(1)包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性

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(1)包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 內政部建築研究所委託研究報告 103. 年度.

(2) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 內政部建築研究所委託研究報告中華民國 103 年 12 月（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）.

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(4) PG10301-0306 103301070000G0037. 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 受委託者：國立台灣科技大學營建系研究主持人：陳正誠研究助理：周佳希研究助理：吳品達. 內政部建築研究所委託研究報告中華民國 103 年 12 月（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）.

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(6) 目次. 目次表次 .......................................................................................... I 圖次 ....................................................................................... III 照片次 .................................................................................. VII 摘要 .................................................................................... XIII 第一章緒論 .......................................................................... 1 第一節研究緣起與背景 .................................................... 1 壹、. 研究緣起 ........................................................... 1. 貳、. 研究背景 ........................................................... 2. 第二節研究方法及過程 .................................................... 7 第二章文獻回顧 .................................................................... 11 第一節包覆填充型箱型柱混凝土圍束相關研究 ................ 11. 第二節載重 -位移曲線數據修正方法 ............................... 14 第三章試體設計製作及計畫 ................................................. 19 第一節試體規劃 ............................................................. 19 第二節試體設計 ............................................................. 20 第三節試體製作 ............................................................. 27 第四節試驗裝置與程序 .................................................. 32 第四章實驗結果與討論 ........................................................ 37 第一節試體材料強度試驗 ............................................... 37 第二節試體整體行為 ...................................................... 39 第三節強度與韌性 ......................................................... 75 第五章結論與建議 ............................................................... 83 第一節結論 .................................................................... 83 第二節建議 .................................................................... 84 誌謝 ................................................................................. 85 I.

(7) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 附錄一期初評選會議紀錄 ..................................................... 87 附錄二專家座談會會議紀錄 ................................................. 93 附錄三期中審查會議記錄 .................................................... 111 附錄四期末審查會議記錄 .................................................... 127 附錄 A. 鋼箱型柱試體設計圖 ............................................... 143. 附錄 B. T 系列試體橫向鋼筋配筋圖 .................................... 155. 附錄 C. 其他試體施工相關照片 ........................................... 161. 參考書目 ............................................................................... 169. II.

(8) 表次. 表次表 1. 1 預定之研究進度表 .......................................................................................... 7 表 3. 1 各柱試體編號與測試區橫向鋼筋配置情形 ................................................ 26 表 4. 1 混凝土圓柱試體抗壓試驗 ............................................................................ 38 表 4. 2 鋼筋拉力試驗 ................................................................................................ 38 表 4. 3 鋼板拉力試驗 ................................................................................................ 38 表 4. 4 CR 系列試體之強度 ....................................................................................... 78 表 4. 5 T 系列試體之強度 .......................................................................................... 78 表 4. 6 CR 系列試體在最大載重時之軸向應變 ....................................................... 79 表 4. 7 T 系列試體在所選擇強度之軸向應變 .......................................................... 79. I.

(9) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. II.

(10) 圖次. 圖次圖 1. 1 具防火混凝土之填充型箱型柱 ....................................................................... 2 圖 1. 2 典型包覆填充型箱型方柱 ............................................................................... 2 圖 1. 3 箱型柱需外圍束之混凝土 ............................................................................... 3 圖 1. 4 輔助繫筋間距過大之情形 ............................................................................... 3 圖 1. 5 輔助繫筋距離為 350mm 之情形 ..................................................................... 4 圖 1. 6 使用「接力式繫筋」之情形 ........................................................................... 4 圖 1. 7 工程實務包覆填充型箱型柱斷面圖 ............................................................... 5 圖 1. 8 研究流程圖 ....................................................................................................... 8 圖 1. 9 鋼筋應力-應變曲線 ......................................................................................... 9 圖 1. 10 鋼板應力-應變曲線 ....................................................................................... 9. 圖 2. 1 鋼骨翼板之圍束區 ......................................................................................... 12 圖 2. 2 參考書目[12、13]試體斷面示意圖 ............................................................... 14 圖 2. 3 T4-1 位移計量測所得測試區之載重-位移曲線 ........................................... 16 圖 2. 4 MATS 儀器量測所得整體之載重-位移曲線 ................................................ 17 圖 2. 5 修正前/後測試區之載重-位移曲線 ............................................................... 17 圖 3. 1(續) 試體斷面圖 (單位：mm) ...................................................................... 25. III.

(11) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 圖 3. 2 試體架設圖 ..................................................................................................... 33 圖 3. 3 試體鋼板夾具圖 ............................................................................................. 34 圖 3. 4 各試體之橫向鋼筋應變計配置圖 ................................................................. 36. 圖 4. 1 CR 測試區載重-位移 ..................................................................................... 41 圖 4. 2 CR 整體載重-位移 ......................................................................................... 41 圖 4. 3 CR-1 測試區載重-應變 .................................................................................. 42 圖 4. 4 CR-2 測試區載重-應變 .................................................................................. 42 圖 4. 5 T1 位移計實測測試區載重-位移................................................................... 49 圖 4. 6 T2 位移計實測測試區載重-位移................................................................... 49 圖 4. 7 T3 位移計實測測試區載重-位移................................................................... 49 圖 4. 8 T4 位移計實測測試區載重-位移................................................................... 50 圖 4. 9 T5 位移計實測測試區載重-位移................................................................... 50 圖 4. 10 T1 MATS 實測整體載重-位移 .................................................................... 51 圖 4. 11 T2 MATS 實測整體載重-位移..................................................................... 51 圖 4. 12 T3 MATS 實測整體載重-位移 .................................................................... 51 圖 4. 13 T4 MATS 實測整體載重-位移 .................................................................... 52 圖 4. 14 T5 MATS 實測整體載重-位移 .................................................................... 52 圖 4. 15 T1 修正之測試區載重-位移......................................................................... 53. IV.

(12) 圖次. 圖 4. 16 T2 修正之測試區載重-位移......................................................................... 53 圖 4. 17 T3 修正之測試區載重-位移......................................................................... 53 圖 4. 18 T4 修正之測試區載重-位移......................................................................... 54 圖 4. 19 T5 修正之測試區載重-位移......................................................................... 54 圖 4. 20 T1 修正之測試區載重-應變......................................................................... 55 圖 4. 21 T2 修正之測試區載重-應變......................................................................... 55 圖 4. 22 T3 修正之測試區載重-應變......................................................................... 55 圖 4. 23 T4 修正之測試區載重-應變......................................................................... 56 圖 4. 24 T5 修正之測試區載重-應變......................................................................... 56 圖 4. 25 T 系列和 CR 系列測試區正規化載重-應變曲線 ....................................... 80 圖 4. 26 T1 和 T2 測試區正規化載重-應變曲線 ...................................................... 81 圖 4. 27 T3、T4 和 T5 測試區正規化載重-應變曲線 ............................................. 81 圖 4. 28 T1 和 T4 測試區正規化載重-應變曲線 ...................................................... 82 圖 4. 29 SRC 設計規範 4.3.5 柱之箍筋示意圖 ........................................................ 82. 圖 A. 1 T1 試體鋼箱型柱設計圖(一) ................................................................... 145 圖 A. 2 T1 試體鋼箱型柱設計圖(二) ................................................................... 146 圖 A. 3 T2、T5 試體鋼箱型柱設計圖 ................................................................. 147 圖 A. 4 T3 試體鋼箱型柱設計圖 .......................................................................... 148 V.

(13) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 圖 A. 5 T4 試體鋼箱型柱設計圖(一) ................................................................... 149 圖 A. 6 T4 試體鋼箱型柱設計圖(二) ................................................................... 150 圖 A. 7 T 系列鋼箱型柱上端板詳圖 .................................................................... 151 圖 A. 8 CR 試體鋼箱型柱設計圖 ......................................................................... 152 圖 A. 9 CR 試體鋼箱型柱上端板詳圖 ................................................................. 153 圖 B. 1 T1 試體配筋圖 .......................................................................................... 156 圖 B. 2 T2 試體配筋圖 .......................................................................................... 157 圖 B. 3 T3 試體配筋圖 .......................................................................................... 158 圖 B. 4 T4 試體配筋圖 .......................................................................................... 159 圖 B. 5 T5 試體配筋圖 .......................................................................................... 160. VI.

(14) 照片次. 照片次照片 3. 1 箱型柱上端板完成近照 ............................................................................. 28 照片 3. 2 雙 L 型箍筋於鋼筋加工廠放樣 ................................................................. 29 照片 3. 3 貫穿繫筋於現場施工完成照 ..................................................................... 29 照片 3. 4 T3 短繫筋於現場施工完成照 ................................................................. 30 照片 3. 5 T5 搭接式繫筋於現場施工完成照 ......................................................... 30 照片 3. 6 填補無收縮水泥完成照 ............................................................................. 31 照片 3. 7 試體架設完成照(建研所) ........................................................................... 34 照片 3. 8 試體架設完成照(國震) .............................................................................. 35. 照片 4. 1 CR-1 試體 ................................................................................................... 43 照片 4. 2 CR-2 試體 ................................................................................................... 43 照片 4. 3 CR-1 破壞後外觀之 1 ................................................................................ 44 照片 4. 4 CR-1 破壞後外觀之 2 ................................................................................ 44 照片 4. 5 CR-2 破壞後外觀之 1 ................................................................................ 44 照片 4. 6 CR-2 破壞後外觀之 2 ................................................................................ 44 照片 4. 7 T1-1 試體..................................................................................................... 57 照片 4. 8 T1-2 試體..................................................................................................... 57 VII.

