本所防火實驗中心自建置以來，積極結合建築防火理論與實際應用成果，將國際上之相關防火研究資料，進行本土化的驗證與創新之工作，提供我國建築材料、構件結構、防耐火性能檢測基準，及法令規章研修之建議。目前實驗中心在結構耐火實驗方面，已由梁、柱等單一構件實驗，提昇至規劃設計結構構架實驗，完成含混凝土樓版鋼構架火害實驗，展現出國家級實驗室能量，對於材料熱性質、結構火害行為、破壞模式之預測，及對實驗設備的了解與操作，皆有確實掌握之能力，足以應付未來任何大型實驗或檢測之挑戰。
本年度進行含混凝土樓版鋼構架火害計畫「含抗彎矩接頭鋼構造梁之耐火性能研究」，探討含抗彎矩接頭束制鋼梁構件於承受高溫下之行為，藉由大尺寸之火害實驗，獲得束制鋼梁構件在高溫下之變形行為、破壞模式與防火時效。
一、研究目的
國內外對於單獨鋼梁構件於火害中之行為，已有相當程度之研究，然而單獨梁構件與抗彎矩構架中梁構件遭受火害之行為模式不同。單獨鋼梁構件受火害時，熱膨脹導致鋼梁伸長，隨溫度上升造成強度下降，梁撓度逐漸增加直至破壞。但是在一般鋼構造梁柱抗彎矩構架中，大梁以剛接與柱接合，小梁以鉸接與大梁接合。梁構件不論為大梁或小梁，遭受火害時，高溫中後之結構行為，受到周圍結構構件的影響，與前述單一簡支梁受火害時不同。鋼梁構件於火害升溫時受熱膨脹，因周圍結構構件之束制而將產生軸向壓力，於冷卻降溫時，由於收縮和鋼梁兩端的束制，將承受軸向拉力，可能會造成束制鋼梁兩端接合的破壞，故抗彎矩構架之梁構件遭受火害之研究值得探討。
二、研究方法及內容
本研究為瞭解束制鋼梁構件於火害下之行為與破壞模式，規劃兩組大尺寸含抗彎矩接頭束制鋼梁構件進行耐火試驗，以不同柱之尺寸大小，模擬鋼梁承受不同的束制剛度，試體斷面尺寸如表1所示，試體梁柱構件如圖1所示。耐火試驗依照國內CNS12514-1「建築物構造構件耐火試驗法」之相關規定，藉由配置熱電偶測點，量測試體斷面各部位於試驗中之溫度變化，且設置位移計以量測鋼梁之撓度與水平位移。
表1. 試體斷面尺寸
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試體編號
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受火梁斷面尺寸
H×B×tw×tf (mm)
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柱斷面尺寸
H×B×tw×tf (mm)
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C1
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300×150×6.5×9
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250×250×9×14
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C2
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300×150×6.5×9
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350×350×12×19
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圖1. 試體梁柱構件圖
