合成柱構件設計規範

壹、鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說

根據我國「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」設計填充型箱型鋼管混凝 土柱，其試體斷面鋼骨比須大於全斷面積之 2%，且斷面最小尺寸不得小於 30 cm，及其與斷面另ㄧ垂直方向尺寸之比值不得小於 0.4；對於鋼骨斷面之寬厚比 (b/t)規定，耐震設計與結實斷面之肢材寬厚比之上限分別為λ_pd = 3E / F_{s ys} 及

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λ = ；對於箱型銲接組成鋼管柱之相鄰鋼板間之銲接須沿柱之全長採全滲透 銲接。在計算鋼管混凝土柱之設計受壓強度乃採「強度疊加法」，如公式(2-1)所 示。

c nP cs nsP crc nrcP

φ = φ + φ (2-1)

其中φcs 為鋼骨部分強度折減係數(0.85)，Pns為鋼骨部份標稱受壓強度，φcrc

為鋼筋混凝土部份之強度折減係數(填充型鋼管混凝土柱為 0.75)，Pnrc 為鋼筋混 凝土部份標稱受壓強度。

貳、American institute of steel construction (AISC)

依照 AISC(2010)規範規定，合成構件斷面標稱強度可依塑性應力分佈法或 應變協合法計算，且忽略混凝土張力強度之影響。合成構件之材料規定與限制，

如：一般混凝土抗壓強度須介於21 MPa 至 70 MPa，而鋼骨與鋼筋之降伏強度小 於525 MPa。對於填充型合成構件規定，斷面鋼骨與全斷面積之比值須大於 1%；

考慮局部挫屈之影響，斷面肢材寬厚比(b/t)最大上限為5.0 E / F 且須符合_y

p y

λ =2.26 E / F 或λ_r =3.0 E / F_y 。對於雙軸對稱填充型合成構件之設計受壓強 度(LRFD)及容許受壓強度(ASD)分別為φP 和P / Ω ；其中φ 為受壓構件折減係

其中

1. 結實斷面(compact sections)

n 0 p

P = P (2-6)

2. 非結實斷面(noncompact sections)

p y 2

3. 細長斷面(slender sections)

' s

通混凝土強度介於C20/25 至 C50/60 等級之間。以簡易模式計算受壓合成柱構件 之規定與限制須符合，如：鋼骨貢獻比(δ)介於 0.2 至 0.9 之間，δ (A f ) / N= _{a yd pl,Rd}； 斷面寬厚比上限值(b / t)_max =52 235 / f_y ；構件斷面尺寸限制為0.2≤ 斷面寬深比 (b/h) 5.0≤ ；細長比(λ)⁻ 小於等於2，λ⁻ = N_pl,Rk / N_cr ；其中Aa為鋼骨斷面積，fyd

為鋼骨降伏強度之設計值，fy為鋼骨降伏強度之標稱值，Npl,Rd及Npl,Rk為受壓合 成斷面之塑性抵抗強度，Ncr 為彈性臨界強度。對於受軸壓合成柱構件之設計強 度須符合公式(2-12)及(2-13)。

Ed pl,Rd

N 1.0

χN ≤ (2-12)

其中

NEd為設計受壓強度

χ 為考慮挫屈影響之折減係數，依照 EN 1993-1-1 規定計算

pl,Rd a yd c cd s sd

N =A f +A f +A f (2-13)

Ac為混凝土斷面積；fcd為混凝土圓柱抗壓強度之設計值 As為鋼筋斷面積；fsd為鋼筋降伏強度之設計值

另外，根據Eurocode 4(EN 1994-1-2)受壓合成柱構件於火場下之計算方法與 Eurocode 4(EN 1994-1-1)雷同，其受壓合成構件於火場之塑性抵抗強度之計算，

如公式(2-14)所示。

fi,pl,Rd a ,θ ay,θ M,fi,a s,θ sy,θ M,fi,s c,θ c,θ M,fi,c

j k m

N =

∑

∑

∑

知，柱試體斷面形狀多以圓形、方形和矩形為主，斷面尺寸介於100 mm 至 500 mm 之間；試體高度約為400 mm 至 5200 mm 之間；以實驗及分析方法探討斷面溫 度分佈、試體軸向變形行為、破壞模式、有效耐火時效及材料受溫度之影響或不 同材料間之介面影響等，如下述之學者研究成果。

