混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究

全文

(1)混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究成果報告. 內政部建築研究所委託研究報告中華民國 98 年 12 月.

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(3) （國科會 GRB 編號）ＰＧ９８０２－０３９８（本部研考資訊系統計畫編號）０９８３０１０７００００Ｇ１０１８. 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究成果報告. 受委託者：國立台灣科技大學營建系研究主持人：陳正誠協同主持人：黃國倫研究人員：柯人文. 內政部建築研究所委託研究報告中華民國 98 年 12 月.

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(5) 目次. 目. 次. 表次 .............................................................................................................................................III 圖次 .............................................................................................................................................. V 摘要 .............................................................................................................................................IX 致謝 ........................................................................................................................................... XV 第一章緒. 論 ................................................................................................................................. 1. 第一節研究緣起與背景 ............................................................................................................. 1 第二節研究方法 ......................................................................................................................... 5 第二章專家座談與試體設計........................................................................................................ 11 第一節專家座談會 ................................................................................................................... 11 第二節試體設計與試驗裝置 ................................................................................................... 12 第三節測計配置與載重歷程 ................................................................................................... 16 第三章柱撓曲行為試驗................................................................................................................ 31 第一節試體製作 ....................................................................................................................... 31 第二節試驗觀察 ....................................................................................................................... 32 第四章試驗結果與討論................................................................................................................ 75 第一節第二節第三節第四節第五節第六節第七節. 不同柱細部製作方式之影響 ....................................................................................... 75 不同寬厚比之影響 ....................................................................................................... 77 軸力-彎矩互制曲線 ...................................................................................................... 78 反曲點位置對合成效應之影響 ................................................................................... 78 不同束制情況對合成效應之影響 ............................................................................... 79 剪力釘對合成效應之影響 ........................................................................................... 80 圍束繫桿之影響 ........................................................................................................... 80. 第五章結論與建議 ....................................................................................................................... 97 第一節結論 ............................................................................................................................... 97 第二節建議 ............................................................................................................................... 98 附錄一專家座談會會議紀錄...................................................................................................... 101 附錄二填充型箱型柱軸力-彎矩互制曲線分析方式................................................................. 129 附錄三期中審查、期末審查會議審查意見回應表.................................................................. 137 參考書目 ....................................................................................................................................... 146. I.

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(7) 表次. 表. 次. 表 1.1 預定之研究進度 ..........................................................................8 表 2.1 實驗試體規劃 ............................................................................17 表 3.1 混凝土圓柱試體平均抗壓強度 ................................................39 表 3.2 圍束繫桿棒狀試片平均降伏強度及極限強度 ........................40 表 3.3 試體裂縫位置、裂縫長度及柱內背墊板與柱板分離情形列表 ................................................................................................................41 表 4.1 試體試驗拉力、推力包絡線結果列表 ....................................83. III.

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(9) 圖次. 圖. 次. 圖 1.1 無縫鋼管CFT ...............................................................................9 圖 1.2 填充型箱型柱 ..............................................................................9 圖 1.3 研究流程圖 ..................................................................................9 圖 2.1 含軸力之撓曲行為試驗裝置示意圖 ........................................18 圖 2.2 填充型箱型柱試體斷面示意圖 ................................................19 圖 2.3 試體設計圖（以R48-20 為例） ...............................................20 圖 2.4 R32-00-L2 試體設計圖...............................................................22 圖 2.5 不含軸力之撓曲行為試驗裝置示意圖 ....................................23 圖 2.6 R-C2 及R-C3 系列橫隔板銲接細節示意圖 ..............................24 圖 2.7 R-C2 系列第四面柱板銲接細節示意圖....................................24 圖 2.8 R-C3 系列第四面柱板銲接細節示意圖....................................25 圖 2.9 R-C2 系列試體 3D示意圖..........................................................25 圖 2.10 C32-00-N試體設計圖 ...............................................................26 圖 2.11 T系列試體示意圖 .....................................................................27 圖 2.12 加圍束繫桿之填充型箱型柱斷面示意圖 ..............................27 圖 2.13 TAA系列試體試驗裝置示意圖（資料來源：陳正誠等人， 2007）....................................................................................................28 圖 2.14 TAA系列試體軸力-軸向應變曲線圖（資料來源：陳正誠等人，2007）............................................................................................28 圖 2.15 圍束繫桿圍束應力示意圖 ......................................................29 圖 2.16 量測儀器配置示意圖 ..............................................................29 圖 2.17 反覆載重位移歷時圖 ..............................................................30 圖 3.1 平均抗壓強度變化曲線圖 ........................................................42 圖 3.2 R60-20 試體在層間轉角達 0.5%時出現降伏線 .......................43 圖 3.3 R60-20 試體在層間轉角達 2%時局部挫屈 ..............................43 圖 3.4 R60-20 試體在層間轉角達 5%時受壓柱板沿縱向開裂 ..........44 圖 3.5 R48-20 試體在層間轉角達 0.5%時出現降伏線 .......................44 圖 3.6 R48-20 試體在層間轉角達 2%時局部挫屈 ..............................45 圖 3.7 R48-20 試體在層間轉角達 6%時受壓柱板沿縱向開裂 ..........45 圖 3.8 R40-20 試體在層間轉角達 0.5%時出現降伏線 .......................46 圖 3.9 R40-20 試體在層間轉角達 2%時局部挫屈 ..............................46 圖 3.10 R40-20 試體在層間轉角達 7%時受拉柱板沿縱向及橫向開裂 ................................................................................................................47 圖 3.11 R32-20-1 試體在層間轉角達 0.5%時出現降伏線..................47 圖 3.12 R32-20-1 試體在層間轉角達 3%時局部挫屈.........................48 圖 3.13 R32-20-1 試體在層間轉角達 5%時受壓柱板沿縱向開裂.....48. V.