(15) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 照片 4. 9 T2-1 試體..................................................................................................... 58 照片 4. 10 T2-2 試體................................................................................................... 58 照片 4. 11 T3-1 試體 ................................................................................................... 59 照片 4. 12 T3-2 試體................................................................................................... 59 照片 4. 13 T4-1 試體................................................................................................... 60 照片 4. 14 T4-2 試體................................................................................................... 60 照片 4. 15 T5-1 試體................................................................................................... 61 照片 4. 16 T5-2 試體................................................................................................... 61 照片 4. 17 T1-1 試體破壞後-E 面.............................................................................. 62 照片 4. 18 T1-1 試體破壞後-W 面 ............................................................................ 62 照片 4. 19 T1-1 試體破壞後-S 面 .............................................................................. 62 照片 4. 20 T1-1 試體破壞後-N 面 ............................................................................. 62 照片 4. 21 T1-2 試體破壞後-E 面.............................................................................. 63 照片 4. 22 T1-2 試體破壞後-W 面 ............................................................................ 63 照片 4. 23 T1-2 試體破壞後-S 面 .............................................................................. 63 照片 4. 24 T1-2 試體破壞後-N 面 ............................................................................. 63 照片 4. 25 T2-1 試體破壞後-E 面.............................................................................. 64 照片 4. 26 T2-1 試體破壞後-W 面 ............................................................................ 64. VIII.

(16) 照片次. 照片 4. 27 T2-1 試體破壞後-S 面 .............................................................................. 64 照片 4. 28 T2-1 試體破壞後-N 面 ............................................................................. 64 照片 4. 29 T2-2 試體破壞後-E 面.............................................................................. 65 照片 4. 30 T2-2 試體破壞後-W 面 ............................................................................ 65 照片 4. 31 T2-2 試體破壞後-S 面 .............................................................................. 65 照片 4. 32 T2-2 試體破壞後-N 面 ............................................................................. 65 照片 4. 33 T3-1 試體破壞後-E 面.............................................................................. 66 照片 4. 34 T3-1 試體破壞後-W 面 ............................................................................ 66 照片 4. 35 T3-1 試體破壞後-S 面 .............................................................................. 66 照片 4. 36 T3-1 試體破壞後-N 面 ............................................................................. 66 照片 4. 37 T3-2 試體破壞後-E 面.............................................................................. 67 照片 4. 38 T3-2 試體破壞後-W 面 ............................................................................ 67 照片 4. 39 T3-2 試體破壞後-S 面 .............................................................................. 67 照片 4. 40 T3-2 試體破壞後-N 面 ............................................................................. 67 照片 4. 41 T4-1 試體破壞後-E 面.............................................................................. 68 照片 4. 42 T4-1 試體破壞後-W 面 ............................................................................ 68 照片 4. 43 T4-1 試體破壞後-S 面 .............................................................................. 68 照片 4. 44 T4-1 試體破壞後-N 面 ............................................................................. 68. IX.

(17) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 照片 4. 45 T4-2 試體破壞後-E 面.............................................................................. 69 照片 4. 46 T4-2 試體破壞後-W 面 ............................................................................ 69 照片 4. 47 T4-2 試體破壞後-S 面 .............................................................................. 69 照片 4. 48 T4-2 試體破壞後-N 面 ............................................................................. 69 照片 4. 49 T5-1 試體破壞後-E 面.............................................................................. 70 照片 4. 50 T5-1 試體破壞後-W 面 ............................................................................ 70 照片 4. 51 T5-1 試體破壞後-S 面 .............................................................................. 70 照片 4. 52 T5-1 試體破壞後-N 面 ............................................................................. 70 照片 4. 53 T5-2 試體破壞後-E 面.............................................................................. 71 照片 4. 54 T5-2 試體破壞後-W 面 ............................................................................ 71 照片 4. 55 T5-2 試體破壞後-S 面 .............................................................................. 71 照片 4. 56 T5-2 試體破壞後-N 面 ............................................................................. 71 照片 4. 57 T1-2 試體破壞........................................................................................... 72 照片 4. 58 T2-1 試體破壞........................................................................................... 72 照片 4. 59 T3-2 試體破壞........................................................................................... 72 照片 4. 60 T3 短繫筋製作完成之形狀 ...................................................................... 73 照片 4. 61 T3 試驗後之短繫筋形狀 .......................................................................... 73 照片 4. 62 T4-1 試體破壞........................................................................................... 74. X.

(18) 照片次. 照片 4. 63 T5-1 試體破壞........................................................................................... 74. 照片 C. 1 鋼箱型柱現場照(由右至左分別為 T1-T5 及 CR 試體) ....................... 162 照片 C. 2 L 型箍筋 135 度彎鉤加工照 ................................................................ 162 照片 C. 3 試體主筋暫固定於鋼型柱....................................................................... 163 照片 C. 4 T1 試體貫穿繫筋 135 度彎鉤採人工加工 .......................................... 163 照片 C. 5 T2 試體角隅繫筋完成照 ...................................................................... 164 照片 C. 6 T3 試體短繫筋完成照 .......................................................................... 164 照片 C. 7 T4 試體貫穿繫筋完成照 ...................................................................... 165 照片 C. 8 T5 試體搭接式繫筋完成照 .................................................................. 165 照片 C. 9 試體鋼骨內灌漿照................................................................................ 166 照片 C. 10 試體灌漿完成照.................................................................................. 166 照片 C. 11. 試體上端板之切割鋼板 ...................................................................... 167. 照片 C. 12 試體上端板之切割鋼板填補完成照.................................................. 167 照片 C. 13 混凝土圓柱抗壓試體完成照.............................................................. 168 照片 C. 14. 試體與圓柱抗壓試體一同養護.......................................................... 168. XI.

(19) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. XII.

(20) 摘要. 摘要關鍵詞：包覆填充型箱型柱、鋼骨鋼筋混凝土柱、包覆型 SRC 柱、填充型箱型柱一、研究緣起由於箱型柱具有優異的力學性能，台灣高樓結構大多使用箱型柱或填充型箱型柱(即箱型柱內填充混凝土)。但是考慮到防禦火害，工程師常在箱型柱外增設約 100mm 的混凝土當作防火層。有的工程師將這層混凝土兼作結構用途，並配置縱向主筋及橫向鋼筋，成為所謂的「包覆填充型箱型柱」。由於鋼梁會接到鋼柱面，因此縱向主筋往往只能配置在柱角隅處，且橫向鋼筋除了外圍箍筋外，繫筋也會受到鋼柱的阻撓而無法直通柱斷面。鋼柱的阻撓使得包覆填充型箱型柱外圍混凝土的圍束常無法滿足規範的要求。為了解決這個問題，工程師提出一些變通的作法，有些作法在學理上不甚合理，有些作法處於灰色地帶，對結構安全帶來疑慮。為了確保包覆填充型箱型柱之結構安全性，以大尺寸柱試體軸向載重試驗，來評估、測試常見橫向鋼筋配置細部，對鋼柱外側混凝土的圍束效果。此外開發出可能之替代方案，並以大尺寸柱試體軸向載重試驗的方式驗證這些替代方案的可行性。研究成果一方面可以提供工程界結構細部設計與施工之參考，一方面也可以提供相關規範未來修改之參考。此外，試驗數據還可用以評估各種橫向鋼筋型式與細部，在包覆填充型箱型柱撓曲韌性發展之潛能，並據以研提後續研究發展之方向與課題。. XIII.

(21) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 二、研究方法及過程本研究案之研究工作包括文獻資料蒐集與整理、試體設計、試體製作、材料機械性質試驗、軸向載重試驗及數據收集、實驗數據整理及分析、理論模型評估、報告與期刊論文撰寫以及提出建議等步驟。採用的研究方法包括：1.文獻資料收集與整理；2.短柱試體之軸向載重實驗；3.鋼板、箍筋及混凝土基本材料實驗； 4.規範條文適用性評估；5.舉辦專家座談會。三、重要發現 T3 試體的延展性不比 T4 試體差，顯示接力式繫筋的概念相當具有可行性。 T5 試體在強度降到 75%時之延展性，與 T4 試體之延展性接近，顯示 T5 橫向箍筋之配置方式具有可行性。四、主要建議事項建議一：鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範解說之修改：立即可行建議主辦機關：內政部營建署本計畫研究結果顯示角隅繫筋的功能無法取代一般繫筋，另外接力式繫筋具有可行性，建議在鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範中第「4.3.5 柱之箍筋」之解說中補充說明之。建議二：推動「填充型箱型柱內剪力釘之需求探討」研究計畫：立即可行建議主辦機關：內政部建築研究所. XIV.

