鋼筋混凝土梁柱接頭火害後之行為初探
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(2) （國科會 GRB 編號） PG9710-0031 （本部計畫編號） 097-301070000-G2012. 鋼筋混凝土梁柱接頭火害後之行為 鋼筋混凝土梁柱接頭火害後之行為 初探. 研 究 人 員：李其忠副研究員 李其忠副研究員 王天志助理研究員 王天志助理研究員. 內政部建築研究所自行研究報告 中華民國 97 年 10 月.
(3) ARCHITECTURE AND BUILDING RESEARCH INSTITUTE MINSTRY OF THE INTERIOR RESEARCH PROJECT PEPORT. Estimate for the Reinforced Concrete Beam-Column Joints after Exposed to Fire. BY. Lee,ChiLee,Chi-Chung Wang,TienWang,Tien-Chih. OCTOBER,2008.
(4) 目次 表次 ………………………………………………………………………Ⅱ ………………………………………………………………………Ⅱ 圖次 ………………………………………………………………………Ⅲ ………………………………………………………………………Ⅲ 摘 要 … …… … …… … … …… … …… … … …… … …… … … …… … Ⅸ 第一章 緒論…………………………………………………………… 緒論 ……………………………………………………………1 …………………………………………………………… 1 第一節 研究計劃背景與目的…………………………………… 研究計劃背景與目的……………………………………1 ……………………………………1 第二節 研究範圍………………………………………………… 研究範圍…………………………………………………2 …………………………………………………2 第三節 研究方法及進行步驟………………………………… 研究方法及進行步驟 …………………………………2 ………………………………… 2 第二章 文獻回顧………………………………………………3 第一節 混凝土高溫下特性………………………………… 混凝土高溫下特性 …………………………………3 ………………………………… 3 第 二 節 混凝土火 混凝土 火 害後的力學行為………………………… 害後的力學行為 …………………………1 ………………………… 1 1 第 三 節 鋼筋火害後之力學性質…………………………… 鋼筋火害後之力學性質 ……………………………1 …………………………… 1 4 第四節 火害鋼筋混凝土柱的力學行為……………………… 火害鋼筋混凝土柱的力學行為………………………16 ………………………16 第五節 火害鋼筋混凝土梁 火害鋼筋混凝土梁的力學行為……………………… 的力學行為………………………17 ………………………17 第三章 試驗規劃與試驗方法…… 試驗規劃與試驗方法……… ………………………………………… ………………………………1 ………………………19 第一節 試驗設備…… 試驗設備 … ……………………………………… ……………………… ………………1 ……………… 1 9 第二節 升溫曲線………… 升溫曲線………………… ……………………………………………… ……………………………………2 ……………………………23 第三節 梁柱接頭試體製作 柱接頭試體製作…………………………………… 試體製作……………………………………2 ……………………………………25 第四節 試驗方法…………………………………………… 試驗方法 ……………………………………………2 …………………………………………… 2 7 第四章 試驗結果 ………………………………………………47 第一節 定載加熱試驗…… 定載加熱試驗……… ………………………………………… ………………………………4 ………………………47 第二節 未受火害及火害後加載試驗……… 未受火害及火害後加載試驗………… …………………………88 ………………88 第五章 結論與建議 結論與建議………………… 與建議………………………… …………………………………………………… …………………………………103 …………………………103 第一節 結論………………… 結論 ……………………………………………… ………………… ……………………………103 …………………………… 103 第二節 建議……………………………………………… 建議 ………………………………………………104 ……………………………………………… 104 附 錄 期初及期中審查紀錄 ………………… ……………………………………… …………………………105 ……………………105 參考書目 …………………………………………………………… ……………………………………………… ………… 111. I.
(5) II.
(6) 表次 表 3-1 鋼筋的降伏強度及極限強度…………………………………31 31 鋼筋的降伏強度及極限強度 表 3-2 普通混凝土配比 31 普通混凝土配比 ……………………………………………31 表 3-3 自充填混凝土配比表 ………………………………………3 32 表 3-4 實驗規劃表…………………………………………………… 實驗規劃表……………………………………………………3 ……………………………………………………33. II.
(7) 圖次. 圖次 圖2.1. 骨材與水泥漿體之熱應變圖……………………………………… 骨材與水泥漿體之熱應變圖……………………………………… 4. 圖2.2. 骨材與水泥漿體界裂縫示意圖………………………… 骨材與水泥漿體界裂縫示意圖…………………………………… …………………………………… 5. 圖2.3. 混凝土熱傳導率……………… 混凝土熱傳導率…………………………………………………… …………………………………………………… 5. 圖2.4. 混凝土比熱…………………………………… 混凝土比熱………………………………………………………… ………………………………………………………… 6. 圖2.5. 表面剝離…………………… 表面剝離…………………………………………………………… …………………………………………………………… 8. 圖2.6. 粒料劈裂… 粒料劈裂…………………………………………………………… ………………………………………………………… 9. 圖2.7. 角隅剝離 ……………………………………………………… ………………………………………………………… ……………………… 9. 圖2.8. 不同骨材之混凝土抗壓強度折減與溫度的關係……………… 不同骨材之混凝土抗壓強度折減與溫度的關係………………… ………………… 11. 圖2.9. 受高溫及冷卻後混凝土抗壓強度隨時間回復之情形…………… 受高溫及冷卻後混凝土抗壓強度隨時間回復之情形…………… 12. 圖2.10. #4鋼筋受高溫後 #4鋼筋受高溫後鋼筋降伏強度折減情形 鋼筋受高溫後鋼筋降伏強度折減情形………………………… 鋼筋降伏強度折減情形………………………… 15. 圖3.1. 小型多功能耐火爐裝置…………………………………………… 小型多功能耐火爐裝置…………………………………………… 19. 圖3.2. 試體、 試體、加載設備與小型高溫爐裝置 加載設備與小型高溫爐裝置……………………………… 小型高溫爐裝置……………………………… 20. 圖3.3. 柱端鉸接連接頭裝置 柱端鉸接連接頭裝置……………………………………………… 裝置……………………………………………… 20. 圖3.4. 柱上端鉸接連接頭及抗水平力桿裝置 柱上端鉸接連接頭及抗水平力桿裝置………………………… 裝置…………………………… …………………………… 21. 圖3.5. 梁端傳力桿及抗水平力桿裝置 梁端傳力桿及抗水平力桿裝置…………………………………… 裝置…………………………………… 21. 圖3.6. 梁端滾支承裝置 梁端滾支承裝置…………………………………………………… 裝置…………………………………………………… 22. 圖3.7. 試體防止傾倒鋼架………………………………… 試體防止傾倒鋼架…………………………………………… ……………………………………………… ……………… 23. 圖3.8. 標準加熱溫度－ 標準加熱溫度－時間曲線………………………………………… 時間曲線………………………………………… 24. 圖3.9. 梁柱試體配筋立面圖……………………………………………… 梁柱試體配筋立面圖……………………………………………… 34. 圖3.10. 主梁配筋圖（ 主梁配筋圖（b×h＝25 ㎝×35 ㎝）………………………………… ㎝）………………………………… 34. 圖3.11 .11. 柱配筋圖（ 柱配筋圖（35 ㎝×35 ㎝）………… ㎝）………………………………………… ………………………………………… 35. 圖3.12 .12. 邊梁配筋圖（ 梁配筋圖（b×h＝25 ㎝×35 ㎝）……………………………… ㎝）……………………………… 35. 圖3.13. 梁柱試體熱電偶線配置圖………………………………………… 梁柱試體熱電偶線配置圖………………………………………… 36. 圖3.14 .14. 柱上下端斷面混凝土熱電偶配置圖 上下端斷面混凝土熱電偶配置圖……………………………… 混凝土熱電偶配置圖……………………………… 36. 圖3.15 .15. 柱上端斷面 柱上端斷面鋼筋熱電偶配置圖 斷面鋼筋熱電偶配置圖…………………………………… 鋼筋熱電偶配置圖…………………………………… 37. 圖3.16 .16. 柱下端斷面 柱下端斷面鋼筋熱電偶配置圖 斷面鋼筋熱電偶配置圖…………………………………… 鋼筋熱電偶配置圖…………………………………… 37 III.
