鋼筋混凝土結構物裂縫損壞模式之探討

張奇偉 博士

黃科銘 技師

前言

結構物受力所造成破壞,究其原因可顯示工程的種種問題,如921集集大地震後各專家學者所探討工程設計、施工品質管理、規範檢討…等,本文藉由探討鋼筋混凝土結構構件損壞模式了解,供設計及施工管理上之參考。

鋼筋混凝土結構物受力影響

鋼筋混凝土結構物的開裂現象是由於外力的作用所產生,因而對結構物及構件產生張力、壓力、剪力、彎矩、扭力等,使得構件內部產生相對應之軸向應力、剪應力抵抗外力作用,當構件材料內部的抵抗力小於外力作用時,結構之構件即發生裂縫與開裂現象,當裂縫發生時,在裂縫尖端附近會造成之應力集中現象並改變其應力場之分佈,進而使裂縫繼續開裂成長,終至影響結構物安全,而鋼筋混凝土結構開裂模式及影響流程如圖一所示。

鋼筋混凝土結構物受力之損壞模式

以下針對鋼筋混凝土房屋結構體承受結構及外力作用後之各種結構構件發生開裂破壞模式可由整體房屋結構及梁、柱、版、牆等構件分別加以說明,由於篇幅限制,部份內容僅以文字敘述,無法附上圖示說明:

一、房屋整體結構:1.房屋中央部分沉陷,其結構體開裂呈逆八字形,如圖二。2.房屋兩端部分沉陷,其結構體開裂呈八字形。3.房屋結構不均勻隆起或沉陷,如圖三。4.房屋結構立面局部開裂破壞,牆面發生X字形裂縫。5.房屋結構平面、立面局部開裂破壞。

二、柱構件損壞:1.重覆性水平造成柱產生〝交叉〞型裂縫,其開裂情形如圖四。2.〝短柱〞效應的破壞,如圖五。3.混凝土、鋼筋強度不足,發生於柱頭或柱腳處之水平裂縫。4.過大彎矩、剪力等,致使柱身中央之剪斷及柱頭、柱腳之撓曲裂縫。5.僅承受過大彎矩,於柱頭柱腳之撓曲裂縫。6.因結構物不均勻沉陷。

三、梁構件損壞:1.斜向45度開裂是屬於剪力作用而產生之剪力裂縫,如圖六。2.梁承受彎矩而產生之張應力,在梁之下緣產生垂直之撓曲裂縫,如圖七。

四、牆構件損壞:1.因水平地震力作用、混凝土強度不足或承受設計力以上之外力作用於牆面產生交叉之剪力裂縫。2.因不均勻沉陷造成牆面發生單向之斜向裂縫。3.承受過大水平地震力作用時,受反覆剪力作用導致牆面發生水平裂縫,大多連貫且貫穿壁體。4.磚牆與鋼筋混凝土梁或樓版交接處會產生相當明顯之水平裂縫,此因不同材料在界面接合處會發生較大之應力集中現象所致。5.窗戶或門的開口處其四週邊緣之牆因應力集中之現象發生135度之裂縫。6.埋設物或配管之保護層不足,導致埋設物周圍發生之裂縫。

五、版構件損壞:1.因其狹長方向受到較大之材料拘束所造成。2.若混凝土強度不足、鋼筋量不足或配筋不當時,於樓版下面中央部份發生裂縫現象。3.因建築物傾斜或過大之外力作用,使柱子發生向上拉張或向下壓應力,致使樓版浮起或凹陷所造成之裂縫。4.配管或埋設物不良使樓版保護層厚度不足,導致樓版沿埋設物或配管位置發生裂縫。

六、結構系統配置不佳之破壞:結構系統安排不良所導致之破壞通常甚為嚴重,以下為幾種結構系統破壞模式。

1.軟層、弱層破壞:建物某一層結構立面勁度或強度如果變化過於急劇,將產生軟層或弱層,如開放空間之挑高建築,其牆壁量較其上部樓層少,地震時由於該層柱構件剪力強度不足而破壞。

2.不對稱結構:即結構之勁度中心與質量中心不一致,因而地震時之震動不同步,造成建築物承受異於對稱性建築物額外的應力而破壞。

3.懸臂式走廊設計,地震時易產生重心不穩,造成建物倒塌或傾斜。

4.由於前後期興建新舊建築物間未留設適當碰撞間距,導致地震時碰撞而破壞。

5.舊建築頂樓增建、加蓋、或任意敲除隔間,導致地震時振動不一致而受損。

圖一 鋼筋混凝土結構受外力作用之開裂與影響

圖二 房屋結構中央部份沉陷

圖三 房屋結構不均勻隆起或沉陷

圖四 R.C.柱受水平地震力產生之裂縫           圖五 短柱效應造成裂縫

圖六 樑之斜向裂縫

圖七 樑之撓曲裂縫

 

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最後更新日期: 2002/09/25