IOSH102-S506

支撐結構阻尼量測與損傷判斷研究

－吊籠

Damping Measurement Of Support

Structure and Damaged Judggmentndash

Gindola

勞動部勞動及職業安全衛生研究所

IOSH102-S506

支撐結構阻尼量測與損傷判斷研究

－吊籠

Damping Measurement Of Support

Structure and Damaged Judggmentndash

Gindola

研究主持人劉國青沈志陽 計畫主辦單位行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所 研究期間中華民國 102 年 5 月 25 日至 102 年 12 月 13 日

勞動部勞動及職業安全衛生研究所 中華民國 103 年 3 月

i

摘 要 依據有關吊籠構造檢查規定吊籠之支架吊臂及其基礎座應具有在積載荷重

下保持必要穩定性之構造因此本研究應用如結構阻尼及扭力矩量測等非破壞檢

測技術方法以確保積載荷重下的結構強度安全

研究首先依立地式固定基座及吊架結構模型案例進行電腦結構模態有限元素分

析與垂直向積載荷重變形量模擬以評估結構損傷與自然頻率及變形的關係後續

實驗建立損傷的結構自然頻率及阻尼係數量測數據另參考有關國際 ISO 螺栓緊固有

效力矩規範進行電腦模擬分析及與實驗量測並與拉拔強度實驗比較評估

研究發現簡易應用扭力板手可以量測基礎螺栓緊固有效力矩但不能應用於其

它結構物如焊道損傷檢測藉由實驗量測自然頻率變化與阻尼改變對結構損傷情形

發現關係關聯並不明顯且量測雜訊不容易排除使用簡單的結構位移或應變量測

可以評估整體結構剛性強度另研究蒐集相關支撐結構腐蝕損傷成因與機制提出

支撐結構檢查指引可作為勞工實施吊籠作業前的檢查指引以避免吊籠作業中因結

構損傷而造成職業災害

關鍵詞吊籠結構強度模態分析

ii

Abstract According to gondola constructed inspection standards and the stand boom and base

seats of gondola gondola should has a strong structure that needed to maintain the stability

Therefore the study applied non-destructive testing technology such as structural damping

and torque measurement methods to ensure the safe under heavy load

First according to the regular base of the type and hanger structure model case create

CAD(Computer Aided Design) then apply FEM(Finite element method) to analyze vertical

strain of deformation amount and damping modal for assessed relation with natural

frequency and damaged shape structure It is experimental measurement to get data of the

damaged shape structure natural frequency and damping in follow-up Another reference to

the international ISO about prevailing torque type steel hexagon nuts standards apply

computer simulation and experimental measurements to compare with seesaw struggle

measurement

The study found the simple application of a torque wrench you can measure the bolts

effective moment but you canrsquot use it for other inspection such as weld damage detection

By experimentally measuring the natural frequency and damping changes the situation is

not significantly associated with structural damage and the measurement noise is not easy to

exclude Using simple structural displacement or strain measurements we can assess the

overall structural rigidity strength

On the other hands we collected relevant supporting structure corrosion damage causes

and mechanisms proposed an inspection guideline The guideline provides labors to inspect

structural stability of safety and avoid structural damage causing occupational hazards

Key Words gondola structural strength modal analysis

iii

目錄

摘 要 i

Abstract ii

目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiii

圖目錄 v

表目錄 viii

第一章 計畫概述 1

第一節 前言 1

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 3

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 10

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷重模擬 19

第一節 模態分析 19

第二節 自然頻率 23

第三節 基礎座損傷之頻率變化 27

第四章 模態分析模型驗證 39

第一節 螺栓緊固 44

第二節 支撐結構應變 51

第五章 實驗設計與結果 55

第一節 螺栓緊固實驗 55

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 63

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 69

第六章 建議安全檢查指引 81

第一節 安裝測試 81

第二節 使用檢查 83

iv

第七章 結論與建議 88

第一節 結論 88

第二節 建議 88

誌謝 89

參考文獻 90

v

圖目錄

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖 19

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖 20

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖 22

圖 4 模型網格化(14mm) 22

圖 5 基座固定端設定 23

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz 24

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz 25

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz 26

圖 9 肋與底板分離示意圖 28

圖 10 肋的編號 28

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分 32

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖 33

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖 34

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘ 37

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘ 38

圖 16 吊籠基礎座組合圖 39

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖 40

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz 41

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz 42

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz 43

圖 21 吊臂固定方向 48

圖 22 螺栓編號 49

圖 23 Case1(正交)位移量 50

vi

圖 24 Case2(斜角)位移量 51

圖 25 法蘭變形測量點 52

圖 26 (b)銲接 12 肋板 53

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量 54

圖 28 應變規型號 56

圖 29 貼黏應變規後的螺栓 56

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住 57

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500 57

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊 58

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖 59

圖 34 拉伸試驗實驗圖 60

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖 62

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較 62

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置 65

圖 38 雷射測距儀 66

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化 66

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化 67

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化 67

圖 42 吊臂的變形位移 68

圖 43 基座的變形位移 68

圖 44 半能量法 69

圖 45 對數衰減法 70

圖 46 FCR 之運算流程圖[23] 71

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖 72

vii

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振 73

圖 49 激振器 73

圖 50 加速度規資料擷取器 74

圖 51 加速規 74

圖 52 伺服馬達 74

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應 75

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析 75

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼 77

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規 78

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號 79

圖 58 千斤頂工具牙套 81

圖 59 設定油壓錶檢測值 82

圖 60 手動幫浦徐徐加壓 82

viii

表目錄

表 1 職災實例統計 2

表 2 目測與量測之檢測方式 12

表 3 網格與自然頻率關係表 21

表 4 基座模態清單 24

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率 29

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率 29

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率 30

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向) 30

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率 34

表 12 基座模態清單 41

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[18] 45

表 14 扭矩因素 K 建議值[19] 46

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20] 47

表 16 Case1(正交)螺栓所受拉力 49

表 17 Case2(斜角)螺栓所受拉力 50

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量 52

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值 58

表 20 實驗平均值標準差與理論值 59

表 21 拉伸力與應變 60

表 22 銲接長度與自然頻率變化 76

表 23 Q-Factor 量測法估測結構阻尼 76

ix

表 24 對數衰減法估測結構阻尼 76

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準 84

1

第一章 計畫概述 近年來由於都是人口成長快速經濟發展旺盛在都會區不但大樓林立而且其高

度也逐漸增加因此定期的大樓外牆的清潔整理必須要使用到外掛式的吊籠作為人

員承載的工具以方便作業人員自由移動到大樓的各個位置

吊籠的使用雖然方便但是其安全性卻有許多面向的考量如果在作業的過程中

沒有按照規定的程序或者指令執行的話經常會引起不必要的職業災害甚至於作業

人員的死亡引起災害的原因除了操作人員的不慎以及天候的變化之外設備的缺

失往往是造成意外的主因除了電器類的設備故障外吊籠的結構以及相關的支撐設

備缺失更是容易造成人員的傷亡因為結構安全的損壞所造成的職災其結果往往是

造成作業人員由高處掉落而造成重大的傷亡但是結構與支撐設備的損傷一般是不

容易由肉眼檢查得知必須要藉由正確的方法與適當的設備才能夠判別出來一般的

結構檢查必須要藉由精密的儀器與冗長的測試這樣的時間與成本不符合現場作業的

時效性與檢查的方便性因此作業人員往往忽略了結構檢查的重要性或者以簡單

的積載荷重進行靜態測試後便展開作業而忽略了潛在的危險因素

本計畫的研究目的即在於了解吊籠職災的案例並探討吊籠結構與支撐物的損傷

與鏽蝕發生的機制更進一步的探討各種可於現場作業進行的簡易檢測與判別方式

提供大樓管理者與現場作業人員進一步檢查的基礎藉以減少吊籠作業職災的發生增

進勞工工作的安全

第一節 前言

有關吊籠職災案例經查詢過去十年間(民國 92~101 年)行政院勞工委員會歷年職

災實例[ 1]以及北中南各區勞動檢查所公告之職災實例統計[ 2][ 3][ 4]登記有案的案

例計五件整理如下表

2

表 1 職災實例統計

年份 案例 災害類型 災害原因分析

92 於吊籠內從事外牆清潔工作發生

隨吊籠墜落致死災害 墜落

設置於女兒牆之夾牆架固定不

良

93 捲揚機吊鐵籠子著從事外牆補漆

作業時發生墜落物體飛落災害

墜落滾落

物體飛落 未確實將捲揚機機座安裝牢固

94

從事大樓外牆查漏作業因吊籠鋼

索斷裂發生勞工墜落死亡職業災

害案

墜落 吊籠過捲預防裝置失效吊籠未

經檢查合格

95

因吊籠之立地式支架固定基座混

凝土墩損壞連同吊籠工作床台墜

落死亡災害案

墜落滾落

未於吊籠固定方式變更時申請

變更檢查合格即予使用導致

發生吊籠立地式支架固定基座

混凝土墩座之植筋裹握力不足

97

操作吊籠作業因鋼索長度不足突

然脫開捲揚馬達造成吊籠上之勞

工發生墜落災害

墜落滾落

操作高度超出捲揚鋼索長度且

末端未設置防脫落之固定設

施致捲揚鋼索自索端脫開

另外由網路新聞蒐尋未登錄於上述單位的吊籠職災案例尚有下列數件

93 年 8 月 20 日過捲預防裝置(極限開關)失效致使吊籠之伸臂端鋼索及工作台三者

扭碰鋼索瞬間斷裂

95 年 1 月 13 日吊籠固定架突然鬆脫吊籠先向一邊傾斜隨即整座掉落地面

96 年 12 月 21 日捲揚機固定支架固定不良滑移脫落

98 年 12 月 30 日承載支架突然鬆脫

102 年 12 月台中大樓使用吊籠從事外牆維修作業時鋼索突然斷裂造成整個吊籠傾

斜2 名洗窗工人受困於 30 樓高空中

102 年 12 月 3 日新北市「正隆廣場大樓」進行高樓外牆洗窗因強風襲來吊籠被吹

起擺盪 90 度甩到左側牆面卡住不動2 人受困 10 樓高空

不論上述事故為人為因素支撐不良或機械故障但最終多與吊籠的固定方式遭破壞

3

或損傷有關

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 吊籠結構支撐物可分為吊臂與支架兩部分一般多以鋼結構物製作且由於支撐

物多安置於室外故多以鍍鋅或者是塗覆保護層的方式處理藉以降低腐蝕或材質損

傷的情事發生故吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制可藉由一般鋼結構物的腐蝕損

傷機制來了解也可以藉由鋼結構物的檢測機制來了解相關的作法

一吊籠安全檢查構造標準

有關吊籠結構安全的檢測現行辦法為「吊籠安全檢查構造標準」[ 5]於中華民

國九十四年五月十二日行政院勞工委員會勞檢 2 字第 0940024160 號令訂定發布全

文 49 條條文內容係針對吊籠本身結構安全與檢查訂定詳細規範但有關吊籠結

構支撐物的相關規定僅見於第 23 條完整條文如下第 23 條 吊籠之支架吊臂及其

基礎座應具有在積載荷重下保持必要穩定性之構造結構部分應具有足夠強度及

剛性不得有影響該吊籠安全之變形上述條文中並未針對吊籠支撐物的結構做任何

量化的定義因此在實際檢查作業中通常僅能以目視檢測方式觀察是否鏽蝕裂痕

等損傷尚未見具體的量化檢測指標經訪視營造廠商與結構技師建築師等專業人

士了解一般建築物設計裝設吊籠支撐物件時會將相關物件視為建築物結構的一部

份並根據吊籠的負載需求設計結構物的強度並視建築物結構為鋼筋混凝土或鋼結

構物進行結構強度分析設計施工過程中則依照相關結構物施工規範施作並於施

作完成後依據設計之吊籠負載進行荷重測試通過者由相關單位驗證記載證明發予使

用單位存查

因此對於吊籠支撐物結構的相關設計損傷與檢測之基礎規範應可依照鋼筋

混凝土或鋼結構物之相關規範進行整理收集但是由於吊籠支撐物結構尺寸遠小於建

築物規模故部分規範特別是檢測並無法直接使用在吊籠支撐物結 構上

二吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制

因台灣的海島型氣候環境濕度與空氣中氯離子含量偏高容易造成裸露鋼結構

物的腐蝕與損傷因為吊籠結構支撐物的設計與施工原則上是由結構技師依據相關建

築法規所設計因此吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制亦可以由建築結構的相關規範

4

文件來了解

吊籠結構支撐物簡單可以分為吊臂與基座(支架)兩部分由於吊臂通常是可移動的

物件因此可以進行較多的保護與檢測處理故在此以基座作為探討的重點一般而

言吊籠基座可以由結構的部分區分成裸露於大氣環境的部分以及與建築物剛結構

或混凝土結構共構的部分

裸露於大氣環境的部分一般是作為安置吊臂用的機構件多以圓孔設計外加固定

於結構物上所需之螺絲孔法蘭(Fringe)所構成這部分由於裸露於大氣環境中故可

以單純的鋼結構物作為探討的對象另一方面為承受吊籠機載荷重必須將上述的

裸露部分以適當的手法與建築物結構結合故一般吊籠結構支撐基座的底部多為利用

栓錨固定於結構物上同時栓錨必須與建築結構的鋼結構或混凝土結構結合共構如

果建築物純粹是鋼結構則吊籠基座便可以完全是用鋼構造物支檢測與設計規範進行

處理但若為混凝土結構物則吊籠基座分析便必須區分成裸露及混凝土包覆支結構

物來處理

三吊籠結構裸露於大氣環境支撐物的腐蝕損傷機制

首先就裸露於大氣環境中的鋼結構物進行探討一般建築物鋼結構物的設計主要

依循中華民國內政部營建署所頒布的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」[ 6]其中

又可分成「鋼結構容許應力設計法規範及解說」[ 7]與「鋼結構極限設計法規範及解說」

[ 8]兩種設計規範在建築物設計過程中根據吊籠積載荷重的規格依循上述兩種規

範即可計算出吊籠支撐物的相關材料表面處理與形狀尺寸等等數據並定義出工件

圖說而在施作過程現場則必須依「鋼構造建築物鋼結構施工規範」[ 9]所規定的方

法與程序施作待結構物穩定後進行積載荷重測試確認安全後即可給予簽証文件

因此在新建大樓使用初期裸露的吊籠支撐物安全是經過測試的然而由於鋼結構物

裸露在大氣環境中而台灣地處高溫高濕之亞熱帶海島型氣候區除了溼度高之外

四面環海的環境使得大氣中鹽分含量極高正因為大氣中充滿腐蝕因子所以在台灣

結構物往往因為嚴重的腐蝕問題而縮短使用壽命

鋼結構物的腐蝕主要由四大因子造成分別是 1陰極2陽極3電解質4陰陽

極間構成電的通路如果能阻絕其中一項因子便可達到防蝕的目的[ 10]廣義而言鋼

鐵材料必須同時接觸到水及空氣才會腐蝕鋼鐵的腐蝕問題乃環狀空間使得水及氧能

5

聚集在鋼鐵表面而容易腐蝕腐蝕機構乃水份反覆冷凝蒸發水氣覆蓋即反覆乾溼情

況下最容易產生腐蝕問題[ 11]除了水與空氣外溫度為影響腐蝕速率的重要因素

溫度愈高腐蝕率升高相對的溫度愈低 腐蝕率降低攝氏零度時水的腐蝕率則近乎零

由於鋼結構物本身即為腐蝕因子中的陽極物質如果可以減少周遭陰極因子的出

現便可以降低腐蝕的形成國內大氣中的陰極因子主要是由海洋性環境的氯離子及

重工業區排放的二氧化硫所形成的即便是在遠離工業區的住家環境氯離子也會逐

漸造成金屬物件的腐蝕同時因為台灣海島型氣候的關係多雨的條件提供腐蝕因子

中陰陽極間構成電的通路所需的積水故建築物的鋼結構物腐蝕更容易形成並須施

以適當的保戶才能避免

隨著金屬材料的廣泛使用以及伴隨而來的腐蝕問題人們開始重視腐蝕問題的防

治為了達到最佳的防蝕效果各腐蝕防治專家不斷提出各種新型防蝕技術以及更有

效率的施工技術時至今日以鋅為主之各式各樣的防蝕工法如富鋅塗料熱浸鍍鋅

與鋅熔射已經能夠有效的減緩腐蝕問題的發生隨著科技的進步各式各樣不同的防

蝕工法應運而生人們也開始重視防蝕的重要性目前較常見的防蝕工法有[10]

(一)強化法此法可分為兩種第一種是構件本身的強化最常見的方法就是將活

性高的金屬與活性低的金屬混合得到鈍態的合金延長構件的使用壽命第二種則是

利用被覆材料阻絕環境中腐蝕因子與構件的接觸降低氧化反應的可能性此法是防

蝕方法中最普遍的工法被覆防蝕又可分成塗裝被覆與金屬被覆兩種前者包括塗膜

內襯包覆等後者有電鍍熱浸鍍金屬熔射硬銲等

(二)外力法顧名思義就是藉由外力的方法來達到防蝕的目的最常見的有陰極防

蝕與防蝕劑的添加前者是利用替代材料或輔助電極提供電子給構件補充該構件因

為氧化反應而失去的電子陰極防蝕又可分為外加電流與犧牲陽極兩種方式防蝕劑

的添加則是利用化學藥品吸附在金屬表面上生成保護膜降低腐蝕因子的影響藉以達

到防蝕的目的

在早期防蝕材料主要是以具有抑制效果的紅丹(鉛)與鋅鉻黃(六價鉻)來達到防蝕

的效果隨著工業的發展大氣中的腐蝕因子除了水與氧之外硫化物與氮化物的汙

染也會加速腐蝕反應進行而且隨著構件結構體設計日趨大型化搬運過程中的塗膜

碰撞及損傷機率也隨之增加同時國際對於重金屬使用的限制日趨嚴格使得抑制型

6

防鏽材料已漸漸無法滿足防蝕的需求取而代之的是具有犧牲保護作用的鋅金屬防蝕

被覆鋅粉塗料是否能發揮防蝕的功效與系統中鋅含量有著絕對的關係大致上來說

鋅含量的多寡與防蝕效果成正比換句話說鋅的塗層越厚則使用期限越久

目前有一防蝕效果相當優越的材料---鋅鋁材料其耐蝕性是來自於鋁的遮蔽保護

功能與鋅的犧牲保護功能實驗結果指出當鋅鋁材料中鋁的含量為 5時其防蝕效益

約為純鋅防蝕的 3 倍而當鋅鋁材料中鋁的含量為 55時其防蝕效益甚至可達到純鋅

防蝕的 8 倍而且當鋅在構件表面進行犧牲保護作用時鋁會在形成的鈍態的氧化層

適時扮演屏障保護的角色

四吊籠結構與混凝土結構共構支撐物的腐蝕損傷機制

吊籠基座除了裸露於大氣環境的金屬結構或與建築物鋼構物共構部分外另一部

分為與混凝土結構共構的部分一般的吊籠基座多以栓錨固定而栓錨則以埋入混凝

土中與鋼結構物或鋼筋共構以承受吊籠積載負荷

鋼筋混凝土大量被使用於建築土木工程尤其是交通建設方面諸如橋樑港灣hellip

等之重要設施鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料因此工程建造完工起用後

甚少需要維護但是受到環境超載(不當使用)施工品質等因素之影響其材料

結構則可能受到劣化損壞對整體耐久性與安全威脅甚鉅台灣為一海島型氣候終

年高溫高濕每年常遭颱災侵襲又因位處地震帶上地震災損頻傳於此惡劣環

境下鋼筋混凝土甚易受到空氣中之氯離子或其他腐蝕因子之侵入造成鋼筋發生銹

蝕斷裂體積膨脹導致混凝土的劣化剝落損壞[ 12]

相關的鋼筋混凝土設計與施工亦由行政院內政部營建署訂定有相關規範「混凝

土結構設計規範」[ 13]「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[ 14]「結構混凝土

施工規範」[ 15]及「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」[ 16]

近年來國內許多工程與設施之劣化損壞崩陷等案例層出不窮除了外力不

可抗拒因素外探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕在 RC結構物之耐

久性觀點上除了混凝土材料本身材質劣化外鋼筋的腐蝕是評估結構物耐久性之重

要指標之一而吊籠基座的栓錨亦可視作鋼筋混凝土中的鋼筋受到同樣的腐蝕危害

而造成使用時的潛在風險

五鋼筋之腐蝕機理[12]

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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IOSH102-S506

支撐結構阻尼量測與損傷判斷研究

－吊籠

Damping Measurement Of Support

Structure and Damaged Judggmentndash

Gindola

研究主持人劉國青沈志陽 計畫主辦單位行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所 研究期間中華民國 102 年 5 月 25 日至 102 年 12 月 13 日

勞動部勞動及職業安全衛生研究所 中華民國 103 年 3 月

i

摘 要 依據有關吊籠構造檢查規定吊籠之支架吊臂及其基礎座應具有在積載荷重

下保持必要穩定性之構造因此本研究應用如結構阻尼及扭力矩量測等非破壞檢

測技術方法以確保積載荷重下的結構強度安全

研究首先依立地式固定基座及吊架結構模型案例進行電腦結構模態有限元素分

析與垂直向積載荷重變形量模擬以評估結構損傷與自然頻率及變形的關係後續

實驗建立損傷的結構自然頻率及阻尼係數量測數據另參考有關國際 ISO 螺栓緊固有

效力矩規範進行電腦模擬分析及與實驗量測並與拉拔強度實驗比較評估

研究發現簡易應用扭力板手可以量測基礎螺栓緊固有效力矩但不能應用於其

它結構物如焊道損傷檢測藉由實驗量測自然頻率變化與阻尼改變對結構損傷情形

發現關係關聯並不明顯且量測雜訊不容易排除使用簡單的結構位移或應變量測

可以評估整體結構剛性強度另研究蒐集相關支撐結構腐蝕損傷成因與機制提出

支撐結構檢查指引可作為勞工實施吊籠作業前的檢查指引以避免吊籠作業中因結

構損傷而造成職業災害

關鍵詞吊籠結構強度模態分析

ii

Abstract According to gondola constructed inspection standards and the stand boom and base

seats of gondola gondola should has a strong structure that needed to maintain the stability

Therefore the study applied non-destructive testing technology such as structural damping

and torque measurement methods to ensure the safe under heavy load

First according to the regular base of the type and hanger structure model case create

CAD(Computer Aided Design) then apply FEM(Finite element method) to analyze vertical

strain of deformation amount and damping modal for assessed relation with natural

frequency and damaged shape structure It is experimental measurement to get data of the

damaged shape structure natural frequency and damping in follow-up Another reference to

the international ISO about prevailing torque type steel hexagon nuts standards apply

computer simulation and experimental measurements to compare with seesaw struggle

measurement

The study found the simple application of a torque wrench you can measure the bolts

effective moment but you canrsquot use it for other inspection such as weld damage detection

By experimentally measuring the natural frequency and damping changes the situation is

not significantly associated with structural damage and the measurement noise is not easy to

exclude Using simple structural displacement or strain measurements we can assess the

overall structural rigidity strength

On the other hands we collected relevant supporting structure corrosion damage causes

and mechanisms proposed an inspection guideline The guideline provides labors to inspect

structural stability of safety and avoid structural damage causing occupational hazards

Key Words gondola structural strength modal analysis

iii

目錄

摘 要 i

Abstract ii

目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiii

圖目錄 v

表目錄 viii

第一章 計畫概述 1

第一節 前言 1

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 3

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 10

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷重模擬 19

第一節 模態分析 19

第二節 自然頻率 23

第三節 基礎座損傷之頻率變化 27

第四章 模態分析模型驗證 39

第一節 螺栓緊固 44

第二節 支撐結構應變 51

第五章 實驗設計與結果 55

第一節 螺栓緊固實驗 55

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 63

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 69

第六章 建議安全檢查指引 81

第一節 安裝測試 81

第二節 使用檢查 83

iv

第七章 結論與建議 88

第一節 結論 88

第二節 建議 88

誌謝 89

參考文獻 90

v

圖目錄

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖 19

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖 20

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖 22

圖 4 模型網格化(14mm) 22

圖 5 基座固定端設定 23

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz 24

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz 25

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz 26

圖 9 肋與底板分離示意圖 28

圖 10 肋的編號 28

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分 32

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖 33

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖 34

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘ 37

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘ 38

圖 16 吊籠基礎座組合圖 39

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖 40

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz 41

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz 42

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz 43

圖 21 吊臂固定方向 48

圖 22 螺栓編號 49

圖 23 Case1(正交)位移量 50

vi

圖 24 Case2(斜角)位移量 51

圖 25 法蘭變形測量點 52

圖 26 (b)銲接 12 肋板 53

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量 54

圖 28 應變規型號 56

圖 29 貼黏應變規後的螺栓 56

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住 57

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500 57

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊 58

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖 59

圖 34 拉伸試驗實驗圖 60

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖 62

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較 62

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置 65

圖 38 雷射測距儀 66

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化 66

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化 67

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化 67

圖 42 吊臂的變形位移 68

圖 43 基座的變形位移 68

圖 44 半能量法 69

圖 45 對數衰減法 70

圖 46 FCR 之運算流程圖[23] 71

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖 72

vii

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振 73

圖 49 激振器 73

圖 50 加速度規資料擷取器 74

圖 51 加速規 74

圖 52 伺服馬達 74

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應 75

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析 75

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼 77

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規 78

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號 79

圖 58 千斤頂工具牙套 81

圖 59 設定油壓錶檢測值 82

圖 60 手動幫浦徐徐加壓 82

viii

表目錄

表 1 職災實例統計 2

表 2 目測與量測之檢測方式 12

表 3 網格與自然頻率關係表 21

表 4 基座模態清單 24

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率 29

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率 29

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率 30

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向) 30

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率 34

表 12 基座模態清單 41

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[18] 45

表 14 扭矩因素 K 建議值[19] 46

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20] 47

表 16 Case1(正交)螺栓所受拉力 49

表 17 Case2(斜角)螺栓所受拉力 50

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量 52

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值 58

表 20 實驗平均值標準差與理論值 59

表 21 拉伸力與應變 60

表 22 銲接長度與自然頻率變化 76

表 23 Q-Factor 量測法估測結構阻尼 76

ix

表 24 對數衰減法估測結構阻尼 76

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準 84

1

第一章 計畫概述 近年來由於都是人口成長快速經濟發展旺盛在都會區不但大樓林立而且其高

度也逐漸增加因此定期的大樓外牆的清潔整理必須要使用到外掛式的吊籠作為人

員承載的工具以方便作業人員自由移動到大樓的各個位置

吊籠的使用雖然方便但是其安全性卻有許多面向的考量如果在作業的過程中

沒有按照規定的程序或者指令執行的話經常會引起不必要的職業災害甚至於作業

人員的死亡引起災害的原因除了操作人員的不慎以及天候的變化之外設備的缺

失往往是造成意外的主因除了電器類的設備故障外吊籠的結構以及相關的支撐設

備缺失更是容易造成人員的傷亡因為結構安全的損壞所造成的職災其結果往往是

造成作業人員由高處掉落而造成重大的傷亡但是結構與支撐設備的損傷一般是不

容易由肉眼檢查得知必須要藉由正確的方法與適當的設備才能夠判別出來一般的

結構檢查必須要藉由精密的儀器與冗長的測試這樣的時間與成本不符合現場作業的

時效性與檢查的方便性因此作業人員往往忽略了結構檢查的重要性或者以簡單

的積載荷重進行靜態測試後便展開作業而忽略了潛在的危險因素

本計畫的研究目的即在於了解吊籠職災的案例並探討吊籠結構與支撐物的損傷

與鏽蝕發生的機制更進一步的探討各種可於現場作業進行的簡易檢測與判別方式

提供大樓管理者與現場作業人員進一步檢查的基礎藉以減少吊籠作業職災的發生增

進勞工工作的安全

第一節 前言

有關吊籠職災案例經查詢過去十年間(民國 92~101 年)行政院勞工委員會歷年職

災實例[ 1]以及北中南各區勞動檢查所公告之職災實例統計[ 2][ 3][ 4]登記有案的案

例計五件整理如下表

2

表 1 職災實例統計

年份 案例 災害類型 災害原因分析

92 於吊籠內從事外牆清潔工作發生

隨吊籠墜落致死災害 墜落

設置於女兒牆之夾牆架固定不

良

93 捲揚機吊鐵籠子著從事外牆補漆

作業時發生墜落物體飛落災害

墜落滾落

物體飛落 未確實將捲揚機機座安裝牢固

94

從事大樓外牆查漏作業因吊籠鋼

索斷裂發生勞工墜落死亡職業災

害案

墜落 吊籠過捲預防裝置失效吊籠未

經檢查合格

95

因吊籠之立地式支架固定基座混

凝土墩損壞連同吊籠工作床台墜

落死亡災害案

墜落滾落

未於吊籠固定方式變更時申請

變更檢查合格即予使用導致

發生吊籠立地式支架固定基座

混凝土墩座之植筋裹握力不足

97

操作吊籠作業因鋼索長度不足突

然脫開捲揚馬達造成吊籠上之勞

工發生墜落災害

墜落滾落

操作高度超出捲揚鋼索長度且

末端未設置防脫落之固定設

施致捲揚鋼索自索端脫開

另外由網路新聞蒐尋未登錄於上述單位的吊籠職災案例尚有下列數件

93 年 8 月 20 日過捲預防裝置(極限開關)失效致使吊籠之伸臂端鋼索及工作台三者

扭碰鋼索瞬間斷裂

95 年 1 月 13 日吊籠固定架突然鬆脫吊籠先向一邊傾斜隨即整座掉落地面

96 年 12 月 21 日捲揚機固定支架固定不良滑移脫落

98 年 12 月 30 日承載支架突然鬆脫

102 年 12 月台中大樓使用吊籠從事外牆維修作業時鋼索突然斷裂造成整個吊籠傾

斜2 名洗窗工人受困於 30 樓高空中

102 年 12 月 3 日新北市「正隆廣場大樓」進行高樓外牆洗窗因強風襲來吊籠被吹

起擺盪 90 度甩到左側牆面卡住不動2 人受困 10 樓高空

不論上述事故為人為因素支撐不良或機械故障但最終多與吊籠的固定方式遭破壞

3

或損傷有關

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 吊籠結構支撐物可分為吊臂與支架兩部分一般多以鋼結構物製作且由於支撐

物多安置於室外故多以鍍鋅或者是塗覆保護層的方式處理藉以降低腐蝕或材質損

傷的情事發生故吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制可藉由一般鋼結構物的腐蝕損

傷機制來了解也可以藉由鋼結構物的檢測機制來了解相關的作法

一吊籠安全檢查構造標準

有關吊籠結構安全的檢測現行辦法為「吊籠安全檢查構造標準」[ 5]於中華民

國九十四年五月十二日行政院勞工委員會勞檢 2 字第 0940024160 號令訂定發布全

文 49 條條文內容係針對吊籠本身結構安全與檢查訂定詳細規範但有關吊籠結

構支撐物的相關規定僅見於第 23 條完整條文如下第 23 條 吊籠之支架吊臂及其

基礎座應具有在積載荷重下保持必要穩定性之構造結構部分應具有足夠強度及

剛性不得有影響該吊籠安全之變形上述條文中並未針對吊籠支撐物的結構做任何

量化的定義因此在實際檢查作業中通常僅能以目視檢測方式觀察是否鏽蝕裂痕

等損傷尚未見具體的量化檢測指標經訪視營造廠商與結構技師建築師等專業人

士了解一般建築物設計裝設吊籠支撐物件時會將相關物件視為建築物結構的一部

份並根據吊籠的負載需求設計結構物的強度並視建築物結構為鋼筋混凝土或鋼結

構物進行結構強度分析設計施工過程中則依照相關結構物施工規範施作並於施

作完成後依據設計之吊籠負載進行荷重測試通過者由相關單位驗證記載證明發予使

用單位存查

因此對於吊籠支撐物結構的相關設計損傷與檢測之基礎規範應可依照鋼筋

混凝土或鋼結構物之相關規範進行整理收集但是由於吊籠支撐物結構尺寸遠小於建

築物規模故部分規範特別是檢測並無法直接使用在吊籠支撐物結 構上

二吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制

因台灣的海島型氣候環境濕度與空氣中氯離子含量偏高容易造成裸露鋼結構

物的腐蝕與損傷因為吊籠結構支撐物的設計與施工原則上是由結構技師依據相關建

築法規所設計因此吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制亦可以由建築結構的相關規範

4

文件來了解

吊籠結構支撐物簡單可以分為吊臂與基座(支架)兩部分由於吊臂通常是可移動的

物件因此可以進行較多的保護與檢測處理故在此以基座作為探討的重點一般而

言吊籠基座可以由結構的部分區分成裸露於大氣環境的部分以及與建築物剛結構

或混凝土結構共構的部分

裸露於大氣環境的部分一般是作為安置吊臂用的機構件多以圓孔設計外加固定

於結構物上所需之螺絲孔法蘭(Fringe)所構成這部分由於裸露於大氣環境中故可

以單純的鋼結構物作為探討的對象另一方面為承受吊籠機載荷重必須將上述的

裸露部分以適當的手法與建築物結構結合故一般吊籠結構支撐基座的底部多為利用

栓錨固定於結構物上同時栓錨必須與建築結構的鋼結構或混凝土結構結合共構如

果建築物純粹是鋼結構則吊籠基座便可以完全是用鋼構造物支檢測與設計規範進行

處理但若為混凝土結構物則吊籠基座分析便必須區分成裸露及混凝土包覆支結構

物來處理

三吊籠結構裸露於大氣環境支撐物的腐蝕損傷機制

首先就裸露於大氣環境中的鋼結構物進行探討一般建築物鋼結構物的設計主要

依循中華民國內政部營建署所頒布的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」[ 6]其中

又可分成「鋼結構容許應力設計法規範及解說」[ 7]與「鋼結構極限設計法規範及解說」

[ 8]兩種設計規範在建築物設計過程中根據吊籠積載荷重的規格依循上述兩種規

範即可計算出吊籠支撐物的相關材料表面處理與形狀尺寸等等數據並定義出工件

圖說而在施作過程現場則必須依「鋼構造建築物鋼結構施工規範」[ 9]所規定的方

法與程序施作待結構物穩定後進行積載荷重測試確認安全後即可給予簽証文件

因此在新建大樓使用初期裸露的吊籠支撐物安全是經過測試的然而由於鋼結構物

裸露在大氣環境中而台灣地處高溫高濕之亞熱帶海島型氣候區除了溼度高之外

四面環海的環境使得大氣中鹽分含量極高正因為大氣中充滿腐蝕因子所以在台灣

結構物往往因為嚴重的腐蝕問題而縮短使用壽命

鋼結構物的腐蝕主要由四大因子造成分別是 1陰極2陽極3電解質4陰陽

極間構成電的通路如果能阻絕其中一項因子便可達到防蝕的目的[ 10]廣義而言鋼

鐵材料必須同時接觸到水及空氣才會腐蝕鋼鐵的腐蝕問題乃環狀空間使得水及氧能

5

聚集在鋼鐵表面而容易腐蝕腐蝕機構乃水份反覆冷凝蒸發水氣覆蓋即反覆乾溼情

況下最容易產生腐蝕問題[ 11]除了水與空氣外溫度為影響腐蝕速率的重要因素

溫度愈高腐蝕率升高相對的溫度愈低 腐蝕率降低攝氏零度時水的腐蝕率則近乎零

由於鋼結構物本身即為腐蝕因子中的陽極物質如果可以減少周遭陰極因子的出

現便可以降低腐蝕的形成國內大氣中的陰極因子主要是由海洋性環境的氯離子及

重工業區排放的二氧化硫所形成的即便是在遠離工業區的住家環境氯離子也會逐

漸造成金屬物件的腐蝕同時因為台灣海島型氣候的關係多雨的條件提供腐蝕因子

中陰陽極間構成電的通路所需的積水故建築物的鋼結構物腐蝕更容易形成並須施

以適當的保戶才能避免

隨著金屬材料的廣泛使用以及伴隨而來的腐蝕問題人們開始重視腐蝕問題的防

治為了達到最佳的防蝕效果各腐蝕防治專家不斷提出各種新型防蝕技術以及更有

效率的施工技術時至今日以鋅為主之各式各樣的防蝕工法如富鋅塗料熱浸鍍鋅

與鋅熔射已經能夠有效的減緩腐蝕問題的發生隨著科技的進步各式各樣不同的防

蝕工法應運而生人們也開始重視防蝕的重要性目前較常見的防蝕工法有[10]

(一)強化法此法可分為兩種第一種是構件本身的強化最常見的方法就是將活

性高的金屬與活性低的金屬混合得到鈍態的合金延長構件的使用壽命第二種則是

利用被覆材料阻絕環境中腐蝕因子與構件的接觸降低氧化反應的可能性此法是防

蝕方法中最普遍的工法被覆防蝕又可分成塗裝被覆與金屬被覆兩種前者包括塗膜

內襯包覆等後者有電鍍熱浸鍍金屬熔射硬銲等

(二)外力法顧名思義就是藉由外力的方法來達到防蝕的目的最常見的有陰極防

蝕與防蝕劑的添加前者是利用替代材料或輔助電極提供電子給構件補充該構件因

為氧化反應而失去的電子陰極防蝕又可分為外加電流與犧牲陽極兩種方式防蝕劑

的添加則是利用化學藥品吸附在金屬表面上生成保護膜降低腐蝕因子的影響藉以達

到防蝕的目的

在早期防蝕材料主要是以具有抑制效果的紅丹(鉛)與鋅鉻黃(六價鉻)來達到防蝕

的效果隨著工業的發展大氣中的腐蝕因子除了水與氧之外硫化物與氮化物的汙

染也會加速腐蝕反應進行而且隨著構件結構體設計日趨大型化搬運過程中的塗膜

碰撞及損傷機率也隨之增加同時國際對於重金屬使用的限制日趨嚴格使得抑制型

6

防鏽材料已漸漸無法滿足防蝕的需求取而代之的是具有犧牲保護作用的鋅金屬防蝕

被覆鋅粉塗料是否能發揮防蝕的功效與系統中鋅含量有著絕對的關係大致上來說

鋅含量的多寡與防蝕效果成正比換句話說鋅的塗層越厚則使用期限越久

目前有一防蝕效果相當優越的材料---鋅鋁材料其耐蝕性是來自於鋁的遮蔽保護

功能與鋅的犧牲保護功能實驗結果指出當鋅鋁材料中鋁的含量為 5時其防蝕效益

約為純鋅防蝕的 3 倍而當鋅鋁材料中鋁的含量為 55時其防蝕效益甚至可達到純鋅

防蝕的 8 倍而且當鋅在構件表面進行犧牲保護作用時鋁會在形成的鈍態的氧化層

適時扮演屏障保護的角色

四吊籠結構與混凝土結構共構支撐物的腐蝕損傷機制

吊籠基座除了裸露於大氣環境的金屬結構或與建築物鋼構物共構部分外另一部

分為與混凝土結構共構的部分一般的吊籠基座多以栓錨固定而栓錨則以埋入混凝

土中與鋼結構物或鋼筋共構以承受吊籠積載負荷

鋼筋混凝土大量被使用於建築土木工程尤其是交通建設方面諸如橋樑港灣hellip

等之重要設施鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料因此工程建造完工起用後

甚少需要維護但是受到環境超載(不當使用)施工品質等因素之影響其材料

結構則可能受到劣化損壞對整體耐久性與安全威脅甚鉅台灣為一海島型氣候終

年高溫高濕每年常遭颱災侵襲又因位處地震帶上地震災損頻傳於此惡劣環

境下鋼筋混凝土甚易受到空氣中之氯離子或其他腐蝕因子之侵入造成鋼筋發生銹

蝕斷裂體積膨脹導致混凝土的劣化剝落損壞[ 12]

相關的鋼筋混凝土設計與施工亦由行政院內政部營建署訂定有相關規範「混凝

土結構設計規範」[ 13]「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[ 14]「結構混凝土

施工規範」[ 15]及「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」[ 16]

近年來國內許多工程與設施之劣化損壞崩陷等案例層出不窮除了外力不

可抗拒因素外探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕在 RC結構物之耐

久性觀點上除了混凝土材料本身材質劣化外鋼筋的腐蝕是評估結構物耐久性之重

要指標之一而吊籠基座的栓錨亦可視作鋼筋混凝土中的鋼筋受到同樣的腐蝕危害

而造成使用時的潛在風險

五鋼筋之腐蝕機理[12]

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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i

摘 要 依據有關吊籠構造檢查規定吊籠之支架吊臂及其基礎座應具有在積載荷重

下保持必要穩定性之構造因此本研究應用如結構阻尼及扭力矩量測等非破壞檢

測技術方法以確保積載荷重下的結構強度安全

研究首先依立地式固定基座及吊架結構模型案例進行電腦結構模態有限元素分

析與垂直向積載荷重變形量模擬以評估結構損傷與自然頻率及變形的關係後續

實驗建立損傷的結構自然頻率及阻尼係數量測數據另參考有關國際 ISO 螺栓緊固有

效力矩規範進行電腦模擬分析及與實驗量測並與拉拔強度實驗比較評估

研究發現簡易應用扭力板手可以量測基礎螺栓緊固有效力矩但不能應用於其

它結構物如焊道損傷檢測藉由實驗量測自然頻率變化與阻尼改變對結構損傷情形

發現關係關聯並不明顯且量測雜訊不容易排除使用簡單的結構位移或應變量測

可以評估整體結構剛性強度另研究蒐集相關支撐結構腐蝕損傷成因與機制提出

支撐結構檢查指引可作為勞工實施吊籠作業前的檢查指引以避免吊籠作業中因結

構損傷而造成職業災害

關鍵詞吊籠結構強度模態分析

ii

Abstract According to gondola constructed inspection standards and the stand boom and base

seats of gondola gondola should has a strong structure that needed to maintain the stability

Therefore the study applied non-destructive testing technology such as structural damping

and torque measurement methods to ensure the safe under heavy load

First according to the regular base of the type and hanger structure model case create

CAD(Computer Aided Design) then apply FEM(Finite element method) to analyze vertical

strain of deformation amount and damping modal for assessed relation with natural

frequency and damaged shape structure It is experimental measurement to get data of the

damaged shape structure natural frequency and damping in follow-up Another reference to

the international ISO about prevailing torque type steel hexagon nuts standards apply

computer simulation and experimental measurements to compare with seesaw struggle

measurement

The study found the simple application of a torque wrench you can measure the bolts

effective moment but you canrsquot use it for other inspection such as weld damage detection

