鍾興陽

H型鋼柱火害後補強之耐震性能

為了研究國內鋼構建築常用的H型鋼柱火害後補強的耐震性能，本研究團隊製作四組尺寸與材質使用完全相同的鋼柱試體。斷面尺寸為RH250 X 250 X 9 X 14，總長為1735 mm，為半柱試體，上端為鉸接，下端與地梁相接固定。

四組鋼柱試體皆採用國內常用的SN490B 耐震用鋼材製成，其中一組不做任何溫度處理的常溫鋼柱試體（R試體）為對照組。為了模擬受到高溫火害後鋼柱的機械性質變化，將一組鋼柱試體（A試體）加熱至900°C高溫持溫一小時後空氣冷卻。

為了測試鋼柱試體火害後補強的兩種方案，另外兩組鋼柱試體跟A試體一樣，先加熱至900°C高溫持溫一小時後空氣冷卻，模擬受到高溫火害後鋼柱的材質變化，之後再進行鋼柱耐震能力補強。

其中一組試體為蓋板補強試體（CP試體），其補強方法是將兩片長度400mm且厚度6mm的補強鋼板以平行於翼板之方式，分別銲接在鋼柱試體底部兩片翼板的外側；另一組試體為側板補強試體（SP試體），其補強方法是將兩片長度400mm且厚度6mm的補強鋼板以平行腹板之方式，銲接在鋼柱試體底部分別連接兩側翼板。

四組鋼柱試體皆以國家地震研究中心南部實驗室的雙軸向動態測試系統（BATS）進行受軸壓之鋼柱反覆側推實驗。鋼柱試體上端以鉸接固定在BATS平台的上方反力鋼架，鋼柱試體下端則以預力鋼棒固定在BATS平台，此鋼柱的反覆側推實驗採用「位移控制」的方式，以BATS平台底部的垂直制動器向上施加軸壓力0.2P_y，即54.5tf。模擬地震橫向力的鋼柱側推位移控制的施力方式。

以BATS平台的水平制動器施加反覆側推力於鋼柱試體底部，其所施加的鋼柱反覆側推的層間位移角θ值位移控制歷程，由小到大的依序為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.75%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%。透過BATS受軸壓之鋼柱反覆側推實驗，比較四組鋼柱試體的耐震能力差異，並驗證蓋板補強與側板補強兩種火害後鋼柱補強方式的有效性。

本研究第一階段先進行R試體與A試體的實驗，實驗結果顯示：火害後的A試體比未受火害的R試體，較早出現鋼柱翼板與腹板局部挫屈的情形，且隨著側推層間位移角的增加，在層間位移角0.75%以後，兩組試體皆進入塑性階段，在相同層間位移角下，火害後的A試體之局部挫屈與塑性變形比未受火害的R試體更為嚴重，兩組鋼柱試體之兩片翼板的局部挫屈破壞模式也不同。

另外，由兩組試體之反覆側推剪力與層間位移角構成之骨幹曲線圖可看出，在層間位移角0.75%之後，在相同的層間位移角時A試體的側推剪力強度較R試體為低，且隨著A試體的層間位移角增加，其剪力強度折減越大，此外，當兩組試體受到相同大小的側推剪力作用時，A試體的側向變形將大於R試體，綜合觀察兩組試體破壞變形模式與側向剪力強度變化，可發現火害後的A試體較未受火害的R試體的鋼材與側向剪力強度有軟化的現象。

本研究第二階段進行CP試體與SP試體的實驗，並比較R試體和A試體。實驗結果顯示：CP試體和SP試體的鋼柱翼板與腹板局部挫屈比A試體和R試體發生得晚，且隨著側推層間位移角的增加，在相同層間位移角下，CP試體和SP試體的局部挫屈與塑性變形並未如A試體和R試體來得嚴重，最後7%歷程結束時，可以明顯觀察出火害後的A試體和未受火害的R試體軸向潰縮較多，CP試體與SP試體沒有嚴重挫屈與塑性變形，強度有明顯上升，火害後的補強成效良好。

由四組試體反覆側推剪力與層間位移角構成之骨幹曲線圖比較可看出：在彈性階段中，各試體的側向剪力強度相差不大，但進入塑性階段後，在層間位移角1.5%至3%間，未受火害的R試體仍然擁有最佳的剪力強度，但火害後補強的CP試體與SP試體之側向剪力強度也與未受火害的R試體相近，CP試體約小於5%，而SP試體約小於10%，隨著層間位移角的增加，CP試體與SP試體之側向剪力強度分別在層間位移角+4%與-5%時超越未受火害的R試體；當層間位移角到達-7%時，CP試體的側向剪力強度高出未受火害的R試體76%，而SP試體的側向剪力強度也高出未受火害的R試體59%。

綜合本研究的四組鋼柱試體實驗結果分析可發現，蓋板補強與側板補強皆能使受火害後空冷的H型鋼柱試體，明顯提高側向剪力強度，提升火害後H型鋼柱的耐震性能，其中又以在鋼柱兩端之兩片鋼柱翼板進行適當長度與厚度的蓋板補強之方式有較佳的成效。

作者資訊

鍾興陽 國立成功大學土木系副教授