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 年研究成果、文獻與相關設計規範建議等，
以了解柱端點為固定端或鉸接端及有（有彎矩）、無偏心距對填充型箱型鋼柱耐 火行為之影響。由本所 103 年度研究成果(王天志 2014)顯示，端點為固定端有束 制、無噴塗防火被覆之承重箱型鋼管混凝土柱，在低載重比下防火時效為 53 分 鐘，為進行比較，本研究規劃柱端點為鉸接端，在有、無偏心距（有彎矩）下之 填充型箱型鋼柱 2 支試體，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。
試體箱型鋼柱內均為自充填高流動性純混凝土（SCC）。柱試體尺寸及有偏
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心距之配置如圖 3-2 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。另外，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，為避免灌漿時損害 熱偶線，故將其設為偏心。
表 3-1 試體規劃
試體編號 偏心距(mm) 斷面尺寸 B×H×t (mm) 施加 載重比
EC0 0
400×400×12 0.28 EC50 50
備註：1. 箱型鋼管混凝土柱常溫承載力由 SRC 設計規範計算。
2. 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、柱板透氣孔及偏心配置示意圖
(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，此時依試體有無偏心距，將試體端版進行有無偏心距之焊接，以 使未來進行加載試驗時可產生偏心彎矩。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。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，試體銲接完成後外觀如圖 3-5 所示。鋼柱完成後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，設計坍流度為25 cm，粗粒料標稱最大粒徑為 19 mm，水膠比為 0.33，
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：本研究拍攝)
圖 3-4 安裝熱電偶
(資料來源：本研究拍攝)
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圖 3-5 鋼柱試體外觀
(資料來源：本研究拍攝)
表 3-2 試體內灌混凝土之配比
組成材料使用量(kg/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=0.314
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。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，鋼柱及圓柱抗壓試體均採 現地室內空間下養護，圓柱抗壓試體並予以包上保鮮膜，以模擬鋼柱內混凝土被 鋼柱包圍水分不易散失的行為。此外，製作混凝土圓柱試體，並於規劃齡期（28 天及火害試驗前）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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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 EC50 試體 為偏心加載單軸對稱，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，另於內部安裝 3 點熱電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。詳細試體溫度測點分佈，如圖 3-6 所示。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 3-7 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。
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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 3-6 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)
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圖 3-7 外側鋼材熱電偶之安裝
(資料來源：本研究拍攝)
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