By experimentally measuring the natural frequency and damping changes the situation is

not significantly associated with structural damage and the measurement noise is not easy to

exclude Using simple structural displacement or strain measurements we can assess the

overall structural rigidity strength

On the other hands we collected relevant supporting structure corrosion damage causes

and mechanisms proposed an inspection guideline The guideline provides labors to inspect

structural stability of safety and avoid structural damage causing occupational hazards

Key Words gondola structural strength modal analysis

iii

目錄

摘 要 i

Abstract ii

目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiii

圖目錄 v

表目錄 viii

第一章 計畫概述 1

第一節 前言 1

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 3

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 10

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷重模擬 19

第一節 模態分析 19

第二節 自然頻率 23

第三節 基礎座損傷之頻率變化 27

第四章 模態分析模型驗證 39

第一節 螺栓緊固 44

第二節 支撐結構應變 51

第五章 實驗設計與結果 55

第一節 螺栓緊固實驗 55

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 63

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 69

第六章 建議安全檢查指引 81

第一節 安裝測試 81

第二節 使用檢查 83

iv

第七章 結論與建議 88

第一節 結論 88

第二節 建議 88

誌謝 89

參考文獻 90

v

圖目錄

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖 19

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖 20

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖 22

圖 4 模型網格化(14mm) 22

圖 5 基座固定端設定 23

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz 24

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz 25

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz 26

圖 9 肋與底板分離示意圖 28

圖 10 肋的編號 28

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分 32

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖 33

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖 34

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘ 37

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘ 38

圖 16 吊籠基礎座組合圖 39

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖 40

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz 41

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz 42

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz 43

圖 21 吊臂固定方向 48

圖 22 螺栓編號 49

圖 23 Case1(正交)位移量 50

vi

圖 24 Case2(斜角)位移量 51

圖 25 法蘭變形測量點 52

圖 26 (b)銲接 12 肋板 53

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量 54

圖 28 應變規型號 56

圖 29 貼黏應變規後的螺栓 56

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住 57

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500 57

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊 58

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖 59

圖 34 拉伸試驗實驗圖 60

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖 62

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較 62

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置 65

圖 38 雷射測距儀 66

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化 66

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化 67

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化 67

圖 42 吊臂的變形位移 68

圖 43 基座的變形位移 68

圖 44 半能量法 69

圖 45 對數衰減法 70

圖 46 FCR 之運算流程圖[23] 71

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖 72

vii

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振 73

圖 49 激振器 73

圖 50 加速度規資料擷取器 74

圖 51 加速規 74

圖 52 伺服馬達 74

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應 75

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析 75

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼 77

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規 78

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號 79

圖 58 千斤頂工具牙套 81

圖 59 設定油壓錶檢測值 82

圖 60 手動幫浦徐徐加壓 82

viii

表目錄

表 1 職災實例統計 2

表 2 目測與量測之檢測方式 12

表 3 網格與自然頻率關係表 21

表 4 基座模態清單 24

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率 29

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率 29

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率 30

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向) 30

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率 34

表 12 基座模態清單 41

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[18] 45

表 14 扭矩因素 K 建議值[19] 46

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20] 47

表 16 Case1(正交)螺栓所受拉力 49

表 17 Case2(斜角)螺栓所受拉力 50

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量 52

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值 58

表 20 實驗平均值標準差與理論值 59

表 21 拉伸力與應變 60

表 22 銲接長度與自然頻率變化 76

表 23 Q-Factor 量測法估測結構阻尼 76

ix

表 24 對數衰減法估測結構阻尼 76

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準 84

1

第一章 計畫概述 近年來由於都是人口成長快速經濟發展旺盛在都會區不但大樓林立而且其高

度也逐漸增加因此定期的大樓外牆的清潔整理必須要使用到外掛式的吊籠作為人

員承載的工具以方便作業人員自由移動到大樓的各個位置

吊籠的使用雖然方便但是其安全性卻有許多面向的考量如果在作業的過程中

沒有按照規定的程序或者指令執行的話經常會引起不必要的職業災害甚至於作業

人員的死亡引起災害的原因除了操作人員的不慎以及天候的變化之外設備的缺

失往往是造成意外的主因除了電器類的設備故障外吊籠的結構以及相關的支撐設

備缺失更是容易造成人員的傷亡因為結構安全的損壞所造成的職災其結果往往是

造成作業人員由高處掉落而造成重大的傷亡但是結構與支撐設備的損傷一般是不

容易由肉眼檢查得知必須要藉由正確的方法與適當的設備才能夠判別出來一般的

結構檢查必須要藉由精密的儀器與冗長的測試這樣的時間與成本不符合現場作業的

時效性與檢查的方便性因此作業人員往往忽略了結構檢查的重要性或者以簡單

的積載荷重進行靜態測試後便展開作業而忽略了潛在的危險因素

本計畫的研究目的即在於了解吊籠職災的案例並探討吊籠結構與支撐物的損傷

與鏽蝕發生的機制更進一步的探討各種可於現場作業進行的簡易檢測與判別方式

提供大樓管理者與現場作業人員進一步檢查的基礎藉以減少吊籠作業職災的發生增

進勞工工作的安全

第一節 前言

有關吊籠職災案例經查詢過去十年間(民國 92~101 年)行政院勞工委員會歷年職

災實例[ 1]以及北中南各區勞動檢查所公告之職災實例統計[ 2][ 3][ 4]登記有案的案

例計五件整理如下表

2

表 1 職災實例統計

年份 案例 災害類型 災害原因分析

92 於吊籠內從事外牆清潔工作發生

隨吊籠墜落致死災害 墜落

設置於女兒牆之夾牆架固定不

良

93 捲揚機吊鐵籠子著從事外牆補漆

作業時發生墜落物體飛落災害

墜落滾落

物體飛落 未確實將捲揚機機座安裝牢固

94

從事大樓外牆查漏作業因吊籠鋼

索斷裂發生勞工墜落死亡職業災

害案

墜落 吊籠過捲預防裝置失效吊籠未

經檢查合格

95

因吊籠之立地式支架固定基座混

凝土墩損壞連同吊籠工作床台墜

落死亡災害案

墜落滾落

未於吊籠固定方式變更時申請

變更檢查合格即予使用導致

發生吊籠立地式支架固定基座

混凝土墩座之植筋裹握力不足

97

操作吊籠作業因鋼索長度不足突

然脫開捲揚馬達造成吊籠上之勞

工發生墜落災害

墜落滾落

操作高度超出捲揚鋼索長度且

末端未設置防脫落之固定設

施致捲揚鋼索自索端脫開

另外由網路新聞蒐尋未登錄於上述單位的吊籠職災案例尚有下列數件

93 年 8 月 20 日過捲預防裝置(極限開關)失效致使吊籠之伸臂端鋼索及工作台三者

扭碰鋼索瞬間斷裂

95 年 1 月 13 日吊籠固定架突然鬆脫吊籠先向一邊傾斜隨即整座掉落地面

96 年 12 月 21 日捲揚機固定支架固定不良滑移脫落

98 年 12 月 30 日承載支架突然鬆脫

102 年 12 月台中大樓使用吊籠從事外牆維修作業時鋼索突然斷裂造成整個吊籠傾

斜2 名洗窗工人受困於 30 樓高空中

102 年 12 月 3 日新北市「正隆廣場大樓」進行高樓外牆洗窗因強風襲來吊籠被吹

起擺盪 90 度甩到左側牆面卡住不動2 人受困 10 樓高空

不論上述事故為人為因素支撐不良或機械故障但最終多與吊籠的固定方式遭破壞

3

或損傷有關

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 吊籠結構支撐物可分為吊臂與支架兩部分一般多以鋼結構物製作且由於支撐

物多安置於室外故多以鍍鋅或者是塗覆保護層的方式處理藉以降低腐蝕或材質損

傷的情事發生故吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制可藉由一般鋼結構物的腐蝕損

傷機制來了解也可以藉由鋼結構物的檢測機制來了解相關的作法

一吊籠安全檢查構造標準

有關吊籠結構安全的檢測現行辦法為「吊籠安全檢查構造標準」[ 5]於中華民

國九十四年五月十二日行政院勞工委員會勞檢 2 字第 0940024160 號令訂定發布全

文 49 條條文內容係針對吊籠本身結構安全與檢查訂定詳細規範但有關吊籠結

構支撐物的相關規定僅見於第 23 條完整條文如下第 23 條 吊籠之支架吊臂及其

基礎座應具有在積載荷重下保持必要穩定性之構造結構部分應具有足夠強度及

剛性不得有影響該吊籠安全之變形上述條文中並未針對吊籠支撐物的結構做任何

量化的定義因此在實際檢查作業中通常僅能以目視檢測方式觀察是否鏽蝕裂痕

等損傷尚未見具體的量化檢測指標經訪視營造廠商與結構技師建築師等專業人

士了解一般建築物設計裝設吊籠支撐物件時會將相關物件視為建築物結構的一部

份並根據吊籠的負載需求設計結構物的強度並視建築物結構為鋼筋混凝土或鋼結

構物進行結構強度分析設計施工過程中則依照相關結構物施工規範施作並於施

作完成後依據設計之吊籠負載進行荷重測試通過者由相關單位驗證記載證明發予使

用單位存查

因此對於吊籠支撐物結構的相關設計損傷與檢測之基礎規範應可依照鋼筋

混凝土或鋼結構物之相關規範進行整理收集但是由於吊籠支撐物結構尺寸遠小於建

築物規模故部分規範特別是檢測並無法直接使用在吊籠支撐物結 構上

二吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制

因台灣的海島型氣候環境濕度與空氣中氯離子含量偏高容易造成裸露鋼結構

物的腐蝕與損傷因為吊籠結構支撐物的設計與施工原則上是由結構技師依據相關建

築法規所設計因此吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制亦可以由建築結構的相關規範

4

文件來了解

吊籠結構支撐物簡單可以分為吊臂與基座(支架)兩部分由於吊臂通常是可移動的

物件因此可以進行較多的保護與檢測處理故在此以基座作為探討的重點一般而

言吊籠基座可以由結構的部分區分成裸露於大氣環境的部分以及與建築物剛結構

或混凝土結構共構的部分

裸露於大氣環境的部分一般是作為安置吊臂用的機構件多以圓孔設計外加固定

於結構物上所需之螺絲孔法蘭(Fringe)所構成這部分由於裸露於大氣環境中故可

以單純的鋼結構物作為探討的對象另一方面為承受吊籠機載荷重必須將上述的

裸露部分以適當的手法與建築物結構結合故一般吊籠結構支撐基座的底部多為利用

栓錨固定於結構物上同時栓錨必須與建築結構的鋼結構或混凝土結構結合共構如

果建築物純粹是鋼結構則吊籠基座便可以完全是用鋼構造物支檢測與設計規範進行

處理但若為混凝土結構物則吊籠基座分析便必須區分成裸露及混凝土包覆支結構

物來處理

三吊籠結構裸露於大氣環境支撐物的腐蝕損傷機制

首先就裸露於大氣環境中的鋼結構物進行探討一般建築物鋼結構物的設計主要

依循中華民國內政部營建署所頒布的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」[ 6]其中

又可分成「鋼結構容許應力設計法規範及解說」[ 7]與「鋼結構極限設計法規範及解說」

[ 8]兩種設計規範在建築物設計過程中根據吊籠積載荷重的規格依循上述兩種規

範即可計算出吊籠支撐物的相關材料表面處理與形狀尺寸等等數據並定義出工件

圖說而在施作過程現場則必須依「鋼構造建築物鋼結構施工規範」[ 9]所規定的方

法與程序施作待結構物穩定後進行積載荷重測試確認安全後即可給予簽証文件

因此在新建大樓使用初期裸露的吊籠支撐物安全是經過測試的然而由於鋼結構物

裸露在大氣環境中而台灣地處高溫高濕之亞熱帶海島型氣候區除了溼度高之外

四面環海的環境使得大氣中鹽分含量極高正因為大氣中充滿腐蝕因子所以在台灣

結構物往往因為嚴重的腐蝕問題而縮短使用壽命

鋼結構物的腐蝕主要由四大因子造成分別是 1陰極2陽極3電解質4陰陽

極間構成電的通路如果能阻絕其中一項因子便可達到防蝕的目的[ 10]廣義而言鋼

鐵材料必須同時接觸到水及空氣才會腐蝕鋼鐵的腐蝕問題乃環狀空間使得水及氧能

5

聚集在鋼鐵表面而容易腐蝕腐蝕機構乃水份反覆冷凝蒸發水氣覆蓋即反覆乾溼情

況下最容易產生腐蝕問題[ 11]除了水與空氣外溫度為影響腐蝕速率的重要因素

溫度愈高腐蝕率升高相對的溫度愈低 腐蝕率降低攝氏零度時水的腐蝕率則近乎零

由於鋼結構物本身即為腐蝕因子中的陽極物質如果可以減少周遭陰極因子的出

現便可以降低腐蝕的形成國內大氣中的陰極因子主要是由海洋性環境的氯離子及

重工業區排放的二氧化硫所形成的即便是在遠離工業區的住家環境氯離子也會逐

漸造成金屬物件的腐蝕同時因為台灣海島型氣候的關係多雨的條件提供腐蝕因子

中陰陽極間構成電的通路所需的積水故建築物的鋼結構物腐蝕更容易形成並須施

以適當的保戶才能避免

隨著金屬材料的廣泛使用以及伴隨而來的腐蝕問題人們開始重視腐蝕問題的防

治為了達到最佳的防蝕效果各腐蝕防治專家不斷提出各種新型防蝕技術以及更有

效率的施工技術時至今日以鋅為主之各式各樣的防蝕工法如富鋅塗料熱浸鍍鋅

與鋅熔射已經能夠有效的減緩腐蝕問題的發生隨著科技的進步各式各樣不同的防

蝕工法應運而生人們也開始重視防蝕的重要性目前較常見的防蝕工法有[10]

(一)強化法此法可分為兩種第一種是構件本身的強化最常見的方法就是將活

性高的金屬與活性低的金屬混合得到鈍態的合金延長構件的使用壽命第二種則是

利用被覆材料阻絕環境中腐蝕因子與構件的接觸降低氧化反應的可能性此法是防

蝕方法中最普遍的工法被覆防蝕又可分成塗裝被覆與金屬被覆兩種前者包括塗膜

內襯包覆等後者有電鍍熱浸鍍金屬熔射硬銲等

(二)外力法顧名思義就是藉由外力的方法來達到防蝕的目的最常見的有陰極防

蝕與防蝕劑的添加前者是利用替代材料或輔助電極提供電子給構件補充該構件因

為氧化反應而失去的電子陰極防蝕又可分為外加電流與犧牲陽極兩種方式防蝕劑

的添加則是利用化學藥品吸附在金屬表面上生成保護膜降低腐蝕因子的影響藉以達

到防蝕的目的

在早期防蝕材料主要是以具有抑制效果的紅丹(鉛)與鋅鉻黃(六價鉻)來達到防蝕

的效果隨著工業的發展大氣中的腐蝕因子除了水與氧之外硫化物與氮化物的汙

染也會加速腐蝕反應進行而且隨著構件結構體設計日趨大型化搬運過程中的塗膜

碰撞及損傷機率也隨之增加同時國際對於重金屬使用的限制日趨嚴格使得抑制型

6

防鏽材料已漸漸無法滿足防蝕的需求取而代之的是具有犧牲保護作用的鋅金屬防蝕

被覆鋅粉塗料是否能發揮防蝕的功效與系統中鋅含量有著絕對的關係大致上來說

鋅含量的多寡與防蝕效果成正比換句話說鋅的塗層越厚則使用期限越久

目前有一防蝕效果相當優越的材料---鋅鋁材料其耐蝕性是來自於鋁的遮蔽保護

功能與鋅的犧牲保護功能實驗結果指出當鋅鋁材料中鋁的含量為 5時其防蝕效益

約為純鋅防蝕的 3 倍而當鋅鋁材料中鋁的含量為 55時其防蝕效益甚至可達到純鋅

防蝕的 8 倍而且當鋅在構件表面進行犧牲保護作用時鋁會在形成的鈍態的氧化層

適時扮演屏障保護的角色

四吊籠結構與混凝土結構共構支撐物的腐蝕損傷機制

吊籠基座除了裸露於大氣環境的金屬結構或與建築物鋼構物共構部分外另一部

分為與混凝土結構共構的部分一般的吊籠基座多以栓錨固定而栓錨則以埋入混凝

土中與鋼結構物或鋼筋共構以承受吊籠積載負荷

鋼筋混凝土大量被使用於建築土木工程尤其是交通建設方面諸如橋樑港灣hellip

等之重要設施鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料因此工程建造完工起用後

甚少需要維護但是受到環境超載(不當使用)施工品質等因素之影響其材料

結構則可能受到劣化損壞對整體耐久性與安全威脅甚鉅台灣為一海島型氣候終

年高溫高濕每年常遭颱災侵襲又因位處地震帶上地震災損頻傳於此惡劣環

境下鋼筋混凝土甚易受到空氣中之氯離子或其他腐蝕因子之侵入造成鋼筋發生銹

蝕斷裂體積膨脹導致混凝土的劣化剝落損壞[ 12]

相關的鋼筋混凝土設計與施工亦由行政院內政部營建署訂定有相關規範「混凝

土結構設計規範」[ 13]「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[ 14]「結構混凝土

施工規範」[ 15]及「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」[ 16]

近年來國內許多工程與設施之劣化損壞崩陷等案例層出不窮除了外力不

可抗拒因素外探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕在 RC結構物之耐

久性觀點上除了混凝土材料本身材質劣化外鋼筋的腐蝕是評估結構物耐久性之重

要指標之一而吊籠基座的栓錨亦可視作鋼筋混凝土中的鋼筋受到同樣的腐蝕危害

而造成使用時的潛在風險

五鋼筋之腐蝕機理[12]

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

ii

Abstract According to gondola constructed inspection standards and the stand boom and base

seats of gondola gondola should has a strong structure that needed to maintain the stability

Therefore the study applied non-destructive testing technology such as structural damping

and torque measurement methods to ensure the safe under heavy load

First according to the regular base of the type and hanger structure model case create

CAD(Computer Aided Design) then apply FEM(Finite element method) to analyze vertical

strain of deformation amount and damping modal for assessed relation with natural

frequency and damaged shape structure It is experimental measurement to get data of the

damaged shape structure natural frequency and damping in follow-up Another reference to

the international ISO about prevailing torque type steel hexagon nuts standards apply

computer simulation and experimental measurements to compare with seesaw struggle

measurement

The study found the simple application of a torque wrench you can measure the bolts

effective moment but you canrsquot use it for other inspection such as weld damage detection

By experimentally measuring the natural frequency and damping changes the situation is

not significantly associated with structural damage and the measurement noise is not easy to

exclude Using simple structural displacement or strain measurements we can assess the

overall structural rigidity strength

On the other hands we collected relevant supporting structure corrosion damage causes

and mechanisms proposed an inspection guideline The guideline provides labors to inspect

structural stability of safety and avoid structural damage causing occupational hazards

Key Words gondola structural strength modal analysis

iii

目錄

摘 要 i

Abstract ii

目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiii

圖目錄 v

表目錄 viii

第一章 計畫概述 1

第一節 前言 1

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 3

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 10

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷重模擬 19

第一節 模態分析 19

第二節 自然頻率 23

第三節 基礎座損傷之頻率變化 27

第四章 模態分析模型驗證 39

第一節 螺栓緊固 44

第二節 支撐結構應變 51

第五章 實驗設計與結果 55

第一節 螺栓緊固實驗 55

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 63

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 69

第六章 建議安全檢查指引 81

第一節 安裝測試 81

第二節 使用檢查 83

iv

第七章 結論與建議 88

第一節 結論 88

第二節 建議 88

誌謝 89

參考文獻 90

v

圖目錄

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖 19

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖 20

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖 22

圖 4 模型網格化(14mm) 22

圖 5 基座固定端設定 23

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz 24

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz 25

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz 26

圖 9 肋與底板分離示意圖 28

圖 10 肋的編號 28

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分 32

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖 33

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖 34

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘ 37

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘ 38

圖 16 吊籠基礎座組合圖 39

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖 40

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz 41

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz 42

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz 43

圖 21 吊臂固定方向 48

圖 22 螺栓編號 49

圖 23 Case1(正交)位移量 50

vi

圖 24 Case2(斜角)位移量 51

圖 25 法蘭變形測量點 52

圖 26 (b)銲接 12 肋板 53

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量 54

圖 28 應變規型號 56

圖 29 貼黏應變規後的螺栓 56

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住 57

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500 57

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊 58

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖 59

圖 34 拉伸試驗實驗圖 60

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖 62

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較 62

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置 65

圖 38 雷射測距儀 66

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化 66

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化 67

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化 67

圖 42 吊臂的變形位移 68

圖 43 基座的變形位移 68

圖 44 半能量法 69

圖 45 對數衰減法 70

圖 46 FCR 之運算流程圖[23] 71

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖 72

vii

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振 73

圖 49 激振器 73

圖 50 加速度規資料擷取器 74

圖 51 加速規 74

圖 52 伺服馬達 74

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應 75

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析 75

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼 77

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規 78

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號 79

圖 58 千斤頂工具牙套 81

圖 59 設定油壓錶檢測值 82

圖 60 手動幫浦徐徐加壓 82

viii

表目錄

表 1 職災實例統計 2

表 2 目測與量測之檢測方式 12

表 3 網格與自然頻率關係表 21

表 4 基座模態清單 24

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率 29

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率 29

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率 30

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向) 30

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率 34

表 12 基座模態清單 41

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[18] 45

表 14 扭矩因素 K 建議值[19] 46

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20] 47

表 16 Case1(正交)螺栓所受拉力 49

表 17 Case2(斜角)螺栓所受拉力 50

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量 52

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值 58

表 20 實驗平均值標準差與理論值 59

表 21 拉伸力與應變 60

表 22 銲接長度與自然頻率變化 76

表 23 Q-Factor 量測法估測結構阻尼 76

ix

表 24 對數衰減法估測結構阻尼 76

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準 84

1

第一章 計畫概述 近年來由於都是人口成長快速經濟發展旺盛在都會區不但大樓林立而且其高

度也逐漸增加因此定期的大樓外牆的清潔整理必須要使用到外掛式的吊籠作為人

員承載的工具以方便作業人員自由移動到大樓的各個位置

吊籠的使用雖然方便但是其安全性卻有許多面向的考量如果在作業的過程中

沒有按照規定的程序或者指令執行的話經常會引起不必要的職業災害甚至於作業

人員的死亡引起災害的原因除了操作人員的不慎以及天候的變化之外設備的缺

失往往是造成意外的主因除了電器類的設備故障外吊籠的結構以及相關的支撐設

備缺失更是容易造成人員的傷亡因為結構安全的損壞所造成的職災其結果往往是

造成作業人員由高處掉落而造成重大的傷亡但是結構與支撐設備的損傷一般是不

容易由肉眼檢查得知必須要藉由正確的方法與適當的設備才能夠判別出來一般的

結構檢查必須要藉由精密的儀器與冗長的測試這樣的時間與成本不符合現場作業的

時效性與檢查的方便性因此作業人員往往忽略了結構檢查的重要性或者以簡單

的積載荷重進行靜態測試後便展開作業而忽略了潛在的危險因素

本計畫的研究目的即在於了解吊籠職災的案例並探討吊籠結構與支撐物的損傷

與鏽蝕發生的機制更進一步的探討各種可於現場作業進行的簡易檢測與判別方式

提供大樓管理者與現場作業人員進一步檢查的基礎藉以減少吊籠作業職災的發生增

進勞工工作的安全

第一節 前言

有關吊籠職災案例經查詢過去十年間(民國 92~101 年)行政院勞工委員會歷年職

災實例[ 1]以及北中南各區勞動檢查所公告之職災實例統計[ 2][ 3][ 4]登記有案的案

例計五件整理如下表

2

表 1 職災實例統計

年份 案例 災害類型 災害原因分析

92 於吊籠內從事外牆清潔工作發生

隨吊籠墜落致死災害 墜落

設置於女兒牆之夾牆架固定不

良

93 捲揚機吊鐵籠子著從事外牆補漆

作業時發生墜落物體飛落災害

墜落滾落

物體飛落 未確實將捲揚機機座安裝牢固

94

從事大樓外牆查漏作業因吊籠鋼

索斷裂發生勞工墜落死亡職業災

害案

墜落 吊籠過捲預防裝置失效吊籠未

經檢查合格

95

因吊籠之立地式支架固定基座混

凝土墩損壞連同吊籠工作床台墜

落死亡災害案

墜落滾落

未於吊籠固定方式變更時申請

變更檢查合格即予使用導致

發生吊籠立地式支架固定基座

混凝土墩座之植筋裹握力不足

97

操作吊籠作業因鋼索長度不足突

然脫開捲揚馬達造成吊籠上之勞

工發生墜落災害

墜落滾落

操作高度超出捲揚鋼索長度且

末端未設置防脫落之固定設

施致捲揚鋼索自索端脫開

另外由網路新聞蒐尋未登錄於上述單位的吊籠職災案例尚有下列數件

93 年 8 月 20 日過捲預防裝置(極限開關)失效致使吊籠之伸臂端鋼索及工作台三者

扭碰鋼索瞬間斷裂

95 年 1 月 13 日吊籠固定架突然鬆脫吊籠先向一邊傾斜隨即整座掉落地面

96 年 12 月 21 日捲揚機固定支架固定不良滑移脫落

98 年 12 月 30 日承載支架突然鬆脫

102 年 12 月台中大樓使用吊籠從事外牆維修作業時鋼索突然斷裂造成整個吊籠傾

斜2 名洗窗工人受困於 30 樓高空中

102 年 12 月 3 日新北市「正隆廣場大樓」進行高樓外牆洗窗因強風襲來吊籠被吹

起擺盪 90 度甩到左側牆面卡住不動2 人受困 10 樓高空

不論上述事故為人為因素支撐不良或機械故障但最終多與吊籠的固定方式遭破壞

3

或損傷有關

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 吊籠結構支撐物可分為吊臂與支架兩部分一般多以鋼結構物製作且由於支撐

物多安置於室外故多以鍍鋅或者是塗覆保護層的方式處理藉以降低腐蝕或材質損

傷的情事發生故吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制可藉由一般鋼結構物的腐蝕損

傷機制來了解也可以藉由鋼結構物的檢測機制來了解相關的作法

一吊籠安全檢查構造標準

有關吊籠結構安全的檢測現行辦法為「吊籠安全檢查構造標準」[ 5]於中華民

國九十四年五月十二日行政院勞工委員會勞檢 2 字第 0940024160 號令訂定發布全

文 49 條條文內容係針對吊籠本身結構安全與檢查訂定詳細規範但有關吊籠結

構支撐物的相關規定僅見於第 23 條完整條文如下第 23 條 吊籠之支架吊臂及其

基礎座應具有在積載荷重下保持必要穩定性之構造結構部分應具有足夠強度及

剛性不得有影響該吊籠安全之變形上述條文中並未針對吊籠支撐物的結構做任何

量化的定義因此在實際檢查作業中通常僅能以目視檢測方式觀察是否鏽蝕裂痕

等損傷尚未見具體的量化檢測指標經訪視營造廠商與結構技師建築師等專業人

士了解一般建築物設計裝設吊籠支撐物件時會將相關物件視為建築物結構的一部

份並根據吊籠的負載需求設計結構物的強度並視建築物結構為鋼筋混凝土或鋼結

構物進行結構強度分析設計施工過程中則依照相關結構物施工規範施作並於施

作完成後依據設計之吊籠負載進行荷重測試通過者由相關單位驗證記載證明發予使

用單位存查

因此對於吊籠支撐物結構的相關設計損傷與檢測之基礎規範應可依照鋼筋

混凝土或鋼結構物之相關規範進行整理收集但是由於吊籠支撐物結構尺寸遠小於建

築物規模故部分規範特別是檢測並無法直接使用在吊籠支撐物結 構上

二吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制

因台灣的海島型氣候環境濕度與空氣中氯離子含量偏高容易造成裸露鋼結構

物的腐蝕與損傷因為吊籠結構支撐物的設計與施工原則上是由結構技師依據相關建

築法規所設計因此吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制亦可以由建築結構的相關規範

4

文件來了解

吊籠結構支撐物簡單可以分為吊臂與基座(支架)兩部分由於吊臂通常是可移動的

物件因此可以進行較多的保護與檢測處理故在此以基座作為探討的重點一般而

言吊籠基座可以由結構的部分區分成裸露於大氣環境的部分以及與建築物剛結構

或混凝土結構共構的部分

裸露於大氣環境的部分一般是作為安置吊臂用的機構件多以圓孔設計外加固定

於結構物上所需之螺絲孔法蘭(Fringe)所構成這部分由於裸露於大氣環境中故可

以單純的鋼結構物作為探討的對象另一方面為承受吊籠機載荷重必須將上述的

裸露部分以適當的手法與建築物結構結合故一般吊籠結構支撐基座的底部多為利用

栓錨固定於結構物上同時栓錨必須與建築結構的鋼結構或混凝土結構結合共構如

果建築物純粹是鋼結構則吊籠基座便可以完全是用鋼構造物支檢測與設計規範進行

處理但若為混凝土結構物則吊籠基座分析便必須區分成裸露及混凝土包覆支結構

物來處理

三吊籠結構裸露於大氣環境支撐物的腐蝕損傷機制

首先就裸露於大氣環境中的鋼結構物進行探討一般建築物鋼結構物的設計主要

依循中華民國內政部營建署所頒布的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」[ 6]其中

又可分成「鋼結構容許應力設計法規範及解說」[ 7]與「鋼結構極限設計法規範及解說」

[ 8]兩種設計規範在建築物設計過程中根據吊籠積載荷重的規格依循上述兩種規

範即可計算出吊籠支撐物的相關材料表面處理與形狀尺寸等等數據並定義出工件

圖說而在施作過程現場則必須依「鋼構造建築物鋼結構施工規範」[ 9]所規定的方

法與程序施作待結構物穩定後進行積載荷重測試確認安全後即可給予簽証文件

因此在新建大樓使用初期裸露的吊籠支撐物安全是經過測試的然而由於鋼結構物

裸露在大氣環境中而台灣地處高溫高濕之亞熱帶海島型氣候區除了溼度高之外

四面環海的環境使得大氣中鹽分含量極高正因為大氣中充滿腐蝕因子所以在台灣

結構物往往因為嚴重的腐蝕問題而縮短使用壽命

鋼結構物的腐蝕主要由四大因子造成分別是 1陰極2陽極3電解質4陰陽

極間構成電的通路如果能阻絕其中一項因子便可達到防蝕的目的[ 10]廣義而言鋼

鐵材料必須同時接觸到水及空氣才會腐蝕鋼鐵的腐蝕問題乃環狀空間使得水及氧能

5

聚集在鋼鐵表面而容易腐蝕腐蝕機構乃水份反覆冷凝蒸發水氣覆蓋即反覆乾溼情

況下最容易產生腐蝕問題[ 11]除了水與空氣外溫度為影響腐蝕速率的重要因素

溫度愈高腐蝕率升高相對的溫度愈低 腐蝕率降低攝氏零度時水的腐蝕率則近乎零

由於鋼結構物本身即為腐蝕因子中的陽極物質如果可以減少周遭陰極因子的出

現便可以降低腐蝕的形成國內大氣中的陰極因子主要是由海洋性環境的氯離子及

重工業區排放的二氧化硫所形成的即便是在遠離工業區的住家環境氯離子也會逐

漸造成金屬物件的腐蝕同時因為台灣海島型氣候的關係多雨的條件提供腐蝕因子

中陰陽極間構成電的通路所需的積水故建築物的鋼結構物腐蝕更容易形成並須施

以適當的保戶才能避免

隨著金屬材料的廣泛使用以及伴隨而來的腐蝕問題人們開始重視腐蝕問題的防

治為了達到最佳的防蝕效果各腐蝕防治專家不斷提出各種新型防蝕技術以及更有

效率的施工技術時至今日以鋅為主之各式各樣的防蝕工法如富鋅塗料熱浸鍍鋅

與鋅熔射已經能夠有效的減緩腐蝕問題的發生隨著科技的進步各式各樣不同的防

蝕工法應運而生人們也開始重視防蝕的重要性目前較常見的防蝕工法有[10]

(一)強化法此法可分為兩種第一種是構件本身的強化最常見的方法就是將活

性高的金屬與活性低的金屬混合得到鈍態的合金延長構件的使用壽命第二種則是

利用被覆材料阻絕環境中腐蝕因子與構件的接觸降低氧化反應的可能性此法是防

蝕方法中最普遍的工法被覆防蝕又可分成塗裝被覆與金屬被覆兩種前者包括塗膜

內襯包覆等後者有電鍍熱浸鍍金屬熔射硬銲等

(二)外力法顧名思義就是藉由外力的方法來達到防蝕的目的最常見的有陰極防

蝕與防蝕劑的添加前者是利用替代材料或輔助電極提供電子給構件補充該構件因

為氧化反應而失去的電子陰極防蝕又可分為外加電流與犧牲陽極兩種方式防蝕劑

的添加則是利用化學藥品吸附在金屬表面上生成保護膜降低腐蝕因子的影響藉以達

到防蝕的目的

在早期防蝕材料主要是以具有抑制效果的紅丹(鉛)與鋅鉻黃(六價鉻)來達到防蝕

的效果隨著工業的發展大氣中的腐蝕因子除了水與氧之外硫化物與氮化物的汙

染也會加速腐蝕反應進行而且隨著構件結構體設計日趨大型化搬運過程中的塗膜

碰撞及損傷機率也隨之增加同時國際對於重金屬使用的限制日趨嚴格使得抑制型

6

防鏽材料已漸漸無法滿足防蝕的需求取而代之的是具有犧牲保護作用的鋅金屬防蝕

被覆鋅粉塗料是否能發揮防蝕的功效與系統中鋅含量有著絕對的關係大致上來說

鋅含量的多寡與防蝕效果成正比換句話說鋅的塗層越厚則使用期限越久

目前有一防蝕效果相當優越的材料---鋅鋁材料其耐蝕性是來自於鋁的遮蔽保護

功能與鋅的犧牲保護功能實驗結果指出當鋅鋁材料中鋁的含量為 5時其防蝕效益

約為純鋅防蝕的 3 倍而當鋅鋁材料中鋁的含量為 55時其防蝕效益甚至可達到純鋅

防蝕的 8 倍而且當鋅在構件表面進行犧牲保護作用時鋁會在形成的鈍態的氧化層

適時扮演屏障保護的角色

四吊籠結構與混凝土結構共構支撐物的腐蝕損傷機制

吊籠基座除了裸露於大氣環境的金屬結構或與建築物鋼構物共構部分外另一部

分為與混凝土結構共構的部分一般的吊籠基座多以栓錨固定而栓錨則以埋入混凝

土中與鋼結構物或鋼筋共構以承受吊籠積載負荷

鋼筋混凝土大量被使用於建築土木工程尤其是交通建設方面諸如橋樑港灣hellip

等之重要設施鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料因此工程建造完工起用後

甚少需要維護但是受到環境超載(不當使用)施工品質等因素之影響其材料

結構則可能受到劣化損壞對整體耐久性與安全威脅甚鉅台灣為一海島型氣候終

年高溫高濕每年常遭颱災侵襲又因位處地震帶上地震災損頻傳於此惡劣環

境下鋼筋混凝土甚易受到空氣中之氯離子或其他腐蝕因子之侵入造成鋼筋發生銹

蝕斷裂體積膨脹導致混凝土的劣化剝落損壞[ 12]

相關的鋼筋混凝土設計與施工亦由行政院內政部營建署訂定有相關規範「混凝

土結構設計規範」[ 13]「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[ 14]「結構混凝土

施工規範」[ 15]及「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」[ 16]

近年來國內許多工程與設施之劣化損壞崩陷等案例層出不窮除了外力不

可抗拒因素外探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕在 RC結構物之耐

久性觀點上除了混凝土材料本身材質劣化外鋼筋的腐蝕是評估結構物耐久性之重

要指標之一而吊籠基座的栓錨亦可視作鋼筋混凝土中的鋼筋受到同樣的腐蝕危害

而造成使用時的潛在風險

五鋼筋之腐蝕機理[12]

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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iii

目錄

摘 要 i

Abstract ii

目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiii

圖目錄 v

表目錄 viii

第一章 計畫概述 1

第一節 前言 1

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 3

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 10

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷重模擬 19

第一節 模態分析 19

第二節 自然頻率 23

第三節 基礎座損傷之頻率變化 27

第四章 模態分析模型驗證 39

第一節 螺栓緊固 44

第二節 支撐結構應變 51

第五章 實驗設計與結果 55

第一節 螺栓緊固實驗 55

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 63

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 69

第六章 建議安全檢查指引 81

第一節 安裝測試 81

第二節 使用檢查 83

iv

第七章 結論與建議 88

第一節 結論 88

第二節 建議 88

誌謝 89

參考文獻 90

v

圖目錄

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖 19

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖 20

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖 22

圖 4 模型網格化(14mm) 22

圖 5 基座固定端設定 23

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz 24

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz 25

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz 26

圖 9 肋與底板分離示意圖 28

圖 10 肋的編號 28

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分 32

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖 33

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖 34

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘ 37

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘ 38

圖 16 吊籠基礎座組合圖 39

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖 40

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz 41

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz 42

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz 43

圖 21 吊臂固定方向 48

圖 22 螺栓編號 49

圖 23 Case1(正交)位移量 50

vi

圖 24 Case2(斜角)位移量 51

圖 25 法蘭變形測量點 52

圖 26 (b)銲接 12 肋板 53

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量 54

圖 28 應變規型號 56

圖 29 貼黏應變規後的螺栓 56

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住 57

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500 57

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊 58

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖 59

圖 34 拉伸試驗實驗圖 60

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖 62

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較 62

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置 65

圖 38 雷射測距儀 66

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化 66

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化 67

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化 67

圖 42 吊臂的變形位移 68

圖 43 基座的變形位移 68

圖 44 半能量法 69

圖 45 對數衰減法 70

圖 46 FCR 之運算流程圖[23] 71

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖 72

vii

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振 73

圖 49 激振器 73

圖 50 加速度規資料擷取器 74

圖 51 加速規 74

圖 52 伺服馬達 74

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應 75

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析 75

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼 77

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規 78

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號 79

圖 58 千斤頂工具牙套 81

圖 59 設定油壓錶檢測值 82

圖 60 手動幫浦徐徐加壓 82

viii

表目錄

表 1 職災實例統計 2

表 2 目測與量測之檢測方式 12

表 3 網格與自然頻率關係表 21

表 4 基座模態清單 24

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率 29

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率 29

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率 30

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向) 30

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率 34

表 12 基座模態清單 41

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[18] 45

表 14 扭矩因素 K 建議值[19] 46

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20] 47

表 16 Case1(正交)螺栓所受拉力 49

表 17 Case2(斜角)螺栓所受拉力 50

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量 52

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值 58

表 20 實驗平均值標準差與理論值 59

表 21 拉伸力與應變 60

表 22 銲接長度與自然頻率變化 76

表 23 Q-Factor 量測法估測結構阻尼 76

ix

表 24 對數衰減法估測結構阻尼 76

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準 84

1

第一章 計畫概述 近年來由於都是人口成長快速經濟發展旺盛在都會區不但大樓林立而且其高

度也逐漸增加因此定期的大樓外牆的清潔整理必須要使用到外掛式的吊籠作為人

員承載的工具以方便作業人員自由移動到大樓的各個位置

吊籠的使用雖然方便但是其安全性卻有許多面向的考量如果在作業的過程中

沒有按照規定的程序或者指令執行的話經常會引起不必要的職業災害甚至於作業

人員的死亡引起災害的原因除了操作人員的不慎以及天候的變化之外設備的缺

失往往是造成意外的主因除了電器類的設備故障外吊籠的結構以及相關的支撐設

備缺失更是容易造成人員的傷亡因為結構安全的損壞所造成的職災其結果往往是

造成作業人員由高處掉落而造成重大的傷亡但是結構與支撐設備的損傷一般是不

容易由肉眼檢查得知必須要藉由正確的方法與適當的設備才能夠判別出來一般的

結構檢查必須要藉由精密的儀器與冗長的測試這樣的時間與成本不符合現場作業的

時效性與檢查的方便性因此作業人員往往忽略了結構檢查的重要性或者以簡單

的積載荷重進行靜態測試後便展開作業而忽略了潛在的危險因素

本計畫的研究目的即在於了解吊籠職災的案例並探討吊籠結構與支撐物的損傷

與鏽蝕發生的機制更進一步的探討各種可於現場作業進行的簡易檢測與判別方式

提供大樓管理者與現場作業人員進一步檢查的基礎藉以減少吊籠作業職災的發生增

進勞工工作的安全

第一節 前言

有關吊籠職災案例經查詢過去十年間(民國 92~101 年)行政院勞工委員會歷年職

災實例[ 1]以及北中南各區勞動檢查所公告之職災實例統計[ 2][ 3][ 4]登記有案的案

例計五件整理如下表

2

表 1 職災實例統計

年份 案例 災害類型 災害原因分析

92 於吊籠內從事外牆清潔工作發生

隨吊籠墜落致死災害 墜落

設置於女兒牆之夾牆架固定不

良

93 捲揚機吊鐵籠子著從事外牆補漆

作業時發生墜落物體飛落災害

墜落滾落

物體飛落 未確實將捲揚機機座安裝牢固

94

從事大樓外牆查漏作業因吊籠鋼

索斷裂發生勞工墜落死亡職業災

害案

墜落 吊籠過捲預防裝置失效吊籠未

經檢查合格

95

因吊籠之立地式支架固定基座混

凝土墩損壞連同吊籠工作床台墜

落死亡災害案

墜落滾落

未於吊籠固定方式變更時申請

變更檢查合格即予使用導致

發生吊籠立地式支架固定基座

混凝土墩座之植筋裹握力不足

97

操作吊籠作業因鋼索長度不足突

然脫開捲揚馬達造成吊籠上之勞

工發生墜落災害

墜落滾落

操作高度超出捲揚鋼索長度且

末端未設置防脫落之固定設

施致捲揚鋼索自索端脫開

另外由網路新聞蒐尋未登錄於上述單位的吊籠職災案例尚有下列數件

93 年 8 月 20 日過捲預防裝置(極限開關)失效致使吊籠之伸臂端鋼索及工作台三者

扭碰鋼索瞬間斷裂

95 年 1 月 13 日吊籠固定架突然鬆脫吊籠先向一邊傾斜隨即整座掉落地面

96 年 12 月 21 日捲揚機固定支架固定不良滑移脫落

98 年 12 月 30 日承載支架突然鬆脫

102 年 12 月台中大樓使用吊籠從事外牆維修作業時鋼索突然斷裂造成整個吊籠傾

斜2 名洗窗工人受困於 30 樓高空中

102 年 12 月 3 日新北市「正隆廣場大樓」進行高樓外牆洗窗因強風襲來吊籠被吹

起擺盪 90 度甩到左側牆面卡住不動2 人受困 10 樓高空

不論上述事故為人為因素支撐不良或機械故障但最終多與吊籠的固定方式遭破壞

3

或損傷有關

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 吊籠結構支撐物可分為吊臂與支架兩部分一般多以鋼結構物製作且由於支撐

