高軸力下方形填充高強度混凝土箱型柱撓曲行為之寬厚比影響研究

高軸力下方形填充高強度混凝土

箱型柱撓曲行為之寬厚比影響研究

內 政 部建 築研 究 所 自 行研 究 報告

中華民國 105 年 12 月

１０５３０１０７００００Ｇ００５３

高軸力下方形填充高強度混凝土

箱型柱撓曲行為之寬厚比影響研究

研 究 主 持 人 ： 黃國倫 研 究 期 程 ： 中華民國 105 年 1 月至 105 年 12 月

內 政 部建 築研 究 所 自 行研 究 報告

中華民國 105 年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

目次

表次 ... III

圖次 ... V

摘要 ... VII

第一章 緒論 ... 1

第一節

研究緣起與背景 ... 1

第二節

文獻回顧 ... 6

第三節

研究方法 ... 19

第四節

研究目的 ... 21

第二章 試驗計畫 ... 27

第一節

試體設計及試驗裝置 ... 27

第二節

測計配置與載重歷程 ... 29

第三章 柱撓曲行為試驗 ... 41

第一節

試體製作 ... 41

第二節

試驗觀察 ... 42

第四章 試驗結果與討論 ... 50

第一節

軸力比對 CFBC 撓曲韌性之影響 ... 50

第二節

斷面長寬比對 CFBC 撓曲韌性之影響 ... 51

第五章 結論與建議 ... 55

第一節

結論 ... 55

第二節

建議 ... 56

附錄一 第 2 次研究業務協調會議紀錄及簡報 ... 57

表次

表 1-1 預定之研究進度 ... 22

表 2-1 梁柱實驗試體規劃 ... 30

表 4-1 梁柱試體試驗拉力、推力包絡線結果列表 ... 52

圖次

圖 1-1 CFT ... 23

圖 1-2 填充型箱型柱 ... 23

圖 1-3 填充型箱型柱軸力與塑性轉角之關係圖 ... 23

圖 1-4 低軸力作用下填充高強度混凝土箱型柱長寬比與

塑性轉角之關係圖 ... 24

圖 1-5 低軸力作用下填充高強度混凝土箱型柱寬厚比與

塑性轉角之關係圖 ... 24

圖 1-6 使用繫桿之填充型箱型柱 ... 25

圖 1-7 研究流程圖 ... 26

圖 2-1 試體斷面示意圖 ... 31

圖 2-2 含軸力之撓曲行為試驗裝置示意圖 ... 32

圖 2-3 含軸力之撓曲行為試驗裝置照片 ... 33

圖 2-4 FH24P40 試體設計圖 ... 34

圖 2-5 FH32P40 試體設計圖 ... 34

圖 2-6 FH40P40 試體設計圖 ... 35

圖 2-7 FL24P40 試體設計圖 ... 35

圖 2-8 FL32P40 試體設計圖 ... 36

圖 2-9 TL32P40LD 試體設計圖 ... 36

圖 2-10 TL32P40MD 試體設計圖 ... 37

圖 2-11 TL32P40HD 試體設計圖... 37

圖 2-12 TL32P40HS 試體設計圖 ... 38

圖 2-13 量測儀器配置示意圖 ... 38

圖 2-14 反覆載重位移歷時圖 ... 39

圖 3-1 從母材鋼板切割出 4 片鋼板 ... 42

圖 3-2 以全滲透銲將 4 片鋼板組合成箱型柱 ... 43

照片 ... 44

圖 3-5 試體灌漿施作照片 ... 44

圖 3-6 9 mm 厚 SN490B 鋼材之材質證明 ... 45

圖 3-7 12 mm 厚 SN490B 鋼材之材質證明 ... 45

圖 3-8 直徑 16 及 19 mm 鋼材 A325 同等級螺桿之材質證

明 ... 46

圖 3-9 直徑 16 及 19 mm 鋼材 A325 同等級螺桿之材料檢

驗報告 ... 47

圖 3-10 直徑 19 及 25 mm 鋼材 A490 同等級螺桿之材質證

明 ... 48

圖 3-11 直徑 19 及 25 mm 鋼材 A490 同等級螺桿之材料檢

驗報告 ... 49

圖 4-1 降伏側移角 θyn、極限側移角 θu 定義之說明圖 53

圖 4-2 軸力比-塑性轉角容量分布圖 ... 53

圖 4-3 長寬比-塑性轉角容量分布圖 ... 54

摘要

關鍵詞：填充型箱型柱、合成柱、鋼骨鋼筋混凝土、柱、高強度混凝土 一 、 研 究 緣 起

填 充 型箱 型 柱 （ concrete filled box column， 或 簡稱 CFBC） 施 工 容 易 也比 較 便 宜，是 適 合 在國 內 研 發、推 廣 的 構材 型 式。 國 內 業 界設 計 建造 CFBC 結 構 建 築，已 有 大 量 使用 高 強 度 混凝 土，20 層 以 下、20 至 30 層 及 30 層 以 上 之 常用 設 計 強 度 分 別 為 420 至 490、 490 至 560 及 560 至 700 kgf/cm2_{甚 至 更高，實 際 抗 壓 強 度 試驗 結 果 通 常 會 多 30%} 以 上，有 時 甚 至 會多 60%，所 以 設計 560 kgf/cm2 (國 內 SRC 規 範 建 議 之 上 限)會 得 到 超過 700 kgf/cm2_{，故 混 凝 土 強 度對寬 厚比限制 之影響 ，} 也 急 需進 行 試 驗 研 究 確 認 之 。 本 研 究的 試 體 鋼 板 預 計以 3.3 tf/cm2_{等 級 鋼 材 （SN490B） 為 主 ，} 配 合 700 kgf/cm2 _{級 的 混 凝土 製 作 試 體 ； 為 考 量高 軸 力 會 使 撓 曲 韌性} 愈 差 之影 響，本 研究 規 劃了 CFBC 試 體 進 行 高 軸力 作 用 下 之 撓 曲 行 為 試 驗 ，試 體 之b 以 24 至 40 為 主 ， 以 瞭 解 高 軸 力 作 用 下 ， 降 低 寬 厚t 比 對 於 填 充 一 般 強 度 混 凝 土 箱 型 柱 或 填 充 高 強 度 混 凝 土 箱 型 柱 提 升 撓 曲 韌性 之 效 果；為 求 保 守，試 體將 不 配 置 剪 力釘；另外，本 研 究 亦 將 試 著 研 究 圍 束 繫 桿 對 高 軸 力 下 填 充 一 般 強 度 混 凝 土 箱 型 柱 提 升 撓 曲 韌 性之 效 果 。 二 、 研 究 方 法 及 過 程 本 研 究案 之 研 究 工 作 包 括 資料 蒐 集 與 整 理 、 試 體設 計 、 試 體 製

相 關 規範 條 文 之 檢 討 以 及 報告 撰 寫 等 步 驟 。 採 用的 研 究 方 法 敘 述 如 下 ：1. 文 獻之 收 集 與 整 理； 2. 柱 試 體 之 撓 曲行 為 實 驗 ； 3. 試 驗 結 果 之 分析 與 探 討；4. 檢 討 現行 規 範 無 限 制 CFBC 柱 軸 力 比 之 合 理 性 ； 5. 報 告 之 撰 寫 。 三 、 研 究 發 現 由 文 獻研 究 結 果 可 知，高 軸力 下 填 充 混 凝 土 箱 型柱 之 撓 曲 韌 性 不 足，降低 箱 型 柱 的 柱 板 寬 厚比，或 是 加 裝 圍 束 繫桿，都 是 可 能 有 效提 升 高 軸力 下 填 充 混 凝 土 箱 型柱 撓 曲 韌 性 之 解 決 方案，基 於 箱 型 柱 鋼板 之 標 稱降 伏 強 度 3.5 2 cm tf 、420 2 cm kgf 及 700 2 cm kgf 標 稱 抗 壓 強度 混 凝 土 、 箱 型 柱 以 全 滲 透 銲 接 製 作 以 及 高 軸 力 作 用 (承 受 軸 力 約 為 軸 向 強 度 40%)之 條 件 下 ， 若 實 驗 結 果 發 現 降 低 箱 型 柱 的 柱 板 寬 厚 比 或 加 裝 圍 束 繫 桿 的 確 可 有 效 提 升 高 軸 力 下 填 充 混 凝 土 箱 型 柱 撓 曲 韌 性 ， 則 本 研究 將 嘗 試 提 出 相 關 規範 的 條 紋 或 解 說 增 修訂 草 案。由 相 關 研究 實 驗 結果 發 現，軸 力 比 增 加或 斷 面 長 寬 比 增 加，皆 會 使 CFBC 的 撓 曲 韌 性 (塑 性 轉 角 容 量 )降 低 ， 目 前 有 效 的 解 決 方 法 為 ： 1.降 低 柱 板 寬 厚 比 ；2.採 用 高 強 度 混 凝 土 ； 3.適 當 設 計 及 配 置 圍束 繫 桿 。 四 、 建 議 事 項 本 研 究 進 行 含 高 強 度 混 凝 土 箱 型 鋼 柱 在 低 軸 力 下 之 撓 曲 行 為 試 驗 提 出下 列 具 體 建 議 。 建 議 一 於 鋼 骨 鋼 筋 混 凝 土 規 範 第 9.6 節 增 修 訂 寬 厚 比 及 長 寬 比 限 制 ： 立 即 可 行 建 議

當 箱 型柱 鋼 板 之 標 稱 降 伏 強度 為 3.3 2 cm tf 時，含 混 凝 土 箱 型 柱 之 軸 力 不得 超 過 軸 向 強 度 之 25%； 在 軸力 介 於 軸 向強 度 之 25~35%時， 寬 厚 比上 限 應 下 修 為 32。若 配 置 經 過合 理 設 計的 圍 束 繫 桿，且 有 相關 文 獻 或研 究 佐 證，則 可 適 當放 寬 柱 板 寬 厚 比 限 制，放 寬 幅 度 可 依 據相 關 文 獻 或 研 究 之 結 果 來 決 定 。 另 外 ， 參 考 相 關 研 究 結 果 ， 建 議 增 訂 CFBC 斷 面 長 寬 比 上 限 ， 以 確 保 強 度 計 算 結 果 落 在 保 守 側 ， 及 確 保 有 足 夠 之韌 性 容 量 ， 以 目 前 實驗 結 果 來 看 ， 長 寬 比應 至 少 小於 1.4。 建 議 二 舉 辦 含 混 凝 土 箱 型 柱 及 相 關 研 究 課 題 之 成果 發 表 會 ： 中 長 期 建議 主 辦 機關 ： 內 政 部 建 築 研 究所 協 辦 機關 ： 財 團 法 人 台 灣 建築 中 心 CFBC 結 構 系 統 為 比 傳 統 結 構 系 統 更 安 全 、 更 經 濟 、 更 環 保 的 新 世 代 結構 系 統，本 研 究 及 後續 相 關 研 究 對 於 建 築技 術 有 一 定 程 度 的助 益 ， 可舉 辦 研 討 會 將 與 工 程實 務 有 關 之 研 究 發 現推 廣 至 工 程 界 。

ABSTRACT

Keywords: concrete filled box column, composite column, steel reinforced concrete, column, high strength concrete

Use of concrete -filled hollow sections for columns has many advantages. First, the mechanical pr operties of concrete can be enhanced by the confinement provided by steel box. Second, the inward buckling of the steel box can be prevented by the concrete core. Third, no formwork is required. As a result, these columns possess extra strength and extr a stiffness in a fairly economical and environment friendly way.

