鋼骨鋼筋混凝土柱及梁柱構材強度與耐震行為研究（一）
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(2) 目錄 摘要............................................................................................................................... i 英文摘要...................................................................................................................... ii 誌謝............................................................................................................................. iii 目錄............................................................................................................................. iv 表目錄......................................................................................................................... vi 圖目錄........................................................................................................................ vii 照片目錄.................................................................................................................... xii 第一章 緒論 ................................................................................................................1 1.1 介紹 .............................................................................................................1 1.2 研究動機 .....................................................................................................2 1.3 研究方法 .....................................................................................................3 1.4 文獻回顧 .....................................................................................................3 1.4.1 日本 AIJ-SRC 規範 ..............................................................................3 1.4.2 美國 AISC-LRFD 合成構材設計規範 ................................................6 1.4.3 美國 ACI 318-95 規範..........................................................................9 1.4.4 國內「鋼骨鋼筋混凝土構造(SRC)設計規範與解說研究」...........10 1.4.5 非對稱斷面文獻.................................................................................15 1.5 研究內容 ...................................................................................................15 第二章 鋼骨鋼筋混凝土柱與梁柱試驗 ..................................................................17 2.1 試驗規劃 ...................................................................................................17 2.2 試體的設計與製作 ...................................................................................17 2.3 材料性質試驗 ...........................................................................................18 2.4 試驗裝置與步驟 .......................................................................................19 2.4.1 試驗設備裝置.....................................................................................19. iv.
(3) 2.4.2 量測系統.............................................................................................19 2.4.3 試驗程序.............................................................................................20 第三章 試體之破壞行為 ..........................................................................................21 3.1 試體之一般破壞模式 ...............................................................................21 3.2 各試體破壞行為比較 ...............................................................................22 3.3 試體參數變化對極限彎矩強度之影響 ...................................................25 3.4 試體參數變化對韌性之影響 ...................................................................28 3.5 強度預測與試驗值之比較 .......................................................................29 第四章 結論與建議 ..................................................................................................34 參考文獻 ..................................................................................................................36 附錄 A.......................................................................................................................128 附錄 B.......................................................................................................................130. v.
(4) 表目錄 表 2.1 試體規格表 ....................................................................................................40 表 2.2 試體編號與參數對照表 ................................................................................41 表 2.3 材料強度試驗表 ............................................................................................42 表 3.1 SRC 短柱組成材料軸力承擔比例表............................................................43 表 3.2 試體達極限強度時中性軸位置表 ................................................................43 表 3.3 短柱軸向極限強度表 ....................................................................................44 表 3.4 梁柱極限彎矩強度表 ....................................................................................44 表 3.5 試體韌性比較表 ............................................................................................45 表 3.6 短柱軸力試驗值與規範預測值比較表 ........................................................46 表 3.7 梁柱彎矩試驗值與規範預測值比較表 ........................................................47. vi.
(5) 圖目錄 圖 2.1 試體斷面示意圖 ............................................................................................48 圖 2.2 試體箍筋間距示意圖 ....................................................................................49 圖 2.3 試驗設置示意圖 ............................................................................................50 圖 2.4 鋼骨應變計位置圖 ........................................................................................51 圖 2.5 短柱箍筋與主筋應變計位置圖 ....................................................................52 圖 2.6 梁柱箍筋主筋應變計位置圖 ........................................................................53 圖 2.6 梁柱箍筋主筋應變計位置圖(續)..................................................................54 圖 2.7 試體位移量測位置圖 ....................................................................................55 圖 3.1(A) 試體 CL-TE 軸力-軸向全長變形關係圖.................................................56 圖 3.1(B) 試體 CL-TE 載重-中間 60cm 軸向變形關係圖 ......................................56 圖 3.1(C) 試體 CL-TE 鋼骨與主筋之載重-應變關係圖.........................................57 圖 3.1(D) 試體 CL-TE 箍筋載重-應變關係圖.........................................................57 圖 3.2(A) 試體 CL-TO 載重-軸向全長變形關係圖 ................................................58 圖 3.2(B) 試體 CL-TO 載重-中間 60cm 變形關係圖..............................................58 圖 3.2(C) 試體 CL-TO 鋼骨與主筋之載重-應變關係圖 ........................................59 圖 3.3(A) 試體 CL-HO 載重-軸向全長變形關係圖 ................................................60 圖 3.3(B) 試體 CL-HO 載重-中間 60cm 軸向變形關係圖 .....................................60 圖 3.3(C) 試體 CL-HO 鋼骨與主筋之載重-應變關係圖 ........................................61 圖 3.3(D) 試體 CL-HO 箍筋載重-應變關係圖 ........................................................61 圖 3.4(A) 試體 CH-TE 載重-軸向全長變形關係圖 ................................................62 圖 3.4(B) 試體 CH-TE 載重-中間 60cm 變形關係圖 .............................................62 圖 3.4(C) 試體 CH-TE 鋼骨與主筋之載重-應變關係圖 ........................................63 圖 3.5(A) 試體 CH-TO 載重-軸向全長應變關係圖 ................................................64 圖 3.5(B) 試體 CH-TO 載重-中間 60cm 變形關係圖 .............................................64. vii.
(6) 圖 3.5(C) 試體 CH-TO 鋼骨與主筋之載重-應變關係圖 ........................................65 圖 3.5(D) 試體 CH-TO 南側箍筋載重-應變關係圖 ................................................65 圖 3.6(A) 試體 CH-HO 載重-軸向全長變形關係圖 ...............................................66 圖 3.6(B) 試體 CH-TO 載重-中間 60cm 變形關係圖 .............................................66 圖 3.6(C) 試體 CH-TO 主筋載重-應變關係圖 ........................................................67 圖 3.7(A) 試體 BL-TE-P2P 載重-中點位移曲線 .....................................................68 圖 3.7(B) 試體 BL-TE-P2P 受壓側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖 .....................68 圖 3.7(C) 試體 BL-TE-P2P 受拉側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖 .....................69 圖 3.7(D) 試體 BL-TE-P2P 箍筋載重-應變關係圖 .................................................69 圖 3.7(E) 試體 BL-TE-P2P 鋼骨中心載重-應變關係圖 .........................................70 圖 3.7(F) 試體 BL-TE-P2P 斷面位置-應變關係圖 .................................................70 圖 3.8(A) 試體 BL-TE-P2N 載重-中點變位曲線 ....................................................71 圖 3.8(B) 試體 BL-TE-P2N 受壓側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖 ....................71 圖 3.8(C) 試體 BL-TE-P2N 受拉側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖 ....................72 圖 3.8(D) 試體 BL-TE-P2N 箍筋載重-應變關係圖 ................................................72 圖 3.8(E) 試體 BL-TE-P2N 鋼骨中心載重-應變關係圖 ........................................73 圖 3.8(F) 試體 BL-TE-P2N 斷面位置-應變關係圖 ................................................73 圖 3.9(A) 試體 BL-TE-P4P 載重-中點變位曲線 .....................................................74 圖 3.9(B) 試體 BL-TE-P4P 受拉側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖 .....................74 圖 3.9(C) 試體 BL-TE-P4P 受壓側鋼筋載重-應變關係圖 .....................................75 圖 3.9(D) 試體 BL-TE-P4P 鋼骨中心載重-應變關係圖 .........................................75 圖 3.9(E) 試體 BL-TE-P4P 斷面位置-應變關係圖 .................................................76 圖 3.10(A) 試體 BL-TE-P4N 載重-中點變位曲線 ..................................................77 圖 3.10(B) 試體 BL-TE-P4N 受壓側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖 ..................77 圖 3.10(C) 試體 BL-TE-P4N 受拉側鋼筋載重-應變關係圖 ..................................78 圖 3.10(D) 試體 BL-TE-P4N 箍筋載重-應變關係圖 ..............................................78 viii.
(7) 圖 3.10(E) 試體 BL-TE-P4N 鋼骨中心載重-應變關係圖 ......................................79 圖 3.10(F) 試體 BL-TE-P4N 斷面位置-應變關係圖 ..............................................79 圖 3.11(A) 試體 BL-TO-P2P 載重-中點變位曲線圖...............................................80 圖 3.11(B) 試體 BL-TO-P2P 受壓側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖...................80 圖 3.11(C) 試體 BL-TO-P2P 受拉側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖...................81 圖 3.11(D) 試體 BL-TO-P2P 箍筋載重-應變關係圖...............................................81 圖 3.11(E) 試體 BL-TO-P2P 鋼骨中心載重-應變關係圖.......................................82 圖 3.11(F) 試體 BL-TO-P2P 斷面位置-應變關係圖...............................................82 圖 3.12(A) 試體 BL-TO-P2N 載重-中點變位曲線 ..................................................83 圖 3.12(B) 試體 BL-TO-P2N 受壓側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖 ..................83 圖 3.12(C) 試體 BL-TO-P2N 受拉側鋼筋載重-應變關係圖 ..................................84 圖 3.12(D) 試體 BL-TO-P2N 箍筋載重-應變關係圖 ..............................................84 圖 3.12(E) 試體 BL-TO-P2N 鋼骨中心載重-應變關係圖 ......................................85 圖 3.12(F) 試體 BL-TO-P2N 斷面位置-應變關係圖 ..............................................85 圖 3.13(A) 試體 BL-HO-P2 載重-中點變位曲線圖 ................................................86 圖 3.13(B) 試體 BL-HO-P2 受壓側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖 ....................86 圖 3.13(C) 試體 BL-HO-P2 受拉側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖 ....................87 圖 3.13(D) 試體 BL-HO-P2 箍筋載重-應變關係圖 ................................................87 圖 3.13(E) 試體 BL-HO-P2 鋼骨中心載重-應變關係圖 ........................................88 圖 3.13(F) 試體 BL-HO-P2 斷面位置-應變關係圖 ................................................88 圖 3.14(A) 試體 BH-TE-P2P 載重-中點變位曲線圖...............................................89 圖 3.14(B) 試體 BH-TE-P2P 受壓側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖...................89 圖 3.14(C) 試體 BH-TE-P2P 受拉側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖...................90 圖 3.14(D) 試體 BH-TE-P2P 箍筋載重-應變關係圖...............................................90 圖 3.14(E) 試體 BH-TE-P2P 鋼骨中心載重-應變關係圖.......................................91 圖 3.14(F) 試體 BH-TE-P2P 斷面位置-應變關係圖...............................................91 ix.