(10) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究圖 3.14 R32-20-2 試體在層間轉角達 0.5%時出現降伏線..................49 圖 3.15 R32-20-2 試體在層間轉角達 3%時局部挫屈.........................49 圖 3.16 R32-20-2 試體在層間轉角達 5%時受壓柱板沿縱向開裂.....50 圖 3.17 R32-00 試體在層間轉角達 1.5%時出現降伏線 .....................50 圖 3.18 R32-00 試體在層間轉角達 2%時局部挫屈 ............................51 圖 3.19 致動器往回拉使力臂變短、往外推使力臂變長 ..................51 圖 3.20 R32-00 試體在層間轉角達 6%時受壓柱板沿縱向開裂 ........52 圖 3.21 R32-00-L試體在層間轉角達 2%時出現降伏線 .....................52 圖 3.22 R32-00-L試體在層間轉角達 3%時局部挫屈 .........................53 圖 3.23 R32-00-L試體在層間轉角達 6%時受壓柱板沿縱向開裂 .....53 圖 3.24 R32-00-CX試體在層間轉角達 1.5%時出現降伏線 ...............54 圖 3.25 R32-00-CX試體在層間轉角達 4%時局部挫屈 ......................54 圖 3.26 R32-00-CX試體在層間轉角達 7%時受壓柱板沿縱向開裂 ..55 圖 3.27 R32-00-CY試體在層間轉角達 1.5%時出現降伏線 ...............55 圖 3.28 R32-00-CY試體在層間轉角達 4%時局部挫屈 ......................56 圖 3.29 R32-00-CY試體在層間轉角達 6%時受壓柱板沿縱向開裂 ..56 圖 3.30 R32-00-CY-TH試體在層間轉角達 2%時出現降伏線 ...........57 圖 3.31 R32-00-CY-TH試體在層間轉角達 4%時局部挫屈 ...............57 圖 3.32 R32-00-CY-TH試體在層間轉角達 6%時受壓柱板沿縱向開裂 ................................................................................................................58 圖 3.33 C32-00-N試體在層間轉角達 2%時出現降伏線.....................58 圖 3.34 C32-00-N試體在層間轉角達 3%時局部挫屈.........................59 圖 3.35 C32-00-N試體在層間轉角達 5%時受壓柱板沿縱向開裂.....59 圖 3.36 C32-20-N試體在層間轉角達 0.75%時出現降伏線................60 圖 3.37 C32-20-N試體在層間轉角達 2%時局部挫屈.........................60 圖 3.38 C32-20-N試體在層間轉角達 5%時受壓柱板沿縱向開裂.....61 圖 3.39 C32-00-ST試體在層間轉角達 1.5%時出現降伏線 ................61 圖 3.40 C32-00-ST試體在層間轉角達 5%時局部挫屈 .......................62 圖 3.41 C32-00-ST試體在層間轉角達 5%時受壓柱板沿縱向開裂 ...62 圖 3.42 T48-20-100 試體在層間轉角達 1%時出現降伏線 .................63 圖 3.43 T48-20-100 試體在層間轉角達 3%時局部挫屈 .....................63 圖 3.44 T48-20-100 試體在層間轉角達 7%時受壓縱裂、受拉橫裂 .64 圖 3.45 T48-20-80 試體在層間轉角達 0.75%時出現降伏線 ..............65 圖 3.46 T48-20-80 試體在層間轉角達 2%時局部挫屈 .......................65 圖 3.47 T48-20-80 試體在層間轉角達 6%時受壓柱板沿縱向開裂 ...66 圖 3.48 T48-20-80 試體在層間轉角達 7%時受拉柱板沿橫向開裂 ...66 圖 3.49 T48-20-40 試體在層間轉角達 0.75%時出現降伏線 ..............67 圖 3.50 T48-20-40 試體在層間轉角達 3%時局部挫屈 .......................67 圖 3.51 T48-20-40 試體在層間轉角達 6%時受壓柱板沿縱向開裂 ...68 圖 3.52 T60-20-100D試體在層間轉角達 1.5%時出現降伏線 ............68 圖 3.53 T60-20-100D試體在層間轉角達 2%時局部挫屈 ...................69 圖 3.54 T60-20-100D試體在層間轉角達 6%時受拉柱板沿橫向開裂 ................................................................................................................69 VI.

(11) 圖次圖 3.55 T60-20-100 試體在層間轉角達 0.75%時出現降伏線 ............70 圖 3.56 T60-20-100 試體在層間轉角達 3%時局部挫屈 .....................70 圖 3.57 T60-20-100 試體在層間轉角達 5%時受拉柱板沿橫向開裂 .71 圖 3.58 T60-20-70 試體在層間轉角達 2%時出現降伏線 ...................71 圖 3.59 T60-20-70 試體在層間轉角達 2%時局部挫屈 .......................72 圖 3.60 T60-20-70 試體在層間轉角達 5%時局部挫屈處開裂 ...........72 圖 3.61 T60-20-50 試體在層間轉角達 1.5%時出現降伏線 ................73 圖 3.62 T60-20-50 試體在層間轉角達 2%時局部挫屈 .......................73 圖 3.63 T60-20-50 試體在層間轉角達 5%時局部挫屈處開裂 ...........74 圖 4.1 降伏層間轉角θyn、極限層間轉角θu定義之說明圖.................84 圖 4.2 R32-00 彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖 ...........................84 圖 4.3 R32-00-CX彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖 .....................85 圖 4.4 R32-00-CY彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖 .....................85 圖 4.5 R32-00-CY-TH彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖 ..............86 圖 4.6 R60-20 彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖 ...........................86 圖 4.7 R48-20 彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖 ...........................87 圖 4.8 R40-20 彎矩-層間轉角遲滯迴圈圖 ...........................................87 圖 4.9 R32-20-1 彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖........................88 圖 4.10 R32-20-2 彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖......................88 圖 4.11 柱板寬厚比為 60 之軸力-彎矩互制曲線圖 ...........................89 圖 4.12 柱板寬厚比為 48 之軸力-彎矩互制曲線圖 ...........................89 圖 4.13 柱板寬厚比為 40 之軸力-彎矩互制曲線圖 ...........................89 圖 4.14 柱板寬厚比為 32 之軸力-彎矩互制曲線圖 ...........................90 圖 4.15 R32-00-L彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖 ......................90 圖 4.16 C32-20-N彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖......................91 圖 4.17 C32-00-N彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖......................91 圖 4.18 C32-00-ST彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖 ....................92 圖 4.19 T48-20-100 彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖 ..................92 圖 4.20 T48-20-80 彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖 ....................93 圖 4.21 T48-20-40 彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖 ....................93 圖 4.22 T60-20-100D彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖 ................94 圖 4.23 T60-20-100 彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖 ..................94 圖 4.24 T60-20-70 彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖 ....................95 圖 4.25 T60-20-50 彎矩-層間轉角遲滯迴圈及包絡線圖 ....................95 圖 4.26 T系列試體之繫桿圍束應力與塑性層間轉角分佈圖 .............96. VII.

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(13) 摘要. 摘. 要關鍵詞：填充型箱型柱、合成柱、鋼骨鋼筋混凝土、柱. 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。填充型箱型柱中柱板之寬厚比（b/t）影響構材的行為很大。b/t 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，使用 3.5 tf/cm2 等級的鋼材時，柱板之 b/t 不得大於 42；然而很多工程師基於強柱弱梁的考量，柱板寬厚比的限制會採用結實斷面寬厚比限制（等於 61），這也導致箱型柱板厚度太薄不能使用電熱熔渣銲銲接柱內橫隔板，故本計畫規劃了 b/t 範圍介於 32 至 60 之間的箱型柱進行撓曲行為試驗，並嘗試發展新的柱內橫隔板銲接細節，以解決柱板厚度太薄的問題。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，可以將繫桿作為結構用途，應可降低柱板厚度需求。97 年度「含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究」研究案證明了 b/t 為 48 之情況下，混凝土強度為 420 kgf/cm2 及 700 kgf/cm2 之 CFBC 短柱構件使用圍束繫桿，分別於間寬比 S/D（圍束繫桿間距與柱板寬的比值）不大於 0.4 及 0.2 時，可以有效發展出良好之韌性，故圍束繫桿對填充型箱型柱軸力行為有莫大的助益，本計畫將繼續研究圍束繫桿對填充型箱型柱撓曲行為之影響。. 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、試體製作、柱之撓曲行為試驗、材料機械性質試驗、實驗數據整理與分析、分析模型之建立、相關規範條文之檢討以及報告與期刊論文撰寫等步驟。採用的研究方法敘述如下：1. 文獻之收集與整理；2. 大尺寸柱試體之撓曲行為實驗；3. 鋼板及混凝土基本材料實驗；4. 整理或建立合理的材料分析模型；5. 規範條文適用性評估；6. 舉辦專家座談會。. IX.

