鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估

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(1)鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 內政部建築研究所自行研究報告中華民國 96 年 12 月.

(2) 096-301070000-G2011. 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 研究人員：李其忠副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 96 年 12 月.

(3) ARCHITECTURE AND BUILDING RESEARCH INSTITUTE MINSTRY OF THE INTERIOR RESEARCH PROJECT PEPORT. Estimate for the Strength of Reinforced Concrete Beam-Column Joints after Exposed to Fire. BY. Lee,Chi-Chung Wang,Tien-Chih. DECEMBER 31,2007.

(4) 目次表次 ………………………………………………………………………Ⅱ 圖次 ………………………………………………………………………Ⅲ 摘要…………………………………………………………………Ⅴ 第一章緒論……………………………………………………………1 第一節研究計劃背景與目的……………………………………1 第二節研究範圍…………………………………………………2 第三節研究方法及進行步驟…………………………………2 第二章文獻回顧………………………………………………3 第一節混凝土高溫下特性…………………………………3 第二節混凝土火害後的力學行為…………………………11 第三節鋼筋火害後之力學性質……………………………14 第四節鋼筋混凝土結構物火害後強度評估………………16 第三章現行火害後結構安全鑑定探討………………………………33 第一節台灣地區現行火害後鑑定狀況……………………33 第二節結構安全鑑定………………………………………33 第四章試驗規劃 …………………………………………41 第一節試驗設備………………………………………41 第二節升溫曲線………………………………………44 第三節梁柱接頭試體製作…………………………46 第四節試驗方法……………………………………48 第五章結論與建議……………………………………………71 第一節結論………………………………………………71 第二節建議………………………………………………72 參考書目 ……………………………………………………………… 75 附錄期初、期中及期末審查紀錄 ……………………………………79. I.

(5) II.

(6) 圖次. 圖次圖2.1. 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…………………………………… 5. 圖2.3. 混凝土熱傳導率…………………………………………………… 5. 圖2.4. 混凝土比熱………………………………………………………… 6. 圖2.5. 表面剝離…………………………………………………………… 8. 圖2.6. 粒料劈裂…………………………………………………………… 9. 圖2.7. 角隅剝離. 圖2.8. 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…………… 12. 圖2.10. #4鋼筋受高溫後鋼筋降伏強度折減情形………………………… 15. 圖2.11. 柱於火害後之強度折減情況……………………………………… 29. 圖4.1. 小型多功能耐火爐裝置…………………………………………… 41. 圖4.2. 試體、加載設備與小型高溫爐裝置……………………………… 42. 圖4.3. 柱端鉸接連接頭裝置……………………………………………… 42. 圖4.4. 柱上端鉸接連接頭及抗水平力桿裝置…………………………… 43. 圖4.5. 梁端傳力桿及抗水平力桿裝置…………………………………… 43. 圖4.6. 梁端滾支承裝置…………………………………………………… 44. 圖4.7. 標準加熱溫度－時間曲線………………………………………… 45. 圖4.8. 梁柱試體配筋立面圖……………………………………………… 55. 圖4.9. 主梁配筋圖（b×h＝25 ㎝×35 ㎝）………………………………… 56. 圖4.10. 柱配筋圖（35 ㎝×35 ㎝）………………………………………… 56. 圖4.11. 翼梁配筋圖（b×h＝25 ㎝×35 ㎝）……………………………… 57. 圖4.12. 梁柱試體熱電偶線配置圖………………………………………… 57. 圖4.13. 柱斷面混凝土熱電偶配置圖……………………………………… 58. 圖4.14. 柱上端鋼筋熱電偶配置圖………………………………………… 58. 圖4.15. 柱下端鋼筋熱電偶配置圖………………………………………… 59. ………………………………………………………… 9. III.

(7) 圖次. 圖4.16. 主梁斷面混凝土熱電偶配置圖…………………………………… 59. 圖4.17. 主梁鋼筋熱電偶配置圖…………………………………………… 60. 圖4.18. 主梁鋼筋熱電偶配置圖…………………………………………… 60. 圖4.19. 梁柱接頭區鋼筋熱電偶配置圖…………………………………… 61. 圖4.20. 梁柱接頭區混凝土熱電偶配置圖………………………………… 61. 圖4.21. 梁柱鋼筋籠完成照片……………………………………………… 62. 圖4.22. 熱電耦線埋設照片………………………………………………… 62. 圖4.23. 應變計黏貼照片…………………………………………………… 63. 圖4.24. 模板組立照片……………………………………………………… 63. 圖4.25. 梁柱試體拆模……………………………………………………… 64. 圖4.26. 圓柱試體熱電耦線埋設位置……………………………………… 64. 圖4.27. 位移量測計畫圖（高溫與常溫）………………………………… 65. 圖4.28. 試體安裝於耐火爐照片…………………………………………… 65. 圖4.29. 試體位移量測裝置完成照片（1）………………………………… 66. 圖4.30. 試體位移量測裝置完成照片（2）………………………………… 66. 圖4.31. 試體位移量測裝置完成照片（3）………………………………… 67. 圖4.32. 試體傾倒照片……………………………………………………… 67. 圖4.33. 柱上端柱端鉸接連接頭及抗水平力桿破壞照片………………… 68. 圖4.34. 柱上端抗水平力桿與反力框架間固定板螺栓鬆脫……………… 68. 圖4.35. 柱上端抗水平力桿與反力框架間螺栓之螺紋破壞照片………… 69. 圖4.36. 梁垂直位移圖……………………………………………………… 69. 圖4.37. 柱上端軸向位移圖………………………………………………… 70. 圖4.38. 柱上端版轉角圖…………………………………………………… 70. IV.

