国内既有钢筋混凝土结构物补强之现况检讨

国内既有钢筋混凝土结构物补强之现况检讨 国内既有钢筋混凝土结构物补强之现况检讨 李有丰 国立台北科技大学土木工程系 教授 一、 前言 在以往使用钢筋混凝土为材料的结构是国内土木结构物的主流大约占全体结构物的九成以上尤其早期的结构物比率更高。这些早期的钢筋混凝土结构物由於当时技术的不足或经费的窘迫其产品自然无法满足现代的品质。加上最近国内新的桥梁及建筑结构耐震设计规范使得许多以前设计兴建的结构物如依新规范的要求变成耐震不足然而这一些的构造物除少数因更新工程而得以拆除重见外大部分其他构造物仍旧须得照常使用。以现在的要求来看这些构造物的整体强度或耐震能力均明显不足需要适当的补强以符合现代的要求。因此钢筋混凝土结构的补强及有效度亦成为今日国内土木工程界的重要研究课。 钢筋混凝土结构物因其服务的机能不同如医院、校舍、住宅、桥梁等各有其使用的生命周期。这段期间或因环境因素造成混凝土材料的劣化、钢筋的腐蚀或因基础沈陷、风力、地震力造成结构的变形或因长时间的使用造成建筑材料自然的老化在在都令结构物使用的安全堪虑。若在结构物受损时以重建作为考量从经济面的观点来看除了重建的经费以外尚需加上拆除的费用再从环保的角度著眼在全球一片提倡绿建筑、永续发展的趋势下建筑废弃物的处理的确是戕害地球生态的一大杀手。如此种种在可修复的情况下对既有钢筋混凝土结构物如何进行有效可靠的补强使其恢复应有的服务性实为当前刻不容缓的课题。 1 另外在台湾地区大部份的老旧钢筋混凝土建筑结构物普遍面临著不符现行建筑物耐震设计规范需求等法规变革之考验及地处高地震发生区、海岛型气候、高含酸量酸雨、不当超载使用等外在灾害之威胁与材料老化、龟裂、破损、腐蚀等内在使用之危险亟须补强或重建。然而对於前揭钢筋混凝土建筑结构物而言补强通常要比拆除重建更具经济效益且可行。就补强功能需求而言有劣化补强、耐震补强及强度补强。其主要补强目的概在增加结构强度、恢复结构功能及延长结构耐久性尤其经921集集大地震后更甚。 二、 国内研究近年之研究成果 因应RC结构物中损害模式不同及欲达到的结构强度、韧性要求许多补强的工法随著因运而生。当局部构件有轻微裂缝产生仅需以高强度环氧树脂Epoxy予以灌注修复单一梁、柱、版、墙强度不足时可用钢钣或纤维强化高分子复合材料Fiber Reinforced Plastic FRP贴覆补强结构空间允许时甚可加大断面的尺寸以增加强度若整体结构的强度、韧性均需加强则考虑增建剪力墙、翼墙、斜撑等用以改变结构系统达到整体结构应力重新分配确保各构件都具备足够强度与韧性。 国内相关之研究相当多从民国80年代即开始进行一直到近年921地震发生后才陆续有大量之研究成果发表。表1为国内目前许多在RC结构物补强的研究成果与相关文献显见钢钣与FRP补强为最普遍应用之工法。FRP中又以碳纤维Carbon Fiber使用最广尤其在以CFRP作为补强设计时李有丰等人以一系列研究成果所研发的CFRP简易查图法1 2图1提供了CFRP补强RC结构物更快速、有效的设计方法使其在工程界的实际应用上更向前大迈一步。 2 表1 国内RC结构物补强研究成果 钢钣补强相关研究 1. 廖肇昌、萧兴台、宋永銮RC构件钢钣补强工法之探讨结构工程第79-96页第九卷第四期民国83年12月。 