(22) 摘要. 專家座談會、期中審查會議及期末審查會議時，工程實務人員之討論中，可發現箱型柱與混凝土間是否需要設置剪力釘，還有需要設置多少剪力釘，困擾著工程師們。這個問題無法在本研究案中探討，建議建研所將「箱型柱與混凝土間是否需要配置剪力釘」列為短期內推動之研究課題。建議三：推動「包覆填充型箱型柱接力式繫筋之撓曲韌性」研究計畫：中長期建議主辦機關：內政部建築研究所 T3 試體接力式繫筋的概念相當具有可行性，應該進行撓曲延展性試驗，進一步探討其可行性。. XV.

(23) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. XVI.

(24) ABSTRACT. ABSTRACT. Keywords: concrete filled and encased column, SRC column, steel reinforced concrete column, encased box column, concrete filled box column.. Box column and concrete filled box column are widely used in Taiwan in high-raise buildings. However, for the purpose of fire resistance, a layer of concrete, which usually has a thickness of 100 mm, encasing the box columns is often provided. This layer of concrete basically is not considered having structural function. Some engineers thicken the concrete, provide longitudinal steel bar, and provide transverse steel bars to make the concrete wrapping around the box column having structural function. This type of column section is named as concrete filled and encased box column. However, this type of column is likely to have problem confining out-skirt concrete sufficiently to provide enough ductility to the column. In this study, several types of transverse steel bar pattern are investigated to obtain more information about the ductility that these steel bar patterns can provide. In addition, new type of transverse steel bar pattern will be developed in this study. Large scale short column specimens will be fabricated and tested by applying axial load to study the ductility of the different transverse steel bar pattern can develop.. XVII.

(25) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. XVIII.

(26) 第一章緒論. 第一章第一節壹、. 緒論. 研究緣起與背景. 研究緣起. 由於箱型柱具有優異的力學性能，台灣高樓結構大多使用箱型柱或填充型箱型柱 (即箱型柱內填充混凝土)。但是考慮到防禦火害，工程師常在箱型柱外增設約 100mm 的混凝土當作防火層。有的工程師會將這層混凝土兼作結構用途，並配置縱向主筋及橫向鋼筋，成為所謂的「包覆填充型箱型柱」。由於鋼梁會接到鋼柱面，因此縱向主筋往往只能配置在柱角隅處，且橫向鋼筋除了外圍箍筋外，繫筋也會受到鋼柱的阻撓而無法直通柱斷面。鋼柱的阻撓使得包覆填充型箱型柱外圍混凝土的圍束常無法滿足規範的要求。為了解決這個問題，工程師提出一些變通的作法，有些作法在學理上不甚合理，有些作法處於灰色地帶，對結構安全帶來疑慮。為了確保包覆填充型箱型柱之結構安全性，以大尺寸柱試體軸向載重試驗，來評估、測試常見橫向鋼筋配置細部，對鋼柱外側混凝土的圍束效果。此外開發出可能之替代方案，並以大尺寸柱試體軸向載重試驗的方式驗證這些替代方案的可行性。研究成果一方面可以提供工程界結構細部設計與施工之參考，一方面也可以提供相關規範未來修改之參考。此外，試驗數據還可用以評估各種橫向鋼筋型式與細部，在包覆填充型箱型柱撓曲韌性發展之潛能，並據以研提後續研究發展之方向與課題。. 1.

(27) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 貳、. 研究背景. 由於箱型柱具有優異的力學性能，台灣高樓鋼結構大多使用箱型柱或填充型箱型柱（即箱型柱內填充混凝土）。但是考慮到防禦火害，工程師常在箱型柱外增設約 100 mm 的混凝土當作防火層，並配置溫度鋼筋或點銲鋼絲網，如圖 1.1 所示。桿件設計時，通常不考慮防火層混凝土及點銲鋼絲網對桿件強度的可能貢獻。這樣的做法似乎有點浪費材料，因此有將這層混凝土防火層兼作結構用途的構想，通常將混凝土層加厚至 150 mm 或更高，並配置縱向主筋如圖 1.2 所示。. 150 mm 縱向輔助鋼筋縱向主筋. 100 mm 箱型鋼柱 150 mm. 100 mm. 箱型鋼柱. 防火混凝土. 圍束箍筋輔助繫筋. 點銲鋼絲網具結構功能之混凝土內填充混凝土. 內填充混凝土. 圖 1. 1 具防火混凝土之填充型箱型柱. 圖 1. 2 典型包覆填充型箱型方柱. 通常使用包覆填充型箱型柱的構架，會使用純鋼梁或含有鋼骨 H 斷面的包覆型 SRC 梁，由於鋼梁及 SRC 梁需要接到包覆填充型箱型柱中之箱型柱，因此縱向主筋必須避開梁的位置，而往往只能配置在柱角隅處。如圖 1.2 所示斷面即在柱的每個角隅配置 3 支縱向主筋，而其餘的部位則不配置主筋。另一方面，橫向鋼筋除了外圍箍筋外，繫筋會受到箱型柱的阻撓而無法直通柱斷面，這對箱型柱外圍混凝土（如圖 1.3 中虛縣所標示之範圍）的圍束有不利的影響。為了解決這個問題，工程師提出一些變通的作法，有些無法充分滿足規範的要求，有些作法在學理上不甚合理，對結構安全帶來疑慮。 2.

(28) 第一章緒論. 縱向輔助鋼筋縱向主筋. 鋼柱外側混凝土. 箱型鋼柱 700. 圍束箍筋輔助繫筋. 448 600 圖 1. 3 箱型柱需外圍束之混凝土. 圖 1. 4 輔助繫筋間距過大之情形. 包覆填充型箱型柱斷面通常很大。以方柱為例，包覆填充型箱型柱邊長通常不小於箱型柱邊長加上 300 mm，而方形箱型柱邊長通常不小於 400 mm，因此整個包覆填充型箱型柱的邊長通常不小於 700 mm。若斷面為 700  700 mm 的柱每個角隅配置 3 支縱向主筋，此時主筋與主筋的距離可達 448 mm，如圖 1.4 所示，大於耐震規範所規定之 150mm。若在柱中央位置配置 3 支#6 縱向輔助主筋（如圖 1.4），此時主筋（包括輔助主筋）的淨間距低於 150 mm，可以合乎規範對主筋淨間距的規定。橫向鋼筋部分，除了外圍之圍束箍筋外，角隅通常會配置一支補助繫筋，此時圍束鋼筋兩支腳（或稱為「肢」）之距離為 600 mm，兩支補助繫筋之最近距離為 448 mm，皆大於規範容許之 350 mm。有些結構物在設計時即忽略規範這項要求。為了滿足規範的要求，一個可能的作法是拉開角隅主筋的距離，讓補助繫筋的距離不大於 350 mm，如圖 1.5 所示。這樣表面上似乎可以滿足規範的要求，但是實際上規範談到 350 mm 容許距離時指的是箍筋或繫筋的距離，而不是補助繫筋的距離，這產生疑慮，應該加以釐清。. 3.

(29) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 縱向輔助鋼筋縱向主筋. 700. 箱型鋼柱. 圍束箍筋輔助繫筋 175. 350. 175. 圖 1. 5 輔助繫筋距離為 350mm 之情形圖 1.5 的情況一方面是否合乎規範要求還有疑慮，另一方面由於主筋的距離只有 350 mm，鋼梁的寬度受到限制，基本上翼板寬度只能達到 300 mm。一個可能解決這個問題的作法是，銲接一塊有開孔的鐵件在箱型柱上，並使用一短繫筋連結開孔鐵件及補助縱向鋼筋，如圖 1.6(a)所示。圍束混凝土所需之圍束力，經過短繫筋、箱型柱橫向柱板、箱型柱縱向柱板、箱型柱橫向柱板、短繫筋的路徑來傳達，如圖 1.6(b)所示，簡稱此種繫筋為「接力式繫筋」。相較於傳統繫筋，「接力式繫筋」具有一個比較間接的傳力路徑，其勁度在箱型柱橫向柱板傳遞時會偏低，且受到柱板的寬度及厚度的影響，其有效性亦受到質疑。. 縱向輔助鋼筋縱向主筋. 縱向柱板橫向柱板開孔鐵件. 箱型鋼柱圍束箍筋輔助繫筋. 縱向輔助鋼筋短繫筋. 短繫筋 (a) 使用接力式繫筋之斷面示意. (b) 輔助繫筋間距過大之情形. 圖 1. 6 使用「接力式繫筋」之情形. 4.