(8) 表次表 2-2A 受火害結構物之初勘基本資料 …………………………… 19 表 2-2B 勘查分區標式簡圖……………………………………………20 表 2-2C 勘查區情況之資料. …………………………………………21. 表 2-2D 構材損壞情況評估表…………………………………………22 表 3-1. 火災調查單位…………………………………………………33. 表 3-2. 學術單位鑑定報告調查資料…………………………………35. 表 3-3. 公會鑑定報告調查資料………………………………………36. 表 4-1. 鋼筋的降伏強度及極限強度…………………………………51. 表 4-2. 普通混凝土配比（fc＇=280kgf/cm 2 ）………………………51. 表 4-3. 自充填混凝土配比表. 表 4-4. 實驗規劃表……………………………………………………53. 表 4-5. 梁各點垂直位移量測值………………………………………54. 表 4-6. 柱各點位移量測值……………………………………………54. 表 4-7. 柱上端版轉角值………………………………………………55. ………………………………………52. II.

(9) 摘要. 摘. 要. 關鍵詞：火害、鋼筋混凝土梁柱接頭、安全評估一、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先利用梁柱接頭試體，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之安全評估程序之實驗資料與分析。 V.

(10) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 三、重要發現目前本研究獲得以下初步結論：（一）、由整理從事火害後結構安全鑑定單位之評估方法及結果發現：１、學術單位之火災安全鑑定，主要係以測試數據為分級依據，而其包含的試驗項目不同亦無相同分級標準，主要的測試方法為超音波測試、鑽心試體抗壓試驗、中性化試驗，而分級標準主要為混凝土強度的考量。２、實務單位之鑑定由火災現場溫度、燃燒時間長短及現場版、梁、柱裂紋現象，進行初勘並隨機採用適當之分區鑑定，來研判災害之嚴重程度，而由於鋼. 筋混凝土受高溫作用後，無論化性、物性均會呈現一定之性質變化。因此，現場鑑定之火災分級，多是以構件外觀特性予以區分等級。在實驗鑑定之測試項目方面，大多採用混凝土鑽心試驗、混凝土燒失量試驗與現場載重試驗，而以其他試驗為輔。３、由前面兩點可知，不管學術或實務單位之鑑定，均. VI.

(11) 摘要. 以混凝土強度為主要考量，但混凝土受高溫後，除強度折減外，其勁度之折減亦相當明顯，此一特性對結構變形及力量重分配有很大的影響，實需更進一步的研究。（二）、國內以前受限於耐火爐設備多探討未受力之單一構件（梁、柱）火害後行為研究，同時加熱及加載梁柱接頭研究對象更是首見，期能提出一適當火害後強度評估方法。. （三）、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。（四）、在「鋼筋混凝土結構物火害後之安全評估程序」中針對梁柱接頭火害行為之評估，僅針對外梁柱接頭建議考量鋼筋伸展長度是否足夠乙項，而在實驗中發現，外梁柱接頭亦多與牆壁、樓版及梁連結在一起，除非發生建築外部的火災外，梁主筋外邊的埋入長度處，其所受溫度，由實驗可知仍相當低，對於其握裹力折減並不明顯。因此，對於接頭火害行為，仍需進行更多實驗，以了解其破壞機制。四、主要建議事項. VII.

(12) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 建議一鋼筋混凝土梁柱複合構件火害修補後耐震行為研究：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，但對於受火害修補後結構之耐震能力，則仍未進行探討，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複合構件受不對稱火害行為研究：中長期建議主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：內政部營建署目前有關複合構件耐火性能，均以均勻受熱為主，但在實際建築物上火場行為，受各種物品遮蔽及火載重分佈不均勻影響，對構件加熱並非對稱的加熱，因此其溫度分佈、強度折減均為非對稱，可能造成構件產生扭轉現象，此種行為在目前的研究中均尚未考慮，可納入後續研究進行。. VIII.

(13) 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.. IX.

(14) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. X.

(15) 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【11】，A.K.Tovey【12】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。依據本所85年度「混凝土結構物火害後安全性能評估方法之探討」及86年度研究成果「鋼筋混凝土結構物火害後之安全評估程序」所研擬受火害之鋼筋混凝土結構安全評估程序為1.組成勘查小組。2.進行初勘。3. 如必要，則進行複勘，複勘結果如認為須進行結構安全鑑定，則進行4~8項工作。4.混凝土受火害最高溫之推估，於火場受火害構造混凝土取樣(構件表面殘料或混凝土鑽心)，進行試驗室燒失量試驗，以推估其受火害之最高溫度。5.推估受害構件斷面溫度分布。6.推估構件殘餘強度與勁度。7.若構件殘餘強度與勁度有明顯不足，則應設法補強。8.安全評估小組認為有必要時，應進行現場載重試驗。並提出「火害後混凝土結構安全評估處理辦法(草案)」。由於該安全評估方法有關推估構件殘餘強度與勁度，在推估梁柱接. 1.

(16) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 頭之強度與勁度缺少實驗資料與分析，僅檢討梁柱接頭內鋼筋握裹力是否足夠，另加上受限儀器設備功能，僅進行加熱實驗並未同時加載，對於梁的殘餘強度與勁度，無法考量混凝土開裂情形，值得進一步探討。. 第二節研究範圍本研究計畫擬先利用梁柱接頭試體，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之安全評估程序之實驗資料與分析。. 第三節. 研究方法及進行步驟. 本研究重點概如以下所述：本所 86 年度研究成果「鋼筋混凝土結構物火害後之安全評估程序」完成後，由於尚無大尺度實驗得以驗證，今本所防火實驗中心已建置完成，故可從同時加載加熱實驗驗證及補充已完成之安全評估方法之可行性。蒐集及彙整鋼筋混凝土結構物火害及火害後性能評估之基本資料、相關法規、評估技術。建立梁柱接頭火害行為之試驗資料，補充鋼筋混凝土結構物火害後之安全評估程序之實驗資料與分析。. 2.

(17) 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【1，2】：（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.

(18) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 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【 13】 : 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【 14】。圖 2.1 骨材與水泥漿體之熱應變圖【14】. 4.

(19) 第二章文獻回顧. 圖 2.2 骨材與水泥漿體界裂縫示意圖【14】骨材受熱膨脹骨材水泥漿體受熱收縮微裂縫. 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【 13】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【13】. 5.

(20) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 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【 13】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 :【 15】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【13】. 六、混凝土之外觀破壞模式【3】. 6.

(21) 第二章文獻回顧. 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。. 7.

