張國鎮臺灣大學：土木工程學研究所王瑞禎Wang, Jui-ChenJui-ChenWang2007-11-252018-07-092007-11-252018-07-092005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/50324摘要 橋梁預鑄節塊工法是一結合預鑄產製及機械化吊裝的施工方 式，其在生產上由於採預鑄方式製造，因此品質控制較為穩定。此一 工法在橋梁上部結構已行之多年，然對下部結構而言，因礙於地震帶 的使用疑慮，因此雖然此一工法具有低環境衝擊、高機械化作業以及 快速施工等優點，但目前台灣仍處於學術研究階段，有待進一步排除 施工障礙及疑慮。 本研究以後拉式預鑄工法橋柱為對象，探討後拉式預鑄橋柱於地 震帶應用的可行性，研究中針對四組大尺寸橋柱試體進行探討，其內 容包括無握裹的後拉式預力鋼腱橋柱以及有握裹的後拉式部分預力 鋼腱橋柱兩種，另外臨界斷面也採用不同的設計，以探討柱底半預鑄 介面、全預鑄介面以及鋼筋續接方式的影響。此外針對節塊介面的剪 力傳遞機制，也透過不同的介面剪力設計，了解其設計需求。而高達 11 公尺的試體製造與組立， 更可模擬真實橋柱的施工狀況， 評估未 來實際施工時的可能瓶頸， 以作為實務應用參考。 研究結果顯示本研究所發展之握裹性鋼腱預鑄節塊橋柱，在採用 適當的消能鋼棒的設計下，具有低殘餘變形及可觀的塑鉸消能，可應 用於地震頻繁地區。至於全預力無握裹性鋼腱橋柱，雖然具有低殘餘 變形的優點，但其消能能力不佳且強度偏低，在應用上宜搭配其它消 能機制較無應用的疑慮。Abstract In the past 30 years, the use of post-tensioned precast segmental concrete in bridges has proven to be economical and durable. Similar techniques have been successfully applied to bridge piers in non-seismic regions. In many cases, post-tensioned substructure may allow construction that would otherwise become impossible due to either site or architectural constraints. Examples include bridges to be constructed in mountain areas or viaducts in urban area. In order to apply the precast segmental substructures into seismic regions, a two-year research program have been carried out at NCREE since Sep. 2001. This paper briefly described the test results of four large-scale post-tensioned precast segmental columns. The specimens consisted of 10 hollow rectangular precast segments which are scaled down from 50 m height piers in a moderate-span bridge. Post-tensioned tendons are used to stress the match-cast units. The fist one is a pure-tendon specimen pre-tensioned by eight 12.7 mm tendons. As commonly understood, pure-tendon