(30) 第一章緒論. 上述幾種可能的作法，都無法很明確的被認定合乎規範的要求，而是處於模糊地帶。繫筋的有效性對柱的韌性有明顯的影響，這些處於模糊地帶的作法應該要進一步評估其有效性。此外，其他比較明確且學理上比較合理的作法，也應該被開發出來，在上述作法無法滿足需求時，能夠有替代方案可供選擇。以下為收集到之相關工程實例。圖 1.7 所示為中部某新建建築工程中所使用之包覆填充型箱型柱斷面，圖 1.7(a)為轉換層之斷面，圖 1.7(b)所示為 1 樓以上柱之標準斷面。. 100. ≧175. 照片 1.1 及 1.2 所示為北部某建築工程中，柱所使用包覆填充型箱型柱之逆打鋼柱。. #4. #4 #3. #8 or #10 100. ≧175. (a)轉換層. (b)1F以上樓層. 圖 1. 7 工程實務包覆填充型箱型柱斷面圖. 5.

(31) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 照片 1. 1 北部建築工程逆打鋼柱採用包覆填充型箱型柱. 照片 1. 2 包覆填充型箱型柱角隅處橫向鋼筋之配置 (資料來源: 本研究收集). 6.

(32) 第一章緒論. 第二節. 研究方法及過程. 本研究案研究方法包括：(1) 文獻資料收集與整理；(2) 短柱試體之軸向載重實驗； (3) 鋼板、箍筋及混凝土基本材料實驗；(4) 規範條文適用性評估；(5) 舉辦專家座談會； (6) 報告及期刊論文之撰寫。本研究預定之進度表如表 1.1 所示，流程如圖 1. 8 所示，採用的研究方法及進度說明敘述如後。表 1. 1 預定之研究進度表月次. 工作項目. 第. 第. 第. 第. 第. 第. 第. 第. 第. 第. 第. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 個. 個. 個. 個. 個. 個. 個. 個. 個. 個. 個. 月. 月. 月. 月. 月. 月. 月. 月. 月. 月. 月. 5. 15. 25. 30. 40. 45. 60. 70. 85. 95. 100. 文獻資料收集與整理試體設計試體製作軸向載重試驗及數據收集試驗數據整理及分析理論模型評估報告撰寫及提出建議預定進度（累積%數）. (資料來源:本研究整理). 7. 備註.

(33) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 第一次專家座談會. 新型式橫向箍筋細部研擬. 橫向鋼筋資料收集與整理並評估合理及可行性. 挑選檢測之橫向箍筋型式. 進行大尺寸試體軸向載重/材料試驗. 試驗數據整理. 各種橫向鋼筋細部對試體軸向強度及延展性之有效性評估. 報告撰寫及提出建議. 圖 1. 8 研究流程圖 (資料來源:本研究整理) 本研究首先蒐集、整理相關文獻，一方面避免本研究之內容與現有成果重複，另一方面所收集之資料可作為分析及規範檢討的參考或補充資料。重要文獻之回顧彙整於第二章。本研究係以包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式為主，由於柱桿件在破壞時，不論鋼材、鋼筋或混凝土都進入非彈性階段，試體有顯著的材料非線性行為。此外，箱型柱柱板在軸向應變下會有局部挫屈的現象，這是一種幾何非線性行為。當試體牽涉到顯著的材料以及幾何非線性的情況時，理論分析及數值模擬無法充分掌握其行為，尤其是韌性行為。因此，採用結構試驗的方式進行之。此外，為了降低尺寸效應的影響，採用大尺寸試體軸向載重試驗的方式進行研究。經期初、期中審查委員之建議，以及於 5 月份召開之專家座談會時，產、官、學各界之專家委員給予之建議，試體細部設計稍做調整。期初審查會議紀錄、專家座談會會議紀錄、期中審查會議紀錄及期末審查會議紀錄，分別詳附錄一至四。而試體材料之基本應力-應變關係曲線，可用於未來研究者建立材料分析模型。材料試驗包括鋼筋、鋼板(圖 1.9 及 1.10)及混凝土，鋼板及鋼筋則量測受拉情況之應力-應 8.

(34) 第一章緒論. 變曲線，混凝土量測受壓情況之應力-應變曲線。. 圖 1. 9 鋼筋應力-應變曲線. 圖 1. 10 鋼板應力-應變曲線. 9.

(35) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 10.

(36) 文獻回顧. 第二章文獻回顧所收集的文獻中，以有關橫向鋼筋量需求及混凝土圍束相關研究成果，以及短柱軸壓試驗載重-位移關係曲線之修正方法，與本研究有密切的關係。因此本章及針對包覆填充型箱型柱混凝土圍束以及載重-位移關係曲線修正方法說明之。. 第一節包覆填充型箱型柱混凝土圍束相關研究包覆填充型箱型柱強度與韌性之優劣往往與其混凝土受圍束之有效性。過去研究指出，箍筋之圍束能有效防止主筋挫屈且能為核心混凝土產生圍壓，大大提升其抗壓強度與韌性。因此，眾多學者紛紛投入圍束效應之研究，企圖找出不同圍束方式與圍束力大小對韌性之影響。以下為圍束效應研究之相關文獻回顧：陳正誠、柯人文[10]研究填充混凝土箱型柱的軸向行為，並探討斷面強度、寬厚比的影響、軸向延展性、及局部挫屈變形等。共設計 42 支大尺寸方型箱型鋼柱之短柱試體，以不同斷面寬度、鋼板厚度及寬厚比為參數，並完成軸向載重試驗。試驗結果顯示填充混凝土箱型柱在發展出最大強度後，會出現強度急速下降的現象，造成的主要因素為混凝土強度的急速下降。斷面寬厚比越大，下降的速度越快，下降的幅度也越大。AISC 規範之標稱強度計算公式可以合理與保守的估計 345 MPa 箱型鋼柱搭配 40 MPa 混凝土的強度，但若混凝土改為 70 MPa 時，會有高估強度的現象。當使用 450 MPa 箱型鋼柱時，無論搭配何種強度混凝土，AISC 規範標稱強度公式均有高估強度的疑慮。當填充混凝土箱型鋼柱配置繫桿時，對於斷面強度及軸向延展性均有正面的提升。當斷面寬厚比越高時，乾縮造成強度降低的影響越嚴重。. 11.

(37) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 翁正強、顏聖益、林俊昌[11]等人針對包覆型 SRC 柱中，混凝土受到鋼骨圍束之行為進行理論模式研究。此研究以鋼骨翼板寬度為參數，提出數種 SRC 柱中鋼骨對混凝土的圍束模式，並加以分析求得較為合理之 SRC 柱圍束箍筋用量之計算公式。研究結果顯示，當考慮鋼骨翼板對混凝土產生圍束效應時，所需之圍束箍筋用量將可獲得合理的放寬，如圖 2.1(a)、(b)所示。. (b)翼板較寬時之圍束區. (a)翼板較窄時之圍束區. 圖 2. 1 鋼骨翼板之圍束區翁正強、李讓[12]針對 SRC 翼板寬度作為主要參數，來探討鋼骨翼板對於混凝土圍束效應之影響。共試驗 20 支包覆型 SRC 短柱之軸向抗壓試驗，實驗結果顯示鋼骨翼板寬度確實能提供混凝土良好之圍束效果。由實驗結果發現，鋼骨也能為 SRC 柱之軸力強度有所貢獻，使得混凝土所需承擔之軸壓力相對減少。綜合上述兩點，翁正強博士提出了一套 SRC 柱圍束箍筋用量之耐震設計方法，如下式所示。該法同時考量鋼骨用量以及鋼骨翼板寬度對 SRC 柱之影響，使得 SRC 柱圍束箍筋用量能合理的放寬，增加經濟性以及施工性。 SRC 柱之矩形閉合箍筋之總斷面積(𝐴𝑠ℎ )不得小於下列兩式之規定；  f c'   Ag   P  Phcc  Ash  0.3shc   1 1  S    F  A  Pn u   yh   ch  . 及. 12. (1-1).

