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研究生: 陳勇亲
Damien Yon Chin Tan
論文名稱: 鋼筋混凝土柱構件之圍束與強度 耐震性能提升研究
Improving Studies on Seismic Performance of Confinement and Strength for Reinforced Concrete Column
指導教授: 邱建國
Chien-Kuo Chiu
口試委員: 林克強
Ker-Chun Lin
王勇智
Y.C.Wang
鄭敏元
Min-Yuan Cheng
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 189
中文關鍵詞: 柱構件複合柱(一筆式矩形箍與圓箍)NewRC高強度SD 550W鋼筋標準彎鉤耐震性能
外文關鍵詞: Column, Composite Column, New RC, Grade SD550W High-strength Steel, Standard hooks, Seismic Performance
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採用抗彎構架系統之建築結構物的底層柱構件為承受結構體的重力載重之主要受力構件,柱構件亦需提供建築物抵抗地震側向力的強度與韌性能力,是一項重要的耐震性能指標。
鋼筋混凝土建築結構的底層柱承受極大因重力與地震引致的軸力,因此欲提供充分的耐震強度與柱構件的變形能力,其耐震圍束效果極為關鍵。因鋼筋混凝土柱構件之圍束行為決定了柱構件的變形能力,且考慮施工的方便性與精準度,本研究對一筆式矩形箍內增加一圓箍,形成一矩形柱中再配置一圓形柱之複合柱,以有效改善矩形柱之圍束效應。
依照目前規範,若使用一般鋼筋混凝土進行RC柱之設計,柱斷面尺寸需被放大以滿足柱構件之抗測力能力。為有效的提升構件之抗側力能力並減小柱斷面尺寸與鋼筋配置量,本研究採用高強度SD 550W鋼筋之使用,以提升其耐震性能以及改善施工品質。為檢視採用SD 550W鋼筋之柱試體之耐震性能,本研究共針對三組採用SD 550W鋼筋之柱試體以及一組採用SD 420W鋼筋之柱試體進行耐震性能評估,主要設計參數為鋼筋配置量、鋼筋強度規格以及設計軸力,目的即探討SD 550W鋼筋之適用性。
本文除探討柱構件強度變形行為與破壞模式外,亦根據耐震性能評估準則ACI 374-12進行柱構件之耐震性能分析。測試結果顯示,一筆式矩形箍內增加一圓箍之柱試體的圍束效果最佳;採用高強度SD 550W鋼筋之柱試體與採用SD420W鋼筋之柱試體的圍束配置量相同,在同樣進行高軸力加載的情況下其變形能力、破壞模式相近,顯示SD 550W鋼筋之可行性。


Normally in a structure, base column member often acts as the main structural member which using bears the gravity load of the whole structure. Column member needs to provide the strength and ductility that the structure needed in order to prevail during an earthquake. Therefore it is regarded as an important index of earthquake resistance engineering.
Base column of a structure is subjected to the axial force caused by gravity and earthquake. Therefore, in order to provide sufficient seismic strength and deformation ability of the column member. The confinement of a reinforced concrete column is extremely important as it determines the deformation ability of a reinforced concrete column members. Considering the convenience and precision of construction, in one of our study, a composite column featuring a continuous rectangular hoops and a round hoops is studied. It is somehow perform as a double core column as it contains a circular column inside a rectangular column. It is believed to be extra effective in improving the confinement effect of the column. Another two column is studied in which one of them is a typical traditional column with standard hooks while the other includes the error of 10mm in standard hooks. They are studied as comparisons to the composite column.
According to current code, in order to meet with the demand of increasing a RC column shear resistant force, the section size of a column is enlarged. However, by enlarging the size of a column or simply by increasing main bars reinforcement ratio causes further problems. In order to effectively improve the shear resistant force of a column component without enlarging the section size or increasing the reinforcement ratio, this study uses Grade SD 550W steel as high-strength steel to improve its seismic performance and improve its’ construction quality in the same time. In order to examine the usage of Grade SD 550W steel in column main bars, in this study we evaluate the seismic performance of new-RC column testes using SD 550W steel bar and another set of column test using SD 420W steel bar as a comparison to traditional reinforcement concrete. Design parameters includes longitudinal reinforcement ratio and axial force. Its’ purpose is to explore the applicability of the Grade SD 550W steel bar.
In addition, strength deformation behavior and failure mode of column members is to be discussed. Seismic performance analysis of column members is carried out according to the seismic performance evaluation criterion of ACI 374-12. The test results show that composite column has the best performance in comparisons with the others in the confinement effectiveness study. While for the test specimen with the high-strength steel bar of Grade SD 550W, with the same transverse reinforcement ratio, all three column with exact high axial force shares the exact performance in column deformation and stiffness regardless of its’ main bars steel grade. Thus the increase of main bars steel strength sure shows positive signs in increasing shear demand. All four specimens of high-strength steel main bars study have the same failure mode of flexural failure, showing the applicability of SD 550W steel bar.