(8) 圖 3.15(A) 試體 BH-TE-P2N 載重-中點變位曲線圖 ..............................................92 圖 3.15(B) 試體 BH-TE-P2N 受拉側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖 ..................92 圖 3.15(C) 試體 BH-TE-P2N 受壓側鋼筋載重-應變關係圖 ..................................93 圖 3.15(D) 試體 BH-TE-P2N 箍筋載重-應變關係圖 ..............................................93 圖 3.15(E) 試體 BH-TE-P2N 鋼骨中心載重-應變關係圖 ......................................94 圖 3.15(F) 試體 BH-TE-P2N 斷面位置-應變關係圖 ..............................................94 圖 3.16(A) 試體 BH-TE-P4P 載重-中點變位曲線圖...............................................95 圖 3.16(B) 試體 BH-TE-P4P 受拉側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖...................95 圖 3.16(C) 試體 BH-TE-P4P 受壓側鋼筋載重-應變關係圖...................................96 圖 3.16(D) 試體 BH-TE-P4P 箍筋載重-應變關係圖...............................................96 圖 3.16(E) 試體 BH-TE-P4P 斷面位置-應變關係圖...............................................97 圖 3.17(A) 試體 BH-TE-P4N 載重-中點變位曲線圖 ..............................................98 圖 3.17(B) 試體 BH-TE-P4N 受壓側鋼骨載重-應變關係圖 ..................................98 圖 3.17(C) 試體 BH-TE-P4N 受拉側鋼筋載重-應變關係圖 ..................................99 圖 3.17(D) 試體 BH-TE-P4N 鋼骨中心載重-應變關係圖 ......................................99 圖 3.18(A) 試體 BH-TO-P2P 載重-中點變位曲線圖 ............................................100 圖 3.18(B) 試體 BH-TO-P2P 受拉側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖 ................100 圖 3.18(C) 試體 BH-TO-P2P 受壓側鋼筋載重-應變關係圖 ................................101 圖 3.18(D) 試體 BH-TO-P2P 鋼骨中心載重-應變關係圖 ....................................101 圖 3.18(E) 試體 BH-TO-P2P 斷面位置-應變關係圖 ............................................102 圖 3.19(A) 試體 BH-TO-P2N 載重-中點變位曲線圖............................................103 圖 3.19(B) 試體 BH-TO-P2N 受壓側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖................103 圖 3.19(C) 試體 BH-TO-P2N 受拉側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖................104 圖 3.19(D) 試體 BH-TO-P2N 箍筋載重-應變關係圖............................................104 圖 3.19(E) 試體 BH-TO-P2N 鋼骨中心載重-應變關係圖....................................105 圖 3.19(F) 試體 BH-TO-P2N 斷面位置-應變關係圖............................................105 x.
(9) 圖 3.20(A) 試體 BH-HO-P2 載重-中點變位曲線圖 ..............................................106 圖 3.20(B) 試體 BH-HO-P2 受壓側鋼骨載重-應變關係圖 ..................................106 圖 3.20(C) 試體 BH-HO-P2 受拉側鋼骨與鋼筋之載重-應變關係圖 ..................107 圖 3.20(D) 試體 BH-HO-P2 鋼骨中心載重-應變關係圖 ......................................107 圖 3.20(E) 試體 BH-HO-P2 斷面位置-應變關係圖 ..............................................108 圖 3.21 短柱軸向載重-軸向位移曲線 ...................................................................109 圖 3.22 側向力-中點變位曲線比較圖(一) ............................................................110 圖 3.23 側向力-中點變位曲線比較圖(二) ............................................................111 圖 3.24 實驗結果與規範比較：CH-TE 與 BH-TE 系列試體之 P-M 曲線圖.....112 圖 3.25 實驗結果與規範比較：CL-TE 與 BL-TE 系列試體之 P-M 曲線圖......112 圖 3.26 實驗結果與規範比較：試體 CH-TO、BH-TO-P2P、BH-TO-P2N 之 P-M 曲線圖 ........................................................................................................113 圖 3.27 實驗結果與規範比較：試體 CL-TO、BL-TO-P2P、BL-TO-P2N 之 P-M 曲線圖 ........................................................................................................113 圖 3.28 實驗結果與規範比較：試體 CH-HO 與 BH-HO-P2 之 P-M 曲線圖 ....114 圖 3.29 實驗結果與規範比較：試體 CL-HO 與 BL-HO-P2 之 P-M 曲線圖 .....114 圖 3.30 BIAX 彎矩放大因數 B1 理論推導模型圖................................................115. xi.
(10) 照片目錄 照片 2.1 SRC 梁柱試體鋼筋籠端版焊接 .............................................................116 照片 2.2 SRC 短柱試體鋼筋籠端版焊接 .............................................................116 照片 2.3 SRC 試體模板製作 .................................................................................117 照片 2.4 MTS 油壓致動器 ....................................................................................117 照片 2.5 500Ton 油壓千斤頂 ................................................................................118 照片 2.6 SRC 梁柱構材試驗設置 .........................................................................118 照片 3.1 試體 CL-TE 南側破壞情形 ....................................................................119 照片 3.2 試體 CL-TO 東側破壞情形....................................................................119 照片 3.3 試體 CH-TE 東側破壞情形....................................................................120 照片 3.4 試體 CH-TO 北側破壞情形 ...................................................................120 照片 3.5 試體 CH-HO 西側破壞情形...................................................................121 照片 3.6 試體 BL-TE-P2P 受壓側破壞情形 ........................................................121 照片 3.7 試體 BL-TE-P2N 試體受壓側破壞情形................................................122 照片 3.8 試體 BL-TE-P4P 試體受壓側破壞情形 ................................................122 照片 3.9 試體 BL-TE-P4N 受壓側破壞情形........................................................123 照片 3.10 試體 BL-TO-P2P 受壓側破壞情形 ......................................................123 照片 3.11 試體 BL-TO-P2N 受壓側破壞情形 .....................................................124 照片 3.12 試體 BL-HO-P2 受壓側破壞情形........................................................124 照片 3.13 試體 BH-TE-P2P 受壓側破壞情形 ......................................................125 照片 3.14 ........................................................... 試體 BH-TE-P2N 受壓側破壞情形 125 照片 3.15 試體 BH-TE-P4N 受壓側破壞情形 .....................................................126 照片 3.16 試體 BH-TO-P2P 受壓側破壞情形......................................................126 照片 3.17 試體 BH-TO-P2N 受壓側破壞情形 .....................................................127. xii.
(11) 照片 3.18 試體 BH-HO-P2 受壓側破壞情形 .......................................................127. xiii.
(12) 摘要 過去國內外對鋼骨鋼筋混凝土(Steel Reinforced Concrete，簡稱 SRC)柱及梁 柱構材的研究較著重於探討雙對稱斷面構材的軸向載重、偏心載重、軸力-彎矩 等之行為，極少探討非對稱斷面之 SRC 構材之行為，唯為於工程實務上有較廣 之應用，非對稱的 T 字型鋼骨斷面或鋼骨偏心斷面之 SRC 構材實有深入研究之 必要性。 本研究係以實驗的方式，探討含 T 字型鋼骨斷面非對稱包覆型 SRC 短柱的 單向載重及 SRC 梁柱軸力-彎矩載重之行為。試驗規劃以鋼骨型式、鋼骨含量、 軸力比及偏心距為試體參數。在 SRC 短柱的軸壓強度上，試驗結果顯示在相同 的箍筋間距、鋼骨含量與鋼筋比下，偏心量與鋼骨型式於軸向極限強度之影響甚 小。在非對稱斷面 SRC 梁柱構材方面，試驗參數對其極限彎矩強度及剩餘強度 的表現有顯著的影響，且正、負向之極限彎矩強度差異甚大。試驗結果與各規範 之預測值比較，顯示 ACI 規範與 AIJ 規範皆能準確的預測此種非對稱斷面 SRC 梁柱之軸力與彎矩強度關係。. i.
(13) ABSTRACT Researches on steel reinforced concrete (SRC) columns during the past few decades were focused on the symmetrical structural steel shape. This research conducted experimental studies to investigate the behavior and load-carrying capacities of concrete-encased steel columns having unsymmetrical T-shape structural steel section. Twenty specimens including six short SRC columns and fourteen SRC beam-columns were designed and constructed. The short columns were loaded monotonically to failure while the beam-columns were subjected to axial load as well as flexural bending simultaneously. Variables to be studied include the shape of structural steel, the ratio of the area of structural steel shape to concrete section, the effect of axial load and the eccentricity of structural steel shape. Effects of various experimental parameters on the behavior were discussed. The experimental results were summarized and presented. The results indicate that ACI Building Code can predict well the load carrying capacities of the SRC columns having unsymmetrical structural steel shape.. ii.
(14) 誌謝 本研究承蒙內政部建築研究所經費補助，蕭所長江碧、葉組長祥海、研究員 謝舜傑博士之協助與學者專家之寶貴意見，交通大學結構試驗室張崇正技術員之 協助試驗、台灣大學蔡克銓教授、許信嵩研究助理、王勝輝同學於試驗之協助， 僅此誌謝。. iii.
