含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究
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(3) （國科會 GRB 編號） ＰＧ９７０２－０２９８ （本部研考資訊系統計畫編號） ０９７３０１０７００００Ｇ１０１７. 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向 受力行為研究. 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. 員：柯人文. 內政部建築研究所委託研究報告 中華民國 97 年 12 月.
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(5) 目次. 目次. 表次...................................................................................... III 圖次........................................................................................ V 照片次.................................................................................. IX 摘. 要.................................................................................. XI. 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 第三節 文獻回顧 ................................................................7 第二章 專家座談與 CFBC 系統之建構 ............................17 第一節 專家座談會 ..........................................................17 第二節 CFBC 結構系統...................................................18 第三章 柱軸向載重試驗.....................................................21 第一節 試體之規劃與製作 ..............................................21 第二節 試驗裝置與測計安排 ..........................................23 第四章 箱型柱與混凝土之分析模型.................................35 第一節 空箱型柱 ..............................................................35 第二節 內有側撐之箱型柱 ..............................................36 第三節 填充型箱型柱（CFBC） ....................................36 第五章 柱軸向有限元素分析.............................................45 第一節 有限元素分析模型 ..............................................45. I.
(6) 第二節 有限元素網格尺寸 ..............................................45 第三節 有限元素分析結果 ..............................................47 第六章 試驗結果與討論.....................................................67 第一節 第二節 第三節 第四節 第五節 第六節. 正常情況之 CFBC ...............................................67 純箱型柱 ..............................................................69 乾縮之影響 ..........................................................70 圍束繫桿之影響 ..................................................70 材料分析模型之探討 ..........................................72 規範條文適用性評估 ..........................................74. 第七章 結論與建議...........................................................103 第一節 結論 ....................................................................103 第二節 建議 ....................................................................105 附錄一 期中報告會議紀錄...............................................107 附錄二 專家座談會會議紀錄...........................................113 附錄三 重要法規...............................................................135 參考書目.............................................................................147. II.
(7) 表次. 表次. 表 1.1 預定之研究進度...........................................15 表 3.1 實驗試體規劃...............................................24 表 4.1 箱型柱鋼板拉力試片試驗結果...................38 表 4.2 混凝土圓柱試體試驗結果...........................38 表 4.3 混凝土應力-應變分析模型的參數公式......39 表 4.4 方形鋼管混凝土柱中鋼管應力-應變分析模 型的參數公式...................................................39 表 5.1 不同網格下 AO-48 之臨界載重..................52 表 6.1 材料試驗強度、試體強度、強度比及韌性 ...........................................................................75. III.
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(9) 圖次. 圖次. 圖 1.1 無縫鋼管 CFT..............................................16 圖 1.2 填充型箱型柱...............................................16 圖 1.3 研究流程圖...................................................16 圖 2.1 CFBC 結構系統示意圖 ................................20 圖 2.2 填充混凝土 H 型鋼梁（CFHB）...............20 圖 3.1 試體斷面示意圖...........................................25 圖 3.2 箱型柱之詳細尺寸（AA-48、AB-48、AO-48、 TAA 系列及 TAB 系列） ...............................26 圖 3.3 箱型柱之詳細尺寸（AA-40、AB-40、AO-40、 KAA-40-2、KAA-40-4 及 KAA-40-4-ST） ..26 圖 3.4 箱型柱之詳細尺寸（AA-32、AB-32、AO-32、 KAA-32-2 及 KAA-32-4）..............................27 圖 3.5 箱型柱之詳細尺寸（AA-24、AB-24、AO-24、 KAA-24-2、KAA-24-4 及 KAA-24-4-ST） ..27 圖 3.6 箱型柱試體剪力釘配置詳細圖 （KAA-40-4-ST） ...........................................28 圖 3.7 箱型柱試體剪力釘配置詳細圖 （KAA-24-4-ST） ...........................................28 圖 3.8 螺栓孔間距 10cm 之箱型柱之詳細尺寸 （TAA-48-2/10 及 TAB-48-2/10）.................29 圖 3.9 螺栓孔間距 15cm 之箱型柱之詳細尺寸 （TAA-48-3/10）.............................................29 圖 3.10 螺栓孔間距 20cm 之箱型柱之詳細尺寸 （TAA-48-4/10 及 TAB-48-4/10）.................30 圖 3.11 螺栓孔間距 25cm 之箱型柱之詳細尺寸 （TAA-48-5/10）.............................................30 圖 3.12 螺栓孔間距 30cm 之箱型柱之詳細尺寸 V.
(10) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. （TAA-48-6/10 及 TAB-48-6/10）.................31 圖 3.13 短柱試體及試驗裝置示意圖.....................31 圖 3.14 KAA 系列之額外試驗裝置示意圖 ............32 圖 4.1 箱型柱鋼板拉力試片尺寸圖.......................40 圖 4.2 箱型柱鋼板拉力試片應力-應變曲線圖（以厚 度為 12mm 為例） ..........................................40 圖 4.3 混凝土圓柱試體受壓應力-應變曲線圖......41 圖 4.4 空方形鋼管之軸壓力載重容量曲線...........41 圖 4.5 鋼管混凝土柱中混凝土之應力-應變分析模 型.......................................................................42 圖 4.6 鋼管混凝土柱中鋼管之應力-應變分析模型 ...........................................................................42 圖 5.1 有限元素分析子結構示意圖.......................52 圖 5.2 有限元素分析子結構邊界條件示意圖.......53 圖 5.3 網格 5×5 的分析模型示意圖.......................53 圖 5.4 不含混凝土箱型柱之挫屈模態（網格 5×5） ...........................................................................53 圖 5.5 箱型柱利用前 3 個挫屈模態導入 3mm 起始 彎曲（網格 5×5） ...........................................54 圖 5.6 挫屈強度與網格大小之關係（AO-48）....55 圖 5.7 以第一挫屈模態導入起始彎曲相對於 Mesh10×10 之誤差曲線 ..................................55 圖 5.8 挫屈強度與網格大小之關係（AI-48） .....56 圖 5.9 以第三挫屈模態導入起始彎曲相對於 Mesh10×10 之誤差曲線 ..................................56 圖 5.10 挫屈強度與網格大小之關係（AA-48）..57 圖 5.11 以第一挫屈模態導入起始彎曲相對於 Mesh15×15 之誤差曲線 ..................................57 圖 5.12 AO 系列試體之強度比與 B t 的關係..........58 圖 5.13 AO 系列試體之韌性比與寬厚比 B t 的關係 ...........................................................................58 圖 5.14 AI 系列試體之強度比與 B t 的關係 ...........59 VI.
(11) 圖次. 圖 5.15 AI 系列試體之韌性比與寬厚比 B t 的關係59 圖 5.16 網格 8×8 的 KAA-48-2 與 KAA-48-4 分析模 型示意圖...........................................................60 圖 5.17 AA-48 試體之載重-位移曲線圖 ................60 圖 5.18 KAA-48-2 試體之載重-位移曲線圖 ..........61 圖 5.19 KAA-48-4 試體之載重-位移曲線圖 ..........61 圖 5.20 圍束繫桿模擬示意圖.................................62 圖 5.21 寬厚比 B t 為 48 之 AA 及 TAA 系列試體載 重-位移曲線圖 .................................................62 圖 5.22 寬厚比 B t 為 43 之 AA 及 TAA 系列試體載 重-位移曲線圖 .................................................63 圖 5.23 寬厚比 B t 為 40 之 AA 及 TAA 系列試體載 重-位移曲線圖 .................................................63 圖 5.24 TAA 系列試體間寬比 S B -強度比曲線圖 .64 圖 5.25 寬厚比 B t 為 48 之 AI 及 TAI 系列試體載重 -位移曲線圖 .....................................................64 圖 5.26 寬厚比 B t 為 43 之 AI 及 TAI 系列試體載重 -位移曲線圖 .....................................................65 圖 5.27 寬厚比 B t 為 40 之 AI 及 TAI 系列試體載重 -位移曲線圖 .....................................................65 圖 5.28 TAI 系列試體間寬比 S B -強度比曲線圖 ..66 圖 6.1 AA-48、AA-48-1 及 AA-40 之軸力-應變曲線 圖.......................................................................76 圖 6.2 AA-32 及 AA-24 之軸力-應變曲線圖 .........76 圖 6.3 強度比與 B t 之分佈圖..................................77 圖 6.4 以 AA-40 之軸力-應變曲線圖說明韌性定義 ...........................................................................77 圖 6.5 韌性與 B t 之分佈圖......................................78 圖 6.6 AB-48 及 AB-40 之軸力-應變曲線圖..........78 圖 6.7 AB-32 及 AB-24 之軸力-應變曲線圖..........79 圖 6.8 AO-48 及 AO-40 之軸力-應變曲線圖 .........79 圖 6.9 AO-32 及 AO-24 之軸力-應變曲線圖 .........80 VII.