(22) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. （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. 8.

(23) 第二章文獻回顧. 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.

(24) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 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.

(25) 第二章文獻回顧. 第二節混凝土火害後的力學行為 Abrams【16】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 所示圖 2.8 不同骨材之混凝土抗壓強度折減與溫度的關係. (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. (資料來源：參考書目【16】) 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【17】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 11.

(26) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 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【17】. 1990 年，國內陳舜田等人【4】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.

(27) 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 ⎪fc '⋅(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【4】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， fc＇：常溫混凝土 28 天標稱抗壓強度 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.

(28) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 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【5】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 ⎧f c '⋅(1.02 − 0.001T ) ≤ f c ' , ⎪ f r = ⎨fc '⋅(1.38 − 0.0019T ) , ⎪ ⎩fc '⋅(0.66 − 0.0007T ) ≥ 0.05 fc ' ,. 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【18】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【19】取 16 支 ASTM A615 Grade60. 14.

(29) 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【6】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【19】). ⎧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.

(30) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. ⎧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(℃). 第四節鋼筋混凝土結構物火害後強度評估依據本所 85 年度「混凝土結構物火害後安全性能評估方法之探討」【7】及 86 年度「鋼筋混凝土結構物火害後安全評估程序」【8】研究成果所研擬受火害之鋼筋混凝土結構安全評估程序如下：一、組成勘查小組。二、進行初勘：主要工作為（一）、蒐集並建立受火害結構物之基本資料，可依據表 2-2A『受火害結構物之基本資料』進行資料搜集與調查應搜集之重要資料如下：. 16.

(31) 第二章文獻回顧. １、結構物之資料：包含結構物之所有人、座落位置、構造種類、性質、使用情況等，最好能向結構物所有人取得原始工程圖說，以便參用。２、火場情況調查 a.火災延燒情況之描述，也括開始燃燒之部位、延燒之順序、各燃燒點或樓層之燃燒情況(如猛火、烈火、中火或悶燒等)、及發煙情況等。 b.受火燒部位之位置，如樓層、部位，最好能以平面簡圖表示，如表 2-2B。 c.裝磺方式與材料、存放物料之種類、數量、堆置方式、及有關燃燒與熱量等影響火場溫度之資料等。 d.各部位燃燒殘料之調查，由殘料與原放置物料數量比較，及該物料之發熱量可概知，火燒時該部位之溫度。（二）、構材受火害情況調查：１、結構物受燒部位之全面檢查，並劃定火害較嚴重須進行勘查之部位--由火災情況調查之結果可知，火災時結構物各部位之受熱或高溫情況，為方便勘查，將火場按預估溫度情況，劃定受害嚴重須進行初勘之區域，區城之劃定應稍為保守，每一分區均應填具乙張資料表，如表 2-2C 所示。. 17.

(32) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. ２、各區構材損壞情況之調查--對須進行初勘之區域，逐區檢查其構材受損之情況。各構材損壞之情況調查，應先將須勘查之構材記錄於表 2-2A 中，構材應加以編號，最好以平面圖顯示其位置。３、再對各構材做詳細勘查，可按表 2-2D『構材損壞情況評估表』進行，每一須勘查構材均須填寫損壞情況評估記錄資料。（三）、初勘調查之項目１、混凝土表面顏色變化觀察。２、火害現場殘留物之檢測。３、混凝土表面裂縫與爆裂情況調查。４、混凝土剝落及鋼筋外露情況勘查。５、構材變形及撓度情況勘查。６、構材受燒面積。. 18.

(33) 第二章文獻回顧. 表 2-2A 受火害結構物之初勘基本資料【8】案件編號：勘查日期：年月日結構物所在地址：所有人姓名：住址：電話：構造 □ 鋼筋混凝土造 □ 鋼骨構造 □ 鋼骨鋼筋混凝土造類別 □ 輕鋼架造 □ 加強磚造 □ 木構造 □ 其他：樓層數地下層，地上層使用情 □ 自用 □ 租貸 □ 借用況、用 □ 商業店鋪 □ 餐飲業 □ 百貨公司 □ 辦公室途 □ 加工廠 □ 貨品倉庫 □ 物料倉庫 □ 綜合使用大樓 □ 飯店 □ 住家/宿舍 □ KTV □ 三溫暖 □ 戲、劇、影院□ 歌、舞廳 □ 其他：火災發現時間：月日時分經過開始滅火時間：月日時分火災撲滅時間：月日時分燃燒天候情況： □ 炎熱 □ 寒冷 □ 大雨 □ 小雨 □ 強風情況燃燒： □ 有爆炸 □ 有爆燃 □ 其他情況：搶救情況： □ 消防車部，人員人消防水： □ 很足 □ 不足主要燃 □ 1.裝潢材料 □ 2.油料 □ 3.油漆材料 □ 4.傢俱木料燒物料 □ 5.布料 □ 6.紙料 □ 7.化學易燃材料 □ 8.其他：起火點 □ 可知，位置在： (如表 2-2B 簡圖所示) 火燒路徑： (如表 2-2B 簡圖所示) □ 不明受火範 1. 結構物部位或建築物之樓層：(盡量以簡圖或原建築平面圖標示) 圍、部位或樓 2. 需勘查範圍建議劃分成區，各區均需平面標示如表層 2.3.1B。 3. 是否有原建築圖可供使用： □ 是 □ 否勘查人員姓名：註：每一結構物之初勘需填具本表乙份，如記錄空間不足，請另加頁詳細載明。. 19.

(34) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 表 2-2B 勘查分區標式簡圖【8】 (本表共頁之業件編號：勘查日期：年月勘查員姓名：服務單位：電話：分區編編號：序號：號與部建築結構：地下層層地上第層位橋梁結構： □ 引道 □ 匝道第跨 □ 橋墩第 □ 梁版第跨 □其他其他結構：勘查區位置簡圖：. 頁) 日. 座. 勘查人員姓名：. 註：每一初勘區需填具本表乙份，如記錄空間不足，請另加頁詳細載明。. 20.