(15) 第一章 緒論 1.1 介紹 近年來台灣地區經濟活動日益頻繁，造成都會區人口密度的增加以及土地價 格的飆漲，高樓建築乃逐漸被人廣泛的引用。然而台灣位屬環太平洋地震帶上， 因此高樓建築的耐震能力便顯得十分重要。為了因應台灣現今社會的建築需求， 能承受高軸力與高耐震性能的鋼骨鋼筋混凝土(Steel Reinforced Concrete，簡稱 SRC 構造)建築乃廣受喜愛。 SRC 結構乃是由傳統的鋼骨與鋼筋混凝土結合而成，因此，其結構行為將 不同於傳統的鋼構造或鋼筋混凝土結構，若能透過適當的設計與正確的施工，將 能使其具有鋼骨及鋼筋混凝土兩種結構中之許多優點，同時適當地避免兩者的缺 點。一般而言，鋼骨鋼筋混凝土結構具有以下的優點： 1.. 與鋼筋混凝土結構相比較，可以使用較長跨度的梁，加大柱的間距，增 加使用的空間。. 2.. 相較於純鋼結構而言，SRC 結構具有較佳的勁度，因此可以減少結構物 在風力或地震力作用下所產生的側向位移，並且可以有效地避免因為過 長的跨距所造成樓版的震動程度。. 3.. 對於包覆型鋼骨鋼筋混凝土結構而言，藉由混凝土的包覆所提供的束制 作用，可以降低鋼骨發生局部挫屈或整體挫屈的可能性，同時也提供了 良好的防火被覆。. 4.. 對於鋼管混凝土而言，在施工時，鋼管可以作為混凝土灌注時之模板， 並能藉由鋼管對混凝土的圍束效應提高混凝土所能承受的軸力；而內部 灌注的混凝土則可以延緩鋼管的局部挫屈。. 5.. 藉由使用大量經濟的混凝土，可以減少鋼骨的使用量，降低材料的費 用。 1.
(16) 因此，鋼骨鋼筋混凝土結構能結合傳統的建築結構之優點，達到最高的經濟 效益，目前已經有許多國家對於鋼骨鋼筋混凝土結構進行多項的實驗與研究，並 制定相關的規範以作為設計者的參考依據。. 1.2 研究動機 國內現行的建築技術規則對於 SRC 結構的設計並沒有相關的條文規定，因 此，國內 SRC 結構的設計者，在設計時僅能採用國外的規範。但是國內外在設 計上的考量並不盡然相同，如日本所使用的設計地震力較大，相對於對延展性或 韌性之要求也較低，因此其細部設計對我國並不適合直接採用。至於歐、美各國 對於 SRC 結構的使用則較少，相對研究的成果也較少，因此亦不適合直接採用。 此外，國內對 SRC 結構設計的需求及施工與國外並不全然相同，但國內的本土 性實驗亦較少，在 SRC 結構的實驗數據上較為缺乏，因此建立一套國內本土性 的實驗數據便顯得格外重要，以提供適合國內使用之 SRC 結構設計方法，以確 保此類結構的安全。 過去國內外對於 SRC 結構的研究在雙對稱鋼骨斷面的單軸向載重、偏心載 重、軸力-彎矩等研究方面上較多(如文獻 3-6、8、14-18、25、26、30-32、37、 38、42、43、45)，唯極少探討非對稱斷面，但是在一般的工程實務上，有時會 使用到單對稱的 T 字型斷面，如結構物中的邊柱。非對稱斷面在試驗研究相當 的缺乏(如 1.4 的文獻回顧所敘)。設計者所依循的設計規範中，如美國 ACI 318-95 對 SRC 構材沒有明確的使用限制；日本的 AIJ 規範對於非對稱鋼骨斷面也沒有 使用上的限制；美國 AISC-LRFD 限制構材斷面須為對稱斷面；內政部建築研究 所，在民國 86 年之專題研究計劃「鋼骨鋼筋混凝土構造(SRC)設計規範與解說研 究」之報告，於受軸力與彎矩共同作用之構材，限制構材承受雙軸彎矩時，須為 雙對稱，承受單軸彎矩時，須為單對稱斷面。基於工程實務上的使用性，非對稱 鋼骨斷面在 SRC 的領域中，實在有其深入研究的必要性。 2.
(17) 1.3 研究方法 本計劃規劃採用一系列的 T 字型鋼骨斷面，以探討非對稱斷面 SRC 柱與梁 柱之極限強度與行為。計劃以實驗的方式，探討非對稱斷面 SRC 柱的單向載重 及 SRC 梁柱軸力-彎矩載重之行為。試驗規劃以鋼骨型式、鋼骨含量、軸力比及 鋼骨之偏心距為試體參數，用以探討參數變化對其強度與行為之影響。實驗所得 資料也將用來與理論分析及規範所預測之結果做比較，以研討各種強度計算法的 差異，提供日後國內研擬 SRC 設計規範時之參考。. 1.4 文獻回顧 以下將對於現行日本 AIJ、美國 ACI、AISC-LRFD 與內政部建研所於民國 86 年的專題研究計劃「鋼骨鋼筋混凝土(SRC)設計規範與解說研究」中所建議的 設計方式做簡單的介紹，並介紹幾篇日本學者所做的研究文獻。. 1.4.1 日本 AIJ-SRC 規範 AIJ-SRC 規範(1987)採用二次設計法，一次設計法係以工作應力設計法為 主，主要係以折減材料強度來作為設計時安全係數的考量；二次設計法則以極限 強度檢核保有的水平耐力，其主要目的是為了確保結構物受到大地震作用時，仍 具有韌性而不危及人員的生命安全及財物的損失。AIJ 之設計觀念主要以強度疊 加作為基礎，其疊加方式有二，一為「簡單疊加法」(Simple Superposed Method， 簡稱 SSM)，該法係將 SRC 構材中的鋼骨與 RC 視為獨立的個體，分別計算其強 度再進行簡單的疊加；另一為「一般疊加法」(Generalize Superposed Method，簡 稱 GSM)，該法係將鋼骨與 RC 分別計算其極限強度，再予以疊加。前者在計算 上較為簡單，但結果將偏向保守；後者雖然在計算上較為複雜，但其對 SRC 構 材中鋼骨與 RC 部分所承擔的軸力與彎矩比例並沒有限制，只要鋼骨與 RC 兩者. 3.
(18) 的軸向與撓曲強度之和分別大於結構分析所得的需求軸力與彎矩即可。因此一般 疊加法可以調整設計斷面至最經濟的組合。 AIJ-SRC 規範設計公式如下： (一) 簡單疊加法 (1). 同時承受軸力及彎矩作用的對稱柱斷面得依以下方式計算： (i) (a)rPt≦P≦rPc 或 M≧sM0 P=rP M≦sM0+rM (b)P>rPc 或 M<sM0 時 P≦rPc+sP M=sM (c)P<rPt 或軸向為拉力，且 M<sM0 時 P≧rPt+sP M=sM (ii) (a)sPt≦P≦sPc 或 M≧rM0 時 P=sP M≦rM0+sM (b)P>sPc 或 M<rM0 時 P≦sPc+rP M=rM (c)P<sPt 或軸向為拉力，且 M<rM0 時 P≧sPt+rP M=rM. (2). sPc，sPt，sM0，sP，sM. 得依以下方式計算：. sPc=sA×sFc. 4.
(19) sPt=-sAc×sFt sM0=sS×sFt sP. 為壓力時：. sP/sA+sM/sS=sFc sP. 為拉力時：. sP/sAc-sM/sS=-sFt rPc，rPt 依下列方式計算：. (3). rPc=min(rPc1，rPc2) rPc1=Ae×fcd rPc2=(Ae×mFc)/n rPt=-mA×mFt. 依鋼筋混凝土規範之規定計算. (4). rP，rM. (5). fcd= f ' c (1-15sρc). = f 'c. 適用於包覆型 SRC 斷面 適用於鋼管混凝土斷面. (二) 一般疊加法 依一般疊加法設計可以得到比簡單疊加法更為經濟的斷面，但計算較為繁 瑣，同時承受軸力及彎矩的 SRC 柱可依下列公式計算：. P=sP+rP M≦sM+rM 其中：. P=斷面軸力 M=斷面彎矩 rM0=RC. 部分之容許彎矩. rM0=鋼骨部分之容許彎矩. F=容許應力. 5.
(20) S=斷面模數 n=Es/Ec，Es 與 Ec 分別為鋼骨與混凝土之彈性模數 fcd=折減後的混凝土強度 f ' c =混凝土強度 A=斷面積 Ae=有效斷面積 ρ=鋼筋比 左下足標表示材料種類，m 代表鋼筋、c 代表純混凝土、r 代表鋼筋混凝 土、s 代表鋼骨 右下足標表示受力特性，c 表壓力、t 表張力. AIJ-SRC 規範中有關非對稱斷面 SRC 柱之強度計算，建議可在偏安全側之 原則下將其置換成對稱斷面，依簡單疊加法提供之對稱斷面的計算方式計算，或 考慮其不對稱性，依一般疊加法計算。. 1.4.2 美國 AISC-LRFD 合成構材設計規範 AISC-LRFD 設計規範中，針對 SRC 構材提出合成構材之設計方法係採用極 限設計法，其基本之設計理念是將構件中 RC 部分所提供的強度與勁度，以. AISC-LRFD 建議之轉換係數轉換成等值之鋼骨量，再直接以純鋼骨梁柱設計公 式計算合成構材之極限強度。對於合成柱斷面的設計，要求其鋼骨面積需佔全斷 面積 4%以上，較 AIJ 的 0.8%為高。此外 LRFD 僅對於合成構材中構材部分之強 度計算較為明確之外，對於合成構材的耐震設計、梁柱接頭及構造的細部規定較 不明確，因此常會在實際的應用上產生困擾。 其設計公式如下：. (1) 首先將混凝土與鋼骨之材料性質進行轉換：. 6.
(21) Fmy=Fys+c1Fyr(Ar/As)+c2 f ' c (Ac/As) Em=Es+c3Ec(Ac/As) 其中：. Ac=混凝土面積 Ar=主筋面積 As=鋼板面積 Es=鋼材之彈性模數 Ec=混凝土之彈性模數 Fys=鋼材之降伏應力 Fyr=主筋之降伏應力 f ' c =混凝土之抗壓強度 c1=0.7、c2=0.6、c3=0.2 適用於包覆型 SRC 構材 c1=1.0、c2=0.85、c3=0.4 適用於鋼管填充混凝土構件 (2) 求 SRC 構件之設計壓力強度： ϕ c = 0.85. Pn=As×Fcr 當λc≦1.5. Fcr = (0.685 λ c )Fy 2. 當λc>1.5. 0.877 Fcr = 2 Fy λ 其中：. K=有效長度因子. λc =. KL Fmy rm π E m. L=構材之側向勁度 7.