Based on the size and fabrication method of the cross section, concrete -filled hollow sections can be differentiated as concrete -filled tubes (CFTs) and concrete-filled box columns (CFBCs). For square sections as an example, the width of CFT seldom exceed 406 mm (16 in.), however, the width of CFB seldom smaller than 500 mm. In addition, CFTs use so called structural tubing which has gradual transition without welds at the corners of the sec tion. Nevertheless, CFBCs use box sections which are fabricated by welding four pieces of steel plates at section corners. Box sections are already used extensively in Taiwan. However, the TW SRC code does not specify any limit for the ratio of 2 -side widths of the cross section for CFBC. This project will try to clarify the axial behavior of rectangular high -strength CFBC columns, and to clarify the flexural behavior of rectangular CFBC columns with low axial loading, which is around 20% of axial streng th. The research works for this project include: (1) collating researches, (2) designing specimens, (3) fabricating specimens, (4) finishing experiments for materials and CFBC columns, and (5) evaluating reasonability of rules from codes.

第一章 緒論

第一節 研究緣起與背景

一、研究緣起

面 對 全球 環 境 變 遷，二 氧 化碳 氣 體 排 放 過 多 等 環境 保 護 難 題，各 個 領 域 需 要 共 同 來 關 心 與 努 力 ， 降 低 經 濟 發 展 對 環 境 所 產 生 的 衝 擊 ， 而 建 築結 構 領 域 也 應 該 要 有所 作 為。高 強 度 材 料可 以 使 用 在 不 同 構材 之 中，如 填充 型 圓 柱 及 填 充型 箱 型 柱（ concrete-filled box column，簡 稱 CFBC 或 CFB 柱 ） ， 不但 可 以 降 低 結 構 材 料的 使 用 量 ， 也 可 以提 升 材 料回 收 再 利 用 的 效 率，是 有 利 於 降 低 環 境 衝擊 的 方 法，但 是 國內 現 行 SRC 規 範 對 混 凝 土 抗壓 強 度 有 所 限 制 。 雖 然 填充 型 圓 柱 對 混 凝 土 的圍 束 效 果 比 填 充 型 箱 型 柱 優 異，不 過 填 充 型箱 型 柱 梁 柱 接 頭 比 較容 易 施 工 也 比 較 便 宜，是 適 合 在 國 內 研 發、 推 廣 的構 材 型 式，且 未 來 若需 拆 除 時，比 鋼 筋 混凝 土 構 件 更 容 易 回收 再 利 用，因 此 使 用 填 充 型 箱型 柱 相 當 具 有 經 濟 上及 環 保 上 的 優 勢。現 行 規 範 對 填 充 型 箱 型 柱 構 材 之 規 定 大 部 分 係 參 考 鋼 管 混 凝 土 柱 構 材 （ concrete filled tube，或 稱為 CFT）之研 究 結 果，然 而 鋼 管 與 箱 型 柱 之 製 作方 式 截 然 不 同，鋼 管除 了 使 用 無 縫 鋼 管 之外，目 前 還 有 冷 彎成 型 方 管 (BCR)及 冷 沖 壓 成 型 方 鋼 管 (BCP)兩 種 已 經 標 準 化 的 新 冷 彎 方 鋼 管，“ BCR” 和 “ BCP” 是 日 本鐵 鋼 聯 盟 (JISF，一 般 社 団 法 人 日 本 鉄 鋼 連盟 )的 註 冊商 標 ； 而目 前 國 內 常 用 的 箱 型柱 ， 則 是 使 用 4 片 鋼

可 行 性與 可 靠 性 。 本 研 究 預 計 針 對 填 充 型 箱 型 柱 進 行 研 究 ， 預 期 目 標 包 括 ： （ 1） 求 取 材 料 之 基 本 力 學 性 質 ； （ 2） 經 由 方 形 填 充 高 強 度 混 凝 土 箱 型 柱 試 體 之撓 曲 行 為 實 驗，提 昇國 內 對 填 充 高 強 度 混凝 土 箱 型 柱 行 為 之認 識 ， 並 評 估 其 在 工 程 實 務 應 用 的 可 行 性 ； （ 3） 根 據 實 驗 及 數 據 分 析 之 成 果 ， 評 估 現 行 規 範 之 適 用 性 ， 必 要 時 提 出 修 改 之 建 議 ； （ 4） 藉 由 研 究 成 果 之 發 表 ， 引 導 建 築 構 造 走 向 材 料 減 量 、 營 建 廢 棄 物 減 量 、 節 能 及環 保 之 永 續 發 展 目 標。

二、研究背景

填 充 型 箱 型 柱 有 很 多 優 點 ： （ 1） 箱 型 柱 之 製 作 比 圓 柱 容 易 且 便 宜 許 多 ； （ 2） 相 較 於 填 充 型 圓 柱 ， 填 充 型 箱 型 柱 之 梁 柱 接 頭 比 較 便 宜 且 容 易 施 工 ； （ 3） 若 使 用 高 強 度 混 凝 土 ， 回 收 再 利 用 時 可 用 以 生 產 較 高 強 度 之 再 生 混 凝 土 ； （ 4） 混 凝 土 回 收 比 其 他 種 類 構 材 方 便 ， 只 要 切開 箱 型 柱，混 凝 土 就可 以很快取出，比含鋼筋之桿件方便很多； （5）不 必 使 用 模板，降 低 營 建材 料 使 用 量；（ 6）由 2009 年 李 玉 生、 楊 國 珍之 研 究 案「 高 溫 下 含混 凝 土 箱 型 鋼 柱 之 軸向 受 力 行 為 研 究 」可 看 出 含 混 凝 土 箱 型 鋼 柱 之 防 火 性 能 甚 優 ， 可 以 節 省 防 火 材 料 ； （ 7） 箱 型 柱提 供 混 凝 土 圍 束，混凝 土 則 提 供 箱 型 柱 柱板 之 側 向 支 撐，可以 提 升 構材 之 強 度 與 韌 性；（ 8）以 相 同 的 強 度 來 說，比 起 RC 柱 或 鋼結 構 柱 子（ H 型 鋼 或 純 箱 型 鋼柱 ），使用 填 充 混 凝土 箱 型 柱 可 降 低 結 構 鋼 材 使用 量。顯 然 使 用 CFBC 不 但 可 以 降 低 結 構材 料 的 使 用 量，還 可 以 減 少防 火 被 覆 、 模 版 等 營建 材 料 之 使 用 量 。

後 主 要有 Sakino、 Inai、Ricles、Mirza、 Varma 等 人 ， 也發 表 了 不 少 期 刊 論文。這 些 論 文 有 些 是探 討 梁 柱 桿 件 的 行 為，有 些 則 專 注 於 短柱 軸 向 行為 的 研 究 。 近 年 來 在研 究 短 柱 軸 向 行 為 的論 文 （ Sakino 等 人 ， 2004；Hu 等 人，2003；Huang 等 人，2002；丁 英 哲，2004；王 勝 輝 ， 1998；孫 維 隆，2000；黃炯 憲 等 人，1998 及 1999）中，以 Sakino et al. （2004）總 共 完成 114 個 試 體（包 括 圓 形 及 方 形斷 面 ）並 據 以 建 立 分 析 模 式之 研 究 最 為 完 整；在 研 究 撓 曲行 為 的 論 文（ Aval 等人，2002； Ge 等 人，1994；Hsu 等 人，2003；Inai 等 人，2004；Lu 等 人，2007； Shanmugam 等 人 ， 2002； Susantha 等 人 ， 2002； Varma 等 人 ， 2002 及 2004； 孫 維 隆 ， 2000； 傅 正 堯， 1998） 中 ，以 Varma 等 人 （2002 及 2004） 總 共 完成 16 個 試 體（ 方 形 斷 面 ） 並與 AISC-LRFD、ACI、 AIJ、Euro Code 4 規 範 比 較 之 研 究 較 為 完 整。防 火 相 關 文 獻 則 有 Yang 等 人（ 2008）。但 是 目 前 所收 集 到 的 論 文 中，實 驗的 CFT 試 體 尺 寸 都 不 大，柱 寬 在 120～323mm 之 間，而 柱 板 厚 度在 2～ 9mm 之 間，而斷 面 型 式大 部 分 使 用 無 縫 鋼 管（ 如 圖 1-1a）或 是 由兩 個 槽 鋼 銲 接 而 成之 方 形 斷面（ 如 圖 1-1b）。這 些 實 驗試 體 的 尺 寸 偏小，國 內 也 甚 少 使 用 無 縫 鋼管 或 槽 鋼 組 成 之 箱 型斷 面，國 內 使 用 的 主要 是 由 四 塊 鋼 板 組合 而 成 之填 充 型 箱 型 柱 （如 圖 1-2 所 示） 。 目 前 對於 填 充 型 箱 型 柱， 有 些 工 程 師 只 認 定 混 凝 土 所 提 供 之 勁 度 ， 而 忽 略 混 凝 土 所 提 供 之 強 度 ， 相 當 可惜 。 今 年 原規 劃 自 行 研 究「方 形 斷 面 填 充高 強 度 混 凝土 箱 型 柱 高 軸 力 下 撓 曲行 為 之 寬 厚 比 影 響 研究 」案，經 研 究 業 務協 調 會 議 審 查 通 過 (會 議 紀 錄 如 附 錄 一 )， 考 量 為 更 符 合 實 際 研 究 內 容 ， 本 研 究 業 經 簽 奉 核 准 微 幅修 正 為「 方 形 斷 面 填充 高 強 度 混 凝 土 箱 型柱 高 軸 力 下 撓 曲 行為

先 考 慮。國 內目 前 可 以 量 產的 結 構 用 鋼以 3.5 tf/cm2_{等級（A572 Gr.50、} A992、 SM490、 SN490B、 SN490C） 為 主 ， 中 鋼 也 有 量 產 4.2 tf/cm2 級 鋼 板（ SM570）的 能 力，但是 使 用 量 小 的 鋼 板尺 寸 很 難 取 得。國 內 目 前 已經 有 能 力 量 產 840 kgf/cm2 _{級 的 混 凝 土， 混 凝 土 材 料 之 取 得相} 對 的 比較 容 易 。 但 是 ， 根 據國 內 SRC 規 範 （ 內政 部 營 建 署 ， 2006） 之 規 定，鋼 骨 材 料 之 降 伏 強度 不 宜 大於 3.5 tf/cm2，而 混凝 土 抗 壓 強 度 也 不 宜大 於 560kgf/cm2_{。 當混 凝 土 抗 壓 強 度 大 於 560kgf/cm}2 時 ， 需 要 依 公認 合 理 之 試 驗 證 明 其可 行 性 與 可 靠 度。有鑑 於 此，並 考 量 試驗 機 容 量及 希 望 鋼 材 實 際 強 度 不 要 比 標 稱 強 度 高 太多，本 研 究 的 試 體鋼 板 預 計以 3.3 tf/cm2_{等 級 鋼材 （ SN490B） 為 主。} 填 充 型 箱 型 柱 中 柱 板 寬 度 與 厚 度 之 比 例 （b t， 簡 稱 寬 厚 比 ） 影 響 構 材的 行 為 很 大 ， 其 中 b 與 t 分別 為 方 型 斷 面 CFBC 之淨 寬 度 與 板 厚，如圖 1-2 所 示。 tb 越 大，柱 板 越 容 易 挫 屈，混 凝 土 的 圍 束 也 較 差 ， 而 強 度與 韌 性 也 會 受 到 很 大的 影 響。根 據 國 內之 SRC 結構 設 計 規 範， 耐 震 構材 柱 板 寬 厚 比 的 限 制為 3E_s F_y，使 用 3.5 tf/cm2等 級 的 鋼 材時 ， 柱 板 之b 不 得 大 於 42， Varma et al. (2002) 的 研 究 顯 示 ， 當t b t等 於 48 時 桿 件 之 撓 曲 延 展 性 不 佳，當b 等於 32 時 桿 件 之 撓 曲 延 展 性 改 善t 很 多 ，由 此 可 判 斷 國 內 SRC 規 範 的 規 定 在 合 理範 圍 。 台 灣 處 於 地震 帶 ， 填 充 型 箱 型 柱 基 本 上 都 要 符 合 耐 震 的 要 求 ， 因 此 柱 板 的b t宜 控 制在 42 以 下，故本 研 究 規劃 試 體 之b 以 24 至 40 為 主，以 瞭 解 高 軸t 力 作 用下，降 低 寬 厚 比 對 於填 充 一 般 強 度 混 凝 土箱 型 柱 或 填 充 高 強度 混 凝 土箱 型 柱 提 升 撓 曲 韌 性之 效 果 。 目 前 國內 SRC 規 範 對 填 充型 箱 型 柱 柱 板 寬 厚 比之 限 制 與 軸 力大 小 無 關，依 照 2010 年 陶 其駿 及 蔡 煒 銘 之 研 究 報告，以 及 2011 年 陳 正