(35) 第二章文獻回顧. 表 2-2C 勘查區情況之資料【8】案件編號：勘查日期：勘查勘查區編號：區火燒情況概述：. (本表共. 頁之. ). 構材種數目勘查表編號標試圖號勘查類 (處) 對象梁柱(墩) 版牆(翼牆) 其他合計註：依據表 2-2A 最後所示，需勘查之每一分區需填本表乙份，如記錄空間不足，請另加頁詳細填寫。. 勘查人員簽名：. 21.

(36) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 表 2-2D 構材損壞情況評估表【8】 (本表共頁之頁) 案件編號：勘查日期：勘查區編號：構材編號：種類：勘查項 (1) 顏 (2) 殘 (3) 裂 (4)鋼筋 (5)構材 (6)受紋與外露情變形情燒面積料目色況爆裂況估變情況計化損輕壞微等中級度嚴重勘查結果：勘查區編號：勘查項 (1) 顏 (2) 殘料目色變估化計損輕壞微等中級度嚴重勘查結果：. 構材編號：構材種類： (3) 裂紋 (4)鋼 (5)構 (6)受燒與爆裂情筋外露材變形面積情況情況況. 備註：1.每一受損構材均需勘查填具本表，本表乙張可填寫三支構材勘查資料。 2.每一受損構材之勘查結果請參考使用說明決定，應 22.

(37) 第二章文獻回顧. 顯示是否須複勘。 3.構材受損等級之評估請參考填表說明。勘查員姓名：表 2-2D 之填表說明一、損壞等級之評定標準（1）混凝土表面顏色變化觀察 1 若混凝土表面顏色及外觀表現與未受火害者相近，則評為損壞輕微； ○ 2 若混凝土表面顏色呈現肉眼可見之微紅色則可評為損耗嚴重； ○ 3 介於其間者則評為損壞中度。 ○ （2）火害現場殘留物之檢測 2○ 3 兩項概估構材表面之溫度。使用本表時，主要依據上面○ 1 若混凝土表面之溫度在 300℃以下則評為輕微； ○ 2 若溫度超過 600℃則評為嚴重； ○ 3 介於上列兩者之間則評為中度。 ○ （3）混凝土表面裂縫與爆裂情況勘查勘查時應詳細檢查構材受火燒表面。 1 若梁版類之旁受撓構材，僅其表面在跨度中央及兩端有稀鬆裂紋，則其損壞情況評為輕微； ○ 2 若受撓構材跨度內之全部或局部，顯現較密集亦較寬大之裂紋或裂縫時，則評為嚴重； ○ 3 介於上列兩者之間則評為中度。 ○ （4）混凝土剝落及鋼筋外露情況勘查構材混凝土剝落及鋼筋外露之損壞程度，應依據混凝土剝落之部位、大小範圍與鋼筋外露之情況評定，其評定標準建話如下： 1 若構材僅顯示某些角隅部位有混凝土剝落，混凝土剝落寬度不超過 10 公分，而僅單一箍筋外露但主鋼 ○ 筋並未外露，且其他表面部位無鼓脹現象者，則該構材評為損壞輕微。 2 若構材除角隅部位外尚有其他表面亦有混凝土剝落，而剝落之長度、寬度及總面積均甚大，使二支以上 ○ 箍筋外露，且其所圍束之主鋼筋部赤暴露者，則該構材評為損壞中度。 3 若構材之混凝土剝落及鋼筋外露情況較上述中度損壞嚴重者損壞嚴重者，則該構材評為損壞嚴重。 ○ （5）構材變形及撓度情況勘查 1 若以肉眼觀察無法察覺者，則該構材評為輕微； ○ 2 若構材之撓度或變形可以肉眼明顯察覺，則評為嚴重； ○ 3 介於上列兩者之間則評為中度。 ○ (6)構材受燒面積構材火害損壞之程度與受燒面積大小及其溫度有密切關係。勘查時，可以溫度超過 600℃之面積百分比決定其嚴重程度。各種構材損傷程度之評估標準如下： 1.版牆類構材 1 若溫度超過 600℃之面積低於 30％評為輕微。 ○ 2 若溫度超過 600℃之面積在 30％~50％評為中度。 ○ 3 若溫度超過 600℃之面積超過 50％評為嚴重。 ○ 2.矩形斷面之梁或柱：以矩形斷面各面有部位受燒溫度超過 600℃為考量。 1 若矩形斷面僅一面上受燒，評為嚴重。 ○ 2 若有相鄰兩面受燒評為中度。 ○ 3 若有三面以上或相對兩面受燒評為嚴重。 ○ 二、構材初勘結果之分析評定當各構材接上述方式完成勘查工作，獲得各項目之評估等級後，各構材之損壞程度是否嚴重需進行複勘，應依據上述六項勘查項目之結果加以評定，其評定標準如下： 1;上節用以評定損壞等級之項目共有六項，其中（1）（2）兩項無法單獨做為評估判定之依據，僅能用以佐證其他四項之結果而已。 2.若評估六項中（3）~（5）項均顯示損壞輕微，則不論（1）（2）兩項是否為嚴重，該構材均列為不需. 23.

(38) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估複勘。 3.若評估六項之（3）~（5），則若（1）（2）均為嚴重時，構材均列需複勘。其他情況則該構材列為不需複勘。 4.若評估六項之（3）~（5）項中有任一項為損壞嚴重者，則若（1）（2）均為中度以下時，則該構材列為不需複勘；若為（1）（2）均為嚴重時，則該構材應列為需要複勘。 5.若評估六項之（3）~（5）項中任一項均為損壞嚴重者，則應進一步詳細評估其损壞程度，對於損壞極度嚴重者，建議逕行拆除，不需繼續進行評估工作。 6.若構材受燒燒面積項目被評為嚴重，則應列為須複勘構材，複勘時須進行試驗。. （四）、構材初勘結果之分析評定：當各構材完成勘查工作，獲得各項目之評估等級後，各構材之損壞程度是否嚴重須進行複勘，應依上述 6 項勘查項目之結果加以評定。（五）、初勘結果報告。三、如必要，則進行複勘：複勘之主要工作為（一）、構材損壞情況之量測１、裂紋數量與分佈之描繪２、裂紋寬度及深度之量測３、混凝土剝落部位與範圍之量測４、混凝土爆裂部位與範圍之量測５、鋼筋外露情況之量測６、構材撓度之量測（二）、構材試驗１、混凝土之鑽心取樣及試驗２、混凝土燒失量試驗３、超音波試驗. 24.