目錄 摘要 i Abstract iii 誌謝 v 目錄 vii 圖目錄 x 表目錄 xiii 照片目錄 xv 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2研究動機與方法 2 第二章 文獻回顧 4 2.1 鋼筋混凝土柱構件耐震設計規定 4 2.1.1縱向鋼筋量與配置細節 4 2.1.2橫向鋼筋量與配置細節 4 2.1.3試體強度分析 6 2.2 鋼筋混凝土柱耐震圍束之研究 7 2.2.1混凝土被動圍束效應(Passive Confinement of Concrete) 7 2.2.2 Mander 混凝土圍束模型 8 2.3 高強度鋼筋發展 12 2.4鋼筋混凝土柱構件強度模型 13 2.5鋼筋混凝土柱構件相關研究 14 2.5.1 主筋與一筆箍筋平面配置誤差對RC柱構件力學行為之影響 14 2.5.2 鋼筋混凝土柱耐震圍束之研究 15 第三章 試驗計劃 17 3.1試體設計 17 3.1.1試體介紹 17 A. 柱構件圍束之研究 17 B. SD 550W柱主筋強度之研究 21 3.1.2試體設計參數 24 A. 柱構件圍束研究 24 B. SD 550W柱主筋強度研究 26 3.2試體製作 28 3.2.1鋼筋組立 28 3.3試驗方法 30 3.3.1試驗裝置 31 3.3.2試驗方式 31 3.3.3量測計畫 32 第四章 試驗結果 33 4.1材料強度試驗結果 33 4.1.1混凝土抗壓強度 33 4.1.2鋼筋抗拉強度 34 4.2試體試驗過程 35 A. 柱構件圍束之研究 37 B. SD 550W柱主筋強度之研究 49 第五章 試驗結果分析與討論 62 5.1試體強度結果比較 62 A. 柱構件圍束之研究 62 B. SD 550W柱主筋強度之研究 64 5.2試體勁度結果比較 66 A. 柱構件圍束之研究 67 B. SD 550W柱主筋強度之研究 68 5.3試體變形性能結果比較 72 A. 柱構件圍束之研究 72 B. SD 550W柱主筋強度之研究 74 5.4試體主筋應變發展 76 A. 柱構件圍束之研究 76 B. SD 550W柱主筋強度之研究 81 5.5試體箍筋應變發展與圍束性能 87 A. 柱構件圍束之研究 87 B. SD 550W柱主筋強度之研究 92 5.6 SD550W主筋強度研究之試驗強度與解析結果比較 98 第六章 結論與建議 110 6.1結論 110 A. 柱構件圍束之研究 110 B. SD 550W柱主筋強度之研究 112 6.2建議 114 A. 柱構件圍束之研究 114 B. SD 550W柱主筋強度之研究 114 參考文獻 115 附錄A – 柱圍束研究鋼筋應變 117 附錄B – SD 550W主筋強度研究之鋼筋應變 138 圖目錄 圖2-1 核心混凝土不同圍束下軸壓應力-軸向應變之示意圖 8 圖2-2 Mander無圍束與受圍束之核心混凝土應力-應變模型 9 圖2-3 矩形斷面之圍束力強度比值 10 圖2-4 鋼筋混凝土計算模型 13 圖2-5 移除P-∆效應示意圖 16 圖3-1 柱構件圍束研究試體立面圖 19 圖3-2 SD 550W主筋強度研究之柱構件試體立面圖 22 圖 3-3 水平反復載重試驗配置圖 30 圖 3-4 受水平反復載重試驗之水平位移歷時圖 31 圖4-1 試體CS4RDTP4摩擦力修正前後 35 圖4-2 試體CS4RDTP4 P-∆ 效應修正前後 36 圖4-3 圍束試驗CS4RBDP2柱試體遲滯迴圈 41 圖4-4 圍束試驗CS4RATP2柱試體遲滯迴圈 41 圖4-5 圍束試驗CS4RAEP2柱試體遲滯迴圈 42 圖4-6 SD550W主筋試驗CS4RDTP4柱試體遲滯迴圈 54 圖4-7 SD550W主筋試驗CS5RCTP4柱試體遲滯迴圈 54 圖4-8 SD550W主筋試驗CS5RDTP4柱試體遲滯迴圈 55 圖4-9 SD550W主筋試驗CS5RCTP2柱試體遲滯迴圈 55 圖5-1 柱試體彈性勁度理論推到示意圖 66 圖5-2 各試體之勁度示意圖 66 圖5-3 圍束試驗各試體勁度比較圖 67 圖5-4 SD550W主筋試驗各試體勁度比較圖 69 圖5-5 圍束試驗各試體包落線 73 圖5-6 SD550W主筋試驗各試體包落線 75 圖5-7 圍束試驗試體CS4RBDP2應變計黏貼位置 77 圖5-8 圍束試驗試體CS4RATP2&試體CS4RAEP2應變計黏貼位置 78 圖5-9 圍束研究角落柱主筋L1、L5、L7位於第1高層之應變計 79 圖5-10 圍束研究角落柱主筋L1、L5、L7位於第3高層之應變計 80 圖5-11 SD 