪應變歷時變化圖……………………………………………………………………107
圖4-16 JIR1普通強度混凝土擴柱補強試體(不考慮軸力) 靠近柱面梁主筋應力圖……………………………………………………………………………………108
圖4-17 JIR1普通強度混凝土擴柱補強試體(不考慮軸力) 各韌性比之梁主筋應變圖…………………………………………………………………………………109
圖4-17(續) JIR1普通強度混凝土擴柱補強試體(不考慮軸力) 各韌性比之梁主筋應變圖……………………………………………………………………………110
圖4-18JIR1普通強度混凝土擴柱補強試體(不考慮軸力)接頭剪力衰減曲線……………………………………………………………………………………111
圖4-19 JIR2普通強度混凝土擴柱補強試體(考慮軸力)遲滯迴圈圖…………112
圖4-20 JIR2普通強度混凝土擴柱補強試體(考慮軸力)彈性範圍內之遲滯迴圈圖……………………………………………………………………………………112
圖4-21 JIR2普通強度混凝土擴柱補強試體(考慮軸力)各韌性比之裂縫分佈圖……………………………………………………………………………………113
圖4-22 JIR2試體(考慮軸力)破壞時照片………………………………………114
圖4-23 JIR2普通強度混凝土擴柱補強試體(考慮軸力) 新舊混凝土區接頭剪力-剪應變圖……………………………………………………………………………115
圖4-24 JIR2普通強度混凝土擴柱補強試體(考慮軸力) 新舊混凝土區接頭剪應變歷時變化圖………………………………………………………………………115
圖4-25 JIR2普通強度混凝土擴柱補強試體(考慮軸力)靠近柱面梁主筋應力圖……………………………………………………………………………………116
圖4-26 JIR2普通強度混凝土擴柱補強試體(考慮軸力) 各韌性比之梁主筋應變圖……………………………………………………………………………………117
圖4-26(續) JIR2普通強度混凝土擴柱補強試體(考慮軸力) 各韌性比之梁主筋應變圖………………………………………………………………………………118
圖4-27 JIR2普通強度混凝土擴柱補強試體(考慮軸力) 接頭剪力衰減曲線……………………………………………………………………………………119
圖4-28 JI2模擬完美植筋擴柱補強試體(不考慮軸力)遲滯迴圈圖…………120
圖4-29 JI2模擬完美植筋擴柱補強試體(不考慮軸力)彈性範圍內之遲滯迴圈圖…………………………………………………………………………………120
圖4-30 JI2模擬完美植筋擴柱補強試體(不考慮軸力)各韌性比之裂縫分佈圖……………………………………………………………………………………121
圖4-31 JI2試體(不考慮軸力)破壞時照片………………………………………122
圖4-32 JI2模擬完美植筋擴柱補強試體(不考慮軸力) 模擬新舊混凝土區接頭剪力-剪應變圖………………………………………………………………………123
圖4-33 JI2模擬完美植筋擴柱補強試體(不考慮軸力) 模擬新舊混凝土區接頭剪應變歷時變化圖……………………………………………………………………123
圖4-34 JI2模擬完美植筋擴柱補強試體(不考慮軸力)靠近柱面梁主筋應力圖……………………………………………………………………………………124
圖4-35 JI2模擬完美植筋擴柱補強試體(不考慮軸力)各韌性比之梁主筋應變圖……………………………………………………………………………………125
圖4-35(續) JI2模擬完美植筋擴柱補強試體(不考慮軸力) 各韌性比之梁主筋應變圖…………………………………………………………………………………126
圖4-36 JI2模擬完美植筋擴柱補強試體(不考慮軸力)接頭剪力衰減曲線……………………………………………………………………………………127
圖5-1 各試體層間剪力-位移比較圖……………………………………………128
