降低營建人力需求構造研發-
多單元鋼管鋼網牆之強度與韌性
內 政 部建 築研 究 所委 託研 究 報告
中華民國 109 年 12 月
PG10902-0020
降低營建人力需求構造研發-
多單元鋼管鋼網牆之強度與韌性
受 委 託 者 ： 國立臺灣科技大學 研 究 主 持 人 ： 陳正誠 研 究 助 理 ： 林曉芳、吳合鑫、葉泓毅 研 究 期 程 ： 中華民國 109 年 2 月至 109 年 12 月 研 究 經 費 ： 新臺幣 250 萬元內政部建築研究所委託研究報告
中華民國
109 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
目次... I 表次... III 圖次...V 摘 要... IX 第一章 緒論... 1 第一節 研究背景... 1 第二節 研究方法及進度說明 ... 2 第二章 鋼管鋼網牆系統特性 ... 7 第一節 鋼管鋼網牆與傳統 RC 構造之比較 ... 7 第二節 鋼管鋼網牆系統預估效益 ... 8 第三節 多單元構架分析 ... 8 第三章 試驗計畫... 17 第一節 專家座談會 ... 17 第二節 試體設計及試驗裝置 ... 17 第三節 試體製作... 19 第四節 測計配置及載重歷程 ... 20 第四章 試驗結果與討論 ... 39 第一節 整體行為... 39 第二節 破壞模式對應之元件強度及韌性 ... 41 第三節 使用性檢討 ... 44 第五章 分析方法與設計案例 ... 75 第一節 分析方法... 75 第二節 設計案例... 77 第六章 結論與建議 ... 103 第一節 結論... 103附錄三 試體設計詳圖 ... 145 附錄四 設計案例之地震力計算 ... 175 參考書目... 183
表次
表1.1 研究進度表 ... 4 表2.1 特性分析 ... 10 表2.2 案例工量分析 ... 10 表3.1 試體規劃表 ... 21 表3.2 試體製作材料使用量 ... 21 表3.3 鋼骨材料強度表 ... 21 表3.4 混凝土強度表 ... 22 表3.5 加載歷程表 ... 23 表4.1 各試體正負向最大強度、降伏位移、極限位移、位移角容量及彈性勁度 ... 46 表4.2 各試體參數正負向之平均 ... 46 表5.1 載重組合表 ... 79圖次
圖1.1 鋼管支架 ... 4 圖1.2 鋼管鋼網牆標準斷面示意圖 ... 5 圖1.3 鋼網牆之組成 ... 5 圖1.4 樓版剖面示意圖 ... 5 圖1.5 研究流程圖 ... 6 圖2.1 案例施工流程及時間分析 ... 11 圖2.2 牆腹與等值斜撐關係示意圖 ... 11 圖2.3 結點分力示意圖 ... 12 圖2.4 多單元鋼管鋼網牆分析模型示意圖 ... 12 圖2.5 單層多跨分析之 Strength Ratio(案例一) ... 13 圖2.6 單層多跨分析之 Strength Ratio(案例二) ... 13 圖2.7 雙層雙跨分析之 Strength Ratio ... 14 圖2.8 三層四跨分析之 Strength Ratio ... 15 圖3.1 1×1W 試體示意圖(單位：mm) ... 24 圖3.2 1×1F 試體示意圖(單位：mm) ... 24 圖3.3 1×1H 試體示意圖(單位：mm) ... 25 圖3.4 牆體剖面示意圖 ... 25 圖3.5 單一單元試體試驗配置圖 ... 26 圖3.6 1×3 試體示意圖(單位：mm)... 27 圖3.7 1×3 試體試驗配置圖 ... 28 圖3.8 2×2 試體示意圖(單位：mm)... 29 圖3.9 2×2 試體試驗配置圖 ... 30 圖3.10 試體製作流程... 32 圖3.11 工廠內鋼骨製作 ... 32 圖3.12 鋼管骨架完成... 33 圖3.13 基礎製作 ... 33 圖3.14 鋼網骨架及牆面鋼筋架設 ... 34 圖3.15 打設抓漿 ... 34 圖3.16 鋼網牆製作完成 ... 35 圖3.17 試體製作完成... 35 圖3.18 加載歷程圖 ... 36 圖3.19 一層一跨試體測計配置 ... 36圖4.1 1×1W 試體遲滯迴圈 ... 47 圖4.2 1×1W 試體遲滯迴圈包絡線 ... 47 圖4.3 1×1W 試體不同層間位移角試體破壞情況 ... 48 圖4.4 1×1W 試體試驗後破壞情況 ... 49 圖4.5 1×1F 試體遲滯迴圈 ... 50 圖4.6 1×1F 試體遲滯迴圈包絡線 ... 50 圖4.7 1×1F 試體不同層間位移角試體破壞情況 ... 51 圖4.8 1×1F 試體試驗後破壞情況 ... 52 圖4.9 1×1H 試體遲滯迴圈 ... 53 圖4.10 1×1H 試體遲滯迴圈包絡線 ... 53 圖4.11 1×1H 試體不同層間位移角試體破壞情況 ... 54 圖4.12 1×1H 試體試驗後破壞情況 ... 55 圖4.13 1×3 試體遲滯迴圈 ... 56 圖4.14 1×3 試體遲滯迴圈包絡線 ... 56 圖4.15 1×3 試體不同層間位移角試體破壞情況 ... 57 圖4.16 1×3 間位移角 4%正負向時牆底狀況 ... 59 圖4.17 1×3 間位移角 4%正負向垂直桿件兩側之相對錯動 ... 60 圖4.18 1×3 試體接頭破壞情況 ... 61 圖4.19 2×2 試體遲滯迴圈 ... 62 圖4.20 2×2 試體遲滯迴圈包絡線 ... 62 圖4.21 2×2 試體各樓層之遲滯迴圈 ... 63 圖4.22 2×2 試體不同層間位移角試體破壞情況 ... 64 圖4.23 2×2 試體試驗後破壞情況 ... 69 圖4.24 2×2 試體鋼管內混凝土填充狀況 ... 70 圖4.25 包絡線示意圖... 70 圖4.26 以試驗之側推力做 1×3 構架分析得到之 Strength Ratio ... 70 圖4.27 2×2 構架分析得到之 Strength Ratio ... 71 圖4.28 2×2 試體 = 0.5%時之裂縫(約為 1y) ... 72 圖4.29 2×2 試體=1.0%時之裂縫(約為 2y) ... 73 圖5.1 鋼管骨架配置示意圖 ... 80 圖5.2 建築圖、結構圖與分析模型之示意圖 ... 80 圖5.3 外力與等值斜撐方向之關係 ... 81 圖5.4 案例建築圖 ... 82 圖5.5 案例結構平面圖 ... 87
圖5.6 案例結構立面圖 ... 90
圖5.7 分析模型 3D 示意圖 ... 95
圖5.8 分析模型平面圖 ... 96
圖5.9 分析模型構架立面圖 ... 98
摘 要
關鍵詞：低勞力建築工法、鋼管結構、低矮建築結構 一 、 研 究 緣 起 受到少子化的影響，營造業基層勞動人力招募不易，且未來人力缺乏的情況 會越來越嚴重。現今勞動市場逐漸邁向高齡化，需要高勞動力的鋼筋混凝土構造 建造時間及成本逐漸高漲。 鋼結構可以在工廠製作桿件、在工地吊裝，桿件製作可以系統化，加上工地 吊裝迅速，不但可以縮短施工時間，也可以大幅降低人力需求。鋼管鋼網牆系統 適用於 12 m 以下之低樓層街屋結構，由鋼管支架、免拆模鋼網牆及樓版組成， 過去的研究結果顯示，鋼管鋼網牆系統是不但具有施工便利性、省工、美觀同時 具有使用性佳等特性，值得進一步研發並推廣之。 不過要落實於實際結構，尚須了解其強度與韌性容量，並建立設計方法，提 供結構設計時參考。台科大於 2017 年研究單一單元鋼管鋼網牆的結構試驗結果 [3]顯示，鋼管鋼網牆單元擁有相當高的強度，且耐震設計時之結構系統韌性容量 R 可以達到 3.2 以上。結構分析與設計時，每一單元的鋼網牆在可以採用等值斜 撐模擬之，當單一單元鋼管鋼網牆中水平鋼管兩端近似固接時，牆腹強度可完全 發揮。 二 、 研 究 方 法 及 過 程 過去的試驗雖然已經求得等值斜撐之相關設計參數，只是試驗試體的數量 偏少。有鑑於此，本研究規劃3 組單一單元鋼管鋼網牆試體進行反復載重結構 試驗，以增加單一單元鋼管鋼網牆試驗結果，進一步提高等值斜撐設計參數的 準確性與可靠性。一棟房屋之結構由多個鋼管鋼網牆單元組成，因此多單元鋼 管鋼網牆系統的強度與韌性需要進一步探討，以確認多單元鋼管鋼網牆系統具 有足夠的強度與韌性。此外，結構分析之分析模型也必須經由試驗結果來評估 其準確性及可靠性。因此，本研究規劃1 組一層三跨鋼管鋼網牆試體，探討含試驗、材料性質試驗、實驗數據整理與分析及報告撰寫等步驟。採用的研究方 法敘述如下：1. 文獻之收集與整理；2. 試體之側推行為實驗；3. 試驗結果之 分析與探討；4. 報告之撰寫。 三 、 重 要 發 現 經過實際案例之工程成本與工期分析，可發現相較於傳統RC 結構，鋼管 鋼網牆系統節省54%的施工人力及 58%的建造時間。