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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國一○三年三月八日

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本期主筆:鄧勝軒
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文字記者:許素梅

預力結構軸向壓縮變形之設計考量

陳正平技師

前言

預力結構之原理係在結構構材中藉由機械方法,對預力鋼鍵預先施加一軸向力量,並使該預先施加之力量在構材中產生一反向應力,此應力與受載重之構材所產生之應力合併後得以抵消或平衡,俾使混凝土內應力限制在許可限度內,且不宜產生拉應力,若不得已有拉應力產生,必須將此拉應力限制在規範之容許範圍內,或以適當之鋼筋量予以承受,此為預力混凝土結構之重要特性。

混凝土之特性為抗壓強度高,抗拉弱,從經濟觀點言,若能使受拉應力部份之混凝土斷面積,預先承受壓應力,預留作為抵消構材未來承受載重所產生之拉應力,則構材之斷面當可減少許多,因此,重量亦隨之降低,可進一步節省材料。預力混凝土乃根據此原理,在構材斷面之受拉力側配置高拉力鋼鍵,並在承受載重之前,先導入適當之力量,亦即所謂之“預力”,使受拉應力部份之混凝土斷面先承受容許應力以下之壓應力,以便抵消加載以後所產生彎矩應力,若預力在拉應力側所產生之預壓應力大於全部設計載重所產生之拉應力時,整個混凝土斷面均在受壓情況下,斷面不致產生裂紋,同時可防止水汽侵入構材內部,可進一步提高耐久性,此亦為預力結構之特性之一。

然而因為混凝土材料有收縮(含乾縮及自體收縮)及潛變等之性質,因此,導入的力量若不足,不久後預壓力即可能因為混凝土材料的收縮及潛變現象而產生預力損失,而導致預力不足之現象;1925年美國尼布拉斯加州之R.E. Dill氏,試行將高強度鋼棒加塗塗料,以隔離鋼棒與混凝土間之握裹力,並在混凝土固結後,在鋼棒上施加拉力,並用螺帽將鋼棒錨定於混凝土構材端部,使構材產生預壓力,此為預力結構之先驅,惟因造價太高而不能付之實務大量採用。1982年法國人E. Freyssinet氏首倡以高拉力鋼線及高強度混凝土作為預力混凝土之主要材料,才使預力混凝土獲得迅速的發展。然而高拉力鋼絞線施預力時,對混凝土構材所產生之收縮應變會造成二端有豎向支承構材束制的情況下,會對預力梁構材產生抵抗,致預力無法輸入預力梁構材內。

梁構材受束制之現象

梁構材施加軸向預力後即會產生軸向壓縮應變,而高拉力鋼鍵之抗拉強度約為普通鋼筋之7~8倍,3mmφ鋼線之極限抗拉強度可達到19 tf/cm25mmφ鋼線之極限抗拉強度可達到16.5 tf/c m2,在起始預力時可拉到12 tf/cm2。因此,混凝土構材在高預壓力情況下所產生的軸向壓縮變形,若梁端束制現象無適當之釋放解除,則此預力不但不會進入預力構材內,反而會導致束制構材之損壞,圖1所示即為剪力牆構材對垂直於剪力牆面之預力梁構材產生束制,預力梁之預力未全數進入長向預力梁構材內,反而使二端之剪力牆產生面外之水平剪力,致剪力牆在合併地震力所產生之面內剪力後產生太大之合應力,使得剪力牆提早破壞之案例。圖2為箱形梁之軸向預力使二端之豎向箱形柱板產生剪力斜裂縫之現象。此種情形亦會致箱形梁因預壓力不足,而容易產生張力裂縫。圖3為預力梁之預力未進入梁反將室外剪力牆產生以鋼鍵錨頭為中心之斜向拉裂現象。

 

1 剪力牆對垂直牆面之預力梁產生束制,

地震時面外方向破壞之案例。

 

2 箱形梁之軸向預力使二端之豎向箱形柱板

產生剪力斜裂縫 。

 

