既有結構物 載重試驗強度評估介紹

一、前言

既有結構物,若認有設計不良、材料品質欠佳、施工不當,或建築物改變用途或其他原因,整體或部分結構無法滿足規範或設計圖說需求,而有安全疑慮時,可進行強度安全評估。結構物之強度評估可採用分析法或載重試驗法,但若結構物之安全疑慮包含有施工品質疑慮,或結構系統複雜、接頭太多,或施工品質存有疑慮之部分大多屬隱蔽部分,此時,就只能採用載重試驗法。

載重試驗法可綜含所有設計及施工等全部因素在內,尤其是在無法確知強度不足之影響,或無法量測所需構材尺度與材料性質時,例如,構材剪力或握裹強度不明時,或對部分或整體劣化結構之強度存疑,採取載重試驗是一種非常務實準確的強度評估方法,惟所需之費用較高,且載重試驗程序及安全措施規劃不當時,可能會有造成結構物損壞或人員傷亡的情形,因此以載重試驗方法進行強度安全評估時,必須有專業技師在場監督下才可進行。另方面,大部分之結構物安全疑慮都包含有地震力或風力等水平載重因素在內,若要以整體結構物進行載重試驗作強度評估,其試體規模可能太大而不易實施,因此載重試驗法大部分情況僅適用於垂直載重,或僅局部實施載重試驗之情況。

對於有劣化癥兆之結構物,如經載重試驗可符合安全需求時,可視需要限制其未來使用年限,在此情況下,必須配合材料試驗及週期性安全檢查計畫,才可延長使用年限。另一延長結構使用年限的方式,可於持續週期性安全檢查計畫下,依認可等級採配合限制活載重方式延長使用年限。

週期性安全檢查頻率宜考量:(a) 劣化速率、(b) 環境對耐久性之影響、(c) 結構使用頻率,及(d)週期性安全檢查計畫。延長使用年限結束時,如該結構仍需繼續使用,則應再進行強度評估

二、載重試驗法強度評估準則

以載重試驗作為強度之評估方法時,在進行載重試驗前,宜將加載範圍、載重大小、載重試驗程序、載重-變位之理論曲線,及可接受準則等等,告知並取得所有利害關係人同意。若對局部構材認有安全疑慮時,應對特定安全疑慮者,規劃適當試驗計畫,進行載重試驗安全評估。

載重試驗須以確保試驗中人員及結構物安全之方式進行,安全措施亦不得干擾載重試驗或影響其結果。混凝土構造結構物受測部分之齡期,至少須達56天。惟若經結構物所有人、承造人或專業技師及其他利害關係人同意,則可提前進行載重試驗。

1.載重安排與載重因數

載重安排應選擇可以造成受評估區域產生最大撓度與最大應力之位置,施加載重位置之選定很重要,須使能在有安全疑慮處呈現最大反應,並使未加載構材分擔之載重為最小。若由分析顯示相鄰之未加載構材會分擔一些載重,此時試驗之載重大小需調整,以確保有足够力量作用於評估構材上。

總試驗載重Tt,至少須達到 (a)、(b)與 (c)三式中之最大值:

(a) Tt = 1.15 D + 1.5L + 0.4 ( Lr 或S或R )
(b) Tt = 1.15 D + 0.9L+ 1.5 (Lr 或S或R )
(c) Tt = 1.3 D
其中:
D=靜載重。
L=活載重。
Lr =屋頂活載重。
S=雪載重。
R=雨水載重。
在結構安全考量條件下,現行建築技術規則建築構造編第25條(活載重折減率),准許依分布面積折減活載重L。對未加載部分若會分攤一部分之試驗載重時,應予增加試驗載重,以補償對有疑慮結構加載不足之現象。除停車設施結構物、公共集會區域、或活載重L大於490 kg/m2 [4.8 kN/m2] 的區域外,第 (b)式載重組合中的活載重 L 之載重因數可由0.9降至 0.45。

2.試驗載重加載

總試驗載重Tt 至少分為四等分增量,於每個載重階段後,建議檢查受載結構區域是否有開裂與變形。亦即,受測結構的部分應無混凝土剝落、破碎或其他破壞的跡象。損壞跡象包括開裂與變形(開裂、剝落或變位)的大小與程度,若明顯超量即不符結構安全要求。目前尚未發展出適用於所有結構型式與條件之簡單規則,若結構發生明顯破壞或變位超出分析之預期值且急驟變化,則認為不通過測試,不允許繼續進行試驗,因為已受損構材,即使在較低載重等級下也不宜繼續使用。

