鋼筋混凝土Q&A精選(1)

☆ 曹瑞棋

編者的話
         編者經歷多年的實務與教學經驗，編寫了一系列的問答題(包括解答)，其內容包括了鋼筋混凝土在材料、設計及施工前方面有關的問題，期望能使讀者對鋼筋混凝土的了解，在程度度上有所提升。

例1：與在工地加水養護相比，蒸汽養護對預鑄構件(Precast members)可產生那些效果？
解：
         1.減少收縮量。其數量視水泥中含石膏多少而有所不同。
         2.如果在混凝土達到較高強度之後，再放鬆預力鋼腱，潛變量可以減少。
         3.能使抗壓強度迅速地提高。
         4.當齡期只有幾天時，用蒸汽養護的混凝土的抗拉強度和抗壓強度相同，但採用酒水養護的混凝土相比可能會低些，因此其對乾縮引起的裂縫會更敏感。
         5.通蒸汽的作業循環開始之後，蒸汽室內的金屬構件對熱的反應比混凝土要快的多，若不加以適當處理，則鋼模可能將混凝土脹裂。
         6.與在工地酒水養護的混凝土相比較，則蒸汽養護的混凝土在耐久性方面更耐久。

例2：一般而言，扥架之可能破壞模式有那四種？
解：
         一般而言有以下之可能破壞模式：
         1.承壓面積下之局部支承或剪力破壞。
         2.托架及支承構材間之直接剪力破壞。
         3.由彎矩及水平拉力造成主拉力鋼筋之降伏。
         4.內部受壓區之壓碎。

例3：限制扭力鋼筋之規定降伏強度不得超過4200kgf/cm2的主要目的為何？
解：
         主要係為控制斜向裂紋之寬度。

例4：檢討薄殼的穩定問題必須考慮那些因素的影響？
解：
         1.支撐構件的可能變形。
         2.較大撓度。
         3.混凝土的開裂。
         4.混凝土的潛變與乾縮。
         5.施工與設計的理想幾何形狀之間存有可預期的偏差。
         6.鋼筋的位置，數量和方向。
         7.材料的非彈性行為。

例5：預力混凝土電桿可使用在何種情況？(亦即其用途為何？)
解：
         1.鐵路動力和信號線路。
         2.照明設備。
         3.天線桿。
         4.電話傳輸線桿。
         5.變電所。
         6.高架管線支承。
         7.低壓電力傳輸線桿。
         8.高壓電力傳輸線桿。

例6：預力混凝土容器用於蓄水池具有長期的歷史，不幸發生過少數腐蝕和破裂的情況，其中的絕大多數可歸咎於那些原因？
解：
         1.污水或其他腐蝕性的物料通過主體牆壁中的大的張開的收縮裂縫，滲透到預力鋼腱。
         2.在沿海地區，由於噴凝土的多孔性形成鹽電池電解腐蝕。
         3.在噴凝土(shotcrete)拌和物中使用了氯化鈣。
         4.在多霧的工業區中，預力鋼腱在被灌入混凝土前長期處於受力狀態。
         5.在牆壁和保護層之間的裂縫，使濕氣可從其頂部滲透到預力鋼腱。
         6.在穿過容器處，套筒和閥門的腐蝕。
         7.不當的填縫和配件的電解腐蝕。

例7：鋼筋混凝土是兩種材料的有效結合，何以說它是一種被動的結合？
解：
         因為只有在結構撓曲變形到一定程度鋼筋才開始起作用，故可以說是一種被動的結合。

例8：張拉高強度鋼材與高強度混凝土兩種材料的有效結合，何以說它是一種主動的結合？
解：
         因為預力混凝土是通過張拉高強度鋼材與高強度混凝土施加預力從而使兩種材料達到主動的結合。