愈 差， 如 圖 1-3 所 示 。為 考 量 高 軸力 會 使 撓 曲 韌性 愈 差 之 影 響 ，本 研 究 規 劃了 CFBC 試 體 進 行 高軸 力 作 用 下 之 撓 曲 行為 試 驗 。 2015 年 本 人 之 研 究 報 告，顯 示 低 軸 力 作 用 下 矩 形 填 充 高 強 度 混 凝 土 箱 型柱 具 有 不 錯 之 撓 曲 韌性 ， 長 寬 比 與 塑 性 轉角 之 關 係 圖 如 圖 1-4 所 示 ，2010 年 陳 正 誠 等 人之 研 究 報 告 亦 顯 示 寬厚 比 不 大 於 60 之 方 形 填 充 高強 度 混 凝 土 箱 型 柱 具有 不 錯 之 撓 曲 韌 性，寬 厚 比 與 塑 性 轉 角之 關 係 圖如 圖 1-5 所 示，但 目 前 並 未 有文 獻 探 討 填充 高 強 度 混 凝 土 箱 型 柱 高 軸力 作 用 下 之 撓 曲 韌 性，而 業 界 已 有 很 多 應用 案 例，為 釐 清 填充 高 強 度混 凝 土 箱 型 柱 高 軸 力 作 用 下 之 撓 曲 韌 性 是否 符 合 規 範 要 求，本 研 究 部分 試 體 預 計 以 3.3 tf/cm2_{等級 鋼 材（ SN490B），配 合 700 kgf/cm}2 級 的 混凝 土 製 作 試 體，進 行高 軸 力 下 填 充 高 強 度混 凝 土 箱 型 柱 撓 曲試 驗 ， 以探 討 高 軸 力 及 高 強 度混 凝 土 對 填 充 型 箱 型柱 撓 曲 韌 性 的 影 響 。 填 充 型箱 型 柱 之 合 成 效 應 的程 度 有 多 高 ？ 傅 正 堯（ 1998）的 研究 顯 示，剪 力 釘 對 填 充 型 箱 型柱 的 撓 曲 強 度 與 韌 性沒 有 明 顯 的 影 響。此 外 美 國華 盛 頓 大 學 Roeder 教 授 的 研究 結 果 也 發現 ， 未 配 置 剪 力 釘 之 填 充 型圓 柱 之 合 成 效 應 頗 佳。2015 年 陳 正 誠 等 人研 究 發 現 剪 力 釘 對 填 充 型 鋼柱 合 成 效 應，要 發 揮作 用 需 要 一 定 的 滑 動量，而 此 滑 動 量 不易 達 到 。本 研 究 為 求 保 守 ， 試體 將 不 配 置 剪 力 釘 。 現 在 工程 界 已 使 用 填 充 型 箱型 柱，其 在 施 工 時 必須 加 上 繫 桿，避 免 箱 型柱 因 混 凝 土 壓 力 向 外變 形 ， 如 圖 1-6(a)所示 ， 可 以 將 繫 桿 作為 結 構 用途，如 圖 1-6(b)所 示，應 可降 低 柱 板 厚 度需 求。2008 年 陳 正 誠 等 人 之 研 究 證 明 於 高b t之 短 柱 構 件 使 用 圍 束 繫 桿 ， 可 以 有 效 發 展 出 良 好 之韌 性。2009 年 陳 正 誠等 人 之 研 究 結 果 亦 顯示，在b t為 60 之填 充 型 箱型 柱 中 使 用 繫 桿，可以 讓 柱 發 揮 出 優 異 的撓 曲 韌 性 容 量，即使

之 初 步建 議。2011 年 陳 正 誠及 黃 國 倫 之 研 究 報 告，進 一 步 驗 證 高 軸 力 的 情 況，圍 束 繫 桿 亦 能 有 效提 升 柱 的 撓 曲 韌 性。2012 年 黃 國倫 整 理 出 圍 束 繫桿 的 設 計 方 法 。2013 年 至 2015 年 黃 國 倫及 陶 其 駿 之 研 究 ，都 發 現 適 當 配 置 圍 束 繫 桿 能 有 效 提 升 矩 形 填 充 混 凝 土 箱 型 柱 之 軸 向 與 撓 曲 韌性。因 此，本 研 究 將試 著 研 究 圍 束 繫 桿 對 高 軸 力 下 填 充 一 般 強 度 混 凝土 箱 型 柱 提 升 撓 曲 韌性 之 效 果 。 針 對 上述 主 要 的 課 題 進 行 研究，可 以 進 一 步 釐 清矩 形 填 充 高 強度 混 凝 土箱 型 鋼 柱 應 用 之 可 行性 及 可 靠 性，讓 工 程師 可 以 更 合 理 而 安全 的 使 用此 種 構 材 ， 以 降 低 建築 結 構 建 設 對 環 境 的衝 擊 。

第二節 文獻回顧

有 關 本研 究 收 集 之 相 關 文 獻資 料 說 明 如 下 ： 1. 方 形 加 勁 鋼 管 混 凝 土 柱 受 軸 壓 行 為 之 探 討 (黃 炯 憲 等 ， 1999) 此 研 究旨 在 探 討 寬 厚 比 70 以 上 之 薄 鋼 管 填 充 混凝 土 柱 ， 使 用不 同 加 勁方 式 之 短 柱 行 為，並提 出 八 角 形 箍 筋 的 加勁 方 式。此 研 究 之實 驗 分 二次 進 行，第 一 次 實 驗為 18 支 鋼 管 混 凝 土柱 試 體，2 支 純 混 凝土 柱，探 討 主 要參 數 為：鋼 管 寬 厚 比（ 分 別 為 70、100、150）、加 勁 方 式（ 分別 為 縱 向 平 行 管 壁 加勁 板，縱 向 垂 直 管 壁加 勁 板，八 角 形 箍筋 加 勁 ）。第 二 次 實 驗 為 9 支鋼 管 混 凝 土 柱 試 體，特 別 針 對 柱 寬 厚 比為 70 且 為 八 角 形 加 勁 之 方 形 斷 面 進 行 研 究，探 討 參 數 為：箍 筋 間 距 與 箍 筋 斷 面。 實 驗 結 果 顯 示 ： （ 1） 利 用 有 效 圍 束 與 分 區 圍 束 觀 念 可 得 到 八 角 形 加 勁 強 度 與 韌 性 之 指 標 性 參 數 ； （ 2） 八 角 形 加 勁 對 韌 性 與 極 限 強

2. 加 勁 鋼 管 混 凝 土 柱 受 軸 壓 與 彎 矩 之 行 為 研 究 (孫 維 隆 ， 2000) 本 案 係 以 試 驗 方 式 討 論 加 勁 與 未 加 勁 鋼 管 填 充 混 凝 土 柱 在 同 時 承 受 軸力 與 彎 矩 作 用 下，有關 二 者 強 度、勁 度 及韌 性 之 行 為。此 試驗 共 製作 21 支 試 體 ， 探 討 試驗 參 數 為 加 勁 箍 筋 間距 ， 對 照 組 為 未 加勁 之 方 形及 圓 形 斷 面。試 驗 可分 為 偏 心 單 軸 加 力 試驗 與 固 定 軸 力、四點 彎 矩 試驗 。 試 驗 結果 顯 示 在 軸 壓 強 度 方面，八 角 形 加 勁 方 式，能 明 顯 提 升方 形 鋼 管對 核 心 混 凝 土 的 圍 束作 用，延 緩 鋼 板 挫 屈，對 極 限 軸 壓 強 度及 韌 性 方面 有 顯 著 的 提 升。另在 不 同 軸 力 下 承 受 彎矩 方 面，八 角 形 加勁 方 式 對極 限 彎 矩 強 度 及 韌 性上 均 有 良 好 幫 助，且效 果 隨 著 加 勁 箍 筋間 距 越 密越 佳，試 驗 結 果 與 各規 範 比 較 顯 示，各 規範 之 極 限 彎 矩 強 度值 均 趨 於保 守 。 3. 鋼 管 混 凝 土 構 材 研 究 之 回 顧 (黃 炯 憲 等 ， 1998) 此 研 究所 蒐 集 之 論 文 大 多 出自 英 文 期 刊 及 國 際 研討 會，依 論 文性 質 大 致 分 幾 類 ： （ 1） 一 般 性 論 述 ； （ 2） 構 材 各 種 試 驗 ； （ 3） 構 材 行 為 模型 ； （ 4） 構 材 設 計； （ 5） 接 頭 ； （6） 其 他。 分 述 如 次 ： （ 1） 一 般 性 論 述 ： 主 要 是 針 對 「 鋼 骨 鋼 筋 混 凝 土 」 與 「 鋼 管 混 凝 土 柱 」 構件 之 一 般 行 為 做 論 述。 （2）構 材 之 各種 試 驗：在此 研 究 中，共 收 集了 20 多篇 以 構 材 試 驗為 主 之 論 文 ， 由 於 鋼 管 混 凝 土 主 要 應 用 於 柱 的 構 築 ， 故 大 多 之 試 驗 均 考 慮 軸 力 之 影 響 ， 且 鋼 管 混 凝 土 是 由 鋼 管 及 混 凝 土 構 成 ， 試 驗 主 要 之 設 計 參 數 主 要 為 構 材 斷 面 形 狀 、 寬 厚 比 、 鋼 管 及 混 凝 土 強度 比 、 加 勁 與 否 、 混凝 土 填 充 高 度 等 等 。