2. 廖肇昌、史钧陶、萧兴台、宋永?荝C梁钢钣补强设计法结构工程第85-99页第十一卷第四期民国85年12月。 3. 钟政信钢筋混凝土梁使用钢板补强之有限元素分析台湾大学土木工程所硕士论文指导教授蔡益超民国86年。 4. 郑启龙钢板补强混凝土剪力试验受温度效应之影响台湾大学土木工程所硕士论文指导教授高健章民国86年。 5. 王仲宇、张永孚、谢昭辉混凝土结构以钢钣补强粘接状况之非破坏性评估中国土木水利工程 学刊第647-653页第九卷第四期民国86年12月。 6. 高健章、郑启龙混凝土与补强钢钣间胶结界面受温度之影响结构工程第101-109页第十二卷第四期民国86年12月。 7. 詹清渊RC梁两侧钢钣补强工法之研究中兴大学土木所硕士论文指导教授阎嘉义、萧兴台民国87年。 8. 叶时伟RC梁挠曲补强之研究-两侧钢钣补强法中兴大学土木所硕士论文指导教授阎嘉义、萧兴台民国87年。 9. 简显光、阎嘉义、陈君玺钢筋混凝土梁侧贴钢钣挠曲补强之复合行为中国土木水利工程学刊第847-856页民国87年12月。 10. 陈升华RC梁侧贴钢板补强之实验与非线性有限元素力学分析 台北科技大学土木及防灾所硕士论文指导教授吴传威、萧兴台民国88年 11. 张义宏RC梁侧贴钢钣剪力补强之研究中兴大学土木所硕士论文指导教授阎嘉义民国88年。 12. 陈君玺R.C.梁侧贴钢钣之挠曲补强研究中兴大学土木所硕士论文指导教授阎嘉义民国88年。 13. 谢有明RC桥柱之钢板包覆耐震补强台湾科技大学营建工程所硕士论文指导教授黄震兴民国88年。 14. 简显光、阎嘉义、陈君玺钢筋混凝土梁侧贴钢钣补强可行性之研究中国土木水利工程学刊第311-318页民国89年6月。 15. 高逸帆钢筋混凝土梁侧贴钢钣剪力补强之反覆载重行为国立中兴大学土木所硕士论文指导教授阎嘉义民国89年。 3 16. 庄正志钢筋混凝土梁侧贴钢钣挠曲补强之反覆载重行为国立中兴大学土木所硕士论文指导教授阎嘉义民国89年。 17. 赖佩青钢板贴片补强混凝土粘结界面受温后行为研究国立台湾科技大学营建工程所硕士论文指导教授林庆元民国90年。 18. 郭全丰施加被覆材之钢板贴片补强混凝土受温后行为研究国立台湾 年。 19. 何东杰钢钣补强混凝科技大学营建工程所硕士论文指导教授林庆元民国91 土梁之分析朝洋科技大学营建工程所硕士论文指导教授金文森民国91年。 20. 林文山钢筋混凝土结构之钢板补强研究国立台湾大学土木所硕士论文指导教授蔡益超、高健章民国91年。 21. 简显光、阎嘉义、陈君玺钢钣侧贴补强钢筋混凝土梁柱节点受反覆载重作用之结构行为中国土木水利工程学刊第151-158页民国91年3月 22. 林政毅、 宋文沛、 李吉祥结构物钢板贴片补强之分析探讨土木工程技术第35-48页民国91年9月。 纤维强化高分子复合材料补强相关研究 1. 邱佑宗、朱国栋FRP补强钢筋混凝土构件效果探讨工业材料第108116页第一百二十三卷民国86年3月。 2. 朱国栋、卢廷钜结构物强化纤维FRP补强设计强化塑胶第1426页第七十卷民国86年3月。 3. 彭添富、李有丰、施邦筑、朱国栋、邱佑宗、郑育祥碳纤维强化高分子复合材料CFRP应用於简支钢筋混凝土梁之补强最佳化设计与验证结构工程第8799页第十二卷第四期民国86年12月。