第三章 箱型鋼管混凝土柱火害實驗
第二節 試體規劃設計與製作
實驗試體規劃主要參考本所 103 及 104 年研究成果、文獻與相關設計規範建 議等，以了解柱端點為鉸接端時不同彎矩載重對填充型箱型鋼柱耐火行為之影響。
由本所 104 年度研究成果(王天志 2015)顯示，端點為鉸接端、無噴塗防火被覆之 承重箱型鋼管混凝土柱，在低載重比（0.28）下、無偏心加載防火時效為 60 分 鐘，偏心加載 5 公分（偏心彎矩 12.95 tf-m）時防火時效為 59 分鐘，其影響並不 十分明顯，為進一步討論彎矩載重影響，本研究延續規劃柱端點為鉸接端，受外 加彎矩載重作用下之填充型箱型鋼柱試體，如表 3-1 所示。
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」。試體鋼骨 部分採用SN 490B 規格鋼材。箱型鋼柱乃由 4 片厚 12 mm×長 4200 mm 之鋼板以 全滲透開槽銲接組合；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。
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試體箱型鋼柱內均為自充填高流動性純混凝土（SCC），另外考量試體灌漿 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，柱試體尺寸及透氣孔之配置如圖 3-2 所示。另於柱試體再設計兩 處熱電偶線孔，方便柱試體內部測點之熱電偶線能順利接上爐外的溫度資料擷取 器上；在上端板預留一直徑150 mm 之灌漿口，混凝土灌漿凝固後，再用無收縮 水泥填補，使保持平面，以傳遞試驗時之軸向載重。
表 3-1 試體規劃
試體編號 施加彎矩載重比
斷面尺寸 B×H×t (mm) 施加軸向載重比
（載重 tf）
M075 0.75 400×400×12 0.28 備註：1. 箱型鋼管混凝土柱軸向常溫承載力由 SRC 設計規範計算。
2. 箱型鋼管混凝土柱於某軸向載重下，所能承受最大彎矩強度由 SRC 設計規範計算。
3. 彎矩載重比=施加彎矩載重/最大彎矩強度。
4. 試體上下端點為鉸接。
(資料來源：本研究整理)
圖 3-1 箱型鋼柱斷面設計圖
(資料來源：本研究整理)
B
H t
t
FB 12×25
7 35°
TYP.
B×H：400×400 t ：12
unit：mm
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圖 3-2 箱型鋼柱及柱板透氣孔配置示意圖
(資料來源：本研究整理)
單位：mm
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貳、試體製作
試體製作程序如下：
1. 設計圖繪製。
2. 依設計圖放樣、落樣、裁切、鑽孔及開槽。
3. 柱板以銲接及假固定接合成 U 字形。
4. 安裝內部熱電偶至預定量測位置。
5. 柱體組裝銲接施工。
6. 安裝試體柱面之熱電偶測點 7. 銲接柱兩端端板。
8. 混凝土灌漿作業及製作標準圓柱抗壓試體。
9 . 灌漿口混凝土收縮塗抹無收縮水泥補平。
10. 進行混凝土養護。
箱型柱是由鋼板單元組合而成，另方面於鋼板片上放樣標示出上下端鋼板、
加勁板之尺寸。於組裝過程中須輔以固定用點銲俟構件整體完成鋼板片用料定位 後得再施予正式金屬接合之銲接作業。
試體由鋼鐵廠依設計圖樣進行製作組裝， 3 面柱板假固定接合成 U 字形，
如圖 3-3 所示。隨後則分別進行安裝混凝土及鋼板各部位之熱電偶測點，如圖 3-4 所示；將預先安裝完成之熱電偶線分別經由試體柱板頂端預留孔延伸出試體外，
進行測點編號及確定各測點訊號正常，再進行試體第 4 面柱板之銲接作業，如圖 3-5。試體柱板全滲透銲接處皆利用非破壞檢測確保銲道無缺陷。鋼柱完成後先 從鋼構廠運送至本實驗中心，再進行混凝土灌漿作業
本研究試體箱型鋼柱板之材料採SN 490B等級。內灌混凝土採高流動性自充 填混凝土，預定設計坍流度為60 cm，粗粒料標稱最大粒徑為 19 mm，水膠比為 0.3，28 天之標準圓柱試體設計抗壓強度為 420 kgf/cm2，混凝土配比於表 3-2 所 示。
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圖 3-3 試體組裝假固定成U字形
(資料來源：本研究整理)
圖 3-4 安裝熱電偶
(資料來源：本研究整理)
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圖 3-5 鋼柱試體外觀
