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研究生： 洪瑋澤
Hung, Wei-Tza
論文名稱： 鋼筋混凝土梁柱複合構件於高溫中、後之行為研究─ 柱之承力行為
Behavior of Reinforced Concrete Beam-Column Sub-assemblage under Elevated Temperature Test ─Behavior of Column
指導教授： 方一匡
Fang, I-Kuang
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年： 2008
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 135
中文關鍵詞： 柱 、耐火性 、鋼筋混凝土
外文關鍵詞： column, reinforced concrete, fire resistance
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    • 本研究之主要目的在探討實尺寸鋼筋混凝土梁柱複合構件在高溫中、後之結構行為，以期對相關建築物受火害之安全評估有所助益。
    實驗研究方面，以四座實尺寸試體模擬外柱梁柱複合構件，分為四面及三面受火條件，梁柱複合構件依ISO834之標準升溫曲線加溫測試，主要量測之項目為試體在有加載的情形下，升溫及冷卻過程之變形，並測試其在高溫後之殘餘強度。在理論研究方面，利用套裝軟體ANSYS分析柱斷面內部之溫度變化及其側向變形。
    主要研究成果如下:
    1. 混凝土柱斷面溫度受縱向溫度之傳遞影響很小，故將斷面溫度預測簡化成2D模型分析，其溫度場應屬合理。
    2. 由實測溫度可發現，柱試體內部溫度受水汽蒸散及爆裂之影響很大。
    3. 在殘餘強度測試階段，四面受火的柱之曲率較三面受火之情況來的大，可能因四面受火柱混凝土爆裂較為嚴重。
    4. 在殘餘強度測試階段，若不考慮殘餘變形時，柱之壓縮量與載重呈線性關係。

    This research aims at the behavior of full- scale reinforced concrete beam-column sub-assemblage during and after the elevated temperature test. It’s very useful for the safety evaluation of fire damaged buildings.
    In the experimental study, four full-scale specimens were constructed to simulate the exterior beam-column sub-assemblage. The specimens were installed in a furnace and exposed to fire test on the three and four sides, respectively, following ISO 834 temperature-time curve .
    The primary objectives were to study the deformations of specimens during the heating and colling stages, as well as the residual strength test. In the analytical study, ANSYS program is used to predict the temperature distribution of cross section and the lateral movement of column.
    The primary reslts of this research are as follows:
    1. The 2D heat transfer analysis of the column can reasonablly predict the
    temperature distribution of its cross section because the heat transfer in the longitudinal direction is negligible.
    2. The spalling and vapour transportation significantly affect the temperature distribution of cross section according to the test results.
    3. Based on the residual strength test, the curvature of the columns with four sides exposed to fire is larger than those with three sides expored to fire .
    4. The load deformation relationship was almost linear during the residual
    strength test if the residual deformation is not taken into account.

    摘要................................................I Abstract...........................................II 致謝...............................................IV 目錄................................................V 表目錄...........................................VIII 圖目錄..............................................X 符號表...........................................XVII 第一章 緒論.........................................1 1-1研究動機及目的.......................................1 