columns pinched significantly with little energy dissipation capacity. The other three columns were combined tendons with mild steel bars in the bottom segments to improve the abilities of energy dissipation. Satisfactory test results were obtained. Lateral force was successfully transmitted through joints without using either shear keys or epoxies. The strength and ductility of the last three tested columns can meet the latest seismic design provisions in Taiwan.目 錄 第一章 緒論 1 1.1 研究背景與目的 1 1.2 內容簡介 2 第二章 文獻及工法介紹 5 2.1 案例及相關試驗 5 2.2 工法說明 10 2.3 行為特性介紹 12 第三章 理論分析模型 17 3.1 一般RC柱分析模式 17 3.2 預力柱斷面分析模式 20 3.3 本研究之分析方式 24 3.3.1 無握裹鋼腱柱 25 3.3.2 握裹鋼腱柱 27 3.3.3 載重變位分析 29 3.4 材料組成率 32 3.4.1 混凝土 32 3.4.2 鋼筋 35 3.4.3 預力鋼腱 36 第四章 試驗計畫 39 4.1 試驗規劃 40 4.1.1 軸力系統 40 4.1.2 側力系統 42 4.1.3 量測系統 44 4.2 試體說明 48 4.2.1 第一階段試體 48 4.2.2 第二階段試體 64 第五章 試體製作及組裝 82 5.1 試體製造 82 5.1.1 節塊密合（match-cast）製作 82 5.1.2 基礎打設 84 5.1.3 組成構件與材料 86 5.1.4 試體製作 90 5.2 材料試驗 94 5.2.1 混凝土 94 5.2.2 套管填充漿料 95 5.2.3 鋼筋 96 5.2.4 預力鋼腱 96 5.2.5 試體P1 與P2 組立 97 5.2.6 試體P3 組立 100 5.2.7 試體P4 組立 108 第六章 結果討論與分析 115 6.1 試體P1 試驗 115 6.1.1 試驗觀察 115 6.1.2 結果討論 120 6.2 試體P2 試驗 125 6.2.1 第一階段試驗 125 6.2.2 第二階段試驗 132 6.3 試體P3 試驗 143 6.4 試體P4 試驗 151 6.5 綜合討論 159 6.6 曲率參數分析 160 6.6.1 鋼腱配置 161 6.6.2 施拉預力比 164 6.6.3 鋼腱用量 166 第七章 結論與未來展望 170 7.1 結論與建議 170 7.2 未來展望 171 參考文獻 173 表 目 錄 表4.1 試體設計參數比較表 80 表5.1 本研究之水泥配 95 表5.2 各試驗混凝土強度表 95 表5.3 各套管填充漿料強度表 96 表5.4 鋼筋拉伸試驗結果 96 表5.5 鋼筋拉伸試驗結果 96 表6.1 P1 試體之試驗記錄 118 表6.2 P2 試體之試驗記錄 132 表6.3 P3 試驗歷程記錄（圖6.48）144 表6.4 P4 橋柱試驗歷程記錄 151 表6.5 鋼腱位置對橋柱反應的影響 161 表6.6 初始預力值對橋柱反應的影響 165 表6.7 鋼腱用量對橋柱反應的影響（固定總預力） 167 表6.8 鋼腱用量對橋柱反應的影響（固定預力比） 168 圖 目 錄 圖2.1 Linn Cove Viaduct的漸進式施工法 5 圖2.2 Linn Cove Viaduct的完工照片 6 圖2.3 科羅拉多州的Vail