第二章 規範與文獻回顧
第四節 箱型鋼管混凝土柱火害研究
Chung 等人(2008)利用數值分析探討火害方形鋼管混凝土柱受軸向載重之行 為。數值分析先以二維熱傳數值分析，計算試體斷面溫度，再以非線性應力分析 計算試體軸向變形行為，並比較四種鋼與混凝土模型造成之影響。研究結果顯示，
採用 Eurocode 規範建議高溫材料性質之分析較能合理模擬實驗結果。
Espinos 等人(2010)以有限元素分析軟體-ABAQUS 建立 3-D 模型，模擬火害 圓形鋼管混凝土柱之行為。分析結果與實驗比對，再進行參數研究，最後根據 Eurocode 4 簡易計算模式，計算試體有效耐火性能。由承重試體於火害下之軸向 變形-時間關係與載重比-時間關係得知，試體於加溫歷時期間可分成四個階段：
(1) 鋼管受火表面溫度迅速增加，而內灌混凝土之溫度較鋼材低，因此加載端板 與混凝土間產生間隙，且鋼材與混凝土接觸介面產生滑移現象，使軸向載重逐漸 轉移至鋼管；(2) 鋼材到達臨界溫度 550°C，柱試體由原本膨脹位移轉變為壓縮 位移，使加載端板與混凝土再度接觸；(3) 鋼材因高溫喪失強度，而軸向載重逐 漸轉由混凝土承受；(4) 雖混凝土具低熱傳導性，但隨著加溫歷時時間增加，使 高溫逐漸傳遞至核心混凝土，最後混凝土部分也失去支撐能力，使試體破壞。
第二章 規範與文獻回顧
Han 等人（2002）探討有、無防火被覆矩形薄壁鋼管混凝土柱火害後殘留強 度，試體在無荷重下依 ISO 834 分別加熱 90 分鐘（無防火被覆）及 180 分鐘（有 防火被覆），火害後加載分為軸向或偏心荷重，分別探討其殘留強度，研究結果 顯示柱的加熱時間、斷面尺寸及柱的細長比對殘留強度有很大的影響。
Han 等人(2003)以實驗研究有無防火被覆之方形和矩形鋼管混凝土柱受軸向 或偏心載重下之火害行為，並建立試體火害後殘餘強度計算公式。由研究結果得 知，影響柱構件耐火性能與判定之參數包括：鋼材極限溫度、斷面尺寸、加載型 式和防火被覆厚度；當試體之鋼材溫度達 500°C~786°C，其已無載重支撐能力；
試體斷面尺寸越大，則構件抵抗火害能力較好；試體受偏心載重之耐火性能較受 純軸向載重來得低；較厚的防火被覆，能增加耐火性能。
曹寶珠（2003）對方形及八邊形薄壁鋼管混凝土柱進行軸壓和偏壓承載力探 討，試驗結果顯示方形薄壁鋼管混凝土柱在軸壓和偏壓荷重作用下，均發生整體 失穩破壞；試件在達到極限承載力前，有較明顯的局部挫曲現象發生，並向首先 發生局部挫曲一側彎曲；長柱構件的極限承載力隨偏心率的增加而下降。
Schaumann, P. 等人（2006）應用數值模擬進行了高溫下鋼管高強度混凝土 柱耐火性能分析，分析參數包括細長比、荷載偏心率、混凝土抗壓強度和斷面形 狀等。分析結果顯示對於越細長的柱構件，偏心載重的影響就越明顯。
Kodur (2007)為回顧和彙整相關文獻，提出混凝土灌入圓形和方形鋼柱之防 火設計建議，並比較空心型鋼柱於空心處設置三種不同型式混凝土之耐火性能，
如灌入純混凝土(Plain concrete, PC)、設置鋼筋混凝土(Bar-rinforced concrete, RC) 和灌入含鋼纖維混凝土(Steel fiber-reinforced concrete, FC)。由實驗和分析結果得 知，灌入純混凝土和含鋼纖維混凝土，試體破壞原因為混凝土開裂，而設置鋼筋 混凝土試體破壞原因為鋼筋降伏；影響合成柱試體耐火性能由高至低依序為設置 鋼筋混凝土、灌入含鋼纖維混凝土和灌入純混凝土。對於試體斷面形狀之影響，
相同斷面積之柱構件，圓形斷面較方形更具耐火性能。
Lie 與 Chabot (1992)藉由 44 支圓及方形鋼管內填充純混凝土柱試體進行耐 火試驗，探討斷面大小、鋼管厚度、柱試體有效長度、混凝土強度、混凝土之骨 材種類及載重對耐火性能之影響。實驗結果發現，試體於試驗初期階段，鋼管產
生熱膨脹變形，其載重主要由鋼管承受；隨後鋼管溫度劇增使強度驟減，軸向載 重轉由核心混凝土支撐；試體破壞為鋼管挫屈或混凝土受壓破壞造成。
K.S. Chung 等人（2009）利用數值模擬，針對無被覆方形 CFT 柱，探討試 體受軸力-彎矩共同作用下之耐火性能。 研究結果顯示高溫作用下，試體抗彎矩 能力受高溫之影響較軸力來的大；而且施加較大彎矩時，其耐火性能則越差，顯 示彎矩對耐火性能有一定的影響。另外，本文獻利用數值模擬，繪製受不同高溫 下，試體所能承受的 P-M 包絡交互曲線，可提供設計者或使用者了解在預設的 耐火時效下，該柱構件所能承受的軸力及彎矩值，以確保火災時結構物的安全。