(39) 第二章文獻回顧. ４、試錘試驗５、Ｘ－ray 繞射試驗６、壓汞孔隙試驗７、VIM 試驗複勘結果如認為須進行結構安全鑑定，則進行以下一系列工作。四、混凝土受火害最高溫之推估：於火場受火害構造混凝土取樣(構件表面殘料或混凝土鑽心)，進行試驗室燒失量試驗，以推估其受火害之最高溫度。必要時可輔以其他方法。五、推估受害構件斷面溫度分布：可採用熱傳分析法或直接試驗法。六、推估構件殘餘強度與勁度：推估梁、柱、接頭之強度與勁度。（一）、梁構件火害程度之評估：１、剪力強度之折損：現行規範對桿件之剪力強度是定義為臨界斷面之剪力強度，而斷面之剪力強度又取決於材料之強度性質。參考上述定義，對桿件於火害後殘餘強度之估算程序可設為：（１）推估斷面所受之最高溫度 Ts。（２）配合推估之 tD，決定斷面之火害溫度分佈圖。（３）推估斷面內鋼筋及混凝土材料之強度劣化情況。（４）依據劣化之材料性質來計算斷面之殘餘剪力強度。. 25.

(40) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. （５）假設桿件之火害殘餘剪力強度即為斷面之火害殘餘剪力強度。２、撓曲強度之折損：遭受火害之 RC 梁，由於混凝土及鋼筋之強度均受影響，故其強度亦會折損。可採用兩種分析方法以估測火害梁之殘餘強度，第一種分析法式有限元素法 MARC 程式，首先求得梁構件內部之火害溫度分佈，進而由溫度與鋼筋及混凝土材料強度關係式，獲得火害後構件內各點之材料強度，再將此資料輸入有限元素分析程式，可求得梁構件之殘餘強度。第二種分析法是修正傳統法，仍然採用傳統 RC 梁理論進｀. 行分析，但混凝土強度 f c 及鋼筋強度 fy 改以火害後混凝土及鋼筋之實際強度取代。由於火害後梁構件內各處材料之強度各異，分析時須將構件分格處理。研究結果顯示，考慮火害後混凝土強度及鋼筋強度折減之修正傳統法可合理估算火害後混凝土梁之殘餘強度。３、撓曲勁度之折損：火害後梁斷面混凝土強度在不同位置有不同強度，受火嚴重處混凝土軟化結果使得撓時斷面不能維持平面，傳統梁理論分析所得，高估了梁之殘餘勁度。研究顯示輸入合理之火害混凝土與鋼筋之力學性質之後由有限元素法 MARC 程式分析可得到合理之梁勁. 26.

(41) 第二章文獻回顧. 度。４、鋼筋握裏力之評估：鋼筋周圍混凝土溫度在 400℃以下，且鋼筋承受單向荷重時，依 ACI 規範規定之鋼筋伸展長度仍能提供足夠之鋼筋握裏效果，但當混凝土溫度超過 400℃，且鋼筋承受反覆荷重時，則鋼筋之伸展長度應適當加長。梁件受火害後應檢討握裏力是否受損，檢討之方法係先分析或查圖表，瞭解鋼筋搭接觸或鋼筋錨定處之混凝土曾達到多高的火害溫度。如果火害溫度在 400℃以下則屬安全，否則應檢討其伸展長度要求，如不符合，則應設法補強之。５、扭力強度及勁度之衰退：扭力強度之衰退，建議使用 ACI 318-95 規範之空間桁架模型來做估計。空間桁架模型之破壞模式有二，一為拉力桿件之破壞，二為壓力桿件之破壞。若桁架模型之抗扭強度是由拉力桿件(箍筋及主筋) 之降伏所控制，則其扭力強度可表達如下： T. ＝. 2 Ao At f yv S ⋅ tan θ. 式中： T. ＝扭力強度. Ao. ＝. At. ＝箍筋截面積(in 2 ). xo. ＝. 縱向箍中心至中心短邊的距離(in). yo. ＝. 縱向箍中心至中心長邊的距離(in). f yv. ＝箍筋降伏強度(psi). xo y o. 27.

(42) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. S. ＝. 箍筋間距(in). θ. ＝. 扭力桁架分析中之斜向壓力桿件之角度。若桿件未受火害，可取 45 ∘，而桿件已受火害可取 30∘。. 若桁架模型之抗扭強度是由壓力桿件(混凝土)之壓力強度所控制，則其扭力強度可表達如下： 1.7 Aoh cos θ sin θ ⋅ f cd Ph 2. T. ＝. 式中：. A oh. ＝. x1 ⋅ y 1. x1. ＝. 箍筋外緣短邊之距離. 1. ＝. 箍筋外緣長邊之距離. f cd. ＝. 扭力桁架分析中斜向壓力桿件. y. 之應壓力，在火害前 f cd ,max ＝f＇c，在火害後取 f cd ,max ＝fr Ph. ＝. 2(x 1 + y 1 )。. （二）、柱件火災程度之評估：柱在火害前之強度可由軸力-彎矩之交互影響曲線來定義，如圖 2.11 之實線所示。而在火害後之殘餘強度則可如圖 2.11 之虛線所示。其中純軸力強度(P o )，純彎矩強度(M o )，和平衡破壞時之強度(P b 和 M b )之折減，應可使用類似梁之分析而得。圖 2.11 顯示，一柱在火害後其強度折減之情形，其中柱. 28.