(8) 圖次. 圖3.17 .17. 主梁斷面混凝土熱電偶配置圖…………………………………… 主梁斷面混凝土熱電偶配置圖…………………………………… 38. 圖3.18. 主梁斷面 主梁斷面鋼筋熱電偶配置圖 斷面鋼筋熱電偶配置圖……………………………………… 鋼筋熱電偶配置圖……………………………………… 38. 圖3.19 .19. 梁柱接頭區混凝土熱電偶配置圖………………………………… 梁柱接頭區混凝土熱電偶配置圖………………………………… 39. 圖3.20. 梁柱接頭區鋼筋熱電偶配置圖…………………………………… 梁柱接頭區鋼筋熱電偶配置圖…………………………………… 39. 圖3.21. 梁柱鋼筋籠完成照片……………………………………………… 梁柱鋼筋籠完成照片……………………………………………… 40. 圖3.22. 熱電耦線埋設照片………………………………………………… 熱電耦線埋設照片………………………………………………… 40. 圖3.23. 應變計黏貼照片…………………………………………………… 應變計黏貼照片…………………………………………………… 41. 圖3.24. 模板組立照片……………………………………………………… 模板組立照片……………………………………………………… 41. 圖3.25. 梁柱試體拆模……………………………………………………… 梁柱試體拆模……………………………………………………… 42. 圖3.26. 圓柱試體熱電耦線埋設位置 圓柱試體熱電耦線埋設位置……………………………………… 試體熱電耦線埋設位置……………………………………… 42. 圖3.27. 位移量測計畫圖 位移量測計畫圖（ 量測計畫圖（高溫與常溫） 高溫與常溫）………………………………… 43. 圖3.28. 常溫試驗試體安裝於耐火爐 常溫試驗試體安裝於耐火爐照 試體安裝於耐火爐照片………………………………… 43. 圖3.29. 常溫試驗試體位移量測裝置完成照片 常溫試驗試體位移量測裝置完成照片…………………………… 試體位移量測裝置完成照片…………………………… 44. 圖3.30. 高溫試驗試體安裝於耐火爐 高溫試驗試體安裝於耐火爐照 試體安裝於耐火爐照片………………………………… ………………………………… 44. 圖3.31 .31. 高溫試驗前量 高溫試驗前量取相對濕度照片 取相對濕度照片… 照片…………………………………… …………………………… 45. 圖4.1（ 4.1（a）爐內平均試驗溫度與 CNS 12514 升溫曲線比較… 升溫曲線比較………………… 56 圖4.1（ 4.1（b）爐內溫度時間許可差圖… 爐內溫度時間許可差圖…………………………………………… 57 圖4.1（ 4.1（c）爐內壓力許可差圖………………………………………………… 爐內壓力許可差圖………………………………………………… 57 圖4.2（ 4.2（a）NC2 試體主梁斷面混凝土溫度 試體主梁斷面混凝土溫度主梁斷面混凝土溫度-時間曲線圖 時間曲線圖…… 曲線圖……………………… ……………………… 58 圖4.2（ 4.2（b）NC2 試體主梁斷面鋼筋溫度 試體主梁斷面鋼筋溫度主梁斷面鋼筋溫度-時間曲線圖 時間曲線圖………………………… 曲線圖………………………… 58 圖4.3（ 4.3（a）NC2 試體柱下端斷面混凝土溫度試體柱下端斷面混凝土溫度-時間曲線圖…… 時間曲線圖……… …………………… …………… 59 圖4.3 4.3（b）NC2 試體柱下端斷面鋼筋溫度 試體柱下端斷面鋼筋溫度柱下端斷面鋼筋溫度-時間曲線圖 時間曲線圖… 曲線圖……………………… 59 圖4.4（ 4.4（a）NC2 試體柱上 試體柱上端斷面混凝土溫度端斷面混凝土溫度-時間曲線圖…… 時間曲線圖……… …………………… 60 圖4.4（ 4.4（b）NC2 試體柱 試體柱上端斷面鋼筋溫度端斷面鋼筋溫度-時間曲線圖 時間曲線圖… 曲線圖……………………… 60 圖4.5（ 4.5（a）NC2 試體梁 試體梁柱接頭區混凝土溫度 接頭區混凝土溫度混凝土溫度-時間曲線圖…… 時間曲線圖……… …………………… 61 圖4.5（ 4.5（b）NC2 試體梁 試體梁柱接頭區鋼筋溫度 接頭區鋼筋溫度鋼筋溫度-時間曲線圖 時間曲線圖… 曲線圖……………………… 61 圖4.6（ 4.6（a）NC3 NC3 試體主梁斷面混凝土溫度 試體主梁斷面混凝土溫度主梁斷面混凝土溫度-時間曲線圖 時間曲線圖…… 曲線圖……………………… ……………………… 62 圖4.6（ 4.6（b）NC3 NC3 試體主梁斷面鋼筋溫度 試體主梁斷面鋼筋溫度主梁斷面鋼筋溫度-時間曲線圖 時間曲線圖………………………… 曲線圖………………………… 62 IV.
