Metel Reinforced Reactive Powder Concrete Composite Plate Ductility dissipation behavior

本實驗主要有兩項研究主題，第一是從已有的活性粉混凝土薄板性質中，加入金屬薄板做為加勁材料，透過基本力學試驗，來決定何種金屬與活性粉混凝土組成複合材料的消能性質最好，同時也進一步的釐清金屬薄板與鋼纖維加勁對於消能上的貢獻；第二部分則利用第一部分所決定的金屬加勁於活性粉混凝土中，做消能系統的試驗，並藉由改變試驗頻率探討出高頻作用下整體的消能行為，為爾後設計發展上之參考依據。 由試驗可知三種不同金屬加勁對抗彎強度上鋼板有最高的貢獻，但於韌性消能上，鋁合金的加勁使整體複合材料的消能性質為最好，且可以達到比較大的撓曲變形。分別探討鋁合金與鋼纖維的加勁，可發現同時加入時的消能效果超過個別加入的情形，代表著兩種消能機制的交疊作用有加成的效應。此外，於消能系統試驗結果發現，消能性質的好壞與歷程中裂縫發展有正面的關聯，整個試驗也有多重主裂縫的情形發生。提高加載頻率，抗彎強度與消能特性會隨之而增加，但若頻率過高，則對於整體消能效果的成長有限，且亦會回歸單一主裂縫的破壞模式。誌謝 一 摘要 三 目錄 四 表目錄 一一 圖目錄 一三 照片目錄 一八 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 研究範圍與內容 2 第二章 文獻回顧 5 2.1 混凝土強度與韌性的提昇與發展 5 2.1.1 近代混凝土強度的提升理論 5 2.1.2 FRCC 6 2.2 活性粉混凝土 7 2.2.1 活性粉混凝土簡介 7 2.2.2 活性粉混凝土之結構機理 8 2.2.3 鋼纖維的增韌機制 10 2.3 結構消能元件的發展 12 2.3.1 金屬阻尼器 13 2.3.2 黏彈性阻尼器 14 2.3.3 液態黏性阻尼器 14 2.3.4 調諧質量阻尼器(TMD) 14 2.3.5 活性粉混凝土應用於消能構件的優勢 15 2.4 混凝土材料在消能上實際的應用 16 2.4.1 在機械上的應用 16 2.4.2 在剪力阻尼(Constrained layer damping)的應用 16 2.4.3 剪力牆 17 2.5 試驗規定及規範 17 2.5.1 抗壓試驗 17 2.5.2 抗彎試驗[34] 18 2.5.2.1 韌性指數 20 2.5.2.2 殘餘強度因子 20 2.5.2.3 破裂模數 21 2.5.3 反覆加載試驗 21 2.5.4 能量消散系統(Energy Dissipation System，EDS) 23 2.6 金屬加勁材的應用 24 2.6.1 金屬加勁材的目的 24 2.6.2 活性粉混凝土版的配置概念 24 2.7 應變率的影響 25 2.8 軟體分析模擬（SAP2000） 28 第三章 試驗規劃 29 3.1 試驗背景 29 3.2 試驗流程 29 3.3 試驗材料與設備 29 3.3.1 試驗材料 29 3.3.2 試驗儀器設備 31 3.4 試驗參數與試體配置 33 3.4.1 試驗參數 33 3.4.2 試驗配置 34 3.5 試體製作流程 34 3.5.1 拌合程序 34 3.5.2 流度測試 35 3.5.3 試體灌製 35 3.5.4 養護流程 35 3.6 試驗內容、架構與試驗歷程 36 3.6.1 抗壓試驗 36 3.6.2 抗彎試驗 36 3.6.3 消能系統試驗 38 3.6.3.1 試驗歷程 38 3.6.3.2 試驗架構的裝設 39 第四章 結果與討論 41 4.0 前言 41 4.1 試驗參數說明 42 4.2 試體製作情形 42 4.2.1 拌合情況 42 4.2.2 金屬板加入澆灌的情況 43 4.3 