(12) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 圖 6.10 KAA-40-2、KAA-40-4 及 KAA-40-4-ST 之 軸力-應變曲線圖 .............................................80 圖 6.11 KAA-24-2、KAA-24-4 及 KAA-24-4-ST 之 軸力-應變曲線圖 .............................................81 圖 6.12 TAA 系列試體之軸力-應變曲線圖 ...........81 圖 6.13 強度比與 S B 之分佈圖（TAA 系列） .....82 圖 6.14 韌性與 S B 之分佈圖（TAA 系列） .........82 圖 6.15 TAB 系列試體之軸力-應變曲線圖 ...........83 圖 6.16 強度比與 S B 之分佈圖（TAB 系列）......83 圖 6.17 韌性與 S B 之分佈圖（TAB 系列）..........84 圖 6.18 AA-48 試驗與分析模型軸力-應變曲線 ....84 圖 6.19 AA-48-1 試驗與分析模型軸力-應變曲線 .85 圖 6.20 AA-40 試驗與分析模型軸力-應變曲線 ....85 圖 6.21 AA-32 試驗與分析模型軸力-應變曲線 ....85 圖 6.22 AA-24 試驗與分析模型軸力-應變曲線 ....86 圖 6.23 AB-48 試驗與分析模型軸力-應變曲線.....86 圖 6.24 AB-40 試驗與分析模型軸力-應變曲線.....86 圖 6.25 AB-32 試驗與分析模型軸力-應變曲線.....87 圖 6.26 AB-24 試驗與分析模型軸力-應變曲線.....87 圖 6.27 AO 系列試驗數據與 Sakino 分析模型預測曲 線比較圖...........................................................88. VIII.
(13) 照片次. 照片次. 照片 3.1 試體製作完成照片...................................33 照片 3.2 KAA-40-4-ST 試體空箱型柱照片 ...........33 照片 3.3 TAA-48-5/10 試體空箱型柱照片.............34 照片 4.1 應變環.......................................................43 照片 6.1 AA-48 試體最終照片................................88 照片 6.2 AA-48-1 試體最終照片 ............................89 照片 6.3 AA-40 試體最終照片................................89 照片 6.4 AA-32 試體最終照片................................90 照片 6.5 AA-24 試體最終照片................................90 照片 6.6 AA-24 試體於 57mm 位移時箱型柱突然開 裂嚴重...............................................................91 照片 6.7 AB-48 試體最終照片................................91 照片 6.8 AB-40 試體最終照片................................92 照片 6.9 AB-32 試體最終照片................................92 照片 6.10 AB-24 試體最終照片 ..............................93 照片 6.11 AO-48 試體最終照片 .............................93 照片 6.12 AO-40 試體最終照片 .............................94 照片 6.13 AO-32 試體最終照片 .............................94 照片 6.14 AO-24 試體最終照片 .............................95 照片 6.15 KAA-40-2 試體最終照片 .......................95 照片 6.16 KAA-40-4 試體最終照片 .......................96 照片 6.17 KAA-40-4-ST 試體最終照片 .................96 照片 6.18 KAA-24-2 試體最終照片 .......................97 照片 6.19 KAA-24-4 試體最終照片 .......................97 照片 6.20 KAA-24-4-ST 試體最終照片 .................98 照片 6.21 TAA-48-2/10 試體最終照片...................98 照片 6.22 TAA-48-3/10 試體最終照片...................99 IX.
(14) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 照片 6.23 TAA-48-4/10 試體最終照片...................99 照片 6.24 TAA-48-5/10 試體最終照片.................100 照片 6.25 TAA-48-6/10 試體最終照片.................100 照片 6.26 TAB-48-2/10 試體最終照片.................101 照片 6.27 TAB-48-4/10 試體最終照片.................101 照片 6.28 TAB-48-6/10 試體最終照片.................102. X.
(15) 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 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。藉 由 高 性 能 材 料 之 使 用 及 新 工 法 或 構 材 之 研 發 與 推 廣，可 以 對 降 低 環 境 衝 擊 有 所 助 益，尤 其 是 高 強度 材 料 的 使 用，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。 使用高強度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 高 強 度 材 料 構 材 之 應 用 還 有 保 留，需 要 進 行 相 關 試驗 驗 證 其 可 行 性 與 可 靠 性。過 去 國 內 的 試 驗 機 容 量 不 夠 大，不 容 易 進行 大 尺 寸 試 體 驗 證 試 驗 。 最 近 內 政 部 建 築 研 究 所 建 置 了 3000 噸 萬 能 試 驗 機，可 執 行 大 尺 寸 柱 構 件 實 驗，是 高 強 度 填 充 型 箱 型 柱 之 研 究 與試 驗的利器，此時正是研發、推廣高強度填充型箱型柱的良好時機。 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、柱軸力載重試驗、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 短 柱 試 體 之 軸 向 載 重 實 驗 3. 鋼 筋 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. XI.
(16) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究 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。 三、重要發現 藉 由 兩 次 專 家 座 談 會 ， 本 計 畫 規 劃 CFBC 結 構 系 統 之 初 步 構 想 ， 為 CFBC 柱、H 型 鋼 梁 及 輕 質 混 凝 土 樓 版 所 組 成 的 結 構 系 統，也 可 使 用 高 性 能 鋼 材 或 混 凝 土 達 到 減 少 構 件 斷 面 積 的 目 的，減 少 生 產 建 材所 產 生 之 CO 2 ， 達 到 環 保 減 碳 的 目 的 ； 另 外 亦 可 搭 配 高 韌 性 結 構 構 件 ， 建 構 耐 震 性 能 良 好 的 耐 震 構 架 。 CFBC 的 防 火 性 能 比 純 箱 型 柱 較 佳， 防 火 的 相 關 成 本 付 出 較 低，產、官、學 界 應 積 極 進 行 相 關 的 研 究，以 研 究 結 果 提 供 業 界 使 用 CFBC 結 構 系 統 的 建 議，並 提 供 合 理 的 防 火 設 計 概 念，進 而 修 改 相 關 法 令，方 便 業 界 使 用。也 可 使 用 填 充 混 凝 土 H 型鋼梁，混凝土可使防火材料用量減少並增加梁的強度及韌性容量。 水 庫 輕 質 混 凝 土 樓 版 特 別 適 用 於 CFBC 結 構 系 統，因 其 施 工 灌 漿 不 需 特 別 做 擋 板 防 止 混 凝 土 流 入 箱 型 柱 內，但 仍 有 施 工 性 不 佳 之 問 題，使 用 幫 浦 車 泵 送 時 會 出 現 阻 塞 問 題，故 美 國 大 多 用 在 樓 版，且 用 吊 車傳 輸混凝土。 本研究使用有限元素分析軟體預先模擬分析試體，比較網格 3×3、5×5、8×8 與 10×10 的 結 果，得 知 網 格 5×5 的 分 析 模 型 已 足 可 合 理 模 擬 大 部 分 的 試 體 ， 含 混 凝 土 箱 型 柱 之 試 體 則 必 須 使 用 網 格 8×8， 才 能 模 擬 合 理。由 數 值 分 析 結 果 得 知，試 體 之 強 度 比（ 為 最 大 強 度 與 理 論 強 度 之 比 值 ）隨 寬 厚 比 之 降 低 而 增 加，亦 可 看 出 法 規 規 定 強 度折 減 對 於 寬 厚 比 較 小 者 係 偏 保 守，應 可 隨 寬 厚 比 大 小 而 修 正，使 設 計強 度 可 稍 微 提 高。含 乾 縮 試 體 之 分 析 結 果 顯 示，乾 縮 影 響 並 不 大，強 度 仍 可 達 無 乾 縮 時 強 度 的 90%，若 設 計 得 宜，有 時 甚 至 可 提 升 強 度；另 外 乾 縮 可 提 升 構 件 之 韌 性。由 數 值 分 析 結 果 亦 得 知，加 圍 束 繫 桿 提升. XII.