若國內每年興建之 1～4 層樓的房屋構造中有10%使用鋼管鋼網牆系統，估計未來每年可減少 6,840 個 營建人力需求。 本研究完成5 座鋼管鋼網牆試體之載重試驗，另外整合過去研究所完成之 6 座單一單元試體，一共有 11 座鋼管鋼網牆試體，其中包含 9 座一層一跨試 體、1 座一層三跨試體及 1 座二層二跨試體。綜合上述試體之試驗結果發現： （1）以等值斜撐分析方法進行多單元鋼管鋼網牆結構系統之設計為一可行的方 式；（2）等值斜撐強度Pn A fc'，其有效面積Atd/ 7.4，t 為牆體寬度，d 為牆體對角線長度，設計強度P0.65Pn；（3）水平鋼管與垂直鋼管連接可以採 用簡易接頭或是直接銲接，採用簡易接頭之結點垂直剪力強度P vn 149tf ；採用 銲接且水平鋼管斷面為RHS 100×100 之結點垂直剪力強度P vn 194tf ；採用銲 接且水平鋼管斷面為RHS 200×100 估算其垂直剪力強度為P vn 291tf，設計強 度Pv 0.7Pvn；（4）根據試驗及分析結果，建議結構設計時系統韌性容量 R 取 3.0。（5）鋼管鋼網牆系統之開發，乃基於模組化之考量，研究成果之應用需要 在所設定之範圍內，符合本報告所設定材料、桿件尺寸、單元尺寸等限制。 經過本案研究，鋼管鋼網牆系統可以有效降低營建人力需求及工時，也證 實分析模型之可行性，且取得各項設計參數。鋼管鋼網牆街屋已經有數個實 例，施工性佳，本報告亦提出設計方法及一個設計案例，供工程師參考。整體 而言，鋼管鋼網牆系統的發展已漸成熟，值得積極推廣之。
四 、 主 要 建 議 事 項 本研究進行鋼管鋼網牆單元側推結構試驗，提出下列具體建議。 建議一 推廣鋼管鋼網牆系統施工及設計方法：立即可行建議 主辦機關：中華民國全國建築師公會、中華民國土木技師公會全國聯合 會、中華民國結構工程技師公會全國聯合會 鋼管鋼網牆系統與傳統RC 結構相比，可降低 58%的建造時間，節省 建造人力54%，具有施工現場管理容易及使用性佳等優點，具有相當高的 發展潛力。且經過結構試驗證實使用等值斜撐設計方法是一個可行的方 式。 建議二 辦理「新型版柱系統強度與變形能力」研究：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 相較傳統梁柱構架系統，版柱系統(即無梁版系統)具有優勢包含(1)降 低樓層高度，因為少了梁高，在同樣高度限制下，使用版柱系統可以增加 樓層數目(大約每 6 層樓可增加 1 層樓，成為 7 層樓)，進而增加總樓地版面 積；(2)模版與鋼筋綁紮容易施作，除了可以縮短工時，更可以有效因應目 前缺工的大環境；(3)後置管線相對容易，再次增加施工的便利性，(4)因不 需梁配筋及梁的混凝土澆置，且沒有梁的模板組立較為簡單，故總造價降 低。綜合上述各優勢，版柱系統單位造價較低，因此版柱系統在國外被廣 泛的使用作為主要承重系統。然而該系統需要注意接合部穿透剪力破壞， 因為穿透剪力破壞一旦觸發是脆性的破壞模式且可能造成連續崩塌。建議 內政部建築研究所可研究新型版柱系統，採用強版弱柱的概念，以避免版 之穿透剪力破壞，即可發展新型版系統以滿足剪力強度增加且不損失構件 韌性，有助於因應國內缺工的大環境問題。
Abstract
Keyword: low-rise building, steel tube structure, steel tube construction
The steel tube-RC wall structural system is composed of steel frames with
tubular steel members, infilled RC walls that uses small hole wire mesh sheets as side mold, and RC floor slab. Compared to the traditional RC structure, the steel tube-RC wall system is easier to fabricate and can effectively reduce construction time. According to the analysis of several completed projects, the system can save up to 54% of labor force needed and 58% of construction time compared to the traditional RC structures.
In this study, cyclic loading test of 2 multiple-unit and 3 single-unit steel tube-RC wall specimens were completed. In addition to the 5 specimens tested, the test results of 6 single-unit specimens for previous research are collected and analyze to obtain the conclusion as follows : (1) the accuracy and reliability of the analytical method using equivalent bracing member established in this study are quite satisfactory; (2) Equivalent bracing member strength can be calculated as
'
n c
P A f , where Atd/ 7.4is the effective area of the equivalent bracing, t is
the width of the wall, d is the diagonal length of the wall; (3) Horizontal and vertical steel tube members can be connected by using the new type shear connection, as shown in Ref. [1], or using welded connection. The vertical shear strength of the
connections is P vn 149tf for the new type shear connection. And, the vertical shear
strength of the welded connection P vn 194tf when RHS 100×100 is used for the
horizontal steel tube member and P vn 291tfwhen RHS 200×100 is used for the
horizontal steel tube member. (4) It is suggested that a response modification factor R for the steel RC wall structural equals to 3.0 can be used. (5) The steel tube-RC wall system with its configuration within the limits described in this report, a design guide-line and a design example are provided.
The steel tube-RC wall system is easy to construct and is able to reduce
construction time. Current and previous research results show the feasibility of the analysis model established and design parameters obtained. The constructability is also confirmed by actual cases. This report presents a design method and a design case for engineer reference. On the whole, the steel tube-RC wall system is ready for further promotion.