共計 13 篇，依 其 模 擬 方 法或 對 象，可 概 略 歸 納為：a.以 FEM 分 析 構 材之 力 學 特 性；b.探 討構 材 斷 面 的 力 學 行 為；c.構材 中 混 凝 土 的 特性 模 擬；d.根 據 材 料力 學 理 論 分 析 構 材 力學 特 性；e.根 據 實 驗 數據 迴 歸 構 材 的 特 性 曲線 。 （ 4） 構 材 之 設 計 ： 收 錄 有 關 鋼 管 混 凝 土 柱 構 件 設 計 規 範 之 相 關 文 章 大 略 可 分 為 二 類 ， 一 類 為 各 國 鋼 管 混 凝 土 柱 構 件 設 計 規 範 現 況 之 介 紹 ， 另 一 類 則 多 為 研 究 者 經 由 實 驗 或 數 值 分 析 之 結 果 ， 對 構 件 之某 些 行 為 的 設 計 公 式提 出 修 正 與 建 議 。 （ 5） 接 頭 ： 在 現 行 之 研 究 中 ， 鋼 管 混 凝 土 柱 與 鋼 梁 之 接 合 方 式 可 概 分 成 兩 大 類 ， 一 為 外 壁 接 合 型 ， 鋼 梁 直 接 或 透 過 橫 隔 板 接 合 在 鋼 管 混 凝 土 柱 之 外 壁 。 另 一 為 穿 透 埋 入 型 ， 鋼 梁 之 接 合 端 銲 接 鋼 筋 或 剪 力 釘 ， 並 使 之 埋 入 混 凝 土 中 或 鋼 梁 之 翼 板 、 腹 版 或 整 個 斷 面穿 透 鋼 管 混 凝 土 。 （6） 其 他 ：收 錄 有 關 填 充混 凝 土 柱 之 抗 火 性 能研 究 ， 及 外 包 FRP 加 勁 纖 維複 合 材 料 之 混 凝 土 柱的 力 學 行 為 。 4. 高 強 度 鋼 管 混 凝 土 柱 強 度 之 實 驗 探 討 (丁 英 哲 ， 2004) AISC-LRFD 3rd 規 範 針 對 鋼 管 混 凝 土 (CFT)柱 的 設 計 之 作 法 ， 係 使 用 轉換 係 數，將 混 凝 土 轉換 成 等 值 之 鋼 骨，再利 用 一 般 鋼 柱 的 挫屈 強 度 設計 公 式， 計 算 鋼 管 混凝 土 柱 之 設 計 挫 屈 載重 ；惟 LRFD 3rd 規 範 規 定， 常 重 混 凝 土 之 抗 壓強 度 必 須 介 於 3 ksi (21 MPa) 至 8 ksi (55 MPa)之 間。但 隨 科 技 進 步，混 凝 土 抗 壓 強 度 已 有 顯 著 提 升，本 研 究 利 用 純 軸 壓 試 驗 探 討 高 強 度 鋼 管 混 凝 土 柱 (8 f_c12 ksi)是 否 仍 然 適 用 於 LRFD 3rd 規 範。此 試 驗總 共 製 作 22 支 CFT 試 體，其 混 凝 土 強度

(8 f_c12 ksi)，且 LRFD 之 CFT 設 計 公 式 在 估 計 CFT 柱 之 軸 壓 強 度 是 偏 向保 守 的 。

5. Behavior of Centrally Loaded Concrete -Filled Steel-Tube Short Columns(Sakino, K., et. al., 2004)

此 研 究計 畫 主 要 為 探 討 混 凝土 填 充 鋼 管 柱 的 行 為研 究，釐 清 瞭解 鋼 管 和填 充 的 混 凝 土 兩 者 之間 的 諧 和 相 互 作 用，並 研討 CFT 柱 之 載重 變 形 關係 的 方 法。總 共 製 造與 測 試 了 114 支 試 體，其 中 包 含 了 比 對填 充 型 鋼管 混 凝 土 柱 的 空 心 鋼管 柱。主要的設計參數為：鋼管斷面形狀、 鋼 管 抗 拉 強 度 、 鋼 管 斷 面 寬 厚 比 、 及 混 凝 土 抗 壓 強 度 。 在 此 文 獻 中 ， 亦 有 根 據 試 驗 結 果 而 建 立 一 套 可 以 評 估 圓 形 與 矩形 CFT 柱 的 軸 向 極 限 抗 壓承 載 能 力 的 設 計 公 式。

6. Cyclic Analysis and Capacity Prediction of Concrete -Filled Steel Box Columns (Susantha, K. A. S., et. al., 2002)

近 年 來 ， 內 灌 混 凝 土 之 填 充 型 箱 型 柱 於 建 築 結 構 已 經 廣 為 使 用 。 此 研 究 係 探 討 加 勁 的 厚 壁 及 薄 壁 箱 型 鋼 管 混 凝 土 柱 之 反 覆 載 重 彈 塑 性 分 析及 容 量 預 測，並 提 供以 纖 維 分 析 方 法 決 定內 填 充 混 凝 土 鋼 柱之 極 限 狀態 之 解 析 流 程。本 研究 使 用 新 的 破 壞 準 則來 決 定 強 度 以 及 韌性 之 預 測，為 使 用 於 有 加 勁 的薄 壁 及 厚 壁 柱，本 研究 修 正 最 近 發 展 的圍 束 混 凝 土 單 調 應 力 -應 變 關 係 。 為 使 用 反 覆 載 重 分 析 ， 本 研 究 使 用 一 個 簡 單的 反 覆 載 重 準 則 。 鋼的 材 料 非 線 性 係 使 用 Nagoya 大 學 發 展的 修 正 兩面 模 型 來 描 述。跟 既有 實 驗 結 果 比 較，發現 這 些 預 測 結 果 非常 令 人 滿意。本 文 提 供 之 分 析方 法 可 估 計 二 次 彎 矩的 效 應 及 短 期 與 長期 的 反 應。

根 據 國內 SRC 構 造 設 計 規範 之 規 定 ， 當 混 凝 土之 抗 壓 強 度 大於 560 kgf/cm2，須 依 公 認 合 理之 試 驗 證 明 其 可 行 性及 可 靠 度。本 研 究 係 以 實 驗方 式 探 討 含 高 強 度 混凝 土 箱 型 鋼 柱 受 軸 向受 力 之 行 為 研 究。此 試 驗 總共 製 作 27 支 試 體，其 中 18 支 柱 試 體 寬度 500mm、9 支 柱 試體 寬 度 410 mm， 並 考 量 乾 縮、 剪 力 釘 、 圍 束 繫 桿， 探 討 參 數 為 混 凝土 之 抗 壓 強 度 、 寬 厚 比 ， 進 行 填 充 混 凝 土 箱 型 鋼 柱 之 軸 向 受 力 行 為 研 究 。 實 驗 結果 顯 示：（ 1）對 於 混凝 土 強 度為 6000psi 之 CFBC 短 柱 構 件 ， 規 範 之 強 度 公 式 P_n0  A_sF_y 0.85A_cf_c可 合 理 估 計 強 度 ； 對 於 混 凝 土 強 度 為 10000psi 之 CFBC 短 柱 構 件 ， 計 算 強 度 公 式 建 議 改 採 P_n0 c c y sF A f A    0.8 ，方能 合 理 預 估 強 度。（ 2）乾縮 時 確 實 可 能 會降 低 其 強 度 ， 但 強 度 不 一 定 隨 乾 縮 量 之 增 加 而 降 低 ， B 對 乾 縮 的 忍 受 程 度t 有 明 顯的 影 響，B 愈 小，忍 受 程 度 愈 高（ 3）剪 力 釘 確 實 會 稍 微 提 高t 有 乾縮 CFBC 短 柱 之 強 度，但對 於 韌 性 則 不 一 定有 幫 助（ 4）B 為 48t 之 情 況下 ， 混 凝 土 強 度 為 6000psi 之 CFBC 短 柱 構 件 使 用圍 束 繫 桿 ， 於S B不 大於 0.4 時，可 以 有 效發 展 出 良 好 之 韌 性（ 5）B 為 48 之 情t 況 下，混 凝 土強 度 為 10000psi 之 CFBC 短 柱 構 件使 用 圍 束 繫 桿，於S B 不 大於 0.2 時 ， 亦 可 有 效 發展 出 良 好 之 韌 性 。 8. 混 凝 土 箱 型 柱 之 撓 曲 韌 性 行 為 研 究 (陳 正 誠 ， 2009) 根 據 國內 SRC 結 構 設 計 規範 ， 使 用 3.5 tf/cm2_{等 級 之鋼 材 時 ， 柱} 板 之 寬 厚 比 （ b/t） 不 得 大 於 42； 且 工 程 師 基 於 強 柱 弱 梁 之 考 量 ， 採 用 結 實斷 面 寬 厚 比 限 制 (b/t 為 61)，使 得 箱 型 柱 板厚 度 太 薄 無 法 使 用電 熱 熔 渣銲 銲 接 柱 內 橫 隔 板。本 研 究 係 以 實 驗 方 式探 討 填 充 型 箱 型 柱之

製 作 20 支試 體 ， 其 中 7 支 含 圍 束 繫桿 ， 內 橫 隔板 銲 接 方 式 不 同 之 試 體 有 3 支 。 試驗 主 要 參 數 有柱 鋼 板 寬 厚 比 (32、 40、 48、 60)、 內 橫 隔 板 銲 接方 式 、 剪 力 釘 及 圍 束繫 桿 所 提 供 的 圍 束 應力 。 實 驗 結果 顯 示：(1)新 的 箱 型柱 內 橫 隔 板 銲 接 細 節及 製 作 方 式 尚可 以 符 合耐 震 需 求。(2)箱 型 柱柱 板 寬 厚 比 介 於 40~60 之 間 之 試 體，其塑 性 層 間轉 角 皆 能 符 合 規 範 規定 之 3%。 (3)剪 力 釘可 以 增 加 彎 矩 強 度及 撓 曲 韌性 容 量，但 增 量 有 限。(4)圍 束 繫桿 可 以 提升 混 凝 土 的 圍 束 效 果， 且 對 箱型 柱 柱 板 抵 抗 局 部 挫屈 有 幫 助 。 9. 填 充 高 強 度 混 凝 土 箱 型 鋼 柱 之 撓 曲 韌 性 行 為 研 究 (陳 正 誠 ， 2010) 該 研 究探 討 柱 板 寬 厚 比 放 寬至 結 實 斷 面 寬 厚 比 限制（ 等 於 61）， 對 構 件撓 曲 韌 性 之 影 響 ， 規劃 10 支試 體 ， 寬 厚比 範 圍 介於 32 至 60 之 間 的 箱 型 柱 。 進 行 撓 曲 行 為 試 驗 。 且 工 程 界 已 使 用 填 充 型 箱 型 柱 ， 其 在 施工 時 必 須 加 上 繫 桿，避 免 箱 型 柱 因 混 凝 土壓 力 向 外 變 形，可以 將 繫 桿作 為 結 構 用 途 ， 應 可降 低 柱 板 厚 度 需 求 。 實 驗 結果 顯 示 ： (1)寬 厚 比 為 60 之 試 體 ， 於 實 驗中 提 早 產 生 局部 挫 屈 ，導 致 無 法 發 揮 預 期 之理 論 彎 矩 強 度 。 (2)寬厚 比 為 48 之 試 體， 若 圍 束繫 桿 所 提 供 的 圍 束 應力 達 66.2 kgf/cm2_{，且 繫 桿 之 間 寬 比 為 0.33，} 則 有 良好 的 韌 性 行 為 。 (3)寬厚 比 為 60 之 試 體 ，若 使 用 單 排 圍 束 繫桿 所 提 供的 圍 束 應 力 達 135 kgf/cm2 _{以 上 ， 或 雙排 圍 束 繫 桿 所 提 供 的 圍} 束 應 力達 86 kgf/cm2_{以 上，且 繫 桿 之 間 寬 比為 0.33，則 有 良 好 的 撓 曲} 韌 性 容量 行 為 。 10. 在 不 同 軸 力 下 填 充 混 凝 土 箱 型 鋼 柱 之 撓 曲 行 為 研 究 (陶 其 駿、蔡 煒 銘 ， 2010)

