第 一 節
研 究 緣 起 與 背 景一 、 研 究 緣 起
面 對 全 球 環 境 變 遷，二 氧 化 碳 氣 體 排 放 過 多 等 環 境 保 護 難 題，各 個 領 域 需 要 共 同 來 關 心 與 努 力 ， 降 低 經 濟 發 展 對 環 境 所 產 生 的 衝 擊 ， 而 建 築 結 構 領 域 也 應 該 要 有 所 作 為。藉 由 高 性 能 材 料 之 使 用 及 新 工 法 或 構 材 之 研 發 與 推 廣，可 以 對 降 低 環 境 衝 擊 有 所 助 益，尤 其 是 高 強 度 材 料 的 使 用，不 但 可 以 降 低 結 構 材 料 的 使 用 量，也 可 以 提 升 材 料 回收 再 利 用 的 效 率 ， 是 有 利 於 降 低 環 境 衝 擊 的 方 法 。
高 強 度 材 料 可 以 使 用 在 不 同 構 材 之 中，如 填 充 型 圓 柱 及 填 充 型 箱 型 柱。雖 然 填 充 型 圓 柱 對 混 凝 土 的 圍 束 效 果 比 填 充 型 箱 型 柱 優 異，不 過 填 充 型 箱 型 柱 比 較 容 易 施 工 也 比 較 便 宜，是 適 合 在 國 內 研 發、推 廣 的 構 材 型 式 。
使 用 高 強 度 填 充 型 箱 型 柱 相 當 具 有 經 濟 上 及 環 保 上 的 優 勢 ， 然 而，現 行 規 範 對 高 強 度 材 料 構 材 之 應 用 還 有 所 保 留，需 要 進 行 相 關 試 驗 驗 證 其 可 行 性 與 可 靠 性。過 去 國 內 的 試 驗 機 容 量 不 夠 大，不 容 易 進 行 驗 證 試 驗 。 最 近 內 政 部 建 築 研 究 所 建 置 了 3000 噸萬能試驗機，可 執 行 大 尺 寸 柱 構 件 實 驗 ， 是 高 強 度 填 充 型 箱 型 柱 之 研 究 與 測 試 的 利 器 ， 此 時 正 是 研 發 、 推 廣 高 強 度 填 充 型 箱 型 柱 的 良 好 時 機 。
本 計 畫 預 計 針 對 內 灌 高 強 度 混 凝 土 之 填 充 型 箱 型 柱 進 行 研 究，預 期 目 標 包 括 ： （1） 求 取 高 強 度 材 料 之 基 本 力 學 性 質 ， 建 立 分 析 模 型
驗，提 昇 國 內 對 高 強 度 填 充 型 箱 型 柱 行 為 之 認 識，並 評 估 其 在 工 程 實 務 應 用 的 可 行 性 ； （3） 根 據 實 驗 及 數 據 分 析 之 成 果 ， 評 估 現 行 規 範 之 適 用 性 ， 必 要 時 提 出 修 改 之 建 議 ； （4） 藉 由 研 究 成 果 之 發 表 ， 引 導 建 築 構 造 走 向 材 料 減 量、營 建 廢 棄 物 減 量、節 能 及 環 保 之 永 續 發 展 目 標 。
二 、 研 究 背 景
內 灌 高 強 度 混 凝 土 的 填 充 型 箱 型 柱 （concrete filled box column，
或 簡 稱 CFBC）有很多優點：（1）相較於填充型圓柱，填充型箱型柱 之 梁 柱 接 頭 比 較 便 宜 且 容 易 施 工 ； （2） 箱 型 柱 之 製 作 比 圓 柱 容 易 且 便 宜 許 多；（3）比 起 一 般 強 度 混 凝 土，高 強 度 混 凝 土 回 收 再 利 用 時 ， 可 用 以 生 產 較 高 強 度 之 再 生 混 凝 土 ； （4） 混 凝 土 回 收 比 其 他 種 類 構 材 方 便，只 要 切 開 箱 型 柱，混 凝 土 就 可 以 很 快 取 出，比 含 鋼 筋 之 桿件 方 便 很 多；（5）不必使用模板，降低營建材料使用量；（6）防火性 能 比 純 箱 型 柱 佳，可 以 節 省 防 火 材 料；（7）箱 型 柱 提 供 混 凝 土 圍 束 ， 混 凝 土 則 提 供 箱 型 柱 柱 板 之 側 向 支 撐 ， 可 以 提 升 構 材 之 強 度 與 韌 性 ；
