火害鋼筋混凝土結構補強研究

國內陳舜田等人【12】探討鋼筋混凝土柱受火害後，將受火害較 嚴重部份之混凝土敲除，補以添加膨脹劑之混凝土，則原柱體是否可 恢復大部份強度及勁度以繼續使用。試驗結果顯示經火害受損之柱試 體（三種斷面尺寸20㎝、30㎝、40㎝，長度180㎝）補強後之柱構件強 度及勁度大致尚能恢復未受火害前之情形。趙文成等人【13】探討鋼 筋混凝土柱受火害後，藉以碳纖維與玻璃纖維貼布纏繞方式，外層塗 以環氧樹脂固定進行補強，試驗結果得知，補強後之試體皆能恢復未

受火害前之強度。黃獻政【14】探討鋼筋混凝土樓版火害後應用碳纖 維複合材料補強效果，其研究成果顯示，補強過之樓版在強度和勁度 均高於未補強之樓版，在低補強量（50﹪以下）時貼片強度可完全發 揮，高補強量（70﹪以上）時因貼片脫離或支承破壞而使貼片無法發 揮其強度。陳志弘【15】研究防火版材應用於一般碳纖維補強梁之強 度影響，藉以分析防火版材之防火能力，進而探討版材披覆之施工法，

做為日後防火版材施工參考依據。林慶元【16】探討鋼筋混凝土結構 梁鋼板貼片補強火害後耐火性能，由試驗結果知撓曲側貼覆鋼板對梁 之撓曲強度提升十分明顯，可由此法，改善梁之撓曲強度不足現象。

鋼板僅貼覆範圍位於撓取最外緣，於本研究中發現試體可能沿拉力鋼 筋與混凝土界面產生混凝土劈裂破壞，故建議鋼板除梁底面貼布外亦 應延伸到梁腹。超音波法對受高溫侵襲的鋼板貼片補強混凝土作檢 測，具有簡便的特性，但受限於主客觀現場環境條件，若能於火災現 場直接取樣分析，了解黏結層受損程度，亦可推估殘存的補強效用，

材料檢驗的結果，可進一步與超音波法所求得之結果作比較。林宗毅

【17】曾研究火害受損之鋼筋混凝土梁試體，對於不同再養護方式與 不同養護齡期之下，以及進行碳纖維強化複合材料貼片補強的承載行 為分析。製作60根鋼筋混凝土梁試體，尺寸為15公分×22公分×120公 分。考慮常溫（25℃）及火害溫度（600℃），火害延時為120分鐘，

養護方式分為「室內靜置養護」與「灑水養護」，養護齡期有30天、

90天、180天、270天，補強則分為無補強、單層U型撓曲補強。實驗結 果發現強度較小之鋼筋混凝土梁補強後提升強度效率較大，灑水養護3 個月後補強為較有效率且強度已超過原始補強強度，養護齡期6至9個 月齡期較長，因此強度變化較不大。

國外Kodur 等人【41-45】進行具有防火被覆之 FRP 補強鋼筋混凝 土T 形梁及矩形梁的耐火性能試驗，探討碳纖維及玻璃纖維複合材料、

不同防火被覆材料、梁的束制條件等參數對其防火時效影響，並進行 火害後殘餘強度試驗，及提出數值模擬程式評估FRP 補強材料受高溫 時黏結性降低的影響。Haddad 等人【46,47】探討受火害鋼筋混凝土單 向板及T 形梁，將受火害較嚴重部份之混凝土敲除，補以 FRP，試驗 結果顯示經火害受損試體補強後大致尚能恢復未受火害前之情形。

Yaqub 等人【48,49】則探討受火害鋼筋混凝土方形（20cm×20cm）及 圓形（直徑20cm）柱，將受火害較嚴重部份之混凝土敲除，以不同 FRP 材料進行補強，補強後柱試體多可恢復大部份強度及勁度。

