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，簡 稱 CFBC 或 CFB 柱 ） ， 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

可 行 性與 可 靠 性 。

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 方 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 高 強 度 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 。

後 主 要有 Sakino、 Inai、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 。

今 年 原規 劃 自 行 研 究「方 形 斷 面 填 充高 強 度 混 凝土 箱 型 柱 高 軸 力 下 撓 曲行 為 之 寬 厚 比 影 響 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「 方 形 斷 面 填充 高 強 度 混 凝 土 箱 型柱 高 軸 力 下 撓 曲 行為

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 量及 希 望 鋼 材 實 際 強 度 不 要 比 標 稱 強 度 高 太多，本 研 究 的 試 體鋼 板 預 計以 3.3 tf/cm²等 級 鋼材 （ SN490B） 為 主。

填 充 型 箱 型 柱 中 柱 板 寬 度 與 厚 度 之 比 例 （

b t

， 簡 稱 寬 厚 比 ） 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。 t

b 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

3 E

_s

F

_y，使 用 3.5 tf/cm²等 級 的 鋼 材時 ， 柱 板 之

b 不 得 大 於 42， Varma et al. (2002) 的 研 究 顯 示 ， 當 t 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 t

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，故本 研 究 規劃 試 體 之

b 以 24 至 40 為 主，以 瞭 解 高 軸 t

力 作 用下，降 低 寬 厚 比 對 於填 充 一 般 強 度 混 凝 土箱 型 柱 或 填 充 高 強度 混 凝 土箱 型 柱 提 升 撓 曲 韌 性之 效 果 。

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

愈 差， 如 圖 1-3 所 示 。為 考 量 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 高軸 力 作 用 下 之 撓 曲 行為 試 驗 。

2015 年 本 人 之 研 究 報 告，顯 示 低 軸 力 作 用 下 矩 形 填 充 高 強 度 混 凝 土 箱 型柱 具 有 不 錯 之 撓 曲 韌性 ， 長 寬 比 與 塑 性 轉角 之 關 係 圖 如 圖 1-4 所 示 ，2010 年 陳 正 誠 等 人之 研 究 報 告 亦 顯 示 寬厚 比 不 大 於 60 之 方 形 填 充 高強 度 混 凝 土 箱 型 柱 具有 不 錯 之 撓 曲 韌 性，寬 厚 比 與 塑 性 轉 角之 關 係 圖如 圖 1-5 所 示，但 目 前 並 未 有文 獻 探 討 填充 高 強 度 混 凝 土 箱 型 柱 高 軸力 作 用 下 之 撓 曲 韌 性，而 業 界 已 有 很 多 應用 案 例，為 釐 清 填充 高 強 度混 凝 土 箱 型 柱 高 軸 力 作 用 下 之 撓 曲 韌 性 是否 符 合 規 範 要 求，本 研 究 部分 試 體 預 計 以 3.3 tf/cm²等級 鋼 材（ SN490B），配 合 700 kgf/cm² 級 的 混凝 土 製 作 試 體，進 行高 軸 力 下 填 充 高 強 度混 凝 土 箱 型 柱 撓 曲試 驗 ， 以探 討 高 軸 力 及 高 強 度混 凝 土 對 填 充 型 箱 型柱 撓 曲 韌 性 的 影 響 。

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。2015 年 陳 正 誠 等 人研 究 發 現 剪 力 釘 對 填 充 型 鋼柱 合 成 效 應，要 發 揮作 用 需 要 一 定 的 滑 動量，而 此 滑 動 量 不易 達 到 。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 1-6(a)所示 ， 可 以 將 繫 桿 作為 結 構 用途，如 圖 1-6(b)所 示，應 可降 低 柱 板 厚 度需 求。2008 年 陳 正 誠 等 人 之 研 究 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。2009 年 陳 正 誠等 人 之 研 究 結 果 亦 顯示，在

b t

為 60 之填 充 型 箱型 柱 中 使 用 繫 桿，可以 讓 柱 發 揮 出 優 異 的撓 曲 韌 性 容 量，即使

之 初 步建 議。2011 年 陳 正 誠及 黃 國 倫 之 研 究 報 告，進 一 步 驗 證 高 軸 力 的 情 況，圍 束 繫 桿 亦 能 有 效提 升 柱 的 撓 曲 韌 性。2012 年 黃 國倫 整 理 出 圍 束 繫桿 的 設 計 方 法 。2013 年 至 2015 年 黃 國 倫及 陶 其 駿 之 研 究 ，都 發 現 適 當 配 置 圍 束 繫 桿 能 有 效 提 升 矩 形 填 充 混 凝 土 箱 型 柱 之 軸 向 與 撓 曲 韌性。因 此，本 研 究 將試 著 研 究 圍 束 繫 桿 對 高 軸 力 下 填 充 一 般 強 度 混 凝土 箱 型 柱 提 升 撓 曲 韌性 之 效 果 。

針 對 上述 主 要 的 課 題 進 行 研究，可 以 進 一 步 釐 清矩 形 填 充 高 強度 混 凝 土箱 型 鋼 柱 應 用 之 可 行性 及 可 靠 性，讓 工 程師 可 以 更 合 理 而 安全 的 使 用此 種 構 材 ， 以 降 低 建築 結 構 建 設 對 環 境 的衝 擊 。

在文檔中 高軸力下方形填充高強度混凝土箱型柱撓曲行為之寬厚比影響研究 (頁 15-20)