(9) 圖次. 圖4.7（ 4.7（a）NC3 NC3 試體柱下端斷面混凝土溫度試體柱下端斷面混凝土溫度-時間曲線圖…… 時間曲線圖……… …………………… 63 圖4.7 4.7（b）NC3 NC3 試體柱下端斷面鋼筋溫度 試體柱下端斷面鋼筋溫度柱下端斷面鋼筋溫度-時間曲線圖 時間曲線圖… 曲線圖……………………… 63 圖4.8（ 4.8（a）NC3 NC3 試體柱上 試體柱上端斷面混凝土溫度端斷面混凝土溫度-時間曲線圖…… 時間曲線圖……… …………………… 64 圖4.8（ 4.8（b）NC3 NC3 試體柱 試體柱上端斷面鋼筋溫度端斷面鋼筋溫度-時間曲線圖 時間曲線圖… 曲線圖……………………… 64 圖4.9（ 4.9（a）NC3 NC3 試體梁 試體梁柱接頭區混凝土溫度 接頭區混凝土溫度混凝土溫度-時間曲線圖…… 時間曲線圖……… …………………… 65 圖4.9（ .9（b）NC3 NC3 試體梁 試體梁柱接頭區鋼筋溫度 接頭區鋼筋溫度鋼筋溫度-時間曲線圖 時間曲線圖… 曲線圖……………………… 65 圖4.10（ 4.10（a）SCC SCC3 試體主梁斷面混凝土溫度 試體主梁斷面混凝土溫度主梁斷面混凝土溫度-時間曲線圖 時間曲線圖…… 曲線圖…………………… …………………… 66 圖4.10（ 4.10（b）SCC SCC3 試體主梁斷面鋼筋溫度 試體主梁斷面鋼筋溫度主梁斷面鋼筋溫度-時間曲線圖 時間曲線圖……………………… 曲線圖……………………… 66 圖4.11（ 4.11（a）SCC SCC3 試體柱下端斷面混凝土溫度試體柱下端斷面混凝土溫度-時間曲線圖… 時間曲線圖………………… 67 圖4.11 4.11（ 11（b）SCC SCC3 試體柱下端斷面鋼筋溫度 試體柱下端斷面鋼筋溫度柱下端斷面鋼筋溫度-時間曲線圖 時間曲線圖… 曲線圖…………………… 67 圖4.12（ 4.12（a）SCC SCC3 試體柱上 試體柱上端斷面混凝土溫度端斷面混凝土溫度-時間曲線圖… 時間曲線圖………………… 68 圖4.12（ 4.12（b）SCC SCC3 試體柱 試體柱上端斷面鋼筋溫度端斷面鋼筋溫度-時間曲線圖 時間曲線圖… 曲線圖…………………… 68 圖4.13（ 4.13（a）SCC SCC3 試體梁 試體梁柱接頭區混凝土溫度 接頭區混凝土溫度混凝土溫度-時間曲線圖…… 時間曲線圖……… ………………… 69 圖4.13（ 4.13（b）SCC SCC3 試體梁 試體梁柱接頭區鋼筋溫度 接頭區鋼筋溫度鋼筋溫度-時間曲線圖 時間曲線圖… 曲線圖…………………… 69 圖4.14（ 4.14（a）SCC SCC5 試體主梁斷面混凝土溫度 試體主梁斷面混凝土溫度主梁斷面混凝土溫度-時間曲線圖 時間曲線圖…… 曲線圖…………………… …………………… 70 圖4.14（ 4.14（b）SCC SCC5 試體主梁斷面鋼筋溫度 試體主梁斷面鋼筋溫度主梁斷面鋼筋溫度-時間曲線圖 時間曲線圖……………………… 曲線圖……………………… 70 圖4.15（ 4.15（a）SCC SCC5 試體柱下端斷面混凝土溫度試體柱下端斷面混凝土溫度-時間曲線圖… 時間曲線圖………………… 71 圖4.15 4.15（ 15（b）SCC SCC5 試體柱下端斷面鋼筋溫度 試體柱下端斷面鋼筋溫度柱下端斷面鋼筋溫度-時間曲線圖 時間曲線圖… 曲線圖…………………… 71 圖4.16（ 4.16（a）SCC SCC5 試體柱上 試體柱上端斷面混凝土溫度端斷面混凝土溫度-時間曲線圖… 時間曲線圖………………… 72 圖4.16（ 4.16（b）SCC SCC5 試體柱 試體柱上端斷面鋼筋溫度端斷面鋼筋溫度-時間曲線圖 時間曲線圖… 曲線圖…………………… 72 圖4.17（ 4.17（a）SCC SCC5 試體梁 試體梁柱接頭區混凝土溫度 接頭區混凝土溫度混凝土溫度-時間曲線圖…… 時間曲線圖……… ………………… 73 圖4.17（ 4.17（b）SCC SCC5 試體梁 試體梁柱接頭區鋼筋溫度 接頭區鋼筋溫度鋼筋溫度-時間曲線圖 時間曲線圖… 曲線圖…………………… 73 圖4.18 4.18. NC2 試體主梁端 試體主梁端變形變形-時間圖… 時間圖……………………………… ………………………………… 74. 圖4.19（ 4.19（a）NC2 試體柱上端垂直變形試體柱上端垂直變形-時間圖… 時間圖………………………………… 74 圖4.19 4.19（ 19（b）NC2 試體柱下 試體柱下端垂直變形端垂直變形-時間圖… 時間圖………………………………… 75 圖4.20 4.20. NC3 NC3 試體主梁端 試體主梁端變形變形-時間圖… 時間圖……………………………………… 75. 圖4.21（ 4.21（a）NC3 NC3 試體柱上端垂直變形試體柱上端垂直變形-時間圖… 時間圖………………………………… 76 圖4.21（ 4.21（b）NC3 NC3 試體柱下 試體柱下端垂直變形端垂直變形-時間圖… 時間圖………………………………… 76 V.
(10) 圖次. 圖4.22. NC3 NC3 試體邊 試體邊梁垂直變形梁垂直變形-時間圖… 時間圖…………………………………… 77. 圖4.23 4.23. SCC SCC3 試體主梁端 試體主梁端變形變形-時間圖… 時間圖…………………………………… 77. 圖4.24（ 4.24（a）SCC SCC3 試體柱上端垂直變形試體柱上端垂直變形-時間圖… 時間圖……………………………… 78 圖4.24（ 4.24（b）SCC SCC3 試體柱下 試體柱下端垂直變形端垂直變形-時間圖… 時間圖……………………………… 78 圖4.25. SCC SCC3 試體邊 試體邊梁垂直變形梁垂直變形-時間圖… 時間圖………………………………… 79. 圖4.26. SCC SCC5 試體主梁端 試體主梁端變形變形-時間圖… 時間圖…………………………………… 79. 圖4.27（ 4.27（a）SCC SCC5 試體柱上端垂直變形試體柱上端垂直變形-時間圖… 時間圖……………………………… 80 圖4.27（ 4.27（b）SCC SCC5 試體柱下 試體柱下端垂直變形端垂直變形-時間圖… 時間圖……………………………… 80 圖4.28. SCC SCC5 試體邊 試體邊梁垂直變形梁垂直變形-時間圖… 時間圖………………………………… 81. 圖4.29 4.29. NC2 試體火害後照片……………………………………………… 試體火害後照片……………………………………………… 81. 圖4.30 4.30（ 30（a）NC2 試體柱下端 試體柱下端火害後表面裂縫 柱下端火害後表面裂縫………………………………… 火害後表面裂縫………………………………… 82 圖4.30（ 4.30（b）NC2 試體主梁火害後表面裂縫… 試體主梁火害後表面裂縫…………………………………… 82 圖4.31. NC3 NC3 試體火害後照片……………………………………………… 試體火害後照片……………………………………………… 83. 圖4.32（ 4.32（a）NC3 NC3 試體柱下端 試體柱下端火害後表面 柱下端火害後表面裂縫 火害後表面裂縫………………………………… 裂縫………………………………… 83 圖4.32（ 4.32（b）NC3 NC3 試體主梁火害後表面裂縫… 試體主梁火害後表面裂縫…………………………………… 84 圖4.33. SCC SCC3 試體火害後照片……………………………………………… 試體火害後照片……………………………………………… 84. 圖4.34（ 4.34（a）SCC SCC3 試體柱下端 試體柱下端火害後表面裂縫 柱下端火害後表面裂縫………………………………… 火害後表面裂縫………………………………… 85 圖4.34（ 4.34（b）SCC SCC3 試體主梁火害後表面裂縫… 試體主梁火害後表面裂縫…………………………………… 85 圖4.35. SCC5 試體火害中主梁端滲水照片………………………………… 試體火害中主梁端滲水照片………………………………… 86. 圖4.36. SCC SCC5 試體火害後照片…………………………… 試體火害後照片……………………………………………… ……………………………………………… 86. 圖4.37（ 4.37（a）SCC SCC5 試體柱下端 試體柱下端火害後表面裂縫 柱下端火害後表面裂縫………………………………… 火害後表面裂縫………………………………… 87 圖4.37（ 4.37（b）SCC SCC5 試體主梁火害後表面裂縫… 試體主梁火害後表面裂縫…………………………………… 87 圖4.38 4.38. 常溫極限承載試驗試體裂縫發展情形…………………………… 常溫極限承載試驗試體裂縫發展情形…………………………… 91. 圖4.39 4.39（a）常溫極限承載試驗試體破壞照片（ 常溫極限承載試驗試體破壞照片（1）…………………………… 91 圖4.39 4.39（b）常溫極限承載試驗試體破壞照片（ 常溫極限承載試驗試體破壞照片（2）…………………………… 92 圖4. 39（c）常溫極限承載試驗試體破壞照片（ 常溫極限承載試驗試體破壞照片（3）…………………………… …………………………… 92 圖4.40 4.40. NC1 試體主梁載重試體主梁載重-垂直變形圖…………………………………… 垂直變形圖…………………………………… 93. 圖4.41 4.41. SCC1 試體主梁載重試體主梁載重-垂直變形圖………………………………… 垂直變形圖………………………………… 93 VI.