(14) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究. 三、重要發現藉由第一次專家座談會，本計畫規劃之試體設計及試驗裝置應屬可行； R-C2 系列的柱製作細節可解決柱板太薄無法使用電熱熔渣銲接（Electroslag Welding，簡稱 ESW）的問題；使用內銲橫隔板（Composite Actuation Plate，簡稱 CAP）或增加繫桿（Composite Actuation Tie，簡稱 CAT）的方式，讓柱塑鉸區之混凝土能產生壓桿，合成效應能因此不受試體上頂板位置及彎矩分佈反曲點位置影響；使用圍束繫桿可以增加對混凝土的圍束效果，對箱型柱柱板抵抗局部挫屈也有幫助，僅有梁柱接頭附近一倍柱寬範圍內需要配置圍束繫桿，並不用增加很多支繫桿，所以使用圍束繫桿應是可行的方法。基於箱型柱鋼板之標稱降伏強度 3.5 tf/cm2 此條件下，由實驗結果可歸納出以下結論： 1. 使用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，第四面柱板銲接在柱翼板處會比在柱腹板處之行為好一些； 2. 箱型柱柱板寬厚比 40～60 試體之塑性層間轉角皆能符合（大於）規範規定之 3%，但考量 SRC 規範規定此等級鋼材（3.5 tf/cm2）之箱型柱柱板寬厚比應不超過 42，建議若要使用超過規範限制之箱型柱柱板寬厚比，應額外使用能增強耐震性能之裝置，例如圍束繫桿； 3. 對箱型柱鋼板採用完全塑性來推導箱型柱軸力-彎矩互制曲線，能保守地估計箱型柱柱板寬厚比 40～60 試體之彎矩容量； 4. 彎矩分佈之反曲點位置越高，實際彎矩強度應可越高，即越保守，但是塑性層間轉角及撓曲韌性則會降低； 5. 填充型箱型柱未加軸力時，少了上方橫隔板的束制，似乎會降低彎矩強度比、塑性層間轉角及撓曲韌性； 6. 剪力釘確實會增加彎矩強度及撓曲韌性容量，不過增強效果並不大； 7. 若使用 3.5 tf/cm2 降伏強度之鋼材、420 kgf/cm2 標稱抗壓強度之混凝土製作填充型箱型柱，而柱板寬厚比想用到結實斷面寬厚比限制（等於 61），似乎應使用能提供的圍束應力達 36.2 kgf/cm2 以上之圍束繫桿，方能確保. X.

(15) 摘要其撓曲韌性容量與使用耐震構材柱板寬厚比（等於 42）之填充型箱型柱相匹配。. 四、主要建議意見本研究進行含混凝土箱型柱（CFBC）之撓曲行為試驗提出下列具體建議。立即可行建議：推動含高強度混凝土箱型柱之耐震行為研究主辦機關：內政部建築研究所、營建署協辦機關：各大學土木、營建、建築相關科系至今尚未有使用高強度混凝土之填充型箱型柱撓曲行為研究，建議再增加後續研究以提出合理之耐震斷面 b/t 限制，以因應不同混凝土標稱強度之情況。立即可行建議：進行圍束繫桿在含高強度混凝土箱型柱之耐震行為研究主辦機關：內政部建築研究所、營建署協辦機關：各大學土木、營建、建築相關科系至今尚未有使用高強度混凝土之填充型箱型柱撓曲行為研究，建議再增加圍束繫桿之後續研究以提出合理之耐震斷面 b/t 限制，以因應不同混凝土標稱強度之情況。立即可行建議：推動含混凝土箱型柱軸向及撓曲之防火行為研究主辦機關：內政部建築研究所、營建署協辦機關：各大學土木、營建、建築相關科系由 97 年度研究案專家座談會之內容可知，含混凝土箱型柱防火被覆之需求比鋼結構低，具有較優越的經濟效益，值得研究與推廣。中長期建議：舉辦含混凝土箱型柱及相關研究課題之成果發表會主辦機關：內政部建築研究所、營建署協辦機關：各大學土木、營建、建築相關科系 CFBC 結構系統為比傳統結構系統更安全、經濟、環保的新世代結構系統，可舉辦研討會將與工程實務有關之發現推廣至工程界。. XI.

(16) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究. ABSTRACT Keywords: concrete filled box column, composite column, steel reinforced concrete, column Composite members are useful to reduce the material requirement thus the impact to environment can be reduced, especially the CFBC members in which the discharge of CO2 is less than that in SRC members. Eventually, structural and constructional materials can be reduced and recycled more easily. This project enhances systematic development works for Concrete Filled Box Column (CFBC) Structures. This project will try to clarify the flexural behavior of CFBC columns.. The. research works for this project include: (1) collating researches, (2) designing specimens, (3) fabricating specimens, (4) finishing experiments for materials and CFBC columns, (5) evaluating reasonability of rules from codes, and (6) holding two symposiums. From the first symposiums, design parameters in this project are supported. Engineers use λ p (=61) to be as the limit of b t (width-to-thickness ratio) for box columns because of strong column-weak beam even though the specification of code indicates that we should use λ pd (=42). Therefore, the thickness of box columns will be less than 22mm, and the “Electroslag Welding” (ESW) can not be used to weld diaphragms inside box columns.. Thus, the column fabrication detail. (R-C2 series) in this project will be very useful to deal with this problem.. Also,. confining tie rods will be useful to ensure the flexural strength of CFBCs, and only little amount of confining tie rods is necessary in the region of column ends. Composite Actuation Plate (CAP) and Composite Actuation Tie (CAT) are good ideas to ensure that flexural strengths of CFBCs can be developed.. After. mid-term examination, specimens with CAP or CAT are given up because of some doubts. From a series of experiments with steel box column of 3.5 tf/cm2 yield stress and concrete of 420 kgf/cm2 compressive strength, it is concluded as follows. 1. Using new fabrication detail to weld diaphragms inside box columns is acceptable if the final welded plate is a flange of box columns. 2. The plastic interstory rotation angles of specimens with b/t of 40-60 are all. XII.

(17) 摘要 larger than 3% specified by TW-LSD code, but b/t less than 42 is recommended because of TW-SRC code and being conservative. Additional devices such as confining tie rods are recommended if b/t is larger than 42. 3. Deriving P-M interaction curve by using fully-plastic stress-strain curve for steel box columns can estimate conservatively moment capacity of CFBCs with b/t of 40-60. 4. The higher the inflection point is, the higher the moment capacity of CFBCs is.. But, the plastic interstory rotation angle and flexural ductility are. smaller when the inflection point becomes higher. 5. Ratio of moment strengths M exp M thm , plastic interstory rotaion angle θp and flexural ductility μ of CFBCs without axial load will decrease if the constraint for concrete on top of CFBCs is removed. 6. Adding shear studs will improve moment strength, plastic interstory rotaion angle θp and flexural ductility μ of CFBCs, but the effect is not obviously. 7. For CFBCs with b/t of 48-60, the plastic interstory rotaion angle θp and flexural ductility μ can be as large as CFBCs with b/t of 40 by equipping confining tie rods, which can provide more than 36.2 kgf/cm2 confining stress based on the calculation provided by this paper. It is recommended that research for flexural behavior of high strength concrete-filled box columns should be carried out to clarify the limitation about b/t and the effect of equipping confining tie rods.. XIII.

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(19) 致謝. 致. 謝. 在填充型箱型柱試體發包製作期間由於遇到購買不到鋼板等問題，導致試驗期程落後。在期末審查時，仍只完成 4 支試體撓曲試驗，幸好有 SRC 研究室全體研究生及同仁的幫助，分成三組分工合作，日夜輪班，甚至達到可以一天完成一支填充型箱型柱撓曲試驗，我們完成了不可能的任務，謹以本文向 SRC 研究室全體研究生及同仁致上十二萬分謝意及敬意。大家都累壞了，好好休息吧！. XV.

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(21) 第一章. 第一章. 第一節. 緒. 緒. 論. 論. 研究緣起與背景. 一、研究緣起填充型箱型柱（ concrete filled box column，或簡稱 CFBC）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。使用填充型箱型柱相當具有經濟上及環保上的優勢，然而，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，需要進行相關試驗驗證其可行性與可靠性。本計畫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，建立分析模型及設計基本資料；（ 2）經由填充型箱型柱試體之軸壓及撓曲行為實驗，提昇國內對填充型箱型柱行為之認識，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）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；（ 2）箱型柱之製作比圓柱容易且便宜許多；（ 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. 1.

