第四章 結果與討論
第二節 柱構件之偏心載重行為
本研究主要探討柱構件受到偏心載重作用下之力學行為，其試體規格及全 部試體之載重試驗結果如表4-2所示。工程上大多數柱構件皆承受此種載重形 式，故有必要檢驗實尺寸柱結構之力學行為及破壞機理。
壹 、 柱 構 件 之 破 壞 模 式
此部分研究設計及製作之常重混凝土及輕質混凝土柱試體，係用以偏心加 載方式進行試驗，觀察載重下之撓曲變形、開裂及破壞過程。兩種混凝土系列 柱試體的破壞過程大致近似，典型的破壞模式為，開始加載後由試體中央部位
先出現水平撓曲裂縫；之後混凝土裂縫逐漸向壓力面發展，此時已有明顯的橫 向裂縫產生。當載重增加至接近破壞階段時，發生之破壞型態為達到尖峰載重 時，瞬間從柱中央部位之壓力面產生沿鋼筋走向之垂直裂縫，此時載重快速下 降，裂縫明顯擴伸。之後，中央部位之保護層開始剝離，同時壓力鋼筋產生挫 曲，直到載重降至約尖峰載重之三成為止，其破壞型態如圖4-6所示。大部分 混凝土試體多屬於此種破壞模式，不論是常重混凝土或輕質混凝土柱試體，其 破壞過程都依循上述模式發展。
貳 、 柱 之 偏 心 載 重 強 度
表4-2為各式柱試體之偏心載重試驗結果，包括初裂時之載重與位移及極 限狀態之載重與位移。由表列結果可看出，承載強度方面，相同尺寸的輕質混 凝土柱，其極限載重與常重混凝土柱者大致相似，但初裂載重則不甚相同，可 能是因初裂載重是由目視判定，而且混凝土的不均質性，也影響到裂縫發生的 行為。
位移部分，極限載重時，四種混凝土柱之極限位移都有相同的趨勢，試體 尺寸越大者，極限位移越大。比較相同尺寸之柱構件時，則可發現常重混凝土 柱的極限位移有大於或接近輕質混凝土柱者之趨勢，表示輕質混凝土柱較具脆 性。至於初裂位移，相對於各式柱尺寸，也未發現任何規則性之趨勢。
從表4-2中另可發現，各系列柱的極限位移比 (Δu / H) 都是柱尺寸越大，
Δu / H 越小；而且各組輕質混凝土柱的Δu / H 大都小於常重混凝土柱者。這也 顯示輕質混凝柱的韌性小於常重混凝土柱。
參 、 柱 之 偏 心 載 重 試 驗 值 與 理 論 值 比 較
本研究將柱之偏心載重試驗值與依ACI 規範計算之理論值進行比較。所有 柱試體經依實際材料強度分析過後，確認皆為壓力控制，並據以進行計算及比 對。各試體最大載重值與ACI 標稱強度計算值，如表4-3所示；其與柱尺寸大
從圖4-7中可發現，各型低強度輕質混凝土之柱，其最大載重試驗值皆略 大於ACI 標稱強度計算值；圖4-8中亦顯示高強度輕質混凝土柱之最大載重，
也皆略大於 ACI 之標稱強度計算值。此結果顯示，ACI 規範之計算值較為保 守。又由圖4-9至圖4-10可看出，相同尺寸及強度條件之常重混凝土柱，也有 相同趨勢；即各組柱的試驗值都大於 ACI 之標稱強度計算值，顯示 ACI 計算 值較為保守。基於上述四種不同配比混凝土柱試驗結果可知，ACI 對偏心柱之 標稱強度計算值，應適用於輕質混凝土柱構件之設計。
肆 、 偏 心 載 重 柱 試 體 之 尺 寸 效 應 分 析
表 4-3列示各組柱試體承受偏心載重下之最大載重值 (Pu) 與 ACI 標稱強 度計算值 (Pcal)。由表上所列 Pu / Pcal比值可看出，所有柱之Pu / Pcal值皆大於 1.0，顯示規範值保守。其中，低強度輕質混凝土柱之 Pu / Pcal值隨柱之尺寸增 大而減小，分別為1.24、1.17 及 1.11；高強度輕質混凝土柱之 Pu / Pcal值由小 型柱至大型柱試體，分別為1.06、1.01 及 1.11，較為接近。常重混凝土柱之 Pu
/ Pcal值皆隨柱尺寸增大之趨勢，並不明顯；低強度普通混凝土柱之Pu / Pcal值 由小型柱至大型柱試體，分別為 1.29、1.27 及 1.24；高強度普通混凝土柱之 Pu / Pcal值由小型柱至大型柱試體，分別為1.01、1.06 及 1.09。顯示大致上，所 有試體皆合乎ACI 安全設計規範，但從 Pu / Pcal值檢視尺寸效應，不甚明顯。
