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研究生：	周禮緯 Chou, Li-wei
論文名稱：	鋼筋混凝土房屋構架在高溫中、後之行為研究 ─ 自充填混凝土梁之行為 Behavior of Reinforced Concrete Building Frames Subjected to Elevated Temperature ─ Behavior of Self-Compacting Concrete Beam
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：	2009
畢業學年度：	97
語文別：	中文
論文頁數：	181
中文關鍵詞：	火、溫度、混凝土、梁
外文關鍵詞：	Temperature, Fire, Beam, Concrete
相關次數：	點閱：67 下載：2
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隨著自充填混凝土材料在房屋結構的使用上愈來愈頻繁，其耐火性能也日漸重要，本篇論文旨在探討使用自充填混凝土(SCC)材料之梁柱房屋構件中之梁在高溫中、後之承力行為。本研究採用自充填混凝土材料製作實尺寸之梁柱複合構件試體，試驗分為高溫中、冷卻過程及高溫後三個階段，並使用ANSYS軟體來模擬試體內部溫度變化及變形。
本研究之主要成果如下：
1.在高溫試驗中，試體有明顯之爆裂及出水等現象，試體內部溫度升高到100℃左右會出現升溫遲滯現象，為混凝土內部游離水吸收熱量後發生相變化所造成。
2.在加溫結束時，溫度所造成梁之最大撓度為常溫之10.2~11.4倍，梁末端之轉動角及水平位移分別為常溫之13倍及27.1倍。
3.在冷卻過程中，梁的撓度、梁末端轉動角及水平位移於開始冷卻後約40～80分鐘左右達到最大值，分別約為常溫的13倍、15倍及38倍。
4.在殘餘強度測試中，在柱加載為2021 kN，於服務載重下梁之最大撓度約為測試前之1.47～2.20倍，當柱加載提高到了3924 kN，梁總載重為471 kN時發生撓曲破壞。當柱軸力加大至4709 kN時，會造成梁的部分剪力增加，導致撓曲鋼筋降伏後發生剪力破壞。

Self-compacting concrete (SCC) structural systems have been applied frequently in building. The main purpose of this thesis is to study the pre- and post-heating behavior of the beam of SCC beam-column building frames subjected to elevated temperature. Three full scale specimens were built to simulate the beam, column and joint sub-assemblage. The ANSYS software was used to model the variation of inner temperature and the deformations of the specimen.
The main results of this research are as follows:
1.During the heating period, explosion of concrete and moisture exudation in the specimen were observed. The rate of increase in temperature of beam reduced as the concrete temperature reached 100℃ due to the phase change of water inside the concrete.
2.After heating period, the deflection of beam was around 10.2 to 11.4 times greater than that under room temperature. Besides, the beam end rotation and displacement were 13 and 27.1 times greater than those under room temperature.
3.During the cooling period, the deflection, beam end rotation and horizontal displacement of beam reached their maximum values at about 40 to 80 minutes after the start of cooling. They were approximately 13, 15 and 38 times greater than those under room temperature.
4.One specimen failed in flexure as the total beam load reached 471 kN with the column load of 3924 kN. The other one failed in shear after the yielding of steel occurred at load point and joint when the column load raised to 4709 kN.