4. 李有丰圆形桥柱之复合材料FRP耐震补强研究I行政院国家科学委员会专题研究计画成果报告计画编号NSC 87-2211-E-027- 003民国87年7月。李有丰、施邦筑、彭添富、李秉乾混凝土结构物维修补强方法介绍土木技术第5期第28-52页民国87年7月。5. 张宽勇、林至聪、施邦筑、彭添富、李有丰、韩茂树、郑育祥、 陈志宏、黄哲群、朱国栋、邱佑宗、卢廷钜RC构件以CFRP贴片补强之受往复力作用与耐久性试验研究1998建筑物防灾检测与补强技术研讨会第193-216页台北科技大学民国87年9月。 6. 彭添富、李有丰、施邦筑、韩茂树、朱国栋、邱佑宗、林至聪、郑育祥碳纤维强化高分子复合材料补强混凝土强度尺寸效应之试验与研究工业材料第129134页第142期民国87年10月。 4 7. 彭添富、李有丰、施邦筑、韩茂树、林至聪、郑育祥复合材料补强RC结构设计验证财团法人工业技术研究院民国87年。 8. 林至聪、张宽勇、李有丰、施邦筑CFRP贴片补强混凝土材料之耐久性试验研究台北科技大学学报第32卷第1期第119144页民国88年3月。 9. 李 有丰、朱育正纤维强化高分子复合材料补强钢筋混凝土桥柱之研究桥梁安全维护与管理研讨会第217-246页民国88年4月。 10. 林至聪、林昭明CFRP束围补强钢筋混凝土材料之研究土木技术第8707页第2卷第17期民国88年7月。 11. 李天河、李有丰、施邦筑应用FRP复合材料补强钢筋混凝土建筑结构物--碳纤维贴片补强施工案例介绍与探讨土木技术第109116页第二卷第七期民国88年7月。 12. 李有丰圆形桥柱之复合材料FRP耐震补强研究II行政院国家科学委员会专题研究计画成果报告计画编号NSC 88-2625-Z-027-001民国88年7月。 13. 林至聪、李有丰、张宽勇、施邦筑碳纤维强化高分子复合材料补强混凝土材料耐久性之研究土木技术第20期第58-68 页民国88年10月。 14. 李有丰、朱国栋、张国镇、黄震兴、王仲宇等人FRP复合材料补强桥墩设计准则之研究交通部科技顾问室民国88年10月。 15. 李有丰RC桥柱耐震补强对策之研究与应用-圆形桥柱之复合材料FRP耐震补强研究国科会工程科技第40期第69-76页民国88年10月。 16. 朱国栋、李有丰、施邦筑纤维强化高分子复合材料FRP应用於RC结构物补强之介绍现代营建第7480页第二十卷第十一期民国 月。 17. 李有丰、詹麒璋、谢耀明、钟世文、阮建忠钢筋混凝土腐蚀构件以88年11 碳纤维强化高分子复合材料CFRP包覆补强之初步研究工业材料155期第95-100页民国88年11月。 18. 魏志明碳纤维复合材料应用於楼版之维修补强研究台湾科技大学营建工程所硕士论文指导教授杨锦怀民国88年。 19. 周裕翔碳纤维复合物挠曲补强之RC梁在重复载重作用下之行为台湾科技大学营建工程所硕士论文指导教授林草英民国88年。 5 20. 陈俊廷FRP补强混凝土柱之破坏分析与试验台湾大学造船及海洋所硕士论文指导教授林辉政民国88年。 21. 张宏辅钢筋混凝土矩形桥柱耐震分析与FRP补强之研究台湾大学土木所硕士论文指导教授张国镇民国88年。 22. 林信成强化纤维补强RC构架之极限侧力拟弹性分析台湾大学土木所硕士论文指导教授陈清泉民国88年。 