例9：雙向版必須符合那些條件方可按直接設計法設計之？
解：
         1.版之每向至少須有個連續跨度。
         2.版之格間須為矩形，其長短跨度(支承中心之間距)之比值不得大於2。
         3.版之每向相鄰兩跨度之差不得大於較長跨度之1/3。
         4.柱偏離柱列中心線之距離不得大於偏向跨度之1/10。
         5.所有載重均須為垂直均佈於全格間，且活載重不得大於靜載重之2倍。
         6.若版格間四周均有梁，相互垂直兩方向梁之相對勁度比值，，不得小於0.2亦不得大於5。
         7.格間內設計方向之正負設計彎矩應可增減10%，但其總靜定設計彎矩不得小於。

例10：相當構架法中之相當構架包括那三個主要部份？
解：
         1.水平版梁，含與構架方向相同之梁。
         2.柱或其他垂直支承構材，含版上及版下部份。
         3.傳遞水平與垂直構材間彎矩之元件。

例11：牆之經驗設計法有何限制？
解：
         僅適用於矩形斷面實心牆。

例12：有關鋼筋標準彎鉤之最小彎曲內徑規定之主要考慮因素為何？
解：
         為使鋼筋彎折不斷裂及避免彎鉤內之混凝土被擠碎。

例13：預鑄構造之混凝土之保護層要求厚度較小之原因為何？
解：
         在於反應預鑄工法於配比，澆置及養護上具較佳之品質控制。

例14：在鋼筋與預力混凝土受撓曲與軸力構材統一計設規定中有所謂之壓力控制斷面，拉力控制斷面，其定義分為何？
解：
         1.所謂之壓力控制斷面係指斷面上混凝土壓應變到達假設之極限值0.003時，最外拉力鋼筋之淨拉應變小於或等於壓力控制應變限界，則該斷面稱為壓力控制斷面。
         2.當斷面上混凝土壓應變到達假設之極限值0.003時，最外拉力鋼筋之淨拉應變已經大於或等於0.005，則該斷面稱為拉力控制斷面。

例15：降伏線法和條帶法提供設計者用於版設計和分析的合理方法，其應用範很廣，可包括那些情況？
解：
         1.邊界為任何形狀的版，包括矩形、三角形、圓形和有凹角的L型。
         2.版邊有支承或無支承，斜支承、柱支承或這些支承的組合。
         3.均佈載重，載重分佈於版部份的格間面積上，線性變化分佈載重，線載重和集中載重。
         4.具有大孔洞的版。

例16：條帶法與降伏線法的最主要區別為何？
解：
         條帶法所獲得的結果總是偏於安全側，而降伏線法則可能導致不安全性的設計，根據條帶法所設計的版在破壞前經由內力的重分配，可以承擔比估計值較大的載重。用降伏線法所分析的版，如果所選的破壞機構不正確或所確定的尺寸不恰當，則可能在比估計值較小的載重作用下破壞。
         此外，還要了解，條帶法是一種設計方法，其可以確定版厚及鋼筋的直徑和配置來承受指定的載重。相反的，降伏線法只是在已知配筋的情況下分析某已知版的承載力的方法，依據降伏線法，其設計過程實際上是對試設計所得的鋼筋配置進行承載力的檢核，必須研究所有可能的降伏線模式，並且變化其尺寸以確定找到正確的結果，除了是簡單的情況外，降伏線法是很耗時的一種方法。

