第二章 文獻回顧
第五節 填充型鋼骨混凝土柱於高溫下行為
文獻資料顯示，高溫作用易導致高強度混凝發生剝落或爆裂等現象。鑑 此，有不少研究探討高溫對高強度混凝土爆裂行為之影響。現今有許多計算 CFTC 耐火時效的方法與規範（Chinese Code DBJ13-51；National Building Code of Canada；ASCE/SFPE 29-99；ACI 216；AISC Steel Design Guide 19；EN 1994-1-2），係參酌這一領域主要研究群體的數值模擬與實驗結果。有關填充 型鋼骨混凝土柱於高溫下行為之文獻，包括填充型鋼管及箱型混凝土柱，謹列 述如下。
Lie 等【21】）研究混凝土填充鋼管柱之耐火時效，認為影響其火害行為的 重要因子為：
鋼管柱之外徑或填充型鋼柱之外側寬度 鋼柱之軸向載重
鋼柱之有效長度 混凝土強度 骨材種類
鋼筋種類及鋼筋比
此外，根據鋼柱耐火時效之試驗結果與上述因子的關係，Lie 等【21】提 出鋼柱耐火時效之簡易計算式：
（3.a）
式中，R=耐火時效（min.）；fc=混凝土 28 天齡期之強度（MPa）；K=鋼柱 之有效長度因子；L=鋼柱之未支撐長度（mm）；D=鋼管柱之外徑或填充型鋼 柱之外側寬度（mm）；C=鋼柱之軸向載重（kN）；f1=常數（與骨材種類及鋼 柱斷面有關）。
Kodur【22】為瞭解鋼管柱灌入不同性質混凝土對耐火時效的影響，以純 混凝土、鋼筋混凝土、含鋼纖維高強度混凝土 3 種不同混凝土分別灌製填充型
鋼骨混凝土柱，再進行耐火試驗。經實驗發現，鋼管柱內灌純混凝土的耐火時 效最短，而含鋼纖維混凝土鋼管柱的耐火時效為最長者。因此，他建議以含鋼 纖維混凝土鋼管柱用於防火安全的建築結構上。
Park 等【23】以實驗、數值分析及參數研究，探討方形鋼管混凝土柱火害 行為，以及提出防火時效計算公式如下：
（3.b）
式中，R=防火時效(min)；Dc=填充混凝土之寬度(mm)；N=施加載重(kN)，
fck=28 天混凝土抗壓強度(MPa)；Ac=填充混凝土之斷面積(mm2)。
Han 等【24，25】以 11 支矩形鋼管混凝土柱試體，依據不同之斷面尺寸、
防火被覆厚度、偏心位置、加載強度等參數在軸壓下進行耐火試驗，並建立數 值模型做比對。渠等之試驗結果顯示，較厚之防火被覆以及較小加載力能延長 耐火時效，且使用矩形鋼管混凝土柱較鋼柱減少約 25%~70%的防火被覆厚 度，並保守推導相關公式，且成為中國高樓建築規範之參考。同年，亦依照相 同方法將 13 支圓形鋼管混凝土柱試體進行耐火試驗。其試驗結果顯示，使用 圓形鋼管混凝土柱較鋼柱可減少 50%的防火被覆厚度，同時也依據實驗與分析 結果發展相關公式。Han 等又於 2003 年，依照 ISO 834 耐火試驗規範，分別 製作 6 支方形及圓形鋼管混凝土柱試體，以進行一系列受軸心及偏心載重試 驗，並建構模型進行分析。其結果顯示，除增加試體的韌性行為外，並發現材 料強度、延燒時間、鋼骨比、偏心位置與試體之寬度或半徑之比、斷面尺寸等 參數對試體的殘餘強度有一定程度的影響；此外，亦依據實驗結果合理推導相 關公式如下。
非強制冷卻狀況下之計算方式，如下所示：
fsy (T) = fsy for T≦400℃ （4.a）
fsy (T) = fsy [1+2.33×10-4 (T-20)–5.88×10-7(T-20)2] for 400℃＜T （4.b）
式中：
fsy：常溫 20℃時的鋼材降伏抗拉強度 (kgf/cm2)
fsy (T)：火害溫度 T℃時的鋼材降伏抗拉伏強度 (kgf/cm2)
Han 等【26】以實驗和理論推導公式計算比較方型、圓型鋼管內灌自充填 混凝土受軸向載重之變形破壞行為。主要依據 ACI、AISC-LRFD、AIJ、BS5400 和 EC4 等 5 種規範，以計算其預測值，並與實驗結果相互比較。渠等之試驗
Chung 等【28】以四種不同材料參數之分析與實驗結果作比對，以探討方 形鋼管混凝土柱受火害之行為。實驗試體斷面分別為 300×300 mm 與 350×350 mm，鋼管厚度為 9mm，柱高 3500 mm；混凝土 28 天抗壓強度分別為 27.5 與 37.8 MPa；承重試體所施加載重之載重比為 0.34~0.47。實驗結果顯示，分析 結果與實驗結果接近；試體受熱乃先產生膨脹變形，再轉為壓縮變形；鋼材因 開裂；以有限元素分析軟體-ABAQUS 可以合理模擬實驗行為，且模擬一般與 高強度混凝土之分析模型亦可用於模擬高強度自充填混凝土分析模型。
Espinos 等【30】以有限元素分析軟體，模擬圓形鋼管混凝土柱之行為；
分析模型考慮材料介面接觸、混凝土溼度及試體初始不平整等影響因素。分析 結果顯示，承重試體於加溫期間之軸向變形可分為四個階段：(1)試體鋼管受 火使鋼材溫度迅速增加，而填充混凝土之溫度較鋼材低，故加載端板與混凝土
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 Corporation.（1992）），而 2/3Fy為鋼在永久載重下之最大容許應力。因此，在 強度需求的考量下，乃設定 350℃為鋼構規定的容忍限度。然而，在一般火災 現場中，通常只需 1 小時之延燒，火場的溫度即可達到 900℃，故需藉助防火 被覆之保護方能使鋼構件的溫度在防火時效內不超過 350℃，此即為日本建築
內政部建築研究所之相關研究成果，包括陳建忠等人【33】、李鎮宏和蔡 銘儒【34】與李鎮宏【35】等研究顯示，以 ABAQUS 有限元素分析火害鋼結 構是可行的；或先以 FDS 進行溫度場分析，再將溫度結果輸入至 ABAQUS 依 序進行熱傳、結構應力與耦合分析，其分析結果與實驗結果接近。