(22) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究多；（ 5）不必使用模板，降低營建材料使用量；（ 6）防火性能比純箱型柱佳，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）若使用高強度材料可以使用較少的材料達到相同的強度，降低結構材料使用量。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。國內外曾進行不少有關填充型鋼管混凝土柱的研究。近年來國內有翁正強、陳誠直、蔡克銓、黃炯憲、胡宣德等人，國外 2000 年以後主要有 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，有關方形短柱載重實驗的試體尺寸都不大，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 1.1）或是由兩個槽鋼銲接而成之方形斷面。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）。. 2.

(23) 第一章. 緒. 論. 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/cm 2，而混凝土抗壓強度也不宜大於 560kgf/cm 2 。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。對於填充型箱型柱，很多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。國內現階段推廣填充型箱型柱，在材料方面應以現有能夠量產者為優先考慮。國內目前可以量產的結構用鋼以 3.5 tf/cm 2 等級（ A572 Gr.50、A992、SM490、SN490B、SN490C）為主，中鋼也有量產 4.2 tf/cm 2 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/cm 2 級的混凝土，混凝土材料之取得相對的比較容易。有鑑於此，本計畫的研究宜以 3.5 tf/cm 2 等級鋼材，配合 420 kgf/cm 2 級的混凝土為主。填充型箱型柱中柱板之寬厚比（ b t ）影響構材的行為很大。 b t 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 Fy ，使用 3.5 tf/cm 2 等級的鋼材時，柱板之 b t 不得大於 42 ， Varma et al. (2002) 的研究顯示，當 b t 等於 48 時桿件之撓曲延展性不佳，當 b t 等於 32 時桿件之撓曲延展性改善很多，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；然而很多工程師基於強柱弱梁的考量，柱板寬厚比的限制會採用結實斷面寬厚比限制 λ p （等於 61 ），故本計畫規劃了 b t 範圍介於 32 至 60 之間的箱型柱進行撓曲行為試驗。另外，柱板寬厚比的限制採用結實斷面寬厚比限制 λ p （等於 61 ）常會導致箱型柱板厚度太薄，柱板厚度小於或等於 22mm 即不能使用電熱熔渣銲接（ Electroslag Welding ，. 3.

(24) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究簡稱 ESW ）來銲接箱型柱內橫隔板，故本研究嘗試不同的箱型柱與橫隔板銲接細節，企圖解決柱板太薄無法使用 ESW 的問題。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。但考慮到試體上頂板位置及彎矩分佈反曲點位置可能會對合成效應有影響，本研究規劃不同反曲點高度之試體，及含剪力釘之試體，來探討其影響。另外，本研究也試圖使用內銲橫隔板（ Composite Actuation Plate ，簡稱 CAP ）或增加繫桿（ Composite Actuation Tie ，簡稱 CAT ）的方式，讓柱塑鉸區之混凝土能產生壓桿，希望合成效應能因此不受試體上頂板位置及彎矩分佈反曲點位置影響，不過在專家座談會及期中審查之後，綜合各方意見審慎考量後，已取消此類試體。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，可以將繫桿作為結構用途，應可降低柱板厚度需求。97 年度「含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究」研究案證明了 b t 為 48 之情況下，混凝土強度為 6000psi 及. 10000psi 之 CFBC 短柱構件使用圍束繫桿，分別於間寬比 S D （圍束繫桿間距 S 與柱板寬 D 的比值）不大於 0.4 及 0.2 時，可以有效發展出良好之韌性，故圍束繫桿對填充型箱型柱軸力行為有莫大的助益，本計畫將繼續研究圍束繫桿對填充型箱型柱撓曲行為之影響。針對上述主要的課題進行研究，可以進一步釐清填充型箱型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。. 4.

(25) 第一章. 第二節. 緒. 論. 研究方法. 本研究案研究方法包括：(1) 文獻之收集與整理；(2) 大尺寸柱試體之撓曲行為實驗；(3) 鋼板及混凝土基本材料實驗；(4) 整理或建立合理的材料分析模型；(5) 規範條文適用性評估；(6) 舉辦專家座談會，邀請產、官、學各界參與討論，檢視所研擬機制的可行性及周延性； (7) 報告及期刊論文之撰寫。流程如圖 1.3 所示，本研究預定之進度表如表 1.1 所示。採用的研究方法及進度說明敘述如後。一、文獻之收集與整理收集、整理相關文獻，一方面避免本計畫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。二、大尺寸柱試體之撓曲行為實驗由於柱桿件受彎矩至破壞階段，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。實驗採用大尺寸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。三、鋼板及混凝土基本材料實驗求取材料之基本應力 - 應變關係曲線，用於建立材料分析模型。基本材料包括各種強度的混凝土及各種厚度的鋼板，混凝土量測受壓情況之應力 - 應變曲線，鋼板則量測受拉情況之應力. -應變曲線。. 5.

(26) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究. 四、整理或建立合理的材料分析模型有了混凝土及鋼箱型柱之分析模型，可以進一步進行各種參數變化對柱軸力行為的影響，也可用以進行撓曲行為的探討。收集、整理現有的分析模型，並與本計畫之實驗結果作比較，必要時提出模型之修正方式或建立新模型。首先收集、整理相關的分析模型，再以本計畫之實驗結果檢核之，有必要時修改或重建分析模型。五、規範條文適用性評估規範條文應該要符合安全結構設計的精神，根據實驗及分析結果檢討規範的適用性，必要時提出修改建議，以利後續之推廣工作。首先檢核柱板寬厚比的規定是否合理，其次檢核採用圍束繫桿時，如何配置圍束繫桿才可以使構材行為有所改善，再則檢討梁柱之撓曲強度是否適合採用規範之規定計算之。六、舉辦專家座談會本計畫規劃兩次專家座談會，邀請產、官、學各界參與討論，檢視所研擬機制的可行性及周延性。為發揮專家座談會的效果，第一次專家座談安排在試體設計階段舉辦，討論試驗規劃及試體設計細節。第二次專家座談安排在柱試體撓曲行為試驗之前舉辦，討論實驗加載與量測計畫，以及數據分析、模型建立之細節。七、報告及期刊論文之撰寫本計畫包含兩次報告之撰寫，第一次為期中報告，在執行第 5 個月時說明本案之執行進度。第二次為期末報告，在執行. 6.

(27) 第一章. 緒. 論. 第 11 個月時完成本案之研究報告。本計畫將於繳交研究成果報告之一個月內，向中華民國建築學報或其他具有國內 TSSCI 同等水準以上之學報（刊）投稿，並副知內政部建築研究所。. 7.

(28) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究. 表 1.1 預定之研究進度備註. 第十二月. 工作項目. 第十一月. 第十月. 第九月. 第八月. 第七月. 第六月. 第五月. 第四月. 第三月. 第二月. 第一月. 月次. 資料搜集及整理試體設計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專家座談會報告及期刊論文撰寫期中報告. 6/30. ※. 期末報告研究進度百分比. 10/15. ※ 10. 20. 25. 30. 50. 60. 70. 80. 85. 95. 100. 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。預定查核點. 8.

(29) 第一章. 緒. 論. 圖 1.1 無縫鋼管 CFT. 圖 1.2 填充型箱型柱. 圖 1.3 研究流程圖. 9.