23. 张世东含墙RC刚构架以强化纤维补强后之拟弹性法耐震能力分析台湾大学土木所硕士论文指导教授陈清泉民国88年。 24. 林至聪碳纤维贴片补强钢筋混凝土构件之研究中央大学土木所博士论文指导教授蒋伟宁民国88年。 25. 洪荧璞水泥混凝土裂缝维修与贴片补强之研究中央大学土木所硕士论文指导教授黄伟庆民国88年。 26. 洪维钧钢筋混凝土桥柱碳纤维包覆补强之实验与分析中央大学土木所硕士论文指导教授王仲宇民国88年。 27. 张春帆玻璃纤维贴片补强混凝土版贯穿剪力破坏行为研究交通大学土木所硕士论文指导教授陈诚直民国88年。 28. 吴岱佑混凝土梁应用玻璃纤维加劲复材布补强之研究逢甲大学土木及水利所硕士论文指导教授李秉乾民国89年。 29. 李有丰、郑育祥、廖肇昌桥梁构件新材料—FRP营建知讯第3643页第二百一十二卷民国89年9月。 30. 刁健原、李有丰FRP补强设计之简易查图法土木技术第122131页第三卷第十二期民国89年12月。 31. 李有丰朱国栋纤维强化高分子复合材料之材料测试与施工验收准则之研拟结构工程期刊第15卷第3期第3-29页民国89年9月。 32. 李有丰、彭添富、张宽勇碳纤维强化高分子复合材料CFRP贴片补强RC结构物之研究内政部营建署民国89年12月。 33. 林恭弘梁柱接头FRP补强研究台湾大学土木所硕士论文指导教授张国镇民国89年。 34. 钟丰旭RC矩形桥柱FRP剪力及搭接耐震补强之研究台湾大学土木所硕士论文指导教授张国镇民国89年。 6 35. 郑育祥碳纤贴片补强混凝土构件之研究台北科技大学土木及防灾所硕士论文指导教授彭添富民国89年。 36. 徐耀赐以复合材料碳纤维贴片补强钢筋混凝土梁弯矩之设计原理土木工程技术第1748页第五卷第一期民国90年3 月。 37. 李有丰、张国镇、黄震兴、宋奕颖碳纤维强化高分子复合材料於圆形桥柱剪力补强设计与试验土木技术民国90年3月。 38. 彭添富、李有丰、张宽勇、 陈威杰碳纤维强化高分子复合材料CFRP补强RC构件设计之研究结构工程第314页第十六卷第二期民国90年6月。 39. 黄献政碳纤维复合材料应用於RC楼版火害后补强研究台湾科技大学营建工程所硕士论文指导教授杨锦怀民国90年。 40. 叶永信钢筋混凝土墙之碳纤FRP耐震补强研究台湾科技大学营建工程所硕士论文指导教授黄世建民国90年。 41. 熊开平碳纤维复合物於钢筋混凝土柱构件之补强研究台湾科技大学营建工程所硕士论文指导教授林草英民国90年。 42. 李有丰、刁健原、林子轩碳纤维强化高分子复合材料CFRP补强建筑物RC构件简易查图法结构工程第43-60页第十七卷第一期民国91年3月。 43. 李有丰等RC结构物以CFRP补强设计导则及案例之研究与推广??期中报告书内政部营建署第120128页第142期民国91年5月。 44. 李有丰、方仓盛箍筋与碳纤维强化高分子复合材料围束混凝土组成律之理论与实验验证第六届结构工程研讨会论文集D05屏东县垦丁民国91年8月。 45. 李有丰、宋奕颖碳纤维复合材料CFRP於圆形桥柱剪力破坏耐震补强之研究第六届结构工程研讨会论文集J04屏东县垦丁民国91年8月。 46. 李有丰、刁健原、林子轩碳纤维强化高分子复合材料CFRP补强建筑物RC构件简易查图法究第六届结构工程研讨会论文集P03屏东县垦丁民国91年8月。 