例17：以下敘述何者為真？
         1.氯離子會促進混凝土中鋼筋之腐蝕作用，造成膨脹剝落，危及結構物之安全，尤其對鋼筋混凝土比對預力混凝土之影響更為嚴重。
         2.根據CNS 1240(混凝土粒料)級配規定之粗骨材，其標稱最大粒徑是指骨材通過率大於80%之最小試驗篩孔寬，且需90%通過大一號篩。
         3.粗骨材之標稱最大粒徑只會影響混凝土之水泥含量而不會影響混凝土之用水量及含氣量。
         4.混凝土拌和用水，若其含有過量之水中不純物只會影響凝結時間，混凝土強度，也可能引致析晶或鋼筋及金屬埋設物之腐蝕，但不致於影響體積之穩定性。
         5.混凝土使用之摻料應依照產品說明書之規定及可靠資料進行混凝土配比設計，並確認其性能。
         6.混凝土若為袋裝時則應貯存於不受氣候影響之倉庫或場所其地板面至少應高出地面20cm以防受潮或污染，且袋裝水泥貯存堆置之高度宜在12袋以下，以免嚴重硬化。
         7.只要使用卜作嵐材料必可增加混凝土之耐久性。
         8.混凝土之耐久性僅依構造物之用途及使用年限決定即可。
         9.模板工程對於混凝土工程施工之安全品質、工期、成本影響至鉅，其規劃與設計一般為承包商之責任，亦是承包商展現其競標能力之機會。
         10.就標準彎鉤而言，180°之彎轉其自由端應作至少3db且不得小於6.5cm之直線延伸。
解：
         1.不正確：正好相反，氯離子對預力混凝土不利之影響比對鋼筋混凝土之影響更為嚴重。
         2.不正確：其標稱最大粒徑係指骨材通過率大於90%之最小試驗篩孔寬且需100%通過大一號篩。
         3.不正確：粗骨材之標稱最大粒徑亦會影響混凝土之用水量及含氣量。
         4.不正確：亦會影響混凝土體積之穩定性。
         5.正確。
         6.不正確：其地板面至少應高出地面30cm，且袋裝水泥貯存堆置之高度宜在10袋以下免重壓硬化。
         7.不正確：必須採用適量之卜作嵐材料，且混凝土之品質必須達到規範或合約之要求。若大量使用卜作嵐材料而忽略其對早期強度、泌水、工作性的影響則可能產生裂縫及其他未能預期之不良效果反而不利結構之耐久性。
         8.不正確：尚須依維修成本及環境條件決定之。比如說環境條件中之物理性與化學性因素會使混凝土劣化。
         9.正確。
         10.不正確：其中之3db應為4db。

例18：本國規範規定大於D36之鋼筋不得成束置於梁內，其理由為何？
解：
         大於D36之鋼筋不得成束置於梁內之限制乃基於建築物構材之實務限制，此外要符合裂縫控制之要求，自然會將大於D36之成束鋼筋排除其作為梁之拉力筋。

例19：以下之敘述何者為真？
         1.偏折鋼筋對柱軸偏斜部份之斜度不得大於1/7。
         2.在W.S.D中，彈性模數比n可取一相近之整數但不得小於8。
         3.在W.S.D中，本國規範規定剪力鋼筋之降伏強度不得超過4200kgf/cm2。
         4.鋼筋之機械式續接器，必須符合國家標準。
         5.就受拉鋼筋之伸展長度而言，輕質混凝土的伸展長度規定為常重混凝土的4/5。(符合耐震設計之規定)
         6.耐震設計中所謂集力構件係指將橫膈版中地震慣性力傳遞至側向力抵抗系統之構件。
         7.就耐震設計之鋼筋而言，實測極限抗拉強度與實測降伏強度之比值不得小於1.25。
         8.混凝土之施工縫與主鋼筋垂直。
解：
         1.應為不得大於1/6。
         2.應為不小於6。
         3.正確。
         4.基本上係正確，但鋼筋之機械式續接器尚無國家標準，故其使用應依據「建築技術規則」第三條之規定，按「建築新技術、新工法、新設備及新材料審核認可申請要點」之規定申請審核，經認可者方可使用。
         5.應為輕質混凝土的伸展長度為常重混凝土的1.25倍。
         6.正確；7.正確；8.正確。

