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研究生： 蔡明諺
Cai, Ming-Yan
論文名稱： 鋼筋混凝土梁柱接頭複合材料補強行為之數值模擬
Numerical model on RC beam-column joint strengthening with carbon fiber reinforced polymer(CFRP)
指導教授： 邱耀正
Chiou, Yaw-Jeng
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年： 2007
畢業學年度： 95
語文別： 中文
論文頁數： 136
中文關鍵詞： 結構補強 、有限元素 、梁柱接頭 、碳纖維
外文關鍵詞： ABAQUS, Strengthening, CFRP, FE, Beam-Column Joints
相關次數： 點閱：128  下載：4 
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    • 本論文主要為研究以複合材料補強於鋼筋混凝土梁柱接頭之數值模擬分析。利用有限元素(Finite Element，簡稱FE)-ABAQUS分析軟體模擬三維梁柱接頭與以CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymers)補強於RC (Reinforced Concrete)梁柱接頭構件之破壞行為分析。
    本文探討之重點為分別對內部梁柱接頭及外部梁柱接頭模擬其破壞包絡線，再給予當軸壓力改變或凝土抗壓強度改變等兩項變數進行模擬且探討其行為變化，並對於潘俊佑【28】之複合材料補強實驗加以模擬，探討以CFRP貼覆於RC梁柱接頭的補強行為。
    文中對於鋼筋的模擬分別以三種方式模擬。首先，單純考慮主筋效應的模擬結果較實驗曲線保守，但收斂容易，因此能快速掌握試體之破壞包絡線；倘若加建箍筋模型進行內嵌，其包絡線稍微提升，但也略為保守，建立箍筋模型所耗時間與模擬結果不成正比；若箍筋圍束效應改以Kent and Park【13】提出含箍筋圍束之經驗公式替代，則分析時間所耗最多，且收斂度不佳，但其破壞包絡線最接近於實驗曲線。
    本文對於模擬RC梁柱接頭之行為，若欲短時間內掌握試體之破壞包絡線趨勢，建議採用以純主筋方式模擬；若在箍筋圍束部分之組成律採用Kent and Park【13】提出含箍筋圍束之經驗公式，其模擬之結果最符實驗行為，且由分析結果-塑性應變圖中應變集中的區域了解試體張裂的行為。

    This study investigates a numerical model on the Reinforced Concrete(RC) beam-column joint strengthened by the carbon fiber reinforced polymer (CFRP). At the beginning, a three-dimentional(3-D) nonlinear finite element analysis is used to simulate the behavior of interior and exterior beam-column joints without CFRP. There are six experiments to perform the the parametric studies including the concrete compressive strength, axial load, and the simulation of steel. Then, a 3-D nonlinear finite element analysis is used to investigate the behavior of interior beam-column joints with CFRP. Finally, the numerical results demonstrate that the concrete compressive strength make an important role in beam-column joints. In this research, a pre-rehabilitation way for using CFRP is suggested. A numerical model on RC beam-column joint strengthened by CFRP is also proposed.