(11) 圖次. 圖4.42 4.42. NC2 NC2 試體主梁載重試體主梁載重-垂直變形圖…………………………………… 垂直變形圖…………………………………… 94. 圖4.43. NC3 NC3 試體主梁載重試體主梁載重-垂直變形圖…………………………………… 垂直變形圖…………………………………… 94. 圖4.44 4.44. NC1 NC1、NC2 與 NC3 NC3 主梁載重主梁載重-垂直變形圖比較……………………… 垂直變形圖比較……………………… 95. 圖4.45 4.45. SCC3 SCC3 試體主梁載重試體主梁載重-垂直變形圖………………………………… 垂直變形圖………………………………… 95. 圖4.46. SCC5 SCC5 試體主梁載重試體主梁載重-垂直變形圖………………………………… 垂直變形圖………………………………… 96. 圖4.47 4.47. SCC1 SCC1、SCC3 SCC3 與 SCC5 SCC5 主梁載重主梁載重-垂直變形圖比較………………… 垂直變形圖比較………………… 96. 圖4.48 4.48. NC2 殘餘極限承載試驗試體裂縫發展情形…… 殘餘極限承載試驗試體裂縫發展情形………………… ……………………… ………………… 97. 圖4.49 4.49（a）NC2 殘餘極限承載試驗試體破壞照片（ 殘餘極限承載試驗試體破壞照片（1）………………… ……………………… ………………… 97 圖4.49 4.49（b）NC2 殘餘極限承載試驗試體破壞照片（ 殘餘極限承載試驗試體破壞照片（2）……………………… …………………… 98 圖4.50 4.50. NC3 NC3 殘餘極限承載試驗試體裂縫發展情形……………………… 殘餘極限承載試驗試體裂縫發展情形……………………… 98. 圖4.51 4.51（ 51（a）NC3 NC3 殘餘極限承載試驗試體破壞照片 殘餘極限承載試驗試體破壞照片（ 極限承載試驗試體破壞照片（1）……………………… 99 圖4.51 4.51（ 51（b）NC3 NC3 殘餘極限承載試驗試體破壞照片（ 殘餘極限承載試驗試體破壞照片（2）……………………… 99 圖4.52 4.52. SCC SCC3 殘餘極限承載試驗試體裂縫發展情形……………………… 殘餘極限承載試驗試體裂縫發展情形……………………… 100. 圖4.53 4.53（ 53（a）SCC SCC3 殘餘極限承載試驗試體破壞照片（1）……………………… 100 圖4.53 4.53（ 53（b）SCC SCC3 殘餘極限承載試驗試體破壞照片（2）……………………… 101 圖4.54 4.54. SCC SCC5 殘餘極限承載試驗試體裂縫發展情形……………………… 殘餘極限承載試驗試體裂縫發展情形……………………… 101. 圖4.55 4.55（ 55（a）SCC SCC5 殘餘極限承載試驗試體破壞照片（1）……………………… 102 圖4.55 4.55（ 55（b）SCC SCC5 殘餘極限承載試驗試體破壞照片（2）……………………… 102. VII.
(12) 圖次. VIII.
(13) 摘要. 摘. 要. 關鍵詞： 關鍵詞：火害、 火害、鋼筋混凝土梁柱接頭 鋼筋混凝土梁柱接頭 一、研究緣起 遭受火災後鋼筋混凝土結構物，其受損情況隨火場之情況而異， 為了維護使用上之安全，應進行結構之安全評估。英國混凝土學會 （The Concrete Society）曾調查遭受嚴重火災的混凝土建築物之實 際損傷程度與重建使用狀況，並於 1978 年提出處理火害後混凝土結 構物評估與修補建議，A.K.Tovey 等人根據前述資料表示：混凝土建 築物在嚴重火災中仍具有良好的結構耐火性能，且火害後多可補強繼 續使用，台灣建築物多為鋼筋混凝土造，火害中倒塌案例尚未所聞， 可考慮利用補強而繼續居住或使用，不過高溫後混凝土材料性能會有 所劣化，使建築物承載能力降低，因此如何對火害後鋼筋混凝土建築 物作安全評估是不可或缺的。 二、研究方法及過程 本研究計畫擬利用梁柱接頭試體，其柱斷面為 35 ㎝×35 ㎝，高 度 220 ㎝，主梁斷面 25 ㎝×35 ㎝，跨度 125 ㎝，兩端翼梁斷面 25 ㎝ ×35 ㎝，跨度 42.5 ㎝，柱與梁保護層厚度均依規範規定為 4 ㎝，探 討梁柱接頭在不同混凝土材料（普通及自充填） ，邊/內柱型態下，於. IX.
(14) 鋼筋混凝土梁柱接頭火害後之行為初探. 高溫下耐火性能及高溫後殘餘強度與勁度，以補充鋼筋混凝土結構物 火害後實驗資料與分析。 三、重要發現 目前本研究獲得以下結論： （一） 、未受火害及火害後極限承載試驗結果發現： （1）普通 混凝土試體，火害及未受火害之開裂載重差異不大， 受火害之降伏載重較低，即NC1＞NC2＞NC3，柱體為三 面受熱或四面受熱，兩者梁的載重－位移圖差異不明 顯。（2）自充填混凝土試體，火害及未受火害之開裂 載重差異不大，受火害之降伏載重較低，即SCC1＞SCC3 ＞SCC5。SCC5為柱體四面受熱，由於加熱時發生全面 性爆裂，保護層混凝土幾乎脫落，其降伏載重及極限 載重較低。梁的勁度比較，受火害試體變差，即SCC1 ＞SCC3＞SCC5。（3）火害對梁的負彎矩影響不大。 （二） 、由火害試驗前所量測得試體相對濕度知，混凝土的含 水量對火害有相當程度的影響，由於含水量的存在會使 混凝土 在高溫高壓下，產生爆裂現象，造成混凝土斷 面減少及增加鋼筋暴露於高溫下之危險，因而降低柱、 梁及梁柱接頭的抗火能力及火害後殘餘能力。. X.