另外，經過進一步比對後發現，在相同之柱尺寸及骨材混凝土條件下，混凝土 強度愈高時，Pu / Pcal值有降低之趨勢；此與無偏心軸壓柱相同。此研究結果顯 示，ACI 偏心柱之標稱強度計算值，較適用於低強度柱構件之設計，可較為保 守安全；強度愈高時，該標稱強度計算值將愈接近試驗值。
另外，參考文獻[35]韌性比的觀念，探討本研究之輕質混凝土柱與普通混凝 土柱受偏心載重之行為。韌性比之計算方式如圖2-16所示，以OCD 面積除以 OAB 面積之比值定義為韌性比 (µ)。其中，D0.75之取得係利用最大載重前之四 分之三最大載重值 (0.75Fmax) 與 O 點 (原點) 之連線繪製而得，D 點則取 D0.75
的三倍。韌性比愈高，代表柱試體愈軟；反之，則代表柱試體愈脆。
從圖 4-11 至圖4-14 柱構件載重與位移檢視其韌性，由表4-4 中顯示出，
對於高強度混凝土柱，其韌性µ 有隨著柱尺寸之增加而減小，隱含著尺寸效應 存在；表4-5中從中型及小型柱看，似有類似情形。另一方面，可由圖4-15中，
比較二種低強度柱試體力學行為之異同。在加載起始階段之斜率可看出，輕質 混凝土柱較常重混凝土柱者勁度小，故在相同荷載情形下，輕質混凝土柱的水 平位移較常重混凝土柱者大，因此也產生較大的二次彎矩，使其所受二次應力 也較常重混凝土柱者大，故造成其承載力降低。此情形在圖 4-16 之高強度常 重混凝土及輕質混凝土柱載重與位移圖中較不明顯；其中型柱試體亦有一樣的 情形，大型及小型柱雖呈現不同情形，但整體趨勢大抵上是一致的。
表 4-1 柱試體之軸壓載重試驗結果與強度分析
NCMN:軸壓試驗之常重低強度混凝土；NCHN:軸壓試驗之常重高強度混凝土。
2.試體編號 1、2 及 3 代表柱斷面為 24cm*24cm、36cm*36cm 及 48cm*48cm。
(資料來源：本研究整理)
表 4-2 柱之規格及偏心載重試驗結果
試體編號 LCME1 LCME2 LCME3 LCHE1 LCHE2 LCHE3 NCME1 NCME2 NCME3 NCHE1 NCHE2 NCHE3 斷面尺寸
B x B (mm) 240x240 360x360 480x480 240x240 360x360 480x480 240x240 360x360 480x480 240x240 360x360 480x480 柱高
H (mm) 1500 2250 3000 1500 2250 3000 1500 2250 3000 1500 2250 3000 鋼筋配置 4＃4 4＃6 4＃8 4＃4 4＃6 4＃8 4＃4 4＃6 4＃8 4＃4 4＃6 4＃8
表 4-3 偏心柱載重試驗結果與強度分析
表 4-4 高強度柱試體之韌性比
Pmax Dmax 0.75 Pmax D0.75 A0.75 3A0.75
試體編號
kN mm kN mm kN-mm kN-mm 韌性比 µ NCHE1 835 5.4 626 3.9 3165 7532 2.38 NCHE2 2052 7.1 1539 5.8 11319 23090 2.04 NCHE3 3669 9.3 2752 7.4 26394 53051 2.01 LCHE1 864 4.8 648 3.6 1979 4493 2.27 LCHE2 1939 7.1 1454 6.2 12170 26043 2.14 LCHE3 3720 6.6 2790 5.5 19532 38282 1.96
註: 1.LCHE:偏心載重試驗之輕質高強度混凝土；NCHE:偏心載重試驗之常重高強度混凝土。
2.試體編號 1、2 及 3 代表柱尺寸為 24cm*24cm、36cm*36cm 及 48cm*48cm。
(資料來源：本研究整理)
表 4-5 低強度柱試體之韌性比
Pmax Dmax 0.75 Pmax D0.75 A0.75 3A0.75
試體編號