撓曲構材中受壓混凝土,因澆置瑕疵造成局部剝落或脫落,不必視為整體結構之開裂與變形。裂縫寬度為判斷結構物是否處於安全狀態之良好指標,可藉此觀察判定結構是否符合要求,但在現場精確量測構材裂縫寬度可能不易,故建議於試驗前先建立準則,包括預期裂縫類型、量測裂縫位置、量測方法,以及評估新裂縫之準則,或裂縫寬度變化之警戒值。

Tt 須以均布載重方式施加,以確保載重可均勻地傳遞分布至受測整體或部分結構,避免加載之物體造成架拱作用。架拱作用會傳遞不均勻載重到受測試撓曲構材上。例如於版上均勻放置磚塊,若磚塊相互緊密接觸,則會發生拱作用,而使版跨度中央附近所受之載重量減少。

在最後載重增量加載後,除觀察到有開裂與變形的徵兆外,載重須於結構上維持Tt 至少24小時。在記錄所有反應量測後,應儘速移除測試載重。

3.變形量測

用來與試驗結果比對之初始變形對照值的量測,應於第一階段載重增量施加前一小時內測得。撓度、應變、滑移與開裂寬度等,應於預期最大反應處進行量測,必要時應増加測點。每階段載重增量施加後,及已完成施載Tt後24小時內,均須記錄一組反應量測。於移除Tt 之24小時後,須進行最後一組反應量測。

4.安全評估準則

開裂界面上的力量,係藉由穿越裂縫之粒料互鎖效應,以及橫向鋼筋的鉗緊產生剪力摩擦作用來傳遞剪力。當裂縫增長至其水平投影長度接近構材深度時,將導致裂縫擴大達骨材互鎖作用失效之程度,以及橫向箍筋開始降伏、或錨定失效而威脅構材的完整性,此時構材可假定接近剪力破壞。受測構材不得顯現立即破壞之剪力裂縫,試驗後不得出現混凝土剝落、破碎等現象。

在鋼筋錨定及搭接之區域,須評估沿鋼筋方向之短斜向或水平裂縫。在錨定區沿鋼筋軸向之開裂,可能與鋼筋及混凝土間之握裹應力降低有關,當構材出現開裂沿主筋發展現象,可作為是否即將發生構材脆性破壞的指標。

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三、載重試驗案例

本案例為鋼結構傘形桁架結構(以下簡稱傘架),本案因未依設計圖施工,且未辦理變更設計手續,致無法依合約圖說驗收。業主為確認其結構安全性,乃辦理載重試驗,評估傘架結構安全性。

1.載重試驗規劃

本案例是依混凝土結構設計規範中之「結構物之強度評估」辦理,依該規範規定,試驗載重不得小於1.3D,因本傘架是屬透空結構,故可不計入活載重之影響,載重試驗之載重取1.3D為試驗總載重。因此,除傘架結構之本身自重外,另額外需再加載0.3倍之自重當為試驗載重,該等試驗重量是分四等分加載,每次加載四分之一重量,於全部重量加載後,維持24小時,再分四次卸載,並記錄各階段之撓度變位量。

為使加載重量能均勻分布,傘架分84個點來施加試驗重量。變位量測點共有12點,每個量測點之理論變位量,於載重試驗前,事先依其原設計之結構模型,計算出變形量預測值。

2.載重試驗結果

(1)實測變位值大小:各實際量測值多大於原設計結構模型計算之預測值,其中靠外側第二環梁之變位值較大,其實測值約比計算值大42〜68%;另加載時所產生之變位量大都大於卸載時之相對變位量。

(2)卸載後之變位回復性:經加載24小時後,各測點於卸載後大都可立即回復到加載前之位置,並無明顯殘餘變位。

(3)變位值與加載重量之關係:各測點之載重量與垂直變位量之關係圖大致都呈線性變化。

(4)溫度效應:加載後,由在白天所量得之變位量與在夜間量得之變位量比較,顯示本傘架結構之變位量會受溫度影響。

3.載重試驗結果安全評估

依據載重試驗所得下述結果,可綜合研判傘架結構之安全:

(1)在1.3D之總載重作用下,各測點之加載變位曲線與卸載變位曲線,大致均呈線性變化關係。

(2)各測點之載重變位在卸載後,大致均能回復到未加載前之情況,顯示本傘架結構在1.3D之載重作用下,並無明顯永久變形情形。

(3)在整體試驗過程中,未發現有任何異樣或破壞現象,符合規範「載重試驗認可準則」之安全認定規定。

(4)卸載後之各測點幾乎無撓度殘餘變位值,可符合規範所規定之殘餘變位值需小於最大試驗變位值1/4之要求。

(5)載重試驗後檢視結構物構材之狀況良好,亦未發現構材有挫屈變形、非線性位移、剪力破壞、混凝土基座破壞等情況,可符合規範規定。

(6)雖各測點之試驗撓度變位值,有大於預測計算值之情況,但若以原設計之構材彈性模數乘以實測變位值,與降伏應力之比例,當為構材可能之最大應力,結果顯示構材在1.3D載重下之應力、與材料降伏強度之比例大約為0.60左右,尚在容許應力範圍。

4.結構性能之檢討

(1)傘架結構之結構性能評估

雖傘架結構之安全性,可符合正常使用之安全需求,但因實際變位值大於依原設計模型所推算之預測值,顯示本傘架結構之勁度較原設計之結構為「軟」,為避免因變形較大所可能產生之位移穩定性問題,建議後續使用載重仍宜作適當限制,例如對活載重、附掛重量、遮蔽物面積等限制。

(2)後續載重限制條件之考量原則

傘架結構在全部載重加載後,雖載重維持固定,但變位值仍持續略有增加,且各測點之增加量不一,亦非與載重量成正比例,尤其作用時間愈長愈明顯。顯示整體傘架內之構材應力在1.3D總載重之較長時間作用下,似有溫脹變形及應力重分配現象,故雖依變位曲線研判構材尚未達極限狀況,但恐已接近彈性載重之極值,故建議未來之總使用載重量不宜超過本試驗條件過多。

依照本次載重試驗之總載重量分析,建議後續使用時之附掛靜載重應限制在15kgf/m2以內,而非原設計所考量之25kgf/m2;另為避免環梁或輻射梁因撓度變化,影響裝設在此等主梁之排水溝的排水功能,建議要增加排水溝等設施之定期檢查作業;此外為避免所受之風載重過大,經分析亦提出後續傘架結構之容許遮蔽物重量與面積遮蔽率之限制建議值,使所受之風壓力平均不宜大於25 kgf/m2;雖本次載重試驗是均佈加載,無法顯示基礎傾覆穩定性,但後續覆土厚度亦建議不宜有減薄情形。

(3)載重試驗之實際變位值較大之原因探討

研判係實際傘架結構之勁度略低於原設計分析模式所造成,另外亦有可能是因本次載重已加載到1.3D載重,造成接合處之螺栓與鋼板開孔間產生相對滑動,而增加整體結構之變位量。

至於本傘架結構之整體勁度會較原分析設計時較小之原因,推測主要應為原分析之假設條件和實際施作之接頭方式及組合斷面結構型式略有不同所致。此情形主要包括有:各鋼結構構件因熱浸鍍鋅之需要,而於構件端部之銲接位置處設置有「鋅液流出孔」,造成接合處之有效傳力斷面小於設計斷面;環梁與輻射梁之構材間接合,於原設計時是假設為剛接且無偏心,但實際接合常因配合建築造型需求,而略有偏心;且所採銲接接合亦無法達到充分剛接之條件,此亦造成接頭效率降低;另最外環梁之斷面尺寸雖與原設計相同,但因建築造型關係,使實際斷面型式與分析時不同,造成抗扭勁度較低。此等因素均會降低整體結構勁度,使得載重試驗之變位值較大,為此特訂定後續使用管理要點供使用單位參考。

四、結語

載重試驗作為既有結構物強度安全評估之方法,雖然規範訂有實施程序及安全評估準則,但若載重試驗結果判定為不合格,尚須依每一個案之結構特性,對不合格之原因進行探討,以便進一步研判是否屬不影響結構安全,或是否可進行補強來提昇結構物之及使用性。甚至還須擬訂後續維修保養手冊,以確保結構物之安全性及使用性。另外,特別要提醒工程師在規劃載重試驗的同時,應注意每一加載重量之穩定性、及擬訂結構物發生快速變形時之緊急應變措施,以維結構物之安全及載重試驗操作人員之安全。

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