47. 谢耀明、李有丰、周惠娟、蔡明哲CFRP与木材介面黏著贴覆效果之研究台北科技大学学报第35卷第2期第87-102页民国91年9月。 丰、丁湘兰纤维强化高分子复合材料桥面版在桥梁工程之应用介绍台湾公48. 李有 路工程第29卷第8期第35-48页民国92年2月。 7 结构系统补强相关研究 1. 李濠吉钢筋混凝土构架耐震补强研究 : 增设斜撑及钢剪力墙国立台湾科技大学营建所硕士论文指导教授陈正诚民国89年。 裂缝补强相关研究 1. 许志宏混凝土结构裂缝修补成效评估环氧树脂低压注入工法朝阳科技大学营建所硕士论文指导教授王裕成民国89年。 2. 宋文沛 吴忠信 郭其珍 李一圣补强界面裂缝之奇异性与补强效果分析土木工程技术第63-76页民国90年6月。 3. 张培圣混凝土裂缝修补材料之研究-环氧树脂及聚甲基丙烯酸系树脂朝阳科技大学营建所硕士论文指导教授王裕成民国91年。4. 陈志诚裂缝修补方式对钢筋混凝土性质影响之研究海洋大学河海工程所硕士论文指导教授张建智民国92年。 钢索围束补强相关研究 1. 陈锡勋钢缆线围束柱?逍薷补强之可行性研究台北科技大学土木及防灾所硕士论文指导教授李有丰、吴传威民国91年。 2. 李有丰、吴传威、陈锡勋、曾文青钢缆线箍筋围束补强混凝土柱之成效初步验证第六届结构工程研讨会论文集P32屏东县垦丁民国91年8月。 其他相关研究 1. 杨宗岳921大地震桥梁破坏行为与复旧补强方法之探讨中兴大学土木工程所硕士论文指导教授朱明信民国90年。 2. 施邦筑、李有丰、朱国栋RC结构补强之材料及工法土木技术第五期第118-127页民国87年7月。 3. 许茂雄、刘文钦、康继任RC构架震后补强试验与分析中国土木水利工程学刊第701-709页第十一卷第四期民国88年12月。 4. 郭苗宜RC桥柱之剪力与主筋搭接耐震补强台湾科技大学营建所硕士论文指导教授黄震兴民国89年。 5. 谢智明中空钢筋混凝土矩形桥柱之复和材料补强行为成功大学土木所硕士论文指导教授莫诒隆民国89年。 6. 赖彦魁中空钢筋混凝土桥柱韧性性补强与剪力强度补强之理论分析研究台湾大学土木所硕士论文指导教授蔡益超民国89年。 8 7. 陈建宏以复合材料补强钢筋混凝土之探讨与应用中原大学土木所硕士论文指导教授何仲明民国90年。 8. 黄培彰、徐耀赐、Nanni Antonio利用复合材料进行弯矩及剪力现地补强钢筋混凝土T形梁之研究结构工程第29-41页第七卷第一期民国91年3月。 9. 郑嘉耘具骑楼建筑物之破坏与补强方法分析海洋大学河海工程所硕士论文指导教授张景钟民国89年。 10. 施健泰建筑RC构架之补强实验研究成功大学土木所硕士论文指导教授邱耀正民国91年。 11. 陈界宏建筑结构之耐震评估与补强研究台湾大学土木所硕士论文指导教授蔡克铨民国89年。 12. 陈光瑞既有钢筋混凝土建筑物耐震补强设计之定量研究中华大学土木所硕士论文指导教授张奇伟、李锡霖民国88年。 13. 余保宪既有钢筋混凝土桥柱耐震行为及耐震补强之试验与研究台湾大学土木所硕士论文指导教授钟立来、吴赖云民国91年。 14. 朱国栋复合材枓补强桥梁技术介绍朱国栋工业材料第89-97页第114期民国85年6月。 15. 