楊國珍等人(2011)研究箱型鋼柱之柱板銲接型式影響試體於火害高溫下之 行為。試體之箱型鋼柱板分別以全滲透與部分滲透銲接組合，藉由軸壓及不同溫 度探討銲接型式對試體行為及破壞模式之影響。由常溫試驗結果發現，柱板採全 滲透銲接相較採部分滲透銲之試體極限強度高；在高溫試驗部分，採全滲透銲接 試體之耐火性能較佳；然而，柱板採部分滲透銲接試體表現較差之原因為柱板因 軸壓發生局部挫屈進而發生銲道開裂。
何明錦等人(2012)以兩支有配置剪力釘之內灌混凝土箱型鋼柱試體，探討全 滲透及半滲透銲對耐火性能的影響。由實驗結果得知，試體承受 0.28 倍設計強 度之軸向載用下，鋼板銲接型式僅些微影響試體耐火性能，但並不顯著。
陳誠直等人(2010)以實驗方法和有限元素分析模擬，研究有無防火被覆之承 重銲接組合箱型鋼內灌自充填混凝土柱於火害下之行為；探討有無防火被覆之影 響、比較試體斷面溫度分佈、試體強度與勁度之變化、變形行為(變形與變形速 率)與破壞模式等，並建立合理之分析模型。由研究結果顯示，具防火被覆試體 皆能達到預期之防火時效，而火害後之試體軸向勁度稍為增大且呈線彈性行為；
未具防火被覆試體於火害期間持續有混凝土爆裂的聲音，惟因箱型鋼板提供圍束 導致試體未立即破壞，直到鋼板局部的鼓起與內部混凝土的碎裂。
陳誠直等人(2012)以耐火試驗和有限元素分析模擬，探討內灌混凝土箱型鋼 柱於有無配置剪力釘及施加不同軸向載重之高溫下行為。研究成果顯示，施加不 同軸向載重明顯影響軸向變形行為及耐火性能；剪力釘可略微增加試體耐火性能。
破壞模式為試體被壓縮、鋼板發生多處局部面外凸起、及內部混凝土碎裂。
第二章 規範與文獻回顧
陳誠直等人(2013、2014)探討考量各種影響填充混凝土箱型鋼柱耐火能力之 參數及其火害行為，研究依試驗參數斷面大小、施加載重及有無配置縱向鋼筋進 行火害試驗。試驗結果以及國內其他研究火害內灌混凝土箱型鋼柱之成果，彙整 如表 2-2 所示。研究成果顯示，試體斷面尺寸與載重比等，會影響箱型鋼管混凝 土柱耐火性能，其中以試體承受載重比大小之影響最為顯著，剪力釘影響甚微。
進一步探討施加載重（P）與混凝土承載能力（Pc）及標稱軸壓強度（Pn）的比 值，發現試體耐火性能隨著比值增大而耐火性能合格時間降低，而耐火性能合格 時間與P/Pc之關係相較與P/Pn之關係較為顯著與合理。其他相關研究成果也顯示，
當鋼管柱因高溫而喪失承載能力，箱型鋼管混凝土柱之耐火性能實為混凝土部分 延續，且耐火時間評估公式大部分為考慮P與Pc的影響；P/Pc包括之耐火性能影 響參數為斷面尺寸、混凝土強度與施加載重。
對於受軸向載重無防火被覆箱型鋼管混凝土柱，其耐火時間評估如式(2-31) 與圖 2-15 所示。
(− ξ)
− +
ξ
=1.7 3 25e 0.11
t (2-31)
其中，e為自然指數，ξ為P/Pc，P為施加載重，Pc為0.85fc'Ac；t為耐火時間(min) 試體參數如下：
1. 箱型鋼骨採建築結構用鋼材；內填充混凝土採自充填混凝土；
2. 斷面大小 400 mm~600 mm；
3. 混凝土強度 450~700 kgf/cm2；
4. 填充式箱型鋼柱之受熱段長度 2800~3100 mm；
5. P/Pc介於 0.28~1.9 之間。
圖 2.15 實驗結果與耐火時間評估公式計算結果(陳誠直，2014)
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
P/Pc 0
30 60 90 120 150 180
Fire resistance (min)
400 mm square section 500 mm square section 600 mm square section Proposed
第二章 規範與文獻回顧
蔡綽芳等 (2013)
400×9 519 0.22 － － 168 400×9 519 0.37 － － 50 400×9 519 0.36 4-#6 － 111 400×9 519 0.5 4-#6 － 41 備註：載重比為施加載重(P)除以柱標稱強度(Pn)
(資料來源：本研究彙整)
王天志(2015)進行實尺寸耐火試驗，探討內灌混凝土箱型鋼柱於固定軸向載 重，在有、無偏心加載之高溫下行為。研究成果顯示，試體端點條件為鉸接端，
在低載重比（0.28 設計載重）及小偏心的加載下，對試體的溫升曲線及耐火時 效影響並不明顯，但在加熱過程的軸向膨脹量則有部分壓抑效果，減少其最大膨 脹量。