(資料來源：本研究整理)
表 3-2 試體內灌混凝土之配比
組成材料使用量(kgf/m3)
水泥 爐石 飛灰 水 粗粒料 細粒料 摻劑 260 80 160 150 780 925 7 註： 1.水膠比 W/B=0.3（不含摻劑時）
2. 試體 28 天設計抗壓強度為 420 kg/cm2 (資料來源：本研究整理)
箱型鋼柱完成後，採直立式灌漿，混凝土利用上方端板開口由上方倒入，係 利用5″PVC 塑膠管從頂板之灌漿孔把漿體澆置柱底部，並隨著漿體之上升將 PVC 塑膠管往上提升。在澆置適當高度後，將PVC 塑膠管裁短，以方便人員施作，試 體澆灌過程如圖 3-6 所示。在灌漿時，將控制其澆灌速度，以防熱電偶線脫落。
鋼柱試體完成混凝土澆灌作業後，於隔天將灌漿口因混凝土收縮，以無收縮水泥 補平，以使加載試驗時荷重能均勻傳遞到鋼板及混凝土，之後則進行混凝土的養 護。此外，製作混凝土圓柱試體進行抗壓強度試驗，以作為混凝土強度發展追蹤 及箱型鋼柱試體加載軸壓載重的計算依據。
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圖 3-6 試體澆灌
(資料來源：本研究整理)
參、熱電偶測點分佈
建築結構構件於火災時之構件內部溫度會影響其材料強度及結構行為，而為 瞭解及探討試體溫度上升速度、分佈及行為影響，本研究使用符合CNS 5534規範 的熱電偶（使用0.75級性能以上及直徑0.65 mm之K型熱電偶線）量測溫度，測定 試體混凝土及鋼材內外斷面溫度，分別位於試體高度中間處及中間處上下各1 m 距離處之3個斷面高度設置熱電偶測點。
由於 SRC 柱係內填充混凝土，試體由鋼骨及混凝土組合而成，因此溫度測點 分佈主要依鋼材及距試體之深度區分。另考量試體雖為 4 面受熱，但試體為受彎 矩加載單軸對稱，因此混凝土溫度量測取 1/2 斷面來配置熱電偶線，試體中間及 下部斷面溫度佈設相同，總計佈設 7 點；上部斷面溫度則採對角線佈設，總計佈 設 5 點。試體中間及下部斷面之外部鋼骨測點皆於柱板中間寬度及角隅處共設置 5 個測點，試體內部混凝土溫度測點佈設如圖 3-7 所示，另於內部安裝 3 點熱電
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偶量測鋼板中間寬度處內側溫度，鋼板總計 8 個測點；試體上部斷面外側鋼版佈 設 3 點，內側鋼板主要於角隅處佈設溫度測點共 3 點。試體中間及下部斷面總計 15 個測點，上部斷面總計 11 個測點，整支試體則共有 41 處熱電偶測點。鋼材 內部溫度測點採焊接方式固定，外側溫度測點因試體未施作被覆，為避免溫度測 點處及測溫線裸露於試體外受高溫損壞，外側測溫線亦埋設於試體內部，再於測 點處鑽孔伸出外側，量測點位固定方式捨焊接改採於鋼板面斜鑽孔後將測點塞入 並敲擊壓接使測點固定，如圖 3-8 所示。詳細試體溫度測點分佈，如圖 3-9 所示。
柱試體安裝於於加載設備前，先將熱電偶線連結到資料擷取器，以測試訊號是否 正常，若屬正常，則開始吊裝到加熱爐內，並以防火棉將空隙填實，藉以防止實 驗過程中高溫氣體自爐內散出而造成人員危險。
圖 3-7 試體內部混凝土溫度測點佈設
(資料來源：本研究整理)
圖 3-8 外側鋼材熱電偶之安裝
(資料來源：本研究整理)
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A-A 斷面
B-B 斷面（C-C 斷面佈法相同）
註: C 代表混凝土測點 S 代表鋼材測點
A、B、C 代表 3 個斷面
圖 3-9 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)
單位：mm
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肆、試體加載規劃
王天志（2015）年自行研究案「箱型鋼管混凝土柱偏心載重防火性能研究」， 進行有無偏心加載之影響，其加載型式如圖 3-10 所示。主要利用施加軸向載重 時偏離柱試體中心 5 公分（載重偏心率 e/H = 0.125），來產生偏心加載，偏心 5 公分為設備內建最大偏心距。若要施加更大的彎矩載重，除軸向載重外，則須在 端點外部施加載重來產生彎矩，加載型式如圖 3-10 所示。藉由調整外部載重施 加於不同位置，產生不同程度的彎矩載重。
圖 3-10 試體加載型式
(資料來源：本研究整理)
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