物多安置於室外故多以鍍鋅或者是塗覆保護層的方式處理藉以降低腐蝕或材質損

傷的情事發生故吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制可藉由一般鋼結構物的腐蝕損

傷機制來了解也可以藉由鋼結構物的檢測機制來了解相關的作法

一吊籠安全檢查構造標準

有關吊籠結構安全的檢測現行辦法為「吊籠安全檢查構造標準」[ 5]於中華民

國九十四年五月十二日行政院勞工委員會勞檢 2 字第 0940024160 號令訂定發布全

文 49 條條文內容係針對吊籠本身結構安全與檢查訂定詳細規範但有關吊籠結

構支撐物的相關規定僅見於第 23 條完整條文如下第 23 條 吊籠之支架吊臂及其

基礎座應具有在積載荷重下保持必要穩定性之構造結構部分應具有足夠強度及

剛性不得有影響該吊籠安全之變形上述條文中並未針對吊籠支撐物的結構做任何

量化的定義因此在實際檢查作業中通常僅能以目視檢測方式觀察是否鏽蝕裂痕

等損傷尚未見具體的量化檢測指標經訪視營造廠商與結構技師建築師等專業人

士了解一般建築物設計裝設吊籠支撐物件時會將相關物件視為建築物結構的一部

份並根據吊籠的負載需求設計結構物的強度並視建築物結構為鋼筋混凝土或鋼結

構物進行結構強度分析設計施工過程中則依照相關結構物施工規範施作並於施

作完成後依據設計之吊籠負載進行荷重測試通過者由相關單位驗證記載證明發予使

用單位存查

因此對於吊籠支撐物結構的相關設計損傷與檢測之基礎規範應可依照鋼筋

混凝土或鋼結構物之相關規範進行整理收集但是由於吊籠支撐物結構尺寸遠小於建

築物規模故部分規範特別是檢測並無法直接使用在吊籠支撐物結 構上

二吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制

因台灣的海島型氣候環境濕度與空氣中氯離子含量偏高容易造成裸露鋼結構

物的腐蝕與損傷因為吊籠結構支撐物的設計與施工原則上是由結構技師依據相關建

築法規所設計因此吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制亦可以由建築結構的相關規範

4

文件來了解

吊籠結構支撐物簡單可以分為吊臂與基座(支架)兩部分由於吊臂通常是可移動的

物件因此可以進行較多的保護與檢測處理故在此以基座作為探討的重點一般而

言吊籠基座可以由結構的部分區分成裸露於大氣環境的部分以及與建築物剛結構

或混凝土結構共構的部分

裸露於大氣環境的部分一般是作為安置吊臂用的機構件多以圓孔設計外加固定

於結構物上所需之螺絲孔法蘭(Fringe)所構成這部分由於裸露於大氣環境中故可

以單純的鋼結構物作為探討的對象另一方面為承受吊籠機載荷重必須將上述的

裸露部分以適當的手法與建築物結構結合故一般吊籠結構支撐基座的底部多為利用

栓錨固定於結構物上同時栓錨必須與建築結構的鋼結構或混凝土結構結合共構如

果建築物純粹是鋼結構則吊籠基座便可以完全是用鋼構造物支檢測與設計規範進行

處理但若為混凝土結構物則吊籠基座分析便必須區分成裸露及混凝土包覆支結構

物來處理

三吊籠結構裸露於大氣環境支撐物的腐蝕損傷機制

首先就裸露於大氣環境中的鋼結構物進行探討一般建築物鋼結構物的設計主要

依循中華民國內政部營建署所頒布的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」[ 6]其中

又可分成「鋼結構容許應力設計法規範及解說」[ 7]與「鋼結構極限設計法規範及解說」

[ 8]兩種設計規範在建築物設計過程中根據吊籠積載荷重的規格依循上述兩種規

範即可計算出吊籠支撐物的相關材料表面處理與形狀尺寸等等數據並定義出工件

圖說而在施作過程現場則必須依「鋼構造建築物鋼結構施工規範」[ 9]所規定的方

法與程序施作待結構物穩定後進行積載荷重測試確認安全後即可給予簽証文件

因此在新建大樓使用初期裸露的吊籠支撐物安全是經過測試的然而由於鋼結構物

裸露在大氣環境中而台灣地處高溫高濕之亞熱帶海島型氣候區除了溼度高之外

四面環海的環境使得大氣中鹽分含量極高正因為大氣中充滿腐蝕因子所以在台灣

結構物往往因為嚴重的腐蝕問題而縮短使用壽命

鋼結構物的腐蝕主要由四大因子造成分別是 1陰極2陽極3電解質4陰陽

極間構成電的通路如果能阻絕其中一項因子便可達到防蝕的目的[ 10]廣義而言鋼

鐵材料必須同時接觸到水及空氣才會腐蝕鋼鐵的腐蝕問題乃環狀空間使得水及氧能

5

聚集在鋼鐵表面而容易腐蝕腐蝕機構乃水份反覆冷凝蒸發水氣覆蓋即反覆乾溼情

況下最容易產生腐蝕問題[ 11]除了水與空氣外溫度為影響腐蝕速率的重要因素

溫度愈高腐蝕率升高相對的溫度愈低 腐蝕率降低攝氏零度時水的腐蝕率則近乎零

由於鋼結構物本身即為腐蝕因子中的陽極物質如果可以減少周遭陰極因子的出

現便可以降低腐蝕的形成國內大氣中的陰極因子主要是由海洋性環境的氯離子及

重工業區排放的二氧化硫所形成的即便是在遠離工業區的住家環境氯離子也會逐

漸造成金屬物件的腐蝕同時因為台灣海島型氣候的關係多雨的條件提供腐蝕因子

中陰陽極間構成電的通路所需的積水故建築物的鋼結構物腐蝕更容易形成並須施

以適當的保戶才能避免

隨著金屬材料的廣泛使用以及伴隨而來的腐蝕問題人們開始重視腐蝕問題的防

治為了達到最佳的防蝕效果各腐蝕防治專家不斷提出各種新型防蝕技術以及更有

效率的施工技術時至今日以鋅為主之各式各樣的防蝕工法如富鋅塗料熱浸鍍鋅

與鋅熔射已經能夠有效的減緩腐蝕問題的發生隨著科技的進步各式各樣不同的防

蝕工法應運而生人們也開始重視防蝕的重要性目前較常見的防蝕工法有[10]

(一)強化法此法可分為兩種第一種是構件本身的強化最常見的方法就是將活

性高的金屬與活性低的金屬混合得到鈍態的合金延長構件的使用壽命第二種則是

利用被覆材料阻絕環境中腐蝕因子與構件的接觸降低氧化反應的可能性此法是防

蝕方法中最普遍的工法被覆防蝕又可分成塗裝被覆與金屬被覆兩種前者包括塗膜

內襯包覆等後者有電鍍熱浸鍍金屬熔射硬銲等

(二)外力法顧名思義就是藉由外力的方法來達到防蝕的目的最常見的有陰極防

蝕與防蝕劑的添加前者是利用替代材料或輔助電極提供電子給構件補充該構件因

為氧化反應而失去的電子陰極防蝕又可分為外加電流與犧牲陽極兩種方式防蝕劑

的添加則是利用化學藥品吸附在金屬表面上生成保護膜降低腐蝕因子的影響藉以達

到防蝕的目的

在早期防蝕材料主要是以具有抑制效果的紅丹(鉛)與鋅鉻黃(六價鉻)來達到防蝕

的效果隨著工業的發展大氣中的腐蝕因子除了水與氧之外硫化物與氮化物的汙

染也會加速腐蝕反應進行而且隨著構件結構體設計日趨大型化搬運過程中的塗膜

碰撞及損傷機率也隨之增加同時國際對於重金屬使用的限制日趨嚴格使得抑制型

6

防鏽材料已漸漸無法滿足防蝕的需求取而代之的是具有犧牲保護作用的鋅金屬防蝕

被覆鋅粉塗料是否能發揮防蝕的功效與系統中鋅含量有著絕對的關係大致上來說

鋅含量的多寡與防蝕效果成正比換句話說鋅的塗層越厚則使用期限越久

目前有一防蝕效果相當優越的材料---鋅鋁材料其耐蝕性是來自於鋁的遮蔽保護

功能與鋅的犧牲保護功能實驗結果指出當鋅鋁材料中鋁的含量為 5時其防蝕效益

約為純鋅防蝕的 3 倍而當鋅鋁材料中鋁的含量為 55時其防蝕效益甚至可達到純鋅

防蝕的 8 倍而且當鋅在構件表面進行犧牲保護作用時鋁會在形成的鈍態的氧化層

適時扮演屏障保護的角色

四吊籠結構與混凝土結構共構支撐物的腐蝕損傷機制

吊籠基座除了裸露於大氣環境的金屬結構或與建築物鋼構物共構部分外另一部

分為與混凝土結構共構的部分一般的吊籠基座多以栓錨固定而栓錨則以埋入混凝

土中與鋼結構物或鋼筋共構以承受吊籠積載負荷

鋼筋混凝土大量被使用於建築土木工程尤其是交通建設方面諸如橋樑港灣hellip

等之重要設施鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料因此工程建造完工起用後

甚少需要維護但是受到環境超載(不當使用)施工品質等因素之影響其材料

結構則可能受到劣化損壞對整體耐久性與安全威脅甚鉅台灣為一海島型氣候終

年高溫高濕每年常遭颱災侵襲又因位處地震帶上地震災損頻傳於此惡劣環

境下鋼筋混凝土甚易受到空氣中之氯離子或其他腐蝕因子之侵入造成鋼筋發生銹

蝕斷裂體積膨脹導致混凝土的劣化剝落損壞[ 12]

相關的鋼筋混凝土設計與施工亦由行政院內政部營建署訂定有相關規範「混凝

土結構設計規範」[ 13]「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[ 14]「結構混凝土

施工規範」[ 15]及「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」[ 16]

近年來國內許多工程與設施之劣化損壞崩陷等案例層出不窮除了外力不

可抗拒因素外探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕在 RC結構物之耐

久性觀點上除了混凝土材料本身材質劣化外鋼筋的腐蝕是評估結構物耐久性之重

要指標之一而吊籠基座的栓錨亦可視作鋼筋混凝土中的鋼筋受到同樣的腐蝕危害

而造成使用時的潛在風險

五鋼筋之腐蝕機理[12]

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

iv

第七章 結論與建議 88

第一節 結論 88

第二節 建議 88

誌謝 89

參考文獻 90

v

圖目錄

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖 19

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖 20

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖 22

圖 4 模型網格化(14mm) 22

圖 5 基座固定端設定 23

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz 24

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz 25

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz 26

圖 9 肋與底板分離示意圖 28

圖 10 肋的編號 28

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分 32

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖 33

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖 34

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘ 37

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘ 38

圖 16 吊籠基礎座組合圖 39

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖 40

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz 41

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz 42

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz 43

圖 21 吊臂固定方向 48

圖 22 螺栓編號 49

圖 23 Case1(正交)位移量 50

vi

圖 24 Case2(斜角)位移量 51

圖 25 法蘭變形測量點 52

圖 26 (b)銲接 12 肋板 53

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量 54

圖 28 應變規型號 56

圖 29 貼黏應變規後的螺栓 56

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住 57

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500 57

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊 58

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖 59

圖 34 拉伸試驗實驗圖 60

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖 62

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較 62

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置 65

圖 38 雷射測距儀 66

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化 66

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化 67

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化 67

圖 42 吊臂的變形位移 68

圖 43 基座的變形位移 68

圖 44 半能量法 69

圖 45 對數衰減法 70

圖 46 FCR 之運算流程圖[23] 71

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖 72

vii

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振 73

圖 49 激振器 73

圖 50 加速度規資料擷取器 74

圖 51 加速規 74

圖 52 伺服馬達 74

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應 75

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析 75

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼 77

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規 78

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號 79

圖 58 千斤頂工具牙套 81

圖 59 設定油壓錶檢測值 82

圖 60 手動幫浦徐徐加壓 82

viii

表目錄

表 1 職災實例統計 2

表 2 目測與量測之檢測方式 12

表 3 網格與自然頻率關係表 21

表 4 基座模態清單 24

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率 29

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率 29

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率 30

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向) 30

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率 34

表 12 基座模態清單 41

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[18] 45

表 14 扭矩因素 K 建議值[19] 46

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20] 47

表 16 Case1(正交)螺栓所受拉力 49

表 17 Case2(斜角)螺栓所受拉力 50

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量 52

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值 58

表 20 實驗平均值標準差與理論值 59

表 21 拉伸力與應變 60

表 22 銲接長度與自然頻率變化 76

表 23 Q-Factor 量測法估測結構阻尼 76

ix

表 24 對數衰減法估測結構阻尼 76

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準 84

1

第一章 計畫概述 近年來由於都是人口成長快速經濟發展旺盛在都會區不但大樓林立而且其高

度也逐漸增加因此定期的大樓外牆的清潔整理必須要使用到外掛式的吊籠作為人

員承載的工具以方便作業人員自由移動到大樓的各個位置

吊籠的使用雖然方便但是其安全性卻有許多面向的考量如果在作業的過程中

沒有按照規定的程序或者指令執行的話經常會引起不必要的職業災害甚至於作業

人員的死亡引起災害的原因除了操作人員的不慎以及天候的變化之外設備的缺

失往往是造成意外的主因除了電器類的設備故障外吊籠的結構以及相關的支撐設

備缺失更是容易造成人員的傷亡因為結構安全的損壞所造成的職災其結果往往是

造成作業人員由高處掉落而造成重大的傷亡但是結構與支撐設備的損傷一般是不

容易由肉眼檢查得知必須要藉由正確的方法與適當的設備才能夠判別出來一般的

結構檢查必須要藉由精密的儀器與冗長的測試這樣的時間與成本不符合現場作業的

時效性與檢查的方便性因此作業人員往往忽略了結構檢查的重要性或者以簡單

的積載荷重進行靜態測試後便展開作業而忽略了潛在的危險因素

本計畫的研究目的即在於了解吊籠職災的案例並探討吊籠結構與支撐物的損傷

與鏽蝕發生的機制更進一步的探討各種可於現場作業進行的簡易檢測與判別方式

提供大樓管理者與現場作業人員進一步檢查的基礎藉以減少吊籠作業職災的發生增

進勞工工作的安全

第一節 前言

有關吊籠職災案例經查詢過去十年間(民國 92~101 年)行政院勞工委員會歷年職

災實例[ 1]以及北中南各區勞動檢查所公告之職災實例統計[ 2][ 3][ 4]登記有案的案

例計五件整理如下表

2

表 1 職災實例統計

年份 案例 災害類型 災害原因分析

92 於吊籠內從事外牆清潔工作發生

隨吊籠墜落致死災害 墜落

設置於女兒牆之夾牆架固定不

良

93 捲揚機吊鐵籠子著從事外牆補漆

作業時發生墜落物體飛落災害

墜落滾落

物體飛落 未確實將捲揚機機座安裝牢固

94

從事大樓外牆查漏作業因吊籠鋼

索斷裂發生勞工墜落死亡職業災

害案

墜落 吊籠過捲預防裝置失效吊籠未

經檢查合格

95

因吊籠之立地式支架固定基座混

凝土墩損壞連同吊籠工作床台墜

落死亡災害案

墜落滾落

未於吊籠固定方式變更時申請

變更檢查合格即予使用導致

發生吊籠立地式支架固定基座

混凝土墩座之植筋裹握力不足

97

操作吊籠作業因鋼索長度不足突

然脫開捲揚馬達造成吊籠上之勞

工發生墜落災害

墜落滾落

操作高度超出捲揚鋼索長度且

末端未設置防脫落之固定設

施致捲揚鋼索自索端脫開

另外由網路新聞蒐尋未登錄於上述單位的吊籠職災案例尚有下列數件

93 年 8 月 20 日過捲預防裝置(極限開關)失效致使吊籠之伸臂端鋼索及工作台三者

扭碰鋼索瞬間斷裂

95 年 1 月 13 日吊籠固定架突然鬆脫吊籠先向一邊傾斜隨即整座掉落地面

96 年 12 月 21 日捲揚機固定支架固定不良滑移脫落

98 年 12 月 30 日承載支架突然鬆脫

102 年 12 月台中大樓使用吊籠從事外牆維修作業時鋼索突然斷裂造成整個吊籠傾

斜2 名洗窗工人受困於 30 樓高空中

102 年 12 月 3 日新北市「正隆廣場大樓」進行高樓外牆洗窗因強風襲來吊籠被吹

起擺盪 90 度甩到左側牆面卡住不動2 人受困 10 樓高空

不論上述事故為人為因素支撐不良或機械故障但最終多與吊籠的固定方式遭破壞

3

或損傷有關

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 吊籠結構支撐物可分為吊臂與支架兩部分一般多以鋼結構物製作且由於支撐

物多安置於室外故多以鍍鋅或者是塗覆保護層的方式處理藉以降低腐蝕或材質損

傷的情事發生故吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制可藉由一般鋼結構物的腐蝕損

傷機制來了解也可以藉由鋼結構物的檢測機制來了解相關的作法

一吊籠安全檢查構造標準

有關吊籠結構安全的檢測現行辦法為「吊籠安全檢查構造標準」[ 5]於中華民

國九十四年五月十二日行政院勞工委員會勞檢 2 字第 0940024160 號令訂定發布全

文 49 條條文內容係針對吊籠本身結構安全與檢查訂定詳細規範但有關吊籠結

構支撐物的相關規定僅見於第 23 條完整條文如下第 23 條 吊籠之支架吊臂及其

基礎座應具有在積載荷重下保持必要穩定性之構造結構部分應具有足夠強度及

剛性不得有影響該吊籠安全之變形上述條文中並未針對吊籠支撐物的結構做任何

量化的定義因此在實際檢查作業中通常僅能以目視檢測方式觀察是否鏽蝕裂痕

等損傷尚未見具體的量化檢測指標經訪視營造廠商與結構技師建築師等專業人

士了解一般建築物設計裝設吊籠支撐物件時會將相關物件視為建築物結構的一部

份並根據吊籠的負載需求設計結構物的強度並視建築物結構為鋼筋混凝土或鋼結

構物進行結構強度分析設計施工過程中則依照相關結構物施工規範施作並於施

作完成後依據設計之吊籠負載進行荷重測試通過者由相關單位驗證記載證明發予使

用單位存查

因此對於吊籠支撐物結構的相關設計損傷與檢測之基礎規範應可依照鋼筋

混凝土或鋼結構物之相關規範進行整理收集但是由於吊籠支撐物結構尺寸遠小於建

築物規模故部分規範特別是檢測並無法直接使用在吊籠支撐物結 構上

二吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制

因台灣的海島型氣候環境濕度與空氣中氯離子含量偏高容易造成裸露鋼結構

物的腐蝕與損傷因為吊籠結構支撐物的設計與施工原則上是由結構技師依據相關建

築法規所設計因此吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制亦可以由建築結構的相關規範

4

文件來了解

吊籠結構支撐物簡單可以分為吊臂與基座(支架)兩部分由於吊臂通常是可移動的

物件因此可以進行較多的保護與檢測處理故在此以基座作為探討的重點一般而

言吊籠基座可以由結構的部分區分成裸露於大氣環境的部分以及與建築物剛結構

或混凝土結構共構的部分

裸露於大氣環境的部分一般是作為安置吊臂用的機構件多以圓孔設計外加固定

於結構物上所需之螺絲孔法蘭(Fringe)所構成這部分由於裸露於大氣環境中故可

以單純的鋼結構物作為探討的對象另一方面為承受吊籠機載荷重必須將上述的

裸露部分以適當的手法與建築物結構結合故一般吊籠結構支撐基座的底部多為利用

栓錨固定於結構物上同時栓錨必須與建築結構的鋼結構或混凝土結構結合共構如

果建築物純粹是鋼結構則吊籠基座便可以完全是用鋼構造物支檢測與設計規範進行

處理但若為混凝土結構物則吊籠基座分析便必須區分成裸露及混凝土包覆支結構

物來處理

三吊籠結構裸露於大氣環境支撐物的腐蝕損傷機制

首先就裸露於大氣環境中的鋼結構物進行探討一般建築物鋼結構物的設計主要

依循中華民國內政部營建署所頒布的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」[ 6]其中

又可分成「鋼結構容許應力設計法規範及解說」[ 7]與「鋼結構極限設計法規範及解說」

[ 8]兩種設計規範在建築物設計過程中根據吊籠積載荷重的規格依循上述兩種規

範即可計算出吊籠支撐物的相關材料表面處理與形狀尺寸等等數據並定義出工件

圖說而在施作過程現場則必須依「鋼構造建築物鋼結構施工規範」[ 9]所規定的方

法與程序施作待結構物穩定後進行積載荷重測試確認安全後即可給予簽証文件

因此在新建大樓使用初期裸露的吊籠支撐物安全是經過測試的然而由於鋼結構物

裸露在大氣環境中而台灣地處高溫高濕之亞熱帶海島型氣候區除了溼度高之外

四面環海的環境使得大氣中鹽分含量極高正因為大氣中充滿腐蝕因子所以在台灣

結構物往往因為嚴重的腐蝕問題而縮短使用壽命

鋼結構物的腐蝕主要由四大因子造成分別是 1陰極2陽極3電解質4陰陽

極間構成電的通路如果能阻絕其中一項因子便可達到防蝕的目的[ 10]廣義而言鋼

鐵材料必須同時接觸到水及空氣才會腐蝕鋼鐵的腐蝕問題乃環狀空間使得水及氧能

5

聚集在鋼鐵表面而容易腐蝕腐蝕機構乃水份反覆冷凝蒸發水氣覆蓋即反覆乾溼情

況下最容易產生腐蝕問題[ 11]除了水與空氣外溫度為影響腐蝕速率的重要因素

溫度愈高腐蝕率升高相對的溫度愈低 腐蝕率降低攝氏零度時水的腐蝕率則近乎零

由於鋼結構物本身即為腐蝕因子中的陽極物質如果可以減少周遭陰極因子的出

現便可以降低腐蝕的形成國內大氣中的陰極因子主要是由海洋性環境的氯離子及

重工業區排放的二氧化硫所形成的即便是在遠離工業區的住家環境氯離子也會逐

漸造成金屬物件的腐蝕同時因為台灣海島型氣候的關係多雨的條件提供腐蝕因子

中陰陽極間構成電的通路所需的積水故建築物的鋼結構物腐蝕更容易形成並須施

以適當的保戶才能避免

隨著金屬材料的廣泛使用以及伴隨而來的腐蝕問題人們開始重視腐蝕問題的防

治為了達到最佳的防蝕效果各腐蝕防治專家不斷提出各種新型防蝕技術以及更有

效率的施工技術時至今日以鋅為主之各式各樣的防蝕工法如富鋅塗料熱浸鍍鋅

與鋅熔射已經能夠有效的減緩腐蝕問題的發生隨著科技的進步各式各樣不同的防

蝕工法應運而生人們也開始重視防蝕的重要性目前較常見的防蝕工法有[10]

(一)強化法此法可分為兩種第一種是構件本身的強化最常見的方法就是將活

性高的金屬與活性低的金屬混合得到鈍態的合金延長構件的使用壽命第二種則是

利用被覆材料阻絕環境中腐蝕因子與構件的接觸降低氧化反應的可能性此法是防

蝕方法中最普遍的工法被覆防蝕又可分成塗裝被覆與金屬被覆兩種前者包括塗膜

內襯包覆等後者有電鍍熱浸鍍金屬熔射硬銲等

(二)外力法顧名思義就是藉由外力的方法來達到防蝕的目的最常見的有陰極防

蝕與防蝕劑的添加前者是利用替代材料或輔助電極提供電子給構件補充該構件因

為氧化反應而失去的電子陰極防蝕又可分為外加電流與犧牲陽極兩種方式防蝕劑

的添加則是利用化學藥品吸附在金屬表面上生成保護膜降低腐蝕因子的影響藉以達

到防蝕的目的

在早期防蝕材料主要是以具有抑制效果的紅丹(鉛)與鋅鉻黃(六價鉻)來達到防蝕

的效果隨著工業的發展大氣中的腐蝕因子除了水與氧之外硫化物與氮化物的汙

染也會加速腐蝕反應進行而且隨著構件結構體設計日趨大型化搬運過程中的塗膜

碰撞及損傷機率也隨之增加同時國際對於重金屬使用的限制日趨嚴格使得抑制型

6

防鏽材料已漸漸無法滿足防蝕的需求取而代之的是具有犧牲保護作用的鋅金屬防蝕

被覆鋅粉塗料是否能發揮防蝕的功效與系統中鋅含量有著絕對的關係大致上來說

鋅含量的多寡與防蝕效果成正比換句話說鋅的塗層越厚則使用期限越久

目前有一防蝕效果相當優越的材料---鋅鋁材料其耐蝕性是來自於鋁的遮蔽保護

功能與鋅的犧牲保護功能實驗結果指出當鋅鋁材料中鋁的含量為 5時其防蝕效益

約為純鋅防蝕的 3 倍而當鋅鋁材料中鋁的含量為 55時其防蝕效益甚至可達到純鋅

防蝕的 8 倍而且當鋅在構件表面進行犧牲保護作用時鋁會在形成的鈍態的氧化層

適時扮演屏障保護的角色

四吊籠結構與混凝土結構共構支撐物的腐蝕損傷機制

吊籠基座除了裸露於大氣環境的金屬結構或與建築物鋼構物共構部分外另一部

分為與混凝土結構共構的部分一般的吊籠基座多以栓錨固定而栓錨則以埋入混凝

土中與鋼結構物或鋼筋共構以承受吊籠積載負荷

鋼筋混凝土大量被使用於建築土木工程尤其是交通建設方面諸如橋樑港灣hellip

等之重要設施鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料因此工程建造完工起用後

甚少需要維護但是受到環境超載(不當使用)施工品質等因素之影響其材料

結構則可能受到劣化損壞對整體耐久性與安全威脅甚鉅台灣為一海島型氣候終

年高溫高濕每年常遭颱災侵襲又因位處地震帶上地震災損頻傳於此惡劣環

境下鋼筋混凝土甚易受到空氣中之氯離子或其他腐蝕因子之侵入造成鋼筋發生銹

蝕斷裂體積膨脹導致混凝土的劣化剝落損壞[ 12]

相關的鋼筋混凝土設計與施工亦由行政院內政部營建署訂定有相關規範「混凝

土結構設計規範」[ 13]「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[ 14]「結構混凝土

施工規範」[ 15]及「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」[ 16]

近年來國內許多工程與設施之劣化損壞崩陷等案例層出不窮除了外力不

可抗拒因素外探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕在 RC結構物之耐

久性觀點上除了混凝土材料本身材質劣化外鋼筋的腐蝕是評估結構物耐久性之重

要指標之一而吊籠基座的栓錨亦可視作鋼筋混凝土中的鋼筋受到同樣的腐蝕危害

而造成使用時的潛在風險

五鋼筋之腐蝕機理[12]

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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v

圖目錄

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖 19

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖 20

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖 22

圖 4 模型網格化(14mm) 22

圖 5 基座固定端設定 23

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz 24

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz 25

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz 26

圖 9 肋與底板分離示意圖 28

圖 10 肋的編號 28

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分 32

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖 33

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖 34

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘ 37

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘ 38

圖 16 吊籠基礎座組合圖 39

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖 40

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz 41

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz 42

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz 43

圖 21 吊臂固定方向 48

圖 22 螺栓編號 49

圖 23 Case1(正交)位移量 50

vi

圖 24 Case2(斜角)位移量 51

圖 25 法蘭變形測量點 52

圖 26 (b)銲接 12 肋板 53

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量 54

圖 28 應變規型號 56

圖 29 貼黏應變規後的螺栓 56

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住 57

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500 57

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊 58

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖 59

圖 34 拉伸試驗實驗圖 60

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖 62

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較 62

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置 65

圖 38 雷射測距儀 66

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化 66

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化 67

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化 67

圖 42 吊臂的變形位移 68

圖 43 基座的變形位移 68

圖 44 半能量法 69

圖 45 對數衰減法 70

圖 46 FCR 之運算流程圖[23] 71

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖 72

vii

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振 73

圖 49 激振器 73

圖 50 加速度規資料擷取器 74

圖 51 加速規 74

圖 52 伺服馬達 74

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應 75

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析 75

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼 77

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規 78

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號 79

圖 58 千斤頂工具牙套 81

圖 59 設定油壓錶檢測值 82

圖 60 手動幫浦徐徐加壓 82

viii

表目錄

表 1 職災實例統計 2

表 2 目測與量測之檢測方式 12

表 3 網格與自然頻率關係表 21

表 4 基座模態清單 24

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率 29

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率 29

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率 30

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向) 30

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率 34

表 12 基座模態清單 41

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[18] 45

表 14 扭矩因素 K 建議值[19] 46

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20] 47

表 16 Case1(正交)螺栓所受拉力 49

表 17 Case2(斜角)螺栓所受拉力 50

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量 52

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值 58

表 20 實驗平均值標準差與理論值 59

表 21 拉伸力與應變 60

表 22 銲接長度與自然頻率變化 76

表 23 Q-Factor 量測法估測結構阻尼 76

ix

表 24 對數衰減法估測結構阻尼 76

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準 84

1

第一章 計畫概述 近年來由於都是人口成長快速經濟發展旺盛在都會區不但大樓林立而且其高

度也逐漸增加因此定期的大樓外牆的清潔整理必須要使用到外掛式的吊籠作為人

員承載的工具以方便作業人員自由移動到大樓的各個位置

吊籠的使用雖然方便但是其安全性卻有許多面向的考量如果在作業的過程中

沒有按照規定的程序或者指令執行的話經常會引起不必要的職業災害甚至於作業

人員的死亡引起災害的原因除了操作人員的不慎以及天候的變化之外設備的缺

失往往是造成意外的主因除了電器類的設備故障外吊籠的結構以及相關的支撐設

備缺失更是容易造成人員的傷亡因為結構安全的損壞所造成的職災其結果往往是

造成作業人員由高處掉落而造成重大的傷亡但是結構與支撐設備的損傷一般是不

容易由肉眼檢查得知必須要藉由正確的方法與適當的設備才能夠判別出來一般的

結構檢查必須要藉由精密的儀器與冗長的測試這樣的時間與成本不符合現場作業的

時效性與檢查的方便性因此作業人員往往忽略了結構檢查的重要性或者以簡單

的積載荷重進行靜態測試後便展開作業而忽略了潛在的危險因素

本計畫的研究目的即在於了解吊籠職災的案例並探討吊籠結構與支撐物的損傷

與鏽蝕發生的機制更進一步的探討各種可於現場作業進行的簡易檢測與判別方式

提供大樓管理者與現場作業人員進一步檢查的基礎藉以減少吊籠作業職災的發生增

進勞工工作的安全

第一節 前言

有關吊籠職災案例經查詢過去十年間(民國 92~101 年)行政院勞工委員會歷年職

災實例[ 1]以及北中南各區勞動檢查所公告之職災實例統計[ 2][ 3][ 4]登記有案的案

例計五件整理如下表

2

表 1 職災實例統計

年份 案例 災害類型 災害原因分析

92 於吊籠內從事外牆清潔工作發生

隨吊籠墜落致死災害 墜落

設置於女兒牆之夾牆架固定不

良

93 捲揚機吊鐵籠子著從事外牆補漆

作業時發生墜落物體飛落災害

墜落滾落

物體飛落 未確實將捲揚機機座安裝牢固

94

從事大樓外牆查漏作業因吊籠鋼

索斷裂發生勞工墜落死亡職業災

害案

墜落 吊籠過捲預防裝置失效吊籠未

經檢查合格

95

因吊籠之立地式支架固定基座混

凝土墩損壞連同吊籠工作床台墜

落死亡災害案

墜落滾落

未於吊籠固定方式變更時申請

變更檢查合格即予使用導致

發生吊籠立地式支架固定基座

混凝土墩座之植筋裹握力不足

97

操作吊籠作業因鋼索長度不足突

然脫開捲揚馬達造成吊籠上之勞

工發生墜落災害

墜落滾落

操作高度超出捲揚鋼索長度且

末端未設置防脫落之固定設

施致捲揚鋼索自索端脫開

另外由網路新聞蒐尋未登錄於上述單位的吊籠職災案例尚有下列數件

93 年 8 月 20 日過捲預防裝置(極限開關)失效致使吊籠之伸臂端鋼索及工作台三者

扭碰鋼索瞬間斷裂

95 年 1 月 13 日吊籠固定架突然鬆脫吊籠先向一邊傾斜隨即整座掉落地面

96 年 12 月 21 日捲揚機固定支架固定不良滑移脫落

98 年 12 月 30 日承載支架突然鬆脫

102 年 12 月台中大樓使用吊籠從事外牆維修作業時鋼索突然斷裂造成整個吊籠傾

斜2 名洗窗工人受困於 30 樓高空中

102 年 12 月 3 日新北市「正隆廣場大樓」進行高樓外牆洗窗因強風襲來吊籠被吹

起擺盪 90 度甩到左側牆面卡住不動2 人受困 10 樓高空

不論上述事故為人為因素支撐不良或機械故障但最終多與吊籠的固定方式遭破壞

3

或損傷有關

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 吊籠結構支撐物可分為吊臂與支架兩部分一般多以鋼結構物製作且由於支撐

物多安置於室外故多以鍍鋅或者是塗覆保護層的方式處理藉以降低腐蝕或材質損

傷的情事發生故吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制可藉由一般鋼結構物的腐蝕損

傷機制來了解也可以藉由鋼結構物的檢測機制來了解相關的作法

一吊籠安全檢查構造標準

有關吊籠結構安全的檢測現行辦法為「吊籠安全檢查構造標準」[ 5]於中華民

國九十四年五月十二日行政院勞工委員會勞檢 2 字第 0940024160 號令訂定發布全

文 49 條條文內容係針對吊籠本身結構安全與檢查訂定詳細規範但有關吊籠結

構支撐物的相關規定僅見於第 23 條完整條文如下第 23 條 吊籠之支架吊臂及其

基礎座應具有在積載荷重下保持必要穩定性之構造結構部分應具有足夠強度及

剛性不得有影響該吊籠安全之變形上述條文中並未針對吊籠支撐物的結構做任何

量化的定義因此在實際檢查作業中通常僅能以目視檢測方式觀察是否鏽蝕裂痕

等損傷尚未見具體的量化檢測指標經訪視營造廠商與結構技師建築師等專業人

士了解一般建築物設計裝設吊籠支撐物件時會將相關物件視為建築物結構的一部

份並根據吊籠的負載需求設計結構物的強度並視建築物結構為鋼筋混凝土或鋼結

構物進行結構強度分析設計施工過程中則依照相關結構物施工規範施作並於施

作完成後依據設計之吊籠負載進行荷重測試通過者由相關單位驗證記載證明發予使

用單位存查

因此對於吊籠支撐物結構的相關設計損傷與檢測之基礎規範應可依照鋼筋

混凝土或鋼結構物之相關規範進行整理收集但是由於吊籠支撐物結構尺寸遠小於建

築物規模故部分規範特別是檢測並無法直接使用在吊籠支撐物結 構上

二吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制

因台灣的海島型氣候環境濕度與空氣中氯離子含量偏高容易造成裸露鋼結構

物的腐蝕與損傷因為吊籠結構支撐物的設計與施工原則上是由結構技師依據相關建

築法規所設計因此吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制亦可以由建築結構的相關規範

4

文件來了解

吊籠結構支撐物簡單可以分為吊臂與基座(支架)兩部分由於吊臂通常是可移動的

物件因此可以進行較多的保護與檢測處理故在此以基座作為探討的重點一般而

言吊籠基座可以由結構的部分區分成裸露於大氣環境的部分以及與建築物剛結構

或混凝土結構共構的部分

裸露於大氣環境的部分一般是作為安置吊臂用的機構件多以圓孔設計外加固定

於結構物上所需之螺絲孔法蘭(Fringe)所構成這部分由於裸露於大氣環境中故可

以單純的鋼結構物作為探討的對象另一方面為承受吊籠機載荷重必須將上述的

裸露部分以適當的手法與建築物結構結合故一般吊籠結構支撐基座的底部多為利用

栓錨固定於結構物上同時栓錨必須與建築結構的鋼結構或混凝土結構結合共構如

果建築物純粹是鋼結構則吊籠基座便可以完全是用鋼構造物支檢測與設計規範進行

處理但若為混凝土結構物則吊籠基座分析便必須區分成裸露及混凝土包覆支結構

物來處理

三吊籠結構裸露於大氣環境支撐物的腐蝕損傷機制

首先就裸露於大氣環境中的鋼結構物進行探討一般建築物鋼結構物的設計主要

依循中華民國內政部營建署所頒布的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」[ 6]其中

又可分成「鋼結構容許應力設計法規範及解說」[ 7]與「鋼結構極限設計法規範及解說」

[ 8]兩種設計規範在建築物設計過程中根據吊籠積載荷重的規格依循上述兩種規

範即可計算出吊籠支撐物的相關材料表面處理與形狀尺寸等等數據並定義出工件

圖說而在施作過程現場則必須依「鋼構造建築物鋼結構施工規範」[ 9]所規定的方

法與程序施作待結構物穩定後進行積載荷重測試確認安全後即可給予簽証文件

因此在新建大樓使用初期裸露的吊籠支撐物安全是經過測試的然而由於鋼結構物

裸露在大氣環境中而台灣地處高溫高濕之亞熱帶海島型氣候區除了溼度高之外

四面環海的環境使得大氣中鹽分含量極高正因為大氣中充滿腐蝕因子所以在台灣

結構物往往因為嚴重的腐蝕問題而縮短使用壽命

鋼結構物的腐蝕主要由四大因子造成分別是 1陰極2陽極3電解質4陰陽

極間構成電的通路如果能阻絕其中一項因子便可達到防蝕的目的[ 10]廣義而言鋼

鐵材料必須同時接觸到水及空氣才會腐蝕鋼鐵的腐蝕問題乃環狀空間使得水及氧能

5

聚集在鋼鐵表面而容易腐蝕腐蝕機構乃水份反覆冷凝蒸發水氣覆蓋即反覆乾溼情

況下最容易產生腐蝕問題[ 11]除了水與空氣外溫度為影響腐蝕速率的重要因素

溫度愈高腐蝕率升高相對的溫度愈低 腐蝕率降低攝氏零度時水的腐蝕率則近乎零

由於鋼結構物本身即為腐蝕因子中的陽極物質如果可以減少周遭陰極因子的出

現便可以降低腐蝕的形成國內大氣中的陰極因子主要是由海洋性環境的氯離子及

重工業區排放的二氧化硫所形成的即便是在遠離工業區的住家環境氯離子也會逐

漸造成金屬物件的腐蝕同時因為台灣海島型氣候的關係多雨的條件提供腐蝕因子

中陰陽極間構成電的通路所需的積水故建築物的鋼結構物腐蝕更容易形成並須施

以適當的保戶才能避免

隨著金屬材料的廣泛使用以及伴隨而來的腐蝕問題人們開始重視腐蝕問題的防

治為了達到最佳的防蝕效果各腐蝕防治專家不斷提出各種新型防蝕技術以及更有

效率的施工技術時至今日以鋅為主之各式各樣的防蝕工法如富鋅塗料熱浸鍍鋅

與鋅熔射已經能夠有效的減緩腐蝕問題的發生隨著科技的進步各式各樣不同的防

蝕工法應運而生人們也開始重視防蝕的重要性目前較常見的防蝕工法有[10]

(一)強化法此法可分為兩種第一種是構件本身的強化最常見的方法就是將活

性高的金屬與活性低的金屬混合得到鈍態的合金延長構件的使用壽命第二種則是

利用被覆材料阻絕環境中腐蝕因子與構件的接觸降低氧化反應的可能性此法是防

蝕方法中最普遍的工法被覆防蝕又可分成塗裝被覆與金屬被覆兩種前者包括塗膜

內襯包覆等後者有電鍍熱浸鍍金屬熔射硬銲等

(二)外力法顧名思義就是藉由外力的方法來達到防蝕的目的最常見的有陰極防

蝕與防蝕劑的添加前者是利用替代材料或輔助電極提供電子給構件補充該構件因

為氧化反應而失去的電子陰極防蝕又可分為外加電流與犧牲陽極兩種方式防蝕劑

的添加則是利用化學藥品吸附在金屬表面上生成保護膜降低腐蝕因子的影響藉以達

到防蝕的目的

在早期防蝕材料主要是以具有抑制效果的紅丹(鉛)與鋅鉻黃(六價鉻)來達到防蝕

的效果隨著工業的發展大氣中的腐蝕因子除了水與氧之外硫化物與氮化物的汙

染也會加速腐蝕反應進行而且隨著構件結構體設計日趨大型化搬運過程中的塗膜

碰撞及損傷機率也隨之增加同時國際對於重金屬使用的限制日趨嚴格使得抑制型

6

防鏽材料已漸漸無法滿足防蝕的需求取而代之的是具有犧牲保護作用的鋅金屬防蝕

被覆鋅粉塗料是否能發揮防蝕的功效與系統中鋅含量有著絕對的關係大致上來說

鋅含量的多寡與防蝕效果成正比換句話說鋅的塗層越厚則使用期限越久

目前有一防蝕效果相當優越的材料---鋅鋁材料其耐蝕性是來自於鋁的遮蔽保護

功能與鋅的犧牲保護功能實驗結果指出當鋅鋁材料中鋁的含量為 5時其防蝕效益

約為純鋅防蝕的 3 倍而當鋅鋁材料中鋁的含量為 55時其防蝕效益甚至可達到純鋅

防蝕的 8 倍而且當鋅在構件表面進行犧牲保護作用時鋁會在形成的鈍態的氧化層

適時扮演屏障保護的角色

四吊籠結構與混凝土結構共構支撐物的腐蝕損傷機制

吊籠基座除了裸露於大氣環境的金屬結構或與建築物鋼構物共構部分外另一部

分為與混凝土結構共構的部分一般的吊籠基座多以栓錨固定而栓錨則以埋入混凝

土中與鋼結構物或鋼筋共構以承受吊籠積載負荷

鋼筋混凝土大量被使用於建築土木工程尤其是交通建設方面諸如橋樑港灣hellip

等之重要設施鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料因此工程建造完工起用後

甚少需要維護但是受到環境超載(不當使用)施工品質等因素之影響其材料

結構則可能受到劣化損壞對整體耐久性與安全威脅甚鉅台灣為一海島型氣候終

年高溫高濕每年常遭颱災侵襲又因位處地震帶上地震災損頻傳於此惡劣環

境下鋼筋混凝土甚易受到空氣中之氯離子或其他腐蝕因子之侵入造成鋼筋發生銹

蝕斷裂體積膨脹導致混凝土的劣化剝落損壞[ 12]

