目錄 摘要 I Abstract II 誌謝 IV 目錄 V 表目錄 VIII 圖目錄 X 符號表 XV 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 2 2-1混凝土之熱性質 2 2-2混凝土與鋼筋受高溫作用下之力學性質 5 2-3 鋼筋混凝土在高溫作用下承力行為 12 2-4 混凝土在高溫作用下之爆裂行為 14 2-5梁在高溫作用中之破壞準則 17 第三章 試驗規劃及試驗方法 19 3-1 梁柱複合構件試體之規劃與製作 19 3-2 加載與加溫試驗設備 21 3-3 量測儀器及量測方法 22 3-3-1 量測儀器 22 3-3-2量測方法 23 3-4 試驗程序及方法 24 3-5 材料試驗 27 3-5-1 混凝土圓柱試體的試驗規劃及試驗程序 27 3-5-2 竹節鋼筋的試體規劃及試驗程序 29 第四章　數值模擬與分析方法 31 4-1數值模擬之簡介: 31 4-2熱學參數 33 4-3梁柱複合構件之溫度場電腦模擬 34 4-4 預測梁在高溫中之殘餘強度 36 4-5 預測梁在高溫後之殘餘強度 44 第五章　結果與討論 52 5-1 高溫試驗中、後梁表面混凝土爆裂之觀察 52 5-2 高溫試驗中梁內部溫度之探討 54 5-2-1梁內部溫度變化之探討 54 5-2-2梁內部溫度變化的預測值與實測值之比較 59 5-2-3結構耐火性能驗證規定之印證 61 5-3 梁試體在服務載重下受高溫作用之行為 63 5-3-1 梁在高溫作用前載重與撓度之關係 63 5-3-2 梁在高溫作用中載重與撓度之關係 64 5-3-3 梁在高溫作用中撓度之破壞準則 66 5-3-4 梁在高溫中之殘餘強度 67 5-3-5 梁撓度因柱三面或四面受火之差異探討 68 5-4 梁試體在高溫後之加載行為與殘餘強度 69 5-4-1 梁的載重與撓度之關係 69 5-4-2 梁的載重與梁末端水平位移及轉動角之關係 71 5-4-3 梁的彎矩與曲率之關係 71 5-4-4 梁在高溫後之破壞模式 72 5-5 NC梁與SCC梁在高溫中、後之比較 75 第六章 結論與建議 77 6-1 結論 77 6-2 建議 81 參考文獻 82 附錄 190 表目錄 表2-1 式子(2-16)之數值說明 85 表3-1-1 本研究試體總表 86 表3-1-2 本研究普通混凝土(NC)之配比 87 表3-1-3 本研究自充填混凝土(SCC)之配比 87 表3-4-1 NC4試體的加載歷程中梁與柱之載重值 88 表3-4-2 NC6試體的加載歷程中梁與柱之載重值 88 表3-5-1-1常溫之普通混凝土NC抗壓強度發展 89 表3-5-1-2常溫之自充填混凝土SCC抗壓強度發展 89 表3-5-1-3高溫後之普通混凝土NC抗壓強度 89 表3-5-1-4高溫後之自充填混凝土SCC抗壓強度 89 表3-5-2-1 常溫之鋼筋抗拉強度 90 表3-5-2-2 高溫後之鋼筋抗拉強度 90 表4-2-1 由Eurocode2【2】建議之矽質粒料混凝土的熱傳導係數k值 91 表4-2-2 由Eurocode2【2】建議混凝土熱容比ρc值 91 表5-1-1 NC6試體的梁在高溫測試中之現象觀察 92 表5-1-2 NC4試體的梁在高溫測試中之現象觀察 93 表5-1-3 本研究試體之濕度 94 表5-3-1-1 NC4梁試體於高溫作用前在服務載重作用下之彎矩比較 94 表5-3-2-1 NC4試體在服務載重作用下Δ1、Δm及Δ2在升溫及冷卻過程之變化 95 表5-3-2-2 NC4試體在服務載重作用下梁末端水平位移與轉角隨升溫及冷卻階段之變化 96 表5-3-4-1 實測值推求方法之說明 97 表5-3-4-2 本研究NC梁試體在高溫中殘餘撓曲強度預測值與實測值之比較 98 表5-3-4-3 本研究NC梁試體在高溫中殘餘剪力強度預測值與實測值之比較 98 表5-3-4-4 NC梁試體在高溫中殘餘撓曲強度的預測值與常溫強度計算值之比較 99 表5-3-4-5 NC梁試體在高溫中殘餘剪力強度的預測值與常溫強度計算值之比較 99 表5-4-1-1 NC4梁在殘餘強度測試中總載重與撓度之關係(Pcol.