第一章
緒論
第一節 研究背景
現今勞動市場逐漸邁向高齡化，勞力缺乏以及營造業基層勞動人力招募不 易，需要高勞動力的鋼筋混凝土構造建造時間及成本逐漸高漲。鋼結構可以在 工廠製作桿件、在工地吊裝，桿件製作可以系統化，加上工地吊裝迅速，不但 可以縮短施工時間，也可以大幅降低人力需求。過去的研究結果顯示，鋼管鋼 網牆系統不但具有施工便利性、省工、美觀及使用性佳等特性，值得近一步研 發並推廣之。 鋼管鋼網牆系統是由鋼管支架、免拆模鋼網牆及樓版組成。鋼管支架由小 斷面矩形鋼管RHS 200×100 及 RHS 100×100 作為骨架，勾勒出結構空間形狀， 如圖1.1。鋼管桿件之接頭經過設計可於工廠內製作及銲接，施工現場僅需螺栓 接合，吊裝相當方便、快速。 鋼管鋼網牆由鋼管支架及鋼網牆組成，鋼網牆內含有鋼網骨架、抓漿網、 鋼筋及混凝土，如圖1.2 所示。鋼網骨架沿著鋼管支架架設，然後配置鋼筋 （如圖1.3(a)），再以自攻釘槍將抓漿網打設在鋼網骨架外層（如圖 1.3(b)），混 凝土澆置方式及表面鏝平與一般使用木模板之牆體無異。樓版的施工類似於鋼 管鋼網牆，由水平矩形鋼管、鋼網骨架、抓漿網、鋼筋及混凝土所組成，如圖 1.4 所示。因不使用傳統 RC 柱與梁，且鋼管桿件皆包覆於牆面或樓版中，因此 牆面及樓版底部外觀平整且使用性佳。又牆面施工過程不需使用到模板，僅在 樓版跨距較大時需在樓版下方使用少量的臨時支撐，省去了傳統RC 結構模板 組立及拆除等所需之時間及人力。 「鋼管鋼網牆系統」具有上述之優點，不過要落實於實際結構，尚須了解 其強度與韌性容量，並建立設計方法，提供結構設計時參考。由於鋼管鋼網牆 中可變化參數相當多，且其受力行為複雜，需要透過結構試驗來釐清，若要一 一探討各參數之影響需將需耗費龐大之經費與時間，難以執行。故本案將鋼管 鋼網牆系統模組化，參考目前實務上常用之垂直鋼管斷面、跨距、樓層高度、 牆面配筋量，限制各參數在一定範圍內，以確保研究之結果可以被應用。本案 之模組化鋼管鋼網牆系統中單元幾何尺寸限制樓層高度範圍為250 cm～340 cm，垂直鋼管跨距範圍為 110 cm～160 cm，牆體厚度為 20 cm。牆面混凝土強髮夾形鋼筋，單元標準剖面如圖1.2 所示。 台科大於2018 年完成單一單元鋼管鋼網牆的結構試驗，試驗結果顯示鋼管 鋼網牆單元擁有相當高的強度，且耐震設計時之結構系統韌性容量R 可以達到 3.2 以上，適用於 12 m 以下之低矮建築。結構分析與設計時，每一單元的鋼網 牆在可以採用等值斜撐模擬之，當單一單元鋼管鋼網牆中水平鋼管兩端近似固 接時，牆腹強度可完全發揮，等值斜撐之有效面積Atd/ 7.4，其中t 為牆體寬 度，d 為牆體對角線長度，等值斜撐強度為P A fc'。過去的試驗雖然已經求 得等值斜撐之相關設計參數，只是試驗試體的數量偏少。有鑑於此，本研究規 劃3 組單一單元鋼管鋼網牆試體進行反復載重結構試驗，以增加單一單元鋼管 鋼網牆試驗結果，進一步提高等值斜撐設計參數的準確性與可靠性。 一棟房屋之結構由多個鋼管鋼網牆單元組成，因此多單元鋼管鋼網牆系統 的強度與韌性需要進一步探討，以確認多單元鋼管鋼網牆系統具有足夠的強度 與韌性。此外，結構分析之分析模型也必須經由試驗結果來評估其準確性及可 靠性。因此，本研究規劃1 組 1×3 單元鋼管鋼網牆試體，探討含有內柱之鋼管 鋼網牆系統受力行為，以及規劃1 組 2×2 單元鋼管鋼網牆試體，探討兩樓層之 鋼管鋼網牆系統受力行為。
第二節 研究方法及進度說明
鋼管鋼網牆系統主要由鋼管及鋼網牆組成，其中鋼網牆又可細分為鋼筋、 混凝土、鋼網骨架及抓漿網等。因其幾何形狀與組成相當複雜，受力行為為非 線性，理論分析及數值模擬無法充分掌握其行為，尤其是韌性行為。因此，採 用結構試驗的方式進行之。此外，為了降低尺寸效應的影響，因此採用大尺寸 試體載重試驗的方式進行研究。 預計採用實尺寸牆單元往復載重試驗進行鋼管鋼網牆系統強度及韌性探 討，試體包括單一單元鋼管鋼網牆試體3 組，3×1 單元鋼管鋼網牆試體 1 組， 2×2 單元鋼管鋼網牆試體 1 組，共 5 組試體。 本案研究流程如下圖1.5，研究進度如表 1.1 所示，各階段工作皆在預定時 間內完成。工作項目 個 月 個 月 個 月 個 月 個 月 個 月 個 月 個 月 個 月 個 月 個 月 註 文獻資料收集 與整理 試體設計 試體製作 側向載重試驗 及數據收集 試驗數據整理 及分析 報告撰寫及提 出建議 預 定 進 度 ( 累 積 數 ) 6 11 22 28 39 44 56 67 83 94 100 （資料來源：本研究製作） 圖1.1 鋼管支架 （資料來源：本研究製作）
髮夾筋 #3 @30 cm 垂直鋼筋 #3 @30 cm 水平鋼筋 #3 @30 cm 鋼網骨架 抓漿網 垂直鋼管 圖1.2 鋼管鋼網牆標準斷面示意圖 （資料來源：本研究製作） (a) 鋼網骨架及牆面鋼筋配置情況 (b) 抓漿網鋪設完成之情況 圖1.3 鋼網牆之組成 （資料來源：本研究製作） 圖1.4 樓版剖面示意圖 （資料來源：本研究製作） 牆面鋼筋 鋼網骨架 垂直鋼管 抓漿網 點銲鋼線網 抓漿網 混凝土 完成表面 水平鋼管桿件 鋼網骨架
圖1.5 研究流程圖 （資料來源：本研究製作） 試體設計及試驗規劃 試體製作 試驗數據整理 報告撰寫及提出建議 第一次專家座談會 進行結構試驗
第二章
鋼管鋼網牆系統特性
第一節 鋼管鋼網牆與傳統
RC 構造之比較
鋼管鋼網牆系統具有施工快速、免拆模、人力需求低等優點，與傳統RC 特性相比如下表2.1。 以一戶三層樓街屋為例，樓地版面積為134 m2（40.5 坪），分別計算其上 部結構使用鋼管鋼網牆系統與傳統RC 構造所需耗費成本、工量及時間。 1. 建造成本比較： 鋼管鋼網牆系統目前已經有數個實際案例。根據建造單位評估，傳統RC 工 法每一單位建造成本約為13,000 元/m2（43,000 元/坪）。而使用鋼管鋼網牆 系統每一單位平均造價約為14,000 元/m2（46,000 元/坪）。雖然目前鋼管鋼 網牆系統建造成本相較於傳統RC 工法略高出 7%，但未來若使用量提升後 預計可以比傳統RC 工法還低。2.
所需工量比較： 本案例使用鋼管鋼網牆工法與傳統RC 所需工量如下表 2.2 所示。使用傳統 RC 工法需要 300 工日才能完成之結構體，若使用鋼管鋼網牆工法僅需 138 工日即可完成，節省了162 工日，約為 54%的人力。 3. 所需工時比較： 本案例使用鋼管鋼網牆工法與傳統RC 之流程及所需時間如下圖 2.1 所示。 鋼管鋼網牆系統4 樓以下可一次施工，因此只需 19 個工作日即可完成結構 體。使用傳統RC 工法需要分層施工，相當耗時，需要 45 個工作日才能完 成結構體。兩工法相比，鋼管鋼網牆節省了26 個工作日，約為 58%的工 時。有44%之興建建築物為 1～4 層樓，約為 1,425 萬平方公尺。若 1～4 層樓之建 築中有10%改用鋼管鋼網牆系統建造： 1. 以每人每週工作 5 日，每年工作 50 週計，每年可減少 6,840 個人力需求。 2. RC 結構單位面積木模板使用量約 105 kg/m2的木模板，平均一套模板可重 複使用6 次，每年約可減少 2.5 萬噸的廢棄模板。
第三節 多單元構架分析