(22) rm=迴轉半徑 (3) 求 SRC 構材之純彎矩設計強度： 方法一：只計算鋼骨部份之塑性彎矩強度. Mn=Z×Fys 其中：. Z=鋼骨斷面之塑性模數 Fys=鋼骨之降伏強度 方法二：以彈性應力疊加的方式計算標稱彎矩強度；即當鋼骨翼緣達張力降 伏時，依斷面應變相合與力平衡的基本原理，以應力疊加的方式求得其標稱彎矩 強度。. (4) SRC 梁柱構材之軸力與彎矩共同作用時，其標稱彎矩強度 Mn 應以下述方式 決定之：. (i)當 SRC 構材受需求軸力大於或等於 0.3 倍設計軸向壓力時，其標稱強度 Mn 可提高為： A w Fy h 1 M n = ZFy + A r Fyr (h 2 − 2C r ) + A w Fy 2 − ' 3 2 1 . 7 f h c 1 . 其中：. Mn=SRC 構材之標稱彎矩強度 Z=鋼骨部分之斷面塑性模數 Fys=鋼骨之降伏應力 Ar=鋼筋之總面積 h2=SRC 構材平行於彎曲平面之斷面寬度 Cr=壓力鋼筋距混凝土壓力外緣與張力鋼筋距混凝土張力外緣距離 之平均值. Fyr=鋼筋之降伏應力 8.
(23) Aw=鋼骨腹板之面積；當構材為鋼管混凝土斷面時，Aw=0 f ' c =混凝土 28 天之抗壓強度 h1=SRC 構材垂直於彎曲平面之斷面寬度 當 SRC 構材承受需求軸力小於 0.3 倍之設計軸向壓力時，其標稱. (ii). 彎矩強度 Mn 應由上述公式計算之結果線性遞減至受純彎矩時之彎矩強 度。 再依上述方式計算出的 Mn 代入鋼骨之樑柱交互關係檢核，其公式如下：. (a )當. M uy Pu Pu 8 M ux ≥ 0.2時 + + ≤ 1.0 ϕ c Pn ϕ c Pn 9 ϕ b M nx ϕ b M uy . (b)當. M ux M uy Pu Pu < 0.2時 + + ≤ 1.0 ϕ c Pn 2ϕ c Pn ϕ b M nx ϕ b M uy . 其中：. Pu=需求軸壓力強度 Pn=柱構材軸向標稱抗壓強度 Mu=需求撓曲強度 Mn=柱構材標稱彎矩強度 ϕ c = 0.85 ， ϕ b = 0.9. 1.4.3 美國 ACI 318-95 規範 ACI 規範為極限強度設計法，其設計理念是將鋼骨部分視作為連續排置之等 量鋼筋後，以 RC 梁柱計算方式計算之。 其計算過程中乃依據以下假設：. (1) 假設混凝土極限應變為 0.003 (2) 將鋼骨視為一般鋼筋求其斷面積. 9.
(24) (3) 根據平面保持平面及應變諧和之假設 (4) 以 C.S.Whitney 所提出之矩形應力塊求得混凝土部分所提供之壓力 (5) 由力平衡求其斷面極限強度 (6) 不考慮鋼筋之應變硬化(Strain hardening)現象 在耐震設計、梁柱接頭及構造細則上，ACI 規範仍依據 RC 的構造來進行設 計，除了計算較為繁雜之外，若是直接引用 RC 的耐震設計、構造細則及樑柱接 頭之規定，則有可能產生太過嚴苛之疑慮。. 1.4.4 國內「鋼骨鋼筋混凝土構造(SRC)設計規範與解說研究」 此解說規範所提供的強度計算方法主要基礎在於強度疊加的概念，係將 SRC 構材中鋼骨與 RC 的強度分別依照 LRFD 與 ACI 的規定計算，並將 f ' c 以 0.7 f ' c 代 替，用以考慮鋼骨佔去混凝土面積的影響，迴轉半徑 γ eff 也以一個α值考慮混凝 土包覆鋼骨對鋼骨所造成的影響，然後再將兩者計算所得的強度予以疊加，視之 為 SRC 之構材強度。 其強度設計與檢核公式如下：. (一) SRC 構材設計抗壓強度 其設計抗壓強度 ϕ c Pn0 應不小於由因數化載重組合所計得之最大需求強度. Pu。此設計抗壓強度 ϕ c Pn0 為鋼骨部分與鋼筋混凝土部分抗壓強度之和，即： ϕ c Pn 0 = (ϕ c ) s (Pn 0 ) s + (ϕ c ) rc (Pn 0 ) rc 其中：. (Pno )s =鋼骨部分之標稱抗壓強度. (Pn 0 )rc =鋼筋混凝土部分之標稱抗壓強度 (ϕ c ) s =鋼骨部分之強度折減係數， (ϕ c ) s =0.85 (ϕ c ) rc =鋼筋混凝土部分之強度折減係數. 10.
(25) (a) 包覆型 SRC 柱： (i) 配置矩形箍筋時， (ϕ c ) rc =0.7 (ii) 配置螺箍筋時， (ϕ c ) rc =0.75 (b) 鋼管混凝土柱 (i) 填充型鋼管混凝土柱， (ϕ c ) rc =0.8 (ii) 包覆填充型鋼管混凝土柱， (ϕ c ) rc =0.75 (二) 求鋼骨部分之標稱抗壓強度 SRC 柱中鋼骨部分之標稱抗壓強度(Pn0)s 依以下公式計算： (1). 當 λ c ≤ 1.5 時：. (Pn 0 ) s = (0.658 λ c )Fys A s 2. (2). 當 λ c > 1.5 時：. (Pn 0 ) s = (0.877 λ c )Fys A s 2. 其中：. λc =. KL πγ eff. Fys Es. Fys=鋼骨之標稱降伏應力，kg/cm2 As=鋼骨之斷面積，cm2 Es=鋼骨之彈性模數，kg/cm2 K=SRC 構材之有效長度係數 L=SRC 構材之無側撐長度，cm γ eff = SRC 構材中鋼骨斷面之有效迴轉半徑 γ eff = γ s + α. Ig Ag. 其中：. 11.
(26) γ s = 鋼骨斷面之迴轉半徑，cm Ig=SRC 構材全斷面之慣性矩，cm4 Ag=SRC 構材全斷面之面積，cm2 α=鋼骨有效迴轉半徑修正係數，其值如下：. (a) 包覆 I 型 SRC 柱： (i) 對強軸彎曲：α=0.2 (ii) 對弱軸彎曲：α=0.4 (b) 包覆十字或 T 字型 SRC 柱：α=0.3 (c) 鋼管混凝土柱： (i) 填充型：α=0.1 (ii) 包覆填充型：α=0.2 (三) 求鋼筋混凝土部分之標稱抗壓強度 SRC 柱中鋼筋混凝土部分之標稱抗壓強度(Pn0)為以下兩式所計算之較小值 為之。. (1). (Pn 0 ) rc = 0.85f cd A c + A r Fyr. (2). (Pno ) rc =. π 2 (EI) rc (KL) 2. 其中：. fcd= 0.7f ' c ；惟當採用填充型鋼管混凝土柱時 fcd= f ' c 。其中 f ' c 為混凝 土之標稱抗壓強度，kg/cm2. Ac=SRC 構材中混凝土部分之斷面積，cm2 Fyr=鋼筋之標稱降伏應力，kg/cm2 Ar=鋼筋之斷面積，cm2 K=SRC 構材之有效長度係數 L=SRC 構材之無側撐長度，cm. 12.
(27) (EI)rc=鋼筋混凝土部分之撓曲剛度，(EI)rc=EcIg/5，其中 Ec 為混凝土之 彈性模數，Ig 為全斷面對形心軸之慣性矩. (四) SRC 之構材設計撓曲強度 其設計撓曲強度 ϕ b Mn0 應不小於由因數化載重組合所計得之最大需求彎矩. Mu。設計撓曲強度 ϕ b Mn0 為鋼骨部分與鋼筋混凝土部分撓曲強度之和，即： ϕ b Mn0= (ϕ b ) s (Mn0)s+ (ϕ b ) rc (Mn0)rc 其中：. ϕ b = (ϕ b ) s = (ϕ b ) rc =0.9 (Mn0)s=鋼骨部分標稱撓曲強度，(Mn0)s=ZFys，Z 為鋼骨之塑性斷面模數，Fys 為鋼骨之標稱降伏應力. (Mn0)rc=鋼筋混凝土部分之標稱撓曲強度，(Mn0)rc 應依內政部頒布之「建築 技術規則建築構造編：混凝土構造」之相關規定決定之；惟計算時， 混凝土之標稱抗壓強度 f ' c 應以 fcd 取代之，其中 fcd= 0.7f ' c. (五) SRC 構材受軸壓力與彎矩共同作用 受軸壓力與彎矩共同作用之 SRC 構材，其設計強度應依以下之步驟檢核之：. (1) SRC 構材中之鋼骨部分與鋼筋混凝土部分應共同分擔由組合載重所引 致之需求軸力 Pu 與需求彎矩 Mu(含 P-Δ效應)，即. Pu=(Pu)s+(Pu)rc Mu=(Mu)s+(Mu)rc 其中： (EA) s (Pu ) s = Pu ，為鋼骨分擔之需求軸力 (EA) s + (EA) rc (EA) rc (Pu ) rc = Pu ，為鋼筋混凝土分擔之需求軸力 + ( EA ) ( EA ) s rc . 13.