(17) 摘要 軸 壓 強 度 的 效 果 很 好，圍 束 繫 桿 間 距 越 小，強 度 比 越 大，間 寬 比（圍 束 繫 桿 間 距 與 柱 板 寬 的 比 值 ） 為 0.3 至 0.4 之 間 增 強 效 果 最 明 顯 ，間 寬 比 為 0.2 時 約 可 提 高 強 度 7.5%，另 外 亦 可 提 升 桿 件 之 韌 性，故 工 程 界應可於計算含混凝土箱型柱之設計強度時考慮使用圍束繫桿之強 化 效 益。從 上 述 分 析 結 果 與 討 論，可 知 以 有 限 元 素 商 用 軟 體 來 進 行分 析的可行性頗高，並可增加研究利基。 由 試 驗 結 果 可 知 ， 由 規 範 提 供 之 強 度 公 式 Pn 0 = As Fy + 0.85 Ac f c′ 計 算 混 凝 土 強 度 為 6000psi 之 CFBC 短 柱 強 度 尚 算 合 理； B t 為 24 及 32 之 試 體 韌 性 優 良 ， 但 其 實 B t 為 40 及 48 之 試 體 強 度 低 於 80% 以 後 仍 有 很 大 之 平 台，只 是 由 於 韌 性 之 定 義，後 面 的 平 台 無 法 被 使 用。由規 範 提 供 之 強 度 公 式 計 算 高 強 度 混 凝 土 CFBC 短 柱 強 度 會 稍 微 高 估，若 改 採 Pn 0 h = As Fy + 0.8 Ac f c′ （ 下 標 “ h ＂ 代 表 高 強 度 混 凝 土 ） ， 則 較 為 合 理，且偏保守；建議規範對 B t 之限制應更嚴格，試驗結果顯示臨界 值 應 介 於 32 至 40 之 間。混 凝 土 強 度 為 10000psi 之 CFBC 短 柱 試 體 僅 B t 為 24 之 試 體 韌 性 良 好 ， B t 為 32 、 40 及 48 之 試 體 強 度 低 於 80%. 以後仍有很大之平台，只是由於韌性之定義，後面的平台無法被使 用，此 現 象 可 與 前 述 討 論 相 互 映 證；建 議 規 範 對 B t 之 限 制 應 更 嚴 格 ， 試 驗 結 果 顯 示 臨 界 值 應 介 於 24 至 32 之 間 。 純 箱 型 柱 短 柱 強 度 低 於. 0.8 Pmax 以 後 並 不 會 有 平 台，無 法 像 CFBC 短 柱 一 樣，即 使 強 度 已 經 低 於 0.8 Pmax ，還 可 維 持 一 定 之 強 度 持 續 變 形，填 充 混 凝 土 可 改 善 純 箱 型 柱 韌 性 不 良 之 問 題，故 CFBC 之 行 為 會 比 純 箱 型 柱 更 好。由 乾 縮 系 列 試體可知，強度比不一定隨乾縮量之增加而降低，乾縮對於 B t 較高 之 CFBC 短 柱 會 造 成 強 度 有 點 高 估 ， 對 於 B t 較 低 之 CFBC 短 柱 則 沒 有 影 響；剪 力 釘 確 實 會 稍 微 提 高 有 乾 縮 CFBC 短 柱 之 強 度，但 對 於 韌 性 則 不 一 定 有 幫 助。B t 為 48 之 情 況 下，混 凝 土 強 度 為 6000psi 之 CFBC 短 柱 構 件 使 用 圍 束 繫 桿 ， S B 不 大 於 0.4 時 ， 可 以 有 效 發 展 出 良 好 之 韌 性；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 ， 可 以 有 效 發 展 出 良 好 之 韌 性 。. XIII.
(18) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 四、主要建議事項 本 研 究 進 行 含 混 凝 土 箱 型 柱 （ CFBC ） 之 短 柱 軸 向 行 為 試 驗 提 出 下列具體建議。 立即可行建議：推動含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 協辦機關：各國立大學土木、營建、建築相關科系 經 本 研 究 試 驗 證 明，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 Pn 0 h = As Fy + 0.8 Ac f c′，應 增 加 後 續 研 究 始 有 足 夠 之 試 驗 數 據 來 印 證 新 強 度 公 式 之 可 靠 性；又 試 驗 結 果 顯 示 耐 震 斷 面 B t 限 制 應 介 於 24 至 32 之 間 ， 惟 若 改 變 韌 性 之 定 義 會 有 不 同 之 結 果；建議再增加後續研究以提出合理之耐震斷面 B t 限制。 立即可行建議：進行圍束繫桿在含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 協辦機關：各國立大學土木、營建、建築相關科系 經 本 研 究 試 驗 證 明，使 用 圍 束 繫 桿 可 大 幅 提 高 含 混 凝 土 箱 型 柱 軸 向 受 力 之 韌 性，具 有 優 越 的 經 濟 效 益，值 得 繼 續 進 行 撓 曲 試 驗 等 研 究 與推廣。 立即可行建議：推動含混凝土箱型柱之防火行為研究 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：各國立大學土木、營建、建築相關科系 由 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 協辦機關：各國立大學土木、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。. XIV.
(19) 摘要. ABSTRACT Keywords: concrete filled box column, composite column, steel reinforced concrete, column For the purpose of green buildings, adopting reasonable structural design and designing the structure more lightweight are possible specific actions. reasonable. and. Decrease unnecessary structural weight and use economy. structural. system. design. by. designing. uniformly and symmetrically in planes, elevations and cross-sections. By using lightweight structures, structural material can be decreased directly.. Thus, the discharge of CO 2 and energy due to producing. structural materials can be deceased. 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 CO 2 is less than that in SRC members. Eventually, structural and constructional materials can be reduced and recycled more easily. This project executes systematic development works for Encased SRC Structures and Concrete Filled Box Column (CFBC) Structures and popularizes the research results in practice. This project will try to clarify the axial behavior of short CFBC columns.. The research works for this project include: (1) collating. researches, (2) designing specimens, (3) fabricating specimens, (4) finishing experiments for materials and short CFBC columns, (5) establishing reasonable analysis models, evaluating reasonability rules for codes, and (6) holding two symposiums. From the two symposiums, this project draws up a preliminary conception for the CFBC structural system.. This system composes of. CFBC columns, H-shape steel beams and lightweight concrete slabs. Of course, it can use high performance steel and concrete for the. XV.
(20) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. purposes of environment protection and carbon reduction. be combined with BRBF or SPSW. been used for a long time. been researched clearly.. It can also. In Taiwan, CFBC columns have. But the behavior of CFBC columns has not Thus the CFBC columns are worthy to be. developed and popularized.. Fire-resistant ability of them are better. than that of pure box columns.. The China Steel Corporation can. produce fire-resistant steel SN490FR, which is suitable to be taken as the material of box columns.. The lightweight concrete slab is effective. to reduce the weight of structures, especially for CFBC structural systems.. It has the ability of separating fire field like the commonly. weight concrete slab.. Thus, it is good for fire resistance.. its constructional performance is not so good.. However,. The China Steel. Corporation now has ability to produce high strength steel SM570.. In. practical industry, welding technique for SM570 is mature enough. Thus, SM570 can be adopted to be as material of CFBC columns.. It is. suggested using high strength-highly flowable concrete to be as material of CFBC columns.. XVI.
(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 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。藉 由 高 性 能 材 料 之 使 用 及 新 工 法 或 構 材 之 研 發 與 推 廣，可 以 對 降 低 環 境 衝 擊 有 所 助 益，尤 其 是 高 強度 材 料 的 使 用，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。 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。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 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。 使用高強度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 高 強 度 材 料 構 材 之 應 用 還 有 所 保 留，需 要 進 行 相 關試 驗 驗 證 其 可 行 性 與 可 靠 性。過 去 國 內 的 試 驗 機 容 量 不 夠 大，不 容 易進 行 驗 證 試 驗 。 最 近 內 政 部 建 築 研 究 所 建 置 了 3000 噸 萬 能 試 驗 機 ， 可 執行大尺寸柱構件實驗，是高強度填充型箱型柱之研究與測試的利 器，此時正是研發、推廣高強度填充型箱型柱的良好時機。 本 計 畫 預 計 針 對 內 灌 高 強 度 混 凝 土 之 填 充 型 箱 型 柱 進 行 研 究，預 期 目 標 包 括 ： （ 1） 求 取 高 強 度 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 高 強 度 填 充 型 箱 型 柱 相 關 試 體 之 軸 壓 實. 1.
(22) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究 驗，提 昇 國 內 對 高 強 度 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 內 灌 高 強 度 混 凝 土 的 填 充 型 箱 型 柱 （ concrete filled box column ， 或 簡 稱 CFBC ）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 ）比 起 一 般 強 度 混 凝 土，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 ）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） 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 （ concrete filled. tube，或 稱 為 CFT ）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、Inak、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 短柱 軸 向 行 為 的 論 文（ Sakino et al.，2004；Hu et al.，2003；王 勝 輝，1998 ； 孫 維 隆， 2000 ）中，以 Sakino et al.（ 2004 ）總 共 完 成 114 個 試 體（ 包. 2.
