實驗結果

本章將敘述本研究兩支試體之實驗情況及實驗結束後之結果，並詳述高強度 內灌混凝土箱型鋼柱於高溫下之受壓行為。

壹、 試體 HCB4T6

試體 HCB4T6 為 400 mm 斷面，目標溫度為 600 °C。實驗開始時環境溫度約 為 33 °C，試體之鋼骨平均溫度約為 30.9 °C；混凝土之平均溫度約為 31.5 °C。

實驗開始初期，爐溫迅速升高，於點火後 10 分鐘爐溫已達約 510 °C，爾後爐溫 緩慢提升至 710 °C。試體鋼骨之溫度隨爐溫提高而穩定且快速上升，試體之軸向 長度亦持續增加。試體鋼骨之平均溫度於實驗開始 60 分鐘時達到約 500 °C，隨 後試體升溫速度開始趨緩並緩慢提升至目標溫度。其間，於點火後 27 分鐘及 74 分鐘時均有聽到混凝土爆裂聲響，此時距鋼骨內側表面 20 mm 及 95 mm 之混凝 土皆分別達到約 100 °C，推測為內部混凝土受高溫使得水分自試體內部蒸發而產 生之混凝土爆裂行為。試體各斷面鋼骨之測點溫度如圖 4-1 所示；各斷面混凝土 之測點溫度如圖 4-2 所示，其中訊號異常之測點將不納入計算及討論。於實驗開 始約 129 分 20 秒後試體鋼骨之平均溫度為 618.9 °C 即開始加載，試體因熱膨脹 達最大軸向伸長量 27.4 mm。開始進行軸向加載後，由原先持壓之 10 tf 加至 300 tf 後持壓 60 秒，此時試體之軸向壓縮量為 9.1 mm，上下端板皆無轉角；再加載 至 900 tf 後持壓 60 秒，此時試體軸向壓縮量為 13.7 mm，上端板轉角為 0.2 度，

而下端板亦無轉角。試體於開始加載 20 分 41 秒後達最大抗壓強度 1127 tf，此時 加溫爐內之平均溫度為 710.5 °C，試體鋼骨之平均溫度為 622.8 °C；距鋼骨內側 20 mm、95 mm 及中心之混凝土平均溫度分別為 328.9 °C、151.7°C 及 131.5 °C。

加載期間軸向壓縮量共為 66.8 mm，而上端板轉角為 3.18 度，下端板轉角為 0.1 度，側向位移為 68.13 mm，之後載重持續下降。

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(a) 斷面 A (b) 斷面 B

(c) 斷面 C (d) 斷面 D

圖 4-1 試體 HCB4T6 斷面鋼骨測點溫度與爐內溫度-時間關係圖

(資料來源：本研究整理)

斷面 A

斷面 D 斷面 B

斷面 C

第四章 實驗結果與討論

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(a) 斷面 A (b) 斷面 B

(c) 斷面 C (d) 斷面 D

圖 4-2 試體 HCB4T6 斷面混凝土測點溫度與爐內溫度-時間關係圖

(資料來源：本研究整理)

斷面 A

斷面 D 斷面 B

斷面 C

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試體軸力與軸向位移關係如圖 4-3 所示，其中定義壓縮為正、伸長為負。實 驗開始後，試體因受熱膨脹而不斷伸長，最大伸長量達 27.4 mm，隨後開始加載，

可以發現試體於加載初期載重快速增加而壓縮速率較慢。加載進行約 14 分鐘後 便開始發生混凝土爆裂聲響直到實驗結束，研判應為鋼骨與混凝土開始共同承擔 載重，導致內部混凝土產生局部碎裂。加載後期隨著載重增加，其壓縮速率亦迅 速增加直至試體達到最大載重。試體軸力與上下端板轉角關係如圖 4-4 所示，試 體軸力與側向位移關係如圖 4-5 所示，可以發現兩者變化趨勢相近，且接近破壞 時上端板轉角及側向位移量才大幅增加。