(28) (EI) s (M u ) s = M u ，鋼骨分擔之需求彎矩 (EI) s + (EI) rc (EI) rc (M u ) rc = M u ，鋼筋混凝土分擔之需求彎矩 ( EI ) ( EI ) + s rc . (EA)s=鋼骨部分之軸向剛度，(EA)s=EsAs (EA)rc=鋼筋混凝土部分之軸向剛度，(EA)rc=0.55EcAc，Ac 為混凝土 之斷面積. (EI)s=鋼骨部分之撓曲剛度，(EI)s=EsIs (EI)rc=鋼筋混凝土部分之撓曲剛度，(EI)rc=0.35(EcIg) (六) 鋼骨部分之強度檢核 SRC 構材中之鋼骨部分在受到所分擔之軸力(Pu)s 與彎矩(Mu)s 之共同作用 下，應符合以下強度檢核之規定：. (a) 當 (Pu ) s < 0.2(ϕ) s (Pn 0 ) s 時： (M ux ) s (M uy ) s (Pu ) s + + 2(ϕ) s (Pn 0 ) s (ϕ b ) s (M n 0 x ) s (ϕ b ) s (M noy ) s. ≤ 1.0 . (b) 當 (Pu ) s ≥ 0.2(ϕ) s (Pn 0 ) s 時： (M uy ) s (Pu ) s 8 (M ux ) s + + (ϕ) s (Pn 0 ) s 9 (ϕ b ) s (M n 0 x ) s (ϕ b ) s (M n 0 y ) s. ≤ 1.0 . (七) 鋼筋混凝土部分之強度檢核 SRC 構材中之鋼筋混凝土部分受到所分擔之軸力(Pu)rc 與彎矩(Mu)rc 之共同 作用下，其強度應符合內政部頒布之「建築技術規則建築構造編：混凝土構造」 之相關規定，惟計算時，混凝土之標稱抗壓強度 f ' c 應以 fcd 取代之，fcd= 0.7f ' c ； 但當採用填充型鋼管混凝土柱時 fcd= f ' c 。 此研究報告中規定，SRC 構材在承受軸力彎矩共同作用時，其斷面須為雙. 14.
(29) 對稱或單對稱斷面。當採用非對稱斷面之 SRC 構材時，須考慮扭力對構材的影 響。 從先前的介紹中可以發現現行的規範中，對於 SRC 柱內置的鋼骨，在考量 鋼骨偏心與鋼骨斷面的對稱性時，ACI 規範可以利用應變相合之原理進行設計， 因此可適用於非對稱斷面；AIJ 規範則以簡單疊加法或一般疊加法用以對稱斷面 的強度計算，於非對稱斷面則在偏安全側下將斷面置換為對稱斷面以簡單疊加法 計算，或考慮不對稱性以一般疊加法計算，因此其亦適用於非對稱斷面；. AISC-LRFD 規範則限制用於對稱斷面；內政部建築研究所民國 86 年之專題研究 計劃「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說研究」中，於受軸力與彎矩共同作用 之構材，限制構材承受雙彎矩時，須為雙對稱斷面，承受單軸彎矩時，須為單對 稱斷面。. 1.4.5 非對稱斷面文獻 西村 繁等學者(1991)，以實驗的方式製作八支包覆型 SRC 柱試體，探討鋼 骨偏心對 SRC 柱彎矩行為的影響，並與一般疊加法的計算值做比較，構材斷面 為 30 x 30cm，內置鋼骨為 I 型鋼，e/h=0.1。結果顯示其試驗值與一般疊加法計 算的結果十分吻合。 齋藤 文孝等學者(1992)，透過實驗的方式探討非對稱斷面對包覆型 SRC 柱 彎矩行為的影響，並與一般疊加法的計算值做比較。構材斷面為 30 x 30cm，內 置鋼骨為 T 型鋼，e/h=0.1。結果顯示，試驗值與計算值接近。. 1.5 研究內容 首先將簡單的介紹 SRC 結構在國內使用上的重要性，以了解整個 SRC 構材 過去的研究發展歷程；並將針對現行所使用的設計規範，包括日本的 AIJ 規範、. 15.
(30) 美國的 AISC-LRFD 規範、ACI 規範與內政部建築研究所民國 86 年之專題研究 計劃「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說研究」做簡單的介紹與探討。 其次針對整個試驗的規劃與流程作介紹，詳細的說明試體的設計理念與製作 的過程，且對於將進行的材料性質試驗，包括混凝土、鋼骨、主筋和箍筋等材料 性質的試驗過程作簡單的介紹；此外，對於試驗的裝置，包括試驗設備儀器的設 置、量測儀器與資料擷取系統與試驗的步驟也有詳盡的說明。 根據試驗進行過程中所做的觀察與紀錄，對試體在承載後所產生的破壞情形 做一描述。並針對各試體之變化參數對試體行為的影響做詳盡的探討。試驗值並 與各規範預測值及理論分析值做一比較，以了解各規範於非對稱斷面之構材強度 預測的準確性與適用性。並由本試驗之結果對非對稱斷面應用於 SRC 構材提出 建議以作為參考。. 16.
(31) 第二章 鋼骨鋼筋混凝土柱與梁柱試驗 2.1 試驗規劃 本計劃的目的在於利用實驗以了解 SRC 柱與 SRC 梁柱在軸力與彎矩下的行 為，因此，實驗的規劃上可以區分為兩大部分，第一部分目的在於探討 SRC 柱 受到單軸向載重下之行為，其中包括了柱整體的受壓行為、三種材料(混凝土、 鋼骨和鋼筋)之受力分布情形，對試驗過程也可以區分為三個階段，分別為試體 達極限載重前、試體達極限載重時與試體達極限載重後三個階段。第二部分目的 在於探討 SRC 梁柱受到軸力作用下，正負向極限彎矩強度及其行為之差異。. 2.2 試體的設計與製作 SRC 柱的單軸向載重試驗，所探討的問題為柱承受軸力的行為，因此設計 的過程中將長柱效應予以避免，使其長度能合理地落在短柱的範圍內。並且為防 止在試驗過程中造成柱兩端的破壞，在兩端配置較密的箍筋；至於 SRC 梁柱在 軸力作用下的彎矩極限強度試驗，其柱長亦考慮實驗室設備之限制。 本試驗一共製作了二十組試體，六組短柱長 1m，十四組梁柱長 2.352m，所 有的斷面尺寸皆為 30 x 30cm，試體中的鋼骨型式有 T 字型與十字型兩種，鋼骨 大小亦有兩種，鋼骨比為 3.2%與 5.54%。斷面鋼骨比 3.20%試體之鋼骨是由 H 125 x 60 x 6 x 8 與 H 100 x 50 x 5 x 7 焊接而成；斷面鋼骨比 5.54%試體之鋼骨則由 H 175 x 90 x 5 x 8 與 H 150 x 100 x 6 x 9 焊接而成。試體所使用的混凝土設計強度 為 24MPa。主筋皆為 6 號竹節鋼筋，在斷面的四個角落各擺置一根主筋，鋼筋 斷面積對全斷面積的比值ρs 為 1.27%。所有試體均使用 3 號箍筋，箍筋間距皆 為 10cm。試體規格詳見表 2.1。試體編號與試體之變化參數詳見表 2.2。試體斷 面示意圖與箍筋間距圖詳見圖 2.1 與圖 2.2。. 17.
(32) 試體製作過程如下： (1) 鋼骨鋼筋籠的製作，施工過程詳見照片 2.1~2.2。 (2) 黏貼應變計 (3) 模板的製作與組裝，施工過程詳見照片 2.3。 (4) 混凝土的澆置 (5) 混凝土的養護. 2.3 材料性質試驗 對於試體所使用的材料，混凝土、鋼筋、鋼骨，分別作了混凝土圓柱抗壓強 度試驗和鋼材的抗拉強度試驗，藉以了解試體中各項材料的真實強度。各材料試 驗強度見表 2.3。 本計劃中 SRC 柱試體所使用的混凝土設計強度為 24MPa，為了解混凝土實 際的抗壓強度，必須進行混凝土的抗壓試驗。在灌漿時，利用金屬模具製作了圓 柱試體，待試體完成 28 天養護後，隨即進行混凝土圓柱抗壓試驗，以便了解混 凝土 28 天的抗壓強度大小，並隨著試驗的進行，於不同時間進行抗壓試驗以得 試體混凝土之抗壓強度。 鋼材的拉力試片是由鋼骨的翼板及腹板切割取得，整個試驗試體一共採用了 四種不同的型鋼，總共有十六片的鋼材拉力試片，每個位置的抗拉強度由兩片拉 力試片的強度取平均值，作為鋼骨實際的拉力強度。試片的斷面尺寸及量測標距 皆依據 ASTM 所規定。 試驗中所採用的鋼筋，主筋為 6 號、箍筋為 3 號，隨機取樣三支作為鋼筋拉 力強度試驗使用，再以所得的數據取平均值作為鋼筋實際的拉力強度。所有作為 主筋與箍筋抗拉試驗的試體，其尺寸及量測標距皆依據 ASTM 中所規定。. 18.
(33) 2.4 試驗裝置與步驟 2.4.1 試驗設備裝置 鋼骨鋼筋混凝土短柱軸向強度試驗在台灣大學進行，試驗機採位移控制，千 斤頂活塞行程量設定為向下 3cm。鋼骨鋼筋混凝土梁柱試驗於交通大學進行，試 體兩端支撐點之距離為 2450mm。試驗過程中，MTS 試驗機以位移控制方式施 加側向力，施力點距離為 600mm；試體所承受的軸向力則由 200 噸的油壓千斤 頂依試體參數分別施加不同的軸力 0.2 Pn 或 0.4Pn。Pn=0.85 f ' c Ac+AsFys+AsrFyr， 其中 f ' c 、Fys、Fyr 分別為混凝土、型鋼與鋼筋之設計強度，Ac、As、Asr 分別為 混凝土、型鋼與鋼筋之斷面積。試驗設置如照片 2.4~2.6 及圖 2.3 所示。. 2.4.2 量測系統 由於試驗的目的是要探討 SRC 短柱在軸力作用下與 SRC 梁柱在軸力與彎矩 作用下的行為，因此，在鋼骨與鋼筋黏貼應變計，紀錄其變化狀態，以了解其受 力情形，鋼骨應變計位置詳見圖 2.4。鋼筋應變計位置詳見圖 2.5 與圖 2.6。貼於 鋼骨與主筋的應變計，其功能在於利用其數據分析 SRC 梁柱構材斷面中性軸之 位置，藉以了解參數變化對中性軸位置之影響，並可了解短柱中各材料受力的分 布情形。貼於受壓側箍筋的應變計，則可以藉由量測而得之拉應變，了解鋼骨與 箍筋對混凝土圍束的情形。 為量測試體之變形，SRC 短柱試驗部分，在斷面的南北向安裝π-gage，藉 以量測短柱的軸向變形。SRC 梁柱試驗部分，在兩個施力點的位置安裝線性變 化位移感應器(LVDT)，梁柱中點安裝拉線式位移計，以便量測 SRC 試體在受力 下，梁柱的撓度變化。同時也利用兩個測微計，量測試體兩端距端點 L/4 處的位 移，以了解整個試體在受力後的變形狀況。各量測儀器位置詳見圖 2.7。. 19.