1-2研究方法.............................................1 第二章 文獻回顧.....................................3 2-1 混凝土在高溫作用下的力學性質.........................3 2-2 鋼筋在高溫作用下的力學性質...........................6 2-3混凝土之熱學參數.....................................7 2-4鋼筋混凝土柱火害相關研究 ...........................9 第三章 實驗規劃....................................23 3-1梁柱試體規劃........................................23 3-2試驗設備............................................25 3-3 量測儀器及量測方法..................................26 3-3-1量測儀器........................................26 3-3-2量測方法........................................27 3-4 試驗程序...........................................29 第四章 數值模擬..................................33 4-1數值模擬之簡介.................................33 4-2熱學參數......................................35 4-3梁柱複合構件之電腦模型 .........................37 4-4 數值模擬之驗證................................38 第五章 結果與討論 ................................41 5-1.在高溫試驗中後柱表面混凝土的改變...............41 5-2.在高溫試驗中柱內部溫度之變化...................42 5-2-1柱內部主要點位之溫度與時間關係.................42 5-2-2柱內部熱傳導的行為............................46 5-3.昇溫及冷卻測試過程中柱之變形...................47 5-3-1柱頂在昇溫及冷卻過程中轉動角...................47 5-3-2 柱在昇溫及冷卻過程中水平位移之變化.............47 5-4.殘餘強度測試中柱之變形與強度之預測..............49 5-4-1梁加載對柱的變形影響..........................49 5-4-2柱的加載所造成自身之軸向壓縮及水平位移..........51 5-4-3鋼筋混凝土柱之殘餘強度........................52 第六章 結論..................................55 6-1在高溫試驗中柱內部溫度之變化及爆裂...............55 6-2昇溫及冷卻過程.................................55 6-3殘餘強度測試過程...............................56 參考文獻............................................58 表目錄 表3-1-1普通混凝土(NC)之配比...........................61 表3-1-2 普通混凝土(NC)抗壓強度之追蹤....................61 表3-1-3自充填混凝土(SCC)之配比.........................62 表3-1-4 自充填混凝土(SCC)抗壓強度之追蹤.................62 表3-4-1 NC3及SCC3試體的加載歷程中梁柱之載重.............63 表4-2-1 Ellingwood 等人【4】建議混凝土的熱傳導係數k (單 位 )...................................64 表4-2-2 T.T.Lie等人【5】所提出混凝土熱容比ρc值..........64 表4-2-3 由Eurocode 2【3】建議之矽質骨材混凝土的熱傳導 公式推導之k值如下(單位 )................64 表4-2-4 由Eurocode 2【3】建議混凝土比熱公式推導之c值(單位 )....................................64 表4-4-1 單根柱在載重與高溫作用下之變形 (SCC3 之柱) .......65 表4-4-2單根柱在載重與高溫作用下之變形 (NC3 之柱) ........65 表4-4-3單根柱在載重與高溫作用下之變形 (SCC2 之柱) .......66 表4-4-4單根柱在載重與高溫作用下之變形 (NC2 之柱) ........66 表 5-1-1爐溫與時間之關係(單位: ).....................67 表5-2-2-1 柱混凝土斷面溫度(單位: )...................67 表5-2-2-2 CS1、CS5斷面縱向鋼筋溫度(單位: )............68 表5-2-2-3 CS1斷面剪力鋼筋溫度(單位: )................68 表5-4-1-1 NC3試體殘餘載重測試-柱400噸持壓下梁各階段 之載重.....................................69 表5-4-1-2 SCC3試體殘餘載重測試-柱400噸持壓下梁各階段 之載重...................................69 表5-4-3-1 柱在常溫與高溫後之強度(Pn，Mn) .............. 