過去的研究結果顯示單一單元的鋼管鋼網牆可以用等值斜撐來模擬，如圖 2.2。鋼管鋼網牆系統有三個主要需做強度檢核的項目，分別如下。 1. 等值斜撐強度：當鋼管鋼網牆單元中水平鋼管兩端近似固接時，等值斜撐強 度為P A fc'，其中等值斜撐之有效面積Atd/ 7.4，t 為牆體寬度，d 為 牆體對角線長度。 2. 結點垂直剪力強度：鋼管鋼網牆受水平外力時結點之分力情況如圖 2.3 所 示，等值斜撐軸力P 會產一個水平分力 Phn及一個垂直分力Pvn，其中Phn會 與水平外力相互抵消。結點處所能承受之Pvn由單一單元試驗數據得到為 145 tf。 3. 垂直桿件強度：需檢核軸力及彎矩強度。 本節以等值斜撐方法分析多單元鋼管鋼網牆。設定樓層高度為250 cm，垂 直鋼管跨距為120 cm（等值斜撐角度 = 64）。垂直鋼管材質皆使用 STKR 490，斷面使用 RHS 200×100×9 或 RHS 100×100×6。水平鋼管端部使用簡易接 頭，結點視為鉸接。等值斜撐僅能承受壓力，因此進行結構分析時，需依據水 平外力方向調整斜撐配置方向。本次分析之構架皆為對稱，因此後續分析僅做 單一方向受力。分析模型如圖2.4 示意。單層多跨 案例一：外柱使用較大斷面 RHS 200×100×9，內柱使用 RHS 100×100×6，構架 強度 108 tf，臨界桿件為內柱，等值斜撐最大 Strength Ratio 僅 0.52， 結點垂直剪力最大 Strength Ratio 僅 0.68，如圖 2.5。 案例二：外柱及內柱皆使用較大斷面 RHS 200×100×9，構架強度 178 tf，臨界 桿件為外柱，等值斜撐最大Strength Ratio 為 0.64，結點垂直剪力最大 Strength Ratio 為 0.83，如圖 2.6。 單層多跨且柱斷面不大於 RHS 200×100×9 時，等值斜撐及結點垂直剪力不 控制構架強度，臨界桿件為垂直鋼管，且內外柱使用相同斷面強度效率較高。 多層多跨 雙層雙跨：臨界桿件為第一層外柱，等值斜撐最大Strength Ratio 為 0.51，結點 垂直剪力最大Strength Ratio 為 0.53，如圖 2.7。 三層四跨：臨界桿件為第一層外柱，等值斜撐最大Strength Ratio 為 0.47，結點 垂直剪力最大Strength Ratio 為 0.42，如圖 2.8。 多層多跨時中間之垂直鋼管受力較小，可使用較小斷面的鋼管。破壞皆由 第一層外柱控制。最大結點垂直剪力發生在最上層邊跨角隅。
工法 免拆模 模板灌漿 施工速度 一次施工/快 (12 m 以下一次灌漿完成) 分層施工/慢 施工難易 容易 困難 工程廢棄物 少 較多 防火時效 2 小時 2 小時 防水性 好 好 造型 造型自由度高 受限 表面 裂紋少/細 裂紋多/寬 釘、掛 可 可 人力需求 低 高 （資料來源：本研究製作） 表2.2 案例工量分析 鋼管鋼網牆 傳統RC 工 項 工 數 工作日 工 項 工 數 工作日 組立工 5 4 鋼筋工 5 15 鋼網牆工 8 14 模板工(釘) 9 21 混凝土工 6 1 混凝土工 4 3 - - - 模板工(拆) 4 6 總和 138 工日 總和 300 工日 （資料來源：本研究製作）
圖2.1 案例施工流程及時間分析
（資料來源：本研究製作）
圖2.2 牆腹與等值斜撐關係示意圖
圖2.3 結點分力示意圖 （資料來源：本研究製作） 圖2.4 多單元鋼管鋼網牆分析模型示意圖 （資料來源：本研究製作） 120 120 120 250
圖2.5 單層多跨分析之 Strength Ratio(案例一) （資料來源：本研究製作） 圖2.6 單層多跨分析之 Strength Ratio(案例二) （資料來源：本研究製作） * 200 × 100 ×9 * 100 × 100 ×6 * 100 × 100 ×6 * 200 × 100 ×9 0 .807 1 .006 1 .006 0 .193 108 0.68 * 200 × 100 ×9 * 200 × 100 ×9 * 200 × 100 ×9 * 200 × 100 ×9 1 .002 1 .002 1 .002 0 .283 178 0.83 0.83 0.83
圖2.7 雙層雙跨分析之 Strength Ratio （資料來源：本研究製作） * 100 × 100 * 200 × 100 0 .523 0 .368 0 .044 * 200 × 100 ×9 * 100 × 100 ×6 * 200 × 100 ×9 1 .007 0 .700 0 .283 24 * 200 × 100
圖2.8 三層四跨分析之 Strength Ratio （資料來源：本研究製作） * 100 × 100 ×6 0 .012 * 100 × 100 ×6 0 .110 * 100 × 100 ×6 0 .640 * 100 × 100 ×6 0 .300 * 100 × 100 ×6 0 .635 * 100 × 100 ×6 0 .778 * 100 × 100 ×6 0 .388 0 .603
60
* 200 × 100 ×9 * 100 × 100 ×6 * 200 × 100 ×9 0 .717 0 .674 0 .050 * 200 × 100 ×9 * 100 × 100 ×6 * 200 × 100 ×9 1 .056 0 .874 0 .40620
40
* 200 × 100 ×9 * 200 × 100 ×9 0 .002第三章
試驗計畫
第一節 專家座談會
本研究已於109 年 3 月 13 日舉辦專家座談會，邀請產、學界專家諮詢及討 論，檢視所研擬鋼管鋼網工法之可行性及周延性。詳細會議紀錄及簡報內容已 彙整於附錄一。第二節 試體設計及試驗裝置
本次試驗一共規劃5 組實尺寸試體，其中包括 3 組作為比較基準的一 層一跨試體、1 組一層三跨試體及 1 組二層二跨試體，如 表3.1 所示，試體設計詳圖請參考附錄三。試驗場地為內政部建築研究所 材料試驗中心（以下簡稱為試驗中心）。 一層一跨： 一層一跨鋼管鋼網牆試共有3 個。1×1W 試體設計為牆腹破壞，垂直鋼管 以組合斷面取代，並且於水平鋼管兩端加上加勁板（如圖3.1 示意），組合斷面 由材質為SN400YB 斷面 RHS 200×100×5.5×8 及 2 塊材質為 SN400B 板厚 19 mm 的封板組成。1×1F 試體設計為垂直鋼管降伏，垂直鋼管使用材質 STKR490 斷面RHS 200×100×9，水平鋼管與垂直鋼管使用銲接連接（如圖 3.2 示意）。 1×1H 試體設計為結點垂直剪力破壞，垂直鋼管使用材質 STKR490 斷面 RHS 200×100×9，水平鋼管與垂直鋼管使用簡易接頭連接（如圖 3.3 示意）。一層一 跨牆面試體皆是垂直鋼管軸心間距120 cm，牆體淨高度為 240 cm，牆體厚度 20 cm，鋼管內填充混凝土，牆面鋼筋採用 SD280 #3 縱向與橫向間距皆為 30 cm 雙層配置。牆體端部剖面如圖 3.4，橫向鋼筋延伸至垂直鋼管時終止，再以 髮夾鋼筋由外側環繞垂直鋼管與橫向鋼筋搭接，搭接長度為30 cm。由於水平 及垂直鋼管內皆須填充混凝土，因此水平鋼管上翼板須開灌漿孔，垂直鋼管腹 板兩側則有直徑15 mm 之圓形灌漿透氣孔，以利灌漿作業。樓版厚度中心為加試驗中心西側反力牆上。為避免加載過程中試體滑移，基礎左右側各配置一塊 反力鋼板，如圖3.5（a）。試體前後側設有側撐 A 及側撐 B 來束制試體，防止 牆體產生非預期之面外變形，如圖3.5（b）及圖 3.5（c）。 一層三跨： 又稱為1×3 試體，試驗目的為探討單一樓層時含有內柱之鋼管鋼網牆受力 行為。試體外觀如圖3.6 所示，4 支垂直鋼管皆使用材質 STKR490 斷面 RHS 200×100×9，垂直鋼管跨距為 120 cm，水平鋼管與垂直鋼管皆使用簡易接頭連 接，鋼管內皆填充混凝土。牆面淨高與一層一跨試體相同為240 cm，牆面總寬 度為396 cm，牆體厚度為 20 cm，牆內鋼筋配置與一層一跨試體相同。 試驗加載需使用2 支 200 噸油壓致動器，架設於試驗中心西側反力牆上， 以加載夾具連接致動器加載頭及試體樓版中央，如圖3.7。為避免加載過程中試 體滑移，基礎左右側各配置一塊反力鋼板，如圖3.7（a）。試體前後側設有側撐 C 來束制試體，防止牆體產生非預期之面外變形，如圖 3.7（b）及圖 3.7（c）。 二層二跨： 又稱為2×2 試體，試體試驗目的為探討含有二個樓層之鋼管鋼網牆受力行 為。試體外觀如圖3.8 所示，兩側垂直鋼管使用材質 STKR490 斷面 RHS 200×100×9，中央垂直鋼管使用材質 STKR490 斷面 RHS 100×100×6，垂直鋼管 跨距120 cm，水平鋼管與垂直鋼管都使用簡易接頭連接，鋼管內皆填充混凝 土。二樓樓版中心位置與基礎面之距離為250 cm，一樓牆面淨高度為 240 cm， 頂樓樓版中心位置與基礎面之距離為500 cm，二樓牆面淨高度為 230 cm，牆面 總寬度為276 cm，牆體厚度為 20 cm，牆內鋼筋配置與一層一跨試體相同。 試驗加載需使用使用2 支 200 噸油壓致動器，架設於試驗中心西側反力牆 上，配置如圖3.19。為避免加載過程中試體滑移，基礎左右側各配置一塊反力 鋼板，如圖3.19（a）。試體前後側設有側撐 A、側撐 B 及側撐 D 來束制試體， 防止牆體產生非預期之面外變形，如圖3.19（b）及圖 3.19（c）。