圖 4-3 試體 HCB4T6 軸向位移與軸力關係圖

(資料來源：本研究整理)

第四章 實驗結果與討論

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圖 4-4 試體 HCB4T6 端板轉角與軸力關係圖

(資料來源：本研究整理)

圖 4-5 試體 HCB4T6 側向位移與軸力關係圖

(資料來源：本研究整理)

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待加溫爐及試體冷卻後，進入加溫爐內觀察試體於火害下受壓後之行為，如 圖 4-6 至 4-8 所示。可以觀察到試體之破壞模式為整體挫屈伴隨鄰近上端板一處 產生局部挫屈，於局部挫屈產生處之排氣孔嚴重變形，且排氣孔內有混凝土碎 屑。觀察試體箱型鋼柱鋼板之銲道、試體與端板連接處及加勁板之銲道、端板鎖 固之螺栓等皆無破壞。

圖 4-6 試體 HCB4T6 實驗後整體外觀

(資料來源：本研究整理)

第四章 實驗結果與討論

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圖 4-7 試體 HCB4T6 實驗後局部外觀

(資料來源：本研究整理)

圖 4-8 試體 HCB4T6 實驗後排氣孔變形

(資料來源：本研究整理)

貳、 試體 HCB5T7

試體 HCB5T7 為 500 mm 斷面，目標溫度為 700 °C。實驗開始時環境溫度約 為 32 °C，試體之鋼骨平均溫度約為 31.5 °C；混凝土之平均溫度約為 32.1 °C。

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實驗初期，爐內溫度快速提升，實驗開始 5 分鐘後爐溫已提升至 450 °C，隨後爐 溫提升速率漸緩，於 60 分鐘時爐溫已達約 790 °C 並開始持溫。試體鋼骨之溫度 隨爐溫而穩定提高，試體之軸向伸長量亦隨之增加。試體鋼骨之平均溫度達到約 600 °C 後試體升溫速率開始趨緩並逐漸提升至預定溫度。在此期間，於點火後 44 分鐘及 52 分鐘時試體內部有發出混凝土爆裂聲響，研判為內部混凝土受高溫 影響而產生之混凝土爆裂行為。實驗中試體各斷面鋼骨測點之溫度變化如圖 4-9 所示；而試體內部混凝土之溫度測點於實驗開始約 20 分鐘後訊號皆出現異常，

故在此不作討論。於實驗開始約 131 分 50 秒後鋼骨之平均溫度為 709.4 °C 即開 始加載，。試體因熱膨脹而達最大軸向伸長量 35.4 mm。開始軸向加載後，先從 持壓之 10 tf 加載至 300 tf 後持壓 60 秒，此時試體之軸向壓縮量為 12.9 mm，上 端板轉角為 0.32 度，而下端板無明顯轉角。試體於開始加載 16 分 15 秒後達最 大抗壓強度 902.8 tf，此時加溫爐內之平均溫度為 771.7 °C，試體鋼骨之平均溫 度為 711.3 °C。加載期間軸向壓縮量共為 71.5 mm，而上端板轉角為 1.32 度，下 端板仍無明顯轉角，側向位移為 52.68 mm。

第四章 實驗結果與討論

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(a) 斷面 A (b) 斷面 B

(c) 斷面 C (d) 斷面 D

圖 4-9 試體 HCB5T7 斷面鋼骨測點溫度與爐內溫度-時間關係圖

(資料來源：本研究整理)

斷面 A

斷面 D 斷面 B

斷面 C

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試體軸力與軸向位移關係如圖 4-10 所示。試體於加載初期載重增加迅速而 軸向位移緩慢增加。加載進行約 9 分鐘後便開始發生混凝土爆裂聲響直到實驗結 束，推測為鋼骨與混凝土開始共同承壓，以致內部混凝土發生局部碎裂，但試體 仍可繼續承載。隨著載重接近最大抗壓強度，其軸向位移亦快速增加直至試體破 壞。試體軸力與上下端板轉角關係如圖 4-11 所示，試體軸力與側向位移關係如 圖 4-12 所示。可以發現兩者變化類似，於 300 tf 持壓時有產生些微上端板轉角 及側向位移，且接近破壞時上端板轉角及側向位移才大幅增加，推測應為試體發 生局部挫屈所致。

