¶ 高速公路耐震補強工程具特殊性之補強案例資料｜16. 碳纖維包覆補強(FRP 包覆補強)
發布機關：交通部高速公路局
版本／性質：111年7月；耐震補強工程案例
原始來源：官方出版頁 ｜ 官方原始PDF
使用提醒：本件為111年7月出版的耐震補強案例資料，非通用設計或施工規範；各專題的地震需求、地質條件、材料數值及施工限制須連同原工程背景閱讀。
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-以M34 標國3 雲南路跨越橋為例
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其他耐震相關之補強對策
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碳纖維包覆補強(FRP 包覆補強) -以 M34 標國 3 雲南路跨越橋為例
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碳纖維包覆補強(FRP 包覆補強) -以 M34 標國 3 雲南路跨越橋為例 摘要 位於國道 3 號里程 96k+445 雲南路跨越橋，首次引進應用複合材料碳纖維（CFRP）於國 道高速公路耐震補強，主要係考量 CFRP 工法具有材料輕、柔性、搬運容易及施工迅速等優點， 可避免重機械施工擾動邊坡傾斜橋墩，並對高速公路影響最小。 關鍵字：CFRP、剪力補強 一、橋梁基本資料 本橋位於竹東鎮與寶山交界附近之路塹開挖區(里程 96k+445)，跨越國 3 主線，為橋長 27.5+42+27.5=97 公尺，寬 13.1 公尺之 π 型橋，上部結構採三跨連續之變斷面場鑄預力雙 T 梁， 斜撐式墩柱與上構以 45º 之仰角剛接，並與基礎鉸接連結。 2 2 基礎、橋柱及橋台混凝土強度採 fc’=240kg/cm ，鋼筋 29mmψ(含)以下採 fy=2,800kg/cm 、 2 32mmψ(含)以上採 fy=4,200kg/cm 。 圖 1 國 3 雲南路跨越橋示意圖 16-1
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斷面 B 圖 2 橋墩配筋示意圖 依據評估結果，縱向及橫向整體強度韌性評估符合耐震性能，橫向整體強度韌性評估如圖 3，惟橋墩底剪力鋼筋僅配置 4-13ψ@30cm，橋墩於等級 III 地震力狀況下剪力(183.5 tf)大於結 構容量(163.1 tf)，需進行橋墩剪力補強。 圖 3 垂直橋軸方向強度韌性評估成果 16-2
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二、耐震補強內容 2.1 補強設計 有關橋墩剪力強度不足部分，可採混凝土包覆補 強、鋼板包覆補強及 FRP 包覆補強。由於本橋位於敏 感性邊坡若採混凝土包覆補強將增加邊坡額外載重，將 不利於本橋之邊坡穩定，故不採用混凝土包覆補強。本 橋為 π 型橋，橋柱為傾斜，鋼板包覆施工較複雜且載重 亦較 FRP 為重，施工較困難故不採用，故本橋之橋柱 剪力補強擬採 FRP 包覆補強。 圖 4 跨越橋週邊敏感性邊坡 FRP 包覆補強雖具有材料輕、柔性、搬運容易及施工迅速等優點，但因此一工法對 RC 橋 柱之圍束效果、韌性改善的成效及本土化施工條件是否成熟，仍有待證實，現階段採用 FRP 包 覆補強工法必須滿足下列八點嚴格條件： 1. 對於圓型橋柱及矩型橋柱，其位移韌性需求不得超過6及3。 2. 對於矩型橋柱，其長邊長度不得超過100cm，長短邊之比值不得超過1.5。 3. 對於圓型橋柱，其直徑不得超過250cm。 4. 不得採用於橋柱之鋼筋搭接補強。 5. 單柱橋柱不得採用FRP包覆耐震補強。 6. 橋柱之軸壓應力不得超過0.15f’cAg及主筋比不得超過2.5%。 7. 橋柱變斷面處不得採用FRP包覆耐震補強。 8. 河川橋橋柱不得採用FRP包覆耐震補強。 由於本橋位於敏感性邊坡，為避免重機械施工擾動邊坡傾斜橋墩，且本橋包覆斷面符合上 述限制，考量施工彈性及對高速公路影響最小，首次引進複合材料碳纖維（CFRP）於國道高速 公路耐震補強。 本橋主要係透過 FRP 包覆進行橋墩剪力補強，其可視為橫向鋼筋處理，其補強之剪力強 度 Vj 計算如下： 圓型橋柱： π V = t f Dcot θ ……………………………………………………………………(2.1) j j jd 2 矩型橋柱： V = 2t f Dcot θ …………………………………………………………………….(2.2) j j jd 16-3