例20：何謂真空混凝土？此種混凝土有什麼優點？如何才能取得真空作業的最佳效果？
解：
         所謂真空混凝土是普通混凝土澆築後，立刻或很快對立模澆築的或不立模澆築的表面進行真空處理而形成的。
         此種混凝土的優點如下：這種專門性處理是將靠近表面的混凝土中的水吸掉，同時清除氣泡，如此混凝土表面就不會出現孔洞。此外，由於真空作業使含水量減少從而有較高強度和耐久性。混凝土經過真空處理後，3天的強度可從800磅/平方英寸增加到1800磅/平方英寸。早期強度提高對預鑄混凝土工作十分有利，因為這樣容許提早拆模，於是可以大量減少預鑄設備的投資，對於預鑄混凝土管消除表面凹坑是特別需要的。
         以下情況可以取得真空作業的最佳效果：(1)拌和物中含儘可能少的細顆粒；(2)新澆築的混凝土上完全蓋滿真空模板，以便在混凝土仍處於塑性狀態時就能迅速進行真空作業；(3)在真空作業的開始幾分鐘內，對靠近真空模板的混凝土進行振搗。

例21：預力混凝土結構的優點為何？應用預力混凝土的條件為何？
解：
         1.預力混凝土結構的優點如下：
         (1)具有很高的抗裂性：通常因拉應力而產生開裂的部位，因置於受壓狀態從而大大減少了這種開裂的傾向。乾縮造成的裂縫也能利用適當的預力設計得到基本消除。
         (2)預力混凝土的抗凍融耐久性比類似的非預力混凝土稍高，一部是由於裂縫減少，同時也由於預壓力使乾縮裂縫閉合的緣故。
         (3)由於結構是預鑄的，在許多建築工程中顯示出明顯的優點。在建好的永久性工廠中進行最良好的混凝土品質控制和集中養護，製造出的產品品質非常良好，以致於可為建築物提供優良品質的構件。預鑄構件可以運送到施工場地狹窄的工地上快速安裝，不需要很多模板和支撐工作。現代的方法只需要很少量的技術與施工設備，就可以把這些預鑄構件迅速拼接組成連續結構。在預鑄過程中使用精確的，周轉率高的模板，能夠提供比現場澆築品質更均勻、外觀更佳的混凝土。
         (4)在預力混凝土構件生產中，可以有效地利用預鑄構件的重量，這也是個優點。鋼筋排置的高度精確性和使用高強度的抗拉鋼筋，並結合利用受預壓的混凝土來承擔拉力載重，如此可使結構件的尺寸和重量最小，以致於建造現代建築物中能夠節約空間與便於運輸。
         (5)應用各種預力技術就有可能快速安裝標準構件，如規格相同的橋樑構件、樓版構件、屋面版和橋面版，因此可節省相當多的施工時間。一個建築物甚至能夠一方面準備施工現場，一方面在別處大量進行預鑄。
         2.應用預力混凝土的條件如下所示：
         (1)應該使用優良的材料和不斷進行品質控制。對於多數結構來說使用Ⅰ型、Ⅱ型或Ⅳ型水泥均合適。但是如果預力構件要與含硫酸鹽的土壤或水相接觸，則根據硫酸鹽的情況，須採用中等抗硫酸鹽水泥(Ⅱ型)或抗硫酸鹽水泥(Ⅴ型)。如果在混凝土中將採用已知或可疑活性骨材，則不論使用何種水泥，均應是低鹼含量的，以保證真正能夠抵抗鹼性骨材反應所造成的潛在破壞性膨脹。
         (2)採用減水劑(WRA)能提高強度，並使用同樣的坍度減少需水量。有些減水劑也有輸氣性能，這樣就不需摻用輸氣劑(AEA)。不過，在某些結構中，仍可能需要使用輸氣劑。
         (3)氯化鈣或含有氯化鈣的摻料(Admixture)不得在預力混凝土中使用，因為鋼筋在預力狀態下更容易受到氯化物的腐蝕。
         (4)預力混凝土拌和物一定要有良好的工作性，並能製成高強度的混凝土，通常28天強度可達到280kgf/cm2或280kg/cm2以上。工作性是很主要的，因為澆築工作必須在相當狹窄的工作面中準確而充分地進行，以製作粘結很好的構件。為了有效應用預力混凝土需採用高強度材料，所以通常多採用低水灰比的富配比拌和物，最大粒徑骨材一般採用 3/4 或 1 1/2 英寸。常常採用高早強水泥，低壓蒸汽養護(至少在早齡期是如此)。這樣就可以使澆築場地和昂貴的模板重複使用率增大。這種養護應該一直繼續到混能土強度增加到所需要強度的百分數為止。通常混凝土圓柱試體與預力構件同時製作和養護，並一直養護到強度能滿足釋放預力所需要的強度為止。如混凝土是熱養護的，則應該在混凝土還濕熱的時候就完成釋放應力，以防止由於體積變形而產生開裂或不希望有的應力。
         (5)混凝土設計，應能使施加預力過程中的收縮和潛變最小，並使預力鋼腱能保留相當大的初始預力，從而產生儘可能大的壓應力。
         (6)在預力混凝土中受拉鋼材要有合適的偏心距，這是一項需要認真堅持的重要設計原則，以使結構能有效地發揮作用。這個偏心距是有效應用鋼材和混凝土以達到重量最小，體積最省的重要因素。準確保持這一重要的設計關係與提供鋼材和混凝土之間的充分粘結力的細緻工法是最為重要的。