第三節 試體製作
試體製作流程如圖3.10。鋼骨製作部分於工廠內製作（如圖 3.11），部分尺 寸過高及過寬無法運輸所以在試驗中心室內製作，鋼管架完成後如圖3.12。基 礎內鋼筋綁紮、牆面續接鋼筋預留、基礎模板製作及基礎灌漿完成後如圖 3.13。接著進行牆面鋼網牆製作，鋼網牆製作需先配置鋼網骨架及牆面鋼筋 （如圖3.14），再打設抓漿網（如圖 3.15），鋼網牆製配製完成圖 3.16，接著待 樓版及鋼骨夾具製作後，樓版及牆體才一同灌漿。其中2×2 試體若兩個樓層同 時施作則頂樓樓版臨時支撐施作不易且耗時耗費，因此兩個樓層分開施作，再 完成先完成一樓及二樓樓版後才開始製作二樓之鋼網牆及頂樓樓版。所有試體 完成製作如圖3.17，總材料使用量如表 3.2。 各試體內所使用的鋼材取樣作拉力試片，試驗強度如表3.3。牆面所用 SD280W 之 3 號鋼筋共抽樣 16 隻，降伏應力平均為 373 MPa，極限應力平均為 517 MPa。混凝土總共分 3 次澆置，第一次澆置所有試體之基礎，齡期達 51、 63、70 天時皆各做 2 個混凝土圓柱試體抗壓試驗，強度分布在 397～511 kgf/cm2之間，平均為467 kgf/cm2。第二次澆置混凝土稱為批次A，澆置於 1×3 試體及2×2 試體之第 1 樓層，此 2 組試體結構試驗齡期分別為 48 及 77 天，所 對應之混凝土強度平均為228 kgf/cm2。第三次澆置混凝土稱為批次B，澆置於 一層一跨試體及2×2 試體之第 2 樓層，一層一跨試體結構試驗齡期分別為 41、 49 及 51 天，所對應之混凝土強度平均為 408 kgf/cm2，2×2 試體結構試驗齡期 為63 天，所對應之混凝土強度平均為 429 kgf/cm2。各齡期所對應之混凝土強 度紀錄於表3.4。0.375%、0.5%、0.75%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%、4.0%及 5.0%，每個層間或
樓頂變位下均加載3 個週期，每組試體所對應的層間或頂樓位移如表 3.5。
一層一跨試體試驗採用位移控制，測計配置如圖3.19。位移計 LVDT 架設
於試體樓版厚度中心位置，監測試驗時層間位移，用來作為試驗中位移控制之
依據。試體基礎左右側設有2 支 Digl gauge，為 DE 及 DW 用來觀測試體是否
有滑移。試體基礎前側，對應垂直鋼管中心位置設有2 支 Digl gauge，為 DSE
及DSW 用來觀測基礎轉角。1×1F 及 1×1H 試體垂直鋼管上共設置 12 片 Strain gauge，配置方式分為 3 層，第一層高度位於牆體與基礎之界面（代號為 L1-XX），第二層高度位於牆體中央（代號為 L2-XX），第三層高度位於牆體與樓版 介面處（代號為L3-XX）。由於 1×1W 試體設計為垂直桿件不會降伏，因此 Strain gauge 僅配置第一層。 1×3 試體試驗採用位移控制，且致動器 1 及致動器 2 位移相同，測計配置 如圖3.20。位移計 LVDT 架設於試體樓版厚度中心位置，監測試驗時層間位 移，用來作為試驗中位移控制之依據。基礎左右側設有2 支 Digl gauge，DE 及 DW 用來觀測試體是否有滑移。試體基礎前側，對應牆體端部垂直鋼管中心位
置設有2 支 Digl gauge，為 DSE 及 DSW 用來觀測基礎轉角。垂直鋼管上共設
置16 片 Strain gauge，兩側垂直鋼管配置 3 層，中間垂直鋼管僅配置第一層， 各層配置高度同一層一跨試體。 2×2 試體試驗採用位移控制致動器 1，而致動器 2 以力量控制為致動器 1 力 量之一半，測計配置如圖3.21。位移計 LVDT1 架設於試體頂樓樓版厚度中心位 置，監測試驗時層間位移量，用來作為試驗中位移控制之依據。位移計LVDT2 架設於試體二樓樓版厚度中心位置。試體基礎側邊設有1 支 Digl gauge，為 DC 用來觀測試體是否有滑移。基礎前側，對應牆體端部垂直鋼管中心位置設有2
支Digl gauge，為 DSE 及 DSW 用來觀測基礎轉角。垂直鋼管上共設置 18 片
Strain gauge，兩側垂直鋼管配置 4 層，中間垂直鋼管僅配置第一層，第四層高
表3.1 試體規劃表 試體編號 試體型式 控制破壞模式 數量 1×1W 一層一跨 牆腹混凝土壓碎 1 1×1F 垂直鋼管降伏 1 1×1H 結點垂直剪力破壞 1 1×3 一層三跨 垂直鋼管降伏 1 2×2 二層二跨 垂直鋼管降伏 1 （資料來源：本研究製作） 表3.2 試體製作材料使用量 項目 總用量 竹節鋼筋 690 kg 鋼網骨架(寬 18 cm，繫條間距 30 cm) 205 m 抓漿網 80 片 鋼骨 5.4 tf 混凝土 25 方 ※ 以上用量包含損耗。 （資料來源：本研究製作） 表3.3 鋼骨材料強度表 試體 斷面 材質 試片 編號 降伏應力 MPa 極限應力 MPa 1×1W RH 200×100×5.5×8 SN400YB 腹板 377 507 PL 19t SN400B 1 291 287 455 453 2 282 451 1×1F 1×1H 1×3 2×2 RHS 200×100×9 STKR490 1 481 477 548 547 2 447 536 3 503 557 2×2 RHS 100×100×6 STKR490 1 451 462 493 505 2 472 517 （資料來源：本研究製作）
批次 (天) 對應試驗試體 (kgf/cm2) (kgf/cm2) A 48 1×3 214 228 228 246 224 77 2×2 (第 1 樓層) 232 227 206 244 B 41 1×1W 413 408 408 388 422 49 1×1F 420 405 385 412 51 1×1H 422 412 393 420 63 2×2 (第 2 樓層) 436 429 406 445 （資料來源：本研究製作）
表3.5 加載歷程表 位移角 (%) 週 期 數 一層一跨試體 一層三跨試體 二層二跨試體 層間位移 (mm) 速度 (mm/sec) 樓頂位移 (mm) 速度 (mm/sec) 0.25 3 6.3 0.08 12.5 0.17 0.375 3 9.4 0.13 18.8 0.25 0.5 3 12.5 0.17 25.0 0.33 0.75 3 18.8 0.25 37.5 0.50 1.0 3 25.0 0.33 50.0 0.67 1.5 3 37.5 0.50 75.0 1.0 2.0 3 50.0 0.67 100 1.0 3.0 3 75.0 1.00 150 1.0 4.0 3 100 1.00 200 1.0 5.0 3 125 1.00 250 1.0 （資料來源：本研究製作）
圖3.1 1×1W 試體示意圖(單位：mm)
（資料來源：本研究製作）
圖3.2 1×1F 試體示意圖(單位：mm)
圖3.3 1×1H 試體示意圖(單位：mm) （資料來源：本研究製作） 圖3.4 牆體剖面示意圖 （資料來源：本研究製作） 20 cm 鋼網骨架 橫向鋼筋#3 @30 cm 抓漿網 髮夾鋼筋 垂直鋼管 縱向鋼筋#3 @30 cm 30cm cL
(a) 正視圖 (b) 側視圖 圖3.5 單一單元試體試驗配置圖 （資料來源：本研究製作） 強力樓版 西 側 反 力 牆 1層1跨試體 反力鋼板 南 側 反 力 牆 側撐B 1層1跨試體 側撐A 強力樓版
(c) 上視圖 圖3.5 單一單元試體試驗配置圖(續) （資料來源：本研究製作） 圖3.6 1×3 試體示意圖(單位：mm) （資料來源：本研究製作） 西 側 反 力 牆 南側反力牆 MTS致動器 1層1跨試體 側撐A 側撐B
(a) 正視圖 (b) 上視圖 (c) 側視圖 圖3.7 1×3 試體試驗配置圖 （資料來源：本研究製作） ` 強力樓版 西 側 反 力 牆 1層3跨試體 反力鋼板 南側反力牆 西 側 反 力 牆 測撐C MTS致動器(1) 加載夾具 1層3跨試體 MTS致動器(2) 強力樓版 南 側 反 力 牆 1層3跨試體 加載夾具 測撐C