3 預力未進入預力梁構材,反將室外剪力牆拉裂。

預力梁軸向壓縮變形解除方法建議

預力梁之軸向壓縮變形若不予消除,可能導致豎向柱構材產生剪力斜裂縫及梁構材產生向上拱起變形,進而會導致樓版變形及樓版舖面拱起之現象。預力梁軸向變形釋放方法係使用於「台北世貿中心展覽大樓」之大跨度預力梁結構系統,因為柱子的間距達18公尺,且其所支承的載重亦很大,所以柱子的斷面必須相當大。下面幾層柱子使用155公分x155公分之斷面,使得柱子的勁度相當高,預期當樓版及大梁由於收縮、潛變,以及特別是由大梁預力所產生之軸向壓縮變形,將使柱子發生龜裂。為避免這個問題,特別採用獨特的設計方法,這個方法是先在柱頭每層之底部填砂,再灌注填砂段以上及該柱頂部之梁、版混凝土。等達預力大梁可施拉預力之強度後,此時未灌混凝土段之鋼筋及其穩定性,經計算結果尚能承受其上層之樓版重量,才可拆除模板施加預力。若有不足以承受其上層之樓版重量之情形,則須於柱內中央先埋設一小鋼骨,鋼骨之尺寸及埋設位置以不致產生太大之抗水平向阻力為原則,且其長度須大於灌砂段之高度,並於灌砂段上、下混凝土內之錨定段植剪力釘,以便上、下柱間垂直力之進入與傳出之順暢傳遞。然後施拉柱頂部之預力梁構材內之預力鋼鍵,使其先完成上層大梁之預力鋼鍵,使上層大梁先完成軸向壓縮變形,雖然柱下端未澆灌混凝土段之鋼筋籠,或多或少會產生水平向阻力,但估計其量尚可怱略不計。此時預力大梁已施完預力,其收縮及梁之軸向預力壓縮變形已大部分完成,便可回過頭來將該柱底部的填砂挖出,並用噴砂或水刀的方法洗淨其他雜物,再確實回填不收縮混凝土,並打除突出部份及修平表面,使全柱成一體。施工照片見圖4

4 柱底部雜物未清除前之情況。 

結語

由於世界貿易大樓之展覽大樓,因空間需求較大,梁之跨度較長,因此,需採預力結構大梁,由於豎向柱構材產生之束制現象較大,必須先設法予以消除否則會產生前述豎向柱構材產生裂損之失敗現象。另外此種方法同樣可用於消除,承受高垂直靜載重之大跨度梁之梁端固接彎矩,以避免支承柱構材承受太大之梁端彎矩,其法為於柱頂留設後澆灌段,其他施工步驟及方法同前述柱底消預留後澆灌段,即可達到目的。

至於後澆灌段應留於柱頂或柱底較佳,則以力學平衡及束制、施工方便性及經濟性作為考量之依據,原則上以設於柱底施工時不必搭施工架,較省事方便,且對位於建築物周圍之外柱的作業安全性較高,另外,柱底無收縮混凝土回灌施工作業較方便。但消除大梁自重所產生梁端彎矩之情況,其後澆灌段須留設於柱頂,才能達到力學上之效果,對消除大梁自重所產生梁端彎矩之情況,常因靜載重較大,其後澆灌段內除須留設於柱頂外,尚須用到於後澆灌段內之上、下混凝土內預埋鋼骨,並於鋼骨之錨定段植剪力釘,以便上、下柱間垂直力之進入與傳出之順暢傳遞,以防施工期間後澆灌段承載能力不足而倒塌。

參考資料

1林同棪(民70)。預力混凝土結構之設計。中國工程師學會出版社。

2林樹柱(民75)。預力混凝土設計及施工。大中國圖書公司。

3盧堅(民66)。預力混凝土之設計。科技圖書股份有限公司。

4江新煌(民75)。預力混凝土設計原理。文笙書局。

5陸恂如。台北世貿中心展覽大樓之結構設計。結構工程,第2卷,第2期。

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