第四章 結果分析與討論
第二節 鋼柱受火害後之殘餘承載力試驗結果
本研究製作實尺寸填充式箱型鋼柱混凝土試體，於箱型鋼柱內灌注 SCC，
箱型鋼柱外表面施作防火漆被覆，並參酌現行 Eurocode 4 規範中柱構件的火害 設計荷重等級（fi,t），對此填充式箱型鋼柱試體施予固定載重比（0.28）的軸 向壓力後，隨即對試體進行升溫來模擬遭受火害的情況，依標準升溫曲線加熱 至設定的實驗終止條件(鋼板平均溫度達 400℃、600℃及 800℃)，以觀測各試 體的火害行為。保持固定載重比（0.28）的軸向壓力，待試體自然冷卻至常溫 後，再對試體進行加載試驗，藉以研究內含自充填混凝土箱型鋼柱於火害後之 殘餘承載力。
一、箱型鋼柱試體試體試驗前儀器設置
於試體表面先以防火棉包覆部分外露於柱身之熱電偶，其餘鋼板表面塗佈 防火漆。防火漆依生產商技術規範建議，達防火時效一小時需塗佈厚度為 1.0mm 以上，將柱試體鋼板分三次表面塗佈防火漆，最後以膜厚計量測得防火 漆厚度分布在 1.18mm 至 1.56mm 間。再將柱試體以天車吊入複合實驗爐中，
以進行固定安裝。試體上方以端板固定於上球座，以模擬鉸支承；試體下方以 端板固定於下球座。下方球座連接 20000 kN 的柱加載設備，可對柱試體進行
加載，並由加熱爐於試體四周給予加熱模擬火害受熱情形。CFBC 試體加載設 備設置完畢後，將熱電偶線連結到資料擷取器，經測試確定訊號正常，再將尚 未包覆防火棉之熱電偶線包裹，蓋上加溫爐蓋板，並以防火棉將空隙填實，防 止實驗過程中高溫氣體自爐內散出而造成人員危險。最後在加載設備上下之南 北端各架設一支位移計，共四支，以紀錄試驗中的軸向變形。箱型鋼柱(B2) 試驗前之外觀如圖 4-2 所示。
圖 4-2 箱型鋼柱 B2 試驗前之外觀
（資料來源：本研究整理）
二、箱型鋼柱試體火害試驗步驟 1.火害試驗前
火害試驗過程中，須維持固定的加載來模擬箱型鋼柱所承受之房屋載重，
因此在高溫試驗前，對 CFBC 試體先進行加載，而施加載重為 0.28Pn，其試驗 載重先施加 50T 以固定試體，穩定後鎖上端點螺栓，再繼續加載其餘載重至試 體上。在施加載重為 0.28Pn 力量不變時，對試體持壓十分鐘，當試體變形不 再變化時記錄其軸向變形量。於試驗開始前 5 分鐘內，記錄熱電偶之初始值，
並檢查一致性；此外，爐內溫度需小於 50℃及室內氣溫須在 10℃~40℃範圍之 內進行試驗。
2.火害試驗過程
持壓穩定後，當溫度依照標準加熱曲線函數開始加熱之際，即視為高溫試 驗開始。進行高溫試驗時，爐內之溫度變化應根據 CNS 12514 標準升溫曲線規 定進行控制。當試驗進行時同步記錄試驗經過時間，熱電偶量測以每隔十秒量 測一次，至於垂直變形量，則視實驗設備狀況，每間隔一段時間進行量測，而 變形速率則依垂直變形量推算而得。最後須注意觀察試體是否達到設定溫度，
或其他之終止條件，並記錄其試體破壞的時間。試驗結束後，並記錄 CFBC 試 體之軸向變形數據，及觀察防火被覆之開裂與變色、軟化…等現象。鋼板內外 熱電偶之均溫達到設定溫度(400℃、600℃及 800℃)即視為試驗終止條件，當 溫度達到設定溫度時，隨即關閉爐火並打開爐蓋使試體自然冷卻至常溫後，即 可進行加載試驗。試體(B1、B2 及 B3)高溫試驗後之外觀如圖 4-3 所示。由現 場檢視可知，三隻試體表面之防火漆皆已燒膨脹且大部分脫落，但柱體表面皆 保持平整無挫曲現象，且就受力變形圖研判，柱體應完整並無破壞發生。
圖 4-3 試體(B1、B2 及 B3)高溫試驗後之外觀
（資料來源：本研究整理）
3.火害後加載試驗過程與終止
當試體自然冷卻至常溫之後，將施加固定軸向壓力載重卸載，並重新自零 載重進行加載試驗。在試驗中，若量測結果發現超過最大軸向壓縮量及最大軸