介 於 0~50%軸 向 標 稱 強 度 之軸 力 。 鋼 材 標 稱 降 伏強 度 為 3.5 tf/cm2_， 混 凝 土標 稱 抗 壓 強 度 為 280 kgf/cm2_{，皆 符 合 規 範建 議。考 量 到 試 驗機} 容 量 限制 ， 其 中 1 支 填 充 型箱 型 柱 柱寬 38 cm， 另 外 5 支 填充 型 箱 型 柱 柱 寬為 31 cm，使其能達到預定的軸力比（軸力除以軸向標稱強度）， 若 要 求塑 性 轉 角 容 量 至 少 3% rad， 可 藉 著 塑 性轉 角 容 量 -軸 力 分 佈圖 回 歸 出所 能 容 許 的 軸 力 比 上限 。 根 據 試 驗 結 果 ，得 到 寬 厚 比 32 的試 體 在 軸力 比 大 於 31%時，塑 性 轉 角 容量 無 法 達到 3% rad，但 是 從 國 內 SRC 規 範 對 填 充 型 箱 型 柱 柱 板 寬 厚 比 的 規 定 無 法 合 理 預 測 此 結 果 。 11. 含 繫 桿 填 充 型 箱 型 柱 高 軸 力 下 之 撓 曲 行 為 與 設 計 (陳 正 誠、黃 國 倫， 2011) 該 研 究共 完 成 9 支 填 充 型 箱型 鋼 柱 之 反 覆 載 重 撓曲 試 驗，其 中一 支 承受 20%軸向 標 稱 強 度 之軸 力，其 餘 皆 承受 40%軸 向標 稱 強 度 之 軸 力。鋼 材 標 稱降 伏 強 度 為 3.5tf/cm2_{，混 凝 土 標 稱抗 壓 強 度 為 420kgf/cm}2_， 皆 符 合規 範 建 議。其 中 3 支填 充 型 箱 型 柱 探 討 高軸 力 下 填 充 型 箱 型柱 之 撓 曲韌 性 行 為 表 現。另外 6 支 填 充 型 箱 型 柱 以圍 束 繫 桿 來 提 升 柱板 寬 厚 比為 48 及 40 之 填 充 型箱 型 柱 之 塑 性 轉 角 容量，使 其 能 達 到 至少 3%rad 的 塑 性 轉 角 容 量 ， 探 討 在 高 軸 力 作 用 下 圍 束 繫 桿 提 升 填 充 型 箱 型 柱 韌 性 行 為 之 效 果 。 根 據 試 驗 結 果 ， 得 到 結 論 敘 述 如 後 ： （ 1） 柱 板 寬 厚比 為 48 及 40 之 無 圍束 繫 桿 試 體，其 彎 矩強 度 實 驗 值 除 以 理論 值 結 果分 別 為 1.02 及 1.09， 塑性 轉 角 容 量 分 別 為 2.92 及 1.31%rad， 反 而 寬厚 比 為 48 者 較 佳 ；（ 2）柱 板 寬 厚 比 為 48 時 ， 圍 束 繫 桿 可以 將 塑 性轉 角 容 量由 2.92%rad 提 升至 4.21-4.46%rad；（3）柱 板 寬 厚 比 為 40 時，圍 束 繫 桿 可 以 將 塑性 轉 角 容 量 由 1.31%提 升 至 2.11-3.91%rad。 （4） 本 文 提供 一 設 計 圍 束繫 桿 之 簡 易 方 法 ， 可供 工 程 實 務 使 用 。

12. 填 充 混 凝 土 箱 型 鋼 柱 受 軸 向 力 之 實 驗 研 究 (吳 明 昌 ， 2012) 進 行 本土 性 填 充 混 凝 土 箱 型鋼 柱 之 實 體 試 驗，瞭解 填 充 混 凝 土箱 型 鋼 柱軸 向 受 力 行 為、破 壞模 式；並 規劃 3 系 列 不同 尺 寸 柱 試 體 軸 力 載 重 試驗 ， 其 中 柱 寬 750 mm 試 體 為 目 前 世 界上 最 大 之 填 充 混 凝 土箱 型 鋼 柱 試 體 ， 探 討 尺 寸 效 應 ， 驗 證 規 範 所 訂 標 稱 受 壓 強 度 之 有 效 性 ， 提 供 國內 工 程 界 運 用 與 相 關規 範 修 訂 之 参 考 。 實 驗 結果 顯 示 ： (1) 柱寬 300 mm 試 體 平 均 強 度比 為 111.2%， 柱 寬 500 mm 試 體 平 均 強 度 比為 103.7%， 皆 大於 100%， 規 範 建 議 之 標 稱 強 度計 算 方 式 合 宜 。 柱 寬 750 mm 試 體 平 均 強度 比 為 90.5%， 規範 使 用 之 標 稱 強 度 計 算 方 式 偏 不 保 守 。 (2) 針 對 國 內 特 殊 性 使 用 ， 由 四 片 鋼 板銲 接 組 合 而 成 之 填 充混 凝 土 箱 型 鋼 柱，本研 究 進 行 本 土 性 填充 混 凝 土箱 型 鋼 柱 之 實 體 試 驗，驗 證 規 範 所 訂 標 稱強 度 計 算 方 式，於 柱 寬 度 500mm 以下，尚 屬 合宜。(3) 由 不 同 尺 寸箱 型 柱 試 體 強 度 比 之分 佈 圖 可 看 出 ， 對 相 同 寬 厚 比 之 箱 型 柱 ， 當 柱 寬 度 越 大 ， 強 度 比 越 低 ， 強 度 比趨 勢 向 下 ， 尺 寸 效 應有 明 顯 影 響 。 13. 超 高 強 度 鋼 材 填 充 型 箱 型 柱 之 軸 向 行 為 (黃 少 暉 ， 2013) 該 研 究針 對 超 高 強 度 填 充 型箱 型 混 凝 土 柱 製 作 18 個 試 體 進 行實 驗 ， 鋼板 使 用 之 標 稱 強 度 為 5.6tf/cm2_{之 HT690 鋼 材 ， 混 凝 土 抗 壓強} 度 為 560 kgf/cm2_{及 700 kgf/cm}2 _{兩 種， 箱 型 柱斷 面 寬 度 介 於 255 至} 480mm 之 間，鋼 板 厚 度 為 8、10 及 15mm 等 三 種，長 寬 比 為 1.0、1.3、 1.9 等 三 種 ， 肢 材 寬 厚 比 則 介 於 24 至 48 共 5 種 ， 其 探 討 之 參 數 為 試 體 斷 面強 度、肢 材 寬 厚 比 的影 響、軸 向 延 展 性、局 部 挫 屈 變 形 及 內部 填 充 混凝 土 之 行 為。研 究 結果 顯 示：(1)填 充 型 箱型 柱 在 發 展 出 最 大強

柱 搭配 560 kgf/cm2_{級 以 上之 混 凝 土 時，AISC 規 範 之 設計 公 式 會 出現} 高 估 強度 的 現 象；(3)斷 面 長寬 比 越 大 的 箱 型 鋼 柱，在 拱 效 應 的 作 用之 下，內部 圍 束 混 凝 土 的 行 為越 差，此 現 象 在 弱 軸承 受 彎 矩 時 將 會 更加 顯 著 。 14. 矩 形 填 充 混 凝 土 箱 型 短 柱 耐 震 行 為 之 研 究 (陶 其 駿 ， 2013) 該 研 究共 製 作 4 個 系 列 合 計 10 組 的 大 尺 寸 矩 形 SRC 短 柱試 體 ， 分 別 為 R、 IR 及 TR 等 3 個系 列 ， 再 加 上 1 組正 方 形 S 系 列 的 試 體 ， 以 做 為比 對 與 分 析 使 用 。 本研 究 規 劃 以 SRC 柱 斷 面 的 長 寬比 (H/B)為 探 討 參數，長 邊固 定 為 590 mm，短 邊 則 規 劃 不 同的 寬 度 尺 寸 (包括 590、 400、 350 及 300 mm 等 4 種 )。 IR 系 列 為 無 握 裹 作 用 之 填 充 混 凝 土 箱 型 矩 形 試 體 ， TR 系 列 則 於 長 邊 開 槽 形 孔 ， 並 設 置 圍 束 繫 桿 ， 以 增 對 鋼 柱 內部 混 凝 土 的 圍 束 效 果。 實 驗 結果 顯 示 ： (1) 當 矩 形 SRC 柱 斷面 長 寬 比小 於 2.0 時 ， 實 驗 結 果 顯示 ： 國 內 現 行 「 SRC 構 造 設計 規 範 」 對 SRC 柱軸 向 強 度 之 計 算 公 式，仍 可 適 用 於「 矩 形」填 充 混 凝 土 箱 型 柱試 體，因 此 當 矩形 SRC 柱 斷 面長 寬 比 小 於 2.0 時， 可 有 效 估 計柱 構 件 的軸 向 強 度 ， 並 且 由 規 範 公 式所 計 算 的 理 論 強 度，將 偏 保 守。(2) 矩 形 SRC 柱斷 面 長 寬 比 介 於 1.0 至 2.0 之 時 ， S 系 列 試體 軸 向 強 度 之 發 展時 機 ， 較 矩 形 R 系 列 試 體 為早，並 且 S 系 列 試 體軸 向 強 度 之 發 揮，優 於 矩 形 R 系 列 試 體 ； 亦 即 當柱 斷 面 長 寬 比 愈 小 ，試 體 強 度 越 能 有 效 發揮 。 除 了 R1 試 體約 略 呈 現更 佳 的 軸 向 韌 性 外，柱 斷 面 長 寬 比 對 軸 向韌 性 的 影 響，並 不明 顯。(3) 由於 IR 系 列 試 體 在柱 鋼 板 與 混 凝 土 間，設 置 有 握 裹 隔 離 層， 因 此 僅有 柱 鋼 板 承 受 軸 向 壓力，而 不 傳 遞 混 凝 土之 摩 擦 力，由 實 驗結

列 試 體軸 向 強 度 之 發 展 時 機，較 矩形 R 系 列 試 體為 晚，並 且 TR 系 列 試 體 軸向 強 度 與 韌 性 之 發 揮，明 顯 優於 矩 形 R 系 列 試 體；亦 即 圍 束 繫 桿 之 設置 ， 可 有 效 提 升 SRC 柱 試 體 強 度 與 韌 性， 並 且 對 圍 束 繫 桿設 計 之 建議 公 式 ， 可 有 效 應 用於 斷 面 長 寬 比 介 於 1.0 至 2.0 之 矩 形 SRC 柱 。 15. 矩 形 填 充 混 凝 土 箱 型 柱 撓 曲 行 為 之 研 究 (黃 國 倫 ， 2013) 填 充 混凝 土 箱 型 柱 於 國 內 建築 構 造 發 展 之 使 用 率日 益 普 及，但文 獻 多 使用 方 形 斷 面 進 行 研 究，而 實 際 建 築 結 構 設計 時，則 以 矩 形 斷面 為 主，長 度 與 寬度 的 比 值 (簡 稱 長 寬 比)大 多 小於 1.5，可 是 仍 會 有 大於 1.5 的 情 況 出 現 。 矩 形 斷 面 之 圍 束 效 果 比 方 形 斷 面 差 ， 所 以 撓 曲 耐 震 性 能 亦可 能 會 較 差，該 研 究 基 於 箱 型 柱 鋼 板 之 標 稱 降 伏 強 度 3.3 2 cm tf 、 280kgf cm2標 稱 抗 壓強 度 混 凝 土、箱型 柱 以 全 滲 透 銲 接製 作 以 及 低 軸 力 作 用(承 受 軸 力約 為 軸 向強 度 20%)之 條 件 下， 進 行 7 支 矩 形 填 充混 凝 土 箱型 柱 撓 曲 行 為 試 驗，發 現 繞 強 軸 彎 曲 時，實 際 彎 矩 強 度 可 比計 算 彎 矩強 度 多 至少 20%，而 繞 弱 軸彎 曲 時，實 際 彎矩 強 度 只 比 計 算 彎 矩 強 度多 約 10%，故 長 寬 比確 實 會 造 成 繞 弱 軸 彎曲 彎 矩 強 度 下 降；無 論 繞 強軸 或 繞 弱 軸 彎 曲，塑 性 轉 角容 量 皆 未 超過 3% rad，韌 性 明 顯 不 佳；適 當設 計 使 用 圍 束 繫 桿，可 將 彎 矩 強 度 提 高約 10%，且 將 塑 性 轉 角 容 量明 顯 提 升 18%， 使 其可 達 到 3% rad 之 表 現， 有 效 加 強 韌 性 。 綜 上 可知，國 內 規 範 須 趕 快做 出 長 寬 比 限 制 的 條文 增 訂，以 目 前 實驗 結 果 來看 ， 長 寬 比 應 至 少 小 於 1.5 或 更 低 ， 否 則必 須 有 加 強 韌 性 的措 施 (例 如 使 用 足 夠之 圍 束 繫桿 )， 以 確保 其 耐 震性 能 。