基本力學試驗 43 4.3.1 抗壓強度試驗 43 4.3.2 抗壓強度 44 4.3.3 金屬加勁材測試 45 4.3.4 抗彎強度試驗 45 4.3.5 試驗結果 45 4.3.5.1 纖維加勁活性粉混凝土 46 4.3.5.2 鋼板加勁纖維活性粉混凝土 46 4.3.5.3 鋁合金板加勁纖維活性粉混凝土 47 4.3.5.4 鉛板加勁纖維活性粉混凝土 48 4.3.5.5 金屬薄板加勁於抗彎試驗中扮演的角色 49 4.3.6 小結 50 4.4 三分點反覆彎曲試驗 51 4.4.1 試驗結果 52 4.4.1.1 反覆抗彎極限強度 52 4.4.1.1 金屬加勁活性粉混凝土板反覆彎曲結果 52 4.4.2 金屬消能機制 54 4.4.2.1 鋁合金薄板加勁活性粉混凝土 54 4.4.2.2 鋼纖維加勁活性粉混凝土 55 4.4.2.3 不同加勁方式結果比較 55 4.5 小結 56 4.6 活性粉混凝土複合板能量消散系統試驗 58 4.6.1 消能試驗試驗結果 58 4.6.2 不同歷程試驗結果 60 4.6.3 應變率的影響 61 4.6.4 小結 62 第五章 結論與建議 65 5.1 結論 65 5.2 建議 67 參考文獻 68 表目錄 表2-1 軸力影響關係 75 表2-2 應變率效應對抗壓強度及彈性模數[30] 75 表2-3 應變率效應對韌性指數[30] 76 表3-1 試驗用矽灰之物理性質 77 表3-2 試驗用矽灰之物理性質 77 表3-3 鋼絲網種類及材料性質 78 表3-4 金屬薄板力學性質 78 表3-5 試驗配比表 78 表4-1 抗壓試驗結果 79 表4-2 混凝土RPC、OC、HSC之性質比較 79 表4-3 單向靜態彎曲試驗力學性質 80 表4-4 雙向反覆循環彎曲試驗力學性質 81 表4-5 AL2F0、AL0F2與ALRPC基本力學試驗結果 81 表4-6 ALRPC-EDS四片薄板試體強度及能量消散結果統計 82 表4-7 ALRPC-EDS不同加載頻率之強度及能量消散結果統計 82 圖目錄 圖2-1 水泥質材料分類[11] 83 圖2-2 纖維拉拔試驗的荷載與位移曲線 83 圖2-3 纖維橋接(fiber bridge)[13] 84 圖2-4 裂縫延伸過程中，遇到纖維時可能產生的四種情況[6] 84 圖2-5 水泥質材料應變性質[25] 85 圖2-6 韌性指數定義參考圖[4] 85 圖2-7 EDS 設計構想圖[41] 86 圖2-8 消能元件單片尺寸關係圖 87 圖2-9 相同斷面的鋼材、鋁合金及鋼筋加勁RPC淺樑抗彎歷程比較 88 圖2-10 複合材料種類[40] 89 圖2-11 普通混凝土不同應變率的裂縫走向[30] 89 圖2-12 高強度混凝土不同應變率的裂縫走向[30] 90 圖3-1 試驗流程圖 91 圖3-2 金屬薄板尺寸與穿孔位置圖 92 圖3-3 單向彎曲試驗架構 93 圖3-4 雙向反覆循環彎曲試驗架構 93 圖3-5 金屬試體尺寸與金屬板配置示意圖 94 圖3-6 R1加載歷程 94 圖3-7 R3加載歷程 95 圖3-8 WMRPC-EDS 架設程序1 96 圖3-9 WMRPC-EDS 架設程序2 96 圖3-10 WMRPC-EDS 架設程序3 97 圖3-11 WMRPC-EDS零件 97 圖3-12 WMRPC-EDS 架設程序4 98 圖3-13 WMRPC-EDS 架設程序5 98 圖4-1 RPC常溫下養護的強度歷程 99 圖4-2 鋁合金拉伸試驗結果 99 圖4-3 STRPC單向靜態彎曲試驗曲線 100 圖4-4 ALRPC單向靜態彎曲試驗曲線 100 圖4-5 LERPC單向靜態彎曲試驗曲線 101 圖4-6 韌性指數比較 101 圖4-7 殘餘強度因子比較 