(15) 摘要. （三） 、當柱承受彎矩，由於火害時保護層爆裂後，鋼筋直接 曝露在高溫下，使其抗拉強度降低，易使柱的耐火能力 急速降低，承受軸力及彎矩之柱必須注意。 （四） 、加熱、冷卻期間試體內各測點的最高溫度非發生在加 熱結束時，反而在冷卻過程中延緩出現，主要係因試體 表面溫度在加熱結束時開始下降，但仍高於近中心處溫 度，部份熱量仍會往內部傳送，致使內部溫度繼續上 升，加重內部材料損傷。 （五）、由試體內部溫度分佈發現柱下端所受的熱量最大，依 序向柱上端遞減，以 SCC3 試體為例，柱斷面中心點最 高溫度，柱下端為 201.4℃，梁柱接頭區 129.6℃，柱 上端 94.7℃。 四、主要建議事項 建議一 鋼筋混凝土梁柱接頭火害後耐震行為研究：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部營建署 本所近幾年研究，針對鋼筋混凝土梁柱複合構件火害中及火害後行為 已有相當成果，但對於受火害後結構之耐震能力，則仍未進行探討，. XI.
(16) 鋼筋混凝土梁柱接頭火害後之行為初探. 而事實上，在台灣火害後建築物遭受地震侵襲之可能性相當的高，此 方面仍缺少實驗資料，值得進一步探討。. 建議二 鋼筋混凝土梁柱接頭火害行為之電腦數值模擬分析：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部營建署 目前國內外有關 RC 受火災影響之電腦數值模擬軟體，僅針對單一構 進行數值模擬分析，但是對於梁柱接頭受高溫影響之行為，則是少 見，所以亟需建立一套電腦數值模擬模式，以利梁柱複合接頭受高溫 之結構行為分析。. XII.
(17) 摘要. ABSTRACT Keywords： ：fire ,reinforced concrete, beam-column joint During the life cycles, reinforced concrete buildings frequently suffer various degrees of damage due to natural or human causes, especially after several catastrophic earthquake strikes in the recent years in Taiwan. Considering safety and economic reasons, the method of repairing and reinforcing was broadly introduced to those buildings in order to prolong the service lives. The behavior of structure suffering fire damage is so complex and it is impossible to analysis this behavior by analytical method. Full scale beam-column joint testing is very costly and time consuming. The use of empirical equation from testing and numerical technique is feasible way to investigate the behavior of structure suffering fire damage. 10 Beam-column joint specimens have been studied in this research. According to Chapter 21 in ACI 318-05 ,and the heating curve in CNS 12514,the influences of high temperature on the normal concrete and self-compacting concrete are discussed.. XIII.
(18) 鋼筋混凝土梁柱接頭火害後之行為初探. XIV.
(19) 第一章 緒論. 第一章 第一節. 緒論. 研究計畫背景與目的. 遭受火災後鋼筋混凝土結構物，其受損情況隨火場之情況而異，為 了維護使用上之安全，應進行結構之安全評估。英國混凝土學會（The Concrete Society）曾調查遭受嚴重火災的混凝土建築物之實際損傷程 度與重建使用狀況，並於1978年提出處理火害後混凝土結構物評估與修 補建議【14】，A.K.Tovey【15】等人根據前述資料表示：混凝土建築 物在嚴重火災中仍具有良好的結構耐火性能，且火害後多可補強繼續使 用，台灣建築物多為鋼筋混凝土造，火害中倒塌案例尚未所聞，可考慮 利用補強而繼續居住或使用，不過高溫後混凝土材料性能會有所劣化， 使建築物承載能力降低，因此如何對火害後鋼筋混凝土建築物作安全評 估是不可或缺的。 國內外研究機構的加熱爐大多為單獨之柱爐或梁爐，無法進行梁 柱 複 合 構件試驗，以梁 柱 構件為探討主題之文獻資料相當缺乏，許崇 堯【1】曾探討火害後鋼筋握裹衰退及其對梁柱接頭特性影響，不過受 限實驗設備僅能先對梁柱接頭加熱後降至室溫再進行加載實驗，並不是 同時加熱及加載實驗。鄭復平等人【2】利用內政部建築研究所防火實 驗中心之梁柱複合爐，進行鋼筋混凝土梁柱組合體火害行為研究，其研 究成果顯示，混凝土是很好的隔熱材料，柱體內部的溫度與外部溫度有 很大的差異，保護層對鋼筋發揮很大功效，如果沒有承受彎矩下，單純 承受軸力時，大尺寸柱子的耐火能力絕對比小尺寸大很多，故由小尺寸 的試驗結果要直接應用到實際結構物上，預測結果會顯得非常保守。如 果柱子承受彎矩，由於在保護層破裂後，鋼筋直接曝露在高溫下，使其. 1.
(20) 鋼筋混凝土梁柱接頭火害後之行為初探. 抗拉能力降低，柱子的耐火能力會急速降低，承受軸力及彎矩之柱子必 須特別注意。混凝土柱中的含水量對柱的受損也有相當程度的影響，由 於含水量的存在會使混凝土產生爆裂現象，因而降低柱子的耐火能力。. 第二節 研究範圍 本計畫主要研究項目在討論依據 ACI 318-05 第 21 章耐震設計規 定及內政部所頒布之建築技術規則有關耐震設計規定之鋼筋混凝土梁 柱接頭火害後之行為，包括接頭破壞模式、梁柱接頭轉角、梁端剩餘 強度及勁度變化，希望藉由實驗的結果了解梁柱接頭在火害後的受損 程度，以為爾後實際應用參考。. 第三節. 研究方法及進行步驟. 利用梁柱接頭試體，其柱斷面為 35 ㎝×35 ㎝，高度 220 ㎝，主梁 斷面 25 ㎝×35 ㎝，跨度 125 ㎝，兩端翼梁斷面 25 ㎝×35 ㎝，跨度 42.5 ㎝，柱與梁保護層厚度均依規範規定為 4 ㎝，探討梁柱接頭在不同混 凝土材料（普通及自充填），邊/內柱型態下，於高溫下耐火性能及 高溫後殘餘強度與勁度，以補充鋼筋混凝土結構物火害後實驗資料 與分析。. 2.
(21) 第二章 文獻回顧. 第二章. 文獻回顧. 第一節 混凝土高溫下特性 一、混凝土高溫下的化學反應綜合如下【3，4】： （1）溫度達 105℃時，混凝土中的毛細孔及吸附水逐漸散失。 （2）溫度達 200℃時，CSH 膠體開始失去鍵結水，混凝土內部發 生化學變化。 （3）溫度在 250℃至 350℃之間，混凝土內含 Al2O3 或 Fe2O3 的水 化物內之鍵結水，將大部分喪失。而 CSH 膠體的鍵結水也 會喪失約 20﹪。 （4）溫度在 400℃至 700℃之間，CSH 膠體內保有的 80﹪鍵結水， 將在此階段完全分解。但在 500℃左右，漿體中的水分已分 解殆盡。 （5）溫度在 440℃至 580℃之間，水泥漿體中的 Ca（OH）2 開始分 解，但該反應為可逆。另外，矽質骨材約在 573℃時，SiO2 會由α相轉成β相，由於熱震動能量的增加，使體積產生約 0.4﹪的熱膨脹量。 （6）溫度達 750℃時，石灰質骨材中的碳酸鈣開始分解，釋放出 二氧化碳，該高溫吸熱產生的生石灰（CaO） ，在冷卻後吸收 空氣中的水氣會產生體積膨脹，可能造成混凝土的再次龜裂。 （7）溫度在 800℃至 1000℃之間，水泥的水化物將再被重新燒結 成 C2S、C3S、C4AF 等水泥主要成分。 （8）溫度達 1425℃，剩餘水泥水化物，可能進一步熔解生成 C3S。. 3.