填 充 混凝 土 箱 型 柱 於 國 內 建築 構 造 發 展 之 使 用 率日 益 普 及，但文 獻 多 使用 方 形 斷 面 進 行 研 究，而 實 際 建 築 結 構 設計 時，則 以 矩 形 斷面 為 主，長 度 與 寬度 的 比 值 (簡 稱 長 寬 比)大 多 小於 1.5，可 是 仍 會 有 大於 1.5 的 情 況 出 現 。 矩 形 斷 面 之 圍 束 效 果 比 方 形 斷 面 差 ， 所 以 撓 曲 耐 震 性 能 亦可 能 會 較 差，該 研 究 基 於 箱 型 柱 鋼 板 之 標 稱 降 伏 強 度 3.3 2 cm tf 、 280kgf cm2標 稱 抗 壓強 度 混 凝 土、箱型 柱 以 全 滲 透 銲 接製 作 以 及 低 軸 力 作 用(承 受 軸 力約 為 軸 向強 度 20%)之 條 件 下， 進 行 7 支 矩 形 填 充混 凝 土 箱型 短 柱 軸 壓 試 驗 ， 及 10 支 矩 形 填 充 混 凝土 箱 型 柱 撓 曲 行 為試 驗 。 軸 壓 實驗 結 果 發 現：(1)矩 形 斷面 CFBC 長 寬比 2.0 以 下 之 試 體 軸 向 計 算強 度 屬 保 守 ， 但 長 寬比 為 2.5 時則 偏 不 保守 ； (2)長 寬 比 越 大 ， 內 部 混凝 土 圍 束 效 果 越 差，軸 力 達 最 大 軸 力 下 降後，所 呈 現 之 明 顯平 台 強 度會 隨 著 長 寬 比 增 加 而下 降；(3)若 CFBC 僅 承 受軸 力，建 議 可 考 慮 剪 力 釘 減 量 或 不 配 置 剪 力 釘 ， 但 若 有 考 量 混 凝 土 收 縮 等 其 他 因 素 ， 建 議 仍應 配 置 剪 力 釘；(4)使用 圍 束 繫 桿 可 明 顯 減緩 試 體 強 度 下 降 之趨 勢 ， 建 議 設 計 圍 束 繫 桿 間 距 不 大 於 平 均 柱 寬 度的 1/3， 圍 束 繫 桿 仍 採 用 黃 國 倫 2012 年 整 理 出 來 的 圍 束 繫 桿 設 計 方 法 ， 並 建 議 長 寬 比 2.0 以 上 之矩 形 填 充 混 凝 土 箱 型 柱，若 需 使 用 圍 束 繫桿，應 使 用 雙 排 配 置 (甚 至 多 排 配 置 )， 始 能 達 到 提 升 強 度 及 軸 向 韌 性 之 良 好 效 果 。 低 軸 力作 用 下 撓 曲 行 為 試 驗發 現：(1)矩形 斷面 CFBC 無 論 繞 強 軸 彎 曲 及 繞 弱 軸 彎 曲 ， 其 計 算 彎 矩 強 度 都 比 實 際 彎 矩 強 度 保 守 ； (2) 長 寬 比 小於 1.39 之 繞 弱 軸 梁柱 試 體 ， 塑 性 轉 角 容量 皆 大 於 3% rad， 建 議 矩 形填 充 混 凝 土 箱 型 鋼 柱之 長 寬 比 上 限 為 1.39，若 矩 形 填 充 混 凝土 箱 型 鋼柱 之 長 寬 比 超 過 此 長寬 比 上 限，且 結 構 分析 發 現 此 處 會 產 生塑

(1.39)的 矩 形 填 充 混 凝 土 箱 型 鋼 柱 ， 若 經 判 斷 需 要 加 裝 圍 束 繫 桿 來 強 化 其 韌性，則 圍 束 應 力 需 求 (σ_{ct ,req})為 42 kgf/cm2；(4) 使 用 本 研究 建 議 槽 孔 方式 搭 配 適 當 圍 束 繫 桿，並 以 紙 黏 土 填 滿 槽孔 與 圍 束 繫 桿 之 縫 隙， 可 獲 得 較 佳 之 塑 性 轉 角 容 量 ， 建 議 業 界 推 廣 使 用 ； (5) 建 議 長 寬 比 小 於 2.0 時 ， 僅 需 單 排 配 置 即可 ， 但 若 長 寬 比 大 於或 等 於 2.0 時 ， 以雙 排 配 置圍 束 繫 桿 較 佳 。 17. 建 築 物 矩 形 填 充 高 強 度 混 凝 土 箱 型 短 柱 耐 震 性 能 驗 證 研 究 (陶 其 駿 ， 2015) 當 填 充高 強 度 （ 700 kgf/cm2） 混 凝 土 箱 型 柱 的 斷 面 長 寬 比 愈 大 ， 因 混 凝土 開 裂 造 成 強 度 下 降的 幅 度，有 愈 大 之 趨勢，但 不 甚 明 顯。當 填 充 型箱 型 柱 使 用 大 於 規 範規 定 之 高 強 度 混 凝 土（ 700 kgf/cm2_{） 時 ，} 實 驗 結果 顯 示 對 填 充 型 箱 型柱 受 壓 強 度 之 規 定 計算 公 式，可 能 出 現高 估 試 體強 度 的 情 形，而 本 研究 建 議 混 凝 土 強 度 的修 正 公 式，可 合 理計 算 填 充 型 箱 型 柱 的 受 壓 強 度 。 當 填 充 型 箱 型 鋼 柱 使 用 高 強 度 （ 700 kgf/cm2）混 凝 土時，柱 斷 面的 長 寬 比 愈 小，受 壓 軸 向 韌 性有 愈 佳 之 趨 勢 。 實驗 結 果 顯 示 填 充 型 箱型 柱 斷 面 之 長 寬 比 ，建 議 不 宜 高 於 1.4， 若 超 過此 限 制 時，可 於 柱 兩端 塑 性 鉸 區，額 外 配置 圍 束 繫 桿，以 提升 填 充 箱型 柱 的 耐 震 韌 性。當填 充 箱 型 柱 塑 性 鉸 區配 置 圍 束 繫 桿 時，可 有 效 提升 填 充 高 強 度 混 凝 土（ 700 kgf/cm2_{）箱型柱的軸向耐震延展性，} 並 建 議 圍 束 繫 桿 的 設 計 橫 向 間 距 應 小 於 最 小 柱 寬 （ B） ， 縱 向 間 距 應 小 於 平均 柱 寬 度的 1/3， 可符 合 相 關 規 範 規 定 的耐 震 需 求 。 18. 建 築 物 矩 形 填 充 高 強 度 混 凝 土 箱 型 鋼 柱 低 軸 力 下 撓 曲 耐 震 性 能 驗

基 於 箱型 柱 鋼 板 之 標 稱 降 伏強 度 3.3 tf/cm2_{、560 kgf/cm}2_{標 稱 抗 壓強} 度 混 凝 土 、 箱 型 柱 以 全 滲 透 銲 接 製 作 以 及 低 軸 力 作 用 (承 受 軸 力 約 為 軸 向 強度 20%)之條 件 下，實 驗結 果 發 現 長 寬 比對 矩 形 填 充 高 強 度 混凝 土 箱 型鋼 柱 之 彎 矩 強 度 或 塑性 轉 角 容 量 之 影 響 有限，並 無 不 保 守 的情 況，建議 國 內 SRC 規 範 針 對填 充 型 箱 型 柱 部 分，可 由 目 前 560 kgf/cm2 之 上 限 規 定 ， 適 度 調 整 至 700 kgf/cm2。 但 長 寬 比 對 矩 形 填 充 一 般 強 度 混 凝土 箱 型 鋼 柱 之 彎 矩 強度 或 塑 性 轉 角 容 量 有明 顯 影 響，國 內 規範 仍 應 趕快 做 出 長 寬 比 限 制 的條 文 增 訂，以 免 工 程實 務 出 現 不 保 守 的設 計 案 例持 續 增 加 。 目 前 SRC 規 範 規 定 混 凝 土設 計 強 度 上 限 為 560 kgf/cm2_{， 但 鋼結} 構 規 範並 未 限 制 柱 內 混 凝 土強 度，故 實 務 上 混 凝土 強 度 的 確 有 使 用超 過 700 kgf/cm2 _{的 案 例 ， 惟填 充 高 強 度 混 凝 土 箱型 柱 較 少 有 實 驗 驗證} 其 耐 震性 能，若 實 際 混 凝 土強 度 比 設 計 混 凝 土 強度 差 異 太 大，可 能造 成 實 際破 壞 模 式 與 預 期 的 不同，建 議 設 計 者 在 實際 應 用 時，最 好 能訂 定 混 凝土 實 際 抗 壓 強 度 的 可接 受 範 圍，以 免 破 壞產 生 在 不 希 望 破 壞的 位 置。另 外，實 務 上 長 寬 比較 大 之 柱 斷 面，梁 與 柱 連 接時 有 偏 心，應 注 意 其偏 心 之 影 響 。 19. 填 充 混 凝 土 箱 型 鋼 柱撓 曲 合 成 行 為 研 究 (陳 正 誠 、 黃 苡 寧 ， 2015) 由 於 箱型 柱 具 有 優 異 的 力 學性 能，台 灣 高 樓 鋼 結構 大 多 使 用 箱型 柱 或 填充 型 箱 型 柱（ 即 內 填充 混 凝 土 箱 型 鋼 柱 ）。若 填 充 型 箱 型 柱要 擁 有 合成 效 應，鋼 骨 與 混 凝土 間 有 剪 力 傳 遞 的 需要，則 過 去 的 研 究顯 示 填 充型 箱 型 柱 不 需 設 置 剪力 釘 即 可 發 揮 合 成 桿件 之 強 度，也 具 有良 好 的 延展 性。但 是 這 些 試 體並 沒 有 考 慮 混 凝 土 乾縮 的 可 能 效 應，此外