(38) 文獻回顧.  f '   P  Phcc  Ash  0.09shc  c  1  S   F   Pn u   yh  . (1-2).  P  Phcc  上式中 1  S ，其中(Pn)u 為  為此研究建議之「箍筋用量折減係數」  Pn u  . SRC 柱之軸向受壓強度、𝑃𝑆 為鋼骨之軸向受壓強度、Phcc 為高圍束區混凝土之軸向受壓強度，式(1-1)及式(1-2)已納入 2011 年內政部建築研究所所發布之鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範中。陳正誠、沈家豪[13]研究以包覆型 SRC 柱箍筋配置量為參數，探討當包覆型 SRC 柱箍在強軸與弱軸彎曲的情況下，箍筋對受壓混凝土提供圍束之應力、提供柱抗剪之能力，並觀察當試體達到極限狀態時強度衰減之程度。共規劃九組試體，柱頂以油壓千斤頂給予軸壓力，水平側則利用水平 MTS 給予反覆載重，以模擬 SRC 柱受到地震力之作用。研究結果顯示，當 SRC 柱之鋼骨斷面不是雙向對稱斷面時，SRC 柱之箍筋需求量具有方向性，強軸彎矩與弱軸彎矩所需之箍筋量應該不同；並提出國內 SRC 規範規定之柱箍筋需求量偏保守；並建議該研究的箍筋需求量計算方式，可以考慮到鋼骨的不對稱性、鋼骨翼板寬度、鋼骨深度以及柱軸力的影響，箍筋需求量也可降低到合理的範圍。陳正誠、黃氏秋水[14]則以不同的箍筋配置量討論 SRC 柱之耐震行為，並且考慮鋼骨的圍束效果去折減箍筋的使用量，進而達到施工便利性與整體的經濟性，其中提及當考慮鋼骨翼板提供圍束效應，實際上需要箍筋來圍束的混凝土並非整塊核心混凝土。沈家豪[12]則延續前述之研究但改變軸力與箍筋量，探討箍筋量對於包覆型 SRC 柱塑性轉角容量的影響，研究成果顯示，前述研究對於強軸彎矩時箍筋使用量之建議過於保守，應可再加以修正使工程應用上更為經濟，圖 2.2 顯示前述研究之試體設計。. 13.

(39) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性 RH 340x100x9x14. 65 450 Series D1. 65. 65 450 65. 450 65. XH340x100x9x14. 65 100 120 100 65. 450 65. RH 260x200x9x14. 65 100 120 100 65. 65 100 120 100 65. 450. RH 340x200x9x14. 65. 65. 65. 65 450. 450. 450 Series D1N. Series D2. Series XD1N. 圖 2. 2 參考書目[12、13]試體斷面示意圖. 第二節載重-位移曲線數據修正方法本研究 T 系列試體在測試區觀測試體兩側各裝置兩支位移計共四支，試驗過程中為避免混凝土嚴重剝落而撞擊到位移計，所以在試體受軸壓載重至極限載重過後降至極限載重之 70%~80%左右時，視情況將位移計取下，以 T4-1 試體為例，測試區之載重-位移曲線，如圖 2.3 所示。爾後將試體繼續加載至極限載重之 50%左右而停止試驗，MATS 儀器量測所得之載重-位移曲線（T4-1），如圖 2.4 所示。MATS 量測得到的位移，為整個系統之變形，包括試體全長之變形、機台之變形以及試體與機台傳力過程間試驗裝置的變形。測試區的軸向變形，在混凝土剝落前以位移計測得之數據（圖 2.3）比較可靠，在混凝土剝落後，位移計讀數受到混凝土剝落的干擾而失真，此時以 MATS 量測所得位移經過修正後所得之位移比較可靠。本研究採用李台光[18]使用的方法，建構完整的載重-位移曲線，敘述如後。 MATS 量測得到的位移為整個系統的位移。設定試體測試區之勁度為 K A 、整個系統之勁度為 K B 以及試體與機台傳力過程間試驗裝置的勁度 K LS 。計算 K A 、. K B 、 K LS 時與計算強度 P0 有關，計算 P0 時使用實測材料強度並根據（2-1）式計算之。. 14.

(40) 文獻回顧. P0 =0.85 f c'  Ag -Ast  +As Fy +Asr Fsr. (2-1). 其中， As 為鋼骨部分之斷面積， Asr 為鋼筋部分之斷面積，  Ag -Ast  為混凝土部分之斷面積， Fy 為鋼骨之實測降伏強度， Fsr 為鋼筋之實測降伏強度， f c' 為混凝土之實測抗壓強度。在達到最大載重前，試體測試區之勁度 K A ，乃取測試區載重-位移曲線(圖 2.3)上昇段 20% P0 至 70% P0 間，數據點線性回歸所得之斜率。整個系統之勁度 K B ，乃是 MATS 載重-位移曲線(圖 2.4)上昇段 20% P0 至 70% P0 間，數據點線性回歸所得之斜率。機台加上傳力過程間試驗裝置的勁度 K LS ，與試體全長之勁度 K A /3 之串聯及等於全系統之勁度 K B 。由此可以建立 3 者之關係如式(2-2)及(2-3).. 1 3 1   K B K A K LS. (2-2). K AKB K A  3K B. (2-3). K LS . 以 T4-1 試體為例說明數據修正方式。在試體載重達到混凝土剝落時對應之載重 Pδspall 之前，使用測試區位移計測得的曲線，如圖 2.3 之 Curve A。在加載歷程超過 Pδspall 之後，取 MATS 測得之曲線，如圖 2.4 之 Curve B，並將 Curve B 平移讓 Curve B 與 Curve A 頭尾相接，如圖 2.5 之 Curve A 加上 Shifted Curve B（藍線）。在試體強度下降時，試體非測試區及機台加上試驗裝置之變形會改變（即變形減小或位移回彈），變形量 δ 可依式(2-4)計算之。回彈之變形要由測試區吸收，因此 Curve B 中之變形量應該根據式(2-5)修正之。修正後之 Shifted Curve B 曲線，如圖 2.5 中之 Shifted & Corrected Curve B 所示。. 15.

(41) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. δ  2 . P  P   P  P  δ spall. δ spall. KA. K LS. δ  δspall  δ B   δ B spall   δ  . (2-4). (2-5). Pδspall. Curve A. δ spall. 圖 2. 3 T4-1 位移計量測所得測試區之載重-位移曲線. 16.

(42) 文獻回顧. Pδspall Curve B.  δ B δ. spall. 圖 2. 4 MATS 儀器量測所得整體之載重-位移曲線. Pδspall. Shifted & Corrected Curve B. δ Curve A. Shifted Curve B. δ spall. 圖 2. 5 修正前/後測試區之載重-位移曲線. 17.

(43) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 18.

(44) 試體設計製作及計畫. 第三章試體設計製作及計畫第一節試體規劃本研究規劃大尺寸方形短柱試體進行軸向載重試驗。短柱試體包括 5 種包覆填充型箱型柱試體各 2 支，稱之為 T 系列試體，此外還有 1 種填充型箱型柱試體 2 支，稱之為 CR 系列試體，共 12 支試體，本研究最重要的參數為橫向鋼筋的型式，故本研究維持各試體圍束力大致相同，以比較各型式之有效性，試體橫向鋼筋型式及參數列於表 3.1。本研究所有試體均使用中鋼所生產之 A572 Gr.50 鋼板，其標稱降伏應力為 3.5 tf/cm2，鋼筋使用 SD420W(標稱強度 4.2 tf/cm2)和 SD280W(標稱強度 2.8 tf/cm2)，以及抗壓強度為 0.28 tf/cm2 之混凝土。試體載重試驗原規劃於內政部建築研究所進行，其壓力最大容量為 3000 噸，因此 T 系列試體採用 700  700 mm 之全斷面，鋼骨箱型柱則採用 400  400  14 mm 之斷面。主筋號數皆為 D25，輔助縱筋號數為 D16 及 D19 配置，而橫向鋼筋之間距皆為 10cm。CR 系列試體採用 400  400  14 mm 之全斷面，箱型柱外圍不設置混凝土也不配置任何鋼筋。本試驗所有試體為了排除細長效應對於試體強度及行為之影響，因此規劃短柱試體，試體長度為試體柱寬之 3 倍(2100mm)，並取柱體中央三分之一之範圍為測試區，柱兩端邊緣往內各三分之一範圍為非測試區。為了避免試體加載時在柱端部，因應力集中而造成過早之破壞，因此本研究於柱試體上下端部之非測試區範圍內，配置圍束力較高之橫向鋼筋，並在非測試區增設鋼板夾具，以防止非測試區產生過早之破壞。 19.

(45) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 第二節試體設計本研究包覆填充型箱型柱之軸向受壓強度計算方式，以美國 AISC 2010 規範 [2]設計之，根據規範在不考慮細長效應之柱之塑性強度，柱體之軸向標稱強度公式如下:. Pn0 =As Fy +Asr Fsr +C2 Ac f c'. (3-1). 其中，矩形斷面對應之 C2 = 0.85，Pn 0 為不考慮細長效應之柱軸向標稱強度，. As 為鋼骨部分之斷面積， Asr 為鋼筋部分之斷面積， Ac 為混凝土部分之斷面積， Fy 為鋼骨之標稱降伏強度， Fsr 為鋼筋之標稱降伏強度， f c' 為混凝土之標稱抗壓. 強度。由於利用強度疊加法計算柱之軸向標稱強度 Pn0，故可將其分成鋼骨部分貢獻之強度 P0s、鋼筋部分貢獻之強度 P0sr 及混凝土部分貢獻之強度 P0c，其本研究依式(3-1)計算之試體軸向標稱強度 Pn0 為 2248 tf。對於本研究之箍筋需求部分，以美國 AISC 2010 耐震設計規範[2]設計之，其耐震設計規範對於矩形之包覆型合成構材箍筋配置之要求，採用 ACI 構造規範，經由 ACI 規範[1]中，規定柱之橫向鋼筋若採矩形柱之橫向鋼筋之面積 Ash ，不得小於下列二式所得之值:  f'  Ash =0.09sbc  c   f   yt .  Ag   f c'  或 Ash =0.3  -1  sbc   f yt   Ach  . (2-2). (2-3). 其中 Ag 為柱之全斷面積， Ash 為在 s 距離內垂直於 bc 方向之橫向箍筋量，Ach 20.