相關的鋼筋混凝土設計與施工亦由行政院內政部營建署訂定有相關規範「混凝

土結構設計規範」[ 13]「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[ 14]「結構混凝土

施工規範」[ 15]及「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」[ 16]

近年來國內許多工程與設施之劣化損壞崩陷等案例層出不窮除了外力不

可抗拒因素外探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕在 RC結構物之耐

久性觀點上除了混凝土材料本身材質劣化外鋼筋的腐蝕是評估結構物耐久性之重

要指標之一而吊籠基座的栓錨亦可視作鋼筋混凝土中的鋼筋受到同樣的腐蝕危害

而造成使用時的潛在風險

五鋼筋之腐蝕機理[12]

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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vi

圖 24 Case2(斜角)位移量 51

圖 25 法蘭變形測量點 52

圖 26 (b)銲接 12 肋板 53

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量 54

圖 28 應變規型號 56

圖 29 貼黏應變規後的螺栓 56

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住 57

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500 57

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊 58

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖 59

圖 34 拉伸試驗實驗圖 60

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖 62

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較 62

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置 65

圖 38 雷射測距儀 66

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化 66

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化 67

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化 67

圖 42 吊臂的變形位移 68

圖 43 基座的變形位移 68

圖 44 半能量法 69

圖 45 對數衰減法 70

圖 46 FCR 之運算流程圖[23] 71

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖 72

vii

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振 73

圖 49 激振器 73

圖 50 加速度規資料擷取器 74

圖 51 加速規 74

圖 52 伺服馬達 74

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應 75

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析 75

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼 77

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規 78

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號 79

圖 58 千斤頂工具牙套 81

圖 59 設定油壓錶檢測值 82

圖 60 手動幫浦徐徐加壓 82

viii

表目錄

表 1 職災實例統計 2

表 2 目測與量測之檢測方式 12

表 3 網格與自然頻率關係表 21

表 4 基座模態清單 24

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率 29

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率 29

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率 30

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向) 30

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率 34

表 12 基座模態清單 41

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[18] 45

表 14 扭矩因素 K 建議值[19] 46

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20] 47

表 16 Case1(正交)螺栓所受拉力 49

表 17 Case2(斜角)螺栓所受拉力 50

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量 52

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值 58

表 20 實驗平均值標準差與理論值 59

表 21 拉伸力與應變 60

表 22 銲接長度與自然頻率變化 76

表 23 Q-Factor 量測法估測結構阻尼 76

ix

表 24 對數衰減法估測結構阻尼 76

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準 84

1

第一章 計畫概述 近年來由於都是人口成長快速經濟發展旺盛在都會區不但大樓林立而且其高

度也逐漸增加因此定期的大樓外牆的清潔整理必須要使用到外掛式的吊籠作為人

員承載的工具以方便作業人員自由移動到大樓的各個位置

吊籠的使用雖然方便但是其安全性卻有許多面向的考量如果在作業的過程中

沒有按照規定的程序或者指令執行的話經常會引起不必要的職業災害甚至於作業

人員的死亡引起災害的原因除了操作人員的不慎以及天候的變化之外設備的缺

失往往是造成意外的主因除了電器類的設備故障外吊籠的結構以及相關的支撐設

備缺失更是容易造成人員的傷亡因為結構安全的損壞所造成的職災其結果往往是

造成作業人員由高處掉落而造成重大的傷亡但是結構與支撐設備的損傷一般是不

容易由肉眼檢查得知必須要藉由正確的方法與適當的設備才能夠判別出來一般的

結構檢查必須要藉由精密的儀器與冗長的測試這樣的時間與成本不符合現場作業的

時效性與檢查的方便性因此作業人員往往忽略了結構檢查的重要性或者以簡單

的積載荷重進行靜態測試後便展開作業而忽略了潛在的危險因素

本計畫的研究目的即在於了解吊籠職災的案例並探討吊籠結構與支撐物的損傷

與鏽蝕發生的機制更進一步的探討各種可於現場作業進行的簡易檢測與判別方式

提供大樓管理者與現場作業人員進一步檢查的基礎藉以減少吊籠作業職災的發生增

進勞工工作的安全

第一節 前言

有關吊籠職災案例經查詢過去十年間(民國 92~101 年)行政院勞工委員會歷年職

災實例[ 1]以及北中南各區勞動檢查所公告之職災實例統計[ 2][ 3][ 4]登記有案的案

例計五件整理如下表

2

表 1 職災實例統計

年份 案例 災害類型 災害原因分析

92 於吊籠內從事外牆清潔工作發生

隨吊籠墜落致死災害 墜落

設置於女兒牆之夾牆架固定不

良

93 捲揚機吊鐵籠子著從事外牆補漆

作業時發生墜落物體飛落災害

墜落滾落

物體飛落 未確實將捲揚機機座安裝牢固

94

從事大樓外牆查漏作業因吊籠鋼

索斷裂發生勞工墜落死亡職業災

害案

墜落 吊籠過捲預防裝置失效吊籠未

經檢查合格

95

因吊籠之立地式支架固定基座混

凝土墩損壞連同吊籠工作床台墜

落死亡災害案

墜落滾落

未於吊籠固定方式變更時申請

變更檢查合格即予使用導致

發生吊籠立地式支架固定基座

混凝土墩座之植筋裹握力不足

97

操作吊籠作業因鋼索長度不足突

然脫開捲揚馬達造成吊籠上之勞

工發生墜落災害

墜落滾落

操作高度超出捲揚鋼索長度且

末端未設置防脫落之固定設

施致捲揚鋼索自索端脫開

另外由網路新聞蒐尋未登錄於上述單位的吊籠職災案例尚有下列數件

93 年 8 月 20 日過捲預防裝置(極限開關)失效致使吊籠之伸臂端鋼索及工作台三者

扭碰鋼索瞬間斷裂

95 年 1 月 13 日吊籠固定架突然鬆脫吊籠先向一邊傾斜隨即整座掉落地面

96 年 12 月 21 日捲揚機固定支架固定不良滑移脫落

98 年 12 月 30 日承載支架突然鬆脫

102 年 12 月台中大樓使用吊籠從事外牆維修作業時鋼索突然斷裂造成整個吊籠傾

斜2 名洗窗工人受困於 30 樓高空中

102 年 12 月 3 日新北市「正隆廣場大樓」進行高樓外牆洗窗因強風襲來吊籠被吹

起擺盪 90 度甩到左側牆面卡住不動2 人受困 10 樓高空

不論上述事故為人為因素支撐不良或機械故障但最終多與吊籠的固定方式遭破壞

3

或損傷有關

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 吊籠結構支撐物可分為吊臂與支架兩部分一般多以鋼結構物製作且由於支撐

物多安置於室外故多以鍍鋅或者是塗覆保護層的方式處理藉以降低腐蝕或材質損

傷的情事發生故吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制可藉由一般鋼結構物的腐蝕損

傷機制來了解也可以藉由鋼結構物的檢測機制來了解相關的作法

一吊籠安全檢查構造標準

有關吊籠結構安全的檢測現行辦法為「吊籠安全檢查構造標準」[ 5]於中華民

國九十四年五月十二日行政院勞工委員會勞檢 2 字第 0940024160 號令訂定發布全

文 49 條條文內容係針對吊籠本身結構安全與檢查訂定詳細規範但有關吊籠結

構支撐物的相關規定僅見於第 23 條完整條文如下第 23 條 吊籠之支架吊臂及其

基礎座應具有在積載荷重下保持必要穩定性之構造結構部分應具有足夠強度及

剛性不得有影響該吊籠安全之變形上述條文中並未針對吊籠支撐物的結構做任何

量化的定義因此在實際檢查作業中通常僅能以目視檢測方式觀察是否鏽蝕裂痕

等損傷尚未見具體的量化檢測指標經訪視營造廠商與結構技師建築師等專業人

士了解一般建築物設計裝設吊籠支撐物件時會將相關物件視為建築物結構的一部

份並根據吊籠的負載需求設計結構物的強度並視建築物結構為鋼筋混凝土或鋼結

構物進行結構強度分析設計施工過程中則依照相關結構物施工規範施作並於施

作完成後依據設計之吊籠負載進行荷重測試通過者由相關單位驗證記載證明發予使

用單位存查

因此對於吊籠支撐物結構的相關設計損傷與檢測之基礎規範應可依照鋼筋

混凝土或鋼結構物之相關規範進行整理收集但是由於吊籠支撐物結構尺寸遠小於建

築物規模故部分規範特別是檢測並無法直接使用在吊籠支撐物結 構上

二吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制

因台灣的海島型氣候環境濕度與空氣中氯離子含量偏高容易造成裸露鋼結構

物的腐蝕與損傷因為吊籠結構支撐物的設計與施工原則上是由結構技師依據相關建

築法規所設計因此吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制亦可以由建築結構的相關規範

4

文件來了解

吊籠結構支撐物簡單可以分為吊臂與基座(支架)兩部分由於吊臂通常是可移動的

物件因此可以進行較多的保護與檢測處理故在此以基座作為探討的重點一般而

言吊籠基座可以由結構的部分區分成裸露於大氣環境的部分以及與建築物剛結構

或混凝土結構共構的部分

裸露於大氣環境的部分一般是作為安置吊臂用的機構件多以圓孔設計外加固定

於結構物上所需之螺絲孔法蘭(Fringe)所構成這部分由於裸露於大氣環境中故可

以單純的鋼結構物作為探討的對象另一方面為承受吊籠機載荷重必須將上述的

裸露部分以適當的手法與建築物結構結合故一般吊籠結構支撐基座的底部多為利用

栓錨固定於結構物上同時栓錨必須與建築結構的鋼結構或混凝土結構結合共構如

果建築物純粹是鋼結構則吊籠基座便可以完全是用鋼構造物支檢測與設計規範進行

處理但若為混凝土結構物則吊籠基座分析便必須區分成裸露及混凝土包覆支結構

物來處理

三吊籠結構裸露於大氣環境支撐物的腐蝕損傷機制

首先就裸露於大氣環境中的鋼結構物進行探討一般建築物鋼結構物的設計主要

依循中華民國內政部營建署所頒布的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」[ 6]其中

又可分成「鋼結構容許應力設計法規範及解說」[ 7]與「鋼結構極限設計法規範及解說」

[ 8]兩種設計規範在建築物設計過程中根據吊籠積載荷重的規格依循上述兩種規

範即可計算出吊籠支撐物的相關材料表面處理與形狀尺寸等等數據並定義出工件

圖說而在施作過程現場則必須依「鋼構造建築物鋼結構施工規範」[ 9]所規定的方

法與程序施作待結構物穩定後進行積載荷重測試確認安全後即可給予簽証文件

因此在新建大樓使用初期裸露的吊籠支撐物安全是經過測試的然而由於鋼結構物

裸露在大氣環境中而台灣地處高溫高濕之亞熱帶海島型氣候區除了溼度高之外

四面環海的環境使得大氣中鹽分含量極高正因為大氣中充滿腐蝕因子所以在台灣

結構物往往因為嚴重的腐蝕問題而縮短使用壽命

鋼結構物的腐蝕主要由四大因子造成分別是 1陰極2陽極3電解質4陰陽

極間構成電的通路如果能阻絕其中一項因子便可達到防蝕的目的[ 10]廣義而言鋼

鐵材料必須同時接觸到水及空氣才會腐蝕鋼鐵的腐蝕問題乃環狀空間使得水及氧能

5

聚集在鋼鐵表面而容易腐蝕腐蝕機構乃水份反覆冷凝蒸發水氣覆蓋即反覆乾溼情

況下最容易產生腐蝕問題[ 11]除了水與空氣外溫度為影響腐蝕速率的重要因素

溫度愈高腐蝕率升高相對的溫度愈低 腐蝕率降低攝氏零度時水的腐蝕率則近乎零

由於鋼結構物本身即為腐蝕因子中的陽極物質如果可以減少周遭陰極因子的出

現便可以降低腐蝕的形成國內大氣中的陰極因子主要是由海洋性環境的氯離子及

重工業區排放的二氧化硫所形成的即便是在遠離工業區的住家環境氯離子也會逐

漸造成金屬物件的腐蝕同時因為台灣海島型氣候的關係多雨的條件提供腐蝕因子

中陰陽極間構成電的通路所需的積水故建築物的鋼結構物腐蝕更容易形成並須施

以適當的保戶才能避免

隨著金屬材料的廣泛使用以及伴隨而來的腐蝕問題人們開始重視腐蝕問題的防

治為了達到最佳的防蝕效果各腐蝕防治專家不斷提出各種新型防蝕技術以及更有

效率的施工技術時至今日以鋅為主之各式各樣的防蝕工法如富鋅塗料熱浸鍍鋅

與鋅熔射已經能夠有效的減緩腐蝕問題的發生隨著科技的進步各式各樣不同的防

蝕工法應運而生人們也開始重視防蝕的重要性目前較常見的防蝕工法有[10]

(一)強化法此法可分為兩種第一種是構件本身的強化最常見的方法就是將活

性高的金屬與活性低的金屬混合得到鈍態的合金延長構件的使用壽命第二種則是

利用被覆材料阻絕環境中腐蝕因子與構件的接觸降低氧化反應的可能性此法是防

蝕方法中最普遍的工法被覆防蝕又可分成塗裝被覆與金屬被覆兩種前者包括塗膜

內襯包覆等後者有電鍍熱浸鍍金屬熔射硬銲等

(二)外力法顧名思義就是藉由外力的方法來達到防蝕的目的最常見的有陰極防

蝕與防蝕劑的添加前者是利用替代材料或輔助電極提供電子給構件補充該構件因

為氧化反應而失去的電子陰極防蝕又可分為外加電流與犧牲陽極兩種方式防蝕劑

的添加則是利用化學藥品吸附在金屬表面上生成保護膜降低腐蝕因子的影響藉以達

到防蝕的目的

在早期防蝕材料主要是以具有抑制效果的紅丹(鉛)與鋅鉻黃(六價鉻)來達到防蝕

的效果隨著工業的發展大氣中的腐蝕因子除了水與氧之外硫化物與氮化物的汙

染也會加速腐蝕反應進行而且隨著構件結構體設計日趨大型化搬運過程中的塗膜

碰撞及損傷機率也隨之增加同時國際對於重金屬使用的限制日趨嚴格使得抑制型

6

防鏽材料已漸漸無法滿足防蝕的需求取而代之的是具有犧牲保護作用的鋅金屬防蝕

被覆鋅粉塗料是否能發揮防蝕的功效與系統中鋅含量有著絕對的關係大致上來說

鋅含量的多寡與防蝕效果成正比換句話說鋅的塗層越厚則使用期限越久

目前有一防蝕效果相當優越的材料---鋅鋁材料其耐蝕性是來自於鋁的遮蔽保護

功能與鋅的犧牲保護功能實驗結果指出當鋅鋁材料中鋁的含量為 5時其防蝕效益

約為純鋅防蝕的 3 倍而當鋅鋁材料中鋁的含量為 55時其防蝕效益甚至可達到純鋅

防蝕的 8 倍而且當鋅在構件表面進行犧牲保護作用時鋁會在形成的鈍態的氧化層

適時扮演屏障保護的角色

四吊籠結構與混凝土結構共構支撐物的腐蝕損傷機制

吊籠基座除了裸露於大氣環境的金屬結構或與建築物鋼構物共構部分外另一部

分為與混凝土結構共構的部分一般的吊籠基座多以栓錨固定而栓錨則以埋入混凝

土中與鋼結構物或鋼筋共構以承受吊籠積載負荷

鋼筋混凝土大量被使用於建築土木工程尤其是交通建設方面諸如橋樑港灣hellip

等之重要設施鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料因此工程建造完工起用後

甚少需要維護但是受到環境超載(不當使用)施工品質等因素之影響其材料

結構則可能受到劣化損壞對整體耐久性與安全威脅甚鉅台灣為一海島型氣候終

年高溫高濕每年常遭颱災侵襲又因位處地震帶上地震災損頻傳於此惡劣環

境下鋼筋混凝土甚易受到空氣中之氯離子或其他腐蝕因子之侵入造成鋼筋發生銹

蝕斷裂體積膨脹導致混凝土的劣化剝落損壞[ 12]

相關的鋼筋混凝土設計與施工亦由行政院內政部營建署訂定有相關規範「混凝

土結構設計規範」[ 13]「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[ 14]「結構混凝土

施工規範」[ 15]及「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」[ 16]

近年來國內許多工程與設施之劣化損壞崩陷等案例層出不窮除了外力不

可抗拒因素外探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕在 RC結構物之耐

久性觀點上除了混凝土材料本身材質劣化外鋼筋的腐蝕是評估結構物耐久性之重

要指標之一而吊籠基座的栓錨亦可視作鋼筋混凝土中的鋼筋受到同樣的腐蝕危害

而造成使用時的潛在風險

五鋼筋之腐蝕機理[12]

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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vii

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振 73

圖 49 激振器 73

圖 50 加速度規資料擷取器 74

圖 51 加速規 74

圖 52 伺服馬達 74

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應 75

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析 75

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼 77

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規 78

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號 79

圖 58 千斤頂工具牙套 81

圖 59 設定油壓錶檢測值 82

圖 60 手動幫浦徐徐加壓 82

viii

表目錄

表 1 職災實例統計 2

表 2 目測與量測之檢測方式 12

表 3 網格與自然頻率關係表 21

表 4 基座模態清單 24

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率 29

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率 29

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率 30

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向) 30

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率 34

表 12 基座模態清單 41

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[18] 45

表 14 扭矩因素 K 建議值[19] 46

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20] 47

表 16 Case1(正交)螺栓所受拉力 49

表 17 Case2(斜角)螺栓所受拉力 50

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量 52

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值 58

表 20 實驗平均值標準差與理論值 59

表 21 拉伸力與應變 60

表 22 銲接長度與自然頻率變化 76

表 23 Q-Factor 量測法估測結構阻尼 76

ix

表 24 對數衰減法估測結構阻尼 76

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準 84

1

第一章 計畫概述 近年來由於都是人口成長快速經濟發展旺盛在都會區不但大樓林立而且其高

度也逐漸增加因此定期的大樓外牆的清潔整理必須要使用到外掛式的吊籠作為人

員承載的工具以方便作業人員自由移動到大樓的各個位置

吊籠的使用雖然方便但是其安全性卻有許多面向的考量如果在作業的過程中

沒有按照規定的程序或者指令執行的話經常會引起不必要的職業災害甚至於作業

人員的死亡引起災害的原因除了操作人員的不慎以及天候的變化之外設備的缺

失往往是造成意外的主因除了電器類的設備故障外吊籠的結構以及相關的支撐設

備缺失更是容易造成人員的傷亡因為結構安全的損壞所造成的職災其結果往往是

造成作業人員由高處掉落而造成重大的傷亡但是結構與支撐設備的損傷一般是不

容易由肉眼檢查得知必須要藉由正確的方法與適當的設備才能夠判別出來一般的

結構檢查必須要藉由精密的儀器與冗長的測試這樣的時間與成本不符合現場作業的

時效性與檢查的方便性因此作業人員往往忽略了結構檢查的重要性或者以簡單

的積載荷重進行靜態測試後便展開作業而忽略了潛在的危險因素

本計畫的研究目的即在於了解吊籠職災的案例並探討吊籠結構與支撐物的損傷

與鏽蝕發生的機制更進一步的探討各種可於現場作業進行的簡易檢測與判別方式

提供大樓管理者與現場作業人員進一步檢查的基礎藉以減少吊籠作業職災的發生增

進勞工工作的安全

第一節 前言

有關吊籠職災案例經查詢過去十年間(民國 92~101 年)行政院勞工委員會歷年職

災實例[ 1]以及北中南各區勞動檢查所公告之職災實例統計[ 2][ 3][ 4]登記有案的案

例計五件整理如下表

2

表 1 職災實例統計

年份 案例 災害類型 災害原因分析

92 於吊籠內從事外牆清潔工作發生

隨吊籠墜落致死災害 墜落

設置於女兒牆之夾牆架固定不

良

93 捲揚機吊鐵籠子著從事外牆補漆

作業時發生墜落物體飛落災害

墜落滾落

物體飛落 未確實將捲揚機機座安裝牢固

94

從事大樓外牆查漏作業因吊籠鋼

索斷裂發生勞工墜落死亡職業災

害案

墜落 吊籠過捲預防裝置失效吊籠未

經檢查合格

95

因吊籠之立地式支架固定基座混

凝土墩損壞連同吊籠工作床台墜

落死亡災害案

墜落滾落

未於吊籠固定方式變更時申請

變更檢查合格即予使用導致

發生吊籠立地式支架固定基座

混凝土墩座之植筋裹握力不足

97

操作吊籠作業因鋼索長度不足突

然脫開捲揚馬達造成吊籠上之勞

工發生墜落災害

墜落滾落

操作高度超出捲揚鋼索長度且

末端未設置防脫落之固定設

施致捲揚鋼索自索端脫開

另外由網路新聞蒐尋未登錄於上述單位的吊籠職災案例尚有下列數件

93 年 8 月 20 日過捲預防裝置(極限開關)失效致使吊籠之伸臂端鋼索及工作台三者

扭碰鋼索瞬間斷裂

95 年 1 月 13 日吊籠固定架突然鬆脫吊籠先向一邊傾斜隨即整座掉落地面

96 年 12 月 21 日捲揚機固定支架固定不良滑移脫落

98 年 12 月 30 日承載支架突然鬆脫

102 年 12 月台中大樓使用吊籠從事外牆維修作業時鋼索突然斷裂造成整個吊籠傾

斜2 名洗窗工人受困於 30 樓高空中

102 年 12 月 3 日新北市「正隆廣場大樓」進行高樓外牆洗窗因強風襲來吊籠被吹

起擺盪 90 度甩到左側牆面卡住不動2 人受困 10 樓高空

不論上述事故為人為因素支撐不良或機械故障但最終多與吊籠的固定方式遭破壞

3

或損傷有關

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 吊籠結構支撐物可分為吊臂與支架兩部分一般多以鋼結構物製作且由於支撐

物多安置於室外故多以鍍鋅或者是塗覆保護層的方式處理藉以降低腐蝕或材質損

傷的情事發生故吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制可藉由一般鋼結構物的腐蝕損

傷機制來了解也可以藉由鋼結構物的檢測機制來了解相關的作法

一吊籠安全檢查構造標準

有關吊籠結構安全的檢測現行辦法為「吊籠安全檢查構造標準」[ 5]於中華民

國九十四年五月十二日行政院勞工委員會勞檢 2 字第 0940024160 號令訂定發布全

文 49 條條文內容係針對吊籠本身結構安全與檢查訂定詳細規範但有關吊籠結

構支撐物的相關規定僅見於第 23 條完整條文如下第 23 條 吊籠之支架吊臂及其

基礎座應具有在積載荷重下保持必要穩定性之構造結構部分應具有足夠強度及

剛性不得有影響該吊籠安全之變形上述條文中並未針對吊籠支撐物的結構做任何

量化的定義因此在實際檢查作業中通常僅能以目視檢測方式觀察是否鏽蝕裂痕

等損傷尚未見具體的量化檢測指標經訪視營造廠商與結構技師建築師等專業人

士了解一般建築物設計裝設吊籠支撐物件時會將相關物件視為建築物結構的一部

份並根據吊籠的負載需求設計結構物的強度並視建築物結構為鋼筋混凝土或鋼結

構物進行結構強度分析設計施工過程中則依照相關結構物施工規範施作並於施

作完成後依據設計之吊籠負載進行荷重測試通過者由相關單位驗證記載證明發予使

用單位存查

因此對於吊籠支撐物結構的相關設計損傷與檢測之基礎規範應可依照鋼筋

混凝土或鋼結構物之相關規範進行整理收集但是由於吊籠支撐物結構尺寸遠小於建

築物規模故部分規範特別是檢測並無法直接使用在吊籠支撐物結 構上

二吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制

因台灣的海島型氣候環境濕度與空氣中氯離子含量偏高容易造成裸露鋼結構

物的腐蝕與損傷因為吊籠結構支撐物的設計與施工原則上是由結構技師依據相關建

築法規所設計因此吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制亦可以由建築結構的相關規範

4

文件來了解

吊籠結構支撐物簡單可以分為吊臂與基座(支架)兩部分由於吊臂通常是可移動的

物件因此可以進行較多的保護與檢測處理故在此以基座作為探討的重點一般而

言吊籠基座可以由結構的部分區分成裸露於大氣環境的部分以及與建築物剛結構

或混凝土結構共構的部分

裸露於大氣環境的部分一般是作為安置吊臂用的機構件多以圓孔設計外加固定

於結構物上所需之螺絲孔法蘭(Fringe)所構成這部分由於裸露於大氣環境中故可

以單純的鋼結構物作為探討的對象另一方面為承受吊籠機載荷重必須將上述的

裸露部分以適當的手法與建築物結構結合故一般吊籠結構支撐基座的底部多為利用

栓錨固定於結構物上同時栓錨必須與建築結構的鋼結構或混凝土結構結合共構如

果建築物純粹是鋼結構則吊籠基座便可以完全是用鋼構造物支檢測與設計規範進行

處理但若為混凝土結構物則吊籠基座分析便必須區分成裸露及混凝土包覆支結構

物來處理

三吊籠結構裸露於大氣環境支撐物的腐蝕損傷機制

首先就裸露於大氣環境中的鋼結構物進行探討一般建築物鋼結構物的設計主要

依循中華民國內政部營建署所頒布的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」[ 6]其中

又可分成「鋼結構容許應力設計法規範及解說」[ 7]與「鋼結構極限設計法規範及解說」

[ 8]兩種設計規範在建築物設計過程中根據吊籠積載荷重的規格依循上述兩種規

範即可計算出吊籠支撐物的相關材料表面處理與形狀尺寸等等數據並定義出工件

圖說而在施作過程現場則必須依「鋼構造建築物鋼結構施工規範」[ 9]所規定的方

法與程序施作待結構物穩定後進行積載荷重測試確認安全後即可給予簽証文件

因此在新建大樓使用初期裸露的吊籠支撐物安全是經過測試的然而由於鋼結構物

裸露在大氣環境中而台灣地處高溫高濕之亞熱帶海島型氣候區除了溼度高之外

四面環海的環境使得大氣中鹽分含量極高正因為大氣中充滿腐蝕因子所以在台灣

結構物往往因為嚴重的腐蝕問題而縮短使用壽命

鋼結構物的腐蝕主要由四大因子造成分別是 1陰極2陽極3電解質4陰陽

極間構成電的通路如果能阻絕其中一項因子便可達到防蝕的目的[ 10]廣義而言鋼

鐵材料必須同時接觸到水及空氣才會腐蝕鋼鐵的腐蝕問題乃環狀空間使得水及氧能

5

聚集在鋼鐵表面而容易腐蝕腐蝕機構乃水份反覆冷凝蒸發水氣覆蓋即反覆乾溼情

況下最容易產生腐蝕問題[ 11]除了水與空氣外溫度為影響腐蝕速率的重要因素

溫度愈高腐蝕率升高相對的溫度愈低 腐蝕率降低攝氏零度時水的腐蝕率則近乎零

由於鋼結構物本身即為腐蝕因子中的陽極物質如果可以減少周遭陰極因子的出

現便可以降低腐蝕的形成國內大氣中的陰極因子主要是由海洋性環境的氯離子及

重工業區排放的二氧化硫所形成的即便是在遠離工業區的住家環境氯離子也會逐

漸造成金屬物件的腐蝕同時因為台灣海島型氣候的關係多雨的條件提供腐蝕因子

中陰陽極間構成電的通路所需的積水故建築物的鋼結構物腐蝕更容易形成並須施

以適當的保戶才能避免

隨著金屬材料的廣泛使用以及伴隨而來的腐蝕問題人們開始重視腐蝕問題的防

治為了達到最佳的防蝕效果各腐蝕防治專家不斷提出各種新型防蝕技術以及更有

效率的施工技術時至今日以鋅為主之各式各樣的防蝕工法如富鋅塗料熱浸鍍鋅

與鋅熔射已經能夠有效的減緩腐蝕問題的發生隨著科技的進步各式各樣不同的防

蝕工法應運而生人們也開始重視防蝕的重要性目前較常見的防蝕工法有[10]

(一)強化法此法可分為兩種第一種是構件本身的強化最常見的方法就是將活

性高的金屬與活性低的金屬混合得到鈍態的合金延長構件的使用壽命第二種則是

利用被覆材料阻絕環境中腐蝕因子與構件的接觸降低氧化反應的可能性此法是防

蝕方法中最普遍的工法被覆防蝕又可分成塗裝被覆與金屬被覆兩種前者包括塗膜

內襯包覆等後者有電鍍熱浸鍍金屬熔射硬銲等

(二)外力法顧名思義就是藉由外力的方法來達到防蝕的目的最常見的有陰極防

蝕與防蝕劑的添加前者是利用替代材料或輔助電極提供電子給構件補充該構件因

為氧化反應而失去的電子陰極防蝕又可分為外加電流與犧牲陽極兩種方式防蝕劑

的添加則是利用化學藥品吸附在金屬表面上生成保護膜降低腐蝕因子的影響藉以達

到防蝕的目的

在早期防蝕材料主要是以具有抑制效果的紅丹(鉛)與鋅鉻黃(六價鉻)來達到防蝕

的效果隨著工業的發展大氣中的腐蝕因子除了水與氧之外硫化物與氮化物的汙

染也會加速腐蝕反應進行而且隨著構件結構體設計日趨大型化搬運過程中的塗膜

碰撞及損傷機率也隨之增加同時國際對於重金屬使用的限制日趨嚴格使得抑制型

6

防鏽材料已漸漸無法滿足防蝕的需求取而代之的是具有犧牲保護作用的鋅金屬防蝕

被覆鋅粉塗料是否能發揮防蝕的功效與系統中鋅含量有著絕對的關係大致上來說

鋅含量的多寡與防蝕效果成正比換句話說鋅的塗層越厚則使用期限越久

目前有一防蝕效果相當優越的材料---鋅鋁材料其耐蝕性是來自於鋁的遮蔽保護

功能與鋅的犧牲保護功能實驗結果指出當鋅鋁材料中鋁的含量為 5時其防蝕效益

約為純鋅防蝕的 3 倍而當鋅鋁材料中鋁的含量為 55時其防蝕效益甚至可達到純鋅

防蝕的 8 倍而且當鋅在構件表面進行犧牲保護作用時鋁會在形成的鈍態的氧化層

適時扮演屏障保護的角色

四吊籠結構與混凝土結構共構支撐物的腐蝕損傷機制

吊籠基座除了裸露於大氣環境的金屬結構或與建築物鋼構物共構部分外另一部

分為與混凝土結構共構的部分一般的吊籠基座多以栓錨固定而栓錨則以埋入混凝

土中與鋼結構物或鋼筋共構以承受吊籠積載負荷

鋼筋混凝土大量被使用於建築土木工程尤其是交通建設方面諸如橋樑港灣hellip

等之重要設施鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料因此工程建造完工起用後

甚少需要維護但是受到環境超載(不當使用)施工品質等因素之影響其材料

結構則可能受到劣化損壞對整體耐久性與安全威脅甚鉅台灣為一海島型氣候終

年高溫高濕每年常遭颱災侵襲又因位處地震帶上地震災損頻傳於此惡劣環

境下鋼筋混凝土甚易受到空氣中之氯離子或其他腐蝕因子之侵入造成鋼筋發生銹

蝕斷裂體積膨脹導致混凝土的劣化剝落損壞[ 12]

相關的鋼筋混凝土設計與施工亦由行政院內政部營建署訂定有相關規範「混凝

土結構設計規範」[ 13]「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[ 14]「結構混凝土

施工規範」[ 15]及「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」[ 16]

近年來國內許多工程與設施之劣化損壞崩陷等案例層出不窮除了外力不

可抗拒因素外探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕在 RC結構物之耐

久性觀點上除了混凝土材料本身材質劣化外鋼筋的腐蝕是評估結構物耐久性之重

要指標之一而吊籠基座的栓錨亦可視作鋼筋混凝土中的鋼筋受到同樣的腐蝕危害

而造成使用時的潛在風險

五鋼筋之腐蝕機理[12]

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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viii

表目錄

表 1 職災實例統計 2

表 2 目測與量測之檢測方式 12

表 3 網格與自然頻率關係表 21

表 4 基座模態清單 24

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率 29

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率 29

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率 30

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向) 30

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向) 31

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率 34

表 12 基座模態清單 41

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[18] 45

表 14 扭矩因素 K 建議值[19] 46

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20] 47

表 16 Case1(正交)螺栓所受拉力 49

表 17 Case2(斜角)螺栓所受拉力 50

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量 52

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值 58

表 20 實驗平均值標準差與理論值 59

表 21 拉伸力與應變 60

表 22 銲接長度與自然頻率變化 76

表 23 Q-Factor 量測法估測結構阻尼 76

ix

表 24 對數衰減法估測結構阻尼 76

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準 84

1

第一章 計畫概述 近年來由於都是人口成長快速經濟發展旺盛在都會區不但大樓林立而且其高

度也逐漸增加因此定期的大樓外牆的清潔整理必須要使用到外掛式的吊籠作為人

員承載的工具以方便作業人員自由移動到大樓的各個位置

吊籠的使用雖然方便但是其安全性卻有許多面向的考量如果在作業的過程中

沒有按照規定的程序或者指令執行的話經常會引起不必要的職業災害甚至於作業

人員的死亡引起災害的原因除了操作人員的不慎以及天候的變化之外設備的缺

失往往是造成意外的主因除了電器類的設備故障外吊籠的結構以及相關的支撐設

備缺失更是容易造成人員的傷亡因為結構安全的損壞所造成的職災其結果往往是

造成作業人員由高處掉落而造成重大的傷亡但是結構與支撐設備的損傷一般是不

容易由肉眼檢查得知必須要藉由正確的方法與適當的設備才能夠判別出來一般的

結構檢查必須要藉由精密的儀器與冗長的測試這樣的時間與成本不符合現場作業的

時效性與檢查的方便性因此作業人員往往忽略了結構檢查的重要性或者以簡單

的積載荷重進行靜態測試後便展開作業而忽略了潛在的危險因素

本計畫的研究目的即在於了解吊籠職災的案例並探討吊籠結構與支撐物的損傷

與鏽蝕發生的機制更進一步的探討各種可於現場作業進行的簡易檢測與判別方式

提供大樓管理者與現場作業人員進一步檢查的基礎藉以減少吊籠作業職災的發生增

進勞工工作的安全

第一節 前言

有關吊籠職災案例經查詢過去十年間(民國 92~101 年)行政院勞工委員會歷年職

災實例[ 1]以及北中南各區勞動檢查所公告之職災實例統計[ 2][ 3][ 4]登記有案的案

例計五件整理如下表

2

表 1 職災實例統計

年份 案例 災害類型 災害原因分析

92 於吊籠內從事外牆清潔工作發生

隨吊籠墜落致死災害 墜落

設置於女兒牆之夾牆架固定不

良

93 捲揚機吊鐵籠子著從事外牆補漆

作業時發生墜落物體飛落災害

墜落滾落

物體飛落 未確實將捲揚機機座安裝牢固

94

從事大樓外牆查漏作業因吊籠鋼

索斷裂發生勞工墜落死亡職業災

害案

墜落 吊籠過捲預防裝置失效吊籠未

經檢查合格

95

因吊籠之立地式支架固定基座混

凝土墩損壞連同吊籠工作床台墜

落死亡災害案

墜落滾落

未於吊籠固定方式變更時申請

變更檢查合格即予使用導致

發生吊籠立地式支架固定基座

混凝土墩座之植筋裹握力不足

97

操作吊籠作業因鋼索長度不足突

然脫開捲揚馬達造成吊籠上之勞

工發生墜落災害

墜落滾落

操作高度超出捲揚鋼索長度且

末端未設置防脫落之固定設

施致捲揚鋼索自索端脫開

另外由網路新聞蒐尋未登錄於上述單位的吊籠職災案例尚有下列數件

93 年 8 月 20 日過捲預防裝置(極限開關)失效致使吊籠之伸臂端鋼索及工作台三者

扭碰鋼索瞬間斷裂

95 年 1 月 13 日吊籠固定架突然鬆脫吊籠先向一邊傾斜隨即整座掉落地面

96 年 12 月 21 日捲揚機固定支架固定不良滑移脫落

98 年 12 月 30 日承載支架突然鬆脫

102 年 12 月台中大樓使用吊籠從事外牆維修作業時鋼索突然斷裂造成整個吊籠傾

斜2 名洗窗工人受困於 30 樓高空中

102 年 12 月 3 日新北市「正隆廣場大樓」進行高樓外牆洗窗因強風襲來吊籠被吹

起擺盪 90 度甩到左側牆面卡住不動2 人受困 10 樓高空

不論上述事故為人為因素支撐不良或機械故障但最終多與吊籠的固定方式遭破壞

3

或損傷有關

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 吊籠結構支撐物可分為吊臂與支架兩部分一般多以鋼結構物製作且由於支撐

物多安置於室外故多以鍍鋅或者是塗覆保護層的方式處理藉以降低腐蝕或材質損

傷的情事發生故吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制可藉由一般鋼結構物的腐蝕損

傷機制來了解也可以藉由鋼結構物的檢測機制來了解相關的作法

一吊籠安全檢查構造標準

有關吊籠結構安全的檢測現行辦法為「吊籠安全檢查構造標準」[ 5]於中華民

國九十四年五月十二日行政院勞工委員會勞檢 2 字第 0940024160 號令訂定發布全

文 49 條條文內容係針對吊籠本身結構安全與檢查訂定詳細規範但有關吊籠結

構支撐物的相關規定僅見於第 23 條完整條文如下第 23 條 吊籠之支架吊臂及其

基礎座應具有在積載荷重下保持必要穩定性之構造結構部分應具有足夠強度及

剛性不得有影響該吊籠安全之變形上述條文中並未針對吊籠支撐物的結構做任何

量化的定義因此在實際檢查作業中通常僅能以目視檢測方式觀察是否鏽蝕裂痕

等損傷尚未見具體的量化檢測指標經訪視營造廠商與結構技師建築師等專業人

士了解一般建築物設計裝設吊籠支撐物件時會將相關物件視為建築物結構的一部

份並根據吊籠的負載需求設計結構物的強度並視建築物結構為鋼筋混凝土或鋼結

構物進行結構強度分析設計施工過程中則依照相關結構物施工規範施作並於施

作完成後依據設計之吊籠負載進行荷重測試通過者由相關單位驗證記載證明發予使

用單位存查

因此對於吊籠支撐物結構的相關設計損傷與檢測之基礎規範應可依照鋼筋

混凝土或鋼結構物之相關規範進行整理收集但是由於吊籠支撐物結構尺寸遠小於建

築物規模故部分規範特別是檢測並無法直接使用在吊籠支撐物結 構上

二吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制

因台灣的海島型氣候環境濕度與空氣中氯離子含量偏高容易造成裸露鋼結構

物的腐蝕與損傷因為吊籠結構支撐物的設計與施工原則上是由結構技師依據相關建

築法規所設計因此吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制亦可以由建築結構的相關規範

4

文件來了解

吊籠結構支撐物簡單可以分為吊臂與基座(支架)兩部分由於吊臂通常是可移動的

物件因此可以進行較多的保護與檢測處理故在此以基座作為探討的重點一般而

言吊籠基座可以由結構的部分區分成裸露於大氣環境的部分以及與建築物剛結構

或混凝土結構共構的部分

裸露於大氣環境的部分一般是作為安置吊臂用的機構件多以圓孔設計外加固定

於結構物上所需之螺絲孔法蘭(Fringe)所構成這部分由於裸露於大氣環境中故可

以單純的鋼結構物作為探討的對象另一方面為承受吊籠機載荷重必須將上述的

裸露部分以適當的手法與建築物結構結合故一般吊籠結構支撐基座的底部多為利用

栓錨固定於結構物上同時栓錨必須與建築結構的鋼結構或混凝土結構結合共構如

果建築物純粹是鋼結構則吊籠基座便可以完全是用鋼構造物支檢測與設計規範進行

處理但若為混凝土結構物則吊籠基座分析便必須區分成裸露及混凝土包覆支結構

物來處理

三吊籠結構裸露於大氣環境支撐物的腐蝕損傷機制

首先就裸露於大氣環境中的鋼結構物進行探討一般建築物鋼結構物的設計主要

依循中華民國內政部營建署所頒布的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」[ 6]其中

又可分成「鋼結構容許應力設計法規範及解說」[ 7]與「鋼結構極限設計法規範及解說」

[ 8]兩種設計規範在建築物設計過程中根據吊籠積載荷重的規格依循上述兩種規

範即可計算出吊籠支撐物的相關材料表面處理與形狀尺寸等等數據並定義出工件

圖說而在施作過程現場則必須依「鋼構造建築物鋼結構施工規範」[ 9]所規定的方

法與程序施作待結構物穩定後進行積載荷重測試確認安全後即可給予簽証文件

因此在新建大樓使用初期裸露的吊籠支撐物安全是經過測試的然而由於鋼結構物

裸露在大氣環境中而台灣地處高溫高濕之亞熱帶海島型氣候區除了溼度高之外

四面環海的環境使得大氣中鹽分含量極高正因為大氣中充滿腐蝕因子所以在台灣

結構物往往因為嚴重的腐蝕問題而縮短使用壽命

鋼結構物的腐蝕主要由四大因子造成分別是 1陰極2陽極3電解質4陰陽

極間構成電的通路如果能阻絕其中一項因子便可達到防蝕的目的[ 10]廣義而言鋼

鐵材料必須同時接觸到水及空氣才會腐蝕鋼鐵的腐蝕問題乃環狀空間使得水及氧能

5

聚集在鋼鐵表面而容易腐蝕腐蝕機構乃水份反覆冷凝蒸發水氣覆蓋即反覆乾溼情

況下最容易產生腐蝕問題[ 11]除了水與空氣外溫度為影響腐蝕速率的重要因素

溫度愈高腐蝕率升高相對的溫度愈低 腐蝕率降低攝氏零度時水的腐蝕率則近乎零

由於鋼結構物本身即為腐蝕因子中的陽極物質如果可以減少周遭陰極因子的出

現便可以降低腐蝕的形成國內大氣中的陰極因子主要是由海洋性環境的氯離子及

重工業區排放的二氧化硫所形成的即便是在遠離工業區的住家環境氯離子也會逐

漸造成金屬物件的腐蝕同時因為台灣海島型氣候的關係多雨的條件提供腐蝕因子

中陰陽極間構成電的通路所需的積水故建築物的鋼結構物腐蝕更容易形成並須施

以適當的保戶才能避免

隨著金屬材料的廣泛使用以及伴隨而來的腐蝕問題人們開始重視腐蝕問題的防

治為了達到最佳的防蝕效果各腐蝕防治專家不斷提出各種新型防蝕技術以及更有

效率的施工技術時至今日以鋅為主之各式各樣的防蝕工法如富鋅塗料熱浸鍍鋅

與鋅熔射已經能夠有效的減緩腐蝕問題的發生隨著科技的進步各式各樣不同的防

蝕工法應運而生人們也開始重視防蝕的重要性目前較常見的防蝕工法有[10]