立 分 析模 式，以 計 算 所 需 剪力 釘 之 數 量。而 工 程師 自 行 建 立 的 分 析模 式 並 不一 致，且 沒 有 相 關 的研 究 來 印 證 這 些 分 析模 式 的 準 確 性 與 可靠 性，因 此 工 程實 務 上 如 何 設計 剪力釘仍然莫衷一是，帶給工程師困擾， 而 結 構 的 安 全 性 與 經 濟 性 也 不 容 易 掌 握 。 本 研 究 試 驗 結 果 發 現 ， 在 非 塑 性 鉸 區 鋼 骨 與 混 凝 土 間 的 最 大 滑 動 量 在 0 . 8 m m 左 右，但 是 過 去 的 剪 力 釘 推 出 試 驗 結 果 顯 示 ， 鋼 骨 與 混 凝 土 的 相 對 滑 動 量 要 到 5 ~ 1 0 m m 後 剪 力 釘 發 揮 出 最 大 強 度 。 因 此 ， 混 凝 土 填 充 型 桿 件 中 剪 力 釘 強 度 的 發 展 ， 概 估 僅 有 2 0 % 左 右 。 另 外 試 驗 結 果 顯 示 ， 剪 力 釘 附 近 的 混 凝 土 通 常 都 發 現 有 裂 縫 ， 混 凝 土 裂 縫 發 生 在 拉 力 側 ， 而 裂 縫 的 發 生 也 隱 含 握 裹 發 生 作 用 ， 這 些 現 象 可 以 解 釋 成 拉 力 側 的 剪 力 釘 也 發 揮 一 些 效 果 。

第三節 研究方法

本 研 究案 研 究 方 法 包 括：(1) 文 獻 之 收集 與 整 理；(2) 柱 試體 之 撓 曲 行為 實 驗；(3) 鋼 板 及混 凝 土 基 本 材 料 實 驗；(4) 規 範條 文 適 用 性 評 估； (5) 報 告 之 撰 寫 。 流 程 如 圖 1-7 所 示 ，本 研 究 預 定 之 進 度 表 如表 1-1 所 示 。 採 用 的 研究 方 法 敘 述 如 後 。 一 、 文 獻 之 收 集 與 整 理 收 集、整 理 相關 文 獻，一 方 面 避 免 本 研 究 之 內 容與 現 有 成 果 重 複，另 一 方 面 所 收 集 之 資 料 可 作 為 分 析 模 型建 立 及 規 範 檢 討 的 參考 或 補 充 資 料。研 讀心 得 及 彙 整 結 果 已 在 前 一 節 中 詳 細 說 明 。

二 、 柱 試 體 之 撓 曲 行 為 實驗 由 於 柱桿 件 受 固 定 軸 力 及 變化 彎 矩 至 破 壞 階 段，牽 涉 到 材料 與 幾 何之 非 線 性 反 應，行 為 非 常複 雜，因 此 需 採用 結 構 實 驗 方 式 探 討 其行 為。實 驗 採 用 柱 試體 之 撓 曲 行 為 試 驗，柱 試體 將 同 時 受 到 固 定軸 力 及 反 覆 彎 矩 載 重， 可 得 到 軸 力 -彎矩 互 制 之 下 ，柱 試 體 的 耐震 能 力 。 本 研 究規 劃 方 向 經 過 本 所 第 2 次 研 究 業 務 協 調 會討 論 確 認 ， 會 議 紀錄、簽到 單 及 簡 報 內容 附 在 附 錄 一。在 經 過 與 專家 學 者 進 一 步請 益 及 詳 細 討 論 之 後，完 成試 體 規 劃 及 細部 設 計，並 據 以 辦 理 試 體 製 作 發 包 作 業 。 三 、 試 驗 結 果 之 分 析 與 探討 藉 由 試驗 結 果 之 分 析，探 討 柱 板 寬 厚 比 對 填 充 高強 度 混 凝 土 箱 型鋼 柱 試 體 撓 曲 行 為 之 影 響 。 四 、 檢 討 現 行 規 範 限 制CFB 柱混凝土強度及 無限制 CFB 柱軸力比之 合 理 性 目 前 國內 現 行 SRC 規 範 有建 議 混 凝 土 強 度 上 限，本 研 究 擬 藉 由 試驗 結 果 與 討 論，檢 討現 行 SRC 規 範 調 整 混凝 土 強 度 上 限 之 可 行 性 。 另 外 ， 國 內 現行 SRC 規 範 尚 未 針對 CFB 柱 軸 力 比 做 任 何限 制，亦 無 提 出 高 軸力 比 的 對 策，本 研 究擬 藉 由 試 驗 結 果 與 討論 ， 嘗 試 提 出 規 範 修正 草 案 。

五 、 報 告 之 撰 寫 本 研 究包 含 兩 次 報 告 之 撰 寫，第 一次 為 期 中 報 告（ 期 中審 查 之 審查 意 見 回 應 表 附 在 附 錄 三 ）， 在 執 行 第 8 個 月 時說 明 本 案 之 執行 進 度 。 第 二 次 為 期末 報 告 ， 在 執 行 第 11 個 月 時 完 成 本 研 究 期 末 報 告 。

第四節 研究目的

本 計 畫預 計 針 對 填 充 混 凝 土箱 型 鋼 柱 進 行 撓 曲 試驗 研 究，預 期 目 標 包 括：（ 一 ）瞭 解 以 降 低 寬 厚 比 來 提 升 高 軸 力作 用 下 填 充 混 凝 土箱 型 鋼 柱試 體 撓 曲 韌 性 之 可 行性；（ 二 ）瞭 解 以 加裝 圍 束 繫 桿 來 提 升高 軸 力 作用 下 填 充 混 凝 土 箱 型鋼 柱 試 體 撓 曲 韌 性 之可 行 性；（ 三 ）瞭解 以 降 低 寬 厚 比 來 提 升 高 軸 力 作 用 下 填 充 高 強 度 混 凝 土 箱 型 鋼 柱 試 體 撓 曲 韌性 之 可 行 性；（ 四 ）回饋 檢 視 現 有 相 關 實 驗研 究 成 果 之 可 信 度， 提 供 國內 工 程 界 運 用 與 相 關規 範 修 訂 之 参 考 。

表 1-1 預 定 之 研 究 進 度 月 次 工 作 項 目 第 一 月 第 二 月 第 三 月 第 四 月 第 五 月 第 六 月 第 七 月 第 八 月 第 九 月 第 十 月 第 十 一 月 第 十 二 月 備 註 資 料 搜 集 及 整 理 試 體 設 計 與 發 包 試 體 製 作 與 養 護 柱 撓 曲 行 為 試 驗 材 料 機 械 性 質 試 驗 試 驗 數 據 整 理 分 析 相 關 規 範 條 文 檢 討 報 告 撰 寫 期 中 報 告 ※ 8/11 期 末 報 告 ※ 11/30 研 究 進 度 百 分 比 3 6 13 19 22 25 34 41 53 69 84 100 預 定 查 核 點 第 1 季 ： 無 第 2 季 ： 期 中 報 告 第 3 季 ： 期 末 報 告 說 明 ： １ 工 作 項 目 請 視 計 畫 性 質 及 需 要 自 行 訂 定 ， 預 定 研 究 進 度 以 粗 線 表 示 其 起 訖 日 期 。 ２ 預 定 研 究 進 度 百 分 比 一 欄，係 為 配 合 追 蹤 考 核 作 業 所 設 計。請 以 每 一 小 格 粗 組 線 為 一 分，統 計 求 得 本 計 畫 之 總 分，再 將 各 月 份 工 作 項 目 之 累 積 得 分 (與 之 前 各 月 加 總 )除 以 總 分 ， 即 為 各 月 份 之 預 定 進 度 。 ３ 科 技 計 畫 請 註 明 查 核 點 ， 作 為 每 一 季 所 預 定 完 成 工 作 項 目 之 查 核 依 據 。 （ 資 料 來 源 ： 本 研 究 製 作 ）

(a) 無 縫 鋼 管 CFT (b) 兩 個 槽 鋼 銲 接 而 成 之 CFT 圖 1-1 CFT （ 資 料 來 源 ： 黃 國 倫 ， 2013）

Concrete

Steel box

Backing

bar

b

t

圖 1-2 填 充 型 箱 型 柱 （ 資 料 來 源 ： 黃 國 倫 ， 2013） 圖 1-3 填 充 型 箱 型 柱 軸 力 與塑 性 轉 角 之 關 係 圖 （ 資 料 來 源 ： 陶 其 駿 及 蔡 煒 銘 ， 2010， 陳 正 誠 及 黃 國 倫 ， 2011） 27.2 30.7 0 1 2 3 4 5 6 0 10 20 _P/P 30 40 50 60 a0 (%) θp ( % r ad ) b/t=32 b/t=40 b/t=48

圖 1-4 低 軸 力 作 用 下 填 充 高強 度 混 凝 土 箱 型 柱 長寬 比 與 塑 性 轉 角 之 關 係 圖 （ 資 料 來 源 ： 黃 國 倫 ， 2015） 圖 1-5 低 軸 力 作 用 下 填 充 高強 度 混 凝 土 箱 型 柱 寬厚 比 與 塑 性 轉 角 之 關 係 圖

高強度混凝土

軸力比20%

R60 R48 R32 R40 3.4 3.45 3.5 3.55 3.6 3.65 3.7 3.75 3.8 0 10 20 30 40 50 60 70 b /t θ p ( % r ad)

資料蒐集及整理 試體之設計與製作 撓曲行為試驗 及 材料機械性質試驗 實驗數據之整理與分析 相關規範條文之檢討 報告撰寫 圖 1-7 研 究 流 程 圖 （ 資 料 來 源 ： 黃 國 倫 ， 2015）

第二章 試驗計畫

本 研 究著 眼 於 方 形 斷 面 填 充混 凝 土 箱 型 鋼 柱，在 高 軸 力 作 用 下不 同 寬 厚比 之 撓 曲 行 為 試 驗 研 究，故 本 章 將 扼 要 說明 試 體 設 計、量 測 儀 器 之 配置 及 試 驗 相 關 載 重 歷程 。

第一節 試體設計及試驗裝置

本 案 共規 劃 9 個 梁 柱 試 體， 試 體設 計 列 表 如表 2-1 所示 ， 為避 免 因 材 料變 異 性 造 成 試 體 強 度太 高，且 有 利 於 與 近年 研 究 成 果 進 行 比 較， 箱 型 柱鋼 板 採 用 厚 9 mm 及 12 mm 之 SN490B 鋼 材 (標稱 降 伏 強 度為 3.3 tf/cm2)，其 餘 鋼 板 採 用 ASTM A572 Gr.50 鋼 材 (標 稱 降 伏 強 度 為 3.5 tf/cm2)，混 凝 土 標 稱 抗 壓 強 度 部 分，其 中 前 3 支 試 體 為 700 tf/cm2外 ， 其 餘 試體 均 為 420 tf/cm2_{。 試 體 柱 板 寬 度 為 31、 38 及 41 cm， 寬 厚比} （b t） 範 圍 為 24 至 40， 其 中b及t分 別 為 柱 寬 度 及 柱 板 厚 度 ， 如圖 2-1 所 示 ， 所 有 柱 板 寬 厚 比 皆 符 合 規 範 規 定 ， 不 大 於 填 充 型 鋼 管 混凝 土 柱 耐震 設 計 鋼 骨 斷 面 肢 材 寬 厚 比 之 上 限_pd，_pd計 算 公 式 如 下 式 ： 3 _s pd ys E F   (1) 試 驗 裝置 如 圖 2-2 及 圖 2-3 所 示 ， 梁 柱試 體 在 固定 軸 力 P 作 用 下 進 行 撓曲 反 覆 載 重 試 驗 ， 固定 軸 力 P 依 照 下 式 計算 ： c c y s n A F A f P₀  0.85  (2) 其 中 A 為 箱 型 鋼 柱 斷 面 積 ，_s F 為 箱 型 鋼 柱 標 稱 降 伏 應 力 ，_y A 為 混 凝_c 土 斷 面積，f為 混 凝 土 抗 壓 強度。軸 力P與 軸 向 標 稱強 度P 之 比 例 (簡