kN mm kN mm kN-mm kN-mm 韌性比 µ NCME1 836 4.4 627 2.8 1247 2968 2.38 NCME2 1961 7.3 1471 5.0 9505 19960 2.10 NCME3 3332 9.3 2499 6.4 21121 46044 2.18 LCME1 795 5.4 596 3.9 2609 6106 2.34 LCME2 1783 9.3 1337 2.9 3833 8165 2.13 LCME3 2948 8.0 2211 6.0 15990 37417 2.34
註: 1.LCME:偏心載重試驗之輕質低強度混凝土；NCME:偏心載重試驗之常重低強度混凝土。
2.試體編號 1、2 及 3 代表柱尺寸為 24cm*24cm、36cm*36cm 及 48cm*48cm。
(資料來源：本研究整理)
(a) 高強度輕質混凝土劈裂及剪力破壞 (b) 高強度常重混凝土剪力破壞
圖 4-1 鋼筋混凝土柱無偏心軸壓之破壞模式
(資料來源：本研究整理)
LCMN
0 2000 4000 6000 8000
150 225 300
柱高(cm)
載重(kN)
試驗值 計算值
圖 4-2 低強度輕質混凝土軸壓柱強度
(資料來源：本研究整理)LCHN
0 2000 4000 6000 8000 10000
150 225 300
柱高(cm)
載重(kN)
試驗值 計算值
圖 4-3 高強度輕質混凝土軸壓柱強度
(資料來源：本研究整理)NCMN
150 225 300
柱高(cm)
150 225 300
柱高(cm)
(a) 低強度輕質混凝土柱先撓曲後撓壓破壞 (b) 低強度常重混凝土柱先撓曲後撓壓破壞
圖 4-6 低強度鋼筋混凝土柱之破壞模式
(資料來源：本研究整理)
LCME
0 1000 2000 3000 4000
150 225 300
柱高(cm)
載重(kN)
試驗值 計算值
圖 4-7 偏心輕質低強度混凝土試驗值與計算值之比較
(資料來源：本研究整理)LCHE
0 1000 2000 3000 4000
150 225 300
柱高(cm)
載重(kN)
試驗值 計算值
圖 4-8 偏心輕質高強度混凝土試驗值與計算值之比較
(資料來源：本研究整理)NCME
0 1000 2000 3000 4000
150 225 300
柱高(cm)
載重(kN)
試驗值 計算值
圖 4-9 偏心常重低強度混凝土試驗值與計算值之比較
(資料來源：本研究整理)NCHE
0 1000 2000 3000 4000
150 225 300
柱高(cm)
載重(kN)
試驗值 計算值
圖 4-10 偏心常重高強度混凝土試驗值與計算值之比較
(資料來源：本研究整理)0 10 20 30 40 50 Horizontal Displacement (mm)
0 1000 2000 3000 4000
Force (kN)
NCHE1 NCHE3
NCHE2
圖 4-11 高強度常重混凝土柱偏心荷重與水平位移圖
(資料來源：本研究整理)0 10 20 30 40 50
Horizontal Displacement (mm) 0
1000 2000 3000 4000
Force (kN)
LCHE3
LCHE2 LCHE1
圖 4-12 高強度輕質混凝土柱偏心荷重與水平位移圖
(資料來源：本研究整理)0 10 20 30 40 50 Horizontal Displacement (mm)
0 1000 2000 3000 4000
Force (kN)
NCME1 NCME2
NCME3
圖 4-13 低強度常重混凝土柱偏心荷重與水平位移圖
(資料來源：本研究整理)0 10 20 30 40 50
Horizontal Displacement (mm) 0
1000 2000 3000 4000
Force (kN)
LCME3
LCME1 LCME2
圖 4-14 低強度輕質混凝土柱偏心荷重與水平位移圖
0 10 20 30 40 50 Horizontal Displacement (mm)
0 1000 2000 3000 4000
Force (kN)
LCME3
Horizontal Displacement (mm) 0
1000 2000 3000 4000
Force (kN)
LCHE3