(23) 第一章. 緒. 論. 括 圓 形 及 方 形 斷 面 ）並 據 以 建 立 分 析 模 式 之 研 究 最 為 完 整。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 ） 。 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。由於過去國內的試驗機容量 （ capacity ） 都 不 夠 大 ， 僅 能 進 行 小 尺 寸 試 體 之 載 重 試 驗 ， 因 此 含 高 強 度 材 料 之 填 充 型 箱 型 柱，其 可 行 性 與 可 靠 性 無 法 被 充 分 印 證。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。最 近 內 政 部 建 築 研 究 所 建 置 一 部 容 量達. 3000 噸 之 試 驗 機，可 以 進 行 大 尺 寸 試 體 之 載 重 試 驗 來 印 證 高 強 度 材 料 使 用 於 填 充 型 箱 型 柱 之 可 行 性 與 可 靠 性，提 供 一 個 推 廣 填 充 型 箱 型 柱 的良好工具，而此時也是推廣該種構材的良好時機。 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 ～ 840 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. 3.
(24) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究 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 ， 而 本 計 畫 也 專 注 於 b t 不 大 於 42 之 箱 型 柱 。 填充型箱型柱之合成效應的程度有多高？是否需要使用剪力 釘 ？ 也 常 困 擾 著 結 構 工 程 師。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。因此，填充型鋼柱的合成效應已經有比較明確的結論， 本計畫不必再對此進行研究，避免重複與浪費。 箱型柱內混凝土的乾縮雖然很緩慢，但是當建築物年代久遠後， 也有可能產生相當的乾縮量，此時乾縮是否會影響構材的軸向強度， 也 一 直 困 擾 著 工 程 師 們。目 前 尚 未 找 到 相 關 的 研 就 成 果，因 此 乾 縮問 題 是 需 要 探 討 的 課 題 之 一。在 鋼 筋 混 凝 土 構 材 中，混 凝 土 會 產 生 更嚴 重 的 乾 縮，混 凝 土 的 乾 縮 會 引 致 較 高 的 鋼 筋 壓 應 力。填 充 型 箱 型 柱也 應 該 會 有 類 似 的 行 為，當 乾 縮 發 生 時 鋼 骨 需 承 擔 較 大 的 壓 力，但 是只 要 箱 型 柱 具 有 足 夠 的 延 展 性，軸 壓 力 還 是 會 分 配 至 混 凝 土。箱 型 柱柱 板 的 寬 厚 比 與 其 延 展 性 有 密 切 的 關 係，寬 厚 比 夠 小 時 箱 型 柱 本 身 就 具 有 良 好 的 延 展 性，由 此 觀 之，箱 型 柱 柱 板 的 寬 厚 比 應 該 是 與 乾 縮 的忍 受度有密切的關係，箱型柱柱板的寬厚比應該是最主要的參數。 針 對 上 述 主 要 的 課 題 進 行 研 究，可 以 進 一 步 釐 清 高 強 度 混 凝 土 在 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. 4.
(25) 第一章. 緒. 論. 使用此型構材，以降低建築結構建設對環境的衝擊。. 第二節. 研究方法. 本 研 究 案 研 究 方 法 包 括：(1) 文 獻 之 收 集 與 整 理；(2) 大 尺 寸 短 柱 試 體 之 軸 向 載 重 實 驗；(3) 鋼 筋 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、 大尺寸短柱試體之軸向載重實驗 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 短 柱 試 體 之 軸 向 載 重 試 驗 ， 共 規 劃 33 個 試 體 。. 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. 5.
(26) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究 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 。. 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，研 究 其 對 柱 軸 力 行 為 的 影 響，未 來 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 混 凝 土 強 度 高 於 560 kgf/cm 2 時 構 材 行 為 是 否 可 以 被 接 受 ， 再 則 檢 討 短 柱 之 壓 潰 強 度 PO 是 否 適 合 採 用 As Fy + 0.85 Ac f c′ 計 算 之。此 外檢討是否需要針對混凝土乾縮設定任何規範條文。. 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 載 重 試 驗 之. 6.
(27) 第一章. 緒. 論. 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，已在 7 月 23 日 完 成 ， 會 議 記 錄 如 附 錄 一 。 第 二 次 為 期 末 報 告 ， 在 執 行 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。. 第三節. 文獻回顧. 本 研 究 將 相 關 法 規 與 規 範 收 錄 在 附 錄 二。以 下 就 本 研 究 收 集 之 文 獻說明如下： 一、. 方 形 加 勁 鋼 管 混 凝 土 柱 受 軸 壓 行 為 (黃 炯 獻 等 ， 1999). 此 研 究 旨 在 探 討 薄 鋼 管 填 充 混 凝 土 柱 （ 寬 厚 比 70 以 上 ） 採 用 不 同 加 勁 方 式 之 短 柱 行 為，並 首 次 提 出 八 角 形 箍 筋 的 加 勁 方 式。此 試驗 共 分 二 批 進 行 ， 第 一 批 試 驗 為 18 支 鋼 管 混 凝 土 試 體 ， 2 支 純 混 凝土 柱， 試 驗 主 要 參 數 為： 鋼 管 寬 厚 比（ 70 、 100 、 150 ）與 加 勁 方 式（ 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 批 試 驗 為 9 支 鋼 管 混 凝 土 柱 試 體 ， 並 針 對 寬 厚 比 為 70 且 為 八 角 形 加 勁之方形斷面進行研究，試驗參數為：箍筋間距與箍筋斷面。 試 驗 結 果 顯 示：（ 1 ）圓 形 斷 面 行 為 較 佳，（ 2 ）軸 向 垂 直 加 勁 板. 7.
(28) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究 對 提 高 鋼 板 挫 曲 強 度 與 勁 度 有 相 當 增 益 ， （ 3） 八 角 形 加 勁 對 韌 性 與 極 限 強 度 有 良 好 增 益 ， （ 4） 配 合 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。. 二、. 加 勁 鋼 管 混 凝 土 柱 受 軸 壓 與 彎 矩 之 行 為 (孫 維 隆 ， 2000). 此研究係以實驗方式探討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，其 強 度、勁 度 及 韌 性 之 行 為。此 試 驗 共 製 作 21 支 試 體 ， 以 加 勁 箍 筋 間 距 作 為 主 要 的 試 驗 參 數 ， 並 製 作 未 加 勁 之 方 形 及 圓 形 斷 面 與 之 比 較。試 驗 可 分 為 偏 心 單 軸 加 力 試 驗 與 固 定軸 力、四點彎矩試驗。 實 驗 結 果 顯 示 在 軸 壓 強 度 方 面，八 角 形 加 勁 方 式 可 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 的 發 生，對 極 限 軸 壓強 度及韌性方面有顯著的提升。至於在不同軸力下之受彎矩表現方面， 八 角 形 加 勁 方 式 對 極 限 彎 矩 強 度 及 韌 性 上 均 有 良 好 增 益，並 隨 著 加 勁 箍 筋 間 距 越 密 效 果 越 顯 著。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。. 三、. 鋼 管 混 凝 土 構 材 研 究 (黃 炯 獻 等 ， 1998). 此 報 告 所 蒐 集 之 論 文 大 多 出 自 英 文 期 刊 及 國 際 研 討 會，依 論 文 所 述 概 分 幾 類 ： （ 1） 一 般 性 之 論 述 ， （ 2） 構 材 之 各 種 試 驗 ， （ 3） 構 材 之 行 為 模 型 ， （ 4） 構 材 之 設 計 ， （ 5） 接 頭 ， （ 6） 其 他 。 分 述 如 下： （ 1） 一 般 性 論 述 ： 主 要 是 針 對 「 鋼 骨 鋼 筋 混 凝 土 」 與 「 填 充 混 凝土鋼柱」構件之一般行為做討論。. 8.
(29) 第一章. 緒. 論. （ 2 ）構 材 之 各 種 試 驗：在 此 報 告 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，亦 有 少 數 論 文 考 慮 梁、斜 撐 和 樁 之 行 為。且 鋼管 混 凝 土 是 由 鋼 管 及 混 凝 土 構 成，探 討 兩 者 之 間 的 接 合 應 力 亦 為 少 數論 文 之 重 點。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。 （ 3） 構 材 之 行 為 模 型 ： 與 鋼 管 混 凝 土 構 材 行 為 模 型 之 相 關 研 究 論 文 共 計 13 篇，依 其 模 擬 方 法 或 對 象，可 概 略 歸 納 為：一 . 以 FEM 分 析 構 材 之 力 學 特 性 ； 二 .探 討 構 材 斷 面 的 力 學 行 為 ； 三 .構 材 中 混 凝 土 的 特 性 模 擬 ； 四 .根 據 材 料 力 學 理 論 分 析 構 材 力 學 特 性 ； 五 .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 CFT 構 件 設 計 規 範 之 相 關 文 章 大 略 可 分 為 二 類，一 類 為 各 國 CFT 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 （如：挫屈強度公式）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 焊 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。. 四、. 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 觀 念 係 採 用. 9.