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(31) 第二章. 第二章. 專家座談與試體設計. 專家座談與試體設計. 本研究計畫之大方向為 CFBC 結構系統之研發與推廣，今年度著眼於 CFBC 柱之撓曲試驗研究，故本章將扼要說明專家座談會之討論內容及說明試體設計。. 第一節. 專家座談會. 本研究計畫以專家座談會邀請產、官、學各界專家諮詢討論，檢視所研擬機制的可行性及周延性。本研究計畫規劃兩次專家座談會，為發揮專家座談會的效果，第一次專家座談會安排在試體設計階段舉辦，討論試驗規劃及試體設計細節。第二次專家座談會安排在柱試體載重試驗之前舉辦，討論實驗加載與量測計畫，以及數據分析、模型建立之細節。目前二次專家座談會皆已完成（附錄一），綜合結論彙整如下：. 1.. 當工程師考慮強柱弱梁，不把柱考量成耐震構件時，柱板寬厚比可能會使用 λp 當作限制，可能使柱板很薄，柱板厚度小於或等於 22mm 時，即不能使用電熱熔渣銲接（ Electroslag Welding ，簡稱 ESW ）。. 2.. R-C2 及 R-C3 系列的柱製作細節可解決柱板太薄無法使用 ESW 的問題。. 3.. 當柱的反曲點位置變高時，塑鉸區之混凝土要產生壓桿，所需的層間轉角跟著變大，可能導致柱彎矩容量不如預期。. 4.. 本研究規劃使用內銲橫隔板（ Composite Actuation Plate ，簡稱 CAP ）或增加繫桿（ Composite Actuation Tie ，簡稱. 11.

(32) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究. CAT ）的方式，讓柱塑鉸區之混凝土能產生壓桿，希望合成效應能因此不受試體上頂板位置及彎矩分佈反曲點位置影響，此二種方式應屬可行。. 5.. 如果 CAP 跟 CAT 的效果會一樣，業界可能會比較想使用. CAT ，因為施工較方便。 6.. 當柱板厚度不足，使用圍束繫桿可以增加對混凝土的圍束效果，對箱型柱柱板抵抗局部挫屈也有幫助。. 7.. 僅有梁柱接頭附近一倍柱寬範圍內需要配置圍束繫桿，並不用增加很多支繫桿，所以使用圍束繫桿應是可行的方法。. 8.. 使用圍束繫桿會突出柱板，但此問題應該不大，因為防火被覆可以蓋掉圍束繫桿突出之部分。. 第二節. 試體設計與試驗裝置. 經由二次專家座談會，獲得各專家之支持與建議，並在試體規劃上做出些許修正。由於柱桿件受軸力至破壞階段，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。實驗採用大尺寸柱試體之撓曲行為試驗，經由二次專家座談會及期中審查之後，共規劃 20 個試體，鋼板採用 ASTM A572 Gr.50 鋼材，標稱降伏強度為 3.5tf/cm 2 ，採用標稱抗壓強度為 0.42 tf/cm 2 之混凝土，試體設計如表 2.1 所示，其中彎矩強度之估算可參考附錄二。試體可分成 R-20、R-00、R-C2、C 及 T 等 5 個系列（原設計 R-C3 系列，經專家座談會後決定不做此系列試體），皆為撓曲行為試驗之試體（試驗裝置如圖 2.1 所示）。 1.. R-20 系列. R-20 系列試體為填充型箱型柱下方接 H 型鋼梁及橫隔板之試體，. 12.

(33) 第二章. 專家座談與試體設計. 共有四支試體，寬厚比分別為 60 、 48 、 40 及 32 ，由於工程師考量強柱弱梁而不把柱當成耐震構材時，計算柱板的寬厚比（ b t ，試體編號上的數值）限制時可能會採用結實斷面寬厚比限制 λ p（等於 61 ），故設計時有考量寬厚比為 60 的試體；試體尺寸如表 2.1 、圖 2.3a 及圖 2.3b 所示，表 2.1 中柱寬 D 、柱淨寬 b 及柱板厚度 t 如圖 2.2 所示，先施加 20% 軸向強度之固定軸力，再進行反覆載重撓曲行為試驗（如圖 2.1 所示）。此系列試體可探討固定軸壓下，填充型箱型柱之撓曲強度及撓曲延展性。 2.. R-00 系列. R-00 系列試體類似 R-20 系列試體，不過沒有施加軸力即進行反覆載重試驗，僅規劃寬厚比為 32 之試體。考慮實際結構物中，柱之反曲點不一定在中間，故以樓高 3.4m ，反曲點約在 53% 及 88% 高度時，設計試體高度分為二種，第一種高度之試體（ R32-00-L 以外之所有試體）如圖 2.3a 及圖 2.3b 所示，施加側向力的致動器中心到 H 型鋼梁翼板上緣為 1810mm ，試驗裝置如圖 2.1 所示；第二種高度之試體（ R32-00-L ）如圖 2.4 所示，試驗裝置如圖 2.5 所示，施加側向力的致動器中心到 H 型鋼梁翼板上緣為 3000mm 。此系列試體可探討反曲點位置對填充型箱型柱的影響。 3.. R-C2 系列. R-C2 及 R-C3 系列試體為不同方式之內橫隔板銲接細節，主要係考量若工程師基於強柱弱梁，柱板寬厚比的限制採用結實斷面寬厚比限制 λ p （等於 61 ），很有可能導致柱板厚度小於或等於 22mm，此時即不能使用 ESW 銲接箱型柱內橫隔板，故本研究規劃 R-C2 及 R-C3 系列。 R-C2 意指「第二種製作細節」（ Column Fabrication Detail ），同理， R-C3 意指「第三種製作細節」。第一種製作細節為完成箱型柱之製作，再行銲接橫隔板（一般為使用 ESW 銲接橫隔板，惟本研究試. 13.

(34) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究體柱板厚度不超過 22mm ，無法使用 ESW ，僅能以人工銲接）； R-C2 及 R-C3 系列則為先銲接三面箱型柱板，再銲接橫隔板（如圖 2.6 所示）， R-C2 系列之橫隔板較小，連接第四面柱板處有預留全滲透銲用的導角（如圖 2.6a 所示）， R-C3 系列之橫隔板較大，與箱型柱外表面切齊，但連接第四面柱板處沒有導角（如圖 2.6b 所示）；最後銲接第四面柱板。 R-C2 系列之第四面柱板銲接細節如圖 2.7 所示，保留梁柱接頭內、橫隔板之間的第四面柱板留空，先以全滲透銲銲接其他部分之柱板如圖 2.8a 所示，銲接的柱板蓋過橫隔板如圖 2.7b 所示，橫隔板及柱板之間可用全滲透銲銲接，接著以全滲透銲銲接最後的柱板如圖 2.7c 所示。至於 R-C3 系列之第四面柱板銲接細節，由於. R-C3 系列之橫隔板較大，與箱型柱外表面切齊，故可直接將第四面柱板分成三區塊進行全滲透銲接，如圖 2.8 所示，製作方式較簡單，但連接柱板之銲道也連接了橫隔板，將直接受到 H型鋼梁撓曲應力之考驗，預期耐震表現將不如 R-C2 系列。經過專家座談會後，決定不做 R-C3 系列試體，僅做 R-C2 系列試體共三支，寬厚比鎖定 32，以第四面柱板接鋼梁之試體命名為 R32-00-CX，如圖 2.9a 所示，不以第四面柱板接梁之試體命名為 R32-00-CY ，如. 圖 2.9b 所示，而試體. R32-00-CY-TH 則與試體 R32-00-CY 雷同，但另外橫向有接短梁，以模擬四面接梁之情形，如圖 2.9c 所示。 4.. C 系列. C 系列試體主要目的為探討複合效應（ Composite ），共 5 支試體，此系列試體以 R32-00 試體做基準。首先本研究設計了 C32-00-N 試體，如圖 2.10 所示，探討若不使用箱型柱上頂板，對試體撓曲強度之影響；並增加一支 C32-20-N 試體，與 C32-00-N 試體相同，但有先施加. 20% 軸向強度之固定軸力，再進行反覆載重撓曲行為試驗，以探討不使用箱型柱上頂板，對含軸力試體之撓曲強度影響。另外也設計. 14.