Pass之預鑄節塊橋墩 7 圖2.4 德州183 號公路的施工照片 7 圖2.5 德州249 號公路橋梁的完工全貌 8 圖2.6 莫詒隆等人之試驗架構 8 圖2.7 Priestley等人研究之試驗架構[2001] 10 圖2.8 預鑄節塊橋墩工法步驟示意 11 圖2.9 握裹與無握裹鋼腱對構件的行為影響[15] 13 圖2.10 採無握裹鋼腱之結構系統行為示意[9] 13 圖2.11 矩形旗標反應 14 圖2.12 三角形旗標反應 14 圖2.13 角鋼消能鋼接頭（Ricles等人[18,19]） 15 圖2.14 摩擦鋼版消能接頭（Rojas等人[20]） 15 圖2.15 鋼棒消能接頭（Christopoulos等人[17]） 16 圖3.1 完全彈塑性彎矩曲率關係下的構件行為示意 17 圖3.2(a) 臨界斷面開裂狀態下之曲率變形關係 18 圖3.2(b) 臨界斷面極限狀態下之曲率變形關係 18 圖3.3 一般RC斷面之彎矩曲率分析流程 19 圖3.4 斷面組成應變關係 20 圖3.5 預力柱斷面之初始狀態 20 圖3.6 無握裹後拉式預力柱之三階段反應示意（Priestley等人[12]） 21 圖3.7 預力構件斷面之彎矩曲率分析流程(stage1&2) 22 圖3.8 預力構件斷面之彎矩曲率分析流程(stage3) 23 圖3.9 無握裹後拉式預力柱之三階段反應示意（Priestley等人[12]） 24 圖3.10 本研究之典型斷面之一 24 圖3.11 本研究之無握裹鋼腱柱受力階段說明 25 圖3.12 本研究之無握裹鋼腱柱各階段斷面應力分佈圖 26 圖3.13 無握裹鋼腱柱在複數開裂面下之斷面分析流程 26 圖3.14 本研究之握裹鋼腱柱受力階段說明 27 圖3.15 本研究之握裹鋼腱柱各階段斷面應力分佈圖 28 圖3.16 握裹鋼腱柱之斷面分析流程 29 圖3.17 單開裂之橋柱載重變位計算 29 圖3.18 複數開裂之載重變位反應（一） 30 圖3.19 複數開裂之載重變位反應（二） 31 圖3.20 複數開裂之載重變位反應（二） 31 圖3.21 混凝土應力—應變曲線 32 圖3.22 矩形橋柱斷面之有效圍束混凝土 34 圖4.1 橋梁假想案例之立面圖 39 圖4.2 本研究之試驗架構 41 圖4.3 軸力系統之頂梁及千斤頂示意 42 圖4.4 軸力系統之底梁及軸力螺桿示意 42 圖4.5 側力系統 43 圖4.6 側推轉接梁（a） 44 圖4.7 側推轉接梁（b） 44 圖4.8 P1-P3 試體之量測儀器配置（側視） 46 圖4.9 P1-P3 試體之量測儀器配置（前視） 46 圖4.10 P4 試體之量測儀器配置（側視） 47 圖4.11 P4 試體之量測儀器配置（前視） 47 圖4.12 鋼筋應變計黏貼的位置及編號說明 48 圖4.13 試體P1 與P2 之設計 49 圖4.14 試體1 立面圖（S-N） 51 圖4.15 試體1 立面圖（E-W） 52 圖4.16 試體2 立面圖（S-N） 53 圖4.17 試體2 立面圖（E-W） 54 圖4.18 基礎尺寸與預留孔示意圖 55 圖4.19 各節塊間之剪力榫設計 56 圖4.20 基礎U Loop套管之Hairpin Bars配置 56 圖4.21 試體1 節塊1-9(5 除外)之鋼筋及鋼腱配置示意 57 圖4.22 試體1 接點2-9(6 除外)之斷面示意圖 58 圖4.23 試體1 節塊5 之鋼筋及鋼腱配置示意 58 圖4.24 試體1 接點6 之斷面示意圖 59 圖4.25 柱頭節塊設計圖 60 圖4.26 試體二節塊1-2 配筋圖 61 圖4.27 試體二節塊3-4 配筋圖 62 圖4.28 試體二之接點1 設計 62 圖4.29 試體二之接點2 設計 63 圖4.30 試體二之接點3-4 設計 63 圖4.31 試體P3 與P4 之設計圖 65 圖4.32 全預鑄試體P3 之基礎與第1 節塊組裝示意 66 圖4.33 半預鑄試體之基礎與第1 節塊組裝示意 67 圖4.34 