第二章 國內外規範與文獻回顧
第八節 鋼骨鋼筋混凝土柱於高溫下之行為
壹、鋼骨鋼筋混凝土柱之高溫潛變挫屈行為
國內外有關填充型箱型柱高溫潛變挫屈行為的研究並不多，尤其是探討銲接工法 對其火害行為影響之研究更是罕見，此顯示本計畫為一相當新的研究課題。然而，在 文獻資料庫中可發現，有關於常溫或高溫下柱構件（包括鋼柱或鋼筋混凝土柱）潛變 挫屈之研究相當豐富，可提供試驗規劃參考之用。有關這些文獻之摘要，謹摘錄整理 如表 2-3。
表 2-3 鋼柱或鋼筋混凝土柱高溫潛變挫屈行為之相關文獻
作者與研究主題 主要研究成果與結論
Bazant, Z.P. and Tsubaki, T. (1980), “Non-linear creep buckling of reinforced-concrete columns”, Journal of the structural division-ASCE, 106(11): 2235-2257.
研究鋼筋混凝土柱的潛變挫屈行為
Behan, J.E. and Oconnor, C. (1982), “Creep buckling of reinforced-concrete columns”, Journal of the structural division-ASCE, 108(12): 2799-2818.
研究鋼筋混凝土柱的潛變挫屈行為
Hoff, N.J. (1957), “Buckling at High Temperatures”, Journal of the Royal Aeronautical Society,61: 756-774.
最早開始研究鋼柱在高溫下的潛變挫屈行為 Furumura, F. and Ave, T. (1984), “Creep buckling of steel
columns at high temperatures: Part I Development of Creep Buckling Test Apparatus”, Journal of Structural and Construction Engineering, Transactions of the Architectural Institute of Japan. (344), 164-173, 1984-10-30
進行兩種細長比（46.9和25.1）H型鋼柱之高溫潛變挫屈 實驗與分析，H型鋼柱試體分別在475℃、500℃、525℃、
550℃等四種固定高溫進行實驗。
Huang, N.C. (1976), “Creep buckling of imperfect columns”, Journal of Applied Mechanics 43: 131-136.
研究分析有關幾何形狀不完美柱的潛變挫屈行為，發現 會造成柱潛變挫屈之軸向壓力的上、下界線。
Huang, Z.F., and Tan, K.H. (2003), “Rankine approach for fire resistance of axially-and-flexurally restrained steel columns”, Journal of Constructional Steel Research, 59:
1553-1571.
利用Rankine Formula並考慮潛變效應，建立一套鋼柱在 火害高溫下的分析方法。
Huang, Z.F., Tan, K.H. and Ting, S.K. (2006), “Heating rate and boundary restraint effects on fire resistance of steel columns with creep”, Engineering Structures 28(6): 805-817.
以數值方法研究不會側移的構架中鋼柱的高溫耐火能 力，其方法考慮鋼材的高溫潛變效應。
Vinogradov, A.M. (1985), “Nonlinear effect in creep buckling analysis of columns”, ASCE Journal of Engineering Mechanics 111(6): 757-767.
研究分析受偏心載重柱的潛變挫屈行為，且比較了線性 和非線性分析的解。
Sadaoui, A. and Khennane, A. (2009), “Effect of transient reep on the behaviour of reinforced concrete columns in fire”, Engineering Structures, 31(9): 2203-2208.
研究鋼筋混凝土柱在火害高溫下的暫態潛變行為，發現 暫態潛變將會引進額外的壓應力於柱中，並放大柱內的 撓曲彎矩，進而造成柱的破壞。
Tan, K.H., Ting, S.K., Huang Zhanfei (2002),
“Visco-elasto-plastic analysis of steel frames in fire”, ASCE Journal of Structural Engineering, 128(1): 105-114.
利用有限元素程式並加入潛變效應，建立了一套鋼構架 在火害高溫下的分析模式，研究發現在400℃以上潛變效 應 開 始 影 響 分 析 結 果 ， 經 由 數 值 分 析 結 果 發 現 Eurocode-3 Pt. 1.2在預測鋼柱的破壞溫度並不保守。
Sakumoto, Y., Okada, T., Yoshida, M., Tasaka, S. (1994),
“Fire resistance of concrete-filled, fire resistant steel tube column” Journal of Material in Civil Engineering, Vol. 6, No.2.