(46) 試體設計製作及計畫. 為柱圍束核心斷面積(由箍筋外圍算起)，s 為圍束箍筋中心距， bc 為柱核心斷面寬度(圍束箍筋中心間距)， f yt 為箍筋之標稱降伏強度， f c' 為混凝土之標稱抗壓強度。本研究之各試體圍束箍筋間距均為 10cm，經由式(2-2)與式(2-3)比較後，由式(2-2)控制，但因合成柱斷面中含有鋼骨所提供之軸向強度，因此 AISC 合成構材之耐震設計箍筋面積 Ash 規定中加入鋼骨的貢獻，如 2-4 式所示，式中.  Fy  As  1 係考慮箍筋之圍束需求中，扣除鋼骨軸向壓力的貢獻，如下: Pn 0    f '   Fy As  Ash  0.09sbc  c  1  f  Pn0   yt  . (2-4). 上式中 Pn 0 為軸向標稱強度(tf)，本研究之各參數代入式(2-4)，可計算出試體之所需圍束力 Psh 為10.3tf。 1.. T 系列試體. T 系列以配置 5 種不同形式之橫向鋼筋，分別為 T1、T2、T3、T4 及 T5 試體，T2 及 T3 試體為目前實際工程界使用過者，而為了釐清規範間距之要求，且讓最後結果有較直接的比較性，故將 T1 與 T2 之斷面尺寸及間距一致，在同樣符合混凝土工程設計規範第十五章耐震設計 15.5.4.2 節中提及之間距（繫筋或閉合箍筋相鄰肢之中心距）要求下，T1 試體配置繫筋，而 T2 試體則配置角隅繫筋，如圖 3.1(a)、(b)所示；T3 試體為使用接力式繫筋方式配置，如圖 3.1(c)所示。除了上述 3 種工程實務有使用的橫向鋼筋細部外，並開發兩種新的橫向鋼筋細部，稱為 T4 及 T5。T4 試體將鋼骨箱型柱開孔並將繫筋貫穿鋼骨箱型柱，以提供明確的繫筋功能，如圖 3.1 (d)所示；T5 試體則以使用中空混凝土柱之概念，使柱板側混凝土自我圍束，如圖 3.1 (e)所示。. 21.

(47) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 2.. CR系列試體. 此外為了試驗數據分析的目的，進行柱斷面中填充型箱型柱之載重試驗，並稱之為 CR 試體，如圖 3.1 (f)所示。包覆填充型試體的強度扣除 CR 試體的強度，即可得到外圍混凝土的強度。. 22.

(48) 試體設計製作及計畫. 縱向輔助鋼筋縱向主筋. 620. 300 200. 貫穿繫筋 @100mm 200. 300 700. 65. 700. 200. 65. 雙L型箍筋 @100mm. 200. (a) T1 試體. 縱向輔助鋼筋縱向主筋. 300. 輔助角隅繫筋 @100mm. 200. 300 700. 200. (b) T2 試體圖 3.1 試體斷面圖(單位：mm). 23. 0 26. 雙L型箍筋 @100mm. 200. 700. 200. 80.

(49) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 角隅繫筋. 225. 125. 雙L型箍筋 @100mm. 78. 225. 700. 90. 短繫筋 @100mm. Ø 15mm. 50. 125. 225. 225. 125. 50. 50. 125. 6. 開孔鐵件前視圖. 700. 開孔鐵件側視圖. (c) T3 試體. 125. 貫繫筋 @100mm. 125. 225. 225. 125. 700 (d). T4 試體. 圖 3.1(續) 試體斷面圖 (單位：mm). 24. 80. 225. 620. 125. 雙L型箍筋 @100mm. 700. 角隅繫筋. 225. 縱向輔助鋼筋. 80. 縱向主筋.

(50) 試體設計製作及計畫. 縱向輔助鋼筋. 120. 125. 縱向主筋. 125. 225. 700. 630. 225. 雙L型箍筋 @100mm. 搭接式繫筋 @100mm 125. 225. 225. 125. 700. 400. (e) T5 試體. 箱型鋼柱. 400 (f). CR 試體. 圖 3. 1(續) 試體斷面圖 (單位：mm). 25.

(51) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 表 3. 1 各柱試體編號與測試區橫向鋼筋配置情形名稱 T1 T2 T3. T4. T5. 橫向鋼筋配置. 計算有效圍束筋. 圍束力 (tf). 輔助縱筋. 雙 L 型箍筋 1-SD420W#3 貫繫 4-SD280W#3 雙 L 型箍筋 1-SD420W#4 角繫 4-SD280W#3 雙 L 型箍筋 1-SD280W#4 短繫 4-SD280W#4 角繫 4-SD280W#3 雙 L 型箍筋 1-SD280W#4 貫繫 2-SD280W#4 角繫 4-SD280W#3 雙 L 型箍筋 1-SD420W#3 搭接式繫筋 8-SD280W#3 短繫 4-SD280W#3. 雙 L 型箍筋 1-SD420W#3 貫繫 2-SD280W#3. 9.94. #6. 雙 L 型箍筋 1-SD420W#4. 10.7. #6. 雙 L 型箍筋 1-SD280W#4 短繫 1-SD280W#4. 10.7. #6. 雙 L 型箍筋 1-SD280W#4 貫繫 1-SD280W#4. 10.7. #6. 雙 L 型箍筋 1-SD420W#3 搭接式繫筋 2-SD280W#3. 9.94. SD420#6 SD280#5. 26.

(52) 試體設計製作及計畫. 第三節試體製作有關試體之製作，分為材料準備、鋼板加工、鋼筋加工及綁紮施工方式、混凝土灌漿、黏貼應變計等部分，做以下之說明: 一、材料準備鋼板:由中鋼公司所生產 A572 Gr.50 之鋼板。鋼筋:本研究試體之主筋，為 D25-SD420W 之竹節鋼筋，輔助主筋分別為 D19-SD420 及 D16-SD280 之竹節鋼筋，箍筋分別為 D10-SD280W、D10-SD420W、 D13-SD280W 及 D13-SD420W 之可銲鋼筋，本研究柱試體之各種類鋼筋皆由同一批爐號所生產。混凝土:試體設計強度為 280kgf/cm2，採用茂榮實業股份有限公司所拌合之混凝土，經齡期 45 天，由台科大材料實驗室之萬能試驗機測試混凝土圓柱試體抗壓強度，測試結果為平均 417kgf/cm2 二、鋼板加工柱試體之上、下端板及箱型柱皆由中鋼結構公司完成製作後，送達建研所材料試驗中心。因試體為包覆填充型箱型柱，箱型柱內外皆需澆置混凝土，為了方便混凝土之澆置，在箱型柱上端板開設 5 個灌漿孔及 4 個直徑 20mm 之氣孔。灌漿孔包括端板中間一個直徑 250mm 之圓孔，以及端板四邊四個長 260mm、寬 130mm 之矩形孔，如照片 3.1 所示。. 27.

(53) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 氣孔. 照片 3. 1 箱型柱上端板完成近照三、鋼筋加工及綁紮方式試體主筋及輔助主筋為 D25-SD420W、D19-SD420W 及 D16-SD280W 之竹節鋼筋，皆以油壓剪機台切成所需尺寸，且並送至建研所。主筋皆銲接於上下端板，以方便橫向鋼筋之施工；其中橫向鋼筋中，外箍筋、繫筋及角隅繫筋皆採用 W 系列之可銲鋼筋。並使用鋼筋彎折機進行彎製加工，另基於鋼筋綁紮施工性問題，外箍筋皆以兩個 L 型兩端 135 度彎鉤之鋼筋接合而成，本研究稱之為雙 L 組合箍筋，如照片 3.2。T1 及 T4 之貫穿繫筋，皆在加工廠進行彎折 180 度彎鉤後，至現場貫穿鋼骨後，再以人工方式進行另一邊 135 度彎鉤加工，如照片 3.3。而 T3 之短繫筋，為一邊 180 度彎鉤綁紮於輔助主筋上，另一邊 90 度彎鉤則扣接於鋼骨上之矩形鐵件，如照片 3.4。T5 之搭接式繫筋皆在工廠加工後，送至現場進行搭接，如照片 3.5。各試體綁紮鋼筋完成圖於附錄 B 中附上。. 28.

(54) 試體設計製作及計畫. 照片 3. 2 雙 L 型箍筋於鋼筋加工廠放樣. 照片 3. 3 貫穿繫筋於現場施工完成照. 29.