    口試合格證明 Ⅰ 摘要 Ⅱ ABSTRACT Ⅲ 致謝 Ⅳ 目錄 Ⅴ 表目錄 Ⅸ 圖目錄 Ⅹ 第一章 緒論 1 1-1前言 1 1-2研究動機與目的 2 1-3文獻回顧 3 1-4研究方法 9 1-5本文內容與架構 9 第二章 RC結構修復、補強之定義及各補強工法 11 2-1序論 11 2-2 RC結構修復、補強介紹 12 2-2-1修復、補強的定義與材料 12 2-2-2補強時機 13 2-2-3補強工法 14 第三章 有限元素分析理論 17 3-1有限元素法概序 17 3-2元素選用及其基本理論 18 3-2-1單一元素勁度矩陣推導 18 3-2-2控制方程式(governing equation) 27 3-3複合材料疊層分析理論 30 3-3-1平面應力-應變(plane stress-strain)關係 30 3-3-2局部座標與總體座標的轉換關係 31 3-3-3轉換後之總體座標的應力-應變關係 32 第四章RC構件及CFRP之有限元素分析 34 4-1混凝土、鋼筋、CFRP之材料性質 34 4-1-1混凝土之材料性質 34 4-1-2鋼筋之材料性質 35 4-1-3複合材料之性質 35 4-2 混凝土、鋼筋、CFRP之有限元素分析假設 36 4-2-1混凝土之分析假設 36 4-2-2鋼筋之分析假設 39 4-2-3 CFRP之分析假設 42 4-3 ABAQUS分析之基本假設 43 4-4分析流程簡介 44 第五章 數值結果比較與討論 45 5-1內部梁柱接頭(Interior Beam-Column Joints)之模擬 46 5-1-1未補強之原形試體分析- 1-何偉智 46 5-1-2未補強之原形試體分析- 2-郭瑞宗 47 5-1-3比較三種鋼筋模擬法之精確性及其收斂度 48 5-1-4未補強之原形試體分析- 3-Park and Ruitong 49 5-2外部梁柱接頭( Exterior Beam-Column Joints )之模擬 50 5-2-1未補強之原形試體分析- 1-EI-Amoury 50 5-2-2未補強之原形試體分析- 2-Antonopoulos and Triantafillou 51 5-2-3未補強之原形試體分析- 3-Hwang 52 5-3探討軸壓、混凝土強度分別對梁柱接頭之影響 53 5-3-1內部梁柱接頭(Interior Beam-Column Joints)之探討 53 5-3-2外部梁柱接頭(Exterior Beam-Column Joints)之探討 54 5-4內部梁柱接頭補強分析 57 5-4-1試體規劃簡介 57 5-4-2模型尺寸與材料參數 58 5-4-3試體模擬分析 58 5-4-3-1原型試體JI0模擬分析 59 5-4-3-2補強試體JI1RFV2H2模擬分析 59 5-4-3-3補強試體JI2RFV4H2模擬分析 60 5-4-4 著重接頭區補強之分析行為 61 5-5完全內部梁柱接頭分析 63 5-5-1完全內部梁柱接頭分析-CJI0 63 5-5-2完全內部梁柱接頭補強試體-CJI1RF模擬分析 63 第六章 結論與建議 64 6-1綜合結論 64 6-2建議 67 參考文獻 68 自述 137 表目錄 表 2- 1各補強工法之優缺點比較 71 表 2- 2各複合材料纖維之比較 71 表 5- 1何偉智-混凝土抗壓強度(引用【20】) 72 表 5- 2何偉智-鋼筋抗拉強度(引用【20】) 72 表 5- 3郭瑞宗-混凝土抗壓強度(引用【24】) 72 表 5- 4郭瑞宗-鋼筋抗拉強度(引用【24】) 73 表 5- 5三種鋼筋模擬方式之比較 73 表 5- 6 Park and Ruitong-UNIT4-鋼筋抗拉強度 74 表 5- 7 Hwang-Material properties(引用【12】) 74 表 5- 8潘俊佑試體補強規畫 74 表 5- 9潘俊佑試體-混凝土抗壓強度 75 表 5- 10潘俊佑試體-竹節鋼筋抗拉強度 76 表 5- 11潘俊佑補強材料之材料參數 76 表 6- 1內、外部梁柱接頭極限強度比較 77 圖目錄 圖 