圖3.8 2×2 試體示意圖(單位：mm) （資料來源：本研究製作） 基 礎 一 樓 二 樓 二 樓 樓 版 頂 樓 樓 版
(a) 正視圖 (b) 上視圖 圖3.9 2×2 試體試驗配置圖 （資料來源：本研究製作） 強力樓版 西 側 反 力 牆 2層2跨試體 反力鋼板 MTS致動器(2) 西 側 反 力 牆 2層2跨試體 MTS致動器(1) 南側反力牆 測撐A 測撐D
(c) 側視圖 圖3.9 2×2 試體試驗配置圖（續） （資料來源：本研究製作） 強力樓版 2層2跨試體 南 側 反 力 牆 測撐B 測撐D 測撐A
圖3.10 試體製作流程 （資料來源：本研究製作） 圖3.11 工廠內鋼骨製作 （資料來源：本研究製作） 鋼骨製作 基礎製作 (鋼筋、模板、灌漿) 鋼網牆架設 (含牆面鋼筋配置) 樓版鋼筋及鋼骨夾具製作 牆面及樓版灌漿 試體養護 加載頭銲接 完成試體製作 2×2試體二樓製作
圖3.12 鋼管骨架完成
（資料來源：本研究製作）
圖3.13 基礎製作
圖3.14 鋼網骨架及牆面鋼筋架設
（資料來源：本研究製作）
圖3.15 打設抓漿
圖3.16 鋼網牆製作完成
（資料來源：本研究製作）
圖3.17 試體製作完成
圖3.18 加載歷程圖 （資料來源：本研究製作） 圖3.19 一層一跨試體測計配置 （資料來源：本研究製作） 強力樓版 西 側 反 力 牆 1層1跨 試體 MTS致動器 Strain gauge Dial gauge LVDT
圖3.20 1×3 試體測計配置 （資料來源：本研究製作） 圖3.21 2×2 試體測計配置 （資料來源：本研究製作） 強力樓版 西 側 反 力 牆 Strain gauge Dial gauge LVDT 強力樓版 西 側 反 力 牆 MTS致動器(1) MTS致動器(2) Strain gauge Dial gauge LVDT
第四章
試驗結果與討論
第一節 整體行為
1. 1×1W 試體 圖4.1 及圖 4.2 分別為該試體之遲滯回圈及包絡線，正向最大強度為 116 tf，負向最大強度為 104 tf，都發生在層間位移角 1.5%時。在層間位移角進 入5.0%第一圈時正負向強度皆低於最大強度之 75%，結束試驗。圖 4.3 為試 體在各層間位移角時之情況，可以看到在層間位移角0.25%時垂直桿件與牆 腹間之界面剪力裂縫就已經發展出來，而在牆腹上呈現約45 度角的裂縫則 在層間位移角1.0%後較為明顯，表示牆腹混凝土確實有發展出壓桿行為。試 驗後情況如圖4.4，可以看到牆腹混凝土雖有明顯裂縫，如圖 4.4(a)，但鑿除 水平桿件上方混凝土後發現此試體為水平桿件破壞控制，如圖4.4(b)。試體 設計時設定之破壞模式為牆腹混凝土壓碎，不過混凝土實測強度高達408 kgf/cm2，牆腹強度遠高於預期，致使實際破壞模式轉為水平桿件破壞。由於 本試體垂直桿件強度有進行加強（H 型鋼加封板），加上混凝土強度偏高， 導致非預期之破壞模式。 2. 1×1F 試體 圖4.5 及圖 4.6 分別為該試體之遲滯回圈及包絡線，正向最大強度為 97.4 tf，負向最大強度為 99.2 tf，都發生在層間位移角 2.0%時。在層間位移 角進入4.0%第一圈時正負向強度皆低於最大強度 75%，結束試驗。圖 4.3 為 試體在各層間位移角時之情況，由於混凝土強度過高，可以看到直至試驗結 束界面剪力裂縫及牆腹裂縫都發展的不完全，如圖4.8(a)。鑿除水平桿件與 垂直桿件接合處之混凝土後，可以看到接合處點處銲道受到結點垂直剪力而 破壞之情況，如圖4.8(b)。試體設計時設定之破壞模式為垂直鋼管降伏，不 過由於混凝土強度過高，使得結點垂直剪力高於預期，實際破壞模式轉為結 點垂直剪力破壞。 3. 1×1H 試體 圖4.9 及圖 4.10 分別為該試體之遲滯回圈及包絡線，正向最大強度為0.75%時界面剪力裂縫及牆腹裂縫開始發展，但發展得非常緩慢。界面剪力 裂縫及牆腹裂縫直至4%試驗結束後仍未發展完全，如圖 4.12(a)，而簡易接 頭則是完全斷裂，如圖4.12(b)，圖中樓版鋼筋系銲道開裂後受擠壓而被推入 裂縫。試體設計時設定之破壞模式為結點垂直剪力破壞，實際破壞模式與設 定之破壞模式相同。 4. 1×3 試體 圖4.13 及圖 4.14 分別為該試體之遲滯迴圈及包絡線，正向最大強度為 161 tf，發生在層間位移角 1.5%時，負向最大強度為 167 tf，發生在層間位移 角0.75%時。在層間位移角進入 4.0%第一圈時正負向強度皆低於最大強度 75%，結束試驗。圖 4.15 為試體在各層間位移角時之情況，在層間位移角 0.25%時界面剪力裂縫及牆腹裂縫就已開始發展，0.75%時中間跨之界面兩側 混凝土保護層已經開始剝落。圖4.16 為層間位移角 4%時牆面單元底部，圖 4.17 則為垂直鋼管的兩側，可以明顯地觀察到牆面底部的開口位置及鋼管兩 側的相對錯動隨著加載方向變換，表示牆單元有獨立形成壓桿，代表使用等 值斜撐方式模擬多單元鋼管鋼網牆的確是一個合理的方式。鑿除簡易接頭周 圍的混凝土後可以發現6 個簡易接頭皆受結點垂直剪力而破壞，如圖 4.18。 試體設計時設定之破壞模式為為垂直鋼管降伏，實際破壞模式為結點垂直剪 力破壞。 5. 2×2 試體 圖4.21 及圖 4.20 分別為該試體之遲滯回圈及包絡線。正向最大基底剪 力為136 tf，負向最大基底剪力為 138 tf，都發生在層間位移角 1.5%時。在 樓頂位移角進入4.0%第一圈時正負向強度皆低於最大強度 75%，結束試驗。 圖4.21 為二樓及一樓之遲滯迴圈，可以發現大部分的變形都集中在一樓。圖 4.22 為試體在各層間位移角時之情況，一樓在樓頂位移角 0.25%時中央垂直 鋼管界面剪力裂縫開始發展，在樓頂位移角0.375%時牆腹裂縫開始發展，在 樓頂位移角0.75%時中央垂直鋼管兩側混凝土表面開始剝落。而二樓在樓頂 位移角0.5%時中央垂直鋼管界面剪力裂縫開始發展，在樓頂位移角 3.0%時
牆腹裂縫才開始發展，且皆發展得非常緩慢。試驗結束時試體整體狀況如圖 4.23(a)。第一層應變計觀測到在層間位移角 0.75%時牆兩側垂直鋼管降伏， 試驗結束後鑿除兩側垂直鋼管底部混凝土可觀察到鋼管表面有明顯局部挫 屈，如圖4.23(b)，確認破壞模式為兩側垂直鋼管降伏或局部挫屈。另，將垂 直鋼管切開後，可觀察到靠近基礎面之鋼管內填滿混凝土，因此鋼管內混凝 土之澆置合乎預期，如圖4.24。試體設計時設定之破壞模式為為垂直鋼管降 伏，與設定之破壞模式相同。
第二節 破壞模式對應之元件強度及韌性
本節整合本案所做之5 座試體及 2017 年台科大所做之 6 座試體，一共以 11 座鋼管鋼網牆試體討論在不同破壞模式下所對應之元件強度以及系統韌性。 正負向最大強度Vpeak、降伏位移y、極限位移u、位移角容量u及彈性勁度列 於表4.1，正負向之平均、韌性、韌性容量 R 及破壞模式列於表 4.2。其中各 參數之定義如圖4.25 包絡線示意圖，以正向為例解說，Vpeak 為正向最大強度， 在強度達0.75Vpeak 前構架視為彈性，與原點之斜率為彈性勁度KF。強度下降至 peak 0.8V 時之位移視為移構架極限位移u，所對應之位移角即為位移角容量u。 達u前包絡線所圍成的面積為構架所消散之能量，以等能量之概念求出紅線所 包覆之面積與之相等，得到構架之降伏位移y。構架之韌性為 u y ，而由於 鋼管鋼網牆系統主要用於低樓層街屋的多屬於短周期結構，因此韌性容量R 以 等能量方法求得，R 2 1。 鋼管鋼網牆可能的破壞模式有3 種，分別為牆腹混凝土壓碎、結點垂直剪 力破壞及垂直鋼管降伏，以下將依此三種破壞模式分別討論。 1. 牆腹混凝土壓碎 破壞模式為牆腹混凝土壓碎的試體共有2 座，為 W-1 及 W-2。此 2 試體 皆2018 年台科大所做之試體，由此 2 座試體之數據得到牆腹等值斜撐強度 ' n c P A f ，其中等值斜撐之有效面積Atd/ 7.4，t 為牆體寬度，d 為牆體 對角線長度[3]。由於混凝土變異性較大，且試體數量不多，建議強度折減係 數採用0.65，等值斜撐設計強度為P0.65Pn。 