(一)強化法此法可分為兩種第一種是構件本身的強化最常見的方法就是將活

性高的金屬與活性低的金屬混合得到鈍態的合金延長構件的使用壽命第二種則是

利用被覆材料阻絕環境中腐蝕因子與構件的接觸降低氧化反應的可能性此法是防

蝕方法中最普遍的工法被覆防蝕又可分成塗裝被覆與金屬被覆兩種前者包括塗膜

內襯包覆等後者有電鍍熱浸鍍金屬熔射硬銲等

(二)外力法顧名思義就是藉由外力的方法來達到防蝕的目的最常見的有陰極防

蝕與防蝕劑的添加前者是利用替代材料或輔助電極提供電子給構件補充該構件因

為氧化反應而失去的電子陰極防蝕又可分為外加電流與犧牲陽極兩種方式防蝕劑

的添加則是利用化學藥品吸附在金屬表面上生成保護膜降低腐蝕因子的影響藉以達

到防蝕的目的

在早期防蝕材料主要是以具有抑制效果的紅丹(鉛)與鋅鉻黃(六價鉻)來達到防蝕

的效果隨著工業的發展大氣中的腐蝕因子除了水與氧之外硫化物與氮化物的汙

染也會加速腐蝕反應進行而且隨著構件結構體設計日趨大型化搬運過程中的塗膜

碰撞及損傷機率也隨之增加同時國際對於重金屬使用的限制日趨嚴格使得抑制型

6

防鏽材料已漸漸無法滿足防蝕的需求取而代之的是具有犧牲保護作用的鋅金屬防蝕

被覆鋅粉塗料是否能發揮防蝕的功效與系統中鋅含量有著絕對的關係大致上來說

鋅含量的多寡與防蝕效果成正比換句話說鋅的塗層越厚則使用期限越久

目前有一防蝕效果相當優越的材料---鋅鋁材料其耐蝕性是來自於鋁的遮蔽保護

功能與鋅的犧牲保護功能實驗結果指出當鋅鋁材料中鋁的含量為 5時其防蝕效益

約為純鋅防蝕的 3 倍而當鋅鋁材料中鋁的含量為 55時其防蝕效益甚至可達到純鋅

防蝕的 8 倍而且當鋅在構件表面進行犧牲保護作用時鋁會在形成的鈍態的氧化層

適時扮演屏障保護的角色

四吊籠結構與混凝土結構共構支撐物的腐蝕損傷機制

吊籠基座除了裸露於大氣環境的金屬結構或與建築物鋼構物共構部分外另一部

分為與混凝土結構共構的部分一般的吊籠基座多以栓錨固定而栓錨則以埋入混凝

土中與鋼結構物或鋼筋共構以承受吊籠積載負荷

鋼筋混凝土大量被使用於建築土木工程尤其是交通建設方面諸如橋樑港灣hellip

等之重要設施鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料因此工程建造完工起用後

甚少需要維護但是受到環境超載(不當使用)施工品質等因素之影響其材料

結構則可能受到劣化損壞對整體耐久性與安全威脅甚鉅台灣為一海島型氣候終

年高溫高濕每年常遭颱災侵襲又因位處地震帶上地震災損頻傳於此惡劣環

境下鋼筋混凝土甚易受到空氣中之氯離子或其他腐蝕因子之侵入造成鋼筋發生銹

蝕斷裂體積膨脹導致混凝土的劣化剝落損壞[ 12]

相關的鋼筋混凝土設計與施工亦由行政院內政部營建署訂定有相關規範「混凝

土結構設計規範」[ 13]「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[ 14]「結構混凝土

施工規範」[ 15]及「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」[ 16]

近年來國內許多工程與設施之劣化損壞崩陷等案例層出不窮除了外力不

可抗拒因素外探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕在 RC結構物之耐

久性觀點上除了混凝土材料本身材質劣化外鋼筋的腐蝕是評估結構物耐久性之重

要指標之一而吊籠基座的栓錨亦可視作鋼筋混凝土中的鋼筋受到同樣的腐蝕危害

而造成使用時的潛在風險

五鋼筋之腐蝕機理[12]

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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ix

表 24 對數衰減法估測結構阻尼 76

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準 84

1

第一章 計畫概述 近年來由於都是人口成長快速經濟發展旺盛在都會區不但大樓林立而且其高

度也逐漸增加因此定期的大樓外牆的清潔整理必須要使用到外掛式的吊籠作為人

員承載的工具以方便作業人員自由移動到大樓的各個位置

吊籠的使用雖然方便但是其安全性卻有許多面向的考量如果在作業的過程中

沒有按照規定的程序或者指令執行的話經常會引起不必要的職業災害甚至於作業

人員的死亡引起災害的原因除了操作人員的不慎以及天候的變化之外設備的缺

失往往是造成意外的主因除了電器類的設備故障外吊籠的結構以及相關的支撐設

備缺失更是容易造成人員的傷亡因為結構安全的損壞所造成的職災其結果往往是

造成作業人員由高處掉落而造成重大的傷亡但是結構與支撐設備的損傷一般是不

容易由肉眼檢查得知必須要藉由正確的方法與適當的設備才能夠判別出來一般的

結構檢查必須要藉由精密的儀器與冗長的測試這樣的時間與成本不符合現場作業的

時效性與檢查的方便性因此作業人員往往忽略了結構檢查的重要性或者以簡單

的積載荷重進行靜態測試後便展開作業而忽略了潛在的危險因素

本計畫的研究目的即在於了解吊籠職災的案例並探討吊籠結構與支撐物的損傷

與鏽蝕發生的機制更進一步的探討各種可於現場作業進行的簡易檢測與判別方式

提供大樓管理者與現場作業人員進一步檢查的基礎藉以減少吊籠作業職災的發生增

進勞工工作的安全

第一節 前言

有關吊籠職災案例經查詢過去十年間(民國 92~101 年)行政院勞工委員會歷年職

災實例[ 1]以及北中南各區勞動檢查所公告之職災實例統計[ 2][ 3][ 4]登記有案的案

例計五件整理如下表

2

表 1 職災實例統計

年份 案例 災害類型 災害原因分析

92 於吊籠內從事外牆清潔工作發生

隨吊籠墜落致死災害 墜落

設置於女兒牆之夾牆架固定不

良

93 捲揚機吊鐵籠子著從事外牆補漆

作業時發生墜落物體飛落災害

墜落滾落

物體飛落 未確實將捲揚機機座安裝牢固

94

從事大樓外牆查漏作業因吊籠鋼

索斷裂發生勞工墜落死亡職業災

害案

墜落 吊籠過捲預防裝置失效吊籠未

經檢查合格

95

因吊籠之立地式支架固定基座混

凝土墩損壞連同吊籠工作床台墜

落死亡災害案

墜落滾落

未於吊籠固定方式變更時申請

變更檢查合格即予使用導致

發生吊籠立地式支架固定基座

混凝土墩座之植筋裹握力不足

97

操作吊籠作業因鋼索長度不足突

然脫開捲揚馬達造成吊籠上之勞

工發生墜落災害

墜落滾落

操作高度超出捲揚鋼索長度且

末端未設置防脫落之固定設

施致捲揚鋼索自索端脫開

另外由網路新聞蒐尋未登錄於上述單位的吊籠職災案例尚有下列數件

93 年 8 月 20 日過捲預防裝置(極限開關)失效致使吊籠之伸臂端鋼索及工作台三者

扭碰鋼索瞬間斷裂

95 年 1 月 13 日吊籠固定架突然鬆脫吊籠先向一邊傾斜隨即整座掉落地面

96 年 12 月 21 日捲揚機固定支架固定不良滑移脫落

98 年 12 月 30 日承載支架突然鬆脫

102 年 12 月台中大樓使用吊籠從事外牆維修作業時鋼索突然斷裂造成整個吊籠傾

斜2 名洗窗工人受困於 30 樓高空中

102 年 12 月 3 日新北市「正隆廣場大樓」進行高樓外牆洗窗因強風襲來吊籠被吹

起擺盪 90 度甩到左側牆面卡住不動2 人受困 10 樓高空

不論上述事故為人為因素支撐不良或機械故障但最終多與吊籠的固定方式遭破壞

3

或損傷有關

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 吊籠結構支撐物可分為吊臂與支架兩部分一般多以鋼結構物製作且由於支撐

物多安置於室外故多以鍍鋅或者是塗覆保護層的方式處理藉以降低腐蝕或材質損

傷的情事發生故吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制可藉由一般鋼結構物的腐蝕損

傷機制來了解也可以藉由鋼結構物的檢測機制來了解相關的作法

一吊籠安全檢查構造標準

有關吊籠結構安全的檢測現行辦法為「吊籠安全檢查構造標準」[ 5]於中華民

國九十四年五月十二日行政院勞工委員會勞檢 2 字第 0940024160 號令訂定發布全

文 49 條條文內容係針對吊籠本身結構安全與檢查訂定詳細規範但有關吊籠結

構支撐物的相關規定僅見於第 23 條完整條文如下第 23 條 吊籠之支架吊臂及其

基礎座應具有在積載荷重下保持必要穩定性之構造結構部分應具有足夠強度及

剛性不得有影響該吊籠安全之變形上述條文中並未針對吊籠支撐物的結構做任何

量化的定義因此在實際檢查作業中通常僅能以目視檢測方式觀察是否鏽蝕裂痕

等損傷尚未見具體的量化檢測指標經訪視營造廠商與結構技師建築師等專業人

士了解一般建築物設計裝設吊籠支撐物件時會將相關物件視為建築物結構的一部

份並根據吊籠的負載需求設計結構物的強度並視建築物結構為鋼筋混凝土或鋼結

構物進行結構強度分析設計施工過程中則依照相關結構物施工規範施作並於施

作完成後依據設計之吊籠負載進行荷重測試通過者由相關單位驗證記載證明發予使

用單位存查

因此對於吊籠支撐物結構的相關設計損傷與檢測之基礎規範應可依照鋼筋

混凝土或鋼結構物之相關規範進行整理收集但是由於吊籠支撐物結構尺寸遠小於建

築物規模故部分規範特別是檢測並無法直接使用在吊籠支撐物結 構上

二吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制

因台灣的海島型氣候環境濕度與空氣中氯離子含量偏高容易造成裸露鋼結構

物的腐蝕與損傷因為吊籠結構支撐物的設計與施工原則上是由結構技師依據相關建

築法規所設計因此吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制亦可以由建築結構的相關規範

4

文件來了解

吊籠結構支撐物簡單可以分為吊臂與基座(支架)兩部分由於吊臂通常是可移動的

物件因此可以進行較多的保護與檢測處理故在此以基座作為探討的重點一般而

言吊籠基座可以由結構的部分區分成裸露於大氣環境的部分以及與建築物剛結構

或混凝土結構共構的部分

裸露於大氣環境的部分一般是作為安置吊臂用的機構件多以圓孔設計外加固定

於結構物上所需之螺絲孔法蘭(Fringe)所構成這部分由於裸露於大氣環境中故可

以單純的鋼結構物作為探討的對象另一方面為承受吊籠機載荷重必須將上述的

裸露部分以適當的手法與建築物結構結合故一般吊籠結構支撐基座的底部多為利用

栓錨固定於結構物上同時栓錨必須與建築結構的鋼結構或混凝土結構結合共構如

果建築物純粹是鋼結構則吊籠基座便可以完全是用鋼構造物支檢測與設計規範進行

處理但若為混凝土結構物則吊籠基座分析便必須區分成裸露及混凝土包覆支結構

物來處理

三吊籠結構裸露於大氣環境支撐物的腐蝕損傷機制

首先就裸露於大氣環境中的鋼結構物進行探討一般建築物鋼結構物的設計主要

依循中華民國內政部營建署所頒布的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」[ 6]其中

又可分成「鋼結構容許應力設計法規範及解說」[ 7]與「鋼結構極限設計法規範及解說」

[ 8]兩種設計規範在建築物設計過程中根據吊籠積載荷重的規格依循上述兩種規

範即可計算出吊籠支撐物的相關材料表面處理與形狀尺寸等等數據並定義出工件

圖說而在施作過程現場則必須依「鋼構造建築物鋼結構施工規範」[ 9]所規定的方

法與程序施作待結構物穩定後進行積載荷重測試確認安全後即可給予簽証文件

因此在新建大樓使用初期裸露的吊籠支撐物安全是經過測試的然而由於鋼結構物

裸露在大氣環境中而台灣地處高溫高濕之亞熱帶海島型氣候區除了溼度高之外

四面環海的環境使得大氣中鹽分含量極高正因為大氣中充滿腐蝕因子所以在台灣

結構物往往因為嚴重的腐蝕問題而縮短使用壽命

鋼結構物的腐蝕主要由四大因子造成分別是 1陰極2陽極3電解質4陰陽

極間構成電的通路如果能阻絕其中一項因子便可達到防蝕的目的[ 10]廣義而言鋼

鐵材料必須同時接觸到水及空氣才會腐蝕鋼鐵的腐蝕問題乃環狀空間使得水及氧能

5

聚集在鋼鐵表面而容易腐蝕腐蝕機構乃水份反覆冷凝蒸發水氣覆蓋即反覆乾溼情

況下最容易產生腐蝕問題[ 11]除了水與空氣外溫度為影響腐蝕速率的重要因素

溫度愈高腐蝕率升高相對的溫度愈低 腐蝕率降低攝氏零度時水的腐蝕率則近乎零

由於鋼結構物本身即為腐蝕因子中的陽極物質如果可以減少周遭陰極因子的出

現便可以降低腐蝕的形成國內大氣中的陰極因子主要是由海洋性環境的氯離子及

重工業區排放的二氧化硫所形成的即便是在遠離工業區的住家環境氯離子也會逐

漸造成金屬物件的腐蝕同時因為台灣海島型氣候的關係多雨的條件提供腐蝕因子

中陰陽極間構成電的通路所需的積水故建築物的鋼結構物腐蝕更容易形成並須施

以適當的保戶才能避免

隨著金屬材料的廣泛使用以及伴隨而來的腐蝕問題人們開始重視腐蝕問題的防

治為了達到最佳的防蝕效果各腐蝕防治專家不斷提出各種新型防蝕技術以及更有

效率的施工技術時至今日以鋅為主之各式各樣的防蝕工法如富鋅塗料熱浸鍍鋅

與鋅熔射已經能夠有效的減緩腐蝕問題的發生隨著科技的進步各式各樣不同的防

蝕工法應運而生人們也開始重視防蝕的重要性目前較常見的防蝕工法有[10]

(一)強化法此法可分為兩種第一種是構件本身的強化最常見的方法就是將活

性高的金屬與活性低的金屬混合得到鈍態的合金延長構件的使用壽命第二種則是

利用被覆材料阻絕環境中腐蝕因子與構件的接觸降低氧化反應的可能性此法是防

蝕方法中最普遍的工法被覆防蝕又可分成塗裝被覆與金屬被覆兩種前者包括塗膜

內襯包覆等後者有電鍍熱浸鍍金屬熔射硬銲等

(二)外力法顧名思義就是藉由外力的方法來達到防蝕的目的最常見的有陰極防

蝕與防蝕劑的添加前者是利用替代材料或輔助電極提供電子給構件補充該構件因

為氧化反應而失去的電子陰極防蝕又可分為外加電流與犧牲陽極兩種方式防蝕劑

的添加則是利用化學藥品吸附在金屬表面上生成保護膜降低腐蝕因子的影響藉以達

到防蝕的目的

在早期防蝕材料主要是以具有抑制效果的紅丹(鉛)與鋅鉻黃(六價鉻)來達到防蝕

的效果隨著工業的發展大氣中的腐蝕因子除了水與氧之外硫化物與氮化物的汙

染也會加速腐蝕反應進行而且隨著構件結構體設計日趨大型化搬運過程中的塗膜

碰撞及損傷機率也隨之增加同時國際對於重金屬使用的限制日趨嚴格使得抑制型

6

防鏽材料已漸漸無法滿足防蝕的需求取而代之的是具有犧牲保護作用的鋅金屬防蝕

被覆鋅粉塗料是否能發揮防蝕的功效與系統中鋅含量有著絕對的關係大致上來說

鋅含量的多寡與防蝕效果成正比換句話說鋅的塗層越厚則使用期限越久

目前有一防蝕效果相當優越的材料---鋅鋁材料其耐蝕性是來自於鋁的遮蔽保護

功能與鋅的犧牲保護功能實驗結果指出當鋅鋁材料中鋁的含量為 5時其防蝕效益

約為純鋅防蝕的 3 倍而當鋅鋁材料中鋁的含量為 55時其防蝕效益甚至可達到純鋅

防蝕的 8 倍而且當鋅在構件表面進行犧牲保護作用時鋁會在形成的鈍態的氧化層

適時扮演屏障保護的角色

四吊籠結構與混凝土結構共構支撐物的腐蝕損傷機制

吊籠基座除了裸露於大氣環境的金屬結構或與建築物鋼構物共構部分外另一部

分為與混凝土結構共構的部分一般的吊籠基座多以栓錨固定而栓錨則以埋入混凝

土中與鋼結構物或鋼筋共構以承受吊籠積載負荷

鋼筋混凝土大量被使用於建築土木工程尤其是交通建設方面諸如橋樑港灣hellip

等之重要設施鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料因此工程建造完工起用後

甚少需要維護但是受到環境超載(不當使用)施工品質等因素之影響其材料

結構則可能受到劣化損壞對整體耐久性與安全威脅甚鉅台灣為一海島型氣候終

年高溫高濕每年常遭颱災侵襲又因位處地震帶上地震災損頻傳於此惡劣環

境下鋼筋混凝土甚易受到空氣中之氯離子或其他腐蝕因子之侵入造成鋼筋發生銹

蝕斷裂體積膨脹導致混凝土的劣化剝落損壞[ 12]

相關的鋼筋混凝土設計與施工亦由行政院內政部營建署訂定有相關規範「混凝

土結構設計規範」[ 13]「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[ 14]「結構混凝土

施工規範」[ 15]及「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」[ 16]

近年來國內許多工程與設施之劣化損壞崩陷等案例層出不窮除了外力不

可抗拒因素外探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕在 RC結構物之耐

久性觀點上除了混凝土材料本身材質劣化外鋼筋的腐蝕是評估結構物耐久性之重

要指標之一而吊籠基座的栓錨亦可視作鋼筋混凝土中的鋼筋受到同樣的腐蝕危害

而造成使用時的潛在風險

五鋼筋之腐蝕機理[12]

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

1

第一章 計畫概述 近年來由於都是人口成長快速經濟發展旺盛在都會區不但大樓林立而且其高

度也逐漸增加因此定期的大樓外牆的清潔整理必須要使用到外掛式的吊籠作為人

員承載的工具以方便作業人員自由移動到大樓的各個位置

吊籠的使用雖然方便但是其安全性卻有許多面向的考量如果在作業的過程中

沒有按照規定的程序或者指令執行的話經常會引起不必要的職業災害甚至於作業

人員的死亡引起災害的原因除了操作人員的不慎以及天候的變化之外設備的缺

失往往是造成意外的主因除了電器類的設備故障外吊籠的結構以及相關的支撐設

備缺失更是容易造成人員的傷亡因為結構安全的損壞所造成的職災其結果往往是

造成作業人員由高處掉落而造成重大的傷亡但是結構與支撐設備的損傷一般是不

容易由肉眼檢查得知必須要藉由正確的方法與適當的設備才能夠判別出來一般的

結構檢查必須要藉由精密的儀器與冗長的測試這樣的時間與成本不符合現場作業的

時效性與檢查的方便性因此作業人員往往忽略了結構檢查的重要性或者以簡單

的積載荷重進行靜態測試後便展開作業而忽略了潛在的危險因素

本計畫的研究目的即在於了解吊籠職災的案例並探討吊籠結構與支撐物的損傷

與鏽蝕發生的機制更進一步的探討各種可於現場作業進行的簡易檢測與判別方式

提供大樓管理者與現場作業人員進一步檢查的基礎藉以減少吊籠作業職災的發生增

進勞工工作的安全

第一節 前言

有關吊籠職災案例經查詢過去十年間(民國 92~101 年)行政院勞工委員會歷年職

災實例[ 1]以及北中南各區勞動檢查所公告之職災實例統計[ 2][ 3][ 4]登記有案的案

例計五件整理如下表

2

表 1 職災實例統計

年份 案例 災害類型 災害原因分析

92 於吊籠內從事外牆清潔工作發生

隨吊籠墜落致死災害 墜落

設置於女兒牆之夾牆架固定不

良

93 捲揚機吊鐵籠子著從事外牆補漆

作業時發生墜落物體飛落災害

墜落滾落

物體飛落 未確實將捲揚機機座安裝牢固

94

從事大樓外牆查漏作業因吊籠鋼

索斷裂發生勞工墜落死亡職業災

害案

墜落 吊籠過捲預防裝置失效吊籠未

經檢查合格

95

因吊籠之立地式支架固定基座混

凝土墩損壞連同吊籠工作床台墜

落死亡災害案

墜落滾落

未於吊籠固定方式變更時申請

變更檢查合格即予使用導致

發生吊籠立地式支架固定基座

混凝土墩座之植筋裹握力不足

97

操作吊籠作業因鋼索長度不足突

然脫開捲揚馬達造成吊籠上之勞

工發生墜落災害

墜落滾落

操作高度超出捲揚鋼索長度且

末端未設置防脫落之固定設

施致捲揚鋼索自索端脫開

另外由網路新聞蒐尋未登錄於上述單位的吊籠職災案例尚有下列數件

93 年 8 月 20 日過捲預防裝置(極限開關)失效致使吊籠之伸臂端鋼索及工作台三者

扭碰鋼索瞬間斷裂

95 年 1 月 13 日吊籠固定架突然鬆脫吊籠先向一邊傾斜隨即整座掉落地面

96 年 12 月 21 日捲揚機固定支架固定不良滑移脫落

98 年 12 月 30 日承載支架突然鬆脫

102 年 12 月台中大樓使用吊籠從事外牆維修作業時鋼索突然斷裂造成整個吊籠傾

斜2 名洗窗工人受困於 30 樓高空中

102 年 12 月 3 日新北市「正隆廣場大樓」進行高樓外牆洗窗因強風襲來吊籠被吹

起擺盪 90 度甩到左側牆面卡住不動2 人受困 10 樓高空

不論上述事故為人為因素支撐不良或機械故障但最終多與吊籠的固定方式遭破壞

3

或損傷有關

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 吊籠結構支撐物可分為吊臂與支架兩部分一般多以鋼結構物製作且由於支撐

物多安置於室外故多以鍍鋅或者是塗覆保護層的方式處理藉以降低腐蝕或材質損

傷的情事發生故吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制可藉由一般鋼結構物的腐蝕損

傷機制來了解也可以藉由鋼結構物的檢測機制來了解相關的作法

一吊籠安全檢查構造標準

有關吊籠結構安全的檢測現行辦法為「吊籠安全檢查構造標準」[ 5]於中華民

國九十四年五月十二日行政院勞工委員會勞檢 2 字第 0940024160 號令訂定發布全

文 49 條條文內容係針對吊籠本身結構安全與檢查訂定詳細規範但有關吊籠結

構支撐物的相關規定僅見於第 23 條完整條文如下第 23 條 吊籠之支架吊臂及其

基礎座應具有在積載荷重下保持必要穩定性之構造結構部分應具有足夠強度及

剛性不得有影響該吊籠安全之變形上述條文中並未針對吊籠支撐物的結構做任何

量化的定義因此在實際檢查作業中通常僅能以目視檢測方式觀察是否鏽蝕裂痕

等損傷尚未見具體的量化檢測指標經訪視營造廠商與結構技師建築師等專業人

士了解一般建築物設計裝設吊籠支撐物件時會將相關物件視為建築物結構的一部

份並根據吊籠的負載需求設計結構物的強度並視建築物結構為鋼筋混凝土或鋼結

構物進行結構強度分析設計施工過程中則依照相關結構物施工規範施作並於施

作完成後依據設計之吊籠負載進行荷重測試通過者由相關單位驗證記載證明發予使

用單位存查

因此對於吊籠支撐物結構的相關設計損傷與檢測之基礎規範應可依照鋼筋

混凝土或鋼結構物之相關規範進行整理收集但是由於吊籠支撐物結構尺寸遠小於建

築物規模故部分規範特別是檢測並無法直接使用在吊籠支撐物結 構上

二吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制

因台灣的海島型氣候環境濕度與空氣中氯離子含量偏高容易造成裸露鋼結構

物的腐蝕與損傷因為吊籠結構支撐物的設計與施工原則上是由結構技師依據相關建

築法規所設計因此吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制亦可以由建築結構的相關規範

4

文件來了解

吊籠結構支撐物簡單可以分為吊臂與基座(支架)兩部分由於吊臂通常是可移動的

物件因此可以進行較多的保護與檢測處理故在此以基座作為探討的重點一般而

言吊籠基座可以由結構的部分區分成裸露於大氣環境的部分以及與建築物剛結構

或混凝土結構共構的部分

裸露於大氣環境的部分一般是作為安置吊臂用的機構件多以圓孔設計外加固定

於結構物上所需之螺絲孔法蘭(Fringe)所構成這部分由於裸露於大氣環境中故可

以單純的鋼結構物作為探討的對象另一方面為承受吊籠機載荷重必須將上述的

裸露部分以適當的手法與建築物結構結合故一般吊籠結構支撐基座的底部多為利用

栓錨固定於結構物上同時栓錨必須與建築結構的鋼結構或混凝土結構結合共構如

果建築物純粹是鋼結構則吊籠基座便可以完全是用鋼構造物支檢測與設計規範進行

處理但若為混凝土結構物則吊籠基座分析便必須區分成裸露及混凝土包覆支結構

物來處理

三吊籠結構裸露於大氣環境支撐物的腐蝕損傷機制

首先就裸露於大氣環境中的鋼結構物進行探討一般建築物鋼結構物的設計主要

依循中華民國內政部營建署所頒布的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」[ 6]其中

又可分成「鋼結構容許應力設計法規範及解說」[ 7]與「鋼結構極限設計法規範及解說」

[ 8]兩種設計規範在建築物設計過程中根據吊籠積載荷重的規格依循上述兩種規

範即可計算出吊籠支撐物的相關材料表面處理與形狀尺寸等等數據並定義出工件

圖說而在施作過程現場則必須依「鋼構造建築物鋼結構施工規範」[ 9]所規定的方

法與程序施作待結構物穩定後進行積載荷重測試確認安全後即可給予簽証文件

因此在新建大樓使用初期裸露的吊籠支撐物安全是經過測試的然而由於鋼結構物

裸露在大氣環境中而台灣地處高溫高濕之亞熱帶海島型氣候區除了溼度高之外

四面環海的環境使得大氣中鹽分含量極高正因為大氣中充滿腐蝕因子所以在台灣

結構物往往因為嚴重的腐蝕問題而縮短使用壽命

鋼結構物的腐蝕主要由四大因子造成分別是 1陰極2陽極3電解質4陰陽

極間構成電的通路如果能阻絕其中一項因子便可達到防蝕的目的[ 10]廣義而言鋼

鐵材料必須同時接觸到水及空氣才會腐蝕鋼鐵的腐蝕問題乃環狀空間使得水及氧能

5

聚集在鋼鐵表面而容易腐蝕腐蝕機構乃水份反覆冷凝蒸發水氣覆蓋即反覆乾溼情

況下最容易產生腐蝕問題[ 11]除了水與空氣外溫度為影響腐蝕速率的重要因素

溫度愈高腐蝕率升高相對的溫度愈低 腐蝕率降低攝氏零度時水的腐蝕率則近乎零

由於鋼結構物本身即為腐蝕因子中的陽極物質如果可以減少周遭陰極因子的出

現便可以降低腐蝕的形成國內大氣中的陰極因子主要是由海洋性環境的氯離子及

重工業區排放的二氧化硫所形成的即便是在遠離工業區的住家環境氯離子也會逐

漸造成金屬物件的腐蝕同時因為台灣海島型氣候的關係多雨的條件提供腐蝕因子

中陰陽極間構成電的通路所需的積水故建築物的鋼結構物腐蝕更容易形成並須施

以適當的保戶才能避免

隨著金屬材料的廣泛使用以及伴隨而來的腐蝕問題人們開始重視腐蝕問題的防

治為了達到最佳的防蝕效果各腐蝕防治專家不斷提出各種新型防蝕技術以及更有

效率的施工技術時至今日以鋅為主之各式各樣的防蝕工法如富鋅塗料熱浸鍍鋅

與鋅熔射已經能夠有效的減緩腐蝕問題的發生隨著科技的進步各式各樣不同的防

蝕工法應運而生人們也開始重視防蝕的重要性目前較常見的防蝕工法有[10]

(一)強化法此法可分為兩種第一種是構件本身的強化最常見的方法就是將活

性高的金屬與活性低的金屬混合得到鈍態的合金延長構件的使用壽命第二種則是

利用被覆材料阻絕環境中腐蝕因子與構件的接觸降低氧化反應的可能性此法是防

蝕方法中最普遍的工法被覆防蝕又可分成塗裝被覆與金屬被覆兩種前者包括塗膜

內襯包覆等後者有電鍍熱浸鍍金屬熔射硬銲等

(二)外力法顧名思義就是藉由外力的方法來達到防蝕的目的最常見的有陰極防

蝕與防蝕劑的添加前者是利用替代材料或輔助電極提供電子給構件補充該構件因

為氧化反應而失去的電子陰極防蝕又可分為外加電流與犧牲陽極兩種方式防蝕劑

的添加則是利用化學藥品吸附在金屬表面上生成保護膜降低腐蝕因子的影響藉以達

到防蝕的目的

在早期防蝕材料主要是以具有抑制效果的紅丹(鉛)與鋅鉻黃(六價鉻)來達到防蝕

的效果隨著工業的發展大氣中的腐蝕因子除了水與氧之外硫化物與氮化物的汙

染也會加速腐蝕反應進行而且隨著構件結構體設計日趨大型化搬運過程中的塗膜

碰撞及損傷機率也隨之增加同時國際對於重金屬使用的限制日趨嚴格使得抑制型

6

防鏽材料已漸漸無法滿足防蝕的需求取而代之的是具有犧牲保護作用的鋅金屬防蝕

被覆鋅粉塗料是否能發揮防蝕的功效與系統中鋅含量有著絕對的關係大致上來說

鋅含量的多寡與防蝕效果成正比換句話說鋅的塗層越厚則使用期限越久

目前有一防蝕效果相當優越的材料---鋅鋁材料其耐蝕性是來自於鋁的遮蔽保護

功能與鋅的犧牲保護功能實驗結果指出當鋅鋁材料中鋁的含量為 5時其防蝕效益

約為純鋅防蝕的 3 倍而當鋅鋁材料中鋁的含量為 55時其防蝕效益甚至可達到純鋅

防蝕的 8 倍而且當鋅在構件表面進行犧牲保護作用時鋁會在形成的鈍態的氧化層

適時扮演屏障保護的角色

四吊籠結構與混凝土結構共構支撐物的腐蝕損傷機制

吊籠基座除了裸露於大氣環境的金屬結構或與建築物鋼構物共構部分外另一部

分為與混凝土結構共構的部分一般的吊籠基座多以栓錨固定而栓錨則以埋入混凝

土中與鋼結構物或鋼筋共構以承受吊籠積載負荷

鋼筋混凝土大量被使用於建築土木工程尤其是交通建設方面諸如橋樑港灣hellip

等之重要設施鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料因此工程建造完工起用後

甚少需要維護但是受到環境超載(不當使用)施工品質等因素之影響其材料

結構則可能受到劣化損壞對整體耐久性與安全威脅甚鉅台灣為一海島型氣候終

年高溫高濕每年常遭颱災侵襲又因位處地震帶上地震災損頻傳於此惡劣環

境下鋼筋混凝土甚易受到空氣中之氯離子或其他腐蝕因子之侵入造成鋼筋發生銹

蝕斷裂體積膨脹導致混凝土的劣化剝落損壞[ 12]

相關的鋼筋混凝土設計與施工亦由行政院內政部營建署訂定有相關規範「混凝

土結構設計規範」[ 13]「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[ 14]「結構混凝土

施工規範」[ 15]及「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」[ 16]

近年來國內許多工程與設施之劣化損壞崩陷等案例層出不窮除了外力不

可抗拒因素外探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕在 RC結構物之耐

久性觀點上除了混凝土材料本身材質劣化外鋼筋的腐蝕是評估結構物耐久性之重

要指標之一而吊籠基座的栓錨亦可視作鋼筋混凝土中的鋼筋受到同樣的腐蝕危害

而造成使用時的潛在風險

五鋼筋之腐蝕機理[12]

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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2

表 1 職災實例統計

年份 案例 災害類型 災害原因分析

92 於吊籠內從事外牆清潔工作發生

隨吊籠墜落致死災害 墜落

設置於女兒牆之夾牆架固定不

良

93 捲揚機吊鐵籠子著從事外牆補漆

作業時發生墜落物體飛落災害

墜落滾落

物體飛落 未確實將捲揚機機座安裝牢固

94

從事大樓外牆查漏作業因吊籠鋼

索斷裂發生勞工墜落死亡職業災

害案

墜落 吊籠過捲預防裝置失效吊籠未

經檢查合格

95

因吊籠之立地式支架固定基座混

凝土墩損壞連同吊籠工作床台墜

落死亡災害案

墜落滾落

未於吊籠固定方式變更時申請

變更檢查合格即予使用導致

發生吊籠立地式支架固定基座

混凝土墩座之植筋裹握力不足

97

操作吊籠作業因鋼索長度不足突

然脫開捲揚馬達造成吊籠上之勞

工發生墜落災害

墜落滾落

操作高度超出捲揚鋼索長度且

末端未設置防脫落之固定設

施致捲揚鋼索自索端脫開

另外由網路新聞蒐尋未登錄於上述單位的吊籠職災案例尚有下列數件

93 年 8 月 20 日過捲預防裝置(極限開關)失效致使吊籠之伸臂端鋼索及工作台三者

扭碰鋼索瞬間斷裂

95 年 1 月 13 日吊籠固定架突然鬆脫吊籠先向一邊傾斜隨即整座掉落地面

96 年 12 月 21 日捲揚機固定支架固定不良滑移脫落

98 年 12 月 30 日承載支架突然鬆脫

102 年 12 月台中大樓使用吊籠從事外牆維修作業時鋼索突然斷裂造成整個吊籠傾

斜2 名洗窗工人受困於 30 樓高空中

102 年 12 月 3 日新北市「正隆廣場大樓」進行高樓外牆洗窗因強風襲來吊籠被吹

起擺盪 90 度甩到左側牆面卡住不動2 人受困 10 樓高空

不論上述事故為人為因素支撐不良或機械故障但最終多與吊籠的固定方式遭破壞

3

或損傷有關

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 吊籠結構支撐物可分為吊臂與支架兩部分一般多以鋼結構物製作且由於支撐

物多安置於室外故多以鍍鋅或者是塗覆保護層的方式處理藉以降低腐蝕或材質損

傷的情事發生故吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制可藉由一般鋼結構物的腐蝕損

傷機制來了解也可以藉由鋼結構物的檢測機制來了解相關的作法

一吊籠安全檢查構造標準

有關吊籠結構安全的檢測現行辦法為「吊籠安全檢查構造標準」[ 5]於中華民

國九十四年五月十二日行政院勞工委員會勞檢 2 字第 0940024160 號令訂定發布全

文 49 條條文內容係針對吊籠本身結構安全與檢查訂定詳細規範但有關吊籠結

構支撐物的相關規定僅見於第 23 條完整條文如下第 23 條 吊籠之支架吊臂及其

基礎座應具有在積載荷重下保持必要穩定性之構造結構部分應具有足夠強度及

剛性不得有影響該吊籠安全之變形上述條文中並未針對吊籠支撐物的結構做任何

量化的定義因此在實際檢查作業中通常僅能以目視檢測方式觀察是否鏽蝕裂痕

等損傷尚未見具體的量化檢測指標經訪視營造廠商與結構技師建築師等專業人

士了解一般建築物設計裝設吊籠支撐物件時會將相關物件視為建築物結構的一部

份並根據吊籠的負載需求設計結構物的強度並視建築物結構為鋼筋混凝土或鋼結

構物進行結構強度分析設計施工過程中則依照相關結構物施工規範施作並於施

作完成後依據設計之吊籠負載進行荷重測試通過者由相關單位驗證記載證明發予使

用單位存查

因此對於吊籠支撐物結構的相關設計損傷與檢測之基礎規範應可依照鋼筋

混凝土或鋼結構物之相關規範進行整理收集但是由於吊籠支撐物結構尺寸遠小於建

築物規模故部分規範特別是檢測並無法直接使用在吊籠支撐物結 構上

二吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制

因台灣的海島型氣候環境濕度與空氣中氯離子含量偏高容易造成裸露鋼結構

物的腐蝕與損傷因為吊籠結構支撐物的設計與施工原則上是由結構技師依據相關建

築法規所設計因此吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制亦可以由建築結構的相關規範

4

文件來了解

吊籠結構支撐物簡單可以分為吊臂與基座(支架)兩部分由於吊臂通常是可移動的

物件因此可以進行較多的保護與檢測處理故在此以基座作為探討的重點一般而

言吊籠基座可以由結構的部分區分成裸露於大氣環境的部分以及與建築物剛結構

或混凝土結構共構的部分

裸露於大氣環境的部分一般是作為安置吊臂用的機構件多以圓孔設計外加固定

於結構物上所需之螺絲孔法蘭(Fringe)所構成這部分由於裸露於大氣環境中故可

以單純的鋼結構物作為探討的對象另一方面為承受吊籠機載荷重必須將上述的

裸露部分以適當的手法與建築物結構結合故一般吊籠結構支撐基座的底部多為利用

栓錨固定於結構物上同時栓錨必須與建築結構的鋼結構或混凝土結構結合共構如

果建築物純粹是鋼結構則吊籠基座便可以完全是用鋼構造物支檢測與設計規範進行

處理但若為混凝土結構物則吊籠基座分析便必須區分成裸露及混凝土包覆支結構

物來處理

三吊籠結構裸露於大氣環境支撐物的腐蝕損傷機制

首先就裸露於大氣環境中的鋼結構物進行探討一般建築物鋼結構物的設計主要

依循中華民國內政部營建署所頒布的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」[ 6]其中

又可分成「鋼結構容許應力設計法規範及解說」[ 7]與「鋼結構極限設計法規範及解說」

[ 8]兩種設計規範在建築物設計過程中根據吊籠積載荷重的規格依循上述兩種規

範即可計算出吊籠支撐物的相關材料表面處理與形狀尺寸等等數據並定義出工件

圖說而在施作過程現場則必須依「鋼構造建築物鋼結構施工規範」[ 9]所規定的方

法與程序施作待結構物穩定後進行積載荷重測試確認安全後即可給予簽証文件

因此在新建大樓使用初期裸露的吊籠支撐物安全是經過測試的然而由於鋼結構物

裸露在大氣環境中而台灣地處高溫高濕之亞熱帶海島型氣候區除了溼度高之外

四面環海的環境使得大氣中鹽分含量極高正因為大氣中充滿腐蝕因子所以在台灣

結構物往往因為嚴重的腐蝕問題而縮短使用壽命

鋼結構物的腐蝕主要由四大因子造成分別是 1陰極2陽極3電解質4陰陽

極間構成電的通路如果能阻絕其中一項因子便可達到防蝕的目的[ 10]廣義而言鋼

鐵材料必須同時接觸到水及空氣才會腐蝕鋼鐵的腐蝕問題乃環狀空間使得水及氧能

5

聚集在鋼鐵表面而容易腐蝕腐蝕機構乃水份反覆冷凝蒸發水氣覆蓋即反覆乾溼情

況下最容易產生腐蝕問題[ 11]除了水與空氣外溫度為影響腐蝕速率的重要因素

溫度愈高腐蝕率升高相對的溫度愈低 腐蝕率降低攝氏零度時水的腐蝕率則近乎零

由於鋼結構物本身即為腐蝕因子中的陽極物質如果可以減少周遭陰極因子的出

現便可以降低腐蝕的形成國內大氣中的陰極因子主要是由海洋性環境的氯離子及

重工業區排放的二氧化硫所形成的即便是在遠離工業區的住家環境氯離子也會逐

漸造成金屬物件的腐蝕同時因為台灣海島型氣候的關係多雨的條件提供腐蝕因子

中陰陽極間構成電的通路所需的積水故建築物的鋼結構物腐蝕更容易形成並須施

以適當的保戶才能避免

隨著金屬材料的廣泛使用以及伴隨而來的腐蝕問題人們開始重視腐蝕問題的防

治為了達到最佳的防蝕效果各腐蝕防治專家不斷提出各種新型防蝕技術以及更有

效率的施工技術時至今日以鋅為主之各式各樣的防蝕工法如富鋅塗料熱浸鍍鋅

與鋅熔射已經能夠有效的減緩腐蝕問題的發生隨著科技的進步各式各樣不同的防

蝕工法應運而生人們也開始重視防蝕的重要性目前較常見的防蝕工法有[10]

