中華民國內政部建築研究所中華民國內政部建築研究所

        含混凝土箱型柱（concrete-filled box column，或簡稱CFBC）在國內已是常被使用的構材型式，箱型柱是使用由4塊鋼板組合而成，如圖1所示，相關文獻多使用方形斷面進行研究，而實際建築結構設計時卻以矩形斷面為主，斷面長度與寬度的比值(簡稱長寬比)會影響鋼板對內部混凝土之圍束效果，故撓曲耐震性能勢必受到影響。本研究探討斷面長寬比對低軸力含混凝土箱型柱撓曲行為之影響，並採用圍束繫桿以作為提升撓曲耐震韌性的解決方案。現在工程界已使用填充型箱型柱，其在施工時必須加上繫桿，避免箱型柱因混凝土壓力向外變形，如圖2(a)所示，可以將繫桿作為結構用途，如圖2(b)所示。

        本研究基於箱型柱鋼板之標稱降伏強度3.3 、420 標稱抗壓強度混凝土，箱型柱以全滲透銲接製作以及低軸力作用(承受軸力約為軸向計算強度的20%)之條件下，進行13支含混凝土箱型柱撓曲行為試驗，可分成FS、FR及TR等3個系列，FS系列為方形斷面試體，FR系列為矩形斷面試體，斷面長寬比為1.2、1.35、1.5、1.7及2.0，包含繞強軸彎曲及繞弱軸彎曲之試體，而TR系列為斷面長寬比為2.0之FR試體增設圍束繫桿，以初步探討圍束繫桿提升撓曲耐震韌性之效果。試驗裝置如圖3所示，試驗時，先以上方600噸油壓致動器施加20%軸向強度之固定軸力 ，再以水平200噸油壓致動器施加側向力進行反覆載重撓曲行為試驗。

        試驗結果發現，長寬比不大於2.0時，繞強軸彎曲之實際彎矩強度比計算彎矩強度多約20%以上，原因估計是長寬比越大，斷面短邊寬厚比越小，所以鋼板越有可能進入材料應變硬化階段，而繞弱軸彎曲時，實際彎矩強度只比計算彎矩強度多約10%，故繞強軸彎曲之彎矩強度比繞弱軸彎曲更保守；無論繞強軸或繞弱軸彎曲，試體之撓曲耐震韌性(塑性轉角容量)皆隨斷面長寬比的增加而降低，依據現行鋼結構極限設計法規範規定梁柱接頭塑性轉角容量至少為3% rad(無因次量)之要求，本研究保守的取長寬比為1.0至1.5之試驗結果，回歸推估矩形填充混凝土箱型鋼柱之長寬比上限，如圖4所示，建議國內相關規範(鋼結構規範及鋼骨鋼筋混凝土規範)必須增訂，如經結構分析含混凝土箱型柱有產生塑性鉸的可能，則位於可能發生塑性鉸之位置，其斷面長寬比上限為1.4，否則必須有加強韌性的措施，以確保其耐震性能，例如適當設計使用圍束繫桿，始能滿足塑性轉角容量3% rad之要求。

        加裝圍束繫桿之試體長寬比皆為2.0(比本研究建議的長寬比上限1.4大很多，所以本研究建議之圍束繫桿需求量偏保守)，試驗結果發現，採用平均柱寬度的1/3作為圍束繫桿間距，配置範圍由梁翼板起算，涵蓋平均柱寬度的1/2，試體之撓曲耐震韌性(塑性轉角容量)大幅提高，可大幅度提升撓曲耐震韌性(塑性轉角容量)約48%，並大幅超過3% rad之要求，故本研究建議以適當設計使用圍束繫桿作為加強韌性的措施。

  

圖1 .填充型箱型柱斷面圖

       

(a)施工用之繫桿   (b)結構用之圍束繫桿

圖2. 使用繫桿之填充型箱型柱

圖3. 含軸力之撓曲行為試驗裝置示意圖

圖4. 試體之塑性轉角容量-長寬比分布圖