(43) 第二章文獻回顧. 之破壞情況仍維持混凝土極限應變達 0.003 之定義。柱在火害前之強度係圖中之外圍實線，而火害後柱之強度即為圖 2.11 之虛線。火害會造成柱強度之折減，故縮小了柱交互影響曲線所圍之安全區域。火害強度之折減對壓力破壞柱之影響遠較拉力破壞者為大。圖 2.11 柱於火害後之強度折減情況. (資料來源：參考書目【8】，p.157。). （三）、梁柱接頭行為之評估：梁柱接頭處之力學行為遠較梁、柱本身之行為複雜，很難以分析方法得到精確之解。有限元素之三維分析雖然可得到較為可靠的結果，但分析工作麻煩，恐非一般工程師所樂於採用。在箍筋混凝土結構之梁柱接頭中，梁與柱主筋由三方向交匯，又配置許多不同方向之剪力箍筋，非但精確分析不易，在實際施工上也是相當困難。理論上，由於接頭邊緣彎矩最大，鋼筋受拉力後產生滑 29.

(44) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 動，而造成半剛性之節點行為，不過一般工程分析多仍視節點為剛性，而忽略鋼筋滑動之現象。對於鋼筋有足夠伸展長度或連續通過梁、柱之接頭而言，將節點視作剛性應頗合理。但若鋼筋為非連線而伸展長度又不足時，則鋼筋握裹力將不足，剛性接頭之行為也將無法維持。火害後混凝土強度受損對鋼筋之握裹力也受影響，當鋼筋周邊溫度超過 400℃時，應檢討其伸展長度，若有不足應設法補救。一般內梁，柱接頭之梁上下層鋼筋均連續通過接頭，柱鋼筋也係連續，故因火害而造成之鋼筋握裹力降低對結構行為之影響可予忽略，但對外梁柱之接頭而言，梁主筋於外邊無法連續，而截斷彎折深入柱件內，如該接頭受火燒，則應檢討其鋼筋深入接頭之長度是否符合要求。七、若構件殘餘強度與勁度有明顯不足，則應設法補強。八、安全評估小組認為有必要時，應進行現場載重試驗。九、受火害之鋼筋混凝土結構安全評估處理辦法（草案）及其流程如下所示【8】：. 30.

(45) 第二章文獻回顧. 火害後混凝土結構安全評估處理辦法(草案) 第一條為維護混凝土結構物遭受火害後再使用之安全，特訂定本辦法。第二條本辦法之主管機關在中央為內政部，在省為建設廳，在直轄市為工務局，在縣(市)為工務局或建設局，未設工務局或建設局者，由縣(市) 政府指定主管單位負責之。第三條混凝土結構物遭受火災後，經主管機關認為有安全之虞者，應通知結構物所有人立即停止使用，並依本辦法規定之作業流程(如附圖)進行結構安全評估。第四條結構物需進行安全評估時，主管機關應儘速派員會同消防機關、開業建築師、相關專業技師或學術研究單位組成勘查小組進行初勘。第五條初勘時，勘查小組如認為有必要，得要求業主立即進行結構緊急安全措施，以確保評估工作之安全。第六條初勘後，勘查小組如認為有必要，應於初勘報告書中要求結構物所有人進行複勘，主管機關應儘速通知結構物所有人委請主管機關核可之機構辦理複勘。第七條複勘時，勘查機構應按照火害後混凝土結構安全評估作業流程進行，工作完成後應提出複勘報告書，報告複勘之結果。並由結構物所有人檢具複勘報告書向主管機關報備。第八條主管機關收到複勘報告書後，如複勘報告書認為有進行結構安全鑑定之必要者，應通知結構物所有人儘速委請依法開業之結構專業機構或學術機構辦理，並向主管機關報備。第九條結構安全鑑定工作完成後應提出結構安全鑑定報告書，報告書應對結構安全及處置之方法作具體建議。由結構物所有人檢具結構安全鑑定報告書向主管機關報備。第十條主管機關收到結構安全鑑定報告書後，應依據該報告書內容通知結構物所有權人對結構物進行適當之處理： 1. 經結構安全鑑定認為安全無虞者，可准予逕行修理，恢復使用。 2. 經結構安全鑑定認為須予補強者，結構物所有權人應委請依法登記開業之建築師與結構專業技師進行補強設計，經主管機關核可後進行補強施工，並由設計者負責監督。結構物所有權人於結構補強施工完成後，應向主管機關報備，申請恢復使用。第十一條遭受火害之結構物如經複勘或結構安全鑑定，認為無法修護或補強而有危害公共安全之虞者，主管機關應立即通知結構物所有權人限期拆除。第十二條未依照第八條、第九條與第十條規定辦理者，主管機關得依建築法第一條、第七十七條規定，限期令其按照本辦法之規定進行結構安全評估，必要時另其拆除或強制拆除之。 31.

(46) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估第十三條依照本辦法規定辦理之建築物結構安全評估，其費用由結構物所有人負擔。第十四條本辦法自發佈日起生效。. 32.

(47) 第二章文獻回顧. 組成勘查小組. 初勘並進行必要之緊急安全措施. 損壞輕微. 損壞極度嚴重. 初勘結果研判. 損壞中度複勘. 安全無虞. 複勘結果研判. 顯有危險. 可能危險結構安全鑑定. 可否補強以達安全. 否. 拆除. 可補強或修復設計. 主管機關核定. 補強修復. 向主管機關報備及恢復使用. 33.

(48) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 第三章第一節. 現行火害後結構安全鑑定探討台灣地區現行火害後鑑定狀況. 火災發生後的調查鑑定，一般可分為火災調查與火害標的物之結構安全鑑定兩大類，火災調查一般係由消防單位負責，主要調查項目為火災原因及鑑定起火點。標的物結構安全鑑定則須由實務鑑定單位及相關學術單位負責如表 3-1，主要鑑定結構物受損、修復與安全問題【9】。表3-1火災調查單位. 第二節結構安全鑑定火災後建築物結構體損傷程度，對於最先趕往火災現場的消防人員及事後消防調查人員而言，因專業領域不同，實無法對標的物之結構安全執行鑑定判斷與結論。但對於可能被下令改善、停止使用或拆除的業者而言，僅能仰賴於相關專業法人或機構鑑定的結果，藉以作. 34.