(一)強化法此法可分為兩種第一種是構件本身的強化最常見的方法就是將活

性高的金屬與活性低的金屬混合得到鈍態的合金延長構件的使用壽命第二種則是

利用被覆材料阻絕環境中腐蝕因子與構件的接觸降低氧化反應的可能性此法是防

蝕方法中最普遍的工法被覆防蝕又可分成塗裝被覆與金屬被覆兩種前者包括塗膜

內襯包覆等後者有電鍍熱浸鍍金屬熔射硬銲等

(二)外力法顧名思義就是藉由外力的方法來達到防蝕的目的最常見的有陰極防

蝕與防蝕劑的添加前者是利用替代材料或輔助電極提供電子給構件補充該構件因

為氧化反應而失去的電子陰極防蝕又可分為外加電流與犧牲陽極兩種方式防蝕劑

的添加則是利用化學藥品吸附在金屬表面上生成保護膜降低腐蝕因子的影響藉以達

到防蝕的目的

在早期防蝕材料主要是以具有抑制效果的紅丹(鉛)與鋅鉻黃(六價鉻)來達到防蝕

的效果隨著工業的發展大氣中的腐蝕因子除了水與氧之外硫化物與氮化物的汙

染也會加速腐蝕反應進行而且隨著構件結構體設計日趨大型化搬運過程中的塗膜

碰撞及損傷機率也隨之增加同時國際對於重金屬使用的限制日趨嚴格使得抑制型

6

防鏽材料已漸漸無法滿足防蝕的需求取而代之的是具有犧牲保護作用的鋅金屬防蝕

被覆鋅粉塗料是否能發揮防蝕的功效與系統中鋅含量有著絕對的關係大致上來說

鋅含量的多寡與防蝕效果成正比換句話說鋅的塗層越厚則使用期限越久

目前有一防蝕效果相當優越的材料---鋅鋁材料其耐蝕性是來自於鋁的遮蔽保護

功能與鋅的犧牲保護功能實驗結果指出當鋅鋁材料中鋁的含量為 5時其防蝕效益

約為純鋅防蝕的 3 倍而當鋅鋁材料中鋁的含量為 55時其防蝕效益甚至可達到純鋅

防蝕的 8 倍而且當鋅在構件表面進行犧牲保護作用時鋁會在形成的鈍態的氧化層

適時扮演屏障保護的角色

四吊籠結構與混凝土結構共構支撐物的腐蝕損傷機制

吊籠基座除了裸露於大氣環境的金屬結構或與建築物鋼構物共構部分外另一部

分為與混凝土結構共構的部分一般的吊籠基座多以栓錨固定而栓錨則以埋入混凝

土中與鋼結構物或鋼筋共構以承受吊籠積載負荷

鋼筋混凝土大量被使用於建築土木工程尤其是交通建設方面諸如橋樑港灣hellip

等之重要設施鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料因此工程建造完工起用後

甚少需要維護但是受到環境超載(不當使用)施工品質等因素之影響其材料

結構則可能受到劣化損壞對整體耐久性與安全威脅甚鉅台灣為一海島型氣候終

年高溫高濕每年常遭颱災侵襲又因位處地震帶上地震災損頻傳於此惡劣環

境下鋼筋混凝土甚易受到空氣中之氯離子或其他腐蝕因子之侵入造成鋼筋發生銹

蝕斷裂體積膨脹導致混凝土的劣化剝落損壞[ 12]

相關的鋼筋混凝土設計與施工亦由行政院內政部營建署訂定有相關規範「混凝

土結構設計規範」[ 13]「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[ 14]「結構混凝土

施工規範」[ 15]及「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」[ 16]

近年來國內許多工程與設施之劣化損壞崩陷等案例層出不窮除了外力不

可抗拒因素外探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕在 RC結構物之耐

久性觀點上除了混凝土材料本身材質劣化外鋼筋的腐蝕是評估結構物耐久性之重

要指標之一而吊籠基座的栓錨亦可視作鋼筋混凝土中的鋼筋受到同樣的腐蝕危害

而造成使用時的潛在風險

五鋼筋之腐蝕機理[12]

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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3

或損傷有關

第二節 吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制 吊籠結構支撐物可分為吊臂與支架兩部分一般多以鋼結構物製作且由於支撐

物多安置於室外故多以鍍鋅或者是塗覆保護層的方式處理藉以降低腐蝕或材質損

傷的情事發生故吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制可藉由一般鋼結構物的腐蝕損

傷機制來了解也可以藉由鋼結構物的檢測機制來了解相關的作法

一吊籠安全檢查構造標準

有關吊籠結構安全的檢測現行辦法為「吊籠安全檢查構造標準」[ 5]於中華民

國九十四年五月十二日行政院勞工委員會勞檢 2 字第 0940024160 號令訂定發布全

文 49 條條文內容係針對吊籠本身結構安全與檢查訂定詳細規範但有關吊籠結

構支撐物的相關規定僅見於第 23 條完整條文如下第 23 條 吊籠之支架吊臂及其

基礎座應具有在積載荷重下保持必要穩定性之構造結構部分應具有足夠強度及

剛性不得有影響該吊籠安全之變形上述條文中並未針對吊籠支撐物的結構做任何

量化的定義因此在實際檢查作業中通常僅能以目視檢測方式觀察是否鏽蝕裂痕

等損傷尚未見具體的量化檢測指標經訪視營造廠商與結構技師建築師等專業人

士了解一般建築物設計裝設吊籠支撐物件時會將相關物件視為建築物結構的一部

份並根據吊籠的負載需求設計結構物的強度並視建築物結構為鋼筋混凝土或鋼結

構物進行結構強度分析設計施工過程中則依照相關結構物施工規範施作並於施

作完成後依據設計之吊籠負載進行荷重測試通過者由相關單位驗證記載證明發予使

用單位存查

因此對於吊籠支撐物結構的相關設計損傷與檢測之基礎規範應可依照鋼筋

混凝土或鋼結構物之相關規範進行整理收集但是由於吊籠支撐物結構尺寸遠小於建

築物規模故部分規範特別是檢測並無法直接使用在吊籠支撐物結 構上

二吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制

因台灣的海島型氣候環境濕度與空氣中氯離子含量偏高容易造成裸露鋼結構

物的腐蝕與損傷因為吊籠結構支撐物的設計與施工原則上是由結構技師依據相關建

築法規所設計因此吊籠結構支撐物的腐蝕損傷機制亦可以由建築結構的相關規範

4

文件來了解

吊籠結構支撐物簡單可以分為吊臂與基座(支架)兩部分由於吊臂通常是可移動的

物件因此可以進行較多的保護與檢測處理故在此以基座作為探討的重點一般而

言吊籠基座可以由結構的部分區分成裸露於大氣環境的部分以及與建築物剛結構

或混凝土結構共構的部分

裸露於大氣環境的部分一般是作為安置吊臂用的機構件多以圓孔設計外加固定

於結構物上所需之螺絲孔法蘭(Fringe)所構成這部分由於裸露於大氣環境中故可

以單純的鋼結構物作為探討的對象另一方面為承受吊籠機載荷重必須將上述的

裸露部分以適當的手法與建築物結構結合故一般吊籠結構支撐基座的底部多為利用

栓錨固定於結構物上同時栓錨必須與建築結構的鋼結構或混凝土結構結合共構如

果建築物純粹是鋼結構則吊籠基座便可以完全是用鋼構造物支檢測與設計規範進行

處理但若為混凝土結構物則吊籠基座分析便必須區分成裸露及混凝土包覆支結構

物來處理

三吊籠結構裸露於大氣環境支撐物的腐蝕損傷機制

首先就裸露於大氣環境中的鋼結構物進行探討一般建築物鋼結構物的設計主要

依循中華民國內政部營建署所頒布的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」[ 6]其中

又可分成「鋼結構容許應力設計法規範及解說」[ 7]與「鋼結構極限設計法規範及解說」

[ 8]兩種設計規範在建築物設計過程中根據吊籠積載荷重的規格依循上述兩種規

範即可計算出吊籠支撐物的相關材料表面處理與形狀尺寸等等數據並定義出工件

圖說而在施作過程現場則必須依「鋼構造建築物鋼結構施工規範」[ 9]所規定的方

法與程序施作待結構物穩定後進行積載荷重測試確認安全後即可給予簽証文件

因此在新建大樓使用初期裸露的吊籠支撐物安全是經過測試的然而由於鋼結構物

裸露在大氣環境中而台灣地處高溫高濕之亞熱帶海島型氣候區除了溼度高之外

四面環海的環境使得大氣中鹽分含量極高正因為大氣中充滿腐蝕因子所以在台灣

結構物往往因為嚴重的腐蝕問題而縮短使用壽命

鋼結構物的腐蝕主要由四大因子造成分別是 1陰極2陽極3電解質4陰陽

極間構成電的通路如果能阻絕其中一項因子便可達到防蝕的目的[ 10]廣義而言鋼

鐵材料必須同時接觸到水及空氣才會腐蝕鋼鐵的腐蝕問題乃環狀空間使得水及氧能

5

聚集在鋼鐵表面而容易腐蝕腐蝕機構乃水份反覆冷凝蒸發水氣覆蓋即反覆乾溼情

況下最容易產生腐蝕問題[ 11]除了水與空氣外溫度為影響腐蝕速率的重要因素

溫度愈高腐蝕率升高相對的溫度愈低 腐蝕率降低攝氏零度時水的腐蝕率則近乎零

由於鋼結構物本身即為腐蝕因子中的陽極物質如果可以減少周遭陰極因子的出

現便可以降低腐蝕的形成國內大氣中的陰極因子主要是由海洋性環境的氯離子及

重工業區排放的二氧化硫所形成的即便是在遠離工業區的住家環境氯離子也會逐

漸造成金屬物件的腐蝕同時因為台灣海島型氣候的關係多雨的條件提供腐蝕因子

中陰陽極間構成電的通路所需的積水故建築物的鋼結構物腐蝕更容易形成並須施

以適當的保戶才能避免

隨著金屬材料的廣泛使用以及伴隨而來的腐蝕問題人們開始重視腐蝕問題的防

治為了達到最佳的防蝕效果各腐蝕防治專家不斷提出各種新型防蝕技術以及更有

效率的施工技術時至今日以鋅為主之各式各樣的防蝕工法如富鋅塗料熱浸鍍鋅

與鋅熔射已經能夠有效的減緩腐蝕問題的發生隨著科技的進步各式各樣不同的防

蝕工法應運而生人們也開始重視防蝕的重要性目前較常見的防蝕工法有[10]

(一)強化法此法可分為兩種第一種是構件本身的強化最常見的方法就是將活

性高的金屬與活性低的金屬混合得到鈍態的合金延長構件的使用壽命第二種則是

利用被覆材料阻絕環境中腐蝕因子與構件的接觸降低氧化反應的可能性此法是防

蝕方法中最普遍的工法被覆防蝕又可分成塗裝被覆與金屬被覆兩種前者包括塗膜

內襯包覆等後者有電鍍熱浸鍍金屬熔射硬銲等

(二)外力法顧名思義就是藉由外力的方法來達到防蝕的目的最常見的有陰極防

蝕與防蝕劑的添加前者是利用替代材料或輔助電極提供電子給構件補充該構件因

為氧化反應而失去的電子陰極防蝕又可分為外加電流與犧牲陽極兩種方式防蝕劑

的添加則是利用化學藥品吸附在金屬表面上生成保護膜降低腐蝕因子的影響藉以達

到防蝕的目的

在早期防蝕材料主要是以具有抑制效果的紅丹(鉛)與鋅鉻黃(六價鉻)來達到防蝕

的效果隨著工業的發展大氣中的腐蝕因子除了水與氧之外硫化物與氮化物的汙

染也會加速腐蝕反應進行而且隨著構件結構體設計日趨大型化搬運過程中的塗膜

碰撞及損傷機率也隨之增加同時國際對於重金屬使用的限制日趨嚴格使得抑制型

6

防鏽材料已漸漸無法滿足防蝕的需求取而代之的是具有犧牲保護作用的鋅金屬防蝕

被覆鋅粉塗料是否能發揮防蝕的功效與系統中鋅含量有著絕對的關係大致上來說

鋅含量的多寡與防蝕效果成正比換句話說鋅的塗層越厚則使用期限越久

目前有一防蝕效果相當優越的材料---鋅鋁材料其耐蝕性是來自於鋁的遮蔽保護

功能與鋅的犧牲保護功能實驗結果指出當鋅鋁材料中鋁的含量為 5時其防蝕效益

約為純鋅防蝕的 3 倍而當鋅鋁材料中鋁的含量為 55時其防蝕效益甚至可達到純鋅

防蝕的 8 倍而且當鋅在構件表面進行犧牲保護作用時鋁會在形成的鈍態的氧化層

適時扮演屏障保護的角色

四吊籠結構與混凝土結構共構支撐物的腐蝕損傷機制

吊籠基座除了裸露於大氣環境的金屬結構或與建築物鋼構物共構部分外另一部

分為與混凝土結構共構的部分一般的吊籠基座多以栓錨固定而栓錨則以埋入混凝

土中與鋼結構物或鋼筋共構以承受吊籠積載負荷

鋼筋混凝土大量被使用於建築土木工程尤其是交通建設方面諸如橋樑港灣hellip

等之重要設施鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料因此工程建造完工起用後

甚少需要維護但是受到環境超載(不當使用)施工品質等因素之影響其材料

結構則可能受到劣化損壞對整體耐久性與安全威脅甚鉅台灣為一海島型氣候終

年高溫高濕每年常遭颱災侵襲又因位處地震帶上地震災損頻傳於此惡劣環

境下鋼筋混凝土甚易受到空氣中之氯離子或其他腐蝕因子之侵入造成鋼筋發生銹

蝕斷裂體積膨脹導致混凝土的劣化剝落損壞[ 12]

相關的鋼筋混凝土設計與施工亦由行政院內政部營建署訂定有相關規範「混凝

土結構設計規範」[ 13]「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[ 14]「結構混凝土

施工規範」[ 15]及「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」[ 16]

近年來國內許多工程與設施之劣化損壞崩陷等案例層出不窮除了外力不

可抗拒因素外探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕在 RC結構物之耐

久性觀點上除了混凝土材料本身材質劣化外鋼筋的腐蝕是評估結構物耐久性之重

要指標之一而吊籠基座的栓錨亦可視作鋼筋混凝土中的鋼筋受到同樣的腐蝕危害

而造成使用時的潛在風險

五鋼筋之腐蝕機理[12]

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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4

文件來了解

吊籠結構支撐物簡單可以分為吊臂與基座(支架)兩部分由於吊臂通常是可移動的

物件因此可以進行較多的保護與檢測處理故在此以基座作為探討的重點一般而

言吊籠基座可以由結構的部分區分成裸露於大氣環境的部分以及與建築物剛結構

或混凝土結構共構的部分

裸露於大氣環境的部分一般是作為安置吊臂用的機構件多以圓孔設計外加固定

於結構物上所需之螺絲孔法蘭(Fringe)所構成這部分由於裸露於大氣環境中故可

以單純的鋼結構物作為探討的對象另一方面為承受吊籠機載荷重必須將上述的

裸露部分以適當的手法與建築物結構結合故一般吊籠結構支撐基座的底部多為利用

栓錨固定於結構物上同時栓錨必須與建築結構的鋼結構或混凝土結構結合共構如

果建築物純粹是鋼結構則吊籠基座便可以完全是用鋼構造物支檢測與設計規範進行

處理但若為混凝土結構物則吊籠基座分析便必須區分成裸露及混凝土包覆支結構

物來處理

三吊籠結構裸露於大氣環境支撐物的腐蝕損傷機制

首先就裸露於大氣環境中的鋼結構物進行探討一般建築物鋼結構物的設計主要

依循中華民國內政部營建署所頒布的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」[ 6]其中

又可分成「鋼結構容許應力設計法規範及解說」[ 7]與「鋼結構極限設計法規範及解說」

[ 8]兩種設計規範在建築物設計過程中根據吊籠積載荷重的規格依循上述兩種規

範即可計算出吊籠支撐物的相關材料表面處理與形狀尺寸等等數據並定義出工件

圖說而在施作過程現場則必須依「鋼構造建築物鋼結構施工規範」[ 9]所規定的方

法與程序施作待結構物穩定後進行積載荷重測試確認安全後即可給予簽証文件

因此在新建大樓使用初期裸露的吊籠支撐物安全是經過測試的然而由於鋼結構物

裸露在大氣環境中而台灣地處高溫高濕之亞熱帶海島型氣候區除了溼度高之外

四面環海的環境使得大氣中鹽分含量極高正因為大氣中充滿腐蝕因子所以在台灣

結構物往往因為嚴重的腐蝕問題而縮短使用壽命

鋼結構物的腐蝕主要由四大因子造成分別是 1陰極2陽極3電解質4陰陽

極間構成電的通路如果能阻絕其中一項因子便可達到防蝕的目的[ 10]廣義而言鋼

鐵材料必須同時接觸到水及空氣才會腐蝕鋼鐵的腐蝕問題乃環狀空間使得水及氧能

5

聚集在鋼鐵表面而容易腐蝕腐蝕機構乃水份反覆冷凝蒸發水氣覆蓋即反覆乾溼情

況下最容易產生腐蝕問題[ 11]除了水與空氣外溫度為影響腐蝕速率的重要因素

溫度愈高腐蝕率升高相對的溫度愈低 腐蝕率降低攝氏零度時水的腐蝕率則近乎零

由於鋼結構物本身即為腐蝕因子中的陽極物質如果可以減少周遭陰極因子的出

現便可以降低腐蝕的形成國內大氣中的陰極因子主要是由海洋性環境的氯離子及

重工業區排放的二氧化硫所形成的即便是在遠離工業區的住家環境氯離子也會逐

漸造成金屬物件的腐蝕同時因為台灣海島型氣候的關係多雨的條件提供腐蝕因子

中陰陽極間構成電的通路所需的積水故建築物的鋼結構物腐蝕更容易形成並須施

以適當的保戶才能避免

隨著金屬材料的廣泛使用以及伴隨而來的腐蝕問題人們開始重視腐蝕問題的防

治為了達到最佳的防蝕效果各腐蝕防治專家不斷提出各種新型防蝕技術以及更有

效率的施工技術時至今日以鋅為主之各式各樣的防蝕工法如富鋅塗料熱浸鍍鋅

與鋅熔射已經能夠有效的減緩腐蝕問題的發生隨著科技的進步各式各樣不同的防

蝕工法應運而生人們也開始重視防蝕的重要性目前較常見的防蝕工法有[10]

(一)強化法此法可分為兩種第一種是構件本身的強化最常見的方法就是將活

性高的金屬與活性低的金屬混合得到鈍態的合金延長構件的使用壽命第二種則是

利用被覆材料阻絕環境中腐蝕因子與構件的接觸降低氧化反應的可能性此法是防

蝕方法中最普遍的工法被覆防蝕又可分成塗裝被覆與金屬被覆兩種前者包括塗膜

內襯包覆等後者有電鍍熱浸鍍金屬熔射硬銲等

(二)外力法顧名思義就是藉由外力的方法來達到防蝕的目的最常見的有陰極防

蝕與防蝕劑的添加前者是利用替代材料或輔助電極提供電子給構件補充該構件因

為氧化反應而失去的電子陰極防蝕又可分為外加電流與犧牲陽極兩種方式防蝕劑

的添加則是利用化學藥品吸附在金屬表面上生成保護膜降低腐蝕因子的影響藉以達

到防蝕的目的

在早期防蝕材料主要是以具有抑制效果的紅丹(鉛)與鋅鉻黃(六價鉻)來達到防蝕

的效果隨著工業的發展大氣中的腐蝕因子除了水與氧之外硫化物與氮化物的汙

染也會加速腐蝕反應進行而且隨著構件結構體設計日趨大型化搬運過程中的塗膜

碰撞及損傷機率也隨之增加同時國際對於重金屬使用的限制日趨嚴格使得抑制型

6

防鏽材料已漸漸無法滿足防蝕的需求取而代之的是具有犧牲保護作用的鋅金屬防蝕

被覆鋅粉塗料是否能發揮防蝕的功效與系統中鋅含量有著絕對的關係大致上來說

鋅含量的多寡與防蝕效果成正比換句話說鋅的塗層越厚則使用期限越久

目前有一防蝕效果相當優越的材料---鋅鋁材料其耐蝕性是來自於鋁的遮蔽保護

功能與鋅的犧牲保護功能實驗結果指出當鋅鋁材料中鋁的含量為 5時其防蝕效益

約為純鋅防蝕的 3 倍而當鋅鋁材料中鋁的含量為 55時其防蝕效益甚至可達到純鋅

防蝕的 8 倍而且當鋅在構件表面進行犧牲保護作用時鋁會在形成的鈍態的氧化層

適時扮演屏障保護的角色

四吊籠結構與混凝土結構共構支撐物的腐蝕損傷機制

吊籠基座除了裸露於大氣環境的金屬結構或與建築物鋼構物共構部分外另一部

分為與混凝土結構共構的部分一般的吊籠基座多以栓錨固定而栓錨則以埋入混凝

土中與鋼結構物或鋼筋共構以承受吊籠積載負荷

鋼筋混凝土大量被使用於建築土木工程尤其是交通建設方面諸如橋樑港灣hellip

等之重要設施鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料因此工程建造完工起用後

甚少需要維護但是受到環境超載(不當使用)施工品質等因素之影響其材料

結構則可能受到劣化損壞對整體耐久性與安全威脅甚鉅台灣為一海島型氣候終

年高溫高濕每年常遭颱災侵襲又因位處地震帶上地震災損頻傳於此惡劣環

境下鋼筋混凝土甚易受到空氣中之氯離子或其他腐蝕因子之侵入造成鋼筋發生銹

蝕斷裂體積膨脹導致混凝土的劣化剝落損壞[ 12]

相關的鋼筋混凝土設計與施工亦由行政院內政部營建署訂定有相關規範「混凝

土結構設計規範」[ 13]「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[ 14]「結構混凝土

施工規範」[ 15]及「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」[ 16]

近年來國內許多工程與設施之劣化損壞崩陷等案例層出不窮除了外力不

可抗拒因素外探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕在 RC結構物之耐

久性觀點上除了混凝土材料本身材質劣化外鋼筋的腐蝕是評估結構物耐久性之重

要指標之一而吊籠基座的栓錨亦可視作鋼筋混凝土中的鋼筋受到同樣的腐蝕危害

而造成使用時的潛在風險

五鋼筋之腐蝕機理[12]

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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5

聚集在鋼鐵表面而容易腐蝕腐蝕機構乃水份反覆冷凝蒸發水氣覆蓋即反覆乾溼情

況下最容易產生腐蝕問題[ 11]除了水與空氣外溫度為影響腐蝕速率的重要因素

溫度愈高腐蝕率升高相對的溫度愈低 腐蝕率降低攝氏零度時水的腐蝕率則近乎零

由於鋼結構物本身即為腐蝕因子中的陽極物質如果可以減少周遭陰極因子的出

現便可以降低腐蝕的形成國內大氣中的陰極因子主要是由海洋性環境的氯離子及

重工業區排放的二氧化硫所形成的即便是在遠離工業區的住家環境氯離子也會逐

漸造成金屬物件的腐蝕同時因為台灣海島型氣候的關係多雨的條件提供腐蝕因子

中陰陽極間構成電的通路所需的積水故建築物的鋼結構物腐蝕更容易形成並須施

以適當的保戶才能避免

隨著金屬材料的廣泛使用以及伴隨而來的腐蝕問題人們開始重視腐蝕問題的防

治為了達到最佳的防蝕效果各腐蝕防治專家不斷提出各種新型防蝕技術以及更有

效率的施工技術時至今日以鋅為主之各式各樣的防蝕工法如富鋅塗料熱浸鍍鋅

與鋅熔射已經能夠有效的減緩腐蝕問題的發生隨著科技的進步各式各樣不同的防

蝕工法應運而生人們也開始重視防蝕的重要性目前較常見的防蝕工法有[10]

(一)強化法此法可分為兩種第一種是構件本身的強化最常見的方法就是將活

性高的金屬與活性低的金屬混合得到鈍態的合金延長構件的使用壽命第二種則是

利用被覆材料阻絕環境中腐蝕因子與構件的接觸降低氧化反應的可能性此法是防

蝕方法中最普遍的工法被覆防蝕又可分成塗裝被覆與金屬被覆兩種前者包括塗膜

內襯包覆等後者有電鍍熱浸鍍金屬熔射硬銲等

(二)外力法顧名思義就是藉由外力的方法來達到防蝕的目的最常見的有陰極防

蝕與防蝕劑的添加前者是利用替代材料或輔助電極提供電子給構件補充該構件因

為氧化反應而失去的電子陰極防蝕又可分為外加電流與犧牲陽極兩種方式防蝕劑

的添加則是利用化學藥品吸附在金屬表面上生成保護膜降低腐蝕因子的影響藉以達

到防蝕的目的

在早期防蝕材料主要是以具有抑制效果的紅丹(鉛)與鋅鉻黃(六價鉻)來達到防蝕

的效果隨著工業的發展大氣中的腐蝕因子除了水與氧之外硫化物與氮化物的汙

染也會加速腐蝕反應進行而且隨著構件結構體設計日趨大型化搬運過程中的塗膜

碰撞及損傷機率也隨之增加同時國際對於重金屬使用的限制日趨嚴格使得抑制型

6

防鏽材料已漸漸無法滿足防蝕的需求取而代之的是具有犧牲保護作用的鋅金屬防蝕

被覆鋅粉塗料是否能發揮防蝕的功效與系統中鋅含量有著絕對的關係大致上來說

鋅含量的多寡與防蝕效果成正比換句話說鋅的塗層越厚則使用期限越久

目前有一防蝕效果相當優越的材料---鋅鋁材料其耐蝕性是來自於鋁的遮蔽保護

功能與鋅的犧牲保護功能實驗結果指出當鋅鋁材料中鋁的含量為 5時其防蝕效益

約為純鋅防蝕的 3 倍而當鋅鋁材料中鋁的含量為 55時其防蝕效益甚至可達到純鋅

防蝕的 8 倍而且當鋅在構件表面進行犧牲保護作用時鋁會在形成的鈍態的氧化層

適時扮演屏障保護的角色

四吊籠結構與混凝土結構共構支撐物的腐蝕損傷機制

吊籠基座除了裸露於大氣環境的金屬結構或與建築物鋼構物共構部分外另一部

分為與混凝土結構共構的部分一般的吊籠基座多以栓錨固定而栓錨則以埋入混凝

土中與鋼結構物或鋼筋共構以承受吊籠積載負荷

鋼筋混凝土大量被使用於建築土木工程尤其是交通建設方面諸如橋樑港灣hellip

等之重要設施鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料因此工程建造完工起用後

甚少需要維護但是受到環境超載(不當使用)施工品質等因素之影響其材料

結構則可能受到劣化損壞對整體耐久性與安全威脅甚鉅台灣為一海島型氣候終

年高溫高濕每年常遭颱災侵襲又因位處地震帶上地震災損頻傳於此惡劣環

境下鋼筋混凝土甚易受到空氣中之氯離子或其他腐蝕因子之侵入造成鋼筋發生銹

蝕斷裂體積膨脹導致混凝土的劣化剝落損壞[ 12]

相關的鋼筋混凝土設計與施工亦由行政院內政部營建署訂定有相關規範「混凝

土結構設計規範」[ 13]「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[ 14]「結構混凝土

施工規範」[ 15]及「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」[ 16]

近年來國內許多工程與設施之劣化損壞崩陷等案例層出不窮除了外力不

可抗拒因素外探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕在 RC結構物之耐

久性觀點上除了混凝土材料本身材質劣化外鋼筋的腐蝕是評估結構物耐久性之重

要指標之一而吊籠基座的栓錨亦可視作鋼筋混凝土中的鋼筋受到同樣的腐蝕危害

而造成使用時的潛在風險

五鋼筋之腐蝕機理[12]

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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6

防鏽材料已漸漸無法滿足防蝕的需求取而代之的是具有犧牲保護作用的鋅金屬防蝕

被覆鋅粉塗料是否能發揮防蝕的功效與系統中鋅含量有著絕對的關係大致上來說

鋅含量的多寡與防蝕效果成正比換句話說鋅的塗層越厚則使用期限越久

目前有一防蝕效果相當優越的材料---鋅鋁材料其耐蝕性是來自於鋁的遮蔽保護

功能與鋅的犧牲保護功能實驗結果指出當鋅鋁材料中鋁的含量為 5時其防蝕效益

約為純鋅防蝕的 3 倍而當鋅鋁材料中鋁的含量為 55時其防蝕效益甚至可達到純鋅

防蝕的 8 倍而且當鋅在構件表面進行犧牲保護作用時鋁會在形成的鈍態的氧化層

適時扮演屏障保護的角色

四吊籠結構與混凝土結構共構支撐物的腐蝕損傷機制

吊籠基座除了裸露於大氣環境的金屬結構或與建築物鋼構物共構部分外另一部

分為與混凝土結構共構的部分一般的吊籠基座多以栓錨固定而栓錨則以埋入混凝

土中與鋼結構物或鋼筋共構以承受吊籠積載負荷

鋼筋混凝土大量被使用於建築土木工程尤其是交通建設方面諸如橋樑港灣hellip

等之重要設施鋼筋混凝土原本為一極具耐久之材料因此工程建造完工起用後

甚少需要維護但是受到環境超載(不當使用)施工品質等因素之影響其材料

結構則可能受到劣化損壞對整體耐久性與安全威脅甚鉅台灣為一海島型氣候終

年高溫高濕每年常遭颱災侵襲又因位處地震帶上地震災損頻傳於此惡劣環

境下鋼筋混凝土甚易受到空氣中之氯離子或其他腐蝕因子之侵入造成鋼筋發生銹

蝕斷裂體積膨脹導致混凝土的劣化剝落損壞[ 12]

相關的鋼筋混凝土設計與施工亦由行政院內政部營建署訂定有相關規範「混凝

土結構設計規範」[ 13]「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」[ 14]「結構混凝土

施工規範」[ 15]及「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」[ 16]

近年來國內許多工程與設施之劣化損壞崩陷等案例層出不窮除了外力不

可抗拒因素外探究原因主要乃肇因於材料的劣化與鋼筋的腐蝕在 RC結構物之耐

久性觀點上除了混凝土材料本身材質劣化外鋼筋的腐蝕是評估結構物耐久性之重

要指標之一而吊籠基座的栓錨亦可視作鋼筋混凝土中的鋼筋受到同樣的腐蝕危害

而造成使用時的潛在風險

五鋼筋之腐蝕機理[12]

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

Conference of Theoretical and Applied Mechanics Taipei Taiwan December 2004

[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

7

正常的混凝土在水泥水化過程中孔隙溶液因含有鈉(Na)鉀(K)等鹼性物質以及

飽和的氫氧化鈣溶液致使混凝土漿體之 pH 值維持在 13 左右在此強鹼性環境下

鋼筋表面自然產生一層厚約 20 - 60 Aring 之鈍化氧化膜(g-Fe2O3 )此氧化膜非常穩定且緊

密附著於鋼筋表面能有效的阻隔水份與氧氣接觸鋼筋從而避免腐蝕反應的產生

但是若混凝土內存有過量的氯離子則其鈍態保護膜將被破壞形成陽極區陽極

區上之鐵(Fe)因氧化而變成鐵離子(Fe2+)存在於孔隙溶液中而電(荷)子則經由鋼筋傳

導至含有水份和氧氣的區域(陰極區)產生陰極反應當陽極與陰極反應同時產生時

便會產生腐蝕電流使得孔隙溶液中的 Fe2+ 向陰極移動而帶負電荷的 OH-則向陽極

移動兩者結合成不溶於水之氫氧化鐵( Fe(OH)2 )化合物沈積在陰極與陽極間的鋼筋

表面上上述腐蝕過程其學反應式如下

陽極反應(氧化反應)2 Fe rarr 2 Fe2+ + 4 e-

陰極反應(還原反應)O2 + 2 H2O + 4 e- rarr 4(OH)-

總反應Fe + 2 H2O + O2 rarr 2 Fe(OH) 2rarr 2 Fe(OH) 3 rarrFe2O3n H2O (鐵銹)

鐵銹為鋼筋腐蝕之生成物可分為氧化鐵類(如 FeOFe3O4Fe2O3)與氫氧化鐵類

(如 Fe(OH) 2Fe(OH)3Fe(OH) 33H2O)等這些腐蝕生成物之結構與鈍態之氧化鐵

保護膜不同無法緊密地與鋼筋表面結合所以不會產生保護鋼筋的作用同時氫

氧化鐵在經過不同程度的氧化後將會轉換成帶有結晶水的氫氧化鐵或氧化鐵其體

積膨脹量為原來正常體積的 2-6 倍將導致混凝土之裂縫產生或崩裂以及鋼筋保護

層的剝落

8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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8

六鋼筋腐蝕劣化原因[12]

鋼筋混凝土之腐蝕劣化原因除了混凝土材料本身因素外所處環境 外

力施工品質等等均具影響由於劣化原因非常複雜僅將較具影響性之因子

簡述於下

(一) 混凝土之中性化

混凝土因水泥水化作用具強鹼性質在此環境下鋼筋表面形成 一層具有保

護作用之鈍態氧化膜但是當大氣中之二氧化碳(CO2 )滲入混凝土孔隙溶液中

會與鹼性之水泥水化產物(氫氧化鈣Ca(OH)2 )發生作用生成碳酸鈣(CaCO3)化

合物由於碳酸鈣具微酸性容易析出形成白樺現象並降低混凝土鹼性環境

當混凝土漿體之 pH 值降到 9 以下鋼筋表面之鈍態膜將失去對鋼筋保護的作

用鋼筋甚易發生腐蝕行為混凝土中性化導致鋼筋腐蝕過程中混凝土中性化之

環境因素諸如大氣中之 CO2 濃度溫度濕度及水份等之接觸其中性化之

速度則與混凝土之滲透性及 CO2 濃度之關係最為密切當保護層越厚時混凝土

中性化速度越慢如保護層增加一倍時中性化速度則延緩 4 倍中性化速度則

和二氧化碳滲透速度及混凝土中之氫氧化鈣有關

(二)氯離子之侵蝕

氯離子(Cl)為大家所公認會導致鋼筋發生腐蝕的主要有害物質對鋼筋侵蝕的

機理乃是 Cl 會破壞鋼筋表面的鈍態保護膜造成鐵離子(Fe2+ )的溶出並生成水

溶性的氯化鐵( FeCl2 )錯合物這種氯化鐵錯合物會溶解且離開鋼筋的表面並擴

散進入混凝土的孔隙溶液中與氫氧根離子(OH-)反應生成 Fe(OH)2同時釋放出

ClFe(OH)2 會進一步與氧水反應生成鐵銹上述一連串的反應鋼筋將不斷地

產生腐蝕反應使鐵元素離開鋼筋表面且由於反應中會再度釋放出 Cl使得 Cl

可以反覆不斷地參與腐蝕反應因此一旦混凝土 Cl 含量達到足以產生鋼筋腐蝕

的臨界值則腐蝕的狀況便很難再加以抑制C-除了造成上述的腐蝕反應之外其

本身亦具有較高的導電性因此當混凝土中含有高量的 Cl 時一方面可能降低

混凝土之電阻係數另一方面增強電荷在孔隙溶液中之流動能力更增加鋼筋腐蝕

反應的活性Cl 對鋼筋腐蝕的影響亦需考慮混凝土的品質如果品質佳外界

9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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9

之水份與氧氣不易滲入鋼筋發生腐蝕的機率較小此外當混凝土在 pH 值較高

時(高鹼性環境)則產生氧化鐵保護膜的反應較為優勢亦忍受在較高量 Cl 存在

下不易產生腐蝕反之若混凝土因中性化作用使其 pH 降低時則 Cl 破壞氧化

鐵保護膜較為容易此時低量的 Cl 便能導致鋼筋腐蝕

(三)「鹼質與粒料」之反應

鹼質與粒料反應(Alkali Aggregate Reaction)乃水泥中之鹼金 屬如 Na＋K＋

等與含活性之粒料發生化學作用產生鹼-矽膠體於有水的情況下膠體因吸

收水份而膨脹致使混凝土產生內壓龜裂表面呈地圖狀之裂痕最後造成混凝

土強度降低而導致結構物崩毀

(四)結構物之龜裂

鋼筋混凝土結構物由於施工過程材料耐久性載重狀況基礎沉陷等原因

均會造成結構物之破裂這些破裂前所產生之裂縫的形狀方向及大小對鋼筋腐蝕

有相當程度的影響混凝土一旦破裂外界之濕氣或氯化物將直接侵入與鋼筋接

觸造成鋼筋快速腐蝕當裂縫的寬度愈大時腐蝕將會加速

(五)材料與施工品質

混凝土之品質與建造材料及施工作業有很大的關係施工前對材料之檢測與

品管是必要的如使用活性骨材含氯化物之材料(諸如添加 CaCl2 摻料海砂等)

水泥中 C3A 或鹼含量過高時均可能造成鋼筋混凝土結構物嚴重劣化腐蝕除

了上述材料因素造成劣化外引用之設計規範及施工的過程與品管要求亦是提升結

構物耐久性重要因素

由於吊籠結構支撐物的損傷或者是腐蝕經常是在內部或者是會被表面覆蓋物

所隱蔽甚至於基礎座螺栓的鏽蝕與鬆脫是隱藏在鋼筋混凝土結構更無法運用一

般的檢查方式觀察出來既是吊籠作業的職業災害是致命的但是現場作業的勞工

並沒有適當快速或者正確的方法進行檢測反而因為輕忽而造成職業災害本研究

主要的目的就是利用現有已知的技術規劃簡單易行的檢測方式讓大陸管理者或

者是作業勞工可以快速而且正確的檢測潛在的吊籠支撐物結構損傷有效降低相關

的職業災害

10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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10

第二章 吊籠結構支撐物相關的損傷檢測方式 由前述的吊籠結構支撐物腐蝕損傷機制討論可以了解腐蝕損傷並不是瞬間形成

的現象而是日積月累的結果當物件表面可以明顯觀察到腐蝕時其損傷程度已經

是相當嚴重可能危害到操作人員的安全要預防職業災害於未然就必須要利用先

進的技術檢測出內部或者微小的損傷雖然由於吊籠結構支撐物的尺寸與外型不見的

可以利用一般建築物的檢測方式但仍然可以藉由現行相關的檢測方式了解其基本原

理進而發展出適當的吊籠結構支撐物檢測方法

一鋼結構物目測檢視

首先在政府相關法規中有關裸露於大氣中的鋼結構物可參考「交通技

術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」[ 17]規

範中首先針對鋼結構物的損傷訂定了所謂 D 值標準的一般檢測鋼結構物劣

(一) 化程度之評估檢查項目的一般檢測包括

(二) 構件損傷(裂縫彎曲變形)

(三) 銲接處損傷

(四) 螺栓損傷欠缺鬆動

(五) 生銹或腐蝕

(六) 異常聲音

(七) 異常振動

(八) 積水漏水

(九) 構件間距異常

(十) 其他損傷

(十一) 塗裝

(十二) 銹蝕

(十三) 剝落

(十四) 龜裂

(十五) 白華化

二其他結構物

11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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11

(一) 構件損傷

(二) 銲接處損傷

(三) 生銹及腐蝕

(四) 螺栓損傷欠缺及鬆動

(五) 異常聲音

(六) 其他損傷

每項評估項目將各項損傷給予(D)評分值當評分值過高時即須予以補強處理

三鋼結構物非破壞檢測

鋼結構物的檢測基本上是以目視檢測的方式進行因此必須等待損傷表面

化之後才可觀察出來在特殊情況下如需要進行細部或內部的損傷檢測時 在

相關辦法中已詳列出非破壞檢測的方法例如

(一) 超音波檢測法

(二) 超音波檢測法常用於構件厚度及損傷缺陷之位置與範圍之檢測

(三) 液滲檢測法

(四) 液滲檢測法常用於非多孔性金屬或非金屬材料表面瑕疵之檢測

(五) 磁粒檢測法磁粒檢測法常用於鐵磁性材料表面或次表面缺陷之檢測

(六) 渦電流檢測法渦電流檢測法常用於金屬材料表面或次表面瑕疵及混凝土中鋼

筋

(七) 位置之檢測

(八) 射線檢測法

射線檢測法常用於銲接構件或鑄鐵缺陷之檢測

四鋼筋混凝土目測檢視

同樣有關鋼筋混凝土的(鋼筋)損傷檢測也可以在「交通技術標準規範公路類

公路工程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]訂定有相關的檢測方式首先

是適用於橋面版構件橋墩基礎橋台及引道與其他附屬設施為混凝土結構物

之定期檢測的混凝土結構物劣化程度評估文獻中所提供的混凝土結構物劣化程

度之評估表利用簡單的目測與量測方式進行下列之檢測

12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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12

表 2 目測與量測之檢測方式

檢查項目 D 值

裂縫寬度大於 01mm且間隔大於 60cm 1

裂縫寬度大於 01mm且間隔介於 40cm~60cm 間 裂縫寬度小於 02mm且集中或呈龜甲狀

2

裂縫寬度大於 01mm且間隔小於 40cm 裂縫寬度大於 02mm且集中或呈龜甲狀

3

裂縫(雙向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預測會剝落 4

裂縫寬度介於 01mm~02mm且間隔大於 1m 1

裂縫寬度大於 02mm且間隔在 50cm~1m 間 裂縫寬度介於 01mm~02mm且集中

2

裂縫寬度大於 02mm且間隔小於 50cm 裂縫寬度大於 02mm且集中

3

裂縫(單向)

混凝土剝落或有明顯之裂縫預期會剝落 4

剝離面積小於 01m2 1

剝離面積介於 01~03m2 小塊剝落(直徑小於 50cm)

2

剝離面積大於 03m2 大塊剝落(直徑大於 50cm)

3

剝落

剝落或持續性剝落 4

檢查項目 D 值

蜂窩 局部有蜂窩 面積小於 02m2 之蜂窩

面積大於 02m2 之蜂窩

1

2 3

稍有異常聲音 局部有空洞

1

面積小於 02m2 之空洞 主構件局部有明顯之空洞

2 空洞

面積大於 02m2 之空洞 3

檢查項目 D 值

13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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13

彎曲變形 變形量大於規範之容許值 4

主筋外露長度小於 30cm 2

主筋外露長度 30cm~50cm或主筋局部外露銹蝕 PC 鋼材局部外露

3 鋼筋鋼腱或錨定

部位外露銹蝕

主筋外露長度大於 50cm或主筋銹蝕 PC 鋼材外露 50cm 以上或 PC 錨定部位外露

4

少量之滲水及游離石灰 1

滲水及游離石灰銹水流出面積小於 03m2 游離石灰單向發生

2

滲水及游離石灰銹水流出面積大於 03m2 游離石灰雙向發生間隔 50cm 以下

3

滲 水 及 游 離 石

灰銹水流出

漏水並造成第三者障礙 4

有異常之聲音發生 2 異常聲音

異常振動 主構件有搖晃之情形於橋面站立時感覺有異常振動或因

車輛之衝擊有大的異常聲音發生 3

其他損傷 發生功能障礙 3

表中 D 值大小由 1 至 4 分別代表良好或微尚可差及嚴重損壞

鋼筋混凝土乘載測試除上述的目視檢測外也可以進行較為複雜的乘載測試測

試可分為靜態載重試驗與動態載重試驗靜態載重試驗是將靜載重作用在指定之結構

位置測試結構的應力分布結構變形以及其他試驗項目進而推斷橋梁在荷載作用

下的受力行為和承載能力結構靜態載重試驗之載重可分為車輛加載和重物直接加載

兩種形式實施靜態載重試驗時試驗載重形式之選擇加載及記錄之方式應依結構

試驗目的現場條件而定

靜態載重試驗之判定標準如下

RF = 靜態載重試驗評估之活載重能力活載重需求

當 RF≧1結構容許活載重能力符合需求

RF＜1對結構採取限重補強封閉進一步現地檢測試驗或改建等措施

動態載重試驗係藉由對結構施加移動載重或隨時間變化之載重使結構處於

振動狀態下再利用各種測振儀器量測結構之振態頻率衝擊係數等基本動力特性

14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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14