=3924kN) 100 表5-4-1-2 NC4梁在高溫前後服務載重作用下之撓度 101 表5-4-3-1 NC4梁在殘餘強度測試中總載重與曲率之關(Pcol.=3924kN) 102 表5-4-3-2 NC4與NC5【24】梁試體在殘餘強度時之曲率韌性比 103 表5-4-4-1 本研究NC梁試體在高溫後殘餘撓曲強度預測值與實測值之比較 103 表5-4-4-2 本研究NC梁試體在高溫後殘餘剪力強度預測值與實測值之比較 104 表5-4-4-3 NC梁試體在高溫後殘餘撓曲強度的預測值與常溫強度計算值之比較 104 表5-4-4-4 NC梁試體在高溫後殘餘剪力強度的預測值與常溫強度計算值之比較 105 表5-5-1 各試體在高溫中撓度之比較(升溫150分鐘) 105 圖目錄 圖2-1-1 Eurocode2及Ellingwood等人所提出的混凝土熱傳導係數k與溫度之關係【2,3】 106 圖2-1-2 ACI216混凝土熱傳導係數與溫度之關係【4】 106 圖2-1-3 Eurocode2與T.T.Lie建議的熱容比與溫度之比較【2,5】 107 圖2-2-1 Eurocode2高溫中混凝土抗壓強度折減與溫度之關係【2】 107 圖2-2-2 Eurocode2高溫中矽質粒料混凝土應力應變曲線之關係【2】 108 圖2-2-3 ACI216高溫中、後矽質粒料混凝土抗壓強度折減之關係【4】 108 圖2-2-4 ACI216高溫中混凝土彈性模數折減與溫度之關係【4】 109 圖2-2-5 楊旻森與陳舜田等建議高溫後混凝土應力應變曲線之關係【8】 109 圖2-2-6 Eurocode2高溫中鋼筋降伏強度折減與溫度之關係【2】 110 圖2-2-7 ACI216高溫中鋼筋抗拉強度折減與溫度之關係【4】 110 圖2-2-8(a)楊旻森與陳舜田等建議高溫後鋼筋降伏強度折減之關係【8】 111 圖2-2-8(b)楊旻森與陳舜田等建議高溫後鋼筋極限強度折減之關係【8】 111 圖3-1-1 七層樓建築物之構架尺寸圖 112 圖3-1-2 數值模擬分析之結果 113 圖3-1-3實際試體尺寸情形 114 圖3-1-4 數值模擬與本研究彎矩剪力圖之比較 114 圖3-1-5(a) 梁柱複合構件與加載點之配置 115 圖3-1-5(b) 梁柱複合構件於爐內實際情形 116 圖3-1-6 試體之鋼筋與主梁熱耦線配置圖 117 圖3-1-7 邊梁之熱耦線配置圖 118 圖3-1-8 柱熱耦線配置 119 圖3-2-1 複合構件實驗爐外觀 120 圖3-3-1-1 溫度記錄器 120 圖3-3-2-1 高溫測試中梁端加載設備及量測儀器示意圖 121 圖3-3-2-2 高溫測試前與殘餘強度測試中梁端加載設備及量測儀器示意圖 122 圖3-3-2-3 梁末端量測儀器示意圖及實際試驗情怳 123 圖3-3-2-4 P1點之量力計 124 圖3-3-2-5 P2點之量力計 124 圖3-3-2-6 m點陶瓷棒延伸至爐外設置位移計之情形 125 圖3-3-2-7 m點陶瓷棒於爐內之設置(已包覆訪火棉) 125 圖3-3-2-8(a) 殘餘強度測試中量測曲率之鋁框及位移計示意圖 126 圖3-3-2-8(b) 殘餘強度測試中量測曲率所設置之鋁框及位移計 127 圖3-4-1 本研究NC4試體加載流程 128 圖3-4-2 本研究NC6試體加載流程 129 圖3-5-1-1 混凝土抗壓強度與時間之關係 130 圖3-5-1-2 混凝土殘餘之抗壓強度與溫度之關係 130 圖3-5-2-1鋼筋殘餘之降伏強度與溫度之關係 131 圖3-5-2-2鋼筋殘餘之極限強度與溫度之關係 131 圖4-3-1 Solid70元素示意圖 132 圖4-3-2 梁柱複合構件試體之分析模型 132 圖4-3-3(a) 模擬梁柱複合構件NC4試體之有限元素模型 133 圖4-3-3(b) 模擬梁柱複合構件NC6試體之有限元素模型 133 圖4-4-1 Eurocode2高溫中鋼筋應力應變曲線之關係【2】 134 圖5-1-1 ISO834標準升溫曲線與各試體平均爐溫之比較 134 圖5-1-2(a) NC6梁試體於高溫中發生出水現象(梁西測面出水) 135 圖5-1-2(b) NC6梁試體於高溫中發生底面及角隅剝落之現象（梁未加載） 