(34) 2.4.3 試驗程序 SRC 短柱軸向強度試驗程序簡述如下： (1) 將墊高試體之鋼板固定於施載位置中心。 (2) 將試體放置定位，並在上下兩端以石膏蓋平。 (3) 在試體上下端板以螺栓固定，以防止試體破壞時發生危險。 (4) 進行試驗至位移達 22mm 時停止。 SRC 梁柱軸力-彎距試驗程序簡述如下： (1) 組裝鉸輥支承鋼鈑與柱試體。 (2) 安裝 SRC 柱試體，將油壓致動器與加載設置固定於試體中心。於試體表面 塗上白色水泥漆，以觀察裂縫發展情形。. (3) 安裝、架設量測儀器，由資料擷取系統來確定各個量測儀器是否正常。 (4) 安裝軸向高張力螺桿，以 2000KN 之油壓千斤頂，施加各試體所需要的固定 軸力。. (5) 對試體進行預壓測試，以確定試驗裝置與量測儀器無誤。 (6) 啟動油壓致動器，以行程控制施加水平力，並由資料擷取系統同步讀取實驗 數據。. (7) 試驗過程觀察 SRC 試體表面裂縫與混凝土的剝落情形，同時藉由 MTS 控制 系統觀察試體位移的變化。試體的強度急遽下降時，則停止試驗進行。. 20.
(35) 第三章 試驗結果與討論 為方便描述試體破壞行為，定義正彎矩方向為正 X 向彎矩作用於斷面上。. 3.1 試體一般破壞行為 (一) 鋼骨鋼筋混凝土短柱試驗 鋼骨鋼筋混凝土短柱試驗觀測一般破壞行為如下所述。試驗開始之後，試體 先有一段頗為線性之行為，之後則顯現出非線性之關係。隨著試驗機千斤頂之位 移量的增加，試體四面逐漸產生細小裂縫，當輸出軸力達試體極限載重時，在試 體一半高度，試體靠邊緣處逐漸產生可目視之垂直裂縫。隨著位移量之增加裂縫 則向上下延伸與擴展。之後，裂縫之間的混凝土保護層逐漸地被向外推擠出來， 直至整塊混凝土保護層剝落。此時，可以觀察到主筋已經挫屈。當主筋之挫屈變 形量不斷地增加，以及圍束混凝土受軸力作用而向外擠壓，受拉力的箍筋錨錠端 會被拉開，造成主筋更大的挫屈變形量而形成缺口。此時被箍筋所圍束的混凝 土，會有不同程度的剝落，隨著圍束混凝土的剝落，可以觀察到已經挫屈的鋼骨 翼板。試體載重-位移曲線與各部位載重-應變關係圖，詳見圖 3.1~3.6。試體主筋 在應變約達-0.0017 時進入降伏階段，隨應變增加而有應變硬化的趨勢。鋼骨在 應變約達-0.002 進入降伏階段，隨應變增加也產生應變硬化的現象。各試體極限 值皆發生於位移約達 5mm，此時全長應變約為-0.005。試體破壞情形見照片 3.1~3.5。 (二) 鋼骨鋼筋混凝土梁柱試驗 從鋼骨鋼筋混凝土梁柱構材試驗過程的記錄與觀察，其一般破壞行為如下。 受到正彎矩與 0.2Pn 軸力作用的試體，拉力側的裂縫產生處約位於箍筋的位置 處，其成長速度快。依各試體不同參數的影響，在試體達到極限彎矩強度後，側 向力下降的速率有所不同。隨試驗機位移的持續增加，箍筋與鋼骨對混凝土的圍. 21.
(36) 束效應發生作用，側向力的下降速度變的較為緩慢；壓力區主筋多半在混凝土保 護層脫落後產生挫屈的現象。受到正彎矩與 0.4Pn 軸力作用的試體，拉力裂縫成 長的情形與上述大致相同，極限強度較 0.2Pn 軸力作用時之試體為高。在壓力區 混凝土碎裂後力量下降的速度也相對較快；壓力區主筋在混凝土保護層脫落後產 生挫屈的現象。受到負彎矩作用的試體，拉力側的裂縫成長的速度都很緩慢，且 開裂長度都很短，此乃因鋼骨多半集中於拉力側所致。當壓力區混凝土發生碎 裂，側向力產生急遽下降的現象，尤其是偏心量高之試體，力量下降得更為迅速。 試體載重-位移曲線、各部位載重-應變曲線與斷面位置-應變關係圖，詳見圖 3.7~3.20。鋼骨、鋼筋與箍筋之載重-應變關係圖中，因軸壓力作用使得在施加側 向力時即有一應變值產生。受壓側主筋與鋼骨在應變約達-0.0015 時進入降伏階 段，且隨應變增加有應變硬化的現象。試體破壞情形見照片 3.6~3.18。. 3.2 試體破壞行為之比較 (1) CL-TE、CL-TO、CL-HO 分別代表鋼骨含量 3.2%下，偏心、不具偏心 T 字 型鋼骨與不具偏心之十字型鋼骨試體。從圖 3.1 至圖 3.3 之(A)圖可以發現， 三試體之極限強度值幾乎相同。在極限破壞後剩餘強度的表現上，以試體編 號 CL-TO 表現較為良好，但其差異不大。從圖 3.1 至圖 3.3 之(B)圖可以看 出，除了試體 CL-TE 在一開始因為偏心的影響，在加載初期試體北側有承 受拉力的現象，但隨後即為受軸壓作用影響之外，各試體在南北兩側載重試體中間 60cm 位移關係圖上的斜率幾乎相同，顯示試體並無因鋼骨偏心而 產生彎曲的現象。 相同的，CH-TE、CH-TO、CH-HO 則分別代表鋼骨含量 5.54%下，偏 心、不具偏心 T 字型鋼骨與不具偏心之十字型鋼骨試體，三試體的極限強 度值與破壞後剩餘強度的表現上均十分接近；三試體南北兩側載重-試體中 間 60cm 位移關係圖詳見圖 3.4 至圖 3.6 之(B)圖，從圖中可以發現試體也沒 22.
(37) 有因為偏心而出現彎曲的情形。 (2) 為了解 SRC 短柱極限破壞時各材質受力分布之情形，以 Kent-Park 的混凝土 應力-應變曲線模擬試體混凝土的受力狀態。假設試體斷面受力均勻，將各 材料產生極限應變時之應力與其面積相乘，以此分析模式，混凝土、鋼筋與 鋼骨在達極限應變時之應力分別為 f ' c 、 Fyr 與 Fs ，所得結果並與極限值相比 較，可得試體材質受力分布情形如表 3.1。從表中可以發現，不論是鋼骨的 含量高低、型式與偏心距的有無，混凝土幾乎提供了約總軸力 60%的軸力； 鋼骨的部分乃隨鋼骨量的提高，提供的軸力從 28%~35%不等；至於鋼筋所 提供的軸力約略佔總軸力的 10%。. (3) 觀察試體 BL-TE-P2P 與 BL-TE-P4P，兩者為鋼骨含量 3.2%之 T 字型偏心鋼 骨，分別承受 0.2Pn 與 0.4Pn 的軸力與正彎矩作用。從圖 3.7 與 3.9 之(A)圖可 以發現，高軸力作用下，因偏心的影響，將使 SRC 試體在加載前先行承受 了 P×e 的負向彎矩(其中 P 表示試體所受的軸力、e 表示鋼骨的偏心距)，因 此高軸力作用下的試體能承受較高的極限彎矩值。但是在極限破壞後，也因 為高軸力作用使 P-Δ效應增大，以致高軸力作用的試體在極限破壞後剩餘 強 度 的 表 現 極 差 。 相 同 的 情 形 也 出 現 在 試 體 編 號 BH-TE-P2P 與. BH-TE-P4P，使的承受高軸力作用之試體有較高的極限彎矩值，但其在剩餘 強度的表現則較差。. (4) 試體 BL-TE-P2N 與 BL-TE-P4N 為鋼骨含量 3.2%之 T 字型偏心鋼骨，分別 承受 0.2Pn 與 0.4Pn 的軸力與負彎矩作用。從圖 3.8 與 3.10 之(A)圖可以發現， 高軸力作用下，因偏心的影響，將使 SRC 試體在加載前先行承受了 P×e 的 負向彎矩，因此較低軸力作用下的試體能承受較高的極限彎矩值。在極限破 壞後，也因為高軸力作用使 P-Δ效應增大，以致高軸力作用的試體在極限 破壞後剩餘強度的表現極差，且因鋼骨偏心的影響，使斷面鋼骨多集中於受 23.
(38) 拉側，更使的高軸力作用下的試體在極限破壞後強度驟降。相同的情形也出 現在試體編號 BH-TE-P2N 與 BH-TE-P4N，使的承受較低軸力比之試體有較 高的極限彎矩值與較良好剩餘強度。. (5) BL-TE-P2P、BL-TO-P2P 與 BL-TE-P2N、BL-TO-P2N 分別為鋼骨含量 3.2% 之 T 字型偏心與無偏心鋼骨，承受 0.2Pn 軸力與正、負彎矩作用之試體。偏 心量的有無將影響 SRC 構材的斷面配置，也相對影響試體極限彎矩強度與 剩餘強度的表現，其結果將隨斷面配置而有所不同，從圖 3.7 與 3.8 之(A) 圖、圖 3.11 與 3.12 之(A)圖可以觀察其差異性，但一般歸納而言，不具偏心 之試體擁有較良好的極限彎矩強度；相同的情形也出現在 BH-TE-P2P 、. BH-TO-P2P 與 BH-TE-P2N、BH-TO-P2N。 (6) 試體編號 BL-TO-P2P、BL-TO-P2N、BL-HO-P2 為鋼骨含量 3.2%之 T 字型 與十字型不具偏心之鋼骨，承受 0.2Pn 軸力與正、負彎矩作用。鋼骨型式的 不同將影響 SRC 構材斷面的配置與其剩餘強度表現，一般歸納而言，T 字 型不具偏心之鋼骨斷面，擁有較佳的極限彎矩強度與剩餘強度表現。相同的 情形也出現在鋼骨含量較高的試體 BH-TO-P2P、BH-TO-P2N、BH-HO-P2。. (7) 從試驗擷取的鋼骨與鋼筋之應變，依其所在斷面位置以線性回歸可求得各試 體達極限彎矩強度時的中性軸位置，詳見表 3.2。比較 BL-TE-P2P、BL-TE-P4P 與 BL-TE-P2N、BL-TE-P4N 可以發現，當軸力比升高，試體破壞時的中性 軸將向拉力緣靠近。比較 BL-TO-P2P、BL-TO-P2N、BL-HO-P2 可以發現， 鋼骨型式的不同在鋼骨含量較低時，其對試體破壞時中性軸位置的變化影響 不大。至於鋼骨含量較高的試體，由於應變計資料的不足，無法回歸出所有 試體的中性軸位置，因而無法比較參數對試體破壞時中性軸位置變化的影 響。. 3.3 試體參數變化對極限彎矩強度之影響 24.