總目錄
摘要.................................................................................I
Abstract............................................................................II
誌謝................................................................................IV
目錄.................................................................................V
表目錄 ...........................................................................VIII
圖目錄 ............................................................................ IX
符號表............................................................................ XIX
第一章  緒論.........................................................................1
  1-1 研究目的.......................................................................1
  1-2 研究方法.......................................................................1
第二章  文獻回顧.....................................................................3
  2-1 混凝土之熱學性質...............................................................3
  2-2 混凝土與鋼筋受高溫作用下之力學性質.............................................7
  2-3 混凝土在高溫作用下之爆裂行為與表面顏色變化....................................15
  2-4 鋼筋混凝土梁在高溫作用下承力行為及數值模擬....................................19
第三章  試驗規劃及試驗方法..........................................................26
  3-1 試體規劃......................................................................26
  3-2 試驗設備......................................................................28
  3-3 量測儀器及量測方法............................................................29
  3-3-1 量測儀器....................................................................29
  3-3-2 量測方法....................................................................30
  3-4 試驗程序及方法................................................................31
  3-5 材料試驗......................................................................34
    3-5-1 混凝土圓柱試體實驗規劃及實驗程序..........................................34
    3-5-2 竹節鋼筋之試體規劃及實驗程序..............................................36
第四章  理論分析....................................................................37
  4-1 數值模擬之簡介................................................................37
  4-2 熱學參數......................................................................39
  4-3 梁柱複合構件之電腦模型........................................................40
  4-4 電腦模型之印證................................................................41
  4-5 預測梁之殘餘強度..............................................................44
第五章  結果與討論..................................................................56
  5-1 高溫試驗中後梁表面混凝土的觀察................................................56
  5-2 高溫試驗中梁內部溫度之變化....................................................58
    5-2-1 梁內部主要斷面的溫度變化..................................................58
    5-2-2 試體內部的溫度預測值與實測值的比較........................................62
  5-3 梁在服務載重下受高溫作用之行為................................................63
    5-3-1 梁在高溫測試前之載重與變形行為............................................63
    5-3-2 梁在高溫測試中之載重與變形行為............................................64
  5-4 梁在高溫後加載行為與殘餘強度..................................................66
    5-4-1 梁的載重與撓度之關係......................................................66
    5-4-2 梁的載重與梁末端水平位移之關係............................................68
    5-4-3 梁在高溫後的破壞模式......................................................69
  5-4 SCC與NC試體在高溫中載重與變形行為.............................................72
