第三章 填充型箱型鋼柱火害實驗
第二節 試體規劃設計與製作
壹、試體規劃設計
實驗試體規劃主要參考文獻研究成果與相關設計規範建議等，以提出適用於 填充型箱型鋼柱之火害性能設計準則與防火時效評估公式。由國內外相關研究成 果得知，主要影響填充型合成柱構件耐火性能之參數為斷面大小、施加載重、受 火段長度、混凝土強度及鋼管內填充物等。再者，根據我國「建築技術規則」第 70 條規定得知，柱構造依不同樓層規定防火時效須為 1 至 3 小時，但由國內學 者(陳誠直等人 2010 及 2012、何明錦等人 2012)研究成果顯示，無噴塗防火被覆 之承重箱型鋼管混凝土柱防火時效未滿1 小時，如表 2-3 所示。為使填充型合成 柱構件具 1 小時以上之防火時效，除了裝設防火材之外，亦可依照 EC4 及 ECCS-T.C.3 規範規定於箱型鋼柱內設置鋼筋，即為箱型鋼柱內填充鋼筋混凝土。
試體主筋及箍筋主要參考Eurocode 規範設計。考量國內相關研究成果，共規劃 8 支試體，如表3-1 所示。試體參數為斷面大小、施加載重及箱型鋼內有無配置縱 向主筋。試體編號B4、B5 及 B6 分別為試體斷面 400、500 及 600 mm，編號 R、
Ra 與 Rb 分別為箱型鋼柱內配置 8-#8、8-#9 與 16-#9 竹節鋼筋，編號 N 為箱型 鋼柱內填充純混凝土，編號.2、.3、.4、.5 和.6 為施加載重與試體標稱強度之比 值(載重比)。
試體設計主要參考我國「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」及歐洲規範 (Eurocode)規範等，並考量實驗設備容量之限制等。試體鋼骨部分採用 A572 Grade
合；開槽型式為單斜槽，開槽角度為35 度，根部間隙為 7 mm，並於接合間隙處 裝設背墊板，如圖3-1 所示。
試體箱型鋼柱內分別為填充純混凝土及鋼筋混凝土。於箱型鋼柱內有配置縱 向主筋之試體，鋼筋採CNS 560「鋼筋混凝土用鋼筋」規定之竹節鋼筋，再依據 EC 4 規定配置與設計。B4R 與 B5R 系列試體皆採 8 根 8 號竹節鋼筋，鋼筋比 (As/Ac+As)分別為 3%和 1.9%，而試體 B6Ra-.3 及 B6Rb-.4 分別採 8 根和 16 根 9 號竹節鋼筋，鋼筋比分別為1.6%與 3.2%。試體之箍筋皆採 3 號竹節鋼筋，配置 於柱試體之間距分別為兩端採200 mm 與中間段為 350 mm，如圖 3-2 與圖 3-3 所示。另外，為考量試體灌漿時內部空氣排除及高溫下混凝土水汽遷移等因素，
於柱板各面縱向預設數個直徑20 mm 透氣孔；而箱型鋼柱內灌之混凝土採自充 填混凝土。試體其它細部設計，如圖3-4 所示。
表 3-1 試體規劃
試體編號 斷面尺寸B×H×t
(mm) 縱向主筋 橫向箍筋 施加 載重比 B4R-.2 □400×400×19 8-#8 #3@350 0.2 B4R-.5 □400×400×19 8-#8 #3@350 0.5 B5N-.6 □500×500×19 － － 0.6 B5R-.3 □500×500×19 8-#8 #3@350 0.3 B6N-.3 □600×600×19 － － 0.3 B6N-.5 □600×600×19 － － 0.5 B6Ra-.3 □600×600×19 8-#9 #3@350 0.3 B6Rb-.4 □600×600×19 16-#9 #3@350 0.4 備註：
橫向箍筋間距為柱試體中間段之間距(mm) (資料來源：本研究整理)
圖 3-1 箱型鋼柱斷面設計圖
圖 3-3 填充型箱型鋼柱箍筋及柱板透氣孔配置示意圖
(資料來源：本研究整理)30 30 4@200=800 4@350=1400 4@200=800