Chung 等人(2008)以數值分析研究火害方形鋼管混凝土柱受軸向載重之行 為，並與實驗結果相互比對。對於數值分析乃先以二維熱傳數值分析，計算試體 斷面溫度，並採四種鋼與混凝土之材料模型進行模擬；再以非線性應力分析計算 試體軸向變形行為。由結果顯示，數值分析能合理模擬實驗結果；承重試體受熱 先膨脹變形後壓縮變形；鋼材因高溫強度迅速降低，使混凝土支撐能力成為影響 試體耐火時效之關鍵。

Ding 和 Wang (2008)為利用有限元素分析軟體 Anysis 模擬受軸向和偏心載重 鋼管混凝土柱於火害下之熱反應、軸向變形和側向變形行為。分析模擬有考慮鋼 和混凝土材料介面間之接觸影響，並與實驗結果比對，顯示兩材料間有滑移而非 完全握裹；建議鋼和混凝土介面間受熱對流影響，其為200 W/m² K，使分析混 凝土溫度結果與實驗溫度更接近。

Espinos 等人(2010)以有限元素分析軟體-ABAQUS 建立 3-D 模型，模擬火害 圓形鋼管混凝土柱之行為。分析結果與實驗比對，再進行參數研究，如材料間介 面接觸和熱對流因素、材料性質、混凝土濕度和試體初始不平整等影響；最後，

根據Eurocode 4 簡易計算模式，計算試體有效耐火能力。對於混凝土之模擬，由 於鈣酸質混凝土內部溼度較矽酸質混凝土更不易損失，因此模擬鈣酸質混凝土將 採用Eurocode 4 規定 10%溼度之建議，而模擬矽酸質混凝土將以 Eurocode 4 規 定 3%溼度之規定。由承重試體於火害下之軸向變形-時間關係與載重比-時間關 係得知，試體於加溫歷時期間可分成四個階段：(1) 鋼管受火表面溫度迅速增 加，而內灌混凝土之溫度較鋼材低，因此加載端板與混凝土間產生間隙，且鋼材 與混凝土接觸介面產生滑移現象，使軸向載重逐漸轉移至鋼管；(2) 鋼材到達臨 界溫度550°C，柱試體由原本膨脹位移轉變為壓縮位移，使加載端板與混凝土再

析能合理預測實驗結果，但使用Eurocode 4 簡易計算火害受偏心載重之結果非常 保守；若試體受軸向載重且兩端支承皆為鉸接以及細長比超過 0.4，則計算結果 較實際上不安全。

Han 等人(2003)以實驗研究有無防火被覆之方形和矩形鋼管混凝土柱受軸向 或偏心載重下之火害行為，並建立試體火害後殘餘強度計算公式。由研究結果得 知，影響柱構件耐火能力與判定之參數包括：鋼材極限溫度、斷面尺寸、加載型 式和防火被覆厚度；當試體之鋼材溫度達500°C~786°C，其已無載重支撐能力；

試體斷面尺寸越大，則構件抵抗火害能力較好；試體受偏心載重之耐火能力較受 純軸向載重來得低；較厚的防火被覆，能增加耐火時效。

Kodur (1998)以實驗研究不同混凝土影響鋼管混凝土柱之耐火性能與耐火時 效，其混凝土分別為普通強度混凝土、高強度混凝土和含鋼纖維高強度混凝土。

實驗結果顯示，承重試體於加溫初期，鋼材溫度相較混凝土高，因此鋼管承受大 部分載重；當鋼材因高溫而強度損失，則載重轉由混凝土承受；而混凝土低熱傳 導性和高熱容量特性將延續鋼管混凝土柱構件耐火能力。灌入不同型式之混凝土 會影響柱構件之耐火能力，其由高至低依序為灌入含鋼纖維高強度混凝土、灌入 普通強度混凝土、灌入高強度混凝土；在相同溫度下，高強度混凝土相對普通強 度混凝土更容易產生開裂破壞，但加入鋼纖維將有助高強度混凝土之耐火能力。