第六章  結論........................................................................74
參考文獻............................................................................76

表目錄
表 3-1-1 自充填混凝土(SCC)之配比....................................................79
表 3-1-2 普通混凝土(NC)之配比.......................................................79
表 3-5-1-1 常溫之自充填混凝土SCC抗壓強度發展........................................80
表 3-5-1-2 常溫之普通混凝土NC抗壓強度發展...........................................80
表 3-5-1-3 高溫後之自充填混凝土SCC抗壓強度..........................................81
表 3-5-1-4 高溫後之普通混凝土NC抗壓強度.............................................81
表 3-5-2-1 常溫之鋼筋抗拉強度.......................................................82
表 3-5-2-2 高溫之鋼筋抗拉強度.......................................................82
表 4-2-1 由Eurocode2 【2】建議之矽質骨材混凝土的熱傳導係數k值.......................83
表 4-2-2 由Eurocode2【2】建議混凝土熱容比ρc值......................................83
表 4-4-1 ANSYS模擬梁在高溫中之變形..................................................84
表 5-4-3-1試體於撓曲破壞時預測值與實驗值之比較......................................85
表 5-4-3-2試體於梁柱接頭至P1點位之剪力值比較........................................85

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】...86
圖 2-1-2 ACI216混凝土熱傳導係數與溫度之關係【4】....................................86
圖 2-1-3 Eurocode2與T.T.Lie建議的熱容比與溫度之比較【2】【5】.......................87
圖 2-2-1 Eurocode2高溫中混凝土抗壓強度折減遞減之關係【2】...........................87
圖 2-2-2 Eurocode2高溫中矽質骨材混凝應力應變曲線之關係【2】.........................88
圖 2-2-3 ACI216高溫中、後矽質骨材混凝土抗壓強度遞減之關係【4】......................88
圖 2-2-4 ACI216高溫中混凝土彈性模數遞減之關係【4】..................................89
圖 2-2-5 Eurocode2高溫中鋼筋抗拉強度遞減之關係【1】.................................89
圖 2-2-6 ACI216高溫中鋼筋抗拉強度遞減之關係【3】....................................90
圖 3-1-1 七層樓建築物之構架尺寸圖...................................................91
圖 3-1-2 數值模擬分析之結果.........................................................92
圖 3-1-3 梁柱複合構件與加載點之配置.................................................93
圖 3-1-4 試體之鋼筋與熱耦線配置圖...................................................94
圖 3-1-5 邊梁之熱耦線配置圖.........................................................95
圖 3-1-6 柱熱耦線配置圖.............................................................96
圖 3-2-1 複合構件實驗爐外觀.........................................................97
圖 3-3-2-1 高溫測試中梁端加載設備及量測儀器示意圖...................................98
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...................99
圖 3-3-2-3 梁末端量測儀器示意圖....................................................100
圖 3-3-2-4 P1點之量力計............................................................101
圖 3-3-2-5 P2點之量力計............................................................101
圖 3-3-2-6 梁末端之量力計..........................................................102
圖 3-3-2-7 m點陶瓷棒延伸至爐外設置位移計之情形.....................................102
圖 3-3-2-8 m點陶瓷棒於爐內之設置(已包覆訪火棉) ....................................103
圖 3-3-2-9 梁底部P1、Pm及P2點之位移計(殘餘強度試驗)................................103
圖 3-3-2-10 梁末端量測儀器之設置...................................................104
圖 3-3-2-11(a) 殘餘強度測試中量測曲率之鋁框及位移計示意圖..........................105
圖 3-3-2-11(b) 殘餘強度測試中量測曲率之鋁框及位移計示意圖..........................106
圖 3-3-2-12 殘餘強度測試中量測曲率所設置之鋁框及位移計.............................106
圖 3-3-2-13 靠近梁柱接頭處梁頂鋁框及位移計架設之情形...............................107
圖 3-3-2-14 靠近梁柱接頭處梁底鋁框及位移計架設之情形...............................107
圖 3-4-1 安裝上下柱承壓鋼版之情形..................................................108