(39) 第一部份：SRC 柱單軸向載重試驗 此部份試體編號為 CL 與 CH 系列，旨在於探討不同斷面型式(T 字型與十字 型)、不同鋼骨斷面比(3.2%與 5.54%)及鋼骨本身非對稱斷面所造成之偏心量對. SRC 柱軸力的影響，試驗值並與美國 ACI、日本 AIJ(GSM)、BIAX 理論值與內 政部建築研究所，民國 86 年之專題研究計劃「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與 解說研究」中所建議的預測值做比較。 鋼骨鋼筋混凝土短柱軸向強度之試驗規畫，以鋼骨含量、偏心距與斷面形式 作為變數，從試驗結果的數據顯示，在相同鋼骨含量下，偏心距與鋼骨斷面的形 式對軸向極限強度之影響甚小。根據量測儀器與資料擷取系統所擷取的資料，可 以求得各試體的極限載重值，詳見表 3.3。試體之軸力－軸向變形全長曲線如圖. 3.21 所示。於極限載重時柱中間 60cm 長度之平均軸向應變約-0.002，軸力-中間 60cm 長度軸向變形曲線如圖 3.1 至圖 3.6 之(B)圖。 第二部分：SRC 梁柱軸力-彎矩試驗 此部份試體編號為 BL 與 BH 系列，旨在於探討不同斷面型式(T 字型與十字 型)、不同鋼骨斷面比(3.20%與 5.54%)、鋼骨本身非對稱斷面所造成偏心量及不 同軸力比(0.2 倍與 0.4 倍註斷面強度)下，對 SRC 柱的正、負彎矩強度的影響， 試驗值並與美國 ACI、日本 AIJ(GSM)、BIAX 理論值與內政部建築研究所，民 國 86 年之專題研究計劃「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說研究」中所建議 的預測值做比較。 鋼骨鋼筋混凝土梁柱構材極限彎矩強度之試驗規劃，根據量測儀器與資料擷 取系統所擷取的資料，可以求出各試體極限彎矩強度，詳見表 3.4。試體之側向 力－側向位移曲線如圖 3.22 與圖 3.23 所示。依據試驗結果，比較參數影響情形 如下：. 25.
(40) (一)鋼骨型式 為探討不同鋼骨型式對 SRC 梁柱構材極限彎矩強度與行為的影響，對試體. BL-TO-P2P、BL-TO-P2N、BL-HO-P2、BH-TO-P2P、BH-TO-P2N、BH-HO-P2， 進行比較探討。比較 BL-TO-P2P 與 BL-HO-P2 可以發現，當 T 型鋼骨受到正彎 矩的作用時，除了在極限強度上比十字型鋼骨高一些之外，兩者在曲線的趨勢及 達極限彎矩值之後的剩餘強度上都十分類似，但 BL-TO-P2P 因為受到較多鋼骨 面積的圍束，所以有較高的剩餘強度。比較 BL-TO-P2N 與 BL-HO-P2 可以看出， 當 T 型鋼骨承受負彎矩時，由於鋼骨面積多集中於拉力側，使得構材極限彎矩 強度提高。從圖形上可以發現，在極限值之後，BL-TO-P2N 在壓力側的混凝土 沒有鋼骨的圍束，所以強度下降的很快。至於在剩餘強度的比較上，可能是因為 鋼骨的含量較少，所以雖然十字形鋼骨對壓力區的混凝土提供了圍束的效果，但 因其範圍較小，所以與未受到圍束的結果差異性不大。類似的情形也出現在鋼骨 含量較高(5.54%)的試體，唯因鋼骨圍束效果較好，BH-TO-P2N 之殘餘強度較之. BH-HO-P2 為高。 (二)軸力比 為瞭解不同軸力比對鋼骨鋼筋混凝土構材極限彎矩強度的影響，試驗中對相 同斷面分別施以不同的軸力比(0.2Pn、0.4Pn)。觀察 BL-TE-P2P、BL-TE-P4P，兩 者同為鋼骨含量 3.2%、偏心距 6.8cm 的 T 字型鋼骨承受正彎矩作用，從圖 3.22 中顯示，因鋼骨偏壓力側且在較高軸力作用之下，斷面得以承受較高的正彎矩。 但是在極限彎矩值之後，也因為較高軸力的影響，使得其 P-Δ效應增大，降低 了高軸力作用下的韌性。在構材承受負彎矩方面，如同上述原因，BL-TE-P4N 因高軸力作用及偏心距的加成作用下，使梁柱構材在未施以側向力時，即承受極 高的正彎矩，因此比較 BL-TE-P2N、BL-TE-P4N 的荷重-位移圖可以發現，低軸 力承受了較高的極限彎矩強度，也擁有較良好的剩餘強度。含鋼骨量較高的. 26.
(41) BH-TE-P2P、BH-TE-P4P 兩試體，兩者均為偏心高鋼骨含量受正彎矩作用，從圖 3.23 可以看出受 0.4Pn 軸力作用的 BH-TE-P4P 有較高的極限強度，但是在極限之 後的韌性表現上則不如 BH-TE-P2P。在負彎矩方面，BH-TE-P2N、BH-TE-P4N 的荷重-位移曲線可以看出，較高軸力作用下的試體 BH-TE-P4N 在極限彎矩強度 與韌性的表現皆不如試體 BH-TE-P2N，其原因與 BL-TE-P2N、BL-TE-P4N 相同。. (三)偏心距 偏心距的有無除了影響全斷面鋼骨的配置情形外，對於在高軸力作用下的鋼 骨鋼筋混凝土梁柱構材的極限彎矩強度也有影響。為探討偏心距對 SRC 梁柱構 材軸力-彎矩極限強度的差異，試驗規劃以四組(BL-TE-P2P、BL-TO-P2P；. BL-TE-P2N、BL-TO-P2N；BH-TE-P2P、BH-TO-P2P；BH-TE-P2N、BH-TO-P2N) 試體做比較探討。比較試體 BL-TE-P2P、BL-TO-P2P，從兩試體鋼骨分佈的位置 上可以發現，BL-TE-P2P 的鋼骨幾乎都集中於受壓側，而 BL-TO-P2P 的鋼骨則 有部分分佈在受拉側，因此當兩試體在受到正彎矩作用時，BL-TO-P2P 能提供 較高的承載能力，但是在剩餘強度上的表現，則因不若 BL-TE-P2P 能提供壓力 區混凝土較多的圍束面積，所以其剩餘強度較差。類似的情況也出現在承受負彎 矩作用之試體，比較試體 BL-TE-P2N、BL-TO-P2N 可以發現，由於 BL-TE-P2N 擁有較多的鋼骨面積可抵抗拉力側的承載，因此在極限彎矩強度的表現較為良 好，也因為兩試體皆為低鋼骨含量承受負彎矩作用，因此鋼骨對於壓力區混凝土 所提供的圍束效應不高，兩者在極限強度後的韌性表現都很差。 在高鋼骨含量的部份，由於鋼骨含量高，偏心量較低鋼骨含量試體小，所以 鋼骨在斷面的配置上差異性不是很明顯，因此不論是在正負彎矩作用時，所能提 供的圍束效果差異並不大。比較試體 BH-TE-P2P、BH-TO-P2P，兩者在正彎矩 的極限彎矩強度與剩餘強度的表現上並無太大的差異；相同的情況也出現在負彎 矩作用的試體 BH-TE-P2N、BH-TO-P2N。. 27.
(42) 3.4 試體參數變化對韌性之影響 為了解各試體參數對 SRC 短柱與梁柱構材韌性的影響，本研究以試體在極 限破壞後強度降至極限值之 85%時的變位，與極限值發生時的變位量做一比較， 定義韌性值=δ0.85P/δP。比較結果詳見表 3.5。結果顯示，在短柱試驗部份，試 驗參數之變化對構材韌性影響不大。在梁柱試驗之試體參數變化對構材韌性的影 響歸納如下：. (一) 鋼骨型式 試體 BL-TO-P2P、BL-TO-P2N、BL-HO-P2，分別為鋼骨含量 3.2%不具偏心 之 T 字型與十字型鋼骨，承受 0.2Pn 軸力與正、負彎矩作用之 SRC 試體。從表. 3.5 可以發現，試體 BL-TO-P2P 與 BL-TO-P2N 在正負彎矩作用下，內含 T 字型 鋼骨之構材在承受正彎矩作用下擁有較為良好的韌性表現，此乃因受到正彎矩作 用時，構材受壓側所能提供圍束的鋼骨面積較多所致。鋼骨型式的不同，在正彎 矩作用時，鋼骨所能提供的圍束面積差異不大，因此在韌性表現上十分接近。但 是在負彎矩作用下之試體 BL-TO-P2N，T 字型鋼骨所能提供圍束的面積遠較十 字型鋼骨少，造成兩者在韌性表現上的差異。 鋼骨含量 5.54%的 SRC 試體，試體 BH-TO-P2P、BH-TO-P2N 在正負彎矩作 用下，內含 T 字型鋼骨之構材在承受正彎矩作用下擁有較為良好的韌性表現， 其原因同上述。由於鋼骨含量較高，造成 SRC 構材在內含鋼骨型式為 T 字型與 十字型的情況時，T 字型鋼骨在正彎矩作用下，在壓力側能提供較大的圍束面 積，擁有較佳的韌性，在負彎矩作用下則差異性不大。. (二) 軸力比 試體編號 BL-TE-系列與 BH-TE-系列，分別為鋼骨含量 3.2%與 5.54%具偏 心 T 字型鋼骨，承受 0.2Pn 與 0.4Pn 軸力與正、負彎矩作用之 SRC 試體。從試驗 28.