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式中，tj 為橋柱 FRP 補強之厚度，D 為圓型橋柱之直徑或矩型橋柱在受力方向之尺寸，θ 為剪力裂縫與縱向鋼筋之夾角，設計時可採用 θ=35°，fjd 為 FRP 之設計應力，因為環向之設計 應變(HoopStrain)=0.004，所以 fjd=Ej*εjd=0.004Ej，Ej 為 FRP 材料之彈性模數。 故由式(2.1)、(2.2)可得 FRP 補強之最小厚度 tj 計算如下： 圓型橋柱： V° − V n φ s …………………………………………………..………….………(2.3) t ≥ j π f D cotθ jd 2 矩型橋柱： V° − V n φ s t ≥ ……………………………………………………………………….(2.4) j 2f D cot θ jd O 式中 V 為需求剪力強度，Vn 為既有結構標稱剪力強度，ψs 採 0.85。 本橋梁經計算，最終於橋柱及橫梁需貼附 12 層，於橋柱位於橫梁底 1m 以下之部分則貼 附 6 層，梁柱接合處(1m)貼附 18 層進行補強，相關設計圖說如下所示： 圖 5 國 3 雲南路跨越橋補強內容示意圖 16-4
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圖 6 國 3 雲南路跨越橋橋墩 CFRP 包覆補強示意圖 2.2 補強施工 本案 CFRP 補強施工步驟說明如下： 1. 準備工程：相關施工材料品質證明及檢測報告須符合品質要求，並存放於通風良好攝氏溫 度 5~25 度之儲存所。 2. 底層(面層)處理工程： (1) 混凝土表面劣化層使用高壓水刀進行表面處理(風化、游離石灰、脫模劑、剝離之 砂漿、粉刷層、污物等)除去並研磨至粗骨材出現為止。 (2) 以砂輪機或磨光機研磨完後以毛刷或高壓空氣槍將粉塵及鬆動物質去除，並確保 其充分乾燥、表面要平整無灰塵。 (3) 若補強施工標的為具有銳利隅角，須將其磨成半徑為≧30mm 以上之圓弧 R 角， 以免圍束時造成應力集中而降低補強效果。 (4) 若補強施工標的是屬於凹角部位時，須使用環氧樹脂砂漿修整(補土工作)，使其 凹面成曲線平滑化，以利貼片貼覆。 3. 斷面復舊與不平整面修整工程： (1) 鋼筋露出部位須做防銹處理，如損壞程度嚴重，須採取換新等措施以確保安全。 (2) 斷面面層上有剝落、孔隙、蜂窩的部位要先研磨去除，再以與混凝土具同強度以 上之高分子砂漿(環氧樹脂砂漿或壓克力樹脂砂漿)進行修復，而對於大區域凹洞 之修補則以無收縮水泥砂漿進行填補。 (3) 不平整面須以砂輪機磨平(含鑽石砂輪片)，如模版間段差太大則可使用環氧樹脂 16-5
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砂漿修整。 4. 裂縫注入工程： 結構物若有龜裂現象產生時，視情況以下列方式處理： (1) 若裂縫寬度大於 5mm 則可以水泥砂漿填入後抹平結構物表面。 (2) 無法以水泥砂漿填注處，可使用封塞劑先將裂縫處堵住，再以低壓樹脂注入法將 灌注用樹脂注入裂縫中，待確認注入材硬化後將多餘封塞劑和凸出物除去，再以 補土補平，使表面平坦化。 5. 底漆工程： (1) 確認施工環境混凝土表面會結露或接觸到水處不得施工，濕氣太高將導致樹脂與 水氣產生作用而干擾膠化過程。若迫於工期或其他因素必須施工時，則： a. 施工現場須有保溫和除濕設備以降低濕度，確保施工品質。 b. 選用濕潤面專用底漆施工。 (2) 施工環境確認後，即可選用適當底漆材料針對上述之處理後施工面進行底漆施工。 施工過程及注意要點如下： a. 將底漆之主劑和硬化劑依規定配比，置於攪拌槽中以低速電動攪拌器充分且 均勻攪拌，一次攪拌量為在可使用時間之施工量，超過可使用時間之材料不 可再使用(可使用時間依材料使用說明書指示材料用量)。 2 b. 施工面以滾筒毛刷含浸底漆均勻塗布用量不低於 0.4kg/m ，塗布量隨施工面 的狀況不同而異，要斟酌使用，塗布次數依現場狀況決定是否塗布第二道， 塗布第二道時須等第一道初乾後。 c. 