1- 1接頭剪力破壞 78 圖 3- 1 Solid元素-整體座標與自然座標轉換關係示意圖 79 圖 3- 2 Truss元素-整體座標與自然座標轉換關係示意圖 80 圖 3- 3 Shell元素-整體座標與自然座標轉換關係示意圖 81 圖 3- 4複合材料座標系統轉換關係示意圖 82 圖 4- 1理想鋼筋應力-應變圖 82 圖 4- 2 Kent & Park 提出混凝土組成律之示意圖 83 圖 4- 3 ABAQUS-均佈法鋼筋模擬示意圖 83 圖 4- 4 ABAQUS-離散法鋼筋模擬示意圖 84 圖 4- 5 ABAQUS-內嵌法鋼筋模擬示意圖 85 圖 4- 6彈塑性材料在拉伸實驗中的標稱應力-應變行為 86 圖 4- 7總應變分解為彈性和塑性應變分量 86 圖 4- 8有限元素-ABAQUS軟體之分析流程 87 圖 5- 1何偉智-試體配筋圖(引用【20】) 88 圖 5- 2何偉智-實驗示意圖(引用【20】) 88 圖 5- 3何偉智-分析示意圖 89 圖 5- 4何偉智-方式A模擬 89 圖 5- 5何偉智-方式B模擬 90 圖 5- 6何偉智-方式C模擬 91 圖 5- 7何偉智-方式A模擬之包絡線 92 圖 5- 8何偉智-方式B模擬之包絡線 92 圖 5- 9何偉智-方式C模擬之包絡線 92 圖 5- 10郭瑞宗-試體配筋圖(引用【24】) 93 圖 5- 11郭瑞宗-實驗示意圖(引用【24】) 93 圖 5- 12郭瑞宗-分析示意圖 94 圖 5- 13郭瑞宗-方式A模擬之包絡線 94 圖 5- 14郭瑞宗-方式B模擬之包絡線 95 圖 5- 15郭瑞宗-方式C模擬之包絡線 95 圖 5- 16 Park and Ruitong-UNIT4-分析示意圖(引用【16】) 96 圖 5- 17 Park and Ruitong-UNIT4-方式A模擬之包絡線 96 圖 5- 18 EI-Amoury-試體配筋圖(引用【6】) 97 圖 5- 19 EI-Amoury -實驗示意圖(引用【6】) 97 圖 5- 20 EI-Amoury -分析示意圖 98 圖 5- 21 EI-Amoury -方式A模擬 98 圖 5- 22 EI-Amoury -方式C模擬 99 圖 5- 23 EI-Amoury -方式A模擬之包絡線 100 圖 5- 24 EI-Amoury -方式C模擬之包絡線 100 圖 5- 25Antonopoulos and Triantafillou-試體配筋圖(引用【2】) 101 圖 5- 26 Antonopoulos and Triantafillou -實驗示意圖(引用【2】) 101 圖 5- 27 Antonopoulos and Triantafillou -分析示意圖 102 圖 5- 28 Antonopoulos and Triantafillou -方式A模擬之包絡線C1 & C2 103 圖 5- 29 Antonopoulos and Triantafillou -方式C模擬之包絡線C1 & C2 104 圖 5- 30 Hwang-柱斷面配筋圖(引用【12】) 104 圖 5- 31 Hwang -實驗示意圖(引用【12】) 105 圖 5- 32 Hwang -分析示意圖 105 圖 5- 33 Hwang -方式A模擬之包絡線 106 圖 5- 34何偉智變數A-Ⅰ 107 圖 5- 35何偉智變數A-Ⅰ極限強度比較 107 圖 5- 36何偉智變數A-Ⅱ 107 圖 5- 37何偉智變數A-Ⅱ極限強度比較 108 圖 5- 38何偉智變數B-Ⅱ 108 圖 5- 39何偉智變數B-Ⅲ極限強度比較 108 圖 5- 40Park and Ruitong變數A-Ⅰ 109 圖 5- 41 Park and Ruitong變數A-Ⅰ極限強度比較 109 圖 5- 42 Park and Ruitong變數B-Ⅱ 109 圖 5- 43 EI-Amoury變數A-Ⅰ 110 圖 5- 44 EI-Amoury變數A-Ⅰ極限強度比較 110 圖 5- 45 EI-Amoury變數A-Ⅱ 