(43) 結果顯示，SRC 梁柱構材在承受較高軸力作用下，不論構材承受正彎矩或負彎 矩作用，其韌性表現皆不如承受 0.2Pn 軸力作用的試體，此乃因高軸力作用時，. P-Δ效應所產生的彎矩較大，加速了試體側向力的下降所致。 (三) 偏心距 試體編號 BL-TE-P2P、BL-TO-P2P 與 BL-TE-P2N、BL-TO-P2N，為鋼骨含 量 3.2%之具有偏心與不距偏心 T 字型鋼骨，承受 0.2Pn 軸力與正、負彎矩作用之 試體。比較試體 BL-TE-P2P 與 BL-TO-P2P 為低鋼骨量的 T 型鋼骨受 0.2Pn 軸力 與正彎矩作用，從鋼骨分佈的位置上可以發現，試體 BL-TE-P2P 的鋼骨幾乎都 集中於受壓側，而試體 BL-TO-P2P 的鋼骨則有部分分佈在受拉側，因此在極限 破壞後，試體 BL-TE-P2P 在受壓側能提供較 BL-TO-P2P 多的鋼骨面積對混凝土 產生圍束；試體 BL-TE-P2N 與 BL-TO-P2N 為低鋼骨量的 T 型鋼骨受 0.2Pn 軸力 與負彎矩作用，比較兩試體發現，由於兩者的鋼骨面積多集中在受拉側，因此兩 試體在韌性表現上並無太大的差異性。相同的情形也出現在試體 BH-TE-P2P、. BH-TO-P2P 與 BH-TE-P2N、BH-TO-P2N，在正彎距作用下，具有偏心量的鋼骨 表現出較佳的韌性，而在負彎矩作用下，偏心量的有無對試體韌性無太大的影響。. 3.5 強度預測與試驗值之比較 本文中以 BIAX 程式分析值作為理論值和試驗值作一比較探討。BIAX 程式 是由美國加州柏克萊大學於 1989 年所發展出應用於鋼筋混凝土結構計算之應用 軟體，主要計算方式仍以 ACI 規範所提供的計算方式為主，其與 ACI 計算之差 異乃在於程式中是以切片法將混凝土分割成若干塊，在套用混凝土之應力應變計 算混凝土部份所提供之壓力，而不以 whitney 所提出的矩形應力塊計算。故兩者 在構材強度計算的結果將有所差異。 為了探討現行設計公式與 BIAX 程式分析的理論推導值是否能夠正確預測 29.
(44) 出 SRC 短柱與梁柱試體的極限彎矩強度，本文採用 ACI 318-95、AIJ(GSM)、BIAX 與內政部建築研究所專題研究計劃「鋼骨鋼筋混凝土構造(SRC)設計規範與解說 研究」的設計公式與考慮 P-Δ效應之試驗值做一比較，各規範預測之 P-M 曲線 為不考慮二次彎矩與強度折減係數之結果。規範預測之 P-M 曲線詳見圖. 3.24~3.29。為比較試驗結果與規範預測值之準確性，各規範以彎矩放大係數 B1 考慮 P-Δ效應之影響，其結果詳見表 3.6 與 3.7。結果顯示，ACI 與 AIJ 規範能 準確預測出構材的極限彎矩強度，BIAX 理論分析值準確度次之。. ACI 318-95 所提供的設計方法是將鋼骨視為等量的鋼筋，以一般 RC 的計算 方式計算。從圖 3.24~3.29 可以發現，ACI 所提供的計算方式，不論鋼骨型式及 偏心與否，皆能在保守範圍內準確的預測出構材的極限彎矩強度。本試驗構材在 其規範所採用之強度計算法中須考慮 P-Δ效應的影響，因此以彎矩放大因數 B1 來放大極限彎矩值，與試驗值比較結果見表 3.6 與表 3.7，從表中可發現考慮彎 矩放大後的規範預測值與試驗值更為接近。B1 的計算方法如下：. B1 =. 1 P 1− u Pel. Pel =. π 2 EI (KL) 2. EI =. E c Ig 5. + EsIt. 其中：Pu：斷面承受的軸力. Ec：混凝土之彈性模數 Es：鋼骨之彈性模數 Ig：全斷面慣性矩 It：鋼骨部分對全斷面形心之慣性矩 KL：構材有效未支撐長度 內政部建築研究所專題研究計劃「鋼骨鋼筋混凝土構造(SRC)設計規範與解 說研究」 ，其主要理論依據在於強度疊加的概念，係將 SRC 構材中鋼骨與 RC 的 強度分別依照 LRFD 與 ACI 之程序計算，然後再將兩者計算所得的強度予以疊 加，視之為 SRC 之構材強度，故理論上斷面須有對稱性。在假設不考慮鋼骨偏 30.
(45) 心的條件，進行此方法(ABRI)之強度計算。從圖 3.24~3.29 中可發現，規範預測 值不論偏心與否，皆能使預測值落在保守側。本試驗構材為考慮 P-Δ效應的影 響時，以彎矩放大因數 B1 加以考量其影響，其結果見表 3.6 與表 3.7，從表中可 發現，考慮彎矩放大後的預測值與試驗值更為接近。B1 值之計算方法如下：. B1 =. 1 P 1− u Pel. Pel =. π 2 EI (KL) 2. EI =. EcIg 5. + Es Is. 其中：Pu：斷面承受的軸力. Ec：混凝土之彈性模數 Es：鋼骨之彈性模數 Ig：全斷面慣性矩 Is：鋼骨部分對其斷面形心之慣性矩 KL：構材有效未支撐長度 AIJ 之設計觀念主要以強度疊加作為基礎，其疊加方式有二，一為「簡單疊 加法(SSM)」，該法係將 SRC 構材中的鋼骨與 RC 視為獨立的個體，分別計算其 強度再進行簡單的疊加。規範中所提供的疊加方式僅適用於對稱斷面 SRC 構 材，在非對稱斷面的應用上建議可在偏安全側將其置換為對稱斷面進行疊加。本 計劃之試驗構材除斷面非對稱之外，尚具有偏心距等參數，因此並無法以此疊加 法預測構材之極限彎矩強度，故不列入比較討論。. AIJ 規範另一疊加法為「一般疊加法(GSM)」 ，該法係直接將鋼骨與 RC 的強 度直接疊加，但其對 SRC 構材中鋼骨與 RC 部分所承擔的軸力與彎矩比例並沒 有限制，只要鋼骨與 RC 兩者的軸向與撓曲強度之和分別大於結構分析所得的需 求軸力與彎矩即可。因此一般疊加法可以調整設計斷面至最經濟的組合。本試驗 構材在其強度計算法在其強度計算法中皆滿足 KL≦12D 之規定(D 為斷面較短邊 之長度)，故可不計入 P-Δ效應對彎矩之影響。此法與試驗值比較的結果詳見表. 3.6、3.7 與圖 3.24~3.29，結果顯示 GSM 所預測出的結果，不論鋼骨偏心與否皆 31.
(46) 能準確預測出構材的極限彎矩強度。 本文中以 BIAX 程式之分析值作為理論值，但是在 BIAX 程式計算過程中僅 考慮斷面之極限彎矩強度，並未考量構材的細長比效應，因此本文比較理論值與 試驗值時，以理論推導的彎矩放大因數 B1 考慮 P-Δ效應的影響。理論推導值與 試驗值比較結果詳見表 3.6 與表 3.7 與圖 3.24~3.29。其結果顯示理論推導值與試 驗值表較結果雖較 ACI 為保守，但也能十分接近的預測出構材的極限強度。B1 值的理論模型見圖 3.30，圖中Δ0 為側向力 Vu 所造成之變位，Δa 為 P-Δ彎矩所 造成之變位，M0 為側向力 Vu 所形成之彎矩，Mmax 為構材斷面所承受的總彎矩 量。其推導如下：. 1 (M 0 × 0.3775L × 0.1225L ) + 1 (0.378L )2 × M 0 × 2 3 EI 2 1 = 0.0462M 0 L2 + 0.0476M 0 L2 EI 0.0938 = M 0 L2 EI. ∆0 =. (. ). P PL P (∆ 0 + ∆ a ) ⇒ ∆ a = ∆ 0 PE ∆ a = 2 (∆ 0 + ∆ a ) = P PE π EI 1− PE 1 0.0938 1 ∆ = ∆0 + ∆a = ∆0 = M 0 L2 P 1− α EI 1− PE 2. 其中 α =. P PE. M max = M 0 + P × ∆ = M0 +. 0.0938 1 PM 0 L2 EI 1− α . 0.926α = M 0 1 + 1− α 1 − 0.074α = M0 1− α = B1 × M 0 32. .
(47) 故可得 B1 =. 1 − 0.074α 1− α. 從各規範預測值與試驗值比較之結果顯示，ACI 與 AIJ 規範能準確預測構材 之極限彎矩強度，BIAX 理論分析值次之。在內政部建築研究所專題研究計劃「鋼 骨鋼筋混凝土構造(SRC)設計規範與解說研究」中，限制 SRC 構材在承受軸力與 彎矩作用時，當構材承受雙彎矩作用時，其斷面須為雙對稱斷面，當構材承受單 彎矩作用時，其斷面須為單對稱斷面，從試驗結果中雖顯示其極限彎矩強度預測 值皆落在保守側，但均為未考慮斷面不對稱性之結果，因此未能真切反映出構材 之強度與行為，因此建議其在非對稱斷面應用時，採 ACI 規範與 AIJ 規範之強 度計算法進行設計。附錄 B 中提供採用 ACI 規範計算之計算例以供參考。. 33.
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