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 | ||||
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結構耐震補強:三號鋼筋之植筋 張庭瑜1、鍾立來1,2、曾建創2、楊耀昇2、王郁傑1 1國立臺灣大學土木工程研究所 2國家地震工程研究中心 以現行之規範[1]觀之,既有結構之耐震能力可能不足,透過補強之手段,可提升其耐震能力,並排除不良之破壞模式,讓結構免於崩塌,人員倖免於難。在眾多補強工法[2]中,以擴柱、翼牆及剪力牆補強最為普遍,以上三種補強工法,均需藉由植筋連接既有及新建混凝土,因此植筋係補強之關鍵工項。 有鑑於此,本文以門型構架試體,於其基礎、梁及柱施行植筋,採用三號鋼筋,設計降伏強度2800,埋置深度,探討混凝土抗壓強度、植筋方位及拉拔速率等因素,對植筋拉拔強度之影響。綜言之,影響植筋拉拔強度之因素繁複,工程師必須充分掌握混凝土之狀況、鋼筋之配置、植筋之材料及工法、拉拔試驗之佈置及程序,再以植筋拉拔試驗確認其強度,才能達到預期之補強效果。 一、植筋之施作 本文探討植筋之試體為一座鋼筋混凝土門型構架(圖1)。於試體製作時,基礎與柱、梁之混凝土分二次澆置,施行植筋拉拔試驗時,基礎之混凝土齡期115天,平均抗壓強度100.6;柱、梁之混凝土齡期94天,平均抗壓強度190.8。由材料試驗可見,二批澆置之混凝土強度約有一倍之差異。在不同強度之混凝土基材下植筋,可探討混凝土強度對拉拔試驗結果(強度及破壞模式)之影響。 本次拉拔試驗採用三號鋼筋,直徑為,設計降伏強度為2800。經材料試驗後,三號鋼筋之實際平均降伏強度為3622,實際平均極限強度為5276,極限與降伏強度之比值為1.46,平均伸長率為17.3 %。三號鋼筋之植筋深度採,分為三方向植筋,包含(1)向下垂直植入基礎頂面;(2)水平植入柱側面;(3)向上垂直植入梁底面。可探討在不同方位下植筋,植筋方位對拉拔試驗結果(強度及破壞模式)之影響。 待混凝土齡期達28天發展其強度後,方施作鑽孔及植筋。植筋工法之施作程序如下: (1) 依照設計圖,以墨斗標示植筋之位置,再進行鑽孔,鑽孔直徑比欲植入之鋼筋大一號(即四號),直徑。在鑽孔過程中,若未達埋置深度即遇到既有鋼筋,不可強行鑽斷鋼筋,而應將此孔予以廢棄,並以植筋藥劑填滿廢孔,再調整鑽孔位置,重新鑽孔。鑽孔完成後,應確認孔深,不得小於設計之深度(圖2a)。 (2) 使用最低壓力高於6 bar (6個大氣壓) 之氣槍,對孔洞上下來回吹淨4次(圖2b)。 (3) 以比孔徑大一號之刷具(即五號),直徑,上下並以同一方向轉動來回刷淨4次,確實刷除孔壁之碎屑(圖2c)。此時可將鋼筋插入孔內量測鑽孔深度(圖2d)。 (4) 再以氣槍對孔洞上下來回吹淨4次,清除刷具刮下之粉塵,徹底將孔內灰屑清除乾淨(圖2e)。 (5) 將植筋藥劑注入孔內,注射頭由孔底往上緩緩移動,依注射頭之刻度,邊注入邊自退出孔洞,直至注入藥劑約六分滿(圖2f)。 (6) 將鋼筋緩慢以順時針方向旋入孔內,直至孔底。須注意鋼筋不可直接插入孔底,此舉容易導致鋼筋竹節與孔壁間殘留空隙,而造成膠體黏結不完全(圖2g)。 (7) 待鋼筋完全旋入後,植筋藥劑必須滿溢出孔外,以確保孔洞內確實充滿植筋藥劑,接著清除溢出孔外之植筋藥劑,保持孔外平面清潔(圖2h)。 (8) 若為向上垂直植筋(梁底倒吊植筋),於植筋藥劑注入孔內完畢後,孔口塞入鋼筋固定器,再將鋼筋以順時針方向緩緩旋入,直至孔底,且植筋藥劑自鋼筋固定器滿溢出孔外(圖2i)。 植筋施作後,在植筋藥劑硬化之過程中,應避免碰觸鋼筋,且不得矯正鋼筋 (彎折等加工程序),待植筋藥劑硬化完成後,始可進行負載或後續之施工。 植筋之拉拔試驗共有二部分,第一部分於基礎頂面向下垂直植筋2根、柱側面水平植筋3根、梁底面向上垂直植筋3根,共計植筋8根三號鋼筋,植筋深度為。但第一部分試驗之油壓加載稍快,可能高估試驗之強度;且千斤頂之出力並非直接量測,而是由壓力換算而來,可能有力量高估之嫌;此外,在鋼筋之拉拔過程中,並未監控鋼筋變位。因此,須執行第二部分之試驗,第二部分試驗於基礎頂面執行向下垂直植筋拉拔1根,植筋深度亦為,確實控制以上變因,以釐清相關疑慮。 