第一章 緒論
第一節 研究緣起與背景
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。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（ concrete-filled box column，或 簡 稱 CFBC） ， 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，但是 國 內 現 行 SRC 規 範 對混 凝 土 抗 壓 強 度 有 所限 制 。
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 梁 柱 接 頭 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，且 未 來 若需 拆 除 時，比 鋼 筋 混凝 土 構 件 更 容 易 回收 再 利 用，因 此 使 用 填 充 型 箱型 柱 相 當 具 有 經 濟 上及 環 保 上 的 優 勢。現 行 規 範 對 填 充 型 箱 型 柱 構 材 之 規 定 大 部 分 係 參 考 鋼 管 混 凝 土 柱 構 材
（ concrete filled tube，或 稱為 CFT）之研 究 結 果，然 而 鋼 管 與 箱 型 柱 之 製 作方 式 截 然 不 同，鋼 管 除 了 使 用 無 縫 鋼 管 之外，目 前 還 有 冷 彎成 型 方 管 (BCR)及 冷 沖 壓 成 型 方 鋼 管 (BCP)兩 種 已 經 標 準 化 的 新 冷 彎 方 鋼 管，“ BCR” 和 “ BCP” 是 日 本鐵 鋼 聯 盟 (JISF，一 般 社 団 法 人 日 本 鉄 鋼 連盟 )的 註 冊商 標 ； 而目 前 國 內 常 用 的 箱 型柱 ， 則 是 使 用 4 片 鋼
本 研 究 預 計 針 對 填 充 型 箱 型 柱 進 行 研 究 ， 預 期 目 標 包 括 ： （ 1）
求 取 材 料 之 基 本 力 學 性 質 ； （ 2） 經 由 矩 形 填 充 高 強 度 混 凝 土 箱 型 柱 試 體 之撓 曲 行 為 實 驗，提 昇國 內 對 填 充 混 凝 土 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
填 充 型 箱 型 柱 有 很 多 優 點 ： （ 1） 箱 型 柱 之 製 作 比 圓 柱 容 易 且 便 宜 許 多 ； （ 2） 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 ； （ 3） 若 使 用 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）由 2009 年 李 玉 生、
楊 國 珍之 研 究 案「 高 溫 下 含混 凝 土 箱 型 鋼 柱 之 軸向 受 力 行 為 研 究 」可 看 出 含 混 凝 土 箱 型 鋼 柱 之 防 火 性 能 甚 優 ， 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）以 相 同 的 強 度 來 說，比 起 RC 柱 或 鋼結 構 柱 子（ H 型 鋼 或 純 箱 型 鋼柱 ），使用 填 充 混 凝土 箱 型 柱 可 降 低 結 構 鋼 材 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 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
軸 向 行為 的 研 究 。 近 年 來 在研 究 短 柱 軸 向 行 為 的論 文 （ Sakino 等 人 ， 2004；Hu 等 人，2003；Huang 等 人，2002；丁 英 哲，2004；王 勝 輝 ， 1998；孫 維 隆，2000；黃炯 憲 等 人，1998 及 1999）中，以 Sakino et al.