黄正良传统学校建筑补强成效与探讨台北科技大学土木与防灾所硕士论文指导教授韩茂树民国91年。 16. 萧兴台阎嘉义吴传威韩茂树潘乃欣游本志杨幕忠传统中小学校舍修复补强策略探讨以南投县182所中小学校舍为例土木技术第三卷12期第109-121页民国89年12月。 17. 柯诗吟圆形RC桥柱钢板包覆耐震补强 年。 18. 陈俊宏、林美秀、朱台湾科技大学营建所硕士论文指导教授黄世建民国90 国栋、施志哲复合材料补强施工之品质管理与检测工业材料第142期第120-128页民国87年10月。 19. 郑皓元复材围束补强混凝土强度及温度影响之承载行为探讨分析逢甲大学土木及水利所硕士论文指导教授林庆昌民国88年。 20. 简铃昌震后桥梁结构安全快速诊断与补强方法之研究中央大学土木所硕士论文指导教授蒋伟宁民国88年。 21. 许茂雄 刘白梅杜怡萱张云妃学校建筑耐震补强参考案例中国土木水利工程学刊弟361-369页民国87年6月。 22. 陈威成学校建筑结构耐震能力详细评估与补强台湾大学土木所硕士论文指导教授蔡益超民国89年。 9 23. 张俊杰桥柱耐震行为及其钢筋混凝土包覆补强理论分析与试验验证之研究台湾大学土木所硕士论文指导教授钟立来、吴赖云民国89年。 24. 王文财桥柱钢筋混凝土包覆耐震补强及修复之研究台湾大学土木所硕士论文指导教授钟立来、吴赖云民国90年。 25. 李有丰、林安彦桥梁检测评估与补强全华科技图书出版社。 26. 陈依民钢筋混凝土建物耐震评估与补强资讯系统之发展淡江大学土木所硕士论文指导教授王人牧民国90年。 27. 张宏辅钢筋混凝土矩形桥柱耐震分析与FRP补强之研究台湾大学土木所硕士论文指导教授张国镇民国88年。 28. 庄毓蕙、徐耀赐、柯正忠钢筋混凝土结构补强之复合材料选用与施工制程台湾公路工程第二十八卷第二期第2-22页民国90年8月。 29. 黄柏超钢筋混凝土开孔梁补强后之剪力行为研究中原大学土木所硕士论文指导教授何仲明民国88年。 30. 简志勇钢筋混凝土桥柱基础耐震评估及补强研究台湾科技大学营建所硕士论文指导教授黄世建民国89年。 31. 周文阳钢筋混凝土桥梁T-型梁柱街头抗剪强度之评估与补强研究台湾科技大学营建所硕士论文指导教授黄世建民国88年。 10 图1 CFRP补强设计简易查图手册2 11 三、 RC结构物补强时机 对於使用中的结构物的安全有所疑虑时便需进行适当的补强而造成RC结构物不安全的因素有3 1 结构功能改变 因结构之使用需求改变导致载重随之而变因此结构某些构件之受力超过原先设计这些构件即需补强。 2 混凝土劣化、老化 因环境因素如酸性、碱性、配比设计不良、浇置施工养护不当、或时间久远而造成混凝土强度不足此部份之构件需予修复。 3 腐蚀防护及修补 台湾属海岛型气候区夏季天气炽热冬季风势强劲日夜温差大湿度偏高沿海区域空气中甚至挟带盐分甚易造成严重氯化物与腐蚀侵蚀等类似「海砂屋」之症状。若缺乏定期检查及维护工作则结构物其 易产生龟裂、剥落等缺陷严重者可能导致倾倒、崩垮危及公共安全为保护RC结构物钢筋免受外界环境腐蚀并可补足受腐蚀钢筋损失强度增加RC结构物之安全性因此需作防蚀补强。 4 RC结构设计或施工不当 在结构设计时即因力学分析错失或构件断面及配筋设计错误或施工时未遵行施工及设计、施公.