70 圖目錄 圖2-1-1-1 ACI216高溫中、後矽質骨材混凝土抗壓強度遞減之關係【2】.............................................71 圖2-1-1-2 ACI216高溫中混凝土彈性模數遞減之關【2】..........71 圖2-1-1-3 Eurocode2高溫中混凝土抗壓強度折減遞減之關 係【3】...........................................72 圖2-1-1-4 Eurocode2高溫中矽質骨材混凝應力應變曲線之 關係【3】..........................................72 圖2-1-1-5角隅處拉力破壞a在一突出表面拉應力b 【1】.........73 圖2-2-1-1 ACI216高溫中鋼筋抗拉強度遞減之關【2】...........73 圖2-2-1-2 Eurocode2高溫中鋼筋降伏強度遞減之關【3】........74 圖2-3-1-1 Eurocode2及Ellingwood等人所提出的混凝土熱傳導係數k與溫度之關係【3】 【4】...........................74 圖2-3-1-2 ACI216混凝土熱傳導係數與溫度之關係【2】..........75 圖2-3-1-3 Eurocode2與T.T.Lie建議的熱容比與溫度之比 較【3】【5】.......................................75 圖3-1-1 七層樓建築物之構架尺寸圖...........................76 圖3-1-2 數值模擬分析之結果.................................77 圖3-1-3 梁柱複合構件與加載點之配置 ........................78 圖3-1-4 鋼筋及鋼棒配置圖 ..................................79 圖3-1-5 梁熱耦線配置圖 ....................................80 圖3-1-6 邊梁熱耦線配置圖...................................81 圖3-1-7 柱熱耦線配置，本實驗量測之溫度主要在CC1、CC7、 CS1、CS5斷面.......................................82 圖3-1-8 普通混凝土抗壓強度之追蹤...........................83 圖3-1-9 自充填混凝土抗壓強度之追蹤.........................83 圖3-2-1 複合構件實驗爐外觀.................................84 圖3-3-2-1加壓桿、萬向軸承、量力計相關位置..................85 圖3-3-2-2 溫度記錄器.......................................85 圖3-3-2-3柱及梁柱接頭位移計示圖............................86 圖3-3-2-4柱在升溫過程防火綿覆蓋示圖........................87 圖3-3-2-5柱在殘留載重測試過程中之示圖......................87 圖3-3-2-6柱水平陶瓷棒反力支承示圖..........................88 圖3-3-2-7柱曲率量測架架圖..................................88 圖3-3-2-8柱頂轉動位移計架設圖..............................89 圖3-3-2-9柱底轉動位移計架設圖..............................89 圖3-4-1安裝上下柱承壓鋼版之形..............................90 圖3-4-2 溫度記錄器.........................................90 圖3-4-3 NC3防火棉披覆與防護網架設之位置....................91 圖3-4-4 NC3實際防火棉包覆之情形............................92 圖3-4-5 SCC3試體防火棉披覆.................................93 圖3-4-6 NC3試體實際防護網架設之情形........................94 圖3-4-7 NC3、SCC3加載流程圖................................95 圖4-3-1 Solid70元素示意圖..................................96 圖4-3-2模擬梁柱複合構件NC3試體之有限元素模型..............96 圖4-3-3擬梁柱複合構件SCC3試體之有限元素模型...............96 圖4-4-1 Solid45元素示意圖..................................97 圖4-4-2 梁柱複合構件試體之分析模型.........................98 圖4-4-3 梁柱複合構件試體模型邊界設定與受力情形.............98 圖4-4-4 柱四面受火試體模型邊界設定與受力情形...............99 圖4-4-5 柱三面受火試體模型邊界設定與受力情形...............99 圖5-1-1 NC3試體上下柱混凝土剝落情況.......................100 圖5-1-2 NC3試體下柱剝落面積圖(a)N面(b)S面(c)E面(d)W 面................................................101 圖5-1-3 SCC3試體上下柱混凝土剝落情況......................101 圖5-1-4 SCC3試體上柱剝落面積圖(a)N面(b)S面(c) W面........102 圖5-1-5 SCC3試體下柱剝落面積圖(a)N面(b)S面(c)E面 (d).................................................103 圖5-1-6 SCC3試體混凝土上柱剝落箍筋裸露情況(a) N-View (b) W-View..........................................103 圖5-1-7 SCC3試體混凝土下柱剝落箍筋裸露情況................104 圖5-1-8 SCC3試體混凝土上下柱表面顏色情況..................104 圖5-1-9 SCC3試體混凝土柱裂縫情況..........................105 圖5-1-10 SCC3試體上下柱升溫過程混凝土剝落情況示意圖.......105 圖5-1-11 NC3試體上下柱升溫過程混凝土剝落情況示意圖........105 圖5-1-12 SCC3試體升溫過程爐溫值和理論值...................106 圖 