圖 3-4-2 溫度記錄器 ...............................................................108
圖 3-4-3 防火棉披覆之位置..........................................................109
圖 3-4-4 實際防火棉包覆之情形......................................................110
圖 3-4-5 實際防護網架設之情形......................................................110
圖 3-4-6(a) SCC4與SCC5加載流程.....................................................111
圖 3-4-6(b) SCC4與SCC5加載流程.....................................................112
圖 3-5-1-1 混凝土抗壓強度與時間之關係..............................................113
圖 3-5-1-2 混凝土抗壓強度與溫度之關係..............................................113
圖 4-3-1 Solid70元素示意圖.........................................................114
圖 4-3-2 模擬梁柱複合構件SCC4與SCC5試體之有限元素模型..............................114
圖 4-4-1 Solid45元素示意圖.........................................................115
圖 4-4-2 梁柱複合構件試體之分析模型................................................115
圖 4-4-3 梁柱複合構件試體模型邊界設定與受力情形....................................116
圖 4-4-4 將梁柱接頭端改成鉸接試體模型之邊界設定與受力情形..........................116
圖 4-4-5 將梁柱接頭端改成固定端試體模型之邊界設定與受力情形........................116
圖 4-5-1 梁在高溫中撓曲強度隨時間遞減圖............................................117
圖 4-5-2 梁在高溫中剪力強度隨時間遞減圖............................................117
圖 5-1-1(a) SCC4梁試體在高溫測試中之現象觀察.......................................118
圖 5-1-1(b) SCC4梁試體在高溫測試中之現象觀察.......................................119
圖 5-1-2(a) SCC5梁試體在高溫測試中之現象...........................................120
圖 5-1-2(b) SCC5梁試體在高溫測試中之現象...........................................121
圖 5-1-3 爐溫與表面溫度之比較......................................................122
圖 5-1-4 各試體爐溫與ISO 834升溫曲線之比較.........................................122
圖 5-1-5(a) 高溫測試中梁出現水分排出之現象 (SCC4)..................................123
圖 5-1-5(b) 高溫測試中梁出現水分排出之現象 (SCC5)..................................123
圖 5-1-6(a) 梁試體表面所產生之裂縫 (SCC4)..........................................124
圖 5-1-6(b) 梁試體表面所產生之裂縫 (SCC5)..........................................124
圖 5-1-7(a) 梁試體角隅及底部爆裂與剝落之情況 (SCC4)................................125
圖 5-1-7(b) 梁試體角隅及底部爆裂與剝落之情況 (SCC5)................................125
圖 5-1-8 梁試體混凝土角隅斷面之溫度梯度變化 (BC1)..................................126
圖 5-1-9 梁試體混凝土底部斷面之溫度梯度變化 (BC1)..................................126
圖 5-1-10(a) 梁試體角隅及底部爆裂與剝落之情況 (SCC4)...............................127
圖 5-1-10(b) 梁試體角隅及底部爆裂與剝落之情況 (SCC5)...............................127
圖 5-1-11 梁試體混凝土角隅斷面之溫度梯度變化 (BC6).................................128
圖 5-1-12 梁試體混凝土底部斷面之溫度梯度變化 (BC6).................................128
圖 5-1-13(a) 梁試體角隅及底部爆裂與剝落之情況 (SCC4)...............................129
圖 5-1-13(b) 梁試體角隅及底部爆裂與剝落之情況 (SCC5)...............................129
圖 5-1-14 梁試體混凝土角隅斷面之溫度梯度變化 (BC2).................................130
圖 5-1-15(a) 靠近接頭附近在梁頂部出現撓曲裂縫 (SCC4)...............................130
圖 5-1-15(b) 靠近接頭附近在梁頂部出現撓曲裂縫 (SCC5)...............................131
圖 5-1-16 靠近P2附近在梁底部出現撓曲裂縫 (SCC4)....................................131
圖 5-1-17 靠近P1附近在梁側出現剪力裂縫 (SCC4)......................................132
圖 5-2-1-1(a) 梁試體內部混凝土之溫度變化 (點位8)...................................132
圖 5-2-1-1(b) 梁試體內部混凝土之溫度變化 (點位8)...................................133
圖 5-2-1-2(a) 梁試體內部不同點位鋼筋之溫度比較 (BS1)...............................133
圖 5-2-1-2(b) 梁試體內部不同點位鋼筋之溫度比較 (BS1)...............................134
圖 5-2-1-3(a) 梁試體內部混凝土之溫度變化 (點位1)...................................134
圖 5-2-1-3(b) 梁試體內部混凝土之溫度變化 (點位1)...................................135