(35) 第二章. 專家座談與試體設計. C32-00-ST 試體以探討剪力釘對合成效應之影響。原設計 C32-00-D 及 C32-00-T 試體經過期中審查（附錄三，同時附上期中審查及期末審查之審查意見回應表）之後決定不做。 5.. T 系列. T系列試體在梁柱接頭上方至少一倍柱寬範圍內，使用了圍束繫桿，如圖 2.11 所示（其中第一排圍束繫桿與 H 型鋼梁上翼板之距離為間距 S 之一半），斷面如圖 2.12 所示， 97 年度本研究團對承接委託研究案「含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究」，已探討. 3.5tf/cm 2 鋼材及 420kgf/cm 2 混凝土之填充型箱型柱使用圍束繫桿的影響，其試驗裝置如圖 2.13 所示，試驗結果如圖 2.14 所示，其中 AA-48 及 AA-48-1 為未加圍束繫桿之試體， 2/10 、 3/10 、 4/10 、 5/10 及 6/10 分別代表圍束繫桿間距與試體寬度的比例（簡稱間寬比） 0.2 、 0.3 、. 0.4、 0.5 及 0.6 之試體，可知間寬比達到 0.4 以下時，試體表現優良。現要利用此研究成果運用到撓曲行為試驗中，需考量圍束繫桿所能提供之圍束應力，由圖 2.15 假設兩側柱板於 12 倍厚度範圍內能提供良好圍束（ SRC 規範規定 3.5tf/cm 2 鋼材之 H 型鋼柱斷面肢材寬厚比限制. λ pd = 21. Fys = 11.22 ），其餘範圍由圍束繫桿之降伏強度提供圍束應. 力，可得間寬比 0.4 的試體其圍束應力約為 50kgf/cm 2，預計若以此方式估算圍束繫桿提供之應力能超過 50kgf/cm 2 ，則對混凝土之圍束效果應已良好，由此設計 T 系列試體如表 2.1 所示，分別針對 48 及 60 兩種寬厚比之試體，設計了圍束應力 σ c ,TR 與 50kgf/cm 2 的比例為 100 、. 80 、 40 及 100 、 70 、 50 的試體，斷面各方向使用一支圍束繫桿，如圖 2.12a 所示；對寬厚比為 60 之試體另外安排一支試體圍束應力 σ c ,TR 與 50kgf/cm 2 的比例為 100% ，但斷面各方向使用二支圍束繫桿，如圖 2.12b 所示，試體編號上的第三個數值即為圍束應力的比值（例如試體 T48-20-100，其寬厚比為 48，施加 20% 軸力強度之軸力，圍束應. 15.

(36) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究力 σ c ,TR 與 50kgf/cm 2 的比例為 100% ），故 T 系列試體共有七支，期望對圍束繫桿之設計有所貢獻。. 第三節 1.. 測計配置與載重歷程. 測計配置量測儀器配置如圖 2.16 所示，共安排四個角度計、十個位移計. 及 12 個應變計，其中一個角度計置於上橫隔板高程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，另二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）、鋼梁上翼板處及混凝土基座下表面，如此可以量得柱試體之變形曲線及基座之位移，另外並架設六支垂直位移計，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，應變計貼在試體鋼梁上翼板往上 0.5D 、 D 、 1.5D 處，四個角落共計 12 片，預計可藉此計算各試體塑鉸的範圍，而有加圍束繫桿的試體，另外在部分螺桿上貼上應變計，以估計螺桿提供的圍束應力。. 2.. 載重歷程本研究使用之反覆載重位移歷時係採用 AISC2005 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，由於層間位移角 1% 以內大多在彈性範圍，因此層間位移角 1% 以內修改為 3 個迴圈，如圖 2.17 所示。. 16.

(37) 第二章. 專家座談與試體設計. 表 2.1 實驗試體規劃. Series. Specimen. R60-20 R48-20 R40-20 R-20 R32-20-1 R32-20-2 R32-00 R-00 R32-00-L R32-00-CX R-C2 R32-00-CY R32-00-CY-TH C32-00-N C C32-20-N C32-00-ST T48-20-100 T48-20-80 T48-20-40 T60-20-100D T T60-20-100 T60-20-70 T60-20-50. D. t. mm. mm. 370 450 380 410 410 410 410 410 410 410 410 410 410 450 450 450 370 370 370 370. 6 9 9 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 9 9 9 6 6 6 6. b/t 60 48 40 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 48 48 48 60 60 60 60. P. P n0. tf. tf. 153 244 187 240 240 0 0 0 0 0 0 0 0 244 244 244 153 153 153 153. 763 1222 935 1201 1201 1201 1201 1201 1201 1201 1201 1201 1201 1222 1222 1222 763 763 763 763. P/P n0 20% 20% 20% 20% 20% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 20% 20% 20% 20% 20% 20% 20%. σ c,TR. M. S. d TR. tf-m. mm. mm kgf/cm 2. 60 125 85 124 124 114 114 114 114 114 114 114 114 125 125 125 60 60 60 60. 150 150 150 120 120 120 120. 22 19 13 13 19 16 13. 52.31 39.02 18.26 47.28 50.50 35.81 23.64. 17.

(38) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究. 側視圖. 前視圖. 立體圖圖 2.1 含軸力之撓曲行為試驗裝置示意圖. 18.

(39) 第二章. 專家座談與試體設計. 圖 2.2 填充型箱型柱試體斷面示意圖. 19.

(40) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究. (a) 試體 R48-20 南北側立面圖圖 2.3 試體設計圖（以 R48-20 為例）. 20.

(41) 第二章. 專家座談與試體設計. (b) A-A 剖面及鋼梁設計細部圖 2.3 試體設計圖（以 R48-20 為例）. 21.

(42) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究. 圖 2.4 R32-00-L2 試體設計圖. 22.

(43) 第二章. 專家座談與試體設計. 前視圖. 側視圖. 立體圖圖 2.5 不含軸力之撓曲行為試驗裝置示意圖. 23.

(44) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究. (a) R-C2 系列. (b) R-C3 系列圖 2.6 R-C2 及 R-C3 系列橫隔板銲接細節示意圖. (a) 銲接第四面柱板. (b) 橫隔板最後銲道. (c) 銲接最後柱板. 圖 2.7 R-C2 系列第四面柱板銲接細節示意圖. 24.

(45) 第二章. 專家座談與試體設計. 圖 2.8 R-C3 系列第四面柱板銲接細節示意圖. (a) R32-00-CX. (b) R32-00-CY. (c) R32-00-CY-TH. 圖 2.9 R-C2 系列試體 3D 示意圖. 25.

(46) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究. 圖 2.10 C32-00-N 試體設計圖. 26.

(47) 第二章. 專家座談與試體設計. 圖 2.11 T 系列試體示意圖. b t 混凝土. 箱型鋼柱. b t. 混凝土. 繫桿. D. 箱型鋼柱. 繫桿. D. 圖 2.12 加圍束繫桿之填充型箱型柱斷面示意圖. 27.

(48) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究. 軸力. 鋼板. 3D. 圖 2.13 TAA 系列試體試驗裝置示意圖（資料來源：陳正誠等人，2007）. 圖 2.14 TAA 系列試體軸力 -軸向應變曲線圖（資料來源：陳正誠等人， 2007）. 28.

(49) 第二章. 11t+t. 專家座談與試體設計. 11t+t 箱型鋼柱. t. 混凝土. 繫桿. 圖 2.15 圍束繫桿圍束應力示意圖. 圖 2.16 量測儀器配置示意圖. 29.

(50) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究. Loading History 10 8 Lateral drift ratio (%). 6 4 2. 0.5. 0.25. 0 -2. 1. 0.75. 1.5. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 3 cycles. -4 2 cycles. -6 -8 -10 0. 3. 6. 9. 12 15 18 No. of Cycles. 圖 2.17 反覆載重位移歷時圖. 30. 21. 24. 27.