底漆之指觸乾燥時間約 3~12 小時。 d. 施工現場嚴禁火源，施工人員必須使用保護工具。 6. 表面不平整之再修正(較小區域凹洞之補土工作) 本工作為貼片貼覆工程前之再修正工作。 (1) 將補土之主劑和硬化劑依所規定配比稱重後置於攪拌器中攪拌一次攪拌量為在 可使用時間內用完之施工量，超過可使用時間的材料不可再使用。 (2) 等底漆乾燥後，將補土材料塗抹於上述之缺陷上，塗抹後的施工面必須使用適當 工具(如刮刀、砂輪機、研磨機等)加以修整，使整個施工面平整光滑。 7. CFRP 補強貼覆工程： (1) 確認施工環境混凝土表面會結露或會接觸到水處不得施工，因濕度太高而會導致 樹脂與水氣產生作用而干擾膠化過程。若迫於工期或其他因素，必須施工時，則 施工現場必須有保溫設施和除濕設備以確保底漆表面或貼片表面不會有水分存 在。 (2) 施工過程與注意要點： a. 塗布接著樹脂前必須先確認底漆狀況為指觸乾燥。 b. 纖維加勁材貼片預先以剪刀或刀片依所設計尺寸裁切。 c. 將環氧樹脂主劑及硬化劑依所規定配比稱重後置於攪拌槽中以低速電動攪 拌器充分均勻攪拌，一次攪拌量為在可使用時間內用完之施工量，超過可使 用時間的材料不可再使用。 d. 施工面以滾筒毛刷含浸接著樹脂均勻塗布，其使用量隨混凝土表面狀況不同 16-6
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而斟酌使用。惟需避免樹脂過量導致纖維滑移或扭曲，抑或樹脂不足導致含 2 浸不足，施用量不得低於 0.6kg/m 。 e. 將纖維貼片平順的貼合在含浸樹脂的塗布面，並用刮刀沿著纖維方向用力刮 平以除去氣泡和貼平貼片後移除離型紙。 f. 利用 CFRP 用脫泡滾輪或塑膠具凹槽型式塑膠滾輪沿著纖維方向來回滾壓 以充分含浸樹脂和除去氣泡，拱起部位及角落容易產生氣泡，須小心除泡。 g. 在已貼妥之纖維貼片上，再度以含浸樹脂之滾筒毛刷將樹脂均勻塗布後重覆 (f)步驟，務必使含浸完全。纖維貼片貼覆 30 分鐘後才可進行上層樹脂塗抹， 此期間要注意貼片是否有浮起或錯位現象，若有則以滾輪或刮刀壓平修正。 h. 二層以上積層，重覆(d)~(g)步驟，但以相隔一天的效果最好，若迫於工時， 則至少要間隔 1 小時以上。冬季施工以一日一層施工，品質最好。 i. 纖維貼片搭接時，纖維(長向)方向搭接長度須大於 20cm。 j. 施工中若有發生結露現象，則須擦乾和保持乾燥才可施工，同時在貼覆後要 考慮施工環境對貼覆的影響(如風壓效應，端部的固定等)。 k. 施工人員須穿著保護工具(如面罩、眼鏡、手套等)。 8. 養護工程 (1) 碳纖維貼片補強施工後，為避免雨水、砂、灰塵等附著於上，必須使用塑膠布保 護，應注意覆蓋布不要碰觸到施工面。 (2) 覆蓋布養護需達 24 小時以上。 (3) 為達成設計強度，平均氣溫 10℃，養護期間為兩週；平均氣溫 20℃,養護期間為 一週。 9. 表面防護粉刷層材料 外層碳纖維貼片及環氧樹脂表面除設計圖另有說明，應以均勻分布粒徑 1~2mm 之石 英砂及防水彈性水泥與矽砂拌合之砂漿粉刷，並以與混凝土表面相同顏色之水泥漆塗布。 其中防水彈性水泥砂漿：以合成乳液、卜特蘭水泥、矽砂和其他化學成分調合成均勻 之漿狀物。 圖 7 現場施工示意圖 三、結論 CFRP 工法具有材料輕、柔性、搬運容易及施工迅速等優點，然非所有橋梁均可使用該工 16-7
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法補強，應從經費考量及因地制宜而審慎評估，本橋梁因位處敏感性邊坡，經選定採用該工法 補強，希冀藉由累積設計、施工經驗、檢測及養護之經驗，其成效良好，期逐步能為國道高速公 路耐震補強工程使用。 參考文獻 1. 交通部，「公路橋梁耐震設計規範」，民國108年1月。 2. 交通部，「公路橋梁耐震評估與補強設計規範」，民國110年3月。 3. 國家地震工程研究中心，「公路橋梁耐震評估及補強準則（草案）」，民國98年12月。 4. 國家地震工程研究中心，「公路橋梁耐震性能設計規範研究（第2期）（上冊、下冊）」，民國 101 年12月。 5. 交通部臺灣區國道高速公路局，國道高速公路橋梁耐震補強第2期工程(第1優先路段)工程細 部設計報告，民國102年3月。 16-8
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