利用耐火鋼進行實尺寸耐火鋼鋼管混凝土的防火實驗。
試驗結果顯示，利用內灌混凝土之熱容量之特性，耐火 鋼鋼管混凝土僅需少量之防火被覆即能達到其優越耐火 性 。 本 研 究 所 採 用 之 耐 火 鋼 鋼 管 混 凝 土 斷 面 為 300mmx300mm柱高3500mm，耐火鋼板厚1mm~5mm。
Zeng, J.L., Tan, K.H. and Huang, Z.F. (2003), “Primary creep buckling of steel columns in fire”, Journal of Constructional Steel Research 59: 951-970.
提出一套分析pin-pin邊界條件的鋼柱在火害高溫下潛變
貳、填充型鋼骨混凝土柱於高溫下之行為
有關填充型鋼骨混凝土柱於高溫下行為之文獻，包括填充型鋼管及箱型混凝土柱 載重比、填充型箱型柱全滲透銲與半滲透銲銲接方式之規定與比較、填充型鋼管混凝 土柱或填充型箱型柱防火被覆之規定與比較等，謹列述如下。
Lie 等（1996）研究混凝土填充鋼管柱之耐火時效，認為影響其火害行為的重要因 子為：
此外，根據鋼柱耐火時效之試驗結果與上述因子的關係，Lie 等（1996）提出鋼柱耐火 時效之簡易計算式：
圖 2-22 不同性質混凝土所灌製之鋼管柱
（資料來源：Kodur（1998））
圖 2-23 不同性質混凝土所灌製鋼管柱之耐火時效
（資料來源：Kodur（1998））
林草英（1999）由試驗方式探討鋼管混凝土柱在不同厚度的防火被覆、延燒時間、
冷卻狀況及箱型鋼柱之厚度對於火害後殘餘強度之影響。試驗結果顯示，防火被覆愈 薄，其強度的折減率愈高；鋼管厚度愈薄時，其熱傳速率愈快，且強度及韌性均會明 顯下降；高溫下之鋼管混凝土柱經噴水試驗冷卻後，其降伏強度亦會隨之下降。
方朝俊（2000）探討火害對耐火鋼構件銲接及栓接行為之影響，指出即使同樣的 斷面幾何形狀，由於銲接開槽的方式不同，殘留應力也有差異。其最主要的差異來自 於銲接時的入熱量，由於全滲透銲和半滲透銲之開槽深度不同，一樣的母材形狀尺寸，
全滲透的開槽面積較半滲透銲大。因此，銲接時，同一相對位置的銲道，需要的銲數 也較多，同時銲接的入熱量也相對提高。由此觀之，銲接的形態也是探討的對象之一。
其試驗製作 8 組試體（4 組半滲透銲，另 4 組為全滲透銲），以進行火害試驗。其試驗 結果分述如下：
針對開槽方式而言，全滲透銲由於入熱量較大，故其殘留張應力亦較半滲透銲大。
由於壓應力必須去平衡張應力，故隨著張應力的增加，壓應力也隨之變大。
針對斷面大小而言，由於斷面較小，則必須在較小的區域內去平衡張應力。因此，
殘留壓應力值會較大。換言之，斷面小束制大，這種現象在全滲透銲相當明顯。
火害後，殘留應力值，不論是張應力或壓應力皆大幅降低，其原因為先前因銲道 局部高溫加熱，造成在銲道附近的區域欲收縮而產生高額的張應力。經火害處理 後，整體區域皆達到高溫，不若銲接只在特定的某區域入熱，自然其差異的變形 較少，故殘留應力的值大幅下降。
針對火害後的殘留張、壓應力分布位置而言，由於先冷卻的板元其最終所受的應 力是壓應力，而可得分布的結果。其原因為在火爐狹小密閉的空間中，由於熱空 氣密度輕，所以上方的溫度會較兩側高，故在相同的時間內冷卻，左右兩側會較 早冷卻。而下側的肢材由於接觸的空氣的面積較少，但加熱時間長，鋼的熱傳能 力佳，故試體整體溫度還均勻，但冷卻時，因為接觸空氣的面積小，較兩側肢材 而 30，故兩側的肢材受壓應力，而上下肢材受張應力。
蕭綺賢（2002）探討鋼鐵材料在火場中耐高溫之行為研究，曾模擬實際結構中之
鋼材受火害的行為表現，其研究包括巨觀行為、火害後鋼材耐火性能、破斷面分析以 及 SEM 微觀組織分析四部分。在變數設定上，係以鋼材承受應力及火害溫度作為主要 變數；其中，鋼材實際受力情況分別以 0.4Fy、0.6Fy、0.8Fy、1.05Fy及 1.1Fy模擬之；