(51) 第三章. 第三章. 柱撓曲行為試驗. 柱撓曲行為試驗. 本章主要係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. 試體之製作係利用全滲透銲將四片鋼板組合成箱型柱，並以全滲透銲在頂部及底部銲上內橫隔板，銲接時採用 E70XX 系列銲材施銲，上橫隔板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 2.3b 所示，完成箱型柱製作之後，再銲接鋼梁上去，如圖 2.3a 所示。灌漿時箱型柱內填滿混凝土至住頂部上緣切齊，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混凝土無間隙。柱板使用 6、 9 及 12 mm（實際為 13mm ）厚之 ASTM A572Gr.50 鋼材，實測降伏強度分別為 4.27 、 3.6 及 4.46 tf/cm 2 ，實測極限強度分別為 5.14 、 5.02 及 5.77 tf/cm 2 。箱型柱內填充之混凝土抗壓強度為 420 kg/cm 2（ 6000 psi ）等級，製作之圓柱試體採用保鮮膜包覆全身，以符合實際情況（箱型柱內混凝土無法養護），混凝土材料試驗隨試驗之進行每週壓 3 個圓柱試體求取平均抗壓強度如表 3.1 所示，二批灌漿之混凝土平均抗壓強度變化曲線如圖 3.1 所示。圍束繫桿使用直徑 13 、 16 、 19 及 22 mm 之 ASTM A490 鋼材，實測降伏強度及實測極限強度如表 3.2 所示，其中 f y ,0.002 及 f y ,0.005 分別為. 0.002 斜距法及 0.005 截距法求得之降伏強度， f u 為極限強度。. 31.

(52) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究. 第二節. 試驗觀察. 本節將試驗完畢之試體裂縫位置、裂縫長度及柱內背墊板與柱板分離情形列表如表 3.3 所示，其中 E、 W、 S 及 N 代表東、西、南及北，接在後面的數字代表裂縫長度，單位為公分，例如試體 R60-20 西南角落（ SW ）之縱裂縫觀察為 SW12 ，代表其裂縫有經過南面及西面，縱裂縫長度為 12 公分；西南角落（ SW ）之橫裂縫觀察為 S2.031 ，代表橫裂縫出現於南面，橫裂縫長度為 2.031 公分；試體 R60-20 西北角落（ NW ）之縱裂縫觀察為 W10 ，代表其裂縫僅有經過西面，縱裂縫長度為 10 公分。本節並依照各系列試體介紹試驗過程中試體之變化情形。一、. R-20 系列. R60-20 試體係使用 200tf 致動器進行側向反覆載重；在剛加完軸力時，試體有局部出現空心，即表示箱型柱與混凝土接觸面有局部分離；在層間轉角達 0.5% 時，試體東、西及北面開始出現降伏線，如圖 3.2 所示；在層間轉角達 0.75% 時，試體南面開始出現降伏線；在層間轉角達 2% 時，試體塑鉸區之東及西面接連出現局部挫屈，如圖 3.3 所示；在層間轉角達 3% 時，試體達到最大強度；在層間轉角達. 5% 時，試體受撓曲壓力側嚴重局部挫屈，柱板沿著銲道旁邊開裂，如圖 3.4 所示，強度下降低於最大強度之 85% ，試驗停止。. R48-20 試體係使用 200tf 致動器進行側向反覆載重；在剛加完軸力時，試體即有局部出現空心；在層間轉角達 0.5% 時，試體西面開始出現降伏線，如圖 3.5 所示；在層間轉角達 0.75% 時，試體東面開始出現降伏線；在層間轉角達 1% 時，試體南及北面開始出現降伏線；在層間轉角達 2% 時，試體塑鉸區之東及西面接連出現局部挫屈，如圖 3.6 所示；在層間轉角達 3% 時，試體達到最大強度；在層間轉角達. 32.

(53) 第三章. 柱撓曲行為試驗. 6% 時，試體受撓曲壓力側嚴重局部挫屈，柱板沿著銲道旁邊開裂，如圖 3.7 所示，強度下降低於最大強度之 85% ，試驗停止。. R40-20 試體係使用 200tf 致動器進行側向反覆載重；在剛加完軸力時，試體即有局部出現空心；在層間轉角達 0.5% 時，試體東及西面開始出現降伏線，如圖 3.8 所示；在層間轉角達 1% 時，試體南及北面開始出現降伏線；在層間轉角達 2% 時，試體塑鉸區之東及西面接連出現局部挫屈，如圖 3.9 所示；在層間轉角達 4% 時，試體達到最大強度；在層間轉角達 7% 時，試體受撓曲拉應力側於局部挫屈處拉裂，出現縱向及橫向裂縫，如圖 3.10 所示，但縱向裂縫開裂不大，此種破壞模式屬於受拉開裂，不同於試體 R60-20 及 R48-20 的受壓開裂，因強度已經下降低於最大強度之 85% ，故試驗停止。. R32-20-1 試體係使用 200tf 致動器進行側向反覆載重；在剛加完軸力時，試體即有局部出現空心；在層間轉角達 0.5% 時，試體西及南面開始出現降伏線，如圖 3.11 所示；在層間轉角達 1% 時，試體南及北面開始出現降伏線；在層間轉角達 3% 時，試體塑鉸區之東及西面接連出現局部挫屈，如圖 3.12 所示；在層間轉角達 4% 時，試體達到最大強度；在層間轉角達 5% 時，試體受撓曲壓力側嚴重局部挫屈，柱板沿著銲道旁邊開裂，如圖 3.13 所示，可能是銲道品質不好，開裂很大，強度已經下降低於最大強度之 85% ，試驗停止。. R32-20-2 試體係使用 200tf 致動器進行側向反覆載重；在剛加完軸力時，試體即有局部出現空心；在層間轉角達 0.5% 時，試體北面開始出現降伏線，如圖 3.14 所示；在層間轉角達 0.75% 時，試體南面開始出現降伏線；在層間轉角達 1.5% 時，試體東及西面開始出現降伏線；在層間轉角達 3% 時，試體塑鉸區之東及西面接連出現局部挫屈，如圖 3.15 所示；在層間轉角達 4% 時，試體達到最大強度；在層間轉角達 5% 時，試體受撓曲壓力側嚴重局部挫屈，柱板沿著銲道旁邊開. 33.

(54) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究裂，如圖 3.16 所示，可能是銲道品質不好，開裂很大，強度已經下降低於最大強度之 85% ，試驗停止。 R-00 系列. 二、. R32-00 試體係使用 100tf 致動器進行側向反覆載重；在層間轉角達 0.75% 時即有局部出現空心；在層間轉角達 1.5% 時，試體東、西及北面開始出現降伏線，如圖 3.17 所示；在層間轉角達 2% 時，試體塑鉸區之南及北面出現局部挫屈，如圖 3.18 所示；在層間轉角達 4% 時，試體達到最大強度；在目標層間轉角為 5% 第一迴圈時，致動器無法將試體往回拉至目標位移，判斷其原因應是致動器往回拉使力臂變短，致動器往外推使力臂變長，如圖 3.19 所示，而且雖然致動器規格說明可達到 100 噸，但實際只達到將近 95 噸，再者，原設計鋼板是 12mm 厚，實際則為 13mm 厚，而標稱及實際降伏強度分別為 3.5 及 4.46 tf/cm 2，多種因素之下，實際超強因子（ 166tf-m/114tf-m=1.456 ）已經超過設計之超強因子（ 90tf×1.81m/114tf-m=1.429 ）；在層間轉角為 6% 第二迴圈時，試體受撓曲壓力側嚴重局部挫屈，柱板沿著銲道旁邊開裂，如圖 3.20 所示，可能是銲道品質不好，開裂很大；在層間轉角為 7% 第一迴圈時，強度已經下降低於最大強度之 85% ，試驗停止。. R32-00-L 試體係使用 100tf 致動器進行側向反覆載重；在層間轉角達 2% 時，試體西面開始出現降伏線，如圖 3.21 所示；在層間轉角達 3% 時，試體塑鉸區之南及北面出現局部挫屈，如圖 3.22 所示；在層間轉角達 5% 時，試體達到最大強度；在層間轉角達 5% 第二迴圈時，試體受撓曲壓力側嚴重局部挫屈，柱板沿著銲道旁邊開裂，如圖 3.23 所示，可能是銲道品質不好，開裂很大；在層間轉角達 6% 時，強度已經下降低於最大強度之 85% ，試驗停止。. 34.