550W主筋試驗試體之應變計黏貼位置 82 圖5-12 SD 550W主筋強度研究角落柱主筋於第1高層之應變計 84 圖5-13 SD 550W主筋強度研究角落柱主筋於第3高層之應變計 86 圖5-14 圍束研究與受力方向平行之T2箍筋高層箍筋應變計 89 圖5-15 圍束研究與受力方向平行之T3箍筋高層箍筋應變計 91 圖5-16 SD 550W主筋強度研究試體CS4RDTP4與受力方向平行之箍筋應變計降伏之情形 94 圖5-17 SD 550W主筋強度研究試體CS5RCTP4與受力方向平行之箍筋應變計降伏之情形 95 圖5-18 SD 550W主筋強度研究試體CS5RDTP4與受力方向平行之箍筋應變計降伏之情形 96 圖5-19 SD 550W主筋強度研究試體CS5RCTP2與受力方向平行之箍筋應變計降伏之情形 97 圖5-20 SD550W主筋強度研究柱試體之剪力強度比較 98 圖5-21 試體CS4RDTP4軸力-彎矩互制曲線 100 圖5-22 試體CS5RDTP4軸力-彎矩互制曲線 100 圖5-23 試體CS5RCTP4與試體CS5RCTP2軸力-彎矩互制曲線 101 圖5-24 試體CS5RCTP4 於Mander圍束下與無圍束下之混凝土應力應變關係圖 107 圖5-25 試體CS5RCTP4與試體CS5RCTP2軸力-彎矩互制曲線 (應變0.0035) 108 圖5-26 試體CS5RCTP4與試體CS5RCTP2軸力-彎矩互制曲線 (應變0.004) 108 圖5-27 混凝土壓應變增大對鋼筋應變量之影響 109 表目錄 表2-1 鋼筋抗拉試驗要求 12 表2-2 與無偏移之一筆箍試體比較下之結果 14 表2-3 鋼筋混凝土柱耐震圍束研究之高強度混凝土柱試體設計參數 15 表2-4 鋼筋混凝土柱耐震圍束研究之高強度混凝土柱試體測試結果 16 表3-1 柱構件圍束研究試體本體配筋說明表 20 表3-2 SD 550W主筋強度研究之柱構件試體本體配筋說明表 23 表3-3 柱構件圍束研究之試體設計參數表 25 表3-4 SD 550W柱主筋強度研究之試體設計參數表 27 表4-1 圍束試驗試體混凝土材料之實際抗壓強度表 33 表4-2 SD550主筋強度研究混凝土材料之實際抗壓強度表 33 表4-3 圍束試驗鋼筋實際材料強度表 34 表4-4 SD550主筋試驗鋼筋實際材料強度表 34 表5-1 圍束試驗柱試體之試驗強度結果彙整表 63 表5-2 圍束試驗柱試體之圍束檢核結果 63 表5-3 SD550W主筋強度研究柱試體之試驗強度結果彙整表 65 表5-4 圍束試驗柱試體之試驗勁度結果彙整表 67 表5-5 SD550W主筋試驗柱試體之試驗勁度結果彙整表 68 表5-6 圍束試驗柱試體之試驗韌性比較結果彙整表 72 表5-7 SD550W主筋試驗柱試體之試驗韌性比較結果彙整表 74 表5-8 圍束試驗角落主筋應變計最早發生降伏之統計表 76 表5-9 SD 550W主筋強度研究角落主筋最早發生降伏之統計表 81 表5-10 圍束試驗各高層與受力平行之箍筋應變計降伏發生彙整表 88 表5-11 SD 550W主筋強度研究各高層與受力平行之箍筋應變計降伏發生彙整表 92 表5-12 SD550W主筋研究各試體於特定尖峰位移角下之軸向應力及應變彙整表 93 表5-13 SD550W主筋強度研究柱試體之試驗強度與計算強度比較 98 表5-14 試體CS4RDTP4混凝土壓應變與鋼筋應變之關係 103 表5-15 試體CS5RCTP4混凝土壓應變與鋼筋應變之關係 103 表5-16 試體CS5RDTP4混凝土壓應變與鋼筋應變之關係 104 表5-17 試體CS5RCTP2混凝土壓應變與鋼筋應變之關係 104 表5-18 SD550W主筋試驗柱斷面彎矩強度解析結果 106 表5-19 SD550W主筋試驗柱斷面彎矩強度解析結果比較 106 照片目錄 照片4-1 各試體柱於特定尖鋒位移角之變形情形(東面) 48 照片4-2 圍束試驗各試體柱於試驗結束後之破壞情形 48 照片4-3 SD550W主筋強度研究各試體於特定尖鋒位移角之變形情形 (西面) 60 照片4-4 SD550W主筋強度研究各試體柱於試驗結束後之破壞情形 61 照片5-1 試體C-S42-A40於0.25%結束後柱面之開裂情形 69 照片5-2 試體C-S55-B40於0.25%結束後柱面之開裂情形 70 照片5-3 試體C-S55-A40於0.25%結束後柱面之開裂情形 70 照片5-4 試體C-S55-B20於0.25%結束後柱面之開裂情形 71

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