136 圖5-1-2(c) NC4梁試體於高溫中發生底面及角隅剝落之現象 137 圖5-1-2(d) NC6梁試體於高溫中發生角隅剝落之現象(BC2斷面) 138 圖5-1-3 NC6梁試體於高溫後發生角隅剝落之情形(BC2斷面) 138 圖5-1-4 NC6梁試體在混凝土斷面點位8之溫度比較 139 圖5-1-5 NC6梁側面及底面之龜裂與剝落現象(BC2及BS2斷面) 139 圖5-1-6 NC6梁側面及底面之龜裂與剝落現象(BC6斷面) 140 圖5-1-7 NC6梁底面剝落之現象(BC7斷面) 140 圖5-1-8 NC6梁試體在鋼筋斷面點位4之溫度比較 141 圖5-1-9 NC6梁角隅及底面剝落之現象(BS4斷面) 141 圖5-1-10 NC6 斷面底部至中心溫度與Eurocode2預測值之比較(BC6) 142 圖5-1-11 NC6 斷面底部至中心溫度與Eurocode2預測值之比較(BC6) 142 圖5-1-12 NC4梁角隅及底面剝落之現象 143 圖5-1-13 NC4梁底面之龜裂與剝落現象 143 圖5-1-14 NC4梁角隅剝落現象 144 圖5-1-15 NC4 梁在靠近梁柱接頭處在梁頂部出現撓曲裂縫 144 圖5-1-16 NC4梁在靠近P1點附近出現剪力裂縫 145 圖5-2-1-1(a) 梁試體頂部鋼筋溫度之變化 146 圖5-2-1-1(b) 梁試體頂部鋼筋溫度之變化 146 圖5-2-1-2(a) 梁試體底部保護層內混凝土溫度之變化 147 圖5-2-1-2(b) 梁試體底部保護層內混凝土溫度之變化 147 圖5-2-1-3(a) 梁試體頂部混凝土溫度之變化 148 圖5-2-1-3(b) 梁試體頂部混凝土溫度之變化 148 圖5-2-1-4(a) 梁試體於底部鋼筋溫度之變化 149 圖5-2-1-4(b) 梁試體於底部鋼筋溫度之變化 149 圖5-2-1-5(a) 梁試體內部剪力筋溫度之變化 150 圖5-2-1-5(b) 梁試體內部剪力筋溫度之變化 150 圖5-2-1-6(a) 梁試體內部混凝土溫度之變化 151 圖5-2-1-6(b) 梁試體內部混凝土溫度之變化 151 圖5-2-1-7(a) 梁試體內部混凝土溫度之變化 152 圖5-2-1-7(b) 梁試體內部混凝土溫度之變化 152 圖5-2-1-8(a) 梁試體混凝土中心溫度之變化 153 圖5-2-1-8(b) 梁試體混凝土中心溫度之變化 153 圖5-2-1-9(a) 梁試體內部混凝土緃向溫度之變化 154 圖5-2-1-9(b) 梁試體內部混凝土緃向溫度之變化 154 圖5-2-1-10 梁試體側邊表面混凝土溫度之變化 155 圖5-2-1-11 梁試體底部表面混凝土溫度之變化 155 圖5-2-1-12(a) 梁試體內部混凝土與鋼筋之溫度比較 (梁側邊) 156 圖5-2-1-12(b) 梁試體內部混凝土與鋼筋之溫度比較 (梁底角隅處) 156 圖5-2-3-1(a) ANSYS分析梁斷面內部在270分鐘時之溫度分佈 157 圖5-2-3-1(b) 梁斷面內部溫度為500℃之位置分佈 157 圖5-3-1-1 NC4梁在高溫作用前服務載重作用下梁整體之變形 158 圖5-3-1-2 NC4梁在高溫作用前載重比值與撓度之關係 158 圖5-3-1-3 NC4梁在高溫作用前載重比值與梁末端水平位移之關係 159 圖5-3-1-4 NC4梁在高溫作用前載重比值與梁末端轉角之關係 159 圖5-3-2-1(a) P1點在升溫過程撓度與時間之關係 160 圖5-3-2-1(b) P1點在升溫及冷卻過程撓度與時間之關係 160 圖5-3-2-2(a) Δm在升溫過程撓度與時間之關係 161 圖5-3-2-2(b) Δm在升溫及冷卻過程撓度與時間之關係 161 圖5-3-2-3(a) P2點在升溫過程撓度與時間之關係 162 圖5-3-2-3(b) P2點在升溫及冷卻過程撓度與時間之關係 162 圖5-3-2-4(a) 梁末端水平位移在升溫過程之關係 163 圖5-3-2-4(b) 梁末端水平位移在升溫及冷卻過程之關係 163 圖5-3-2-5(a) 梁末端轉角在升溫過程之關係 164 圖5-3-2-5(b) 