(55) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 照片 3. 4. 照片 3. 5. T3 短繫筋於現場施工完成照. T5 搭接式繫筋於現場施工完成照. 四、混凝土灌漿試體灌漿分成鋼箱型柱內與鋼箱型柱外，所有柱內混凝土接來自同一車預拌混凝土，所有柱外混凝土來自另一車預拌混凝土，柱內與柱外混凝土在同一時間 30.

(56) 試體設計製作及計畫. 澆置。混凝土首先灌至離上端板下約 50~60mm 左右，剩餘 50~60mm 則使用無收縮水泥砂漿填滿，同時將上端板切割下來的圓形及 4 塊矩形鋼板填補回去，無收縮水泥灌注至水泥漿從上端板預留之氣孔擠出，如照片 3.6 所示，以確保無收縮水泥填滿空隙。澆置於箱型柱內部之混凝土來自 A 車，澆置於箱型柱外之混凝土來自 B 車，每車各製作 12 顆圓柱試體，並於短柱載重試驗時，進行抗壓試驗。灌漿工作之相關照片請詳附錄 C。五、應變計黏貼本實驗為了探討不同型式上的橫向鋼筋配置方式，故在各試體之中間斷面黏貼應變計，而為了防止應變計因灌漿後受潮，故本研究之各應變計皆採用由日本 Sokki Kenkyujo 公司製造單軸三線式應變計及防水臘，各試體之黏貼位置於由本章第四節說明。. 氣孔. 照片 3. 6 填補無收縮水泥完成照. 31.

(57) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 第四節試驗裝置與程序由於實測混凝土強度高達 422 kg/cm2，比規定強度之 280 kg/cm2 高出 51%，導致部分試體強度過高。因此試體軸向載重試驗，CR-1、CR-2 及 T3-1 強度低於 3000 噸，在內政部建築研究所材料實驗中心，以其 3000 噸萬能試驗機進行之。其餘試體強度預估會高於 3000 噸，無法使用上述載重機進行試驗，因此使用國家地震中心的 6000 噸 MATS 試驗機進行載重試驗。所有試體均以無偏心單向擬靜態方式施加軸向壓力。軸壓試體架設及試驗裝置如圖 3.2 所示。在試體的表面上塗上一層水泥漆，並以 10cm 為單位繪製方格線，方便觀察並紀錄試體裂縫之成長及混凝土壓碎情況。為了避免偏心加載的情況發生，在試體加壓之前，將石膏舖設於試體上下端板蓋平，並施加 100 噸之預壓力，藉由柱面之光學式座標量測儀(NDI)之探測器，以及觀測試體兩側之線性位移感測器(LVDT)之讀數，調整試體之位置，確認載重偏心在可接受範圍，然後才進行正式的載重試驗。為確保試體非測試區不產生破壞，於試體上下非測試區範圍，裝置鋼板夾具給予非測試區之混凝土額外的圍束，鋼板夾具裝置如圖 3.3 所示，試體架設完成如照片 3.7 及照片 3.8 所示。試體灌漿前，預先於試體中央斷面之橫向鋼筋埋設應變計，各試體應變計黏貼位置如圖 3.4 所示。如圖 3.2 所示，載重及加載頭之位移，由試驗機內建之荷重計及位移計量測。試體測試區之軸向變形，由 4 支衝程為 100mm 之 LVDT 量測，試體全長之軸向變形，由設置於試體角隅處 4 支衝程為 200mm 衝程之 LVDT 量測。此外，並使用光學式座標量測儀(NDI)，於試體觀察面設置 4 個探測器(以下稱為 Marker)，來量測軸向變形。NDI 之量測設備設置在距離試體約 3 公尺處。為了確保試體斷面在試驗過程中為均勻受力，確保試體無偏心加載之狀況產生。 32.

(58) 試體設計製作及計畫. 所有測計量測之數據由 U-CAM 資料擷取器自動蒐集，並儲存於手提電腦。載重施加方式為軸向的單向加壓，並採位移控制，加載速率分成兩段，第一段為 1.5mm/min，施加至機台位移 15mm，接著進入第二段，加載速率為 3mm/min。試體強度下降至最大強度一半時，終止試驗。. 軸力加載方向加載端板. 150. 3D. S. N. S. W. : 預埋3/8"螺桿 : NDI Marker :LVDT. 測試區上視圖. 正視圖. (資料來源:本研究規劃) 圖 3. 2 試體架設圖. 33. D N. 端部 (橫向鋼筋補強). D. E. 測試區 (預期破壞位置). D. 10. 鋼板夾具. 端部 (橫向鋼筋補強).

(59) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性 900 650. E. 鋼板夾具正視圖 N. 75. S. 10. W. 非測試區上視圖. ¾’螺桿. 橡皮墊. 75. 150. t=4.5. 鋼板. TYP.. 鋼板夾具側視圖 (資料來源:本研究規劃) 圖 3. 3 試體鋼板夾具圖. 照片 3. 7 試體架設完成照(建研所) 34. 150. 75. ɸ22mm.

(60) 試體設計製作及計畫. 照片 3. 8 試體架設完成照(國震). 35.

(61) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 700 200. 700. 300. 200. 300. 200. 200. 200. 300. 700. 300 200. 700. 200. 200. 225. T2. 700. 700 225. 125. 125. 225. 125. 125. 225. 225. 700. 700. 225. 225. 125. 125. 125. T1. T4. T3 700 225. 225. 125. 125. 225. 700. 225. 125. 125. T5 圖 3. 4 各試體之橫向鋼筋應變計配置圖 36. 225. 125.

(62) 實驗結果與討論. 第四章實驗結果與討論第一節試體材料強度試驗有關本研究混凝土抗壓強度、鋼筋與鋼骨拉力強度之實驗結果如下： 1.. 混凝土圓柱試體抗壓試驗本試驗所有試體澆置時，設定 A 車次灌注於各試體之鋼箱型柱內部，共十. 二支試體，B 車次灌注於各試體之鋼箱型柱外部，共十支試體，每車次澆置十二支圓柱試體，分別在試驗前與試驗後齡期約 54 天與 60 天進行混凝土抗壓試驗，其中各取三支圓柱試體，測試混凝土之 εc0，混凝土圓柱抗壓強度列於表 4.1。本研究所有混凝土圓柱試體抗壓實驗之試驗方式，係依據 CNS1238 混凝土抗壓強度檢驗方法，以 300 噸抗壓試驗機進行測試。混凝土設計強度為 280 kgf/cm2，實際量測之平均值為 422 kgf/cm2，比設計值高出 51%。 2.. 鋼筋拉力試驗本研究柱試體之主筋及輔助主筋，分別為 D25(#8)SD420W 之竹節鋼筋與. D19(#6)SD420W、D16(#5)SD280W 之竹節鋼筋，至於橫向鋼筋分別為 D10(#3)SD280W、D10(#3)SD420W、D13(#4)SD280W 及 D13(#4)SD420W 之竹節鋼筋，各鋼筋種類均由同一爐號所生產，依符合現行國家標準 CNS560 之要求，於台科大材料實驗中心進行拉力測試，測試結果顯示列如表 4.2。 3.. 鋼板拉力試驗本研究鋼箱型柱鋼板均為中鋼公司所生產 A572 Gr.50，使用鋼板皆為同批鋼. 材，厚度均為 14mm，並加工製作拉力試片，依 CNS 2112 規定進行測試，於台 37.

(63) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 科大材料試驗中心進行拉力測試，測試結果顯示列於表 4.3。表 4. 1 混凝土圓柱試體抗壓試驗試驗前測試混凝土齡期約 54 天(設計強度 280 kgf cm2 ) A 車(鋼骨內混凝土) B 車(鋼骨外混凝土) 應力應力力量力量 ε εc0 2 c0 ( kgf ) ( kgf ) ( kgf cm ) ( kgf cm2 ) 71072. 402. --. 75619. 427. --. 82004. 464. --. 73859. 417. --. 72997. 413. --. 68424. 387. --. 74164. 419. --. 66662. 377. --. 74712. 422. --. 80110. 453. --. 69605. 393. 0.00195. 69161. 391. 0.00257. 78085. 441. 0.00260. 82465. 466. 0.00233. 80717. 456. 0.00160. 73565. 416. 0.00183. 平均. 426. 0.00210. 平均. 417. 0.00220. 標準差. 25.2. --. 標準差. 31.7. --. 表 4. 2 鋼筋拉力試驗材料尺寸規格. 標稱強度 ( t cm2 ). 降伏應力 ( t cm2 ). 抗拉強度 ( t cm2 ). 降伏應變 εy. SD280W. 2.8. 4.00. 5.77. 0.0022. SD420W. 4.2. 4.62. 7.54. 0.0028. SD280W. 2.8. 2.90. 4.52. 0.0017. SD420W. 4.2. 5.23. 7.21. 0.0031. D16 鋼筋. SD280W. 2.8. 3.15. 4.67. 0.0014. D19 鋼筋. SD420W. 4.2. 4.70. 6.69. 0.0019. D25 鋼筋. SD420W. 4.2. 4.58. 6.85. 0.0022. 材料項目 D10 鋼筋 D13 鋼筋. 表 4. 3 鋼板拉力試驗材料項目. 厚度. 標稱降伏應力 ( t cm2 ). 實測降伏應力 ( t cm2 ). 實測抗拉強度 ( t cm2 ). 降伏應變 εy. ASTM A572 Gr.50. 14mm. 3.5. 3.75. 5.04. 0.00195. 38.