第六節 前期研究成果

一、97年「鋼筋混凝土梁柱接頭火害後之行為初探」【1】：

(一)、未受火害及火害後極限承載試驗結果發現：（1）普通混 凝土試體，火害及未受火害之開裂載重差異不大，受火害 之降伏載重較低，即NC1＞NC2＞NC3，柱體為三面受熱或 四面受熱，兩者梁的載重－位移圖差異不明顯。（2）自充 填混凝土試體，火害及未受火害之開裂載重差異不大，受 火害之降伏載重較低，即SCC1＞SCC3＞SCC5。SCC5為柱 體四面受熱，由於加熱時發生全面性爆裂，保護層混凝土 幾乎脫落，其降伏載重及極限載重較低。梁的勁度比較，

受火害試體變差，即SCC1＞SCC3＞SCC5。（3）火害對梁 的負彎矩影響不大。

(二)、由火害試驗前所量測得試體相對濕度知，混凝土的含水量 對火害有相當程度的影響，由於含水量的存在會使混凝土

在高溫高壓下，產生爆裂現象，造成混凝土斷面減少及增 加鋼筋暴露於高溫下之危險，因而降低柱、梁及梁柱接頭 的抗火能力及火害後殘餘能力。

(三)、當柱承受彎矩，由於火害時保護層爆裂後，鋼筋直接曝露 在高溫下，使其抗拉強度降低，易使柱的耐火能力急速降 低，承受軸力及彎矩之柱必須注意。

(四)、加熱、冷卻期間試體內各測點的最高溫度非發生在加熱結 束時，反而在冷卻過程中延緩出現，主要係因試體表面溫 度在加熱結束時開始下降，但仍高於近中心處溫度，部份 熱量仍會往內部傳送，致使內部溫度繼續上升，加重內部 材料損傷。

(五)、由試體內部溫度分佈發現柱下端所受的熱量最大，依序向 柱上端遞減，以SCC3 試體為例，柱斷面中心點最高溫度，

柱下端為201.4℃，梁柱接頭區 129.6℃，柱上端 94.7℃。

二、98 年「鋼筋混凝土複合構件火害安全模擬評估研究」【2】

(一)、混凝土梁及柱斷面溫度主要是受到橫向溫度傳遞之影響，

縱向溫度傳遞影響很小，故將斷面溫度預測簡化成2D模型 分析，其溫度場應屬合理，但無法獲得梁柱接頭區之溫度，

需以3D有限元素模型模擬分析，另ANSYS數值分析模型無 法模擬混凝土爆裂及游離水汽化之影響。

(二)、由實際溫度與理論值比較可知，梁與柱斷面內部溫度受爆 裂與裂縫的產生影響很大；當試體內部昇溫達120℃時，由 於試體內的水蒸發成水蒸氣，吸收大量的熱能，導致昇溫 趨於緩慢。

(三)、鋼筋溫度可用鋼筋所在位置之混凝土溫度代表。

(四)、利用 ANSYS 數值分析模型所得高溫中變形，經與實驗值 比較，應屬可行合理，但為求更精確的分析，應將混凝土 高溫變形完整考慮，即定溫下混凝土的應力應變、混凝土 熱應變、暫態熱應變及短期高溫潛變。

(五)、梁柱接頭區之混凝土如果發生大量爆裂，造成梁的拉力筋 於梁柱接頭區彎鉤鋼筋溫度上昇，致鋼筋與混凝土握裹力 大量降低，易使梁的耐火能力降低，必須注意。

(六)、殘餘降伏強度與實驗值較為接近，殘餘極限強度則是預估 計算值比實驗值結果小，偏於安全，其產生的誤差主要是 平面保持平面的假設所致，由於混凝土火害後材料劣化，

平面已無法保持平面，須進行非線性分析，不過非線性分 析的計算過程相當複雜且耗時，於工程實務上應用不易，

如以快速運用及簡易計算來看，仍以平面保持平面的假設 計算較為合適。

三、99 年「鋼骨鋼筋混凝土構造火害後材料性質之研究－以自充填混 凝土為例（3/5）」【3】

經由自充填混凝土火害後試驗結果與分析，得到以下結論：

(一)、混凝土受高溫作用後，其抗壓強度、彈性模數、抗張強度及 波松比，均大致隨溫度升高而降低，質量損失率及峰值應變 則隨溫度升高而增加。依材料性能折損之大小程度，依序為：