(49) 第三章. 現行火害後結構安全鑑定探討. 為災後重建或修復之依據。鑑定者的資格，根據「建築師法」第十六條與「技師法」第十二條的業務規定中，除建築師及相關之技師以外，經建築主管機關確認之相關單位、團體亦可從事鑑定之委託業務。目前在臺灣地區辦理火害後安全鑑定工作之單位歸納如表 3-1 所示。本研究為了解可從事火害後結構安全鑑定單位之評估方法及結果，函請相關單位提供最近 15 年內火害後 R.C.建築物損害鑑定報告調查資料，但是多數單位表示無相關資料或鑑定報告資料屬個人著作權不宜提供，由於僅有台北市結構工程技師公會與台灣省建築師公會台中市辦事處提供火害後結構安全鑑定資料，另參考文獻【3】及 1999 年明屏忠碩士論文【10】，整理有關火害後結構安全鑑定單位之評估方法及結果如下：一、學術單位學術單位之火災安全鑑定報告書，通常主要係以測試數據為分級依據，而其包含的試驗項目不同亦無相同分級標準，其內容如表3-2 所示。由表中，可看出主要的測試方法為超音波測試、鑽心試體抗壓試驗、中性化試驗，而分級標準主要為混凝土強度的考量。二、實務單位實務單位之鑑定人通常由火災現場之溫度、燃燒時間之長短及現場版、梁、柱之裂紋現象，以專業的知識與經驗，進行初勘並隨機採用適當之分區鑑定，來研判災害之嚴重程度，如表3-3所示。由表可知，. 現行鑑定報告中，其分區之等級數與方式及損壞程度並沒有一定之關係，而由於鋼筋混凝土受高溫作用後，無論化性、物性在微巨觀上均會呈現一定之性質變化。因此，現場鑑定之火災分級，多是以構件外. 35.

(50) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 觀特性予以區分等級。在實驗鑑定之測試項目方面，由於技術規範之規定，大多採用混凝土鑽心試驗與現場載重試驗，而以其他試驗為輔。. 表3-2 學術單位鑑定報告調查資料. 表3-3公會鑑定報告調查資料. 36.

(51) 第三章. 序號. 1. 調查個案名稱. 時間. 構造. 永. 82. RC. 暉. 03. 育. 15. 實驗鑑定測試項目. 修補計畫. 第一級：現狀。. 1.混凝土. 3F. 第二級：變色。. 鑽心試. 鋼. 第三級：粉刷層. 驗。. 樂. 構. 剝落。第四級：. 2.中性化. 公. 加. 保護層剝落。. 試驗。. 司. 蓋. 第五級：鋼筋或鋼骨暴露。第六級：毀損。. 3.現場載. 第五級：柱樑樓版中性化及損壞嚴重部份，除龜裂以均壓注入環氧樹脂於裂縫中；損壞部份，以高壓噴水洗除後再以環氧樹脂混合細砂粉刷，作為其保護層。另用鋼筋或鋼板加以鋼架補強，此外，樓板鋼筋應與原有鋼筋焊牢之。第四級：保護層脫落、龜裂以環氧樹脂灌注，部份以環氧樹脂混合細砂粉刷，作為其保護層。第三級：粉刷層重做。第二級：變色部份以水玻璃清洗即可。. 現場鑑定火災分級. 重試驗 3.Test Hammer。. 2. 3. 現行火害後結構安全鑑定探討. 中. 82. 和華. RC. 第一區：部份. 1.混凝土. 第一區：版、樑、柱、牆之粉刷層有破. 12. 版、樑、柱、牆. 鑽心試. 壞或龜裂處須拆除重做。. 08. 之混凝土外表呈. 驗。. 第二區：粉刷層有燻黑、剝離者將粉刷. 安. 不規則龜裂。第. 2.現場載. 層打掉重新粉刷。. 街. 二區：粉刷層燻. 重試驗。. 第三區：同第二區之處理方法。. 爆. 黑。第三區：部. 炸. 份粉刷層燻黑。. 案. 第四區：完全完全未受影響。. 恆. 79. RC. 第一區：版、樑、 1.混凝土. 第一區：混凝土抗壓強度明顯不. 記. 11. 工. 柱混凝. 足，且撓度超過最大容許值，故建議拆. 實. 15. 廠. 土剝落及開裂嚴驗。重。第二區：版、 2.現場載樑、柱有裂紋，重試驗。但未見嚴重破壞。第三區：版、樑、柱燻黑，但未見開裂現象。（燻黑分三級： X，XX，XXX）. 業. 鑽心試. 除。第二區：以環氧樹脂補強處理，可達修復效果。. 資料來源：某公會鑑定報告書之資料. 37.

(52) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 表3-3公會鑑定報告調查資料（續）. 38.

(53) 第三章. 現行火害後結構安全鑑定探討. 表 3-3 公會鑑定報告調查資料（續）. 39.

(54) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 表 3-3 公會鑑定報告調查資料（續）. 40.

(55) 第三章. 現行火害後結構安全鑑定探討. 41.

(56) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 第四章. 試驗規劃. 第一節. 試驗設備. 本研究使用本所防火實驗中心小型多功能高溫爐及 100 噸之油壓機。 4-1-1 小型多功能耐火爐：耐火爐加熱尺寸為 120W×120H×120L（㎝），兩側各有 2 個噴火孔，共 4 個燃燒機提供熱能，使用燃料為液化石油瓦斯（LPG），每一個燃燒機配備瓦斯、空氣控制閥、點火變壓器、高壓導線、火星塞及 UV 火焰監視器，如圖 4.1 所示。 4-1-2 油壓機：本研究將同時使用位於小型多功能耐火爐上方加載能力為 100 噸之油壓機及位於梁端上方加載能力為 100 噸之油壓機，該兩部油壓機可獨立控制，分別施加不同的力量，其油壓缸行程 60 ㎝，且分別在柱端上方設置 100 噸荷重計；梁端上方設置 50 噸荷重計，以便實驗時控制加載力大小，如圖 4.2 所示。圖 4.1. 42. 小型多功能耐火爐裝置.