(30) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究 轉 換 係 數 來 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 來 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，故 希 望 藉 由純 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 分 別 為 f c′ = 4 、 9 、 10 、 12 ksi 。 試 驗 結 果 顯 示 LRFD 之 CFT 公 式 不 僅 適 用 於 高 強 度 鋼 管 混 凝 土 柱. ( 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。此 外，由 此 研 究 之 分 析 可 知，當 應 變 ( ε ) 在 εf c′ 之 前 ( 包 含 ε 在 εf c′ ) ， 使 用 筆 者 之 強 度 線 性 疊 加 模 型 去 預 估 實 際 CFT 柱 的 軸 壓 強 度 發 展 大 致 上 是 合 理 可 行 的，當 ε 在 εf c′ 之 後，因 CFT 柱 本 身 之 鋼 管 壁對其內部混凝土產生圍束作用，使得柱的軸壓強度有著顯著的增 加。. 五、. Behavior of Centrally Loaded Concrete-Filled St e e l - Tu b e S h o r t C o l u m n s ( S a k i n o , K . , e t . a l . , 2 0 0 4 ). 此 研 究 計 畫 主 要 之 探 討 目 標 為 混 凝 土 填 充 鋼 管 柱 的 行 為 研 究。此 試驗宗旨將釐清鋼管和填充的混凝土兩者之間的諧和相互作用並獲 得 描 繪 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 決 定 分 析 係 數 的 範 圍 時，將 重 點 放 在 如 何 獲 得 一 些 範 圍 較 大 的 測 試 數 據，而 這 些 數 據 則 是 可 用 來 建 立 一 個 適 用 於 CFT 構 件 系 統 的 設 計 與 分 析 方 法。在 此 文 獻 中，亦 有 根 據 試 驗 結 果 而 建 立 一 套可. 10.
(31) 第一章. 緒. 論. 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 。. 六、. E x p e r i m e n t a l B e h a v i o r o f H i g h St r e n g t h S q u a r e C o n c r e t e - F i l l e d St e e l Tu b e B e a m - C o l u m n s ( Va r m a , A. H., et. al., 2002). 此研究用試驗的方式來探討高強度方形填充混凝土鋼管梁柱構 件 的 受 撓 曲 作 用 之 後 的 力 量 與 變 形 行 為，主 要 的 研 究 參 數 為：斷 面鋼 管 的 寬 厚 比、鋼 管 的 降 伏 應 力、及 軸 向 載 重 程 度，這 批 CFT 試 體 其 斷 面 為 305 mm 的 正 方 形 柱 ， 隨 不 同 的 鋼 板 厚 度 而 有 著 不 同 的 標 稱 寬 厚 比（ b t = 32 或 48 ），並 選 擇 常 見 的 普 通 強 度（ A500 Gr.B ）與 高 強 度 鋼 材（ A500 Gr.80 ），其 內 填 滿 高 強 度 的 混 凝 土（ f c′ = 110 MPa ），利 用固定的軸力下，持續增加單向彎矩力量之方式測試 8 支梁柱試體。 試 驗 結 果 顯 示，當 鋼 管 局 部 挫 屈 及 混 凝 土 擠 碎 等 的 非 線 性 行 為 發 生 時 ， 可 達 到 CFT 梁 柱 構 件 試 體 的 彎 矩 容 量 ， 利 用 現 行 美 國 ACI 規 範 對 於 複 合 構 材 的 設 計 條 款，可 合 理 的 預 估 出 高 強 度 方 形 CFT 梁 柱 構 件 的 彎 矩 容 量。高 強 度 方 形 CFT 梁 柱 構 件 的 曲 率 韌 性 隨 著 軸 向 載 重 程 度 或 斷 面 鋼 管 寬 厚 比 的 增 加 而 相 對 降 低，試 驗 結 果 亦 顯 示 鋼 管 的 降 伏 強度對於曲率韌性似乎沒有明顯的影響。. 七、. Cyclic Analysis and Capacity Prediction of C o n c r e t e - F i l l e d St e e l B o x C o l u m n s ( S u s a n t h a , K . A . S., et. al., 2002). 近年來內填充混凝土鋼柱在各世界土木及建築結構以廣為使 用。此 研 究 係 關 於 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. 11.
(32) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究 性之預測，此準則係基於臨界區域內之混凝土及鋼的平均破壞應變。 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。這些比較包含縮尺以及大尺寸的柱。. 八、. St r e n g t h A n a l y s i s o f C o n c r e t e - F i l l e d T h i n - Wa l l e d St e e l B o x C o l u m n s ( G e , H . B . , U s a m i , T. , 1 9 9 4 ). 本 文 分 析 細 長 矩 形 鋼 管 混 凝 土 簡 支 梁 在 受 偏 心 軸 壓 之 下，短 期 與 長 期 的 側 向 變 位，並 藉 此 建 立 近 似 的 設 計 強 度 估 算 公 式。本 文 呈 現薄 壁 鋼 管 混 凝 土 柱 之 彈 塑 性 有 限 位 移 分 析。短 期 反 應 假 設 線 性 彈 性、鋼 管 與 混 凝 土 間 沒 有 滑 移 以 及 平 面 保 持 平 面，並 計 入 梁 中 點 變 位 引 起之 二 次 彎 矩。長 期 反 應 則 考 慮 混 凝 土 乾 縮 與 潛 變，使 應 力 重 分 配，其效 應 可 視 為 混 凝 土 彈 性 模 數 之 折 減。由 短 期 與 長 期 反 應 可 看 出 P-M 曲 線 上 設 計 強 度 的 偏 移。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。. 九、. Flexural Behavior of Concrete Filled N o n - U n i - T h i c k n e s s Wa l l e d R e c t a n g u l a r St e e l Tu b e ( L u , F. W. , e t . a l . , 2 0 0 7 ). 本文以實驗研究呈現受純彎矩的非單一厚度矩型鋼管混凝土梁 力學行為。共有三個試體用來調查此複合梁彎矩及變形的關係。首 先，本 文 比 較 非 單 一 厚 度 鋼 管 混 凝 土 梁 的 極 限 撓 曲 強 度，及 由 現 行設 計 法 規 計 算 而 得 的 單 一 厚 度 鋼 管 混 凝 土 梁 的 極 限 撓 曲 強 度，接 著 發展 一 非 線 性 有 限 元 素 模 型 並 以 實 驗 結 果 驗 證 之。此 有 限 元 素 模 型 被 用 來. 12.
(33) 第一章. 緒. 論. 研 究 鋼 板 厚 度 比 對 複 合 梁 彎 矩 強 度 的 影 響。實 驗 及 分 析 結 果 皆 顯 示非 單 一 厚 度 矩 形 鋼 管 混 凝 土 梁 具 有 足 夠 的 韌 性，且 撓 曲 強 度 比 單 一 厚 度 鋼管混凝土梁更優越。. 十、. Effects of Heating and Loading Histories on Post-Fire Cooling Behaviour of Concrete-Filled St e e l Tu b u l a r C o l u m n s ( Ya n g , H . , e t . a l . , 2 0 0 8 ). 本 文 發 展 並 使 用 一 有 限 元 素 軟 體 來 分 析 整 個 火 害 過 程 中，鋼 管 混 凝 土 柱 的 行 為，包 含 周 遭 溫 度、昇 溫、降 溫 時 載 重 以 及 火 害 後 加 載至 破 壞 的 情 況。本 文 著 重 在 冷 確 實 及 火 害 後 光 管 混 凝 土 柱 之 行 為，因為 這 些 行 為 受 到 載 重 歷 程 及 加 熱 歷 程 的 影 響，但 之 前 未 被 研 究 過。本 文 呈 現 不 同 載 重 及 加 熱 階 段 下 的 力 學 性 質 模 型，並 使 用 包 含 防 火、軸向 變 形 及 極 限 強 度 的 鋼 管 混 凝 土 柱 實 驗 資 料 來 驗 證 有 限 元 素 軟 體，發現 以 此 有 限 元 素 軟 體 來 預 測 測 試 結 果 有 很 好 的 準 確 度。本 文 使 用 此 有限 元素軟體來調查周遭溫度載重及加熱歷程對降溫及火害後鋼管混凝 土 柱 的 行 為，載 重 比、上 昇 溫 度 時 間 比 等 參 數 嚴 重 地 影 響 鋼 管 混 凝 土 柱 的 殘 餘 應 力。最 後 本 文 提 供 一 系 列 公 式 以 供 預 測 受 過 整 個 火 害 暴 露 過程的鋼管混凝土柱殘餘應力。. 十 一 、 A n A n a l y t i c a l M o d e l f o r T h i n - Wa l l e d St e e l B o x Columns with Concrete In-Fill (Shanmugam, N.E., et. al., 2002) 內填充混凝土箱型鋼柱已被廣泛地使用在高層建築中當成主要 結 構 元 件，因 其 在 抵 抗 軸 壓 上 有 優 良 的 結 構 表 現。箱 型 柱 之 鋼 板 在長 細 比 很 大 時，局 部 挫 屈 是 造 成 破 壞 的 原 因。本 文 提 供 一 使 用 有 效 寬度 之 方 法 來 預 測 薄 壁 鋼 管 混 凝 土 之 行 為 與 承 載 能 力。試 驗 用 柱 之 兩 端為. 13.