架 設 試體 時 以 夾 具 及 螺 桿將 H 型 鋼 梁、底 板 及 強力 地 板 夾 緊，每 支 螺 桿施 加 60 噸 預 力 ， 接著 使 用 鋼 板 將 底 板 兩側 角 鋼 與 試 體 間 的縫 隙 塞 滿，再 以 螺 桿 將 試 體 上方 與 200 噸 油 壓 致 動器 連 接 鎖 緊 並 施 加預 力 每 支螺 桿 29 噸 預 力 ； 試驗 時 ， 先 以 上 方 的 600 噸 油 壓致 動 器 施 加 40%軸 向 強 度 之 固 定 軸 力P， 再 以 水 平 的 200 噸 油壓 致 動 器 施 加 側 向 力 進 行反 覆 載 重 撓 曲 行 為 試驗 。 試 體 可分 成 FH、 FL 及 TL 等 3 個 系 列 ， 皆 為 撓曲 行 為 試 驗 之 試 體 ， 所 有 梁 柱 試 體 名 稱 上 面 的 第 1 組 數 字 代 表 斷 面 寬 厚 比 ， 例 如 FH24P40 試 體 之 寬 厚 比為 24，第 2 組 數 字 代 表 軸 力 比 之 百 分 比，例 如 FH24P40 試 體 之 軸 力 比 為 40%。 FH 系 列 試 體 為 填 充 高 強 度 混 凝 土 箱 型 鋼 柱 之 試 體，斷 面 如 圖 2-1 所 示 ，混 凝 土 標 稱 強 度為 700 kgf/cm2， 試 體 下方 有 接 H 型 鋼 梁 及橫 隔 板 ，與 實 際 情 形 較 相 近 ， FH 系 列 共 有 3 支 試 體 ， 其 試體 尺 寸 如 表 2-1 及 圖 2-4 至 圖 2-6 所 示。此 系 列 試 體 可 探 討 固 定 軸 壓 下，不 同 寬 厚 比 對 撓曲 強 度 及 撓 曲 延 展 性 之 影 響 。 FL 系 列 試 體 與 FH 系 列 試 體 之 不 同，主 要 在 於 混 凝 土 標 稱 強 度 為 420 kgf/cm2，FL 系 列 共有 2 支 試 體，其 試 體 尺寸 如 表 2-1 及 圖 2-7 至 圖 2-8 所 示。 TL 系 列 試 體 共 2 支 試 體，與 FL 系 列 試 體 相 似，但 其 在 梁 柱 接 頭 上 方 至 少 0.5 倍 柱 寬 範 圍 內， 使 用 了 圍 束 繫 桿 ，斷 面 及 試 體 尺 寸 如圖 2-9 至 圖 2-12 所 示，以 探 討 圍 束 繫 桿 對 提 升 撓 曲 強 度 及 撓 曲 延 展 性 的 效 果 。

第二節 測計配置與載重歷程

1. 測 計 配 置 梁 柱 試體 量 測 儀 器 配 置 如 圖 2-13 所 示 ， 共 安 排三 個 角 度 計 及六 個 位 移計，其 中 一 個 角 度 計置 於 試 體 上 方 垂 直 致動 器 底 座 處 以 量 測試 體 上 端之 角 度，一 個 角 度 計置 於 致 動 器 上 面 以 量測 致 動 器 之 角 度，最 後 一 個角 度 計 置 於 鉸 接 頭 上；水 平 位 移 計 置 於 上橫 隔 板 高 程 處（ 致動 器 之 高程 ）及 鋼 梁 上 翼 板 處，如 此 可 以 量 得 柱 試體 之 變 形 曲 線，另外 並 架設 4 支 垂 直 位移 計 ， 以量 測 軸 向 變 形 並 可 換算 不 同 高 程 之 轉 角 ， 且 確 保不 會 變 形 過 大 造 成 危險 。 2. 載 重 歷 程 梁 柱 試體 使 用 之 反 覆 載 重 位移 歷 時 係 採 用 AISC2010 之 規 範 所建 議 之 位移 歷 時，致 動 器 所 提供 之 側 向 位 移 由 層 間位 移 角 乘 以 試 體 鋼梁 上 緣 至致 動 器 中 心 線 之 高 度求 得 ， 如 圖 2-14 所 示 。

表 2-1 梁 柱 實 驗 試 體 規 劃 項 試 體 Fy f'c H t b/t P/Pn 0 P φt r Mat. NT R σc t m V 目 編 號 (tf/cm2) (kgf/cm2) (cm) (cm) (tf) (mm) (kgf/cm2) (tf) 1 FH24P40 3.30 700 31 1.2 23.8 0.4 454 - - - - 37 2 FH32P40 3.30 700 31 0.9 32.4 0.4 405 - - - - 32 3 FH40P40 3.30 700 38 0.9 40.2 0.4 567 - - - - 52 4 FL24P40 3.30 420 31 1.2 23.8 0.4 377 - - - - 36 5 FL32P40 3.30 420 41 1.2 32.2 0.4 569 - - - - 69 6 TL32P40LD 3.30 420 41 1.2 32.2 0.4 569 16 A325 2 68 69 7 TL32P40MD 3.30 420 41 1.2 32.2 0.4 569 19 A325 2 96 69 8 TL32P40HD 3.30 420 41 1.2 32.2 0.4 569 19 A490 2 128 69 9 TL32P40HS 3.30 420 41 1.2 32.2 0.4 569 25 A490 1 110 69 （ 資 料 來 源 ： 本 研 究 製 作 ）

圖 2-1 試 體 斷 面 示 意 圖 （ 資 料 來 源 ： 陳 正 誠 等 人 ， 2008） H H t (厚 度 相 同 ) b b

圖 2-2 含 軸 力 之 撓 曲 行 為 試驗 裝 置 示 意 圖

圖 2-3 含 軸 力 之 撓 曲 行 為 試驗 裝 置 照 片

圖 2-4 FH24P40 試 體 設 計 圖

（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 製 作 ）

圖 2-6 FH40P40 試 體 設 計 圖

（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 製 作 ）

圖 2-8 FL32P40 試 體 設 計 圖

（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 製 作 ）

圖 2-10 TL32P40MD 試 體 設 計 圖

（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 製 作 ）

圖 2-12 TL32P40HS 試 體 設 計 圖 （ 資 料 來 源 ： 本 研 究 製 作 ） 單軸應變計：有連接鋼梁的2面，在鋼梁 翼板上表面向上，在1/3及2/3倍平均柱寬 度處，於接H梁表面角落貼上垂直單軸應 變計。1支試體有8片，9支試體共計72片， 再加上2支試體有1支螺桿在中央各貼2片， 故共計76片。 WS1 WS2 ES1 ES2 垂直向應變計 集線處 EN WN ES WS 長六角螺帽(與 鋼板貼合面需 以填角銲銲接) 角度計 位移計 平均柱寬度 平均柱寬度 平均柱寬度

圖 2-14 反 覆 載 重 位 移 歷 時 圖 （ 資 料 來 源 ： 陳 正 誠 及 黃 國 倫 ， 2011） Loading History (2) 7 (2) 6 (2) 5 (2) 4 (2) 3 (2) 2 (2) 1.5 (4) 1 (6) 0.375 (6) 0.5 (6) 0.75 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 No. of Cycles L at er al dr if t r at io ( % )

第三章 柱撓曲行為試驗

待 試 驗 完 畢 後 ， 本 章 將 介 紹 試 體 之 製 作 以 及 試 驗 過 程 之 試 體 觀 察 。

第一節 試體製作

梁 柱 試體 之 製 作，係 從 同 一片 母 材 鋼 板 切 割出 4 片 鋼 板 (圖 3-1)， 並 利 用全 滲 透 銲將 4 片 鋼 板組 合 成 箱 型 柱 (圖 3-2)，且 以 全 滲 透 銲 在頂 部 及 底部 銲 上 內 橫 隔 板 ， 全滲 透 銲 細 部 示 意 圖 如 圖 3-3， 銲 接 時 採用 E70XX 系 列 銲 材 施 銲，上 橫 隔 板（ 有 些 試 體 沒 有 ）及 鋼 梁 上 翼 板 處 之 橫 隔 板有 預 留 圓 孔 以 供 試 體 灌 漿 之 用 ， 如 圖 2-4 裡 的上 視 圖 所 示， 完 成 箱 型柱 製 作 之 後 ， 再 銲 接鋼 梁 上 去 ， 如 圖 2-4 裡的 3D 圖 所 示 。梁 柱 試 體灌 漿 時，是 利 用 試 體下 方 壓 力 灌 漿 入 料 閥與 幫 浦 車 之 泵 送 管 連 接 (如圖 3-4 所 示 )， 將 混 凝土 逆 打 進 入 箱 型 柱 試體 內 部 ， 此 法 與 業界 常 用 方法 一 致 ， 試 體 灌 漿 施作 照 片 如 圖 3-5 所 示； 所 有 試體 均 灌 漿 直 至 填 滿混 凝 土 至 柱 頂 部 上 緣切 齊，待 試 驗 前 時，再 用 高 強 度 石 膏 填滿 乾 縮 造 成 之 空 隙 並 將 軸 力 加 載 鋼 板 蓋 上 以 確 保 整 支 箱 型 柱 內 填 滿 無 間 隙 。 柱 板 使用 9 mm 及 12 mm 厚 之 SN490B 鋼 材 (材 質 證 明 如 圖 3-6 及 圖 3-7 所 示)，待 材 料 試 驗 完畢 後，會 記 錄 平 均 實測 降 伏 強 度 及 平 均實 測 極 限強 度 。 箱 型 柱內 填 充 之 混 凝 土 標 稱抗 壓 強 度 為 700 kg/cm2_{（ 10000 psi）}

隨 試 驗之 進 行 於 試 驗 前 及 試驗 後，各 壓 3 個 圓 柱試 體 求 取 平 均 抗 壓強 度，最後 再 視 結 果 判 斷 是 否取 全 部 數 據 計 算 平 均抗 壓 強 度 或 是 由 線性 內 插 計算 各 試 體 抗 壓 強 度 。 圍 束 繫桿 使 用 不 同 直 徑 及 不同 材 質 鋼 材，待 材 料試 驗 完 畢 後，會 記 錄 實測 降 伏 強 度 及 實 測 極 限 強 度 。

第二節 試驗觀察

本 研 究預 計 完 成 9 支 試 體 之高 軸 力 作 用 下 撓 曲 試驗，待 試 驗 完畢 後 ， 本節 將 摘 要 記 錄 各 試 體之 降 伏 線 、 挫 屈 及 開裂 等 試 驗 過 程 。 圖 3-1 從 母 材 鋼 板 切 割 出 4 片 鋼 板 （ 資 料 來 源 ： 本 研 究 製 作 ）

圖 3-2 以 全 滲 透 銲 將 4 片 鋼 板 組 合 成 箱型 柱

（ 資 料 來 源 ： 本 研 究 製 作 ）

圖 3-3 試 體 全 滲 透 銲 細 部 示 意 圖 (單 位 ： mm)

圖 3-4 試 體 下 方 壓 力 灌 漿 入料 閥 與 幫 浦 車 之 泵 送管 連 接 照 片

（ 資 料 來 源 ： 黃 國 倫 、 陶 其 駿 ， 2014）

圖 3-5 試 體 灌 漿 施 作 照 片

圖 3-6 9 mm 厚 SN490B 鋼 材 之 材 質 證 明

圖 3-9 直 徑 16 及 19 mm 鋼 材 A325 同 等 級 螺 桿 之 材 料 檢 驗 報 告

圖 3-11 直 徑 19 及 25 mm 鋼 材 A490 同 等 級 螺 桿 之 材 料 檢 驗 報 告