試體涵蓋鋼梁、鋼柱與中間層之樓版，試體彎矩接頭細部如圖2及圖3所示，實驗設置與安裝如圖4及圖5所示，子結構上端梁柱交會區以一端鉸支承一端滾支承形式，以樞接構材與設備梁連接。中間火害鋼梁與樓版位於加溫爐蓋版下方，鋼柱與下方鋼梁以防火棉包覆置於爐內。
設置樓版之考量乃因樓版亦提供鋼梁束制，並使鋼梁上部受混凝土保護不直接受火害。樓版上方將放置載重塊以模擬樓版上之作用力，如圖6所示。
圖2. 試體彎矩接頭細部圖
圖3. 試體彎矩接頭
圖4. 試驗設置示意圖
圖5. 梁柱構件試體安裝
圖6. 試驗載重塊設置圖
三、實驗結果與發現
鋼梁承受垂直載重與標準升溫後，因高溫導致材料強度衰減，故撓度隨著溫度的增加而逐漸增大；且於鋼梁溫度達600oC後快速增加。其後鋼梁的軸向變形亦由伸長轉變為壓縮，並於鋼梁撓度與變形速率達性能基準後試驗停止。實驗後顯示試體的破壞模式為因負彎矩的作用，鋼梁兩端下翼板與腹板局部挫屈與混凝土樓版開裂。由鋼梁軸向變形推測，鋼梁於高溫時承受軸壓力，而冷卻時逐漸轉變為受軸拉力。
試體C1實驗結果撓曲變形曲線、試驗後外觀、局部挫屈如圖7至圖9所示，試體C2實驗結果如圖10至圖13所示。
圖7. 試體C1撓曲變形曲線圖
圖8. 試體C1耐火試驗後外觀
圖9. 試體C1局部挫屈圖
圖10. 試體C2撓曲變形曲線圖
圖11. 試體C2耐火試驗後外觀
圖12. 試體C2扭轉變形
圖13. 試體C2局部挫屈
本研究實驗結果彙整如下：
- 鋼梁因高溫導致材料強度衰減，故鋼梁撓度隨著溫度的增加而逐漸增大，其後因更高溫而快速增加。鋼梁的軸向變形亦由伸長轉變為壓縮，亦顯示鋼梁於高溫時承受軸壓力，而冷卻時逐漸轉變為受軸拉力。
- 依據規範設計的彎矩接頭，在高溫下束制鋼梁於兩端負彎矩區下翼板與腹板產生局部挫屈及樓版開裂，而無銲道、螺栓與剪力板的破壞。隨撓度增加，於梁跨度中點達撓度與撓度速率性能基準。
- 鋼梁之梁腹板位於剪力板處之螺栓孔顯示，鋼梁因高溫熱膨脹與冷卻降溫時之收縮，產生高軸力，導致螺栓孔成斜向之橢圓變形。
- 火害過程中，鋼梁下翼板與腹板溫度大致相同，上翼板則由於混凝土樓版降溫作用溫度較低。
- 柱之約束勁度較大，鋼梁達到最大軸向變形量之時間較早，且能達到之最大軸向變形量較小。且因約束勁度大，亦造成鋼梁撓曲變形發生之時間較晚，且其耐火時間略長。
- 束制鋼梁因靜不定度大，較簡支梁有更好耐火性，因鋼梁在升溫時期，撓度增加，梁內軸力由壓力轉為拉力，產生懸鏈線效應，變形減緩之故。
- 鄰近構件對鋼梁的束制於鋼梁受高溫時的軸力影響大，且樓版載重比越小，耐火性越好，此二因素皆為影響耐火性能之重要參數。
- 柱的勁度對於梁破壞影響大，如試體C2鋼柱因勁度較大，限制鋼梁因溫度上升伸長，因此梁柱接頭挫屈情形較為明顯，且鋼梁有側向挫屈變形。
四、結論與建議
應用大尺寸之混凝土版鋼構架火害實驗，探討含抗彎矩接頭束制鋼梁構件於承受高溫下之變形行為、破壞模式與防火時效，對於鋼梁軸力之轉變，受鋼柱束制之影響，梁下翼板與腹板挫屈破壞，及鋼梁火害中發生側向扭轉挫屈情形，藉由實驗觀察與記錄，皆能獲致豐碩之成果，有助於防火實驗中心持續進行大型鋼構件火害研究計畫，及未來進行實尺寸鋼構造建築受真實火災方面之研究，相關建議如下：
- 進行簡支梁剪力接頭火害行為研究：本研究成果顯示抗彎矩接頭能提供梁於接頭處之撓曲與剪力強度。簡支梁接頭則設計僅承受剪力，並於受火害作用時亦將有軸向熱脹冷縮現象，將對接頭處的剪力板與螺栓造成額外的作用力，因此探討簡支梁剪力接頭之耐火性能有其重要性。
- 進行實尺寸鋼構造建築受真實火災性能研究：實驗室火害研究一般皆以標準升溫曲線加溫，與實際火場之升溫有所不同。因整體構架的影響，鋼構造建築的耐火性能將可能優於構件的耐火性能。故實尺寸鋼構造建築承受真實火災性能的建立有其必要性，試驗結果亦可作為分析模式的驗証。