例22：在推導偏心受壓矩形鋼筋混凝土柱截面的彎矩一曲率特性曲線(moment-curvature characteristics)時要考慮那些因素？
解：
         1.作用於柱子上的軸向載重大小。
         2.縱向鋼筋的含量。
         3.受約束柱截面的邊長比例。
         4.材料的應力—應變特性曲線
         5.循環加載的影響。

例23：在實際的鋼筋混凝土結構中判斷結構的脆性或延性有重要的意義，試問具有延性的鋼筋混凝土結構具有那些優越性？
解：
         1.破壞前有明顯的預兆，破壞過程緩慢，因而可採用偏小的計算安全係數。
         2.出現非預計載重，例如偶然超載、載重反向、溫度升高或基礎沉陷引起附加內力等情況下，有較強的承受能力。
         3.有利於實現靜不定結構的內力重分配。
         4.承受動力作用(如振動、地震、爆炸等)情況下，減小慣性力吸收更大動能，減輕破壞程度，有利於修復。

例24：鋼筋混凝土結構在地震作用下，其受力性能的特點有那些？
解：
         1.結構的耐震能力和安全性，不僅取決於構件的(靜)承載力，還在很大的程度上取決於其變形性能與動力反應，地震時結構上作用的載重是結構反應加速度和質量引起的慣性力，它不像靜載重具有確定的數值。結構的變形較大，延性好，能夠耗散更多的地震能量，地震的反應顯著減小，載重小，可能損傷輕而更為安全。相反的，靜承載力大的結構，可能因為剛度大、重量大、延性差而導致更嚴重的破壞。
         2.降伏後的工作階段—當發生的地震達到或超過設計的震度時，鋼筋混凝土結構一般皆將出現不同程度的損傷；構件和結點受力較大處普遍出現裂縫，有些寬度較大，部分抗拉鋼筋降伏，有殘餘變形，構件表面局部破損剝落等，但結構不致倒塌。故地震來臨時，結構的正常工作階段是在構件受力的後期，鋼筋已經降伏，甚至進入了承載力的下降段。
         3.載重的反復作用—地震時結構在水平方向往復振動，相當於水平載重在正負方向的交互變換作用。由於地震時間不長和結構的阻尼，載重的交換次數不多，一般約為數十次。載重的反覆作用使結構的內力(主要是彎矩和剪力，有時也有軸力)發生正負交互變換。所以，必須研究鋼筋混凝土構件在交互變換作用的滯回特徵，並建立恢復力模型，作為耐震結構受力全過程分析的基礎。
         4.變形大—地震時結構有很大的變形。例如柱和牆的側向位移等。一方面對結構本身產生不利的影響。如柱的P-△效應，增大附加的彎矩，甚至引起傾覆，構造縫相鄰結構的碰撞等；另一方面造成非結構構件(如天花板、玻璃帷幕牆、電梯軌道)的破損或喪失其功用。所以耐震結構設計時要控制其總變形和層間變形等。

<未完待續>