以上述等值斜撐強度公式計算1×1W 試體之等值斜撐強度P 為 306 tf。n2. 結點垂直剪力破壞 破壞模式為結點垂直剪力破壞的試體共有5 座，其中有 4 座為單一單元 試體，分別為1×1F、1×1H、NTC100 及 NTC200 試體；1 座為多單元試體， 為1×3 試體。 1×1H、NTC100 及 NTC200 試體水平鋼管則採用簡易接頭與垂直鋼管接 合，結點剪力強度P 由試驗數據得到，分別為 148、139 及 160 tf，3 者之平vn 均為149 tf。單一單元試體中 1×1F 試體水平鋼管斷面為 RHS 100×100×6，採 用銲接與垂直鋼管接合，結點剪力強度P 由試驗數據得到為 194 tf。將結點vn 剪力強度P 換算為每單位銲道長度提供之強度為 4.85 tf/cm，以此估計當水vn 平鋼管採用斷面RHS 200×100 時，所能提供的結點剪力強度P 為 291 tf。垂vn 直剪力強度由RC 剪力摩擦及銲道提供，RC 剪力摩擦以及銲道之強度折減係 數均為0.75，由於試體數量不多，因此建議結點垂直剪力強度折減係數採用 0.7，結點垂直剪力設計強Pv 0.7Pvn。若結點使用簡易接頭之結點垂直剪力 設計強度P 為 104 tf，適用於 RHS 100×100 及 RHS 200×100 鋼管；結點使用v 銲接且水平鋼管斷面為RHS 100×100 之結點垂直剪力設計強度P 為 136 tf；v 結點使用銲接且水平鋼管斷面為RHS 200×100 之結點垂直剪力設計強度P 為v 204 tf。 一層多跨之1×3 試體水平桿件與垂直桿件之 6 個接合處皆採用簡易接 頭，以等值斜撐分析方式做構架分析，桿件材料強度皆採用實際材料強度， 當此構架受到試驗之最大側推力時桿件及結點Strength Ratio 如圖 4.26 所 示。可以發現雖然結點垂直剪力之Strength Ratio 為三者中之最大，但也僅達 到0.74，尚未達到臨界載重。但在試驗結果卻已經發生結點垂直剪力破壞， 由圖4.26 中可以發現分析時各單元之桿件皆是均勻受力，但實際牆面結構與 分析模型還是有一定的落差，由圖4.18 簡易接頭破壞情況可以看出邊跨外側 的接頭破壞較內部接頭來得嚴重，由此推測一層多跨之鋼管鋼網牆實際各單 元受力並非如分析一般均勻，推測試體開始受力時邊跨外側之結點所受之力 量應是大於內部結點的，破壞由外側結點先發生，逐漸往內側結點發生逐進 式破壞。故此建議當單層多跨時應該加強邊跨結點，建議採用銲接，且上水 平桿件建議使用RHS 200×100 之斷面，以增結點垂直剪力強度。
折減係數及設計強度有現有規範可依循，但考量鋼管底部之混凝土填充品質 較難控管，因此設計時應忽略鋼管內混凝土對強度之貢獻。 R-1 及 R-2 是兩組配置相同之試體，試驗構架勁度分別為 4.15 tf/mm 及 3.73 tf/mm，平均為 3.94 tf/mm，以等值斜撐分析方式得到之構架勁度為 4.29 tf/mm，試驗與分析之勁度相差 8%。2×2 試體試驗構架勁度為 4.72 tf/mm， 以等值斜撐分析方式得到之構架勁度為5.25 tf/mm，試驗與分析之勁度相差 10%，且由分析模型之 Strength Ratio（如圖 4.27 所示）可以看到臨界桿件為 一樓之邊柱與試驗結果一致，顯示使用等值斜撐模擬多層多跨之鋼管鋼網牆 的確是一個可行的方式。 在第三章中多單元鋼管鋼網牆的分析中可以發現一般情況下鋼管鋼網牆 系統皆為鋼管降伏控制，故系統韌性應以破壞模式為鋼管降伏之試體探討。 R-1 及 R-2 試體韌性容量 R 分別為 3.62 及 3.35，2×2 試體韌性容量 R 為 3.48，韌性容量相當不錯。但試體與實際結構仍不盡相同，尤其當樓層數為 3 時，結構塑性變形與消能還是會集中在 1 樓，此時韌性容量還是會略為下 降，為求保守，建議設計時R 值取 3.0。
第三節 使用性檢討
實際結構多為多層多跨，本案試驗中以2×2 試體與實際結構物最為接近， 因此本節以2×2 試體討論鋼管鋼網牆系統受側向力所產生之裂縫發展情況對於 使用性上之影響。 圖4.28 為 2×2 試體樓頂位移角達 0.5%時（樓頂位移為 25 mm）之裂縫情 況，此時之樓頂位移量與1 倍降伏位移值（y＝26.4 mm）相近。可以看到二樓 僅有些許裂縫，一樓垂直桿件處則有明顯的界面剪力裂縫，牆腹則有呈現45 的裂縫，裂縫寬度約為0.2 mm，表面混凝土皆沒有剝落。一般建築物牆面裂縫 寬度大於0.3 mm 時才開始有鋼筋腐蝕之疑慮，以試驗之裂縫情況判斷在降伏位 移前所產生之裂縫對於使用性上沒有影響。 圖4.29 為 2×2 試體樓頂位移角達 1.0%時（樓頂位移為 50 mm）之裂縫情況，此時之樓頂位移量與2 倍降伏位移（2y＝52.8 mm）相近。可以看到二樓 裂縫與樓頂位移角 = 0.5%時差異不大，一樓垂直桿件處表面混凝則有明顯的
剝落，牆腹之裂縫則更多，裂縫寬度約為0.7 mm。在一般建築物生命週期達到
2 倍降伏位移的機率並不高，雖然表面混凝土剝落會影響使用，但尚可以重新 粉光修繕。
編號 tf mm mm % tf/mm 1×1W 116 -105 19.0 14.9 102 -95.4 4.08 -3.82 5.70 6.55 1×1F 97.4 -97.5 25.0 22.9 88.1 -75.8 3.52 -3.03 3.78 4.11 1×1H 82.7 -76.0 17.4 12.4 65.7 -72.1 2.63 -2.88 4.49 5.70 1×3 161 -167 6.12 7.30 55.5 -49.8 2.22 -1.99 24.8 21.3 2×2 136 -138 25.8 26.9 170 -175 6.80 -7.00 4.80 4.64 W-1 81.1 77.7 13.1 10.6 96.4 103 3.39 3.61 5.93 7.00 W-2 93.6 94.0 15.2 15.2 93.3 96.8 3.29 3.41 5.76 5.88 R-1 68.0 66.8 18.0 13.6 109 110 3.83 3.88 3.62 4.67 R-2 67.3 63.2 17.6 16.4 110 98.0 3.88 3.45 3.70 3.76 NTC100 63.2 62.4 17.4 8.98 95.3 89.5 3.36 3.15 3.39 6.35 NTC200 60.6 57.2 14.9 5.81 94.3 88.0 3.32 3.10 3.84 9.04 （資料來源：本研究製作） 表4.2 各試體參數正負向之平均 試體 編號 peak V y u u KF R 破壞 模式 tf mm mm % tf/mm 1×1W 111 17.0 98.7 39.5 5.44 5.90 3.29 D 1×1F 97.5 24.0 82.0 3.28 3.95 3.42 2.41 B 1×1H 79.4 14.9 68.9 2.76 5.10 4.80 2.93 B 1×3 164 6.71 52.7 2.11 23.1 7.85 3.86 B 2×2 137 26.4 173 6.90 4.72 6.55 3.48 C W-1 79.4 11.9 99.7 3.50 6.47 8.38 4.01 A W-2 93.8 15.2 95.1 3.35 5.82 6.26 3.39 A R-1 67.4 15.8 110 3.86 4.15 6.96 3.62 C R-2 65.3 17.0 104 3.67 3.73 6.12 3.35 C NTC100 62.8 13.2 92.4 3.26 4.87 7.75 3.80 B NTC200 58.9 10.4 91.2 3.21 6.44 10.7 4.53 B 破壞模式分類：A-表示為牆腹混凝土壓碎、B-表示為結點垂直剪力破壞、 C-表示為垂直鋼管降伏、D-其他。 （資料來源：本研究製作）
圖4.1 1×1W 試體遲滯迴圈
（資料來源：本研究製作）
圖4.2 1×1W 試體遲滯迴圈包絡線
(a) = 0.25% (b) = 0.375% (c) = 0.5%
(d) = 0.75% (e) = 1.0% (f) = 1.5%
(g) = 2.0% (h) = 3.0% (i) = 4.0%