（2004）總 共 完成 114 個 試 體（包 括 圓 形 及 方 形斷 面 ）並 據 以 建 立 分 析 模 式之 研 究 最 為 完 整；在 研 究 撓 曲行 為 的 論 文（ Aval 等人，2002；
Ge 等 人，1994；Hsu 等 人，2003；Inai 等 人，2004；Lu 等 人，2007；
Shanmugam 等 人 ， 2002； Susantha 等 人 ， 2002； Varma 等 人 ， 2002 及 2004； 孫 維 隆 ， 2000； 傅 正 堯， 1998） 中 ，以 Varma 等 人 （2002 及 2004） 總 共 完成 16 個 試 體（ 方 形 斷 面 ） 並與 AISC-LRFD、ACI、
AIJ、Euro Code 4 規 範 比 較 之 研 究 較 為 完 整。防 火 相 關 文 獻 則 有 Yang 等 人（ 2008）。但 是 目 前 所收 集 到 的 論 文 中，實 驗的 CFT 試 體 尺 寸 都 不 大，柱 寬 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 1-1a）或 是 由兩 個 槽 鋼 銲 接 而 成之 方 形 斷面（ 如圖 1-1b）。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） 。 目 前 對於 填 充 型 箱 型 柱， 有 些 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 。
2012 年 陳 正 誠 等 人 進 行 CFBC 短 柱 軸 向 加 載 試 驗 之 有 限 元 素 分 析 ， 發現 CFBC 內 部 混 凝 土的 圍 束 機 制 無 法 使用 Mander 等 RC 構 件 的 圍 束機 制 來 描 述 及 模 擬，由 該 文 所 提模 擬 方 式進 行 矩 形 CFBC 的 軸 向 載 重分 析 ， 可 得 知 矩 形 CFBC 的 圍束 效 果 (如圖 1-3)可 能 不 如 方形 CFBC(如 圖 1-4)，圖 中 四 邊 有 兩 端 箭 頭 的 曲 線 為 產 生 圍 束 效 果 時 會 出
如 方形 CFBC， 故 矩 形 CFBC 的 圍 束 效 果 可 能 不如 方 形 CFBC。
經 與 業界 詢 問 CFBC 於 國 內建 築 構 造 之 發 展 與 使用 ， 得 知 CFBC 的 使 用率 日 益 普 及 ， 矩 形 CFBC 斷面 長 度 與 寬 度的 比 值 (簡稱 長 寬 比 ) 大 多 小於 1.5，但 有 時 基 於建 築 用 途 的 考 量，長 寬比 會 大 於 1.5，甚 至 達 到 3。2013 年 黃少 暉 之 碩士 論 文 有 測 試 CFBC 斷 面 長 寬 比 不 同 的試 體 ， 發 現 當 長 寬 比 越 大 ， 短 柱 試 體 的 殘 餘 強 度 越 低 ， 此 現 象 將 影 響 CFBC 撓 曲 行 為 甚 鉅。本所 2013 年 陶 其 駿 自 行 研 究「 矩 形 填 充 混 凝 土 箱 型 短柱 耐 震 行 為 之 研 究 」之 研 究 成 果，以 及 黃國 倫 自 行 研 究「 矩形 填 充 混凝 土 箱 型 柱 撓 曲 行 為之 研 究 」之 研 究 成 果，已 針 對 長 寬 比 介於 1.5 至 2 的 CFBC 試 體 進 行 軸 向 加 載 試 驗 以 及 低 軸 力 下 撓 曲 行 為 試 驗 ， 發 現以 SRC 規 範 建 議 方 式來 估 計 軸 向 強 度 及 彎矩 強 度 ， 尚 屬 保 守，
但 軸 向韌 性 及 塑 性 轉 角 容 量則 明 顯 有 不 足 之 現 象，軸 向 強 度 下 降 快 速，
而 無 論 繞 強 軸 或 弱 軸 彎 曲 ， 塑 性 轉 角 容 量 皆 僅 約 2.5% rad(規 範 要 求 3% rad)，可 見 CFBC 長 寬 比 應 限 制 至 少 低 於 1.5(甚 至 更 低，此 部 分 有 需 要 再 進 行 試 驗 確 認 之 )； 不 過 同 時 亦 已 確 認 採 用 圍 束 繫 桿 可 有 效 提 升 軸 向韌 性 及 塑 性 轉 角 容 量， 可 達 規 範 要 求 。
去 (2014)年 黃 國 倫 與 陶 其 駿 已 進 一 步 針 對 鋼 材 標 稱 降 伏 強 度 3.3 tf/cm2 及混 凝 土 標 稱 抗 壓 強度 420 kgf/cm2， 長寬 比 介 於 1 至 2.5 的 CFBC 試 體 進 行 軸 向 加 載 試 驗 以 及 低 軸 力 下 撓 曲 行 為 試 驗 ， 發 現 長 寬 比 大 於 1.4 的 矩 形 CFBC 塑 性 轉 角 容 量明 顯 不 足 (低 於 規 範要 求 值 3%