圖 5-2-1-4(a) 梁試體內部不同點位鋼筋之溫度比較 (BS3)...............................135
圖 5-2-1-4(b) 梁試體內部不同點位鋼筋之溫度比較 (BS3)...............................136
圖 5-2-1-5(a) 梁試體內部鋼筋之溫度變化.............................................136
圖 5-2-1-5(b) 梁試體內部鋼筋之溫度變化.............................................137
圖 5-2-1-6(a) 梁試體內部混凝土之溫度變化 (點位3)...................................137
圖 5-2-1-6(b) 梁試體內部混凝土之溫度變化 (點位3)...................................138
圖 5-2-1-7(a) 梁試體內部鋼筋之溫度變化 (點位3).....................................138
圖 5-2-1-7(b) 梁試體內部鋼筋之溫度變化 (點位3).....................................139
圖 5-2-1-8(a) 梁試體內部混凝土之溫度變化 (點位4)...................................139
圖 5-2-1-8(b) 梁試體內部混凝土之溫度變化 (點位4)...................................140
圖 5-2-1-9(a) 梁試體中心混凝土之溫度變化 (點位5)...................................140
圖 5-2-1-9(b) 梁試體中心混凝土之溫度變化 (點位5)...................................141
圖 5-2-1-10 梁試體內部混凝土與鋼筋之溫度比較 (梁側)................................141
圖 5-2-1-11 梁試體內部混凝土與鋼筋之溫度比較 (角隅)................................142
圖 5-2-2-1 試體內部溫度實測值與理論值之溫度比較 (點位1)............................142
圖 5-2-2-2 試體內部溫度實測值與理論值之溫度比較 (點位2)............................143
圖 5-2-2-3 試體內部溫度實測值與理論值之溫度比較 (點位3)............................143
圖 5-2-2-4 試體內部溫度實測值與理論值之溫度比較 (點位4)............................144
圖 5-2-2-5 試體內部溫度實測值與理論值之溫度比較 (點位5)............................144
圖 5-2-2-6 試體內部溫度實測值與理論值之溫度比較 (點位6)............................145
圖 5-2-2-7 試體內部溫度實測值與理論值之溫度比較 (點位7)............................145
圖 5-2-2-8 試體內部溫度實測值與理論值之溫度比較 (點位8)............................146
圖 5-2-2-9 試體內部溫度實測值與理論值之溫度比較 (點位9)............................146
圖 5-2-2-10 試體內部溫度實測值與理論值之溫度比較 (點位10)..........................147
圖 5-2-2-11 梁試體水平方向之溫度梯度變化 (BC6).....................................147
圖 5-2-2-12 梁試體垂直方向之溫度梯度變化 (BC6).....................................148
圖 5-3-1-1 高溫前P1、P2與m點撓度與載重之關係 (SCC4)................................148
圖 5-3-1-2 高溫前P1、P2與m點撓度與載重之關係 (SCC5)................................149
圖5-3-1-3 高溫前梁的撓曲變形圖之比較...............................................149
圖 5-3-1-4 高溫前梁末端水平位移與載重之關係........................................150
圖 5-3-1-5 高溫前梁末端轉動角與載重之關係..........................................150
圖 5-3-2-1(a) 梁試體在高溫中P1撓度與時間之關係.....................................151
圖 5-3-2-1(b) 梁試體在高溫中P1撓度與時間之關係.....................................151
圖 5-3-2-2(a) 梁試體在高溫中m點撓度與時間之關係....................................152
圖 5-3-2-2(b) 梁試體在高溫中m點撓度與時間之關係....................................152
圖 5-3-2-3(a) 梁試體在高溫中P2撓度與時間之關係.................................... 153
圖 5-3-2-3(b) 梁試體在高溫中P2撓度與時間之關係.....................................153
圖 5-3-2-4(a) 梁試體在高溫中P1、P2與m點撓度與時間之關係............................154
圖 5-3-2-4(b) 梁試體在高溫中P1、P2與m點撓度與時間之關係............................154
圖 5-3-2-5(a) 梁試體在高溫中的撓曲變形曲線 (SCC4)..................................155
圖 5-3-2-5(b) 梁試體在高溫中的撓曲變形曲線 (SCC5)..................................155
圖 5-3-2-6(a) 高溫中P1、P2與m點的平均撓曲變化速率 (SCC4)...........................156
圖 5-3-2-6(b) 高溫中P1、P2與m點的平均撓曲變化速率 (SCC5)...........................156
圖 5-3-2-7 高溫中P2點的平均撓曲變化速率之比較......................................157
圖 5-3-2-8(a) 梁試體在高溫中水平位移與時間之關係...................................157
圖 5-3-2-8(b) 梁試體在高溫中水平位移與時間之關係...................................158
圖 5-3-2-9(a) 梁試體在高溫中轉動角與時間之關係.....................................158
圖 5-3-2-9(b) 梁試體在高溫中轉動角與時間之關係.....................................159
圖 5-3-2-10 高溫中P1點的最大撓曲變化速率之比較.....................................159