圖4.3 1×1W 試體不同層間位移角試體破壞情況
(a) 牆面外觀 (b) 上水平桿件上視 圖4.4 1×1W 試體試驗後破壞情況 （資料來源：本研究製作）
混凝土鑿除後如圖(b)
上水平桿
件破壞
圖4.5 1×1F 試體遲滯迴圈
（資料來源：本研究製作）
圖4.6 1×1F 試體遲滯迴圈包絡線
(a) = 0.25% (b) = 0.375% (c) = 0.5%
(d) = 0.75% (e) = 1.0% (f) = 1.5%
(g) = 2.0% (h) = 3.0% (i) = 4.0%
圖4.7 1×1F 試體不同層間位移角試體破壞情況
(a) 牆面外觀 (b) 結點處上視 圖4.8 1×1F 試體試驗後破壞情況 （資料來源：本研究製作）
混凝土鑿除後如圖(b)
節點處
銲道破壞
圖4.9 1×1H 試體遲滯迴圈
（資料來源：本研究製作）
圖4.10 1×1H 試體遲滯迴圈包絡線
(a) = 0.25% (b) = 0.375% (c) = 0.5%
(d) = 0.75% (e) = 1.0% (f) = 1.5%
(g) = 2.0% (h) = 3.0% (i) = 4.0%
圖4.11 1×1H 試體不同層間位移角試體破壞情況
(a) 牆面外觀 (b) 接頭處 圖4.12 1×1H 試體試驗後破壞情況 （資料來源：本研究製作） 接頭處如圖(b)
簡易接頭銲道開裂
垂直鋼管
樓版鋼筋
圖4.13 1×3 試體遲滯迴圈
（資料來源：本研究製作）
圖4.14 1×3 試體遲滯迴圈包絡線
(a) = 0.25% (b) = 0.375% (c) = 0.5% (d) = 0.75% (e) = 1.0% (f) = 1.5% (g) = 2.0% (h) = 3.0% 圖4.15 1×3 試體不同層間位移角試體破壞情況 （資料來源：本研究製作）
(i) = 4.0%
圖4.15 1×3 試體不同層間位移角試體破壞情況(續)
(a) 加載方向正 (b) 加載方向負 圖4.16 1×3 間位移角 4%正負向時牆底狀況 （資料來源：本研究製作） 右下開口 加載方向 左下開口 加載方向
(a) 加載方向正 (b) 加載方向負 圖4.17 1×3 間位移角 4%正負向垂直桿件兩側之相對錯動 （資料來源：本研究製作） 加載方向 加載方向
圖4.18 1×3 試體接頭破壞情況
圖4.19 2×2 試體遲滯迴圈
（資料來源：本研究製作）
圖4.20 2×2 試體遲滯迴圈包絡線
(a) 二樓
(b) 一樓
圖4.21 2×2 試體各樓層之遲滯迴圈
(a) = 0.25% (b) = 0.375% 圖4.22 2×2 試體不同層間位移角試體破壞情況
(c) = 0.5% (d) = 0.75% 圖4.22 2×2 試體不同層間位移角試體破壞情況(續)
(e) = 1.0% (f) = 1.5% 圖4.22 2×2 試體不同層間位移角試體破壞情況(續)
(g) = 2.0% (h) = 3.0% 圖4.22 2×2 試體不同層間位移角試體破壞情況(續)
(i) = 4.0%
圖4.22 2×2 試體不同層間位移角試體破壞情況(續)
(a) 牆面外觀
(b) 垂直鋼管底部
圖4.23 2×2 試體試驗後破壞情況
（資料來源：本研究製作）
圖4.24 2×2 試體鋼管內混凝土填充狀況 （資料來源：本研究製作） 圖4.25 包絡線示意圖 （資料來源：本研究製作） 圖4.26 以試驗之側推力做 1×3 構架分析得到之 Strength Ratio （資料來源：本研究製作） * 2 0 0 × 1 0 0 ×9 * 2 0 0 × 1 0 0 ×9 * 2 0 0 × 1 0 0 ×9 * 2 0 0 × 1 0 0 ×9 0 .6 4 0 .1 6 0.72 164 tf 0.74 0 .6 4 0 .6 4 0.72 0.72 0.74 0.74
圖4.27 2×2 構架分析得到之 Strength Ratio （資料來源：本研究製作） * 1 0 0 × 1 0 0 ×6 * 2 0 0 × 1 0 0 ×9 0 .5 2 0 .3 8 0 .0 6 0.37 0.12 * 2 0 0 × 1 0 0 ×9 * 1 0 0 × 1 0 0 ×6 * 2 0 0 × 1 0 0 ×9 1 .0 0 0 .7 0 0 .3 0 0.49 0.85 1/3V * 2 0 0 × 1 0 0 ×9 2/3V 0.73 0.23 0.51 0.15
(a) 2F 東側 (b) 2F 西側
(c) 1F 東側 (d) 1F 西側
圖4.28 2×2 試體 = 0.5%時之裂縫(約為 1y) （資料來源：本研究製作）
(a) 2F 東側 (b) 2F 西側
(c) 1F 東側 (d) 1F 西側
圖4.29 2×2 試體=1.0%時之裂縫(約為 2y) （資料來源：本研究製作）
第五章
分析方法與設計案例
第一節 分析方法
本案將鋼管鋼網牆系統模組化，參考目前實務上常用之垂直鋼管斷面、跨 距、樓層高度、牆面配筋量，限制各參數在一定範圍內，以確保試驗之結果可 以被應用。 1. 模組化之鋼管鋼網牆 本案之模組化鋼管鋼網牆系統中單元幾何尺寸限制樓層高度範圍為250 cm～340 cm，垂直鋼管跨距範圍為 110 cm～160 cm，牆體厚度為 20 cm。牆 面混凝土強度採用280 kgf/cm2。垂直及水平桿件皆使用材質為STKR400 或 STKR490 之 RHS 200×100 或 RHS 100×100 斷面，且內填充混凝土。牆面鋼 筋皆使用SD280W 之 3 號鋼筋，配置方式為雙層雙向間距 30 cm，水平鋼筋 端部須使用髮夾形鋼筋，單元標準剖面如圖1.2 所示。 實際結構物為多層多跨，各樓層間同一位置之垂直鋼管使用相同斷面， 垂直鋼管斷面不隨樓層變換，垂直鋼管下端與地梁內之鋼管連接。水平鋼管 與垂直鋼管之接合原則上採用簡易接頭，如圖5.1，若結點垂直剪力較大或 有其他施工考量，亦可採用銲接。 2. 模型設定及檢核重點 在計算結構強度時含有開口之牆面單元不計其強度貢獻，以圖5.2 為 例，此構架分為4 層，每層有 3 個單元，各樓層之左側第一個單元皆有一門 開口，中間及右側之單元則為完整之牆面，如圖5.2(a)，結構分析時僅計中 間及右側單元，使用等值斜撐分析方法之分析模型如圖5.2(b)。 水平向鋼管與垂直向鋼管之結點分析時視為鉸接。由於混凝土一般視為 不承受拉力，所以等值斜撐只能承受壓力，因此當力量方向改變時，等值斜 撐之方向也需跟著調整（如圖5.3），否則垂直鋼管之軸力會有顯著之偏差。 另外，建議將地梁、基礎甚至土壤建入分析模型，如此分析結果會與結構實 際行為更接近，尤其是垂直鋼管所承受之軸力，此外分析結果亦可用於進行 地梁及基礎之設計。詳細分析流程可參考文獻[2]。(1) 等值斜撐 等值斜撐受力最大之位置通常位於一樓之邊跨。等值斜撐設計強度 0.65 n P P，Pn A fc'。A 是等值斜撐之有效面積為td/ 7.4，t 為牆體 寬度，d 為牆體對角線長度。 (2) 結點垂直剪力 最大結點垂直剪力通常發生在最上層邊跨外側之角隅。若結點使用 簡易接頭之結點垂直剪力設計強度P 為 104 tf，適用於 RHS 100×100 及v RHS 200×100 鋼管；結點使用銲接且水平鋼管斷面為 RHS 100×100 之結 點垂直剪力設計強度P 為 136 tf；結點使用銲接且水平鋼管斷面為 RHS v 200×100 估算其垂直剪力強度P 為 204 tf。 v (3) 垂直及水平鋼管桿件 需檢核桿件之軸向及彎矩強度，設計強度依循現有規範，臨界桿件 通常為第一層樓邊跨外側之垂直桿件。雖然鋼管內有填充混凝土，但考 量鋼管底部之混凝土填充品質較難控管，因此設計時忽略鋼管內混凝土 對強度之貢獻。另，須注意角柱會有雙向側力引致的垂直載重。 3. 震力係數法適用性之檢討 日本低矮型RC 牆結構使用 0.1f Ac 進行樓層層剪力強度之評估，此方法 稱為震力係數法，頗為簡便，但是樓層數越高響牆所需承擔之彎矩也越高， 因此當牆之強度可能由彎矩控制，此時震力係數法可能產生較大之誤差。鋼 管鋼網牆系統基本上由鋼管降伏主控，乃屬於彎矩控制之情況，因此當樓層 數較高時，震力係數法不太適用。