套筒灌漿續接器 68 圖4.35 半預鑄試體側視圖 70 圖4.36 半預鑄試體正視圖 71 圖4.37 半預鑄試體基礎(含第一節塊)側視圖 72 圖4.38 半預鑄試體基礎(含第一節塊)前視圖 72 圖4.39 半預鑄試體基礎(含第一節塊)前視圖 73 圖4.40 半預鑄試體第一節塊設計圖 74 圖4.41 半預鑄試體節塊2-3 設計圖 74 圖4.42 半預鑄試體節塊4-5 設計圖 75 圖4.43 半預鑄試體節塊6-8 設計圖 75 圖4.44 半預鑄試體柱頂節塊設計圖 75 圖4.45 全預鑄試體側視圖 76 圖4.46 全預鑄試體正視圖 77 圖4.47 全預鑄試體基礎設計圖 78 圖4.48 全預鑄試體第一節塊設計圖 79 圖5.1 節塊製造使用之鋼模 83 圖5.2 節塊製造使用之鋼模（外模） 83 圖5.3 節塊製造使用之鋼模（內模） 84 圖5.4 內模之鍥型鋼榫 84 圖5.5(a) 基礎之鋼腱與鋼棒預埋套管固定情形 85 圖5.5(b) 基礎套管定位版設置情形 85 圖5.5(c)基礎鋼筋及預埋構件組立情形 86 圖5.6 續接鋼筋及其續接器 86 圖5.7 套筒灌漿續接器 87 圖5.8 擴座鋼棒之預埋固定端座 87 圖5.9 鋼腱錨座 88 圖5.10 預力錨頭 88 圖5.11 基礎預埋之預力彎管（交叉型） 89 圖5.12 標準預力套管 89 圖5.13 預力鋼絞線 90 圖5.14 標準節塊之鋼筋籠組立之一 91 圖5.15 標準節塊之鋼筋籠組立之二 91 圖5.16 一般標準節塊完成照片 92 圖5.17 P3 試體之第一節塊內模 92 圖5.18 P3 試體之底部擴座部分模具 93 圖5.19 P3 第一節塊完成照片 93 圖5.20 P4 試體之第一節塊照片 94 圖5.21 試體P1 基礎面之epoxy塗抹情形 97 圖5.22 節塊1 組裝黏結 98 圖5.23 節塊3 組裝完成 99 圖5.24 節塊9 之吊放 99 圖5.25 節塊10 組裝完成並隨後施拉臨時預力 100 圖5.26 P3 試體之擴座鋼棒鎖定及孔洞防滲處理 101 圖5.27 P3 基礎之續接套筒填漿 101 圖5.28 P3 第一節塊吊放 102 圖5.29 節塊與基礎接觸面縫隙封堵 102 圖5.30 P3 試體之組裝照片1 103 圖5.31 P3 試體之組裝照片2 103 圖5.32 P3 試體之組裝照片3 104 圖5.33 P3 試體之組裝照片4 104 圖5.34 P3 試體之組裝照片5 105 圖5.35 P3 試體之組裝照片6 105 圖5.36 P3 試體之組裝照片7 106 圖5.37 P3 試體之組裝照片8 106 圖5.38 P3 試體之組裝照片9 107 圖5.39 P3 試體之組裝照片10 107 圖5.40 P3 試體之組裝照片11 108 圖5.41 P3 試體之組裝照片12 108 圖5.42 P4 第一節塊定位照片 109 圖5.43 P4 試體基礎預埋構件之固定 109 圖5.44 基礎上層筋之續接與搭接 110 圖5.45 基礎封模 110 圖5.46 基礎混凝土澆置 111 圖5.47 P4 試體組裝照片1 111 圖5.48 P4 試體組裝照片2 112 圖5.49 P4 試體組裝照片3 112 圖6.1 試體P1 之節塊開裂情形（0.75%） 115 圖6.2 試體P1 之節塊1-2 開裂情形（0.75%） 115 圖6.3 試體P1 在0.75%位移下之力與位移關係 116 圖6.4 P1 試體在0.75%變形下之柱底開裂反應 116 圖6.5 試體P1 柱身之搖擺現象 117 圖6.6 試體P1 之基礎面上節塊的開裂行為 117 圖6.7 試體P1 試驗後節塊混凝土面之剝落現象 118 圖6.8 試體P1 試驗後節塊角隅混凝土碎裂情形 118 圖6.9 試體P1 之力與位移關係 121 圖6.10 試體P1 之柱頂鋼腱應變與應力關係 121 圖6.11 試體P1 之柱頂鋼腱應變與應力關係 122 圖6.12 