圖 5-3-2-11 高溫中m點的最大撓曲變化速率之比較......................................160
圖 5-3-2-12 高溫中P2點的最大撓曲變化速率之比較.....................................160
圖 5-4-1-1 P1在服務載種下於高溫測試前、後之撓度....................................161
圖 5-4-1-2 m點在服務載種下於高溫測試前、後之撓度...................................161
圖 5-4-1-3 P2在服務載種下於高溫測試前、後之撓度....................................162
圖 5-4-1-4 殘餘強度試驗中P1撓度與載重之關係........................................162
圖 5-4-1-5 殘餘強度試驗中m點撓度與載重之關係.......................................163
圖 5-4-1-6 殘餘強度試驗中P2撓度與載重之關係........................................163
圖 5-4-1-7(a) 梁於殘餘強度試驗中第三階段之整體變形圖...............................164
圖 5-4-1-7(b) 梁於殘餘強度試驗中第三階段之整體變形圖...............................164
圖 5-4-2-1 梁末端在服務載重下於高溫測試前、後之水平位移比較........................165
圖 5-4-2-2 梁末端在服務載重下於高溫測試前、後之轉動角比較..........................165
圖 5-4-2-3 殘餘強度試驗中梁末端水平位移與載重之關係................................166
圖 5-4-2-4 殘餘強度試驗中梁末端轉動角與載重之關係..................................166
圖 5-4-3-1 梁在殘餘強度測試中彎矩與曲率之關係 (SCC4)...............................167
圖 5-4-3-2 P2點於破壞時所發生之混凝土壓碎現象......................................167
圖 5-4-3-3 P2點於破壞時混凝土底部開裂延伸之現象....................................168
圖 5-4-3-4 梁在殘餘強度測試中混凝土表面應變之變化 (SCC4)...........................168
圖 5-4-3-5 梁柱接頭於破壞時頂部開裂之現象..........................................169
圖 5-4-3-6 梁柱接頭於破壞時之撓曲現象..............................................169
圖 5-4-3-7 梁在殘餘強度測試中鋼筋應變之變化 (SCC4).................................170
圖 5-4-3-8 梁在破壞後之整體變形圖 (SCC4)...........................................170
圖 5-4-3-9(a) 梁在殘餘強度測試中彎矩與曲率之關係 (SCC5)............................171
圖 5-4-3-9(b) 梁在殘餘強度測試中彎矩與曲率之關係 (SCC5)............................171
圖 5-4-3-10 P1點左側於破壞時所發生之混凝土裂開現象.................................172
圖 5-4-3-11 P2點於破壞時混凝土底部開裂延伸之現象...................................172
圖 5-4-3-12(a) 梁在殘餘強度測試中混凝土表面應變之變化 (SCC5).......................173
圖 5-4-3-12(b) 梁在殘餘強度測試中混凝土表面應變之變化 (SCC5).......................173
圖 5-4-3-13 梁柱接頭於破壞時頂部開裂之現象.........................................174
圖 5-4-3-14(a) 梁在殘餘強度測試中鋼筋應變之變化 (SCC5).............................174
圖 5-4-3-14(b) 梁在殘餘強度測試中鋼筋應變之變化 (SCC5).............................175
圖 5-4-3-15 梁在破壞後之整體變形圖 (SCC5)..........................................175
圖 5-5-1 SCC與NC試體於正彎矩區頂部混凝土溫度之變化.................................176
圖 5-5-2 SCC與NC試體於正彎矩區底部鋼筋溫度之變化...................................176
圖 5-5-3 SCC與NC試體於負彎矩區底部混凝土溫度之變化.................................177
圖 5-5-4 SCC與NC試體於負彎矩區頂部鋼筋溫度之變化...................................177
圖 5-5-5 SCC與NC試體於剪力區混凝土溫度之變化.......................................178
圖 5-5-6 SCC與NC試體於剪力區鋼筋溫度之變化.........................................178
圖 5-5-7 SCC與NC 在升溫過程中P1撓度與時間之關係....................................179
圖 5-5-8 SCC與NC 在升溫過程中P2撓度與時間之關係....................................179
圖 5-5-9 SCC與NC 在升溫過程中梁末端水平位移與時間之關係............................180
圖 5-5-10 SCC與NC 在升溫過程中梁末端轉動角與時間之關係.............................180
                                    

1.Kodur, V. K. R., and Sultan, M. A., “ Effect of Temperature on Thermal Properties of High-Strength Concrete, ”Journal of Materials in Civil Engineering, ASCE, Vol.15, No.2, April 2003, pp.101-107
2.European Committee, “ Eurocode2 : Design of concrete structures - Part 1-2 : General rules - Structural fire design, ”ENV 1992-1-2:1995
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校內：2012-07-29公開
校外：2012-07-29公開

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