第二章 國內外規範與文獻回顧
第十節 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
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 2-8。
表 2-8 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
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 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。
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
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。
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。
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。
Kodur, V.K.R. (1999), “Performance-based fire resistance design of concrete-filled steel columns”, Journal of Constructional Steel Research 51: 21–36.
提出評估混凝土填充圓形與方形鋼管中空結構鋼（HSS）柱耐火性 的簡化設計方程式。
Wang, Y.C. (2000), “A simple method for calculating the fire resistance of concrete-filled CHS columns”, Journal of Constructional Steel Research 54: 365–386.
提出評估混凝土填充圓形鋼管中空結構鋼（CHS）柱耐火性的簡化 方法。
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。
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。
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挫屈行為 的簡易方法。
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。
Yang, H., Han, L.H., Wang, Y.C. (2008), “Effects of heating and loading histories on post-fire cooling behaviour of concrete-filled steel tubular columns”, Journal of Constructional Steel Research 64: 556–570.
提出評估混凝土填充圓形鋼管柱耐火性的有限元素方法。
陳韋夷(2009)，「鋼柱在高溫環境下之潛變挫屈研究」，國立成功大 學土木工程研究所碩士論文。
以向量式有限元素法之基礎理論，加入熱效應以及潛變效應，建立 平面鋼結構，研究鋼柱在高溫環境下之潛變挫屈行為。
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。
Hong, S., Varma, A.H. (2009), “Analytical modeling of the standard fire behavior of loaded CFT columns”, Journal of Constructional Steel Research, 65: 54-69.
提出評估一個包含三步驟的耦合分析方法，以預測混凝土填充圓形
Song, T.Y., Han, L.H., Yu, H.X. (2010), “Concrete filled steel tube stub columns under combined temperature and loading”, Journal of Constructional Steel Research, 66: 369-384.
提出評估承受高溫與荷重混凝土填充圓形鋼管短柱耐火性的有限 元素方法。
（資料來源：本研究整理）
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：
Kodur（1998）為瞭解鋼管柱灌入不同性質混凝土對耐火時效的影響，以純混凝土、
鋼筋混凝土、含鋼纖維高強度混凝土 3 種不同混凝土分別灌製填充型鋼骨混凝土柱（如 圖 2-30），再進行耐火試驗。經實驗發現，鋼管柱內灌純混凝土的耐火時效最短，而 含鋼纖維混凝土鋼管柱的耐火時效為最長者（如圖 2-31）。因此，他建議以含鋼纖維 混凝土鋼管柱用於防火安全的建築結構上。
圖 2-30 不同性質混凝土所灌製之鋼管柱
（資料來源：Kodur（1998））
圖 2-31 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 研究發現在性能上並沒有折損，還是維持相當好的耐火性能。
王慶雲（2002）探討高強度混凝土之鋼骨鋼筋混凝土耐震行為，共製作 27 只試體，
其軸力比（P/Pn）分別使用 0.1、0.25 及 0.4，其中 Pn為 SRC 複合構材之標稱抗壓強度。
詹富傑（2004）研究軸力及雙向彎矩作用下之鋼骨鋼筋混凝土柱耐震行為，藉由實驗 方式在不同鋼骨與全斷面之強度比（Ms/Msrc）及不同雙向彎矩大小組合下，探討鋼骨 鋼筋混凝土柱之耐震行為進行探討。其實驗共製作 24 只試體，構材配置依 ACI 318-95 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。 Han 等（2003）以 11 支矩形鋼管混凝土柱試體，依據不同之斷面尺寸、防火被覆 厚度、偏心位置、加載強度等參數在軸壓下進行耐火試驗，並建立數值模型做比對。
渠等之試驗結果顯示，較厚之防火被覆以及較小加載力能延長耐火時效，且使用矩形 鋼管混凝土柱較鋼柱減少約 25%~70%的防火被覆厚度，並保守推導相關公式，且成為 中國高樓建築規範之參考。同年，亦依照相同方法將 13 支圓形鋼管混凝土柱試體進行 耐火試驗。其試驗結果顯示，使用圓形鋼管混凝土柱較鋼柱可減少 50%的防火被覆厚 度，同時也依據實驗與分析結果發展相關公式。
Han 等（2003）依照 ISO 834 耐火試驗規範，分別製作 6 支方形及圓形鋼管混凝 土柱試體，以進行一系列受軸心及偏心載重試驗，並建構模型進行分析。其結果顯示，
Han 等（2003）依照 ISO 834 耐火試驗規範，分別製作 6 支方形及圓形鋼管混凝 土柱試體，以進行一系列受軸心及偏心載重試驗，並建構模型進行分析。其結果顯示，