或求取疲勞評估所需之載重歷時與應力差值常用之動態載重試驗如下(1)動態地磅

試驗(2)動態反應試驗(3)振動試驗

除此之外內政部營建署藝頒布有「結構混凝土施工規範」[15]其中第十八章規

範有相關檢測方式相關條文如下

184 結構體混凝土之評估

1841 當發生第 1824 或 183 節之情況時應進行鑽心試驗並以其結果為混凝

土強度評估之依據

1842 非破壞性試驗法僅能配合鑽心試驗單獨非破壞性試驗之結果不得直接作

為混凝土品質評估認可或拒收之依據

186 非破壞性試驗

1861 非破壞性試驗得用以測定各部位混凝土之相對強度或品質均勻性除配合

鑽心試驗外不得單獨作為混凝土品質評估認可或拒收之依據

有趣的是規範中明確指出非破壞性試驗不得單獨作為評估依據僅破壞性試驗

為唯一的依據規範中所指的非破壞性試驗包括反彈錘脈波貫入針拉拔等

非破壞性試驗雖然為目前工業界相當重要之檢測技術對鋼鐵等均質材料其使用具

簡便快速經濟及精確之優點惟一般混凝土因材質導電性感磁性等不均勻

故難利用電磁放射性及核子等精密之非破壞性試驗目前所能利用之非破壞性試驗

法如反彈錘脈波貫入針拉拔等尚不足以準確評估混凝土之品質但仍可作

為品質均勻性之參考

五RC結構物腐蝕劣化檢測

RC結構物腐蝕劣化過程中通常外觀都有一些明顯徵候可尋一般因鋼筋腐蝕

造成劣化損壞過程可分為三個階段第一階段混凝土外表出現局部明顯銹蝕斑點

第二階段外表出現許多裂縫第三階段外表出現較大面積的剝落現象上述現象

除目視檢測外對結構物實際狀況無法了解仍需進行下列一些非破壞性檢測試驗

才能據以研判現況雖然非破壞性檢測不能作為正式的混凝土品質評估之依據但能

仍作為參考的指標相關的非破壞檢測方法簡介如下[12]

六縫檢視與量測

以目視方式觀察結構物表面裂縫之大小位置數量並以顯微裂縫寬度計或量

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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[14] 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」內政部營建署中華民國一百年三月二

十四日

[15] 「結構混凝土施工規範」內政部營建署中華民國九十一年七月八日

[16] 「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」內政部營建署中華民國一百年七月七日

[17] 「交通技術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」交

通部中華民國九十七年十二月

[18] 標準緊固螺栓扭力估算表httpwwwcha-eicompdfs13-1pdf

[19] Joseph E Shigley Charles R Mischke ldquoMechanical Engineering Design 6erdquo

[20] 李秀峰機械元件設計新文京開發出版有限公司

91

[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

Conference of Theoretical and Applied Mechanics Taipei Taiwan December 2004

[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

15

尺記錄裂縫寬度裂縫為鋼筋腐蝕因子侵入之捷徑亦為因鋼筋腐蝕體積膨脹所造成

的結果若裂縫過大時(海洋飛沫區超過015mm)即應評估對鋼筋腐蝕之影響如樑

底沿拉力筋方向之水平裂縫則可能為鋼筋腐蝕體積膨脹之徵兆 腐蝕因子隨即侵

入最後將造成鋼筋保護層剝落裂縫檢測除目視量測外對裂縫之深度位置等亦

可藉超音波儀測得

七凝土剝離檢測

混凝土結構物因鋼筋腐蝕體積膨脹會造成混凝土表面之龜裂剝離等情形發

生因此由混凝土表面之檢視如發現有膨脹剝離現象時使用鐵鎚敲擊混凝土

表面如聽到內部有異於一般正常之空洞聲則可初判所敲擊位置處內部鋼筋可能

已嚴重腐蝕體積膨脹造成空隙區域敲擊檢測方式雖然簡單方便但對大面積範

圍檢測時則甚不經濟與時效目前大多使用紅外線熱感應法雷達波法檢測檢測

效果很好

八護層厚度量測

Meter 鋼筋探測儀產生之磁力作用混凝土內部鋼筋會使磁場作用發生偏離

即可迅速測出鋼筋位置同時由磁力的強弱可檢測出鋼筋混凝土之保護層厚度對混

凝土已中性化或鹽害之結構物保護層厚度為鋼筋是否產生腐蝕之一重要指標若保

護層厚度超過中性化或鹽害深度則鋼筋將較不易發生腐蝕行為

九性化深度量測

鑽或鐵鎚敲取混凝土表面小塊試體或鑽心取樣將試體劈裂以化學試劑(酚鈦

指示劑)噴灑(刷)之由指示劑顏色變化可測出混凝土中性化之深度如混凝土表面呈

粉紅色表示混凝土尚未中性化若混凝土表面呈無色則表示混凝土已經中性化

中性化深度可為鋼筋混凝土腐蝕損壞與結構物耐久性評估的重要參考指標之一

十「鹼質與粒料反應」之鑑定

現地結構物是否有發生「鹼質與粒料反應」之徵候下列有兩種快速檢測方法

分別簡述於下

十一鈾螢光法（Uranyl Acetate Fluorescence Method）

以醋酸鈾[UO2(C2H3O2)2]溶液噴灑於混凝土面約3 至5 分後以水清洗混凝

土面由於鈾化物(UO2+2 )會取代鹼-矽膠體中之鹼質其生成物在波長（254nm）紫外

16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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16

光下如有黃綠色的反應時則混凝土可判定有鹼質與粒料反應現象

十二色法（Dual Staining Method）

以亞硝酸鈷鈉（Na3Co(NO2 )6）及玫瑰紅顏料B（C28H31N2O3Cl）兩試液

分別噴灑於混凝土面溶解的亞硝酸鈷鈉會與鹼-矽膠體中的K+反應形成亞硝

酸鈷鈉鉀（K2NaCo(NO2 )66H2O）黃色沈澱而玫瑰紅顏料B則為鈣的染色劑

不會被CSH膠體吸收但會被鈣鉀含量少的鹼矽膠體吸收不但可檢測鹼質

與粒料反應的發生更可以辨識出不同成分的反應膠體

十三土強度檢測

試錘試驗為檢測混凝土強度時最為簡單常用的方法之一試驗時乃使用試錘衝

擊混凝土表面以2 公尺x 2 公尺之面積範圍間距20 公分繪一方格每一方格內衝

擊10~12 次由反彈數平均值可推估混凝土表面強度由於影響因素甚多不能明確

推估混凝土內部的實際強度故仍須另配合其它檢測方法諸如鑽心取樣試體進行抗

壓試驗相互比較才能評估混凝土強度

十四Cl 含量分析

電鑽鑽取混凝土表面不等深度段之粉末或將鑽心試體攜回試驗室依試體不同

深度切片研磨成粉末後分析各深度層Cl-含量分佈情形

十五超音波脈波速度量測

超音波脈波速度測定儀儀器主要包括時間顯示器及脈波發射探頭和接收探頭

其檢測原理為利用脈波發射探頭將超音波脈波傳入混凝土中再以接收探頭量測脈

波在其內部之傳遞時間依脈波的傳遞路徑(距離)與傳遞時間可計算出脈波速度檢

測時依發射探頭與接收探頭位置之不同可採用直接法半直接法及間接法三種一

般多採用直接法求出脈波速度後配合混凝土試體密度及彈性模數可判斷混凝土品

質及均勻程度以超音波脈波速度評估混凝土強度時其影響因素很多且超音波又有

衰減現象目前尚未能定出正確的波速範圍與強度間之關係但對混凝土內部之缺陷

(孔隙或裂縫)位置深度大小等亦可初步判別之

十六敲擊回音法

凝土內部裂縫位置及表面裂縫深度儀器包含敲擊源接收器及資料擷取系統檢

測原理乃利用敲擊方法將應力波引入受測物體內應力波被物體內部之瑕疵反射或對物

17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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17

體表面所造成的位移擾動訊號位移波形可決定縱波在敲擊面與反射波介質間往返一

次所需時間依此可推算波速或瑕疵位置（深度）

十七紅外線溫度感測法

紅外線溫度感測法為偵測混凝土表面溫度分佈影響溫度分佈之因素有混凝土內

部結構(諸如孔隙洞穴)表面條件及周圍環境混凝土內如有熱流出入時內部孔隙

洞穴等之瑕疵會影響熱傳導造成混凝土表面溫度分佈不均勻因此由表面溫度之

分佈可找出混凝土可能已劣化之位置本檢測法大多用於偵測混凝土橋面版因鋼筋

腐蝕所產生之裂縫斷層位置與大小適合對大規模大面積之檢測既快速且經濟

十八電阻係數量測

鋼筋的腐蝕是一種由陽極到陰極間之電荷轉移現象當電(荷)在混凝土內移動時

受到混凝土介質之阻礙產生了電荷通過之瓶頸現象是謂混凝土電阻電阻(係數)

高則電荷不易通過混凝土介面電阻係數低則電荷較易通過對混凝土內鋼筋腐蝕威

脅性高因此電阻係數變化可評估腐蝕電流通過混凝土之一種能力指標亦可輔

助研判鋼筋腐蝕之難易

十九鋼筋腐蝕電位量測

腐蝕是一種電化學反應在鋼筋表面會形成許多陰極(鈍態)和陽極(正腐蝕中)之小

電池(cell)區域在不同位置有不同的電位和電流產生利用此理論可檢測某一範圍

之電位分佈狀況以評估鋼筋表面發生腐蝕的可能程度與範圍

二十鋼筋腐蝕速率(電流)量測

鋼筋腐蝕是一種電化學反應量測電化學反應速率即可知鋼筋的腐蝕速率一般

量測鋼筋腐蝕速率之方法包含線性極化法(linear polarization method簡稱DC 法)

交流阻抗法(alternative current impedance method簡稱AC 法)與調合分析法(harmonic

analysis method)

綜觀上述的各種檢測方式除目視檢測法外由於吊籠支撐物結構尺寸較小且形

狀不平整似乎無法直接引用一般結構物的破壞或非破壞檢測方式故必須要另行發

展出一套較方便的損壞估測方法作為大樓管理者日常定期檢查與勞工執行吊籠作業

前的安全檢查指引

18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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18

研究計畫規劃以現場可以利用簡單設備進行測量檢查之方法為主包括

(一)目視檢測法藉由整理相關法規之檢測標準訂定出可行的目視檢測程序

(二)基礎座螺栓檢測法由於螺栓大多數深埋於鋼筋混凝土中無法用肉眼檢視

使用拉拔測試雖然可直接得知是否可承受額定負荷但必須將現場基礎座移除

後方能測試有其不便之處必須以更為簡易的方式進行

(三)荷重測試法現行荷重測試多直接在吊籠支撐結構上吊掛額定積載荷重以是

否可以支撐作為判定無法進一步測定潛在損傷

(四)頻率測量法以結構震動特性量測結構的變化作為損傷判斷依據

19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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19

第三章 吊籠結構支撐物模態分析與垂直向積載荷

重模擬

為進行實驗設計與準備研究計畫針對固定立地式吊籠支撐物的基礎座與固定螺

栓負荷進行相關的力學分析以便設計適當的研究方法與指標

第一節 模態分析 本研究使用 SolidworksCOSMOS 與 ANSYS 軟體來建立吊籠基礎座模型並進

行有限元素分析作自然頻率模態分析與垂直向積載荷重模擬

一模型建立

利用軟體依據基礎座實際尺寸繪製 3D 模型如圖 1 及圖 2模擬與實驗使用 M18

螺栓緊固基礎座與固定地面實物之基礎座各部零件以電弧銲接結合模擬則以結合

方式處理材質則設定為 SS400 鋼材

圖 1 吊籠基礎座模型等視圖

20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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20

圖 2 基礎座 2D 尺寸圖

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

Conference of Theoretical and Applied Mechanics Taipei Taiwan December 2004

[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

21

二網格設定

在有限元素分析中網格提供的數值讓工程分析更為可靠首先建立幾何模型

接著程式會將模型細分成在節點上相連的元素此過程稱為網格劃分網格劃分是

設計分析中極為重要的步驟網格的精細程度將會影響分析的結果若想獲得較精確

的解答則必須選用較小的元素相對的選用較小的元素則需花費較多的計算時間

在此項模擬中嘗試不同的網格大小從較粗的 36mm 至較精細的 10mm以每

2mm 為間隔進行頻率分析可得到不同的自然頻率如表 3此模型的網格在超過 36mm

會產生網格劃分失敗其原因為有邊長小於單位網格所以無法劃分由圖 3 單位網

格大小與自然頻率的關係圖可發現當單位網格小於 20mm 後其頻率變化漸趨平穩

為了時間的考量因此本實驗的模擬將固定網格大小為 14mm其模型網格劃分後如圖

4

表 3 網格與自然頻率關係表

單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz) 單位網格大小(mm) 第一模態頻率(Hz)

36 55181 20 54762

34 55149 18 54721

32 55113 16 54684

30 55102 14 5464

28 55117 12 54615

26 5496 10 54584

24 54934 8 54557

22 54836 6 54536

22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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22

圖 3 網格大小與自然頻率關係圖

圖 4 模型網格化(14mm)

23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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23

第二節 自然頻率

當結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生最

大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 Solidworks 軟體之 Simulation 功能進行頻率分析為找出吊

籠基礎座的自然頻率假設基礎座的底板與地面結合因此將 Simulation 邊界條件設

定為基礎座底面為固定端如圖 5再找出吊籠基礎座的 5 個自然頻率如表 4 及圖 6

圖 7 圖 8因為吊籠基礎座的結構為對稱的所以其第一模態與第二模態也會對稱

圖 5 基座固定端設定

固定面

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

24

表 4 基座模態清單

模態 赫茲(Hz)

模態 1 5464

模態 2 54655

模態 3 73295

模態 4 74982

模態 5 75566

圖 6 基礎座模態(A)模態 1 頻率 5464 Hz

25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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25

(B)模態 2 頻率 54655 Hz

圖 7 基礎座模態(C)模態 3 頻率 73296Hz

26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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26

(D)模態 4 頻率 74982 Hz

圖 8 基礎座模態(E)模態 5 頻率 75566Hz

27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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27

第三節 基礎座損傷之頻率變化 每個結構的自然頻率為固定的但若結構形狀幾何尺寸材料性質與邊界條件

有所改變時其自然頻率也會改變因此若基礎座的自然頻率改變時表示其結構可

能有損壞腐蝕等情形此小節為模擬基礎座損傷情形以下的模擬將在基礎座的模

型上消去部分結構再觀察其自然頻率的變化

一肋與底板的連結損傷

在基礎座結構中肋和底板以銲接方式連結若銲接技術不佳或是疏失或者是因

長期疏於保養照顧導致銹蝕或損傷等則容易造成肋與底板的分離此部分模擬將肋

與底板連接處削去厚度 1mm 藉以消除零件結合的力傳導作用並漸進式由肋的外緣向

套筒的方向消去如圖 9以表示肋與底板的連結破損並將四個肋編號如圖 10再

使用 Solidworks 軟體的 Simulation 功能對不同損傷情形做頻率分析其結果如表 5~

表 10 及圖 11圖 12表中肋的代號對照圖 10代號後面數字 0 表示完好1~4 的分

別表示損傷寬度分離長度 33125mm(14 寬)6625mm(24 寬)99375mm(34 寬)

1325mm(全寬度至套筒外緣) 由三個表的結果顯示可得知肋與底板的分離程度越

嚴重會造成自然頻率下降變化越大當分離程度到達 99375mm(34 寬)以上時其頻率

的變化更為明顯因此肋與底板的結合在基礎底座的結構中非常重要若此連接處損

傷則容易造成意外因此在目視檢測時必須詳加檢測中肋與底板或套筒連接處之銲

接是否有損傷缺失或鏽蝕的現象發生

28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

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[2] 行政院勞工委員會北區勞動檢查職災實例統計

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[3] 行政院勞工委員會中區勞動檢查職災實例統計httpwwwcrliogovtwcaseasp

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28

(A)由外側向內損傷 (B)由內側向外損傷

圖 9 肋與底板分離示意圖

圖 10 肋的編號

損

傷

區

域

A

B C

損

29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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29

表 5 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 53177

A2B0C0D0 51271

A3B0C0D0 42703

A4B0C0D0 34639

表 6 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 53934

A1B2C0D0 51928

損傷定義 自然頻率(Hz)

A1B3C0D0 42525

A1B4C0D0 34705

A2B1C0D0 51931

A2B2C0D0 51731

A2B3C0D0 42567

A2B4C0D0 34719

A3B1C0D0 42886

A3B2C0D0 42423

A3B3C0D0 42383

A3B4C0D0 34695

A4B1C0D0 34687

A4B2C0D0 34634

A4B3C0D0 3463

A4B4C0D0 34612

30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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30

表 7 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C1D0 53254

A1B0C2D0 51232

A1B0C3D0 42374

A1B0C4D0 34636

A2B0C1D0 51225

A2B0C2D0 4922

A2B0C3D0 42409

A2B0C4D0 3463

A3B0C1D0 42444

A3B0C2D0 42494

A3B0C3D0 42311

損傷定義 自然頻率(Hz)

A3B0C4D0 34631

A4B0C1D0 34674

A4B0C2D0 34641

A4B0C3D0 34697

A4B0C4D0 34503

表 8 單編號 A 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B0C0D0 54536

A2B0C0D0 54079

A3B0C0D0 52998

A4B0C0D0 34639

31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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31

表 9 相鄰編號 AB 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A0B0C0D0 54660

A1B1C0D0 54529

A1B2C0D0 54070

A1B3C0D0 52996

A1B4C0D0 34684

A2B1C0D0 54081

A2B2C0D0 54006

A2B3C0D0 52991

A2B4C0D0 34721

A3B1C0D0 53001

A3B2C0D0 53008

A3B3C0D0 52990

A3B4C0D0 34694

損傷定義 自然頻率(Hz)

A4B1C0D0 34702

A4B2C0D0 34747

A4B3C0D0 34647

A4B4C0D0 34612

表 10 對邊編號 AC 肋損壞情形之自然頻率(反向)

損傷定義 自然頻率(Hz)

A2B0C4D0 34637

A3B0C1D0 52889

A3B0C2D0 52440

A3B0C3D0 51380

A3B0C4D0 34633

A4B0C1D0 34695

A4B0C2D0 34694

A4B0C3D0 34647

32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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32

圖 11 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖(A)單一編號 A 肋完全分離

(B)相鄰編號 AB 肋完全分離

A2B0C4D0 34637

33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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33

(C)對邊編號 AC 肋完全分離

圖 12 肋與底板連結損壞之第一模態位移量圖

34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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34

二法蘭與套筒的連結損傷

在基礎座的結構中法蘭與套筒的連結也是由銲接連結此小節的模擬在法蘭與

套筒連接處除去 1mm 厚度消除模擬中結合物件力傳導途徑以示銲接時的疏失所造成

的分離其模型如圖 13再依據其不同的損傷程度作頻率分析如表 11圖 14圖

15

圖 13 法蘭與套筒分離示意圖

表 11 法蘭與套筒分離之自然頻率

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接未分離 54660

圓周銲接分離 30 54649

圓周銲接分離 45 54637

35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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35

圓周銲接分離 60 54617

圓周銲接分離 90 54506

圓周銲接分離 120 54205

圓周銲接分離 135 53930

圓周銲接分離 150 53490

圓周銲接分離 180 51679

36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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36

圓周銲接分離 210 47498

損傷定義 自然頻率(Hz)

圓周銲接分離 225 44173

圓周銲接分離 240 39956

圓周銲接分離 270 30485

37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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37

(A) 圓周銲接分離 90

圖 14 法蘭與套筒分離位移圖(B) 圓周銲接分離 120∘

38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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38

(C) 圓周銲接分離 180

圖 15 法蘭與套筒分離位移圖(D) 圓周銲接分離 270∘

39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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39

第四章 模態分析模型驗證

為驗證前述分析的正確性研究中將使用 Solidworks 軟體所建立的吊籠基礎座模

型匯入 ANSYS 分析軟體並使用軟體中的 workbench 功能來進行有限元素分析作自

然頻率模擬

一模型建立

利用 Solidworks 軟體依據吊籠基礎座實際尺寸繪製 3D 模型其模型可分為

基礎座混凝土螺帽螺栓其 3D 組合圖如圖 16平面尺寸圖如圖 17

圖 16 吊籠基礎座組合圖

40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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40

圖 17 吊籠基礎座平面尺寸圖

二自然頻率

結構受外力作用時若此外力的激振頻率與結構的自然頻率相同時會發生

最大位移和應力則此力與結構產生共振當共振發生時結構易產生破壞

本小節模擬將透過 ANSYS 軟體之 Workbench 功能進行頻率分析為找出

吊籠基礎座的自然頻率在分析時邊界條件設定混凝土和螺栓的底面為固定端

螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接觸面為不分離(No Separation)基座

與螺栓為摩擦(Frictional)水泥座與螺栓水泥座與基座皆為不分離(No

Separation)執行自然頻率的模擬其結果如表 12圖 18圖 19圖 20由於吊

籠基礎座的結構為對稱的因此第一模態與第二模態為對稱

41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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41

表 12 基座模態清單

模態

Solidwork

赫茲(Hz)

ANSYS

赫茲(Hz)

模態 1 5464 53602

模態 2 54655 53655

模態 3 73295 85257

模態 4 74982 91469

模態 5 75566 91567

圖 18 基礎座模態(A)模態 1 頻率 53602 Hz

42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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42

(B)模態 2 頻率 53655 Hz

圖 19 基礎座模態(C)模態 3 頻率 85257 Hz

43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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43

(D)模態 4 頻率 91469 Hz

圖 20 基礎座模態(E)模態 5 頻率 91567 Hz

44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

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[2] 行政院勞工委員會北區勞動檢查職災實例統計

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[3] 行政院勞工委員會中區勞動檢查職災實例統計httpwwwcrliogovtwcaseasp

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44

由分析數據的比較可以發現兩種軟體的自然頻率分析結果大致相同顯示模態

分析的結果是有其正確性

第一節 螺栓緊固 根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺帽

夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構面

的緊固力

一 螺栓緊固模擬分析

此節模擬的目的是探討吊籠在受到額定負載的情形下螺栓所受到的拉伸力利

用 ANSYS 軟體的 Workbench 進行模擬分析其邊界條件設定如下混凝土和螺栓的

底部設定為固定螺帽與螺栓為結合(Bonded)螺帽與基座的接接觸面為不分離(No

separation)基礎座與螺栓以及基礎座與混凝土的接觸為(Frictional)利用遠端負載給

予基座一向下 6276N 的力相當於吊臂負載 640kg再設定螺栓的預負載為 19975N

螺栓的預負載可參考 ISO 2320 或 JIS 1082 標準緊固扭力估算表[ 18]如表 13帶入扭

矩和預施負荷的關係式[ 19]

其中T 為鎖緊扭矩(tightening torque)K 為扭矩系數(torque coefficient)K 值會隨著

螺栓表面的光滑度精確度與潤滑度而改變在未加潤滑液等情形下為約等於 02K

值的選用可參考表 14[19]d 為螺栓直徑 為預施負荷即等於螺帽夾持工件的壓縮力

(initial preload)

45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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45

表 13 JIS 1082 標準緊固扭力估算表

[18]

46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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46

表 14 扭矩因素 K 建議值[19]

螺栓限制 K

無電鍍黑皮表面 030

鍍鋅 020

潤滑 018

鍍鎘 016

具 Bowman 抗捉緊 012

具 Bowman 夾緊螺帽 009

由於本次實驗的螺栓尺寸為英制 (in)材料為 SUS 304而 JIS 1082

標準緊固扭力估算表適用於材質為碳鋼的螺栓因此合金鋼螺栓緊固力需經由計算得

之碳鋼的標準螺栓緊固力其預加負荷 以定[ 20]其中 為安全負荷而合金鋼的

建議值為 [20]其值可由下式[20]求出

其中 為螺栓張應力面積根據英制螺紋之尺寸及面積標準如表 15[20]

粗牙螺栓的張應面積為 0334 而 為安全強度其約等於降伏強

度的 75SUS 304 的降伏強度為 2987777psi帶入安全負荷公式後可得到安全負荷

再將安全負荷乘以 06即為預加負荷

47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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47

表 15 英制螺紋之尺寸及面積標準[20]

此模擬分析分兩部分依據吊臂固定的角度分為 Case 1 與 Case 2Case 1(正交)

為吊臂垂直牆邊固定Case 2(斜角)為夾角 45 如圖 21為方便表示將螺栓編號如

圖 22在 Case1(正交)當吊臂垂直牆邊時給予吊臂額定負載時螺栓所受的拉力如表

16位移量如圖 23而 Case2(斜角)螺栓所受的拉力分析結果如表 17位移量如圖

24

48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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48

(A) Case 1(正交)上視圖

(B) Case 2(斜角)上視圖

圖 21 吊臂固定方向

49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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49

圖 22 螺栓編號

表 16Case1(正交)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 19894

b 23959

c 19902

d 23934

分

離

a

b c

d

50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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50

圖 23 Case1(正交)位移量

表 17Case2(斜角)螺栓所受拉力

螺栓代號 螺栓拉力 (N)

a 22206

b 26430

c 19952

d 22219

51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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51

圖 24 Case2(斜角)位移量

第二節 支撐結構應變 此部分將回歸傳統的積載負荷與變形支應力與應變關係利用配重塊逐步增加吊

籠支撐結構的的荷重計算法蘭及吊臂特定位置之結構變形並與有限元素分析進行

比對了解支撐結構變形與負荷的關係

一模擬分析

此部份模擬的邊界條件設定皆如前一小節並設定一觀察點位於法蘭拉伸端的邊

緣如圖 25觀察肋板在各銲接不全的程度下法蘭的變形如表 18 與圖 26

52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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52

表 18 肋板銲接情形與法蘭變形量

銲接長度 Y 軸位變形量(mm) 變形量(mm)

14 肋板 1254 23242

12 肋板 11277 20475

全銲 10806 19447

圖 25 法蘭變形測量點

53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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53

(a)銲接 14 肋板

圖 26 (b)銲接 12 肋板

54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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54

(c)肋板全銲

圖 27 肋板銲接情形與法蘭變形量

55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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55

第五章 實驗設計與結果

第一節 螺栓緊固實驗 為驗證基礎座緊固螺栓的穩定性可藉由額定緊固扭矩的施加得以檢查因此規劃

緊固螺栓實驗實驗將分成兩個部分作為比對實驗組將以 之螺栓使用

扭矩扳手以遞增額定扭矩的方式逐次增加扭矩並在螺栓上的貼黏應變規量測螺栓應

變藉以觀察緊固螺栓之應變變化在完成以扭力扳手的額定緊固扭矩與螺栓應變量

測觀察後將同一螺栓利用拉伸試驗機進行拉伸力與應變之量測實驗藉以驗證螺栓

應變與拉伸力的彈性係數是否可以與扭力扳手的額定緊固扭矩所得到數據有一合理的

對應關係

一扭力緊固螺栓應變實驗

扭力緊固螺栓應變實驗是使用扭力扳手以遞增額定緊固扭矩方式逐增扭矩

記錄並觀察緊固螺栓應變變化其實驗架構如下本實驗使用的應變規為 KYOWA

KFG-5-120-C1-11b如圖 28將螺栓黏貼一應變規如圖 29將貼黏好應變規並接好訊

號線的螺栓套入一鑽孔的圓柱圓柱為螺栓緊固夾持用再用虎鉗夾住圓柱如圖 30

再將電線連接應變指示計本實驗使用的應變指示計為 MEASUREMENTS GROUP

P-3500 如圖 31架構聯結好後再設定扭力扳手的扭矩如圖 32從 10ftlb 至 100ft

lb 每次增加 10ftlb 將螺帽鎖緊並記錄其應變此實驗共執行 5 次如表 19統計

實驗的平均值標準差與理論值於表 20並繪製成應變理論值與實驗平均值的關係圖

如圖 33

56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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56

圖 28 應變規型號

圖 29 貼黏應變規後的螺栓

57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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57

圖 30 利用虎鉗將圓柱夾住

圖 31 應變指示計 MEASUREMENTS GROUP P-3500

58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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58

圖 32 使用扭力扳手將螺帽鎖緊

表 19 扭力緊固螺栓實驗應變值

扭矩

(ftlb)

實驗一

應變

實驗二

應變

實驗三

應變

實驗四

應變

實驗五

應變

10 0000146 0000091 0000119 0000092 0000140

20 0000215 0000222 0000230 0000171 0000173

30 0000324 0000307 0000278 0000272 0000276

40 0000417 0000449 0000439 0000417 0000442

50 0000444 0000554 0000553 0000489 0000511

60 0000592 0000621 0000619 0000622 0000626

70 0000693 0000703 0000678 0000647 0000653

80 0000811 0000828 0000783 0000800 0000797

90 0000914 0000892 0000863 0000869 0000878

100 0000998 0000980 0000962 0000988 0000996

59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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59

表 20 實驗平均值標準差與理論值

扭矩

(ftlb)

實驗應變

平均值 標準差 理論應變值

10 0000118 000002585 0000098

20 0000202 000002808 0000197

30 0000291 000002291 0000295

40 0000433 000001487 0000393

50 0000510 000004632 0000491

60 0000616 000001366 0000590

70 0000675 000002442 0000692

80 0000804 000001681 0000786

90 0000883 000002039 0000884

100 0000985 000001460 0000983

圖 33 應變理論值與實驗平均值關係圖

60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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60

將扭力扳手實驗的同一根螺栓移至拉伸試驗機進行拉伸實驗如圖 34 驗可得到

力量與螺栓的應變關係如表 21 與圖 35

圖 34 拉伸試驗實驗圖

表 21 拉伸力與應變 拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

300 0000103 0000115 0000164 0000102 0000088 0000114

400 0000128 0000136 0000184 0000114 0000114 0000135

500 0000151 0000151 0000204 0000126 0000140 0000154

600 0000175 0000174 0000223 0000142 0000169 0000177

700 0000191 0000200 0000242 0000157 0000204 0000199

800 0000210 0000226 0000264 0000177 0000226 0000221

900 0000236 0000252 0000289 0000207 0000251 0000247

1000 0000265 0000282 0000319 0000231 0000277 0000275

1100 0000294 0000309 0000345 0000250 0000310 0000302

1200 0000308 0000335 0000376 0000275 0000342 0000327

1300 0000337 0000361 0000405 0000302 0000372 0000355

1400 0000364 0000387 0000428 0000336 0000394 0000382

1500 0000386 0000412 0000454 0000368 0000431 0000410

1600 0000409 0000443 0000489 0000393 0000466 0000440

1700 0000429 0000463 0000511 0000414 0000491 0000462

61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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61

拉 伸 力(kgw)

實驗一 應變

實驗二 應變

實驗三 應變

實驗四 應變

實驗五 應變 平均應變

1800 0000464 0000495 0000541 0000446 0000524 0000494

1900 0000492 0000523 0000570 0000475 0000551 0000522

2000 0000516 0000558 0000594 0000512 0000588 0000554

2100 0000543 0000585 0000638 0000548 0000620 0000587

2200 0000574 0000616 0000672 0000581 0000651 0000619

2300 0000606 0000641 0000704 0000616 0000687 0000651

2400 0000640 0000673 0000732 0000647 0000715 0000681

2500 0000675 0000704 0000767 0000686 0000750 0000716

2600 0000702 0000731 0000801 0000714 0000780 0000746

2700 0000736 0000762 0000831 0000738 0000811 0000776

2800 0000771 0000797 0000858 0000788 0000840 0000811

2900 0000809 0000828 0000891 0000823 0000875 0000845

3000 0000841 0000849 0000923 0000855 0000903 0000874

3100 0000872 0000885 0000954 0000890 0000934 0000907

3200 0000902 0000914 0000986 0000919 0000962 0000937

3300 0000927 0000941 0001016 0000953 0000994 0000966

3400 0000962 0000972 0001045 0000988 0001024 0000998

3500 0000990 0001002 0001070 0001022 0001051 0001027

3600 0001022 0001031 0001103 0001050 0001084 0001058

3700 0001055 0001062 0001135 0001090 0001114 0001091

3800 0001084 0001093 0001166 0001125 0001146 0001123

3900 0001122 0001121 0001198 0001160 0001174 0001155

4000 0001143 0001149 0001225 0001192 0001202 0001182

4100 0001181 0001177 0001258 0001228 0001233 0001215

4200 0001205 0001204 0001286 0001259 0001265 0001244

4300 0001232 0001231 0001315 0001290 0001292 0001272

4400 0001264 0001263 0001344 0001325 0001321 0001303

4500 0001293 0001290 0001371 0001353 0001350 0001331

4600 0001327 0001318 0001403 0001384 0001380 0001362

4700 0001351 0001346 0001430 0001420 0001410 0001391

4800 0001381 0001376 0001461 0001451 0001443 0001422

4900 0001415 0001403 0001491 0001485 0001475 0001454

5000 0001446 0001436 0001505 0001516 0001500 0001481

62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

httpwwwclagovtwcgi-binsiteMakerSM_themepage=41738bef2013710

[2] 行政院勞工委員會北區勞動檢查職災實例統計

httpwwwnliogovtwprogramdisasterCaseasp2013710

[3] 行政院勞工委員會中區勞動檢查職災實例統計httpwwwcrliogovtwcaseasp

2013710

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62

圖 35 拉伸試驗應變理論值與實驗平均值關係圖

比較扭力扳手實驗得到數據與拉伸實驗得到的數據如圖 36 兩實驗數據斜率相差

1125 倍因此校正扭力換算公式

中的 K 值由原本的 02 改為 022

圖 36 扭力扳手實驗與拉伸實驗應變比較

63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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63

由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠超

過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉伸應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮應

力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺栓

當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而產

生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂鬆

動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的 199

因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩測

試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設備

的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的破

壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

第二節 基礎座法蘭荷重位移變形實驗 由先前的基礎座荷重模擬分析中可以觀察到當吊籠承受荷重時由於受到吊臂

長度所形成的扭矩作用位於法蘭外側邊緣是變形位移量最為明顯的位置雖然吊臂

末端的位移量會如同一般懸臂樑的作用在末端有最大位移量但是因為末端有吊重物

64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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64

的空間干涉同時末端的位移會因結構件組成時的間隙改變造成位置量測誤差進而

影響數據分析判斷故基礎座的法蘭相對而言是較妥善的量測位置

一般廠商在吊籠作業前會先行以積載荷重的配重塊測試稱結構物件的安全性

其構想是積載荷重的配重塊相當於操作時的荷重故靜態試驗的結果可以視為一個安

全指標然而這樣的簡單測試並無法了解結構物的實際安全性因為結構的損傷往往

是與時並進的瞬間的結構破壞或崩塌往往是日積月累的損傷或鏽蝕成長所造成的

為了解結構損傷與荷重變形的關係本研究計畫規劃以積載荷重的配重塊進行測試

但不同於一般作業的全重靜態測試改以較小重量單位的配重塊逐次增加荷重並記

錄其結構變形位移量藉以觀察其剛性變化當基礎座結構存在損傷或鏽蝕的情況時

將會直接影響到其荷重的變形及剛性但是變形位移的絕對數值容易受到測量時操作

環境與設定的影響而有所誤差容易造成誤判的情形但藉由荷重變化與變形位移的

關係也就是結構剛性的檢查可以清楚的定義出結構的變化

因此研究中規劃將基礎座受到吊籠作業荷重最明顯的外側肋板以不同與底板銲

接長度的變化作為控制因子逐次進行荷重塊的重量與位移變形關係的量測繪製相

關的曲線圖以了解測試的可行性同時由於法蘭寬度不足容易受到干涉為增加量測

的準確性故利用法蘭夾持一片延伸的銅箔板一方面可以精確的校正位移量測點

同時也可以利用量測點與中心點距離的延伸放大變形位移的關係便於實驗結果分

析實驗同時也針對吊臂的變形位移進行比對性的量測就以探討實驗規劃的正確性

分析相關的實驗設置如圖 37 所示量測點位置分別為銅鉑片距筒柱中心 30 公分

處及吊臂下緣距筒柱中心 80 公分處

65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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65

圖 37 基礎座法蘭荷重位移變形實驗設置

實驗過程中先由肋板四分之一銲接長度開始先行吊掛空箱架後逐步增加配

重塊每片重量約 25 公斤直到總數 24 片配重塊共計 600 公斤荷重為止增加配

重同時以雷射測距儀記錄量測點垂直位移量五次平均實驗反覆進行兩次後完成

共計針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度進行荷重與變形實驗實驗中所

使用的雷射測距儀為 Keyence LK-500如圖 38 所示

荷重實驗與位移變形實驗結果如圖 32 ~ 34 所示如實驗規劃所預期的吊臂與基

礎座法蘭的垂直位移呈現與荷重變化呈現線性的變化關係如果僅觀察吊臂的變形位

移如圖 39 所示肋板四分之一二分之一與全長銲接長度實驗所得到的剛性(斜率)

並無明顯的變化但是如果觀察基礎座法蘭的變形如圖 40 所示則可以明顯觀察到

不同銲接長度的剛性變化這樣的差異主要是因為吊臂本身的變形遠大於基礎座的變

形因此雖然吊臂變形較易觀察量測但除非吊臂本身受損否則無法由吊臂的變形

觀察出結構損傷變化而由基礎座法蘭的變形可以明確地觀察出當肋板銲接不全時

會明顯影響到基礎座剛性(斜率)而影響到位移改變的速率這樣的關係可以作為檢查基

礎座結構的一項指標只要根據廠商基礎座出廠測試或標準品測試可以在型式認證

時定義出適當的剛性係數作為檢驗標準便可以在定期檢查時檢查基礎座的損傷情

形值得一提的是由於立地式支撐結構吊籠的受力以遠端拉伸近端壓縮的型式

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

66

呈現拉伸面肋板損傷所可能造成的傷害遠較近端壓縮面為嚴重故於量測時應以

遠端拉伸的方式為主

圖 38 雷射測距儀

圖 39 荷重實驗肋板銲接 14 長度垂直位移變化

67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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67

圖 40 荷重實驗肋板銲接 12 長度垂直位移變化

圖 41 荷重實驗肋板全銲垂直位移變化

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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用研討會200208

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國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

68

圖 42 吊臂的變形位移

圖 43 基座的變形位移

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

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國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

69

第三節 基礎座衝擊錘振動實驗 除了以荷重實驗藉由位移變形直接觀察結構損傷之外結構損傷也可以藉由結構

件的振動反應與自然頻率變化觀察一般觀察結構損傷多以阻尼或能量損耗為指標

常見的方法有 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法

一Q-Factor 量測法

一般廣為使用的半能量法是利用計算兩個半能量點的半能量波寬其定義在頻域

中共振波峰的兩側如圖 44

Am

plituderatio

Q

2

Q

r1 r2 r 1 ~ ~ r

圖 44 半能量法

但使用半能量法必須在一個系統阻尼較小的條件下才能有較正確的相關性

半能量法[ 21]運算流程如下

1 找尋共振頻率(ωm)即其最高峰值(Q)

2 將 Q 除以 2 作為半能量點之峰值大小找出相對應之頻率

3 代入

222

121212

n

rr

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

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馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

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國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

70

算出阻尼比

其中 ω　 振幅比極大值之頻率

ω1ω2 半能量點之頻率

二對數衰減法

除了半能量法外對數衰減法也常被應用在各個領域對數衰減法是藉由響應衰

減的連續波峰來定義經由量測衰減的響應振幅比值從時域上來計算相對應的阻尼

比如圖 45 所示

)cos( twAe dtwnx(t)

t

xn

x1

圖 45 對數衰減法

對數衰減運算流程如下

1 針對系統開始衰減下找尋 n 個衰減下的波峰值

2 對數衰減可由多次周期之位移求得其公式如下

nx

x

n1ln

1

1

3 對於所定義之對數衰減 　亦可表示為

21

2

4 將步驟 2 中所得之代入步驟 3 可得出系統之阻尼比

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

httpwwwclagovtwcgi-binsiteMakerSM_themepage=41738bef2013710

[2] 行政院勞工委員會北區勞動檢查職災實例統計

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[4] 行 政 院 勞 工 委 員 會 南 區 勞 動 檢 查 職 災 實 例 統 計

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[7] 「鋼結構容許應力設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十

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[11] 陳志平保溫層包覆下腐蝕台灣中油高雄煉油廠101年

[12] 陳桂清港灣 RC構造物腐蝕檢測與防蝕原理鋼筋混凝土構造物防蝕技術與應

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[13] 「混凝土結構設計規範」內政部營建署中華民國一百年六月九日

[14] 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」內政部營建署中華民國一百年三月二

十四日

[15] 「結構混凝土施工規範」內政部營建署中華民國九十一年七月八日

[16] 「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」內政部營建署中華民國一百年七月七日

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[20] 李秀峰機械元件設計新文京開發出版有限公司

91

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Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

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[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

71

三FCR 量測法

穩態響應調變之傅立葉係數法(Fourier Coefficient Ratiorsquo Method FCR)[ 22]是藉由

一外部激振器(Shaker)在特定頻率下對系統激振將其穩態的輸出與輸入訊號做乘積

調變並將所得之結果轉換至頻域找出其傅立葉係數並藉此求出系統的結構阻尼

如圖 46 所示

Mass

Input

Output Buffer

LPF

BPF

a0

a1

圖 46 FCR 之運算流程圖[23]

FCR 量測法完整的運算程序如下

(一) 找尋系統共振頻率(ωm)此為發生最大振幅處可以運用脈衝或是掃頻的方

式測試

(二) 運用一正弦型式的激振源其頻率為 ωm激振系統此時系統會發生較大

的響應

(三) 取得系統穩態響應的訊號與輸入的激振訊號再將兩訊號作乘積調變的計

算出時域函數 G(t)