(34) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究 滾 接，並 承 受 雙 向 載 重，其 試 驗 結 果 與 本 文 提 供 之 方 法 以 及 Eurocode. 4 比較，發現本文提供之方法能有效地預測極限載重。. 14.
(35) 第一章. 緒. 論. 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 短柱載重 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. ※ 6. 16. 23. 29. 45. 58. 74. 84. 94. 97. 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。 （資料來源：本研究製作） 預定查核 點. 15.
(36) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 圖 1.1 無 縫 鋼 管 CFT （資料來源：本研究製作）. 圖 1.2 填 充 型 箱 型 柱 （資料來源：本研究製作）. 資料蒐集及整理. 試體之設計與製作. 第一次專家座談會. 短柱載重實驗及材 料機械性質試驗. 第二次專家座談會. 實驗數據之整理與分析 分析模型之建立 相關規範條文之檢討 報告與期刊論文撰寫. 圖 1.3 研 究 流 程 圖 （資料來源：本研究製作）. 16.
(37) 第二章. 第二章. 專家座談與 CFBC 系統之建構. 專家座談與 CFBC 系統之建構. 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。本研究計畫完成兩次專家座談會。 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。另由於各專家學者難得聚首，本研究亦利用此難得機 會，簡 介 CFBC 結 構 系 統 之 初 步 構 想，為 CFBC 柱、 H 型 鋼 梁 及 輕 質 混 凝 土 樓 版 所 組 成 的 結 構 系 統，若 使 用 高 性 能 鋼 材 或 混 凝 土，可 輕易 達 到 減 少 構 件 斷 面 積 的 目 的 ， 也 可 幫 助 減 少 生 產 建 材 所 產 生 之 CO 2 ， 達 到 環 保 減 碳 的 目 的；另 外 亦 可 搭 配 高 韌 性 結 構 構 件，建 構 耐 震 性能 良 好 的 耐 震 構 架。座 談 會 會 議 記 錄、簽 到 單 及 座 談 會 簡 報 內 容 如 附錄 二，綜合兩次座談會結論彙整如下：. 1. CFBC 結 構 系 統 具 節 能 及 降 低 CO 2 排 放 量 之 效 益，與 工 程 發 展 相當契合，值得整合資源來研發、推廣。. 2. CFBC 的 防 火 性 能 較 佳，防 火 的 相 關 成 本 付 出 較 低，應 該 會 受 到 業 界 歡 迎，產、官、學 界 應 積 極 進 行 相 關 的 研 究，進 而 修 改 相關法令，方便業界使用。. 3. 水 庫 淤 泥 輕 質 混 凝 土 樓 版 在 CFBC 結 構 之 應 用 有 很 大 的 利 基，應積極進行相關之研究並推廣之。. 4. 輕 質 混 凝 土 泵 送 時 阻 塞 問 題 非 常 嚴 重，灌 漿 時 應 以 吊 桶 及 吊 車. 17.
(38) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究 傳輸混凝土，或者應該設法解決泵送阻塞之問題。. 5. 輕 質 混 凝 土 成 本 依 一 般 混 凝 土 高 出 許 多，且 燒 結 成 輕 質 骨 材 也 會 增 加 CO 2 排 放 量 ， 其 經 濟 及 環 保 效 益 仍 待 評 估 。. 6. 中 鋼 可 以 量 產 SM 570 鋼 材 ， 具 有 高 可 行 性 ， 可 以 將 SM 570 之 試 體 規 劃 在 未 來 研 究 內 容 中 ， 作 較 完 整 的 研 究 ； HT 690 鋼 材具前瞻性，可以進行先期研究。. 7. 依 據 台 北 101 大 樓 之 設 計 ， 在 混 凝 土 自 體 收 縮 的 部 分 是 90 天 不 超 過 300 μm ， 可 供 乾 縮 相 關 研 究 之 參 考 。. 8. CFBC 採 用 的 混 凝 土 應 該 具 有 高 強 度、高 流 動 性 及 低 乾 縮 量 之 性質。. 第二節. CFBC 結 構 系 統. 經 過 二 次 專 家 座 談 會 之 後，得 到 各 專 家 學 者 給 予 CFBC 結 構 系 統 （ 如 圖 2.1 所 示 ）建 構 與 研 發 的 建 議 如 後 所 述。CFBC 結 構 系 統 與 工 程 發 展 相 當 契 合 ， CFBC 箱 型 柱 在 國 內 已 被 使 用 多 時 ， 但 對 於 其 結 構 行 為 還 沒 有 相 對 明 確 的 研 究，非 常 值 得 研 發 與 推 廣，並 利 用 研 究 成 果給 予 現 行 規 範 一 些 修 正 建 議，以 期 使 用 CFBC 結 構 系 統 的 設 計，能 更 符 合實際需求。. CFBC 的 防 火 性 能 比 純 箱 型 柱 較 佳 ， 防 火 的 相 關 成 本 付 出 較 低 ， 甚 至 使 用 防 火 漆 即 可，應 該 會 受 到 業 界 歡 迎。產、官、學 界 應 積 極進 行 相 關 的 研 究，以 研 究 結 果 提 供 業 界 使 用 CFBC 結 構 系 統 的 建 議，並 提 供 合 理 的 防 火 設 計 概 念，進 而 修 改 相 關 法 令，方 便 業 界 使 用。現在 中 國 鋼 鐵 股 份 有 限（ 中 鋼 ）試 製 耐 火 鋼（ SN490FR ），日 本 常 常 必 須 要 使 用 耐 火 鋼 加 上 防 火 漆，才 能 符 合 規 範，未 來 可 以 考 慮 使 用 其 來製 作 箱 型 柱 。 另 外 也 可 使 用 填 充 混 凝 土 H 型 鋼 梁 （ Concrete Filled. 18.
(39) 第二章. 專家座談與 CFBC 系統之建構. H-Beam，簡 稱 CFHB ），如 圖 2.2 所 示，不 但 可 使 防 火 材 料 用 量 減 少 ， 也可利用混凝土提供之強度來增加梁的強度及韌性容量。 水 庫 輕 質 混 凝 土 樓 版 在 CFBC 結 構 之 應 用 有 很 大 的 利 基，對 於 結 構 減 重 有 絕 對 的 優 勢，而 且 應 可 強 調 此 種 樓 版 特 別 適 用 於 CFBC 結 構 系 統，因 其 施 工 灌 漿 不 需 特 別 做 擋 板 防 止 混 凝 土 流 入 箱 型 柱 內。輕質 混 凝 土 樓 版 與 常 重 混 凝 土 樓 版 具 有 類 似 的 區 隔 火 場 的 功 能，對 防 火效 果 有 加 分。目 前 輕 質 混 凝 土 之 輕 質 骨 材 在 台 灣 之 供 料 來 源 已 有 金 碩 實 業 股 份 有 限 公 司 能 提 供，但 仍 有 施 工 性 不 佳 之 問 題，使 用 幫 浦 車 泵送 時 會 出 現 阻 塞 問 題，故 美 國 輕 質 混 凝 土 大 多 用 在 樓 版，且 大 多 用 吊車 傳 輸 混 凝 土。考 量 各 種 因 素，目 前 較 不 符 整 體 經 濟 效 益。對 於 環 保 減 碳 部 分 ， 雖 然 使 用 輕 質 混 凝 土 可 幫 結 構 減 重 ， 可 降 低 一 些 CO 2 排 放 量，但 生 產 輕 質 骨 材 必 須 燃 燒 水 庫 淤 泥，也 會 增 加 一 些 CO 2 排 放 量 ， 故 其 環 保 效 益 仍 須 大 量 研 究 驗 證，故 現 在 適 合 進 行 相 關 之 研 究 釐 清問 題、解決問題並推廣之。 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 。 中 鋼 已 可 以 量 產 SM 570 鋼 材 ， 具 有 高 可 行 性 ， 也 因 此 本 研 究 將 SM 570 之 試 體 規 劃 在 研 究 內 容 中 ， 作 初 步 研 究 ； SM570 鋼 材在業界已被使用，且銲接技術成熟，施工上較無問題，成本較低， 建 議 進 行 較 完 整 的 研 究。 HT690 鋼 材 有 其 前 瞻 性，但 大 部 分 只 能 人 工 銲 接，成 本 較 高，且 鋼 板 厚 度 太 小 時 不 利 於 箱 型 柱 之 銲 接，鋼 板 厚度 太 小 的 箱 型 柱 在 實 際 工 程 應 用 的 機 會 較 小。現 階 段 投 入 的 研 究 資 源不 宜過多。 目 前 高 性 能 混 凝 土 對 象 可 先 鎖 定 在 高 強 度 高 流 動 性 混 凝 土，對 於. CFBC 箱 型 柱 灌 漿 ， 可 使 用 逆 打 灌 漿 ， 可 省 時 省 力 ， 減 少 施 工 問 題 ， 此外混凝土的彈性模數越高越好。. 19.