(22) 鋼筋混凝土梁柱接頭火害後之行為初探. 二、混凝土的熱膨脹係數 混 凝 土 之 熱 膨 脹 係 數，隨 著 含 水 量、水 灰 比 及 混 凝 土 之 材 齡 而 變。由 於 水 泥 砂 漿 和 骨 材 間 之 熱 膨 脹 係 數 不 同，故 熱 膨 脹 係 數 約 為 其 二 者 之 合 成，且 為 拌 合 骨 材 數 量 及 骨 材 熱 膨 脹 係 數 的 函 數。另 外 此 係 數 亦 包 含 了 熱 膨 脹 與 乾 縮 之 相 互 影 響。不 同 骨 材 混 凝 土 的 熱 膨 脹 係 數 如 下 【 16】 : 矽質骨材混凝土. :. 0.000018 / ℃. 碳酸岩骨材混凝土:. 0.000012 / ℃. 三、混 凝 土 的 體 積 變 化 混凝土受熱的潛應變及瞬間應變有密切的相關性。混凝 土 的 體 積 變 化 包 含 水 泥 漿 體 與 骨 材 之 共 同 影 響，且 體 積 變 化 隨 溫 度 變 化 及 有 無 加 載 而 有 明 顯 的 不 同。一 般 骨 材 其 體 積 均 隨 溫 度 增 高 而 膨 脹 ;但 水 泥 漿 體 在 較 低 溫 時 ， 體 積 變 化 亦 隨 溫 度 升 高 而 膨 脹 ， 但 約 在 150℃以 上 時 ， 體 積 變 化 改 脹 為 縮 ， 如 圖 2.1。 在 此 腫 脹 縮 不 和 諧 情 況 下 ， 骨 材 與 水 泥 漿 體 界 面 間 會 產 生 脹 縮 差 異 之 內 張 應 力，當 此 應 力 超 過 極 限 時，界 面 即 產 生 破 裂 或 使 原 有 裂 縫 再 擴 大 延 伸 ， 如 圖 2.2【 17】。. 圖 2.1 骨材與水泥漿體之熱應變圖【17】 4.
(23) 第二章 文獻回顧. 骨材受熱膨脹 骨材 水泥漿體受熱收縮 微裂縫. 圖 2.2 骨材與水泥漿體界裂縫示意圖【17】 四、混 凝 土 的 熱 傳 遞 熱 傳 遞 方 式，主 要 有 輻 射、對 流 及 傳 導 三 種 方 式。熱 傳 遞 時 往 往 是 三 種 方 式 同 時 進 行，將 熱 由 高 溫 處 傳 至 低 溫 處，在 低 溫 時 是 以 傳 導 及 對 流 為 主，而 在 高 溫 則 以 輻 射 為 主。在 有 溫 差 的 系 統 中，就 有 熱 能 的 傳 遞，而 其 傳 遞 的 難 易 就 由 熱 傳 導 率 控 制。影 響 混 凝 土 的 熱 傳 導 率 之 主 要 因 素 有 骨 材 礦 物 性 質、硬 固 水 泥 漿 體、孔 隙 量、飽 和 度 及 環 境 溫 度 等 因 數。一 般 言 之 在 低 溫 時 ， 混 凝 土 有 較 高 的 熱 傳 係 數 ， 但 當 溫 度 達 1OO℃以 上 時 ， 孔 隙 水 逐 漸 蒸 發，骨 材 與 硬 固 水 泥 漿 體 間，因 熱 應 變 不 諧 和 而 產 生 微 裂 縫，增 長 熱 傳 導 的 路 徑，傳 導 能 力 減 弱，熱 傳 係 數 逐 漸 下 降 ， 當 溫 度 約 達 800℃以上時 ， 熱 傳 係 數 逐 漸 穩 定 ， 因 此 時 主 要 以 輻 射 方 式 傳 熱 ， 使 的 傳 熱 能 力 維 持 穩 定 。 文 獻 【 16】 歸 納 出 分 析 使 用 之 混 凝 土 熱 傳 導 率 ， 如 圖 2-3 所 示 。. 圖 2.3 混凝土熱傳導率【16】 5.
(24) 鋼筋混凝土梁柱接頭火害後之行為初探. 五、混凝土的比熱 比 熱 是 表 示 混 凝 土 之 熱 容 量，混 凝 土 之 比 熱 受 骨 材 礦 物 之 影 響 較 小，而 與 孔 隙、水 灰 比，含 水 量 及 溫 度 等 的 關 係 較 密 切。 混 凝 土 的 含 水 量 增 加 時 比 熱 亦 隨 之 增 加，且 溫 度 升 高 時，比 熱 亦 隨 之 升 高。文 獻【 16】歸 納 近 期 成 果，提 供 參 考 分 析 使 用 之 混 凝 土 比 熱，如 圖 2-4 所 示。另 外 與 混 凝 土 相 關 材 料 之 比 熱 如 下 :【 18】 水 : 4000 焦 耳 / kg℃ 骨 材 : 約 800 焦 耳 / kg℃ 水 泥 漿 : 約 1600 焦 耳 / kg℃ 混 凝 土 ， 約 800─ 1200 焦 耳 / kg℃. 圖 2.4 混凝土比熱【16】 六、混凝土之外觀破壞模式【5】 混凝土的耐火性能，與鋼筋距混凝土受熱面距離（保護層）具有 絕對的影響關係，該距離之增加，可保護鋼筋使其遭受較低溫度的侵. 6.
(25) 第二章 文獻回顧. 害，這對鋼筋力學性質的損壞程度，具有降低的功能。在火災中，鋼 筋在有限的溫度下具有相當之承受力，因此，為確保鋼筋之強度，必 須保持混凝土之保護層避免受損。在調查火害後之鋼筋混凝土構造物 時，通常以觀察混凝土表面的損害狀況，作為概略研判損壞程度之依 據。 （一） 粉刷層之剝落 粉刷層為混凝土構件之外表，係於混凝土硬化後以水泥砂漿等 材料所施作之裝修工程。因粉刷層在施工前，混凝土即已硬化 兩者間形成「冷縫」，使粉刷層之附著力降低。在火災中粉刷 層最先受熱，水泥漿體的熱膨脹先脹後縮之變化及水化產物受 熱分解之現象，使粉刷層很容易與混凝土之附著力喪失，而產 生剝離脫落現象。 （二） 變色（Discolored）： 混凝土遭受火害時，加熱溫度如未超過 300℃，其表面會形成燻 黑狀。加熱若超過 300℃，則混凝土所使用的粒料會因化學變化 而改變顏色。300℃～600℃呈粉紅色，600℃～950℃呈灰白色， 950℃以上，呈現淡黃色，1200℃以上，有溶融的危機。 （三）裂縫（Cracking）： 因粒料與水泥漿體之熱應變不相容，硬固水泥漿體受熱收縮， 限制了粒料體積膨脹，而在兩者界面產生應力，當溫度小於 300 ℃時，該應力尚不足造成傷害。但若溫度上升，則因應力作用 增大而產生裂縫。 （四） 爆裂（Spalling） 混凝土構件在受熱的環境中，其表面附近之材質與構件分離的. 7.