第一部分植筋拉拔試驗裝置由一長,寬,高鋼梁作為拉拔試驗的基座,2塊鋼板間留有寬空隙,讓待測之植筋通過;梁底面兩端各焊有一鋼墊塊,厚,2墊塊之淨距離約,足以保留植筋拉拔試驗可能產生混凝土錐狀破壞之可能性。鋼筋套上鋼梁,直至梁底之墊塊壓在混凝土面上,調整鋼梁之位置,使鋼筋位於梁中央、梁底兩側之墊塊遠離待測鋼筋,以此避免因墊塊緊貼鋼筋而導致混凝土錐狀破壞無法發生的現象。待測之植筋再套上墊塊,並置於鋼梁頂面上,墊塊厚,中間有一孔洞,直徑,讓鋼筋穿過(圖3)。在千斤頂之加壓過程中,讀取並記錄最大壓力,再由油壓換算成力量,即為植筋拉拔試驗之強度。 基礎頂面向下植筋2根,其拉拔試驗(圖4)之強度分別為5313及5208,皆高於鋼筋之標稱降伏強度(2800)及實際降伏強度(3622),拉拔試驗之強度與標稱降伏強度之平均比值為1.88,與實際降伏強度之平均比值為1.45,2根植筋之破壞模式皆為混凝土錐狀破壞(圖5)。柱子側面水平植筋3根,其拉拔試驗(圖6)之強度分別為6302、6197及6197,皆高於鋼筋之標稱降伏強度及實際降伏強度,拉拔試驗之強度與標稱降伏強度之平均比值為2.23,與實際降伏強度之平均比值為1.72,3根植筋之破壞模式皆為鋼筋拉斷破壞(圖7)。梁底面向上植筋3根,其拉拔試驗(圖8)之強度分別為5313、5643及6407,皆高於鋼筋之標稱降伏強度及實際降伏強度,拉拔試驗之強度與標稱降伏強度之平均比值為2.08,與實際降伏強度之平均比值為1.60,3根植筋之破壞模式皆為鋼筋拉斷破壞(圖9)。由第一部分之結果(表1),拉拔試驗之強度與標稱降伏強度之比值最低1.86、最高2.29,與實際降伏強度之比值最低1.44、最高1.77。 第二部分之試驗在油壓千斤頂之下方,先套上荷重計,直接量測植筋之抗拉強度,並以兩根角鋁夾住受測鋼筋,於角鋁兩側各放置一位移計,以量測鋼筋受拉拔時之垂直向位移(圖10)。第二部分確實落實靜態加載下進行操作,其應力與變位關係圖出現降伏及應變硬化之行為(圖11),拉拔試驗之強度為5065(表2),高於鋼筋之標稱降伏強度(2800)及實際降伏強度(3622),拉拔試驗之強度與標稱降伏強度之比值為1.81,與實際降伏強度之比值為1.40,植筋之破壞模式為混凝土錐狀破壞(圖12)。 三、結語 (1) 在本文所述之條件下,按照本文建議的植筋施作方法,三號鋼筋植筋深度,拉拔試驗之強度至少達到1.81倍的標稱降伏強度(2800),1.40倍的實際降伏強度(3622)。但是,工程師於應用上不可將此視為通則,因為植筋之拉拔強度與混凝土之品質(強度、孔隙率)、鋼筋之配置、植筋施作之品質、拉拔試驗之方法等因素有關,工程師應視現場狀況施作,並確實進行植筋拉拔試驗,才是確保植筋功能之不二法門。 (2) 植筋拉拔之速率確會影響試驗結果。以基礎植筋為例,快速拉拔試驗之平均強度(5261)為慢速(5065)的1.04倍,快速拉拔可能高估試驗結果,故以慢速為宜。 (3) 混凝土基材強度會影響植筋成效,以第一部分之植筋為例,基礎與柱、梁之混凝土抗壓強度約有兩倍之差,而基礎植筋之平均拉拔強度(5261)為柱、梁(6010)的0.88倍;此外,基礎植筋拉拔試驗之破壞模式為混凝土錐狀破壞,而柱、梁則為鋼材拉斷。因此,工程師於應用上如遇混凝土強度較差的狀況,應視情況增加埋置深度。 (4) 植筋拉拔試驗機具之基座,會干擾試驗結果之破壞模式及拉拔強度。以基礎植筋拉拔試驗為例,基座透過墊塊壓在混凝土面上,且墊塊與植筋之距離足夠,混凝土錐狀破壞可以完整形成,所得試驗強度為較真實之拉拔強度。若基座之佈設排除某一破壞模式,可能高估拉拔試驗之強度。 (5) 向上倒吊植筋如採本試驗施作方式,施作結果鋼筋不歪斜,且易於施作。一般認知為倒吊植筋較難施作,但若克服鋼筋滑動的困難,倒吊植筋反而較一般基礎植筋更易確實清孔,有助植筋效果。 參考文獻 1.內政部營建署(2011)。「混凝土結構設計規範」。內政部91.6.27台內營字第0910084633號令訂定,內政部100.6.9台內營字第1000801914號令修正。 2.蕭輔沛、鍾立來、葉勇凱、簡文郁、沈文成、邱聰智、周德光、趙宜峰、翁樸文、楊耀昇、褚有倫、涂耀賢、柴駿甫、黃世建 (2013)。「校舍結構耐震評估與補強技術手冊 第三版」。國家地震工程研究中心,報告編號NCREE-13-023。 表1 第一部分植筋之拉拔試驗結果
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