Kodur (2007)為回顧和彙整相關文獻，提出混凝土灌入圓形和方形鋼柱之耐 火設計建議，並比較空心型鋼柱於空心處設置三種不同型式混凝土之耐火性能，

如灌入純混凝土(Plain concrete, PC)、設置鋼筋混凝土(Bar-rinforced concrete, RC) 和灌入含鋼纖維混凝土(Steel fiber-reinforced concrete, FC)。由實驗和分析結果得 知，灌入純混凝土和含鋼纖維混凝土，試體破壞原因為混凝土開裂，而設置鋼筋 混凝土試體破壞原因為鋼筋降伏；合成柱試體耐火時效由高至低依序為設置鋼筋

Lu 等人(2009)以實驗方法和有限元素軟體分析，進行火害方形鋼管灌入高強 度自充填混凝土柱構件之研究。藉由實驗過程瞭解試體於高溫火害中，失去載重 支 撐 能 力 之 原 因 為 外 圍 鋼 管 局 部 挫 屈 以 及 內 灌 混 凝 土 碎 裂 或 開 裂 ； 利 用 ABAQUS 軟體模擬實際實驗情況，其分析模型有考慮混凝土因高溫產生碎裂情 形及鋼和混凝土介面接觸影響。由研究結果得知，以有限元素分析軟體-ABAQUS 可以合理模擬實驗行為，且模擬一般和高強度混凝土之分析模型，也可用於模擬 高強度自充填混凝土分析模型。

Park 等人(2007)以實驗和數值分析研究方形鋼管混凝土柱於火害環境下之 行為，並比較相關文獻或規範之耐火時效計算公式。依照Kim 等人(2005)之實驗 結果，與作者數值分析計算結果比對；而數值分析計算依序進行有限差分熱分析 和非限性熱應力分析。研究結果得知，數值分析可以合理計算試體斷面溫度和變 形能力；較大的斷面與低載重比，有助於增加方形鋼管混凝土柱之耐火時效。

陳誠直等人(2010)藉由大尺寸試體，以實驗方法和有限元素分析模擬，研究 有無防火被覆之承重銲接組合箱型鋼內灌自充填混凝土柱於火害下之行為；探討 有無防火被覆之影響、比較試體斷面溫度分佈、試體強度與勁度之變化、變形行 為(變形與變形速率)與破壞模式等，並建立合理之分析模型。由研究結果顯示，

具防火被覆試體皆能達到預期之防火時效，而火害後之試體軸向勁度稍為增大且 呈線彈性行為；未具防火被覆試體於火害期間持續有混凝土爆裂的聲音，惟因箱 型鋼板提供圍束導致試體未立即破壞，直到鋼板局部的鼓起與內部混凝土的碎 裂。

陳誠直等人(2011)以實驗方法和有限元素分析模擬，研究鋼骨鋼筋混凝土柱 於火害下之斷面溫度分佈、材料強度折減關係及防火時效。研究結果顯示，試體 混凝土保護層爆裂會影響構件防火時效；受火面會影響試體斷面溫度分佈情形，

且試體於非四面受火下，因不均勻之溫度分佈使試體膨脹產生撓曲的現象；分析 模型可合理預測試體斷面溫度。

黃政勳(2012)與林家毅(2012)，研究圓形和方形包覆十字型鋼骨鋼筋混凝土

使試體內部溫度較方形柱高；火害後合成柱構件仍保持至少69%殘餘強度。包覆 型合成柱構件因外圍混凝土包覆，使構件能延緩火害高溫影響及具有優良的防火 能力。

另外，對於箱型鋼柱之柱板銲接型式影響試體於火害高溫下之行為，可由楊 國珍等(2011)研究成果得知。其主要探討箱型鋼柱之柱板分別以全滲透與部分滲 透銲接組合，並藉由軸壓及不同溫度探討銲接型式對試體行為及破壞模式之影

另外，對於箱型鋼柱之柱板銲接型式影響試體於火害高溫下之行為，可由楊 國珍等(2011)研究成果得知。其主要探討箱型鋼柱之柱板分別以全滲透與部分滲 透銲接組合，並藉由軸壓及不同溫度探討銲接型式對試體行為及破壞模式之影