(55) 第三章三、. 柱撓曲行為試驗. R-C2 系列. R32-00-CX 試體係使用 200tf 致動器進行側向反覆載重；在層間轉角達 0.5% 時檢查試體，發現試體已有局部空心；在層間轉角達 1.5% 時，試體北面開始出現降伏線，如圖 3.24 所示；在層間轉角達 4% 時，試體塑鉸區之東及西面接連出現局部挫屈，如圖 3.25 所示；在層間轉角達 6% 時，試體達到最大強度；在層間轉角達 7% 第一迴圈時，試體受撓曲壓力側嚴重局部挫屈，柱板沿著銲道旁邊開裂，如圖 3.26 所示，可能是銲道品質不好，開裂很大，強度已經下降低於最大強度之 85% ，試驗停止。. R32-00-CY 試體係使用 200tf 致動器進行側向反覆載重；在層間轉角達 0.5% 時檢查試體，發現試體已有局部空心；在層間轉角達 1.5% 時，試體北面開始出現降伏線，如圖 3.27 所示；在層間轉角達 4% 時，試體塑鉸區之西面及東面接連出現局部挫屈，如圖 3.28 所示；在層間轉角達 5% 時，試體達到最大強度；在層間轉角達 6% 第二迴圈時，試體受撓曲壓力側嚴重局部挫屈，柱板沿著銲道旁邊開裂，如圖 3.29 所示，可能是銲道品質不好，開裂很大，強度已經下降低於最大強度之 85% ，試驗停止。. R32-00-CY-TH 試體係使用 200tf 致動器進行側向反覆載重；在層間轉角達 0.5% 時檢查試體，發現試體已有局部空心；在層間轉角達. 2% 時，試體西面開始出現降伏線，如圖 3.30 所示；在層間轉角達 4% 時，試體塑鉸區之西及東面接連出現局部挫屈，如圖 3.31 所示；在層間轉角達 5% 時，試體達到最大強度；在層間轉角達 6% 第一迴圈時，試體受撓曲壓力側嚴重局部挫屈，柱板沿著銲道旁邊開裂，如圖 3.32 所示，可能是銲道品質不好，開裂很大；在層間轉角達 6% 第二迴圈時，強度已經下降低於最大強度之 85% ，試驗停止。四、. C 系列. 35.

(56) 混凝土箱型鋼柱之撓曲韌性行為研究. C32-00-N 試體係使用 100tf 致動器進行側向反覆載重；在層間轉角達 0.75% 時即有局部出現空心；在層間轉角達 1.5% 時，試體南及北面開始出現降伏線，如圖 3.33 所示；在層間轉角達 3% 時，試體塑鉸區之西面出現局部挫屈，如圖 3.34 所示；在層間轉角達 3.16% 時；在目標層間轉角為 4% 第一迴圈時，致動器無法將試體往回拉至目標位移 72.4mm ，判斷其原因應與試體 R32-00 相同，此時試體達到最大強度，故增加層間轉角 4% 之迴圈數，直到致動器可以達到目標位移，再繼續層間轉角 5% ，結果在層間轉角 4% 總共做了 20 個迴圈才達到目標位移，在層間轉角 5% 也發生相同之情況，總共做了三個迴圈才達到層間轉角 5% 之目標位移 90.5mm；在層間轉角為 5% 第三迴圈時，試體受撓曲壓力側嚴重局部挫屈，柱板沿著銲道旁邊開裂，如圖 3.35 所示，可能是銲道品質不好，開裂很大；在層間轉角為 6% 第一迴圈時，強度已經下降低於最大強度之 85% ，試驗停止。. C32-20-N 試體係使用 200tf 致動器進行側向反覆載重；在剛加完軸力時，試體即有局部出現空心；在層間轉角達 0.75% 時，試體四面開始出現降伏線，如圖 3.36 所示；在層間轉角達 2% 時，試體塑鉸區之東及西面接連出現局部挫屈，如圖 3.37 所示；在層間轉角達 4% 時，試體達到最大強度；在層間轉角達 5% 時，試體受撓曲壓力側嚴重局部挫屈，柱板沿著銲道旁邊開裂，如圖 3.38 所示，可能是銲道品質不好，開裂很大，強度已經下降低於最大強度之 85% ，試驗停止。. C32-00-ST 試體係第一支使用 200tf 致動器進行側向反覆載重之試體，由於 200tf 致動器廠商提供的力量校正係數有錯，導致架設試體時施加側推力 1kN 實際上已經達約 88tf ，相當於層間轉角 3% ，於是在力量拉回至 0 之後，再施加拉力至層間轉角 3% ，然後卸載至力量為 0，期能盡量與原始狀態相同，然後歸零進行試驗；在層間轉角達. 1% 時檢查試體，發現試體已有局部空心；在層間轉角達 1.5% 時，試. 36.

(57) 第三章. 柱撓曲行為試驗. 體西面開始出現降伏線，如圖 3.39 所示；在層間轉角達 5% 時，試體達到最大強度，且試體塑鉸區之東及西面出現局部挫屈，如圖 3.40 所示；在層間轉角達 6% 第一迴圈時，試體受撓曲壓力側嚴重局部挫屈，柱板沿著銲道旁邊開裂，如圖 3.41 所示，可能是銲道品質不好，開裂很大；在層間轉角達 6% 第二迴圈時，強度已經下降低於最大強度之 85% ，試驗停止。五、. T 系列. T48-20-100 試體係使用 200tf 致動器進行側向反覆載重；在剛加完軸力時，試體即有局部出現空心；在層間轉角達 1% 時，試體東及西面接連開始出現降伏線，如圖 3.42 所示；在層間轉角達 3% 時，試體塑鉸區之東面先出現局部挫屈，如圖 3.43 所示；在層間轉角達 4% 時，試體達到最大強度；在層間轉角達 7% 第二迴圈時，試體受撓曲拉應力側（西面）於局部挫屈處拉裂，出現縱向及橫向裂縫，受撓曲壓應力側（東面）柱板也因嚴重局部挫屈而沿著銲道旁邊開裂，如圖 3.44 所示，但縱向裂縫開裂不大，此種破壞模式亦屬於受拉開裂，強度已經下降低於最大強度之 85% ，試驗停止。. T48-20-80 試體係使用 200tf 致動器進行側向反覆載重；在剛加完軸力時，試體即有局部出現空心；在層間轉角達 0.75% 時，試體西及東面接連開始出現降伏線，如圖 3.45 所示；在層間轉角達 2% 時，試體塑鉸區之東面出現局部挫屈，如圖 3.46 所示；在層間轉角達 4% 時，試體達到最大強度；在層間轉角達 6% 第二迴圈時，受撓曲壓應力側（西面）柱板因嚴重局部挫屈而沿著銲道旁邊開裂，如圖 3.47 所示；在層間轉角達 7% 第一迴圈時，試體受撓曲拉應力側（東面）於局部挫屈處拉裂，出現橫向裂縫，如圖 3.48 所示；在層間轉角達 7% 第二迴圈時，強度已經下降低於最大強度之 85% ，試驗停止。. T48-20-40 試體係使用 200tf 致動器進行側向反覆載重；在剛加完. 37.