(40) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 水庫淤泥輕質混凝土樓版 填充型箱型柱 （CFBC）. 鋼梁 或CFHB 圖 2.1 CFBC 結 構 系 統 示 意 圖 （資料來源：本研究製作）. 防 火 漆 圖 2.2 填 充 混 凝 土 H 型 鋼 梁 （ CFHB） （資料來源：本研究製作）. 20.
(41) 第三章. 第三章. 第一節. 柱軸向載重試驗. 柱軸向載重試驗. 試體之規劃與製作. 本 研 究 採 用 大 尺 寸 短 柱 試 體 之 軸 向 載 重 試 驗 ， 共 規 劃 與 製 作 27 個 試 體 ， 試 體 概 要 如 表 3.1 所 示 ， 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 頂 板 及 底 板，除 了 空 箱 型 柱 試 體 外，一 部 分 試 體 直 接 灌 漿，另 外 一 部 份 試 體 在 設 置握 裹 隔 離 層 之 後 才 灌 漿 ， 製 作 完 成 之 試 體 如 照 片 3.1 所 示 。 試 體 可 分 成. AA 、 AB 、 AO 、 KAA 、 TAA 及 TAB 等 6 個 系 列 ， 扼 要 說 明 如 後 。 一 、 AA 系 列. AA 系 列 為 填 充 型 箱 型 柱 試 體，其 斷 面 如 圖 3.1a 所 示，共 有 5 個。 箱 型 柱 之 詳 細 尺 寸 如 圖 3.2 至 圖 3.5 所 示。鋼 板 採 用 ASTM A572 Gr.50 鋼 材 ， 標 稱 降 伏 強 度 為 3.5tf/cm 2 ， 混 凝 土 標 稱 抗 壓 強 度 為 0.42 tf/cm 2 （ 6000psi ） 。柱 寬 包 括 500 mm 及 410 mm 等 二 種，柱 板 的 寬 厚 比（ B t， 試 體 編 號 上 的 數 值，柱 板 淨 寬 B 及 柱 板 厚 度 t 如 圖 3.1a 所 示 ）分 成 48、. 40 、 32 及 24 等 四 種 。 其 中 AA48 試 體 製 作 二 支 ， 以 供 探 討 變 異 性 ， 其 中 重 複 的 一 支 試 體 加 上 編 號 “-1” 以 供 辨 別 。 由 於 本 研 究 係 針 對 短 柱 ， 故 試 體 長 度 採 用 3 倍 柱 寬 （ 3D ） ， 柱 寬 D 如 圖 3.1a 所 示 。 二 、 AB 系 列. AB 系 列 與 AA 系 列 相 同 ， 總 共 有 4 個 ， 唯 一 的 不 同 在 於 混 凝 土 標 稱 抗 壓 強 度 f c′ 是 0.7 tf/cm 2（ 10000psi ），與 AA 系 列 用 的 0.42 tf/cm 2 （ 6000psi ） 不 同 。 箱 型 柱 之 詳 細 尺 寸 如 圖 3.2 至 圖 3.5 所 示 。. 21.
(42) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究 三 、 AO 系 列. AO 系 列 為 純 箱 型 柱 試 體，斷 面 如 圖 3.1b 所 示，箱 型 柱 之 詳 細 尺 寸 如 圖 3.2 至 圖 3.5 所 示。AA 系 列 中 每 一 種 箱 型 柱 斷 面 皆 安 排 一 個 AO 系 列 試 體 ， 總 共 有 4 個 試 體 。 AO 系 列 為 建 立 箱 型 鋼 柱 分 析 模 型 的 重 要依據。 四 、 KAA 系 列. KAA 系 列 為 考 慮 混 凝 土 乾 縮 的 試 體 ， 在 灌 漿 時 上 方 預 留 間 隙 不 予 以 灌 滿，直 接 模 擬 混 凝 土 的 乾 縮，斷 面 與 AA 系 列 類 似 ，混 凝 土 乾 縮 後 柱 的 行 為 估 計 會 受 到 柱 板 寬 厚 比 的 影 響，因 此 試 體 的 寬 厚 比 包 括. 40、 32 及 24 等 3 種。鋼 板 採 用 ASTM A572 Gr.50 鋼 材，標 稱 降 伏 強 度 為 3.5tf/cm 2 ，混 凝 土 標 稱 強 度 為 0.42 tf/cm 2（ 6000psi ）。三 個 不 同 寬 厚 比 的 試 體 在 灌 漿 時 上 方 預 留 2mm 間 隙 不 予 以 灌 滿 ， 直 接 模 擬 混 凝 土 的 乾 縮 量 ， 並 各 多 做 一 組 預 留 4mm 間 隙 的 試 體 ， 以 觀 察 間 隙 大 小 之 影 響 。 另 外 多 做 二 個 含 剪 力 釘 的 試 體 （ 如 照 片 3.2 ） ， 預 留 4mm 間 隙，以 探 討 剪 力 釘 對 含 乾 縮 量 內 填 充 高 強 度 混 凝 土 箱 型 鋼 柱 之 軸 向 行 為 影 響 。 箱 型 柱 試 體 剪 力 釘 配 置 詳 細 圖 如 圖 3.6 至 圖 3.7 所 示 。 故. KAA 系 列 共 有 8 個 試 體 。 五 、 TA A 及 TA B 系 列. TAA 及 TAB 系 列 為 AA 及 AB 系 列 加 圍 束 繫 桿 ， 如 圖 3.1c 及 照 片 3.3 所 示 ， 以 探 討 圍 束 繫 桿 提 升 軸 壓 力 強 度 的 效 果 ， 針 對 柱 板 寬 厚 比 為 48 之 試 體，分 別 加 上 間 距 為 10cm 至 30cm 之 雙 向 圍 束 繫 桿（ 圍 束 繫 桿 間 距 S 與 柱 板 淨 寬 B 比 值 的 間 寬 比 S B 約 為 2/10 至 6/10 ）。箱 型 柱 之 詳 細 尺 寸 如 圖 3.8 至 圖 3.12 所 示。TAA 及 TAB 系 列 共 有 8 個 試 體。. 22.
(43) 第三章. 第二節. 柱軸向載重試驗. 試驗裝置與測計安排. 由 於 本 研 究 係 針 對 短 柱，故 試 體 長 度 採 用 3 倍 柱 寬（ 3D ），如 圖. 3.13 所 示，柱 寬 D 如 圖 3.1a 所 示，試 體 上、下 方 設 有 頂 板 及 底 板，頂 板 有 預 留 圓 孔 以 供 試 體 灌 漿 之 用，圓 孔 鋼 板 保 留 至 實 驗 時 再 蓋 回，讓 軸 壓 應 力 較 能 平 均 分 佈，以 免 有 應 力 傳 遞 之 問 題。試 驗 裝 置 如 圖 3.13 所 示 ， 軸 力 以 3000 噸 試 驗 機 沿 試 體 軸 向 施 加 。 箱 型 鋼 柱 的 應 變 採用 單 軸 應 變 計 量 測，主 要 考 量 係 在 四 個 柱 面 中 間 的 應 變 計 可 量 得 局 部 挫 屈 之 影 響，故 一 個 試 體 需 貼 四 個 應 變 計。軸 向 變 形 以 位 移 計 量 測（如 圖 3.13 所 示 ），此 乃 考 量 角 隅 處 較 不 會 發 生 局 部 挫 屈，量 測 得 到 之 數 值 較 為 合 理，且 為 避 免 量 測 儀 器 架 設 支 架 之 變 形 影 響 量 測 精 準 度，在 每個角隅皆使用二個位移計量測，必要時可以計算出實際變形數據， 其 中 二 個 對 角 角 隅 為 量 測 試 體 全 長 之 變 形 量，另 二 個 則 量 測 中 央 三 分 之 一 處 之 變 形 量 。 考 量 KAA 系 列 試 體 上 方 有 乾 縮 間 隙 ， 故 增 加 試體 上 方 三 分 之 一 範 圍 內 的 應 變 計 數 量，在 相 對 的 二 個 柱 面 安 排 連 續 的 應 變 計 ， 並 增 加 位 移 計 量 測 ， 如 圖 3.14 所 示 。 上 述 27 個 試 體 的 標 稱 強 度 PO（ = As Fy + Ac f c′；其 中 As 為 箱 型 鋼 柱 斷 面 積 ， Fy 為 箱 型 鋼 柱 標 稱 降 伏 應 力 ， Ac 為 混 凝 土 斷 面 積 ， f c′ 為 混 凝 土 抗 壓 強 度 ） ， 以 AO-32 之 669tf 最 低 ， 又 以 AB-40 之 2406 tf 最 高 ， 如 表 3.1 所 示 。 考 慮 實 際 材 料 的 強 度 平 均 高 於 材 料 標 稱 強 度 至 少. 20%，此 外 PO 通 常 也 會 低 估 實 際 強 度，AB-40 試 體 的 加 載 安 全 係 數（ 即 3000 除 以 2406 ） 等 於 1.25 ， 安 全 係 數 在 合 理 範 圍 ， 換 句 話 說 ， 試 體 的 可 能 強 度 接 近 3000 噸 萬 能 試 驗 機 之 最 大 容 量 ， 試 體 的 設 計 基 本 上 已經使用到試驗機的最大容量。. 23.