(四) 找出 g(t)的傅立葉轉換係數 a0 與 a2

(五) 找尋 a0 與 a2 後代入換算式中找出系統之阻尼係數

考量本研究計畫目的在於針對大樓管理者與作業勞工的檢查需求Q-Factor 量測

法及對數衰減法式較為簡易可行的FCR 能量耗損法因吊籠基礎座為固定於地面之型

式無法以激振器激振如要以 FCR 進行現場檢測必須設計一個變通的方式例如

可以利用基礎座筒柱架設偏心質量塊旋轉產生週期性的離心力作用但是由於經模態

分析後發現基礎座的自然頻率高達數百赫茲相當於數萬 RPM 的轉速目前工業用的

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

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圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

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實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

httpwwwclagovtwcgi-binsiteMakerSM_themepage=41738bef2013710

[2] 行政院勞工委員會北區勞動檢查職災實例統計

httpwwwnliogovtwprogramdisasterCaseasp2013710

[3] 行政院勞工委員會中區勞動檢查職災實例統計httpwwwcrliogovtwcaseasp

2013710

[4] 行 政 院 勞 工 委 員 會 南 區 勞 動 檢 查 職 災 實 例 統 計

httpwwwsliogovtwaccident_listaspx2013710

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[6] 「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[7] 「鋼結構容許應力設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[8] 「鋼結構極限設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十六日

[9] 「鋼構造建築物鋼結構施工規範」內政部營建署中華民國九十六年七月十五日

[10] 陳哲生鋼結構防蝕中華民國鋼結構協會會刊第十九期20050301

[11] 陳志平保溫層包覆下腐蝕台灣中油高雄煉油廠101年

[12] 陳桂清港灣 RC構造物腐蝕檢測與防蝕原理鋼筋混凝土構造物防蝕技術與應

用研討會200208

[13] 「混凝土結構設計規範」內政部營建署中華民國一百年六月九日

[14] 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」內政部營建署中華民國一百年三月二

十四日

[15] 「結構混凝土施工規範」內政部營建署中華民國九十一年七月八日

[16] 「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」內政部營建署中華民國一百年七月七日

[17] 「交通技術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」交

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[18] 標準緊固螺栓扭力估算表httpwwwcha-eicompdfs13-1pdf

[19] Joseph E Shigley Charles R Mischke ldquoMechanical Engineering Design 6erdquo

[20] 李秀峰機械元件設計新文京開發出版有限公司

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[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

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[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

72

馬達並無如此高速的規格品可供實驗所以為了進行 FCR 能量耗損法實驗必須另性

設計激振源為了達到數百赫茲的激振頻率本研究設計以可控制定速旋轉的台達電

子 ASD-A2 100W 伺服馬達套以 14 齒圈的齒輪敲擊基礎座筒柱法蘭作為外力激振的來

源然而由於齒輪與筒柱間的空間干涉無法以齒輪直接敲擊故改在法蘭上以螺絲

固定一鋼片為介面利用齒輪敲擊鋼片產生激振引發基礎座振動實驗設置如圖 47 和

48 所示

圖 47FCR 激振實驗設置模擬圖

73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

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73

圖 48 利用齒輪敲擊鋼片產生激振

為完成 Q-Factor 量測法對數衰減法及 FCR 能量耗損法的實驗首先將先以衝擊

槌敲擊筒柱量測基礎座的自然頻率然後再以伺服馬達激振實驗所使用的設備包括

(一) 衝擊錘Dytran 127-5850A如圖 49 所示

圖 49 激振器

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

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(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

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2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

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第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

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嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

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91

[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

Conference of Theoretical and Applied Mechanics Taipei Taiwan December 2004

[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

74

(二) 資料擷取器BampK3560C如圖 50 所示

圖 50 加速度規資料擷取器

(三) 加速規Dytran 3146A 與 3055A2如圖 51 所示

圖 51 加速規

(四) 伺服馬達台達電子 ASD-A2 100W如圖 52 所示

圖 52 伺服馬達

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

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[2] 行政院勞工委員會北區勞動檢查職災實例統計

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[6] 「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」內政部營建署中華民國九十九年九月十

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[11] 陳志平保溫層包覆下腐蝕台灣中油高雄煉油廠101年

[12] 陳桂清港灣 RC構造物腐蝕檢測與防蝕原理鋼筋混凝土構造物防蝕技術與應

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[13] 「混凝土結構設計規範」內政部營建署中華民國一百年六月九日

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[18] 標準緊固螺栓扭力估算表httpwwwcha-eicompdfs13-1pdf

[19] Joseph E Shigley Charles R Mischke ldquoMechanical Engineering Design 6erdquo

[20] 李秀峰機械元件設計新文京開發出版有限公司

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[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

Conference of Theoretical and Applied Mechanics Taipei Taiwan December 2004

[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

75

四自然頻率量測

實驗首先使用衝擊槌敲擊筒柱並於損傷肋板上方架設一加速規以量測基礎座之

振動並針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別進行量測以肋板四分之

一銲接長度為例其時域響應與頻譜分析的結果如圖 53 及 54 所示

經數據分析整理後基礎座的自然頻率變化如表 22 所示

圖 53 肋板四分之一銲接長度時域響應

圖 54 肋板四分之一銲接長度頻譜分析

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表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

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圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

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第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

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[3] 行政院勞工委員會中區勞動檢查職災實例統計httpwwwcrliogovtwcaseasp

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[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

76

表 22 銲接長度與自然頻率變化

肋板銲接長度 自然頻率

銲接 14 1667

銲接 12 1741

全銲 1697

由實驗結果可以觀察到當肋板銲接長度改變時基礎座的自然頻率並無太大變

化

五結構阻尼量測

實驗規劃以衝擊錘所得到的頻譜圖用估測結構阻尼並利用對數衰減法針對衝擊

錘的時域響應估測訊號衰減的阻尼係數估測Q-Factor 量測法結果如表 23對數

衰減法結果如表 24 及圖 55

表 23Q-Factor 量測法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0009294

銲接 12 0011670

全銲 0012915

表 24 對數衰減法估測結構阻尼

肋板銲接長度 阻尼比

銲接 14 0010210

銲接 12 0012934

全銲 0023452

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

httpwwwclagovtwcgi-binsiteMakerSM_themepage=41738bef2013710

[2] 行政院勞工委員會北區勞動檢查職災實例統計

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[3] 行政院勞工委員會中區勞動檢查職災實例統計httpwwwcrliogovtwcaseasp

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[11] 陳志平保溫層包覆下腐蝕台灣中油高雄煉油廠101年

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[15] 「結構混凝土施工規範」內政部營建署中華民國九十一年七月八日

[16] 「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」內政部營建署中華民國一百年七月七日

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通部中華民國九十七年十二月

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[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

Conference of Theoretical and Applied Mechanics Taipei Taiwan December 2004

[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

77

圖 55 銲接 14 對數衰減法估測結構阻尼

實驗中利用定速旋轉的伺服馬達帶動一個 14 齒的齒輪敲擊附著在基礎座法蘭

上的鋼片進而對基礎座產生衝擊的效果由於根據自然頻率的估測肋板四分之

一與全長銲接長度的估測頻率分別為 166 Hz 與 333 Hz故實驗終將依據這兩個頻率

對基礎座進行伺服馬達的轉速設定並更進一步的藉由齒輪的敲擊產生基礎座振動

同時在基礎座上將安裝兩個加速規以量測基礎座的振動一個安置於拉伸肋板的上

方另一個則安置於拉伸肋板旁的底板如圖 56 所示由於肋板銲接不全所模擬的損

傷將會造成振動能力傳導的差異所以希望藉由兩個加速規所計算的傳遞能量差異

可以辨識出損傷的大小實驗中針對肋板四分之一二分之一與全長銲接長度分別

進行量測以兩個不同頻率各激振五次並記錄加速規數據以肋板四分之一銲接為例

肋板上方與底板上方所量測得到的加速規訊號如圖 57 所示

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

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參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

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國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

78

(a)肋板上方加速規

圖 56 加速規位置(b)拉伸板旁加速規

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

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[11] 陳志平保溫層包覆下腐蝕台灣中油高雄煉油廠101年

[12] 陳桂清港灣 RC構造物腐蝕檢測與防蝕原理鋼筋混凝土構造物防蝕技術與應

用研討會200208

[13] 「混凝土結構設計規範」內政部營建署中華民國一百年六月九日

[14] 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」內政部營建署中華民國一百年三月二

十四日

[15] 「結構混凝土施工規範」內政部營建署中華民國九十一年七月八日

[16] 「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」內政部營建署中華民國一百年七月七日

[17] 「交通技術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」交

通部中華民國九十七年十二月

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[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

79

(a)上方加速規量得訊號

圖 57 以 166Hz 激振(b)底板加速規量得訊號

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

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[6] 「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

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六日

[8] 「鋼結構極限設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十六日

[9] 「鋼構造建築物鋼結構施工規範」內政部營建署中華民國九十六年七月十五日

[10] 陳哲生鋼結構防蝕中華民國鋼結構協會會刊第十九期20050301

[11] 陳志平保溫層包覆下腐蝕台灣中油高雄煉油廠101年

[12] 陳桂清港灣 RC構造物腐蝕檢測與防蝕原理鋼筋混凝土構造物防蝕技術與應

用研討會200208

[13] 「混凝土結構設計規範」內政部營建署中華民國一百年六月九日

[14] 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」內政部營建署中華民國一百年三月二

十四日

[15] 「結構混凝土施工規範」內政部營建署中華民國九十一年七月八日

[16] 「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」內政部營建署中華民國一百年七月七日

[17] 「交通技術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」交

通部中華民國九十七年十二月

[18] 標準緊固螺栓扭力估算表httpwwwcha-eicompdfs13-1pdf

[19] Joseph E Shigley Charles R Mischke ldquoMechanical Engineering Design 6erdquo

[20] 李秀峰機械元件設計新文京開發出版有限公司

91

[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

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[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

80

實驗中發現因為使用客製化的裝置激振衍生出一些實驗的問題導致實驗數據

無法精確的使用 FCR 法計算能量損耗首先FCR 適用於以標準弦波輸入作為激振

以利後續迴旋積分時的運算單純化然而由於本實驗基礎座重量與固定的位置使用

客製化伺服馬達加齒輪的激振方式雖然產生所需頻率的激振然而波形卻非標準的

弦波而接近於脈衝波因此會產生許多副頻的激振訊號其次由於齒輪敲擊時為

有負載脫離敲擊鋼片後為無負載實驗中觀察到馬達的轉速並非穩定於所設定的速

度下可以觀察到明顯的速度變化最後由於每一次實驗的進行並須重新安裝鋼片

於法蘭上然後調校齒輪與鋼片的垂直位置這造成每次齒輪敲擊鋼片的效果不一致

在進行 FCR 法計算時無法得到一致性的結果與分析

除此之外為進行 FCR 法實驗必須要在基礎座旁利用螺栓植筋入地面以固定馬

達基座顧慮到頂樓防水與損害這在許多大樓的屋頂結構是不被允許的更不必提

及在每一個基礎座都要進行相關的設置與量測有鑑於實驗數據無法有效控制其他實

驗因素的影響研究計畫暫停對 FCR 法更進一步的分析探討

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第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

httpwwwclagovtwcgi-binsiteMakerSM_themepage=41738bef2013710

[2] 行政院勞工委員會北區勞動檢查職災實例統計

httpwwwnliogovtwprogramdisasterCaseasp2013710

[3] 行政院勞工委員會中區勞動檢查職災實例統計httpwwwcrliogovtwcaseasp

2013710

[4] 行 政 院 勞 工 委 員 會 南 區 勞 動 檢 查 職 災 實 例 統 計

httpwwwsliogovtwaccident_listaspx2013710

[5] 「吊籠安全檢查構造標準」行政院勞工委員會中華民國九十四年五月十二日

[6] 「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[7] 「鋼結構容許應力設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[8] 「鋼結構極限設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十六日

[9] 「鋼構造建築物鋼結構施工規範」內政部營建署中華民國九十六年七月十五日

[10] 陳哲生鋼結構防蝕中華民國鋼結構協會會刊第十九期20050301

[11] 陳志平保溫層包覆下腐蝕台灣中油高雄煉油廠101年

[12] 陳桂清港灣 RC構造物腐蝕檢測與防蝕原理鋼筋混凝土構造物防蝕技術與應

用研討會200208

[13] 「混凝土結構設計規範」內政部營建署中華民國一百年六月九日

[14] 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」內政部營建署中華民國一百年三月二

十四日

[15] 「結構混凝土施工規範」內政部營建署中華民國九十一年七月八日

[16] 「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」內政部營建署中華民國一百年七月七日

[17] 「交通技術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」交

通部中華民國九十七年十二月

[18] 標準緊固螺栓扭力估算表httpwwwcha-eicompdfs13-1pdf

[19] Joseph E Shigley Charles R Mischke ldquoMechanical Engineering Design 6erdquo

[20] 李秀峰機械元件設計新文京開發出版有限公司

91

[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

Conference of Theoretical and Applied Mechanics Taipei Taiwan December 2004

[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

81

第六章 建議安全檢查指引 由本研究的分析模擬與實驗結果所累積的經驗對於吊籠結構支撐物的安全提出

一般大樓管理者與勞工實施吊籠作業時可以利用一般簡單機具操作檢查的安全指引

讓維護者與使用者可以依照程序確認吊籠各項機具的結構安全降低勞工職災的發生

第一節 安裝測試 不論以預埋螺栓與大樓鋼筋或鋼骨共構施工或使用化學藥劑埋設螺栓等方式施

工在完工後另行以拉拔實驗測試強度是否符合設計要求作為檢驗依據完工測試

檢驗時可照像或攝影留存測試檢驗程序必須遵照廠商提供程序處理本例僅參

考步驟說明施工流程如圖 58 ~60

第一步將千斤頂工具牙套旋入待測基礎螺栓

第二步設定油壓錶上紅色指標轉至檢測值

第三步確認油壓錶歸零後開始由手動幫浦徐徐加壓直到油壓錶上指針達到檢測

值

第四步靜後 10 分鐘檢視植筋周圍RC 土墩周圍是否隆起裂紋等損傷狀況

第五步洩放千斤頂油壓

圖 58 千斤頂工具牙套

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

httpwwwclagovtwcgi-binsiteMakerSM_themepage=41738bef2013710

[2] 行政院勞工委員會北區勞動檢查職災實例統計

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2013710

[4] 行 政 院 勞 工 委 員 會 南 區 勞 動 檢 查 職 災 實 例 統 計

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[5] 「吊籠安全檢查構造標準」行政院勞工委員會中華民國九十四年五月十二日

[6] 「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[7] 「鋼結構容許應力設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

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[9] 「鋼構造建築物鋼結構施工規範」內政部營建署中華民國九十六年七月十五日

[10] 陳哲生鋼結構防蝕中華民國鋼結構協會會刊第十九期20050301

[11] 陳志平保溫層包覆下腐蝕台灣中油高雄煉油廠101年

[12] 陳桂清港灣 RC構造物腐蝕檢測與防蝕原理鋼筋混凝土構造物防蝕技術與應

用研討會200208

[13] 「混凝土結構設計規範」內政部營建署中華民國一百年六月九日

[14] 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」內政部營建署中華民國一百年三月二

十四日

[15] 「結構混凝土施工規範」內政部營建署中華民國九十一年七月八日

[16] 「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」內政部營建署中華民國一百年七月七日

[17] 「交通技術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」交

通部中華民國九十七年十二月

[18] 標準緊固螺栓扭力估算表httpwwwcha-eicompdfs13-1pdf

[19] Joseph E Shigley Charles R Mischke ldquoMechanical Engineering Design 6erdquo

[20] 李秀峰機械元件設計新文京開發出版有限公司

91

[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

Conference of Theoretical and Applied Mechanics Taipei Taiwan December 2004

[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

82

圖 59 設定油壓錶檢測值

圖 60 手動幫浦徐徐加壓

一般吊籠基礎座螺栓的安置多為新建大樓營造廠商或者是破損修替時由專業廠商

修補新設大樓管理者應要求營造廠商或專業廠商提出相關測試證明以確保設備安

全

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

httpwwwclagovtwcgi-binsiteMakerSM_themepage=41738bef2013710

[2] 行政院勞工委員會北區勞動檢查職災實例統計

httpwwwnliogovtwprogramdisasterCaseasp2013710

[3] 行政院勞工委員會中區勞動檢查職災實例統計httpwwwcrliogovtwcaseasp

2013710

[4] 行 政 院 勞 工 委 員 會 南 區 勞 動 檢 查 職 災 實 例 統 計

httpwwwsliogovtwaccident_listaspx2013710

[5] 「吊籠安全檢查構造標準」行政院勞工委員會中華民國九十四年五月十二日

[6] 「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[7] 「鋼結構容許應力設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[8] 「鋼結構極限設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十六日

[9] 「鋼構造建築物鋼結構施工規範」內政部營建署中華民國九十六年七月十五日

[10] 陳哲生鋼結構防蝕中華民國鋼結構協會會刊第十九期20050301

[11] 陳志平保溫層包覆下腐蝕台灣中油高雄煉油廠101年

[12] 陳桂清港灣 RC構造物腐蝕檢測與防蝕原理鋼筋混凝土構造物防蝕技術與應

用研討會200208

[13] 「混凝土結構設計規範」內政部營建署中華民國一百年六月九日

[14] 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」內政部營建署中華民國一百年三月二

十四日

[15] 「結構混凝土施工規範」內政部營建署中華民國九十一年七月八日

[16] 「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」內政部營建署中華民國一百年七月七日

[17] 「交通技術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」交

通部中華民國九十七年十二月

[18] 標準緊固螺栓扭力估算表httpwwwcha-eicompdfs13-1pdf

[19] Joseph E Shigley Charles R Mischke ldquoMechanical Engineering Design 6erdquo

[20] 李秀峰機械元件設計新文京開發出版有限公司

91

[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

Conference of Theoretical and Applied Mechanics Taipei Taiwan December 2004

[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

83

第二節 使用檢查

一定期檢測扭力扳手

根據 ISO 2320 規範各式螺栓與螺帽旋緊固定時應依螺栓與螺帽材質與尺寸規

格設定額定扭矩加以旋緊此額定扭矩旋緊的條件將由螺帽與螺栓間螺紋之作用

力產生螺栓之拉伸應力相對地螺帽因螺栓的拉伸力所生成的反作用力將造成對螺

帽夾持工件的壓縮力在吊籠基礎座的應用中此壓縮力即為固定基礎座於大樓結構

面的緊固力此拉伸力的計算可以由下列算式求得[19]

其中由有限元素分析的結果中可以發現螺栓額定扭矩於旋緊時所產生的緊固力遠

超過吊籠積載負荷在遠端螺栓所產生的拉升應力而在近端的緊固螺栓則因受到壓縮

應力而造成應力降低的效果因此如果緊固螺栓依照 ISO 規範施作固定則近端螺

栓當不會因吊籠積載負荷而產生應力增加而崩壞的現象如螺栓因鏽蝕或施作不當而

產生崩裂或破壞的缺損當可以在依照 ISO 規範緊固時即應發現緊固螺栓有崩裂

鬆動或搖晃的現象

反觀遠端緊固螺栓則因吊籠積載負荷造成拉伸應力的些微增加因此在依照 ISO

規範緊固時仍不足以確認螺栓與大樓結構間是否有損傷現象而不足以支撐籠積載負荷

造成的拉伸應力因此在考量自主檢查之方便性與可行性的條件下埋入大樓結構

的螺栓不易使用各式破壞性或非破壞性檢測方式可以利用 ISO 規範所規定之旋緊額

定扭矩增加安全係數的方式調高扭矩加以測試緊固螺栓是否有結構損傷或大樓結

構是否足夠穩定支撐螺栓的拉伸應力如於施加增加安全係數後之額定扭矩的旋緊過

程中發現螺栓有鬆脫搖晃或崩壞的情形即可預知該螺栓亦不足以支撐因吊籠積

載負荷所生成的應力

由於緊固螺栓因吊籠積載負荷所生成的拉伸應力相對於緊固額定扭矩生成的應力

相對比例甚小故測試時的安全係數應不致太高確切的測試額定扭矩可由基礎座

的尺寸與吊籠積載負荷大小先行推估即可訂定出適當的係數以本研究所使用的基礎

座而言其吊籠積載負荷所產生的應力增加僅為緊固扭矩所產生的拉伸應力的百分之

199因此緊固螺栓測試應可由吊籠施作單位或大樓雇主自行使用螺栓緊固額定扭矩

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

httpwwwclagovtwcgi-binsiteMakerSM_themepage=41738bef2013710

[2] 行政院勞工委員會北區勞動檢查職災實例統計

httpwwwnliogovtwprogramdisasterCaseasp2013710

[3] 行政院勞工委員會中區勞動檢查職災實例統計httpwwwcrliogovtwcaseasp

2013710

[4] 行 政 院 勞 工 委 員 會 南 區 勞 動 檢 查 職 災 實 例 統 計

httpwwwsliogovtwaccident_listaspx2013710

[5] 「吊籠安全檢查構造標準」行政院勞工委員會中華民國九十四年五月十二日

[6] 「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[7] 「鋼結構容許應力設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[8] 「鋼結構極限設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十六日

[9] 「鋼構造建築物鋼結構施工規範」內政部營建署中華民國九十六年七月十五日

[10] 陳哲生鋼結構防蝕中華民國鋼結構協會會刊第十九期20050301

[11] 陳志平保溫層包覆下腐蝕台灣中油高雄煉油廠101年

[12] 陳桂清港灣 RC構造物腐蝕檢測與防蝕原理鋼筋混凝土構造物防蝕技術與應

用研討會200208

[13] 「混凝土結構設計規範」內政部營建署中華民國一百年六月九日

[14] 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」內政部營建署中華民國一百年三月二

十四日

[15] 「結構混凝土施工規範」內政部營建署中華民國九十一年七月八日

[16] 「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」內政部營建署中華民國一百年七月七日

[17] 「交通技術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」交

通部中華民國九十七年十二月

[18] 標準緊固螺栓扭力估算表httpwwwcha-eicompdfs13-1pdf

[19] Joseph E Shigley Charles R Mischke ldquoMechanical Engineering Design 6erdquo

[20] 李秀峰機械元件設計新文京開發出版有限公司

91

[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

Conference of Theoretical and Applied Mechanics Taipei Taiwan December 2004

[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

84

測試而不需要使用複雜的檢測儀器如超音波X 光等非破壞儀器或者需要油壓設

備的拉拔測試一方面測試程序簡單設備便宜另一方面也不易造成現有緊固螺栓的

破壞待測試後再行回復螺栓原有扭矩即可

二目視檢點

基礎座檢測部分從前面的模態分析結果可發現若結構有鏽蝕或是銲接損傷時

結構頻率會有極大的變化由模態分析得知連結處的損傷擴大時會明顯的造成模

態急遽的變化

若以目視法輔以基本量測器具檢測建議依據「交通技術標準規範公路類公路工

程部公路鋼結構橋梁之檢測及補強規範」[17]及行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

於中華民國八十八年一月所公布之「吊籠作業安全技術指引」所訂定之項目進行檢查

以評估檢測吊籠支撐物結構由於「吊籠作業安全技術指引」所規定之檢查項目標準

較為嚴格因此各項檢查項目將建議僅列出單一項嚴格標準如表 25 所示

表 25 可搬型吊籠支撐結構物件定期自動檢查基準

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

上部支持金屬件及跨座式突樑之安裝

部份有無鬆弛上浮 不可有鬆弛或上浮現象

檢查上部支持金屬件及跨座式突樑之

構材等有無龜裂摩耗變形及腐蝕 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查熔接部有無龜裂及腐蝕 不可有龜裂或腐蝕

上 部 支

持 金 屬

件 及 跨 座 式 突 樑

檢查襯墊及保護材有無損傷 不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查懸臂台之構材等有無龜裂摩耗 變形或腐蝕

不可有龜裂摩耗變形或腐蝕

檢查動作狀況 動作正常 懸臂台

檢查螺栓等有無損傷及脫落 不可有損傷或脫落

檢查緊固螺栓是否確實旋緊 不可有鬆脫搖晃龜裂摩耗變形或

腐蝕 基礎座

檢查基礎座結構是否損傷 不可有裂縫龜裂摩耗變形或腐蝕

鍍鋅不可有脫落斑駁現象

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

httpwwwclagovtwcgi-binsiteMakerSM_themepage=41738bef2013710

[2] 行政院勞工委員會北區勞動檢查職災實例統計

httpwwwnliogovtwprogramdisasterCaseasp2013710

[3] 行政院勞工委員會中區勞動檢查職災實例統計httpwwwcrliogovtwcaseasp

2013710

[4] 行 政 院 勞 工 委 員 會 南 區 勞 動 檢 查 職 災 實 例 統 計

httpwwwsliogovtwaccident_listaspx2013710

[5] 「吊籠安全檢查構造標準」行政院勞工委員會中華民國九十四年五月十二日

[6] 「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[7] 「鋼結構容許應力設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[8] 「鋼結構極限設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十六日

[9] 「鋼構造建築物鋼結構施工規範」內政部營建署中華民國九十六年七月十五日

[10] 陳哲生鋼結構防蝕中華民國鋼結構協會會刊第十九期20050301

[11] 陳志平保溫層包覆下腐蝕台灣中油高雄煉油廠101年

[12] 陳桂清港灣 RC構造物腐蝕檢測與防蝕原理鋼筋混凝土構造物防蝕技術與應

用研討會200208

[13] 「混凝土結構設計規範」內政部營建署中華民國一百年六月九日

[14] 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」內政部營建署中華民國一百年三月二

十四日

[15] 「結構混凝土施工規範」內政部營建署中華民國九十一年七月八日

[16] 「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」內政部營建署中華民國一百年七月七日

[17] 「交通技術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」交

通部中華民國九十七年十二月

[18] 標準緊固螺栓扭力估算表httpwwwcha-eicompdfs13-1pdf

[19] Joseph E Shigley Charles R Mischke ldquoMechanical Engineering Design 6erdquo

[20] 李秀峰機械元件設計新文京開發出版有限公司

91

[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

Conference of Theoretical and Applied Mechanics Taipei Taiwan December 2004

[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

85

檢 查 項 目

檢 查 方 法

判 定 基 準

設置之鋼筋混凝土結構物本體檢查是否

有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變形

鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

不可有裂縫剝落蜂窩空洞彎曲變

形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白華)銹水流出異音等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 裂縫寬度介於01-02mm且間隔大於1m剝離面積小於01m2 局部有蜂窩 少量滲水及游離石灰

設置之鋼結構物結構物本體檢查是否有

構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕

鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他

損傷等異常現象

不可有構件受損(裂縫彎曲變形)銲

接處損傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹

及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異

常或其他損傷等異常現象 以下為公路鋼結構橋樑之檢測及補強規

範容許 銹蝕面積佔檢測位置觀測面積之03以

下 點狀生銹

吊臂 同懸臂台 同懸臂台

三逐次增額荷重實驗

1 檢查時應準備經校正合格之應變量測裝置如雷射測距儀或應變量測儀等

2 逐次增額荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式以每次 50 或 100 公斤之增量逐次增加吊籠荷重至額定積載負荷

逐次記錄增加荷重時之基礎座拉伸外緣與吊臂變形明顯處並推算其結構剛性變化

如結構剛性變化超過原廠設計之安全範圍應停止該組支撐結構物之使用另行替換

檢查合格之支撐結構物檢查不合格之支撐結構物應交由合格廠商進一步檢查測試

於修整合格後方可使用

四作業前檢測

工作場所如提供固定式基座與相關支撐結構時設置吊籠時應注意下列事項

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

httpwwwclagovtwcgi-binsiteMakerSM_themepage=41738bef2013710

[2] 行政院勞工委員會北區勞動檢查職災實例統計

httpwwwnliogovtwprogramdisasterCaseasp2013710

[3] 行政院勞工委員會中區勞動檢查職災實例統計httpwwwcrliogovtwcaseasp

2013710

[4] 行 政 院 勞 工 委 員 會 南 區 勞 動 檢 查 職 災 實 例 統 計

httpwwwsliogovtwaccident_listaspx2013710

[5] 「吊籠安全檢查構造標準」行政院勞工委員會中華民國九十四年五月十二日

[6] 「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[7] 「鋼結構容許應力設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[8] 「鋼結構極限設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十六日

[9] 「鋼構造建築物鋼結構施工規範」內政部營建署中華民國九十六年七月十五日

[10] 陳哲生鋼結構防蝕中華民國鋼結構協會會刊第十九期20050301

[11] 陳志平保溫層包覆下腐蝕台灣中油高雄煉油廠101年

[12] 陳桂清港灣 RC構造物腐蝕檢測與防蝕原理鋼筋混凝土構造物防蝕技術與應

用研討會200208

[13] 「混凝土結構設計規範」內政部營建署中華民國一百年六月九日

[14] 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」內政部營建署中華民國一百年三月二

十四日

[15] 「結構混凝土施工規範」內政部營建署中華民國九十一年七月八日

[16] 「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」內政部營建署中華民國一百年七月七日

[17] 「交通技術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」交

通部中華民國九十七年十二月

[18] 標準緊固螺栓扭力估算表httpwwwcha-eicompdfs13-1pdf

[19] Joseph E Shigley Charles R Mischke ldquoMechanical Engineering Design 6erdquo

[20] 李秀峰機械元件設計新文京開發出版有限公司

91

[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

Conference of Theoretical and Applied Mechanics Taipei Taiwan December 2004

[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

86

(一)基礎座設置之結構物本體

1 應確認緊固螺栓之施作符合大樓結構安全之一部分如有疑慮可請大樓業主出示營

造廠商相關文件確認

2 結構物本體如為鋼筋混凝土結構應以目視檢測是否有裂縫剝落蜂窩空洞

彎曲變形鋼筋外露或銹蝕滲水游離石灰(白樺)銹水流出異音等異常現象

3 結構物本體如為鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象

4 如有結構物本體異常現象時應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

(二)基礎座緊固螺栓

1 基礎座緊固螺栓應依據螺栓規格使用扭力扳手設定額定扭矩緊固如有螺栓滑動

或搖晃的情形應確實補強固定後方可執行吊籠吊掛作業

2 一般基礎座螺栓設計使用不鏽鋼材質應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)

欠缺及鬆動生銹及腐蝕構件間距異常或其他損傷等異常現象如有異常現象

應停止設置吊籠作業

(三)基礎座結構

1 基礎座結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損

傷螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其

他損傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

(四)吊臂

1 吊臂結構屬於鋼結構物應檢視是否有構件受損(裂縫彎曲變形)銲接處損傷

螺栓損傷欠缺及鬆動生銹及腐蝕鍍鋅銹蝕或脫落構件間距異常或其他損

傷等異常現象如有異常現象應停止設置吊籠作業

2 如吊臂為可伸展之機構應確實檢查機構組裝順序必須充分旋緊螺栓緊固後方可

使用

(五) 荷重實驗

1 實施吊籠作業前應根據吊籠積載荷重準備配重塊作為荷重檢查的依據

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

httpwwwclagovtwcgi-binsiteMakerSM_themepage=41738bef2013710

[2] 行政院勞工委員會北區勞動檢查職災實例統計

httpwwwnliogovtwprogramdisasterCaseasp2013710

[3] 行政院勞工委員會中區勞動檢查職災實例統計httpwwwcrliogovtwcaseasp

2013710

[4] 行 政 院 勞 工 委 員 會 南 區 勞 動 檢 查 職 災 實 例 統 計

httpwwwsliogovtwaccident_listaspx2013710

[5] 「吊籠安全檢查構造標準」行政院勞工委員會中華民國九十四年五月十二日

[6] 「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[7] 「鋼結構容許應力設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[8] 「鋼結構極限設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十六日

[9] 「鋼構造建築物鋼結構施工規範」內政部營建署中華民國九十六年七月十五日

[10] 陳哲生鋼結構防蝕中華民國鋼結構協會會刊第十九期20050301

[11] 陳志平保溫層包覆下腐蝕台灣中油高雄煉油廠101年

[12] 陳桂清港灣 RC構造物腐蝕檢測與防蝕原理鋼筋混凝土構造物防蝕技術與應

用研討會200208

[13] 「混凝土結構設計規範」內政部營建署中華民國一百年六月九日

[14] 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」內政部營建署中華民國一百年三月二

十四日

[15] 「結構混凝土施工規範」內政部營建署中華民國九十一年七月八日

[16] 「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」內政部營建署中華民國一百年七月七日

[17] 「交通技術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」交

通部中華民國九十七年十二月

[18] 標準緊固螺栓扭力估算表httpwwwcha-eicompdfs13-1pdf

[19] Joseph E Shigley Charles R Mischke ldquoMechanical Engineering Design 6erdquo

[20] 李秀峰機械元件設計新文京開發出版有限公司

91

[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

Conference of Theoretical and Applied Mechanics Taipei Taiwan December 2004

[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

87

2 定額積載荷重測試將吊籠支撐結構物含吊臂與基礎座裝置妥善後將額定積

載荷重依正常方式吊掛於支撐吊臂上觀察支撐物結構是否有晃動鬆脫的現象

如有劇烈晃動或鬆脫現象發生應即刻停止吊籠作業實施並通知合格廠商修補或

替換受損物件

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

httpwwwclagovtwcgi-binsiteMakerSM_themepage=41738bef2013710

[2] 行政院勞工委員會北區勞動檢查職災實例統計

httpwwwnliogovtwprogramdisasterCaseasp2013710

[3] 行政院勞工委員會中區勞動檢查職災實例統計httpwwwcrliogovtwcaseasp

2013710

[4] 行 政 院 勞 工 委 員 會 南 區 勞 動 檢 查 職 災 實 例 統 計

httpwwwsliogovtwaccident_listaspx2013710

[5] 「吊籠安全檢查構造標準」行政院勞工委員會中華民國九十四年五月十二日

[6] 「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[7] 「鋼結構容許應力設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[8] 「鋼結構極限設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十六日

[9] 「鋼構造建築物鋼結構施工規範」內政部營建署中華民國九十六年七月十五日

[10] 陳哲生鋼結構防蝕中華民國鋼結構協會會刊第十九期20050301

[11] 陳志平保溫層包覆下腐蝕台灣中油高雄煉油廠101年

[12] 陳桂清港灣 RC構造物腐蝕檢測與防蝕原理鋼筋混凝土構造物防蝕技術與應

用研討會200208

[13] 「混凝土結構設計規範」內政部營建署中華民國一百年六月九日

[14] 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」內政部營建署中華民國一百年三月二

十四日

[15] 「結構混凝土施工規範」內政部營建署中華民國九十一年七月八日

[16] 「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」內政部營建署中華民國一百年七月七日

[17] 「交通技術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」交

通部中華民國九十七年十二月

[18] 標準緊固螺栓扭力估算表httpwwwcha-eicompdfs13-1pdf

[19] Joseph E Shigley Charles R Mischke ldquoMechanical Engineering Design 6erdquo

[20] 李秀峰機械元件設計新文京開發出版有限公司

91

[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

Conference of Theoretical and Applied Mechanics Taipei Taiwan December 2004

[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

88

第七章 結論與建議

第一節 結論

一 吊籠結構支撐如支架吊臂基礎座及螺栓會因經年劣化等因素致使結構強度

不足無法承載負荷而發生職災

二 目前吊籠結構支撐檢查以目視表面銲道缺失腐蝕檢查為主存有實質強度是

否足夠的疑慮問題

三 文獻說明頻率可檢測結構的邊界條件當的穩固性愈好時其共振頻率也會愈

高研究應用電腦進行模態分析其模擬結構損傷與自然頻率關係會隨損傷的

嚴重性而自然頻率下降

四 應用頻率檢測結構損傷雖然文獻與電腦模擬評估具有可行性但模擬分析結果

發現基礎座自然頻率極高導致實驗量測數據變化不明顯

五研究收集有關立地式固定基座及吊架結構腐蝕損傷成因與機制有助於了解結

構損傷的可能因素

第二節 建議

一 研究完成固定立地式吊籠之支架吊臂基礎座及螺栓檢查指引可提供吊籠作

業前的結構穩固檢查參考

二 吊籠支撐結構除了目視表面缺陷檢查外建議可利用如扭力扳手檢測基礎螺栓之

緊固有效力矩避免隱藏的螺栓鏽蝕或鬆脫等缺陷

三 建議吊籠使用檢查之荷重試驗項目時可記錄結構位移或應變量作為後續追蹤

安全性評估是否進一步的結構非破壞檢驗

四 建議後續研究方向可朝既有吊籠基礎座強度計算與測試及相關吊籠操作使用管

理腐蝕裂化強度判斷或有關吊籠構造補充條文案例解說資料等議題

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

httpwwwclagovtwcgi-binsiteMakerSM_themepage=41738bef2013710

[2] 行政院勞工委員會北區勞動檢查職災實例統計

httpwwwnliogovtwprogramdisasterCaseasp2013710

[3] 行政院勞工委員會中區勞動檢查職災實例統計httpwwwcrliogovtwcaseasp

2013710

[4] 行 政 院 勞 工 委 員 會 南 區 勞 動 檢 查 職 災 實 例 統 計

httpwwwsliogovtwaccident_listaspx2013710

[5] 「吊籠安全檢查構造標準」行政院勞工委員會中華民國九十四年五月十二日

[6] 「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[7] 「鋼結構容許應力設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[8] 「鋼結構極限設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十六日

[9] 「鋼構造建築物鋼結構施工規範」內政部營建署中華民國九十六年七月十五日

[10] 陳哲生鋼結構防蝕中華民國鋼結構協會會刊第十九期20050301

[11] 陳志平保溫層包覆下腐蝕台灣中油高雄煉油廠101年

[12] 陳桂清港灣 RC構造物腐蝕檢測與防蝕原理鋼筋混凝土構造物防蝕技術與應

用研討會200208

[13] 「混凝土結構設計規範」內政部營建署中華民國一百年六月九日

[14] 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」內政部營建署中華民國一百年三月二

十四日

[15] 「結構混凝土施工規範」內政部營建署中華民國九十一年七月八日

[16] 「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」內政部營建署中華民國一百年七月七日

[17] 「交通技術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」交

通部中華民國九十七年十二月

[18] 標準緊固螺栓扭力估算表httpwwwcha-eicompdfs13-1pdf

[19] Joseph E Shigley Charles R Mischke ldquoMechanical Engineering Design 6erdquo

[20] 李秀峰機械元件設計新文京開發出版有限公司

91

[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

Conference of Theoretical and Applied Mechanics Taipei Taiwan December 2004

[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

89

誌謝

本研究計畫參與人員除本所助理研究員劉國青助理研究員沈志陽等人另包括國

立台北科技大學曾百由教授等人謹此敬表謝忱

90

參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

httpwwwclagovtwcgi-binsiteMakerSM_themepage=41738bef2013710

[2] 行政院勞工委員會北區勞動檢查職災實例統計

httpwwwnliogovtwprogramdisasterCaseasp2013710

[3] 行政院勞工委員會中區勞動檢查職災實例統計httpwwwcrliogovtwcaseasp

2013710

[4] 行 政 院 勞 工 委 員 會 南 區 勞 動 檢 查 職 災 實 例 統 計

httpwwwsliogovtwaccident_listaspx2013710

[5] 「吊籠安全檢查構造標準」行政院勞工委員會中華民國九十四年五月十二日

[6] 「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[7] 「鋼結構容許應力設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[8] 「鋼結構極限設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十六日

[9] 「鋼構造建築物鋼結構施工規範」內政部營建署中華民國九十六年七月十五日

[10] 陳哲生鋼結構防蝕中華民國鋼結構協會會刊第十九期20050301

[11] 陳志平保溫層包覆下腐蝕台灣中油高雄煉油廠101年

[12] 陳桂清港灣 RC構造物腐蝕檢測與防蝕原理鋼筋混凝土構造物防蝕技術與應

用研討會200208

[13] 「混凝土結構設計規範」內政部營建署中華民國一百年六月九日

[14] 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」內政部營建署中華民國一百年三月二

十四日

[15] 「結構混凝土施工規範」內政部營建署中華民國九十一年七月八日

[16] 「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」內政部營建署中華民國一百年七月七日

[17] 「交通技術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」交

通部中華民國九十七年十二月

[18] 標準緊固螺栓扭力估算表httpwwwcha-eicompdfs13-1pdf

[19] Joseph E Shigley Charles R Mischke ldquoMechanical Engineering Design 6erdquo

[20] 李秀峰機械元件設計新文京開發出版有限公司

91

[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

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[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

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參考文獻 [1] 行政院勞工委員會歷年職災實例

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[3] 行政院勞工委員會中區勞動檢查職災實例統計httpwwwcrliogovtwcaseasp

2013710

[4] 行 政 院 勞 工 委 員 會 南 區 勞 動 檢 查 職 災 實 例 統 計

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[5] 「吊籠安全檢查構造標準」行政院勞工委員會中華民國九十四年五月十二日

[6] 「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[7] 「鋼結構容許應力設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十

六日

[8] 「鋼結構極限設計法規範及解說」內政部營建署中華民國九十九年九月十六日

[9] 「鋼構造建築物鋼結構施工規範」內政部營建署中華民國九十六年七月十五日

[10] 陳哲生鋼結構防蝕中華民國鋼結構協會會刊第十九期20050301

[11] 陳志平保溫層包覆下腐蝕台灣中油高雄煉油廠101年

[12] 陳桂清港灣 RC構造物腐蝕檢測與防蝕原理鋼筋混凝土構造物防蝕技術與應

用研討會200208

[13] 「混凝土結構設計規範」內政部營建署中華民國一百年六月九日

[14] 「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」內政部營建署中華民國一百年三月二

十四日

[15] 「結構混凝土施工規範」內政部營建署中華民國九十一年七月八日

[16] 「鋼骨鋼筋混凝土構造施工規範」內政部營建署中華民國一百年七月七日

[17] 「交通技術標準規範公路類公路工程部公路鋼結構橋樑之檢測及補強規範」交

通部中華民國九十七年十二月

[18] 標準緊固螺栓扭力估算表httpwwwcha-eicompdfs13-1pdf

[19] Joseph E Shigley Charles R Mischke ldquoMechanical Engineering Design 6erdquo

[20] 李秀峰機械元件設計新文京開發出版有限公司

91

[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

Conference of Theoretical and Applied Mechanics Taipei Taiwan December 2004

[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005

91

[21] 王柏村振動學台北全華科技圖書2001

Wenlung Li amp SP Tseng ldquoThe Linearization Method Based on the Equivalence of

Dissipated Energies for Nonlinearly Damped Structural Systemsrdquo The 28th National

Conference of Theoretical and Applied Mechanics Taipei Taiwan December 2004

[22] 黎文龍蔡忠瑾rdquo穩態響應調變之傅立葉係數計算結構阻尼rdquo第十三屆中華民

國振動與噪音工程學術研討會論文集彰化台灣2005