而火害溫度方面，則有 200℃、300℃、400℃、500℃及 600℃五組；至於加熱時間與 卸溫時間皆為 1 小時。渠等之研究結果顯示，鋼材承受應力愈大、溫度愈高，鋼材所 產生的最大應變及殘餘應變亦愈大。當鋼材承受的應力及溫度到達一個極限時，鋼材 便產生破壞，但其破壞的型式並非為潛變所成之沿晶破壞，而是因為超載（overload）
所造成的微孔型穿晶破壞（dimpled rupture）。由於鋼材在破壞時所造成的變形相當小，
故其微觀組織內之微孔（dimple）小且淺。另外，對於火害後鋼材的耐火性能，經由 規定，所有試體採相同之複合斷面尺寸 370×370mm，總長度為 3480mm，有效長度為 2310mm，圍束區長度為 650mm。實驗過程中承受軸力的試體，其軸力皆為 0.13Pn。
寬度或半徑之比、斷面尺寸等參數對試體的殘餘強度有一定程度的影響；此外，亦依 據實驗結果合理推導相關公式。
Han 等（2005）以實驗和理論推導公式計算比較方型、圓型鋼管內灌自充填混凝 土受軸向載重之變形破壞行為。主要依據 ACI、AISC-LRFD、AIJ、BS5400 和 EC4 等 5 種規範，以計算其預測值，並與實驗結果相互比較。渠等之試驗結果顯示，以方型 鋼管內灌混凝土之設計規範，計算方型鋼管內灌混凝土的強度是可行的。
Kim 等（2005）進行 20 組未施作防火被覆的方形與圓形鋼管混凝土柱於軸向受力 之耐火試驗，以探討載重力之大小、斷面積的尺寸、混凝土的強度、加熱長度等因素 對耐火時效的影響。渠等之分析結果顯示，歐洲 EC4 規範及日本 AIJ 規範在耐火時效 之預測值與實驗值相當接近，能有效預測試體之耐火時效。
Chung 等（2008）以四種不同之分析模型進行熱傳分析及非線性熱應力分析，並 與實驗結果比對，藉以探討鋼管混凝土柱受軸力下之機械性質，如材料性質、溫度變 化、軸向變形等。其分析結果顯示，混凝土之性質對於鋼管混凝土柱之耐火時效有較 明顯的影響，且可合理預測實際狀況鋼管混凝土柱受軸力下之耐火時效。
沈家豪（2010）從事鋼骨鋼筋混凝土柱塑性轉角容量之研究，製作 9 組試體進行 試驗，其施加軸力由 0tf 至 280tf，利用 Xtract 軟體分別對於各斷面進行軸力彎矩互制 圖的分析，藉以瞭解各斷面於強弱軸彎矩時之平衡破壞點。其研究試驗所加載之軸力 大約略高於平衡破壞點，雖位於壓力破壞區，但實際上圍束區之混凝土仍具有韌性且 主筋仍為拉力破壞。
對於結構物主要桿件（樑、柱），我國建築技術規則與日本建築基準法皆有防火時 效的規定。如建築物自頂樓向下計算，一至四樓需 1 小時防火時效，五至十四樓需 2 小時防火時效，而自頂樓往下計算十五樓以上則需 3 小時防火時效。防火時效的意義 為構件在以上時效內，歷經標準升溫曲線的燒烤下，鋼體本身的溫度不得超過 350℃。
至於設定在 350℃以下的原因，主要為傳統鋼材溫度達 350℃時，其降伏強度只為其室 溫時降伏強度 Fy的 2/3（Nippon Steel Corporation.（1992）），而 2/3Fy為鋼在永久載重 下之最大容許應力。因此，在強度需求的考量下，乃設定 350℃為鋼構規定的容忍限
度。然而，在一般火災現場中，通常只需 1 小時之延燒，火場的溫度即可達到 900℃，
故需藉助防火被覆之保護方能使鋼構件的溫度在防火時效內不超過 350℃，此即為日 本建築基本法傳統耐火設計中加熱試驗之測試目的。
何奇鈺（2008）從事鋼結構用防火被覆材料之熱傳特性研究，探討國內生產的防
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