彈性模數、抗張強度、抗壓強度。

(二)、不同冷卻方式會對混凝土強度恢復造成影響，試體溫度 200℃

自然冷卻試體的殘餘抗壓強度較強制冷卻試體高，當溫度升高 至400 至 600℃時，變成自然冷卻試體的殘餘抗壓強度較強制 冷卻低，溫度800℃則兩者大約相同。

(三)、高溫後受壓應力－應變曲線隨著試體溫度的升高，其曲線漸 趨扁平，此外，試體溫度在600°C時，在加壓初期間有出現因 裂縫閉合、剛度漸增之上凹曲線。

(四)、自然冷卻混凝土在溫度 400 ^oC 以 下 或強制冷卻混凝土在溫度 600 ^oC 以 下，其 破 壞 模 式 皆 為 脆 性 破 壞，無 法 得 到 完 整 之 應 力-應 變 行 為 曲 線 。

(五)、自充填混凝土在高溫作用後表面顏色，由 200℃無明顯變化與 常溫相同，隨溫度增加，顏色變為淡黃轉呈土黃，800℃顏色 呈現粉白色。

(六)、混凝土試體表面裂縫隨溫度升高而增加和擴大，強制冷卻所 產生的裂縫比自然冷卻的裂縫大。

第三章 實驗計劃

第一節 試驗設備

本研究使用本所防火實驗中心梁柱複合耐火爐（柱爐區）及2000 噸加載系統。

3-1-1 梁柱複合耐火爐：

柱爐區加熱尺寸為400W×400H×360L（㎝），兩側各有9 個噴火孔，

共18 個燃燒機提供熱能，使用燃料為液化石油瓦斯（LPG），每一個燃 燒機配置 UV 火焰監視器，火焰熄火時自動切斷瓦斯供應，即時停 止燃燒。並配置瓦斯配管緊急遮斷閥、燃燒器前電磁閥、點火控制 器、瓦斯及空氣用壓力指示器等。耐火爐爐溫控制由可程式數值控 制器(PLC)，經伺服馬達，控制空氣控制閥的開度，再利用管內空 氣壓力，控制燃料瓦斯比例控制閥開度，達成燃料瓦斯與空氣配比 的控制。爐內溫度，則經由爐內的熱電偶，回饋至前述之可程式數 值控制器內，構成一閉迴路控制，如圖3.1 所示。

3-1-2 油壓機：

本研究將同時使用位於耐火爐下方加載能力為2000 噸之油壓機，

其採用日本油研的伺服電磁式方向閥，控制流量及壓力，及伺服油壓缸 作為作動器，油壓缸行程50 ㎝，且在柱端上方設置 2000 噸荷重計，以 便實驗時控制加載力大小，如圖3.1 所示。

圖 3.1 梁柱複合耐火爐裝置 第二節 升溫曲線

本研究採用CNS 12514「建築物構造部分耐火試驗法」【18】之加 熱曲線，如下式求得，並如圖3.2 表示。

T=345log₁₀（8 t +1）+20

式中 T = 平均爐內溫度（℃），t = 試驗經過時間（分）

溫度 T (^oC)

0 400 800 1200

圖3.2 標準加熱溫度－時間曲線

0 60 120 180 240

T=345log₁₀(8t+1)+20 945

1049 1110 1153

時間 t

第三節 試體製作

本研究利用 97 年自行研究案之火害後鋼筋混凝土梁柱接頭試體，如 圖 3.3 所示，該試體分為普通強度混凝土(NC)及自充填混凝土(SCC)，並

本研究利用 97 年自行研究案之火害後鋼筋混凝土梁柱接頭試體，如 圖 3.3 所示，該試體分為普通強度混凝土(NC)及自充填混凝土(SCC)，並