梁末端轉角在升溫及冷卻過程之關係 164 圖5-3-2-6(a) NC4梁在服務載重下的撓度隨升溫時間及冷卻變化之關係 165 圖5-3-2-6(b) 高溫中爐溫每30分鐘最大升溫速率圖 165 圖5-3-2-7 高溫中P1點每30分鐘的平均最大撓度增加率圖 166 圖5-3-2-8 高溫中P2點每30分鐘的平均最大撓度增加率圖 166 圖5-3-2-9 高溫中P1點鋼筋溫度與撓度的關係 167 圖5-3-2-10 高溫中P2點鋼筋溫度與撓度的關係 167 圖5-3-4-1 NC梁試體在高溫中殘餘強度預測值與實測值之比較 168 圖5-3-4-2(a) NC6試體在高溫中梁受熱膨漲及抬升之情形(梁未加載) 168 圖5-3-4-2(b) NC梁試體在高溫中梁末端反力之變化 169 圖5-3-4-3 NC梁試體高溫中殘餘強度計算值與常溫強度計算值之比較 169 圖5-3-5-1 NC5【24】與NC4試體在P1點升溫過程撓度與時間之關係 170 圖5-3-5-2 NC5【24】與NC4試體在Δm點升溫過程撓度與時間之關係 170 圖5-3-5-3 NC5【24】與NC4試體在P2點升溫過程撓度與時間之關係 171 圖5-3-5-4 NC5【24】與NC4試體在升溫過程梁末端轉角與時間之關係 171 圖5-3-5-5 NC5【24】與NC4試體在升溫過程梁末端水平位移與時間之關係 172 圖5-3-5-6 梁在服務載重下的撓度隨升溫時間及冷卻變化之關係 172 圖5-4-1-1 高溫後梁總載重與P1點撓度之關係 173 圖5-4-1-2 高溫後梁總載重與Δm點撓度之關係 173 圖5-4-1-3 高溫後梁總載重與P2點撓度之關係 174 圖5-4-1-4 高溫後梁加載與整體變形之情形 174 圖5-4-1-5(a) P1點在服務載重下於高溫測試前、後之撓度 175 圖5-4-1-5(b) P1點在高溫前、後之曲率比較 175 圖5-4-1-6(a) m點在服務載重下於高溫測試前、後之撓度 176 圖5-4-1-6(b) m點在高溫前、後之曲率比較 176 圖5-4-1-7(a) P2點在服務載重下於高溫測試前、後之撓度 177 圖5-4-1-7(b) P2點在高溫前、後之曲率比較 177 圖5-4-2-1 高溫後梁總載重與梁末端水平位移之關係 178 圖5-4-2-2 高溫後梁總載重與梁末端轉角之關係 178 圖5-4-3-1 梁在殘餘強度測試中各點之曲率變化 179 圖5-4-3-2 梁在殘餘強度測試中各點之鋼筋應變推測值 179 圖5-4-4-1 NC4梁在P1點至梁柱接頭間產生剪力破壞 180 圖5-4-4-2 NC4梁底部發生剪力破壞處之位置 180 圖5-4-4-3 NC4梁試體在破壞後之變形 181 圖5-4-4-4 梁在殘餘強度測試中梁柱接頭與P2點混凝土應變量 181 圖5-4-4-5 NC4梁在P2點斷面上方發生輕微壓碎之現象 182 圖5-4-4-6 NC4梁在梁柱接頭端於破壞時頂部開裂之情形 182 圖5-4-4-7 NC梁試體高溫後殘餘強度預測值與實測值之比較 183 圖5-4-4-8 NC梁試體在高溫後殘餘強度試驗之反力變化 183 圖5-4-4-9 NC梁試體高溫後殘餘強度預測值與常溫強度計算值之比較 184 圖5-5-1 NC與SCC梁試體負彎矩區底部混凝土溫度之變化(BC1-8) 184 圖5-5-2 NC與SCC梁試體負彎矩區頂部鋼筋溫度之變化(BS1-1) 185 圖5-5-3 NC與SCC梁試體正彎矩區頂部混凝土溫度之變化(BC3-1) 185 圖5-5-4 NC與SCC梁試體正彎矩區底部角隅鋼筋溫度之變化(BS3-4) 186 圖5-5-5 NC與SCC梁試體正彎矩區底部內側鋼筋溫度之變化(BS3-5) 186 圖5-5-6 NC與SCC梁試體剪力鋼筋溫度之變化(BS2-3) 187 圖5-5-7 SCC與NC梁試體於剪力區混凝土溫度之變化(BC6-3) 187 圖5-5-8 NC與SCC試體在P1點升溫過程撓度與時間之關係 188 圖5-5-9 NC與SCC試體在Δm點升溫過程撓度與時間之關係 188 圖5-5-10 NC與SCC試體在P2點升溫過程撓度與時間之關係 189