(64) 實驗結果與討論. 第二節試體整體行為本研究 CR 系列試體與 T 系列試體之整體強度、變形及破壞行為，在本章呈現。 1.. CR 系列試體整體行為圖 4.1 所示為測試區之載重-位移曲線，圖 4.2 所視為整體之載重-位移曲線。. 將測試區之位移除以測試區之長度可得到測試區之應變，圖 4.3、圖 4.4 所示為 CR 系列 2 支試體測試區之載重-應變曲線。CR 系列試體在 Ppeak、0.8Ppeak、0.5Ppeak 時之試體變形及損傷情況，分別如照片 4.1 及 4.2 所示。則 CR 系列試體最後破壞如照片 4.3 至照片 4.6。 (1) CR-1：試驗於達到 Ppeak 之前，當試驗加載至於約 975 噸時，位於試體中央及下端部分出現數條橫向降伏線；當試體加載至 1140 噸時，中央斷面之鋼板開始出現 45 度降伏線，及觀察到中央斷面下約 20cm 處發生些微的面外挫屈之現象，試體達最大軸壓強度為 1350 噸時，此時試體強度開始衰減，且試體各面皆出現面外變形現象發生，主要集中在試體中央及下端板往上 40cm 處；當試體加載下降至約 1142 噸時，此時試體強度再度上升，強度到達約最大軸壓強度之 90%時，強度再度開始衰減，使強度再度提升的原因，判斷是試體之橫向及縱向拱效應所造成；當試體加載再度下降至 1185 頓時，此時試體開始產生整體挫屈；當試體加載持續下降至 1129 噸時，此時試體縱向銲道開裂；當試體強度衰減至 50%以下時停止試驗。試體明顯的破壞包括，柱板產生面外變形（局部挫屈）、整體挫屈及銲道開裂。. 39.

(65) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. (2) CR-2：試驗於達到 Ppeak 之前，當試驗加載至於約 980 噸時，試體中央及上端部分，柱板分別出現數條橫向及 45 度方向降伏線；當試體加載至 1250 噸時，鋼柱全長出現明顯交叉向 45 度的降伏線。試體達最大軸壓強度 1294 噸後，試體強度開始衰減，衰減至試體強度為 1270 噸時，試體上端柱板開始出現面外變形；當試體強度下降至 1163 噸後，試體強度再度上升，強度上昇到試體最大強度之 90%時，強度再度開始衰減。當試體強度持續下降至 1100 噸時，試體柱板銲道開裂。當試體強度衰減至 50%以下時停止試驗。試體明顯的破壞主要為柱板產生外變形（局部挫屈）及銲道開裂。此試體最大軸壓強度為 1294 tf,，較 CR-1 之 1350 tf 低 4%。CR-2 強度衰減的速度比 CR-1 緩和。. 40.

(66) 實驗結果與討論. 圖 4. 1 CR 測試區載重-位移. 圖 4. 2 CR 整體載重-位移. 41.

(67) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 圖 4. 3 CR-1 測試區載重-應變. 圖 4. 4 CR-2 測試區載重-應變. 42.

(68) 實驗結果與討論. (a)在最大載重時之情況. (b)強度降至 80%之情況. (c)強度降至 50%之情況. 照片 4. 1 CR-1 試體. (a)在最大載重時之情況. (b)強度降至 80%之情況照片 4. 2 CR-2 試體. 43. (c)強度降至 50%之情況.

(69) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 照片 4. 3 CR-1 破壞後外觀之 1. 照片 4. 4 CR-1 破壞後外觀之 2. 照片 4. 5 CR-2 破壞後外觀之 1. 照片 4. 6 CR-2 破壞後外觀之 2. 44.

(70) 實驗結果與討論. 2.. T 系列試體整體行為圖 4.5 至圖 4.9 為 T 系列試體之測試區載重-位移曲線及圖 4.10 至圖 4.14 整. 體載重-位移曲線。因為有混凝土剝落干擾位移計之量測的問題，測試區之載重位移數據需根據第二章第二節所述方法修正之，修正後之測試區載重-位移曲線如圖 4.15 至 4.19 所示。測試區之位移除以測試區長度得到測試區之應變，T 系列各試體之載重-應變關係曲線如圖 4.20 至圖 4.24 所示。T 系列試體在 Ppeak 、 0.8Ppeak 、 0.5Ppeak 時之試體變形及損傷情況，分別如照片 4.7 至照片 4.16 所示。. 則 T 系列試體最後破壞如照片 4.17 至照片 4.56。 (1) T1-1：當試驗加載至於約 2800 噸時，試體測試區寬度中央處(觀察面) 之混凝土，觀察到混凝土有垂直向方向之細微裂縫；隨著載重增加裂縫慢慢加長變寬；試體最大強度為 2908 噸，然後隨著位移逐漸增加試體強度開始衰減，在試體強度下降至約 2670 噸時，測試區之保護層開始剝落，試體破壞集中於測試區。試驗結束後敲除鬆脫之表面混凝土並觀察之如 T1-2 破壞。 (2) T1-2：當試驗加載至於約 2870 噸時，試體測試區寬度中央處(觀察面左側)之混凝土，觀察到混凝土有水平向方向之細微裂縫；隨著載重增加裂縫慢慢加長變寬；試體最大強度為 2892 噸，然後隨著位移逐漸增加試體強度開始衰減，在試體強度下降至約 2660 噸時，測試區之保護層開始剝落，試體破壞集中於測試區。試驗結束後敲除鬆脫之表面混凝土並觀察之，發現測試區主筋嚴重挫屈，中央斷面外圍箍筋之 135 度彎鉤處、貫繫筋之 135 度彎鉤處，有被拉脫的現象如照片 4.57。 (3) T2-1：當試驗加載至於約 2900 噸時，試體測試區寬度中央處(觀察面後方)之混凝土，觀察到混凝土有水平向方向之細微裂縫；隨著載重增加 45.

(71) 包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性. 裂縫慢慢加長變寬；試體最大強度為 3037 噸，然後隨著位移逐漸增加試體強度開始衰減，在試體強度下降至約 2400 噸時，測試區之保護層開始剝落，試體破壞集中於測試區。試驗結束後敲除鬆脫之表面混凝土並觀察之，發現測試區主筋嚴重挫屈，中央斷面外圍箍筋之 135 度彎鉤處，有被拉脫的現象，角隅繫筋嚴重內凹變形如照片 4.58。 (4) T2-2：當試驗加載至於約 3050 噸時，試體測試區寬度中央處(觀察面左下方)之混凝土，觀察到混凝土角隅有之細微裂縫；隨著載重增加裂縫慢慢加長變寬；試體最大強度為 3090 噸，然後隨著位移逐漸增加試體強度開始衰減，在試體強度下降至約 2950 噸時，測試區之角隅保護層開始剝落，試體破壞集中於測試區。試驗結束後敲除鬆脫之表面混凝土並觀察之如 T2-1 破壞。 (5) T3-1：當試驗加載至於約 2700 噸時，試體測試區寬度中央處之混凝土，觀察到混凝土有垂直向與 45 度方向之細微裂縫；隨著載重增加裂縫慢慢加長變寬；試體最大強度為 2944 噸，然後隨著位移逐漸增加試體強度開始衰減，在試體強度下降至約 2600 噸時，測試區之保護層開始剝落，試體破壞集中於測試區。試驗結束後敲除鬆脫之表面混凝土並觀察之如 T3-2 破壞。 (6) T3-2：當試驗加載至於約 2850 噸時，試體測試區寬度中央處(觀察面後方)之混凝土，觀察到混凝土水平向方向有細微裂縫；隨著載重增加裂縫慢慢加長變寬；試體最大強度為 3093 噸，然後隨著位移逐漸增加試體強度開始衰減，在試體強度下降至約 2900 噸時，測試區保護層開始剝落，試體破壞集中於測試區。試驗結束後敲除鬆脫之表面混凝土並觀察之，發現測試區主筋嚴重挫屈，中央斷面外圍箍筋之 135 度彎鉤處， 46.

(1)包 覆 填 充 型 箱 型 柱 橫 向 鋼 筋 配 置 方 式 之 軸 向 強 度 與 韌 性

(1)包覆填充型箱型柱橫向鋼筋配置方式之軸向強度與韌性