rad)，可 見 CFBC 長 寬 比 應 限 制 至 少 低 於 1.4；同 時 亦 已 確 認 適 當 設 計 圍 束 繫桿 可 有 效 提 升 軸 向 韌性 及 塑 性 轉 角 容 量 達到 規 範 要 求，甚 至更 好 ， 並建 議 長 寬 比 小 於 2 之 CFBC， 只 需 單 排 配置 圍 束 繫 桿 ， 長 寬比 不 小於 2 之 CFBC， 應 雙 排配 置 圍 束 繫 桿 ， 縱 向間 距 建 議 採 平 均 柱寬
層 以 上之 常 用 設 計 強 度 分 別為 420 至 490、490 至 560 及 560 至 700 kgf/cm2 甚至 更 高 ， 實 際 抗壓 強 度 試 驗 結 果 通 常會 多 30%以 上 ， 有時 甚 至 會多 60%，所 以 設計 560 kgf/cm2(國 內 SRC 規 範 建 議 之 上 限 )會 得 到 超過 700 kgf/cm2，故 混 凝土 強 度 對 長 寬 比 限 制之 影 響，也 急 需 進行 試 驗 研究 確 認 之 。
今 年 原規 劃 自 行 研 究「 矩 形 填 充 高 強度 混 凝 土 箱型 鋼 柱 低 軸 力 下 撓 曲 耐 震 行 為 研 究 」 案 ， 經 研 究 業 務 協 調 會 議 審 查 通 過 (會 議 紀 錄 如 附 錄 一 )， 考 量 為 更 符 合 實 際 研 究 內 容 ， 本 研 究 業 經 簽 奉 核 准 微 幅 修 正 為「建 築 物 矩 形 填 充 高 強度 混 凝 土 箱 型 鋼 柱 低軸 力 下 撓 曲 耐 震 性能 驗 證 研究 」 。
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 。 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。有鑑 於 此，並 考 量 試驗 機 容 量， 本 研 究的 研 究 預 計以 3.3 tf/cm2等 級 鋼材 （ SN490B）， 配 合 700 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 ， 其 中 b 與 t 分 別 為 方型 斷面 CFBC 之 淨 寬 度 與 板 厚，如 圖 1-2 所 示。b t
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 等 於 32 時 桿 件 之 撓 曲 延 展 性 改 善 很 多，由 此 可t 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 ， 故 本 研究 規 劃 試 體 之b 以 40 為 主 。 t
目 前 國內 SRC 規 範 對 填 充型 箱 型 柱 柱 板 寬 厚 比之 限 制 與 軸 力大 小 無 關，依 照 2010 年 陶 其駿 及 蔡 煒 銘 之 研 究 報告，以 及 2011 年 陳 正 誠 及 本人 之 研 究 報 告，顯 示軸 力 愈 大 會 使 填 充 型箱 型 柱 之 撓 曲 韌 性愈 差， 如 圖 1-7 所 示。 為 排 除高 軸 力 會 使 撓 曲 韌 性愈 差 之 影 響， 本 研 究 規 劃了 CFBC 試 體 進 行 低 軸力 作 用 下 之 撓 曲 行 為試 驗 。
填 充 型箱 型 柱 之 合 成 效 應 的程 度 有 多 高 ？ 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。本 所「 填 充 混 凝 土箱 型 鋼 柱 撓 曲 合 成行 為 研 究」委 託研 究 案，刻 正研究 剪 力釘對 填 充型鋼柱合成 效應的 影響 ， 因 此 本研 究 為 求 保 守 ， 試 體將 不 配 置 剪 力 釘 。
現 在 工程 界 已 使 用 填 充 型 箱型 柱，其 在 施 工 時 必須 加 上 繫 桿，避 免 箱 型柱 因 混 凝 土 壓 力 向 外變 形 ， 如 圖 1-8(a)所示 ， 可 以 將 繫 桿 作為 結 構 用途，如 圖 1-8(b)所 示，應 可降 低 柱 板 厚 度需 求。2008 年 陳 正 誠 等 人「含 高 強 度 混 凝 土 箱 型鋼 柱 之 軸 向 受 力 行 為研 究 」之 研 究 報 告證 明 於 高b t之 短 柱 構 件 使 用 圍 束 繫 桿 ， 可 以 有 效 發 展 出 良 好 之 韌 性 。
現 在 工程 界 已 使 用 填 充 型 箱型 柱，其 在 施 工 時 必須 加 上 繫 桿，避 免 箱 型柱 因 混 凝 土 壓 力 向 外變 形 ， 如 圖 1-8(a)所示 ， 可 以 將 繫 桿 作為 結 構 用途，如 圖 1-8(b)所 示，應 可降 低 柱 板 厚 度需 求。2008 年 陳 正 誠 等 人「含 高 強 度 混 凝 土 箱 型鋼 柱 之 軸 向 受 力 行 為研 究 」之 研 究 報 告證 明 於 高b t之 短 柱 構 件 使 用 圍 束 繫 桿 ， 可 以 有 效 發 展 出 良 好 之 韌 性 。