圖5-2 各試體原型舊混凝土區接頭剪力-剪應變比較圖………………………128
圖5-3 JIR1試體新舊混凝土區接頭剪力-剪應變比較圖………………………129
圖5-4 JIR2試體新舊混凝土區接頭剪力-剪應變比較圖………………………129
圖5-5 JI2試體新舊混凝土區接頭剪力-剪應變比較圖…………………………129
圖6-1………………………………………………………………………………130
符號說明
=梁壓力區深度
=柱壓力區深度
=對角壓桿深度
=原柱體之斷面積
=接頭受剪面積扣除原柱體之斷面積
=柱閉合箍筋外緣以內之斷面積
=柱斷面積
=接頭有效抗剪面積
=梁拉力鋼筋總面積
=梁壓力鋼筋總面積
=對角壓桿有效面積
=接頭區水平拉桿鋼筋量
=接頭區垂直拉桿鋼筋量
=接頭寬度
=矩形梁斷面寛度
=矩形柱斷面寛度
=接頭有效寬度
=對角壓桿寬度
=修正後之對角壓桿抗壓強度
=足夠配筋之抗剪元素之最大對角壓力強度
=對角剪力強度需求
=梁有效深度
=梁主筋直徑
=接頭有效深度
DF=位移韌性比
=試體達80%最大載重時之位移韌性比
DR=層間變位角
=混凝土抗壓強度
=原始接頭混凝土抗壓強度
=擴柱接頭混凝土抗壓強度
=柱軸向應力
=接頭區水平鋼筋握裹力
=梁主筋應力
=鋼筋極限拉力
=鋼筋降伏強度
=水平拉桿有效拉力
=水平拉桿在彈性範圍內之最大拉力
=垂直拉桿有效拉力
=垂直拉桿在彈性範圍內之最大拉力
=接頭區水平拉桿鋼筋降伏拉力
=接頭區垂直拉桿鋼筋降伏拉力
=原始之載重(原始之側向力)
=修正之載重(修正之側向力)
=試體之理論標稱載重
=試體之極限載重
=構件斷面尺寸之較大值
=外圍圍束鋼筋心到心的間距
=矩形梁斷面深度
=梁拉壓力主筋最大中心距
=矩形柱斷面深度
=載重作用方向柱之寬度
=柱拉壓力主筋最大中心距
=接頭深度
=拉壓力平衡之力臂
=修正後之拉桿指標
=修正後之水平拉桿指標
=接頭配置足夠之水平方向鋼筋時，對角壓桿強度之水平放大因子
=理論初始勁度
=修正後之垂直拉桿指標
=接頭配置足夠垂直方向鋼筋時，對角壓桿強度之垂直放大因子
=垂直剪力力偶之力臂
=接頭受剪後之對角寬度
=水平剪力力偶之力臂
=支承中心至梁柱界面之水平距離(梁受彎矩之力臂長)
Lc=柱受彎矩之力臂長
Lh=位移計與位移計間之水平距離
Lh1=內接頭支承中心點之水平距離
=柱反曲點之垂直距離(位移計與位移計間之垂直距離)
=梁於梁柱界面處所受之彎矩
=接頭相連處梁標稱彎矩強度(不含超額應力)
=梁於梁柱界面處所受之彎矩
=梁於梁柱界面處所受之彎矩
=接頭相連處柱標稱彎矩強度(含軸力效應)
=梁塑鉸斷面處之最大可能彎矩
=梁標稱彎矩
=柱標稱彎矩
=梁端支承反力
=柱軸力
=原始軸力值
=修正軸力值
=平均修正軸力值
=各修正軸力值之總合
=橫向箍筋間距
=接頭高度
=梁主筋所受之拉力
=接頭水平剪力
=接頭垂直剪力
=對角混凝土壓桿機制承受之水平及垂直剪力
=衍架機制承受之水平及垂直剪力
=柱所受之剪力
=接頭區混凝土所能抵抗之剪力
=柱剪力
=接頭水平剪力
=軟壓拉桿模型評估之接頭水平剪力
=根據Hakuto評估模式所得之接頭水平剪力
=預估發生梁端塑鉸之接頭剪力需求
=軟壓拉桿模型評估之接頭垂直剪力
=接頭區箍筋所能抵抗之剪力
=接頭所受之剪力
=柱寬超過剪力作用梁寬之最小淨間距
=梁主筋之超額強度係數
=接頭變形前之對角傾斜角
=梁柱接頭之剪力變形
=垂直機制不參與作用時，水平拉桿所承擔之水平剪力比例
=水平機制不參與作用時，垂直拉桿所承擔之垂直剪力比例
=接頭對角變形
=接頭對角變形
=側向施力點之水平位移
=試體達80%最大載重時之位移
=實驗所得到載重為 (第一循環)所對應之位移平均值
=試體之降伏位移
=對角壓桿之傾斜角
=混凝土軟化係數
=油壓缸傾斜之角度
=折減係數
=位移韌性比

參考文獻

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指導教授

王勇智(Yung-Chih Wang)

審核日期

2004-11-24

推文