向壓縮速率兩項性能標準，及視為試體承重能力失敗。此外，試體達到挫屈破 壞之際，加載設備之油壓將出現不正常壓降，加載系統亦將自動終止加載。對 於本次試驗 CFBC 試體所容許的最大軸向壓縮量不得超過 30.4 mm(實際設定為 40 mm)；且最大軸向壓縮速率不得超過 9.1（mm/min）。箱型鋼柱試體火害後乘 載力試驗結果外觀如圖 4-4 至圖 4-6 所示。
圖 4-4 試體 B1 之局部挫屈情形
（資料來源：本研究整理）
圖 4-5 試體 B2 之局部挫屈情形
（資料來源：本研究整理）
圖 4-6 試體 B3 之局部挫屈情形(無焊道開裂)
（資料來源：本研究整理）
三、箱型鋼柱試體火害後試驗結果與分析
本研究選用火害溫度設定為箱型鋼柱試體鋼材之平均溫度達 400℃、600
℃及 800℃為中止火害時間點。經火害試驗後，箱型鋼柱試體之各項數據紀錄 如表 4-1 所示。由表中可知，達設定溫度之火害終止時間分別為 22 分鐘、78 分鐘及 105 分鐘，其終止時鋼板均溫分別為 403℃、609℃及 802℃，與預設之 400℃、600℃及 800℃相當接近。終止時混凝土均溫分別為 89℃、274℃及 462
℃，與鋼板均溫相差約 310℃至 350℃間。火害試驗終止時柱試體垂直位移分 別為 7.9mm、11.5mm 及-1.0mm，如圖 4-7 至圖 4-9 所示。圖中結果顯示，當火 害試驗中鋼材之平均溫度分別達 400℃(B1)及 600℃(B2)時，其柱試體尚處於 膨脹階段(膨脹為正)，主要原因為鋼材受熱膨脹所造成。但鋼材均溫達 800℃
(B3)時，因材質軟化，彈性模數已經大幅下降，導致柱試體呈現壓縮狀態。溫 度終止試體自然冷卻後，因載重持續中，故柱試體垂直壓縮位移分別增加變為 -0.1mm、-3.4mm 及-21.0mm，如圖 4-10 至圖 12 所示。此結果顯示，B1 試體應 該受火害影響不大，其垂直位移幾乎已經回歸至火害前原狀態(-0.1mm)。B3 試體則受火害影響較大，其垂直位移較火害前原狀態增加了 21.0mm 如圖 4-13 所示。
實驗組試體在火害加溫段，爐溫平均溫度、鋼板平均溫度與混凝土平均溫 度在不同時間下之關係如圖 4-14 至圖 4-16 所示。
表 4-1 火害試驗數據紀錄表
*表中位移以試體受到 0.28Pn時之位移為基準(0.0)；括號內位移為絕對位移
（資料來源：本研究整理）
圖 4-7 試體 B1 火害加溫段軸向變形與時間之關係
（資料來源：本研究整理）
試體編號
B1 B2 B3
設定終止溫度(°C) 400 600 800 達設定溫度之時間(min) 22 78 105 終止時爐溫均溫(°C) 795 985 1027 終止時鋼板外均溫(°C) 432 622 863 終止時鋼板內均溫(°C) 374 597 741 終止時鋼板均溫(°C) 403 609 802 終止時混凝土均溫(°C) 89 274 462 終止時位移(mm)(膨脹為正) 7.9(-2.0) 11.5(1.6) -1.0(-10.9) 冷卻後位移(mm)(膨脹為正) -0.1(-10.0) -3.4(-13.3) -21.0(-30.9)
圖 4-8 試體 B2 火害加溫段軸向變形與時間之關係
（資料來源：本研究整理）
圖 4-9 試體 B3 火害加溫段軸向變形與時間之關係
（資料來源：本研究整理）
圖 4-10 試體 B1 火害加溫段軸向變形與時間之關係
（資料來源：本研究整理）
圖 4-11 試體 B2 火害加溫段軸向變形與時間之關係
（資料來源：本研究整理）
圖 4-12 試體 B3 火害加溫段軸向變形與時間之關係
（資料來源：本研究整理）