5-2柱斷面根據爆裂及溫度場分布之分區....................106 圖5-2-1-1 CC1-1斷面混凝土溫度與理論比較...................107 圖5-2-1-2 CC1-3斷面混凝土溫度與理論比較...................107 圖5-2-1-3 CC1-4斷面混凝土溫度與理論比較...................108 圖5-2-1-4 CC1-5斷面混凝土溫度與理論比較...................108 圖5-2-1-5 CC1-6斷面混凝土溫度與理論比較...................109 圖5-2-1-6 CS1-1斷面鋼筋溫度與理論比較.....................109 圖5-2-1-7 CS1-3斷面鋼筋溫度與理論比較.....................110 圖5-2-1-8 CS1-4斷面鋼筋溫度與理論比較.....................110 圖5-2-1-9 CS1-5斷面鋼筋溫度與理論比較.....................111 圖5-2-1-10 CS1-6斷面鋼筋溫度與理論比較....................111 圖5-2-1-11 CS1-7斷面鋼筋溫度與理論比較....................112 圖5-2-1-12 CC7-2斷面混凝土溫度與理論比較..................112 圖5-2-1-13 CC7-3斷面混凝土溫度與理論比較..................113 圖5-2-1-14 CC7-4斷面混凝土溫度與理論比較..................113 圖5-2-1-15 CC7-5斷面混凝土溫度與理論比較..................114 圖5-2-1-16 CC7-9斷面混凝土溫度與理論比較..................114 圖5-2-1-17 CS5-1斷面混凝土溫度與理論比較..................115 圖5-2-1-18 CS5-2斷面混凝土溫度與理論比較..................115 圖5-2-1-19 CS5-4斷面混凝土溫度與理論比較..................116 圖5-2-1-20 CS5-6斷面混凝土溫度與理論比較..................116 圖5-2-2-1 同斷面鋼筋和混凝土溫度比較......................117 圖5-2-2-2 CS1斷面縱向鋼筋溫度比較.........................117 圖5-2-2-3 CS1斷面剪力筋鋼筋溫度比較.......................118 圖5-2-2-4 CS5斷面剪力筋鋼筋溫度比較.......................118 圖5-2-2-5 縱向斷面混凝土溫度比較..........................119 圖5-2-2-6 縱向斷面混凝土溫度比較..........................119 圖5-2-2-7 縱向斷面混凝土溫度比較..........................120 圖5-2-2-8 縱向斷面混凝土溫度比較..........................120 圖5-2-2-9 CC7斷面混凝土溫度梯度...........................121 圖5-2-2-10 CC7斷面混凝土溫度梯度..........................121 圖5-3-1-1 SCC3柱頂轉動角在升溫及冷卻過程之變化............122 圖5-3-1-2 NC3柱頂轉動角在升溫及冷卻過程之變化.............122 圖5-3-2-1 NC2柱昇溫及冷卻過程中之水平位移.................123 圖5-3-2-2 NC3柱昇溫及冷卻過程中之水平位移.................123 圖5-3-2-3 SCC2柱昇溫及冷卻過程中之水平位移................124 圖5-3-2-4 SCC3柱昇溫及冷卻過程中之水平位移................124 圖5-4-1-1 NC3柱352噸持壓梁加載對柱的曲率影響.............125 圖5-4-1-2 NC3柱400噸持壓梁加載對柱的曲率影響.............125 圖5-4-1-3 SCC2梁加載對柱的曲率影響........................126 圖5-4-1-4 SCC3梁加載對柱的曲率影響........................126 圖5-4-1-5 SCC2柱400噸持壓梁加載對柱的曲率影響............127 圖5-4-1-6 NC3梁加載對柱的水平位移影響.....................127 圖5-4-1-7 SCC2梁加載對柱的水平位移影響....................128 圖5-4-1-8 SCC3梁加載對柱的水平位移影響....................128 圖5-4-1-9 SCC3高溫後柱頂柱底之轉動變化....................129 圖5-4-1-10 NC3高溫後柱頂柱底之轉動變化....................129 圖5-4-1-11 SCC2和NC2曲率比較.............................130 圖5-4-2-1 NC3柱加載對柱的水平位移影響.....................131 圖5-4-2-2 SCC3柱加載對柱的水平位移影響....................131 圖5-4-2-3 SCC2高溫後軸向載重-位移關係圖...................132 圖5-4-2-4 SCC3高溫後軸向載重-位移關係圖...................132 圖5-4-2-5 NC2高溫後軸向載重-位移關係圖....................133 圖5-4-3-1 混凝土壓力總合力示意圖......................... 133 圖5-4-3-2 SCC3殘餘強度與常溫計算之比較圖..................134 圖5-4-3-3 NC3殘餘強度與常溫計算之比較圖...................134

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    下載圖示 校內：2011-08-04公開
    校外：2011-08-04公開
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