102 圖4-8 LERPC三分點反覆試驗遲滯迴圈（a）LERPC-R1-1（b）LERPC-R1-2（c）LERPC-R1-3 103 圖4-9 STRPC三分點反覆試驗遲滯迴圈（a）STRPC-R1-1（b）STRPC-R1-2（c）STRPC-R1-3 105 圖4-10 ALRPC三分點反覆試驗遲滯迴圈（a）ALRPC-R1-1（b）ALRPC-R1-2 106 圖4-11 WMRPC三分點反覆遲滯迴圈[39] 106 圖4-12 四種複合材料反覆試驗能量比較 107 圖4-13 鋁合金與鋼纖維加勁單壓試驗曲線 107 圖4-14 AL2F0反覆試驗遲滯迴圈 108 圖4-15 AL0F2反覆試驗遲滯迴圈 108 圖4-16 AL2F0、AL0F2、AL2F2累積消散能量比較 109 圖4-17 ALRPC-EDS-R3兩組試驗累積能量圖 109 圖4-18 ALRPC-EDS-R3四片消能薄板遲滯迴圈： (a) ALRPC-EDS-R3-1；(b) ALRPC-EDS-R3-2 110 圖4-19 ALRPC-EDS-R4四片消能薄板遲滯迴圈： (a) ALRPC-EDS-R4-1；(b) ALRPC-EDS-R4-2 111 圖4-20 ALRPC-EDS-R5四片消能薄板遲滯迴圈： (a) ALRPC-EDS-R5-1；(b) ALRPC-EDS-R5-2 112 圖4-21 ALRPC-EDS-R3單圈遲滯迴圈 113 圖4-22 ALRPC-EDS-R4單圈遲滯迴圈 113 圖4-23 不同歷程下能量累積曲線 114 圖4-24 ALRPC-EDS-R5單圈遲滯迴圈 114 圖4-25 EDS二力消能桿件模型 115 照片目錄 照片2-1 FNC60 機械平台 116 照片3-1 點銲鋼絲網 116 照片3-2 照片3-2 金屬加勁材料 117 照片3-3 中型拌合機 117 照片3-4 流度桌 118 照片3-5 圓柱鋼模 118 照片3-6 消能試體模具 119 照片3-7 恆溫恆濕機 119 照片3-8 震動台 120 照片3-9 研磨機 120 照片3-10 100噸萬能試驗機 121 照片3-11 資料收集器 121 照片3-12 instruNet動態資料收集器 122 照片3-13 電阻式位移計LVDT(25mm) 122 照片3-14 電阻式位移計LVDT(100mm) 123 照片3-15 單向彎曲試驗 123 照片3-16 雙向反覆循環彎曲試驗 124 照片3-17 流度試驗 124 照片3-18 MTS為處理器內建控制面板 125 照片4-1 (a)試體面部鋼纖維分佈情形 (b)試體表面鋼纖維 126 照片4-2 改良後試體拆模後表面情形 126 照片4-3 金屬板未置於試體中央 127 照片4-4 確定金屬薄板置中 127 照片4-5 鋁合金拉伸試驗 128 照片4-6 LERPC單壓破壞後 128 照片4-7 ALRPC單壓破壞後 129 照片4-8 STRPC單壓破壞後 129 照片4-9 LERPC三分點反覆試驗破壞 130 照片4-10 STRPC三分點反覆試驗破壞 131 照片4-11 ALRPC三分點反覆試驗破壞 132 照片4-12 RPC漿體呈現整塊剝落的現象 133 照片4-13 試體可承受大幅度的變形 133 照片4-14 表面充滿微細裂縫 134 照片4-15 兩端切除後的ALRPC試體 135 照片4-16 EDS試驗架構完成 135 照片4-17 多重微細裂縫情形 136 照片4-18 多重主裂縫情形 136 照片4-19 鋁合金與RPC界面破壞(a)斷面圖(b)裂縫開始呈縱向發展..137 照片4-20 R4歷程作用下試體裂縫情形 138 照片4-18 R5歷程作用下試體裂縫情形 13