圖 4-10 試體 HCB5T7 軸向位移與軸力關係圖

(資料來源：本研究整理)

第四章 實驗結果與討論

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圖 4-11 試體 HCB5T7 端板轉角與軸力關係圖

(資料來源：本研究整理)

圖 4-12 試體 HCB5T7 側向位移與軸力關係圖

(資料來源：本研究整理)

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待加溫爐及試體冷卻後，進入加溫爐內觀察試體於火害下受壓後之行為，如 圖 4-13 至 4-15 所示。可以觀察到試體之破壞模式為多處局部挫屈及輕微整體挫 屈，因有內灌混凝土，鋼板皆為向外凸出。於局部挫屈處之排氣孔產生變形，且 其中有混凝土碎屑。試體箱型鋼柱鋼板之銲道、試體與端板連接處及加勁板之銲 道、端板鎖固之螺栓等皆無發生破壞。

圖 4-13 試體 HCB5T7 實驗後整體外觀

(資料來源：本研究整理)

第四章 實驗結果與討論

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圖 4-14 試體 HCB5T7 實驗後局部外觀

(資料來源：本研究整理)

圖 4-15 試體 HCB5T7 實驗後排氣孔變形

(資料來源：本研究整理)

實驗結果整理如表 4-1 所示。

表 4-1 實驗結果總表

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試體編號 HCB4T6 HCB5T7

試體目標溫度 (^oC) 600 700

抗壓強度 (tf) 1127 902

破壞模式 整體挫屈 局部挫屈

開始加載時

鋼骨平均溫度 (^oC) 618.9 709.4 試體達最大載重時

鋼骨平均溫度 (^oC) 622.8 711.3 試體達最大載重時

外圍混凝土之平均溫度 (^oC) 328.9 ＊ 試體達最大載重時

第二層混凝土之平均溫度 (^oC)

151.7 ＊

試體達最大載重時

中心混凝土之平均溫度 (^oC) 131.5 ＊ 試體達最大載重時

壓縮量 (mm) 66.8 71.5

註：

＊溫度測點訊號異常 (資料來源：本研究整理)

第四章 實驗結果與討論

試體 HCB5T7 之斷面尺寸雖大於試體 HCB4T6，但因試體 HCB5T7 提升至 較高溫度，其抗壓強度仍小於試體 HCB4T6。且兩支試體之破壞模式不同，試體 HCB4T6 之破壞模式主要為整體挫屈伴隨一處局部挫屈。試體 HCB5T7 之破壞模 式主要為多處局部挫屈，因試體內灌混凝土，故發生局部挫屈處之鋼板皆向外凸

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參、 破壞模式

試體 HCB4T6 之破壞模式主要為整體挫屈伴隨一處局部挫屈。試體 HCB5T7 之破壞模式主要為多處局部挫屈及輕微整體挫屈。雖兩支試體皆符合規範塑性設 計斷面_pd之規定，但兩支試體於高溫下皆有發生局部挫屈，且寬厚比較大之試 體 HCB5T7 局部挫屈發生之情形更為嚴重。以 Kwon(2013)之研究結果可以得知 於 600 ^oC 及 700 ^oC 時，高強度鋼板之強度僅剩下常溫時之 49%及 18%。相較於 常溫，高溫下之鋼板強度衰減許多，導致符合塑性設計斷面之試體於高溫下仍會 發生局部挫屈。試體 HCB4T6 之細長比較試體 HCB5T7 高，因此試體 HCB4T6 之破壞模式主要為整體挫屈，且上端板轉角及側向位移皆較試體 HCB5T7 大，

可以得知細長柱發生整體挫屈之情形較為嚴重。