試體P1 之柱頂預力增量與分析結果比較 122 圖6.13 P1 之初始勁度衰減與變形之關係 123 圖6.14 試體P1 之基礎與節塊之開裂情形 124 圖6.15 由角度計量測所得之基礎與節塊開裂情形 124 圖6.16 試體P1 之第一與第二節塊面之開裂情形 124 圖6.17 試體P1 之基礎滑動情形 125 圖6.18 試體P1 之第四與第五節塊間之滑動情形 125 圖6.19 試體2 第一階段試驗柱破壞情形（0.75%） 126 圖6.20 試體2 第二與第三節塊間之開裂情形（1%）126 圖6.21 試體2 基礎與第一節塊間之開裂情形（1%）127 圖6.22 試體2 試驗過程中之拉力裂縫（1.5%） 127 圖6.23 試體2 第一階段試驗之力與位移關係 128 圖6.24 試體2 第一階段試驗之節塊開裂情形 129 圖6.25 試體2 第一階段試驗之基礎滑動情形 129 圖6.26 試體2 第四與第五節塊間之滑動情形 130 圖6.27 試體2 基礎與第一節塊間之滑動情形 130 圖6.28 試體2 第一階段試驗之鋼棒應變反應 131 圖6.29 試體2 相同高程之鋼棒應變反應 131 圖6.30 試體2 第一階段試驗之鋼腱反應 132 圖6.31 試體2 第二階段試驗之節塊拉力裂縫 135 圖6.32 第二與第三節塊接面也出現明顯開裂 135 圖6.33 第一與第二節塊接面間的開裂情形 136 圖6.34 第一節塊的破壞及開裂現象 136 圖6.35 柱身變位情形(4%) 137 圖6.36 試驗過程中角隅混凝土剝落 137 圖6.37 混凝土壓力破壞現象 138 圖6.38 試體2 第二階段試驗之力與位移關係 139 圖6.39 試體P2 之柱底曲率關係 139 圖6.40 試體P2 之彈性勁度衰減情形 140 圖6.41 試體2 第二階段試驗節塊之開裂情形 140 圖6.42 試體2 第二階段試驗之基礎滑動情形 141 圖6.43 試體2 第四與第五節塊間之滑動情形 141 圖6.44 試體2 基礎與第一節塊間之滑動情形 142 圖6.45 試體2 第二階段試驗之鋼棒應變反應 142 圖6.46 試體2 相同高程之鋼棒應變反應 143 圖6.47 試體2 第二階段試驗之鋼腱反應 143 圖6.48 P3 試體之試驗歷程記錄 149 圖6.49 P3 試體之反覆載重遲滯迴圈 150 圖6.50 P3 試體續接鋼筋應變值 150 圖6.51 P3 試體鋼腱反應 151 圖6.52 P4 橋柱試驗歷程記錄 155 圖6.53 P4 橋柱之遲滯迴圈 155 圖6.54 P4 試體第一節塊內繫筋之應變 156 圖6.55 P4 試體第一節塊內縱向鋼筋之應變一 156 圖6.56 P4 試體第一節塊內縱向鋼筋之應變二 157 圖6.57 P4 試體第一節塊內續接主筋之應變(一) 158 圖6.58 P4 試體第一節塊內續接主筋之應變(二) 158 圖6.59 P4 試體節塊接面之開裂情形 159 圖6.60 四組試體之遲滯迴圈反應包絡線 160 圖6.61 四組試體之能量消散比較圖 160 圖6.62 P1 試體鋼腱配置調整影響比較 162 圖6.63 P2 試體鋼腱配置調整影響比較 163 圖6.64 P3 試體鋼腱配置調整影響比較 163 圖6.65 P4 試體鋼腱配置調整影響比較 164 圖6.66 施拉預力比對柱行為的影響 166 圖6.67 鋼腱量對柱行為的影響 1699501441 bytesapplication/pdfen-US預鑄節塊橋柱後拉式預力鋼腱部分預力握裹鋼腱Pecast Segmental Concrete PiersPost-tensioned PrestressingPartial PrestressBonded StrandsUnbonded Strandsthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/50324/1/ntu-94-D88521014-1.pdf