(26) 鋼筋混凝土梁柱接頭火害後之行為初探. 情形。最常發生在受軸壓力或具軸向束制的細長構件中，爆裂 模式的分類如下： 1、 全面性爆裂（General or destructive spalling）： 在受熱初期發生廣泛且劇烈的混凝土塊剝落，常發生在具軸 向束制或壓縮載重的細長或板構件（如牆、樓板、柱等）。 2、 局部性爆裂（Local spalling）： （1） 表面剝離（Surface spalling）： 如圖 2.5 所示混凝土受熱時，接近受熱面產生雙軸 向壓力而引起平行受熱面的裂縫，裂縫中充滿水份 受熱蒸發後的高壓蒸氣，使裂縫與受熱面之間的材 質分離，這種情形包括材質之分離、起泡。. 圖 2.5 表面剝離 （2） 粒料劈裂（Aggregate splitting）： 當版狀之混凝土牆、樓板單面迅速受熱時，因混凝 土接近受熱面產生雙軸向壓力，這種熱應力作用在 粒料上，使較大粒料產生拉力破壞，並沿著平行受 熱面劈裂，如圖 2.6 所示，通常發生在粒料級配較 8.
(27) 第二章 文獻回顧. 大粒徑者。. 圖 2.6 粒料劈裂 （3） 角隅剝離（Corner separation） 通常發生在梁或柱構件之角隅，如圖 2.7 所示， 由於拉力之分力作用，使角隅混凝土剝落，混凝 土受熱距表面愈近溫度愈高，強度亦隨之降低， 直至距表面一定距離，混凝土強度降至與熱應力 相同時，即形成角隅剝離之裂開面。. 圖 2.7 角隅剝離 （4） 脫落（Slough off） 脫落發生於長時間之受熱，在梁底或柱腳因長 而不規則的裂縫，而發生表面材料的層式分. 9.
(28) 鋼筋混凝土梁柱接頭火害後之行為初探. 離，可能是由於長期的受熱引起的應力釋放， 當開始受熱時，柱或版的表面因熱產生高壓 力，使熱貫入構件中，接近外部之材料形成減 載（Unload）、開裂、乾縮裂縫、潛變現象， 長期受熱後即產生應力轉變或拉力裂縫。 有關爆裂之原因歸納如下所述： a、. 混凝土濕度：濕度大，在加熱過程中造成孔隙壓力 愈大，故愈容易破壞。. b、. 加熱速率：加熱速率愈快，混凝土表面與中心部份 之溫差愈大，伴隨著剝落與爆裂的危險增大。. c、. 混凝土厚度：厚度減小，則兩邊飽和層較接近，水 份不易消散，較易產生爆裂。. d、. 加熱方式：若單面加熱時，水份可從另一面排除， 降低了爆裂之危險，雙面加熱時，因水份不易散 去，會增加爆裂之危險。. e、. 預受壓力：較少或無預施壓應力時，混凝土內部較 易產生裂紋，水份可藉由裂縫消散，反之，受壓應 力較大之混凝土，因其壓力限制裂縫之發展，在高 含水量且升溫速率快的情況下，水份無法在短時間 內排出，因而易造成爆裂現象。. f、. 鋼筋存在與否：有鋼筋存在時，因鋼筋之圍束作 用，較不易產生裂縫，水份因無消散途徑，致使保 護層較易剝落。. 10.
(29) 第二章 文獻回顧. 第二節 混凝土火害後的力學行為 Abrams【19】針對矽酸鹽、碳酸鹽與輕質骨材之 3x6in 混凝 土圓柱試體，先預加不同的軸壓力再分別加熱至不同的溫度後， 進行高溫中及待其冷卻至常溫七天後之抗壓試驗；其實驗結果如 圖 2.8 所示. (a) 碳酸鹽骨材之混凝土. (b). (c). 矽酸鹽骨材之混凝土. 輕質骨材之混凝土. 圖 2.8 不同骨材之混凝土抗壓強度折減與溫度的關係 (資料來源：參考書目【19】) Abrams 並沒有作火害中有預壓力的加熱試體，待其冷卻至常 溫時的殘餘抗壓強度試驗。 Lie,T.T.等人【20】指出混凝土在火害後之殘餘強度將隨時間 有所改變，如圖 2.9 所示，殘餘強度最低之時期約在火害後 45 天. 11.
(30) 鋼筋混凝土梁柱接頭火害後之行為初探. 左右，此乃混凝土吸收空氣中水份後再重新水化作用。並利用 Abrams 的試驗資料，提供計算一般混凝土受高溫後殘餘抗壓強度 與彈性模數折減的公式如下： 抗壓強度 f c′ 折減. f cθ ′ (θ ) = α (θ ) × f c′. α (θ ) = 1 − 0.001θ. for 0o C ≤ θ ≤ 500o C. α (θ ) = 1.375 − 0.00175θ. for 500o C ≤ θ ≤ 700o C. α (θ ) = 0. for θ ≥ 700o C. 其中 f cθ ′ ：火害後混凝土圓柱試體之抗壓強度. f c′ ：常溫混凝土圓柱試體之抗壓強度. 圖 2.9 受高溫及冷卻後混凝土抗壓強度隨時間回復之情形【20】 1990 年，國內陳舜田等人【6】在國科會支助下，研究軸壓力 作用下混凝土火害後之力學行為，此研究在加熱過程中分別施加不 同的固定軸壓力，待冷卻至常溫後遂進行圓柱試體的抗壓試驗，根 據實驗結果提出火害後混凝土的應力－應變曲線關係，如下所示。. 12.
(31) 第二章 文獻回顧 ⎧ ⎡ ε max − ε c 2 ⎤ ) ⎥ ⎪f r ⎢1 − ( ε max ⎦ ⎪ ⎣ σc = ⎨ 2 ⎪f ⎡1 − 2 * (ε max − ε c ) ⎤ ⎥ 2 ⎪r⎢ 3 * ε max ⎦ ⎩ ⎣. ,. ε c ≤ ε max. ,. ε c > ε max. 式中， ⎧ ⎛ fa ⎞ T ≤ 500 o C ⎪f c '⋅(1.0053 − 0.00021T ) ⋅ ⎜⎜ 0.98 + 0.2 ⎟⎟ ≤ f c ' , fc ' ⎠ ⎝ ⎪ ⎪⎪ ⎛ f ⎞ f r = ⎨fc '⋅(2.7000 − 0.00360T ) ⋅ ⎜⎜ 0.98 + 0.2 a ⎟⎟ ≤ fc ' , 500 o C < T ≤ 750 o C fc ' ⎠ ⎝ ⎪ ⎪0 , 750 o C < T ⎪ ⎪⎩. 該研究【6】亦提出火害後混凝土的彈性模數計算公式，如下所 示。. ⎧ ⎡ fa ⎤ T ≤ 500 o C ⎪E c ⎢(1.0355 − 0.00137T ) + (0.002T − 0.055 ) ⋅ ⎥ , fc ' ⎦ ⎪ ⎣ ⎪ ⎡⎛ ⎤ f ⎞ ⎪ E cr = ⎨E c ⎢⎜⎜ 0.001402 + 0.00378 a ⎟⎟ ⋅ ( 750 − T ) ⎥ , 500 o C < T ≤ 750 o C fc ' ⎠ ⎦ ⎪ ⎣⎝ ⎪0 , 750 o C < T ⎪ ⎪⎩ 式中， ：常溫混凝土 28 天標稱抗壓強度 fc＇ fcr. ：預施軸壓力的混凝土在火害後的殘餘抗壓強度. fa. ：預施壓應力. σc. ：火害後混凝土的應力. T. ：火害時曾遭受的最高溫度(℃). εc. ：火害後混凝土的應變. ε max. ：火害後混凝土的殘餘抗壓強度所對應的應變。. 13.