（8） 使 用 高 強 度 材 料 可 以 使 用 較 少 的 材 料 達 到 相 同 的 強 度 ， 降 低 結 構 材 料 使 用 量。顯 然 使 用 CFBC 不但可以降低結構材料的使用量，還 可 以 減 少 防 火 被 覆 、 模 版 等 營 建 材 料 之 使 用 量 。
國 內 外 曾 進 行 不 少 有 關 填 充 型 鋼 管 混 凝 土 柱 （concrete filled tube，或稱為 CFT）的研 究。近年 來 國 內 有 翁 正 強、陳 誠 直、蔡 克 銓 、 黃 炯 憲、胡 宣 德 等 人，國 外 2000 年以後主要有 Sakino、Inak、Ricles、
Mirza、 Varma 等 人 ， 也 發 表 了 不 少 期 刊 論 文 。 這 些 論 文 有 些 是 探 討 梁 柱 桿 件 的 行 為，有 些 則 專 注 於 短 柱 軸 向 行 為 的 研 究。近 年 來 在 短柱 軸 向 行 為 的 論 文（Sakino et al.，2004；Hu et al.，2003；王勝輝，1998；
孫 維 隆，2000）中，以 Sakino et al.（2004）總共完成 114 個試體（包
在 120～323mm 之間，而柱板厚度在 2～9mm 之間，而斷面型式大部 分 使 用 無 縫 鋼 管 （ 如 圖 1.1）或是由兩個槽鋼銲接而成之方形斷面。
這 些 實 驗 試 體 的 尺 寸 偏 小，國 內 也 甚 少 使 用 無 縫 鋼 管 或 槽 鋼 組 成 之 箱 型 斷 面，國 內 使 用 的 主 要 是 由 四 塊 鋼 板 組 合 而 成 之 填 充 型 箱 型 柱（如 圖 1.2所示）。
但 是 ， 根 據 國 內 SRC 規範（內政部營建署，2006）之規定，鋼 骨 材 料 之 降 伏 強 度 不 宜 大 於 3.5 tf/cm2，而 混 凝 土 抗 壓 強 度 也 不 宜 大 於 560kgf/cm2 。當混凝土抗壓強度大於 560kgf/cm2 時，需要依公認合 理 之 試 驗 證 明 其 可 行 性 與 可 靠 度 。 由 於 過 去 國 內 的 試 驗 機 容 量
（capacity） 都 不 夠 大 ， 僅 能 進 行 小 尺 寸 試 體 之 載 重 試 驗 ， 因 此 含 高 強 度 材 料 之 填 充 型 箱 型 柱，其 可 行 性 與 可 靠 性 無 法 被 充 分 印 證。對於 填 充 型 箱 型 柱，很 多 工 程 師 只 認 定 混 凝 土 所 提 供 之 勁 度，而 忽 略 混凝 土 所 提 供 之 強 度，相 當 可 惜。最 近 內 政 部 建 築 研 究 所 建 置 一 部 容 量 達 3000 噸之試驗機，可以進行大尺寸試體之載重試驗來印證高強度材料 使 用 於 填 充 型 箱 型 柱 之 可 行 性 與 可 靠 性，提 供 一 個 推 廣 填 充 型 箱 型 柱 的 良 好 工 具 ， 而 此 時 也 是 推 廣 該 種 構 材 的 良 好 時 機 。