3060 50 40 390 5@440=2200 390 40
20 透氣孔 熱電偶 線孔位
unit：mm
圖 3-4 填充型箱型鋼柱試體端部設計圖
貳、試體製作
試體製作程序如下：
1. 依設計圖裁切鋼板、鑽孔及開槽。
2. 裁切主筋及製作箍筋，組裝鋼筋籠。
3. 柱板及兩端端板以銲接接合固定成 U 字形。
4. 安裝熱電偶至預定量測位置。
5. 鋼筋籠吊裝至試體 U 字形內。
6. 柱體組裝銲接施工。
7. 混凝土灌漿作業。
8. 混凝土養護
9. 安裝柱面熱電偶測點
試體由鋼鐵廠依設計圖樣進行製作組裝，試體分為箱型鋼柱內有、無配置縱 向主筋。對於有配置縱向主筋試體之製作程序為依照上述1 至 9 步驟，而無配置 縱向主筋試體為步驟 1、3 至 9。以主筋和箍筋綁紮組裝鋼筋籠，再將 3 面柱板 與兩端端板接合成U 字形，即分別進行安裝各部位之熱電偶測點，如圖 3-5 所示；
鋼筋籠吊裝至 U 字形試體內，將預先安裝完成之熱電偶線分別經由試體頂端柱 板預留孔延伸出試體外，確定各測點訊號正常，再進行試體柱板和其它肢材之銲 接作業，如圖3-6 所示。試體柱板全滲透銲接處皆利用超音波檢測確保銲道無缺 陷，再進行混凝土灌漿作業。
本研究試體箱型鋼柱板之鋼骨材料採A572 Grade 50 等級，降伏強度為 3.98 tf/cm2，抗拉強度為5.36 tf/cm2。內灌混凝土採自充填混凝土，28 天之標準圓柱 試體抗壓強度約為528 kgf/cm2，混凝土配比於表3-2 所示。對於有配置縱向主筋 試體，B4 與 B5 系列試體之主筋(8 號竹節鋼筋)降伏強度為 5280 kgf/cm2，而B6 系列試體主筋(9 號竹節鋼筋)降伏強度為 5120 kgf/cm2。
圖 3-5 試體組裝之 U 字形與鋼筋籠示意圖
(資料來源：本研究整理)圖 3-6 箱型鋼柱試體
(資料來源：本研究整理)表 3-2 試體內灌混凝土之配比
每1 m3混凝土配比用量(kg)水泥 爐石 飛灰 水 附加劑 細骨材 粗骨材 329 66 44 175 7.03 992 780 備註：
1. 設計空氣含量為 1.5%
2. 骨材最大粒徑為 19 mm 3. 水膠比為 0.397
(資料來源：本研究整理)
參、熱電偶測點分佈
結構構件於火場下之構件溫度會影響其結構行為，而為瞭解及探討試體溫度 分佈及行為影響，本研究將參照我國 CNS 12514 規定與相關文獻建議，規劃試 體溫度測點位置與數量，以量測不同位置之溫度；溫度測點將採用 0.75 級性能 以上及直徑0.65 mm 之 K 型熱電偶，分別位於試體受熱段(2800 mm)之 2 個斷面 高度設置熱電偶測點。
由鋼骨、鋼筋及混凝土組合而成之試體，使溫度測點分佈主要依不同材料及 距試體之深度區分。所有試體之鋼骨測點皆於柱板中間寬度及箱型鋼角隅處設置 為3 個測點；對於有配置縱向主筋試體，鋼筋測點於主筋及箍筋設置 3 個測點，
混凝土測點於距混凝土表面至中心處分別設置2 至 3 個測點，如 B4R 及 B5R 系 列試體為距混凝土表面120 mm 及中心處設置，而 B6R 系列為距混凝土表面 120、
200 mm 及中心處設置；無配置縱向主筋試體之混凝土測點則設置 3 至 4 個測點。
詳細試體溫度測點分佈，如圖3-7 所示；實際試體內部熱電偶安裝樣式，如圖 3-8 所示。
圖 3-7 填充型箱型鋼柱試體之溫度測點分佈
(資料來源：本研究整理)630 900 1530
3060
H H
I I
B 4080 ½B
½H
H C1C2C3
S2 S1 S3
(a) 無配置縱向主筋試體
4080 ½B B
H ½H
C1 C2 R2R1
R3 S1 S2
S3
(b) 有配置縱向主筋試體
unit：mm
▲鋼骨測點；✕鋼筋測點；●混凝土測點