圖 4-13 試體火害加溫段軸向變形與時間之比較圖
（資料來源：本研究整理）
圖 4-14 加溫段爐溫、鋼板與混凝土平均溫度圖(B1)
（資料來源：本研究整理）
圖 4-15 加溫段爐溫、鋼板與混凝土平均溫度圖(B2)
（資料來源：本研究整理）
圖 4-16 加溫段爐溫、鋼板與混凝土平均溫度圖(B3)
（資料來源：本研究整理）
試體火害加溫達鋼板預定溫度即關閉火爐，讓試體自然冷卻至常溫之後，
將施加固定軸向壓力載重先行卸載，並重新自零載重開始進行加載試驗至破壞 為止。試體火害後之殘餘承載力試驗，其抗壓軸向變形與軸力之關係試驗結果 如圖 4-17 至圖 4-20 所示。由圖中結果可知，試體 B1 火害後之抗壓軸力可達 1210.2 tf ， 較 本 章 第 一 節 估 算 之 箱 型 鋼 柱 試 體 乘 載 力 ( 標 稱 受 壓 承 載 力)1022.8 tf 還高，此結果顯示，雖然鋼板平均溫度達 400℃，但依文獻資料 可知，其冷卻後強度不至於受損，但此時內部混凝土溫度僅約 90℃，依文獻 資料可知，其冷卻後抗壓強度應該會升高，故導致此項試驗結果，另外規範建 議值一般皆較保守，會有低估之現象。試體 B2 抗壓軸力較 B1 試體略減達 1161.9 tf，約為 B1 結果之 96%。但還是比第一節規範估算之箱型鋼柱試體乘 載力高，此時鋼板平均溫度雖達 600℃，依文獻資料可知，其冷卻後強度已經 會有小部分受損，但此時內部混凝土溫度約 275℃，承受 200℃以上溫度火害 時間僅約 15 分鐘而已，依文獻資料可知，其冷卻後抗壓強度可能會升高，故 其整體殘餘承載力依舊可維持。試體 B3 之抗壓軸力則較大幅衰退，僅可達 969.2tf，此時鋼板平均溫度達 800℃，其冷卻後強度將會有一定程度受損，
且此時混凝土承受 200℃以上溫度火害時間達 40 分鐘，承受 400℃以上溫度火 害時間達 20 分鐘之久，依文獻資料可知，其冷卻後強度將會有相當程度的受 損。若以鋼板平均溫度 400℃之 B1 組為基準，則 B3 組之殘餘承載力僅剩約 80%。
若就圖 4-20 中三支試體之垂直位移探討之，可以發現，B1 及 B2 組在出 現極限承載力時，其垂直位移值約在 33mm 左右，但 B3 組之垂直位移值僅約在 25mm 左右，明顯的已經受到火害之影響，顯現出較脆之性質。
就破壞模式觀之(圖 4-4 至 4-6)，試體 B1 及 B2 皆為鋼柱產生局部挫屈而 破壞，且發生焊道開裂情形。試體 B3 雖亦為局部挫屈破壞，但無焊道開裂情 形發生。
箱型鋼柱火害試驗進行時，本研究亦同步進行混凝土圓柱試體在各溫度火 害後之強度比較試驗，混凝土試驗齡期為 110 天(與火害試驗同步)；常溫為 27 度；冷卻方式為自然冷卻，升溫曲線亦與箱型鋼柱火害試驗相同，在加熱 溫度到達時持溫一小時，然後將爐門打開讓試體和高溫爐一起降溫。其殘餘強 度試驗結果如圖 4-21 所示。由圖中結果可知，混凝土在承受 400℃火害溫度 下，其殘餘抗壓強度反而是升高的，升高最高可達 14%左右，此結果與一般文 獻說明不同，有可能為試體在加熱溫度(爐溫)到達時雖持溫一小時，但試體內
箱型鋼柱火害試驗進行時，本研究亦同步進行混凝土圓柱試體在各溫度火 害後之強度比較試驗，混凝土試驗齡期為 110 天(與火害試驗同步)；常溫為 27 度；冷卻方式為自然冷卻，升溫曲線亦與箱型鋼柱火害試驗相同，在加熱 溫度到達時持溫一小時，然後將爐門打開讓試體和高溫爐一起降溫。其殘餘強 度試驗結果如圖 4-21 所示。由圖中結果可知，混凝土在承受 400℃火害溫度 下，其殘餘抗壓強度反而是升高的，升高最高可達 14%左右，此結果與一般文 獻說明不同，有可能為試體在加熱溫度(爐溫)到達時雖持溫一小時，但試體內