(44) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 表 3.1 實 驗 試 體 規 劃 試體 D t Fy B/t 系列 編號 ( mm ) ( mm ) ( tf/cm 2 ) AA-48 500 10 48 3.5 AA-48-1 500 10 48 3.5 AA AA-40 500 12 40 3.5 AA-32 410 12 32 3.5 AA-24 410 16 24 3.5 AB-48 500 10 48 3.5 AB-40 500 12 40 3.5 AB AB-32 410 12 32 3.5 AB-24 410 16 24 3.5 AO-48 500 10 48 3.5 AO-40 500 12 40 3.5 AO AO-32 410 12 32 3.5 AO-24 410 16 24 3.5 KAA-40-2 500 12 40 3.5 KAA-24-2 410 16 24 3.5 KAA-40-4 500 12 40 3.5 KAA KAA-24-4 410 16 24 3.5 KAA-40-4-ST 500 12 40 3.5 KAA-24-4-ST 410 16 24 3.5 TAA-48-2/10 500 10 48 3.5 TAA-48-3/10 500 10 48 3.5 TAA TAA-48-4/10 500 10 48 3.5 TAA-48-5/10 500 10 48 3.5 TAA-48-6/10 500 10 48 3.5 TAB-48-2/10 500 10 48 3.5 TAB TAB-48-4/10 500 10 48 3.5 TAB-48-6/10 500 10 48 3.5 * 試體上方預留間隙 # 試體之縱向圍束繫桿間距 （資料來源：本研究製作）. 24. f' c ( tf/cm 2 ) 0.42 0.42 0.42 0.42 0.42 0.7 0.7 0.7 0.7 0.42 0.42 0.42 0.42 0.42 0.42 0.42 0.42 0.42 0.42 0.42 0.70 0.70 0.70. Pn0 ( tf ) 1654 1654 1771 1294 1483 2299 2406 1712 1883 686 820 669 883 1771 1483 1771 1483 1771 1483 1654 1654 1654 1654 1654 2299 2299 2299. 備註. 2mm * 2mm * 4mm * 4mm * 4mm * 4mm * 10cm # 15cm # 20cm # 25cm # 30cm # 10cm # 20cm # 30cm #.
(45) 第三章. 柱軸向載重試驗. (a) AA 、 AB 及 KAA 系 列. (b) AO 系 列 螺桿. (c) TAA 及 TAB 系 列. 圖 3.1 試 體 斷 面 示 意 圖 （資料來源：本研究製作）. 25.
(46) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 頂板t=25 A. 直徑400mm圓孔. A 頂板 500x500x10. A-A 剖面 500x500x10. B. 底板. B 底板t=25. 600 B-B 剖面. 單位：mm. 圖 3.2 箱 型 柱 之 詳 細 尺 寸 （ AA-48、 AB-48、 AO-48、 TAA 系 列 及 TAB 系 列 ） （資料來源：本研究製作）. 頂板t=25 A. 直徑400mm圓孔. A 頂板 500x500x12. A-A 剖面 500x500x12. B. 底板. B 底板t=25. 單位：mm. 600 B-B 剖面. 圖 3.3 箱 型 柱 之 詳 細 尺 寸 （ AA-40、 AB-40、 AO-40、 KAA-40-2、 KAA-40-4 及 KAA-40-4-ST） （資料來源：本研究製作）. 26.
(47) 柱軸向載重試驗. 510. 1230. 510. 第三章. 圖 3.4 箱 型 柱 之 詳 細 尺 寸 （ AA-32、 AB-32、 AO-32、 KAA-32-2 及 KAA-32-4）. 510. 1230. 510. （資料來源：本研究製作）. 圖 3.5 箱 型 柱 之 詳 細 尺 寸 （ AA-24、 AB-24、 AO-24、 KAA-24-2、 KAA-24-4 及 KAA-24-4-ST） （資料來源：本研究製作）. 27.
(48) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 150. A. A. 直徑400mm圓孔. 150 B. B. 底板t=25 單位：mm. 150. 500x500x12 600. 底板. 150. A-A 剖面. 150. 500x500x12. 600. 8@150=1200. 頂板. 150. 1500. 頂板t=25. 600. 剪力釘 19 , L=80 mm. B-B 剖面. 圖 3.6 箱 型 柱 試 體 剪 力 釘 配 置 詳 細 圖 （ KAA-40-4-ST）. 150 150. 510. 9@120=1080 75. 1230. 75. 510. （資料來源：本研究製作）. 圖 3.7 箱 型 柱 試 體 剪 力 釘 配 置 詳 細 圖 （ KAA-24-4-ST） （資料來源：本研究製作）. 28.
(49) 40. 頂板t= 25 A. 14@100=1400. 500x500x10. B 底板t= 25. 南北側立面 單位：mm. 35. 14@100=1400. ϕ25mm. 60. 1500. A. B. 柱軸向載重試驗. 65. 第三章. 東西側立面. 圖 3.8 螺 栓 孔 間 距 10cm 之 箱 型 柱 之 詳 細 尺 寸 （ TAA-48-2/10 及 TAB-48-2/10）. 9@150=1350. 9@150=1350. 60. 85. 1500. 65. 90. （資料來源：本研究製作）. 圖 3.9 螺 栓 孔 間 距 15cm 之 箱 型 柱 之 詳 細 尺 寸 （ TAA-48-3/10） （資料來源：本研究製作）. 29.
(50) 7@200=1400. 7@200=1400. 35. 60. 1500. 40. 65. 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 圖 3.10 螺 栓 孔 間 距 20cm 之 箱 型 柱 之 詳 細 尺 寸 （ TAA-48-4/10 及 TAB-48-4/10）. 110. 5@250=1250. 5@250=1250 135. 1500. 115. 140. （資料來源：本研究製作）. 圖 3.11 螺 栓 孔 間 距 25cm 之 箱 型 柱 之 詳 細 尺 寸 （ TAA-48-5/10） （資料來源：本研究製作）. 30.
(51) 140. 135. 4@300=1200. 4@300=1200 160. 1500. 柱軸向載重試驗. 165. 第三章. 圖 3.12 螺 栓 孔 間 距 30cm 之 箱 型 柱 之 詳 細 尺 寸 （ TAA-48-6/10 及 TAB-48-6/10） （資料來源：本研究製作）. 圖 3.13 短 柱 試 體 及 試 驗 裝 置 示 意 圖 （資料來源：本研究製作）. 31.
(52) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究 軸力 A D A KAA-32-2 KAA-24-2 鋼板 KAA-32-4 KAA-24-4 KAA-24-4-ST. KAA-40-2 KAA-40-4 KAA-40-4-ST. A-A剖面. 側視圖. 單軸應變計 位移計（側視圖） 位移計（平面圖）. 平面圖. 圖 3.14 KAA 系 列 之 額 外 試 驗 裝 置 示 意 圖 （資料來源：本研究製作）. 32.
(53) 第三章. 柱軸向載重試驗. 照 片 3.1 試 體 製 作 完 成 照 片 （資料來源：本研究製作）. 照 片 3.2 KAA-40-4-ST 試 體 空 箱 型 柱 照 片 （資料來源：本研究製作）. 33.
(54) 含高強度混凝土箱型鋼柱之軸向受力行為研究. 照 片 3.3 TAA-48-5/10 試 體 空 箱 型 柱 照 片 （資料來源：本研究製作）. 34.
數據
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