國 內 現 階 段 推 廣 填 充 型 箱 型 柱，在 材 料 方 面 應 以 現 有 能 夠 量 產 者 為 優 先 考 慮 。 國 內 目 前 可 以 量 產 的 結 構 用 鋼 以 3.5 tf/cm2等 級 （A572 Gr.50、A992、SM490、SN490B、SN490C）為主，中鋼也有量產 4.2 tf/cm2 級 鋼 板（SM570）的能力，但是使用量小的鋼板尺寸很難取得。國內 目 前 已 經 有 能 力 量 產 840 kgf/cm2 級 的 混 凝 土 ， 混 凝 土 材 料 之 取 得 相 對 的 比 較 容 易 。 有 鑑 於 此 ， 本 計 畫 的 研 究 宜 以 3.5 tf/cm2等 級 鋼 材 ， 配 合 420～840 kgf/cm2級 的 混 凝 土 為 主 。
填 充 型 箱 型 柱 中 柱 板 之 寬 厚 比（b t）影 響 構 材 的 行 為 很 大。b t越
大，柱 板 越 容 易 挫 屈，混 凝 土 的 圍 束 也 較 差，而 強 度 與 韌 性 也 會 受 到 很 大 的 影 響 。 根 據 國 內 之 SRC 結構設計規範，耐震構材柱板寬厚比 的 限 制 為 3Es Fy ， 使 用 3.5 tf/cm2等 級 的 鋼 材 時 ， 柱 板 之b t不 得 大 於 42，Varma et al.（2002）的研究顯示，當b t等 於 48 時桿件之撓曲 延 展 性 不 佳 ， 當b t等 於 32 時桿件之撓曲延展性改善很多，由此可判 斷 國 內 SRC 規範的規定在合理範圍。台灣處於地震帶，填充型箱型 柱 基 本 上 都 要 符 合 耐 震 的 要 求 ，因 此 柱 板 的b t宜 控 制 在 42 以下，而 本 計 畫 也 專 注 於b t不 大 於 42 之箱型柱。
填 充 型 箱 型 柱 之 合 成 效 應 的 程 度 有 多 高 ？ 是 否 需 要 使 用 剪 力 釘 ？ 也 常 困 擾 著 結 構 工 程 師。傅 正 堯（1998）的研究顯示，剪力釘對 填 充 型 箱 型 柱 的 撓 曲 強 度 與 韌 性 沒 有 明 顯 的 影 響。此 外 美 國 華 盛 頓大 學 Roeder 教授的研究結果也發現，未配置剪力釘之填充型圓柱之合 成 效 應 頗 佳 。 因 此 ， 填 充 型 鋼 柱 的 合 成 效 應 已 經 有 比 較 明 確 的 結 論 ， 本 計 畫 不 必 再 對 此 進 行 研 究 ， 避 免 重 複 與 浪 費 。
箱 型 柱 內 混 凝 土 的 乾 縮 雖 然 很 緩 慢 ， 但 是 當 建 築 物 年 代 久 遠 後 ， 也 有 可 能 產 生 相 當 的 乾 縮 量 ， 此 時 乾 縮 是 否 會 影 響 構 材 的 軸 向 強 度 ， 也 一 直 困 擾 著 工 程 師 們。目 前 尚 未 找 到 相 關 的 研 就 成 果，因 此 乾 縮問 題 是 需 要 探 討 的 課 題 之 一。在 鋼 筋 混 凝 土 構 材 中，混 凝 土 會 產 生 更 嚴 重 的 乾 縮，混 凝 土 的 乾 縮 會 引 致 較 高 的 鋼 筋 壓 應 力。填 充 型 箱 型 柱也 應 該 會 有 類 似 的 行 為，當 乾 縮 發 生 時 鋼 骨 需 承 擔 較 大 的 壓 力，但 是只 要 箱 型 柱 具 有 足 夠 的 延 展 性，軸 壓 力 還 是 會 分 配 至 混 凝 土。箱 型 柱柱 板 的 寬 厚 比 與 其 延 展 性 有 密 切 的 關 係，寬 厚 比 夠 小 時 箱 型 柱 本 身 就 具 有 良 好 的 延 展 性，由 此 觀 之，箱 型 柱 柱 板 的 寬 厚 比 應 該 是 與 乾 縮 的 忍 受 度 有 密 切 的 關 係 ， 箱 型 柱 柱 板 的 寬 厚 比 應 該 是 最 主 要 的 參 數 。
針 對 上 述 主 要 的 課 題 進 行 研 究，可 以 進 一 步 釐 清 高 強 度 混 凝 土 在 填 充 型 箱 型 柱 應 用 之 可 行 性 及 可 靠 性，讓 工 程 師 可 以 更 合 理 而 安 全 的