110 圖 5- 46 EI-Amoury變數A-Ⅱ極限強度比較 111 圖 5- 47 EI-Amoury變數B-Ⅲ極限強度比較 111 圖 5- 48 EI-Amoury變數B-Ⅳ極限強度比較 111 圖 5- 49 Antonopoulos and Triantafillou變數A-Ⅰ 112 圖 5- 50 Antonopoulos and Triantafillou變數A-Ⅰ極限強度比較 112 圖 5- 51 Antonopoulos and Triantafillou變數A-Ⅱ 112 圖 5- 52 Antonopoulos and Triantafillou變數A-Ⅱ極限強度比較 113 圖 5- 53 Antonopoulos and Triantafillou變數B-Ⅲ極限強度比較 113 圖 5- 54 Antonopoulos and Triantafillou變數B-Ⅳ極限強度比較 113 圖 5- 55 Hwang變數A-Ⅰ 114 圖 5- 56 Hwang變數A-Ⅰ極限強度比較 114 圖 5- 57 Hwang變數B-Ⅱ極限強度比較 114 圖 5- 58梁柱接頭塑性應變圖 116 圖 5- 59潘俊佑-試體配筋圖 117 圖 5- 60潘俊佑-試體補強示意圖 118 圖 5- 61潘俊佑-試體分析示意圖 119 圖 5- 62潘俊佑試體JI0-方式A模擬 119 圖 5- 63潘俊佑試體JI0-方式A模擬之包絡線 120 圖 5- 64潘俊佑試體JI0-方式C模擬之包絡線 120 圖 5- 65潘俊佑試體JI0-方式C模擬 121 圖 5- 66潘俊佑試體JI0-梁柱接頭塑性應變圖 122 圖 5- 67潘俊佑試體JI0-裂縫圖 122 圖 5- 68潘俊佑補強試體JI1RFV2H2-方式A模擬 123 圖 5- 69潘俊佑補強試體JI1RFV2H2-方式A模擬之包絡線 124 圖 5- 70潘俊佑補強試體JI1RFV2H2-方式C模擬之包絡線 124 圖 5- 71潘俊佑補強試體JI1RFV2H2-方式C模擬 125 圖 5- 72潘俊佑補強試體JI1RFV2H2-梁柱接頭塑性應變圖 126 圖 5- 73潘俊佑補強試體JI1RFV2H2-裂縫圖 126 圖 5- 74潘俊佑補強試體JI2RFV4H2-方式A模擬之包絡線 127 圖 5- 75潘俊佑補強試體JI2RFV4H2-方式C模擬之包絡線 127 圖 5- 76潘俊佑補強試體JI2RFV4H2-梁柱接頭塑性應變圖 128 圖 5- 77潘俊佑補強試體JI2RFV4H2-裂縫圖 128 圖 5- 78數值模擬試體JI0、JI1RFV2H2、JI2RFV4H2與比較 129 圖 5- 79試體JI0、JI4RFD、JI5RFA之比較圖 129 圖 5- 80試體JI0、JI6RFA之比較圖 130 圖 5- 81試體JI0、JI4RFD、JI7RFD之比較圖 130 圖 5- 82 CFRP補強於接頭區示意圖 131 圖 5- 83鋼板補強於接頭區示意圖 132 圖 5- 84鋼棒補強於接頭區示意圖 132 圖 5- 85完全內部梁柱接頭示意圖 133 圖 5- 86完全內部梁柱接頭補強示意圖 133 圖 5- 87梁柱接頭比較圖 134 圖 5- 88完全內部梁柱接頭補強比較圖 134 圖 5- 89完全內部梁柱接頭示意圖 135 圖 5- 90完全內部梁柱接頭3方向不同長度之分析比較圖 136

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    27. 楊勤，「FRP圍束混凝土方形柱之力學行為研究」，國立臺灣大學工程科學與海洋工程所碩士論文，林輝政教授、李雅榮教授指導，民國93年。
    28. 潘俊佑，「鋼筋混凝土梁柱接頭複合材料補強之大尺寸實驗」，國立成功大學土木工程研究所碩士論文，邱耀正教授指導，民國96年。

    下載圖示 校內：立即公開
    校外：2007-08-17公開
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