(32) 鋼筋混凝土梁柱接頭火害後之行為初探. Ec Ecr. ：常溫時混凝土彈性模數 ：火害後混凝土的殘餘彈性模數 楊旻森【7】等人提出火害中無預壓力的加熱混凝土圓柱試體，. 待其冷卻至常溫時的應力－應變曲線，如下所示。. ⎧ ⎡ ε max − ε c 2 ⎤ ) ⎥ ⎪f r ⎢1 − ( ε max ⎪ ⎣ ⎦ σc = ⎨ ⎪f ⎡1 − (ε max − ε c ) ⎤ ⎪r⎢ η * ε max ⎥⎦ ⎩ ⎣. ,. ε c ≤ ε max. ,. ε c > ε max. 式中， ε max ：火害後混凝土的殘餘抗壓強度所對應的應變。. ε max = 0.0022 + (2.5T + 0.15T 2 ) ⋅ 10 −7 ⎧2.5 η =⎨ ⎩3.0. ,. T ≤ 400 o C. ,. T > 400 o C. fcr ：混凝土在火害後的殘餘抗壓強度 ⎧fc '⋅(1.02 − 0.001T ) ≤ fc ' , ⎪ , f r = ⎨fc '⋅(1.38 − 0.0019T ) ⎪ ⎩fc '⋅(0.66 − 0.0007T ) ≥ 0.05 f c ' ,. 25 o C ≤ T ≤ 400 o C 400 o C < T ≤ 600 o C T > 600 o C. 第三節 鋼筋火害後之力學性質 Stecich,J.P.等人【21】試驗#11 鋼筋，加熱至 820℃冷卻後 做抗彎試驗及拉力試驗，發現降伏強度折減 4.2％，極限強度折減 7.2％~13.7％。Edward, W. T.等人【22】取 16 支 ASTM A615 Grade60. 14.
(33) 第二章 文獻回顧. 之#4 鋼筋進行試驗，其中 1 支不加熱，另 15 支分別置於電爐內加 熱 500℃~802℃，達試驗溫度後維持 1 小時，再緩慢冷卻至室溫時， 進行拉力試驗，試驗結果如圖 2.10 所示，發現火害後鋼筋的彈性 模數並不會改變，但降伏與極限強度在 500℃以上會隨溫度上升而 下降，但至 750℃時兩種強度皆會稍微回升。此研究只以圖說顯示 折減情形並未提出降伏與極限強度折減公式，劉靖國碩士論文【8】 根據上述研究資料提出火害後鋼筋的殘餘降伏與極限強度計算公 式，如下所示。. 圖 2.10. #4 鋼筋受高溫後鋼筋降伏強度折減情形(資料來源：參 考書目【22】). ⎧f y ⎪ −2 ⎪( −0.108T + 154.217) ⋅ 10 ⋅ f y f yr = ⎨ −2 ⎪(0.196T − 73.863) ⋅ 10 ⋅ f y ⎪ ⎩0.83f y. ,. T ≤ 500 o C. ,. 500 o C < T ≤ 750 o C. ,. 750 o C < T ≤ 800 o C. ,. 800 o C < T 15.
(34) 鋼筋混凝土梁柱接頭火害後之行為初探. ⎧fu ⎪ −2 ⎪( −0.09T + 145) ⋅ 10 ⋅ fu fur = ⎨ −2 ⎪( 0.08T + 26) ⋅ 10 ⋅ fu ⎪0.9f ⎩ u. ,. T ≤ 500 o C. ,. 500 o C < T ≤ 750 o C. ,. 750 o C < T ≤ 800 o C ,. 800 o C < T. 式中， fy ：常溫鋼筋的降伏強度 fyr ：火害後鋼筋的殘餘降伏強度 fu ：常溫鋼筋的極限強度 fur ：火害後鋼筋的殘餘極限強度 T ：火害時曾遭受的最高溫度(℃). 第四節 火害鋼筋混凝土柱的力學行為 1986 年，Lie, T. T.等人【20】曾進行兩支鋼筋混凝土柱 (305x305x3810mm)的火害試驗，研究火害後鋼筋混凝土柱的殘餘軸 向強度。試驗時柱 A 的預壓力固定為 992kN，柱 B 為 1022kN，分別 加熱 1 小時與 2 小時，待柱中心冷卻至室溫時，不解除預壓力直接 以每分鐘 12.5kN 的速率加壓直至破壞。此研究利用數學模式、超 音波檢側與實驗驗證，提出一個評估火害後鋼筋混凝土柱的殘餘軸 向強度的方法。 國內台科大陳舜田與林建宏教授曾進行一系列有關火害後鋼 筋混凝土柱的殘餘強度與剛度研究；1988 年，製作 25 支試驗柱， 研究鋼筋混凝土柱在火害 0、0.5、1、2、4 小時後，在無偏心與單 向偏心軸力作用下的殘餘強度與勁度【9】；1990 年，製作 12 支 試驗柱，研究不同軸向預壓應力 0、10%、20%之混凝土強度作用下 的鋼筋混凝土柱，火害後在無偏心與單向偏心軸力作用下的殘餘強 度與剛度【10】；同年亦製作 11 支試驗柱，研究火害 0、1、2、3 16.
(35) 第二章 文獻回顧. 小時後鋼筋混凝土柱，火害修補後在單向偏心軸力作用下之殘餘強 度與剛度【11】。 內政部建築研究所於 2003 年委託成功大學許茂雄教授進行火 害鋼筋混凝土內柱耐震性能研究【12】，該研究建立一套分析模式 與試驗進行驗證，據以準確、預測火害後單向偏心或雙向偏心鋼筋 混凝土柱之強度與剛度。另同年亦委託交通大學趙文成教授進行鋼 筋混凝土結構邊柱火害行為之研究【13】 ，探討邊柱在受軸力及雙 ′ 向彎矩下受火害之行為，試驗發現相同混凝土應力比值（0.15 f c ） 預載下，斷面溫度分布與保護層厚度、混凝土強度、鋼筋用量及偏 心大小等變數，並無明顯之差異。另由火害後之強度殘餘率發現： （1）偏心大小對強度殘餘率之影響並不明顯。（2）火害延時對強 度殘餘率差異並不明顯。 （3）較大之保護層，強度殘餘率較低。 （4） 鋼筋用量對強度殘餘率之影響並不明顯。 （5）混凝土強度較低，殘 餘強度較低。. 第五節 火害鋼筋混凝土梁的力學行為 近年來火害鋼筋混凝土梁研究大多著重在數值分析，如 2008 年 Kodur,V.K.R.等人【23】建立一個鋼筋混凝土梁之數值模型， 將梁斷面切割成均勻的網格，假設暴露於火場中的梁三面受火， 用規範所建議的標準升溫曲線進行熱分析，得到梁斷面內部溫度 的分佈。進行混凝土斷面強度分析時，先假設斷面為平面保持平 面、鋼筋與混凝土間有良好的握裹關係、在高溫中混凝土抗拉強 度是採用 Eurocode 2 所建議的折減係數及根據混凝土爆裂的程度 推導出混凝土斷面上每一個元素的強度；進行強度分析時，需考 慮混凝土在高溫中造成的熱應變、熱潛變、暫態的熱應變及力學 的應變，也需考慮鋼筋在高溫中造成的熱應變、熱潛變及力學的 17.
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