(57) 第四章. 圖 4.2. 試驗規劃. 試體、加載設備與小型多功能耐火爐裝置. 樓地板. 4-1-3 柱端鉸接連接頭及抗水平力桿本試驗柱試體兩端與油壓機及反力框架的連接，因應試驗要求必須以鉸接方式固定，如圖 4.3 所示。另由於有本試驗會產生水平力，在柱上端鉸接連接頭與油壓缸間裝置抗水平力桿，將水平力傳至反力框架，以免油壓缸及荷重計受到損壞，如圖 4.4 所示。圖 4.3. 柱端鉸接連接頭裝置. 43.

(58) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. 圖 4.4. 柱上端鉸接連接頭及抗水平力桿裝置. 4-1-4 梁端傳力桿及抗水平力桿由於梁柱接頭試體，距離梁端油壓缸之最大行程所能到達之高度仍然有相當大距離，因此必須設計一傳力桿，將梁上油壓缸所施加之力，傳達至試體梁端。另由於有本試驗會產生水平力，在梁端傳力桿與油壓缸間裝置抗水平力桿，將水平力傳至反力框架，以免油壓缸及荷重計受到損壞，如圖 4.5 所示。圖 4.5 梁端傳力桿及抗水平力桿裝置. 44.

(59) 第四章. 試驗規劃. 4-1-5 梁端滾支承：當梁傳力桿施加力量於梁端時，梁會產生變位，導致傳力桿施加於梁之加載點位置隨之而變，同時加載點的面積也會跟著改變，為改善此現象，在梁端以一支半圓形鋼棒銲接於鋼板上，並固定於梁傳力桿，以承接來自梁傳力桿之力量且模擬為滾支承，使得受力現象近似於滾支承，如圖 4.6 所示。另外試驗時，由於試體非完全如理想狀態的直線，斷面也非完全相同，試體可能在試驗時產生水平方向的側向變位，為避免此現象發生，於梁端加載點設計一ㄇ字型鋼板套住。圖 4.6 梁端滾支承裝置. 4-1-6 資料蒐集器：本研究試驗需蒐集溫度及位移兩種，溫度的量測採用本所 YOKOGAWA DA-100，位移的量測採用成功大學土木系的 NEC 7V-14 和工業電腦，可自動記錄供後續分析及數據整理。. 第二節. 升溫曲線. 建築物之耐火試驗標準國內有中國國家標準 CNS 12514「建築物構造部分耐火試驗法（Method of Fire Resistance Test for Structural Parts of Buildings. ）」，國外有 ASTM（美國材料試驗協會）E119「Standard Tests. 45.

(60) 鋼筋混凝土結構梁柱接頭火害後強度初估. Methods for Fire Tests of Buildings Construction and Materials（建築構造及材料燃火試驗標準試驗法）」、NFPA（美國防火協會）251「Standard Methods of Tests of. Fire Endurance of Buildings Construction and. Materials（建築構造及材料耐火試驗標準方法）」、BSI（英國標準制定） 476「Fire tests on buildings materials and structures（建築材料及結構燃火試驗）」、UL（Underwriters Laboratories）263「Fire Tests of Building Construction and Materials（建築構造及材料耐火試驗）」、 ISO（國際基準） 834「Fire-resistance tests-Elements of building construction（基本建築構造耐火試驗法）」、JIS （日本國家標準）A1304 「建築物構造部分耐火試驗法（Method of fire resistance test for structural parts of buildings）」，這些規範所模擬火場之升溫曲線大致相同，差異甚小，本研究採用 CNS 12514 之曲線，此曲線與 ISO 實際上是相同。 CNS 12514 之加熱曲線如下式求得，並如圖 4.7 表示。 T=345log10（8 t +1）+20 式中 T = 平均爐內溫度（℃） t = 試驗經過時間（分）圖 4.7 標準加熱溫度－時間曲線. 1300 1200 1100 1000 900. 溫度(℃). 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0. 30. 60. 90. 120. 150. 180 時間( 分 ). 46. 210. 240. 270. 300. 330. 360. 834.

(61) 第四章. 第三節. 試驗規劃. 梁柱接頭試體製作. 本研究共製作 10 根梁柱接頭試體，其中 5 根為普通強度混凝土(NC) 梁柱接頭，其餘 5 根為自充填混凝土(SCC)，試體製作係依據 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。 4-3-1 試體尺寸：本研究梁柱接頭試體擬模擬邊柱火害行為，然受限加熱爐空間的尺寸及加載設備能力，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 ㎝，柱端板鋼板尺寸為 45 ㎝×45 ㎝×2.5 ㎝，試體及柱端板尺寸如圖 4.8。 4-3-2 鋼筋：主筋及箍筋試體配筋如圖 4.9~4.11 所示柱鋼筋比為 2.8﹪，撓曲鋼筋 2. ，箍筋為＃4（SD280 竹採用 12－＃6（SD420 竹節鋼筋，fy＝4200kgf/cm ） 2. ，圍束區箍筋間距 7 ㎝，非圍束區箍筋間距 9.5 節鋼筋，fy＝2800kgf/cm ）㎝，主梁鋼筋比為 1.8﹪，撓曲鋼筋 6－＃5（SD420 竹節鋼筋，fy＝ 2. 4200kgf/cm ）、壓力筋比 1.18﹪，撓曲鋼筋 4－＃5（SD420 竹節鋼筋，fy 2. 2. ＝4200kgf/cm ），箍筋為＃3（SD280 竹節鋼筋，fy＝2800kgf/cm ），圍束區箍筋間距 6.5 ㎝，非圍束區箍筋間距 12 ㎝。為了解鋼筋力學性質，各型號鋼筋均進行拉力試驗，其試驗結果如表 4-1 所示。 4-3-3 熱電耦線配置為量測試體內部混凝土及鋼筋之溫度，於加熱試體內預先埋設 K－ Type 型式的熱電耦線，其埋設位置為主梁、柱上下端及梁柱接頭內，以量測試體加熱期間混凝土與鋼筋溫度變化及分佈情形，可提供後續數值分析及其他相關研究用，如圖 4.12~圖 4.20。. 47.