第三章 火場受熱面結構行為分析
第三節 分析結果與探討
根據 3.2 節的簡介與流程，所作的高溫模擬分析針對不同鋼材的托梁式 梁柱接頭結構（Type C&D）皆屬於定載加溫模式，其分析步驟為須先進行 實驗所得溫度值輸入試體表面的熱傳分析，再將熱傳分析結果導入結構分 析中，所以透過不同受熱面的熱傳分析更是在後續結構分析模式裡佔有舉 足輕重的角色。比照與實驗同樣的數值分析，依照試體表面溫度的熱傳導 效應，依序在常溫狀態下給予螺栓預力、施加柱軸力 500 ton 以及梁施加集 中載重 36.8 ton（約該斷面最大極限彎矩
M
P的 0.6 倍），之後進行升溫動作 直到梁柱接頭判定為破壞為止。本章所探討的不同受熱面托梁式接頭結構分析，將依據前述的實驗數 值分析模式，採梁端位移（DB4）與梁柱接頭的相對轉角的結果進行討論。
1、一般鋼托梁式梁柱接頭（Type C）高溫試驗
（1）由不同受火面之挫屈變形流程圖（圖 3-4～3-9）中，除了個別做四面、
三面與兩面的受熱方式，考量到有無側撐的影響。無論有無側撐裝置
（圖 3-4～3-5 與圖 3-7～3-8）時，四面受熱與三面受熱除了起初的微 振動位移，直到 20 min 以後才會有明顯的變位產生，顯示已從彈性區 段進入塑性區段，並於 25 min 左右開始結構發生劇烈的挫屈變形。反 觀兩面受熱方式，可以明顯看出側撐的影響，有側撐的兩面受熱分析
3-9），由於試體表面受熱不均勻，加上沒有側撐的作用限制，使得受 熱面勁度變小，非受熱面勁度變化較慢，試體受熱程度有差異，導致 構 件 受 力 再 分 配 ， 發 生 側 向 扭 轉 挫 屈 現 象 （ Lateral-Torsional Buckling）。
（2）由不同受火面之梁端位移-歷時關係曲線（圖 3-10 與 3-11）中，而且 所有的熱傳模擬分析皆採用四面受熱（實驗）數據的溫度，並於結構 模擬分析下考量有無側撐的影響。當分析提供側撐裝置（圖 3-10）時，
其破壞時間先後為四面受熱＜三面受熱＜兩面受熱，然而四面受熱與 三面受熱的曲線非常接近，因為只差在上翼鈑勁度折減速率，其所得 結果差異有限；若分析為無側撐裝置（圖 3-11）時，因為兩面受熱發 生側向扭轉挫屈現象（Lateral-Torsional Buckling），故破壞時間會提早 發生，而四面受熱與三面受熱方式僅差在上翼鈑勁度有無，因此結果 與有側撐裝置的結果雷同。
（3）從不同受火面的相對轉角-歷時關係圖（圖 3-12 與 3-13）看出，有側 撐部分的破壞時間先後為四面受熱＜三面受熱＜兩面受熱，與梁端位 移-歷時關係曲線趨勢相同；而無側撐的兩面受熱部分因為梁柱接頭發 生扭轉作用而提早發生破壞，四面受熱與三面受熱所呈現的結果誤差 不大。
（4）針對有無側撐作用（圖 3-14～3-19）來比較，無論是梁端位移-歷時曲 線或是相對轉角-歷時曲線，四面受熱方式顯示出差異不大，三面受熱
方式幾乎重合，皆只發生挫屈變形，而兩面受熱方式因為產生的變形 現象不同而有明顯的差異（圖 3-20 與 3-21），有側撐部分僅發生挫屈 變形，無側撐部分則發生側向扭轉挫屈現象，故無側撐的兩面受熱方 式會較有側撐的兩面受熱方式更容易提早破壞。
2、部分耐火鋼托梁式梁柱接頭（Type D）高溫試驗Ⅲ
（1）由不同受火面之挫屈變形流程圖（圖 3-22～3-27）中，除了個別做四 面、三面與兩面的受熱方式，更考量到有無側撐的影響。起初四面受 熱方式的微小位移量的發生時間，有側撐部分比無側撐部分延遲約半 分鐘（圖 3-22 與 3-25）時，兩者直到 24 min 以後才會有明顯的變位 產生，顯示已從彈性區段進入塑性區段，並於 27 min 左右開始結構發 生劇烈的挫屈變形。而三面受熱方式（圖 3-23 與 3-26）不管有無側 撐所呈現的破壞時間幾乎重合，唯只有破壞變形的位置略微不同，有 側撐部分的變形位置離接頭柱面約 20 公分（cm）左右，無側撐部分 則較靠近柱面，顯示側撐可以提升鋼材的受力狀況，進而改變變形位 置。反觀兩面受熱方式（圖 3-24 與 3-27），更可以明顯看出側撐的影 響，有側撐的兩面受熱分析（圖 3-22）由於受熱面與非受熱面的比例 相差不遠，起初約在 11 min 左右開始有微小位移產生，之後耐火鋼強 度發揮作用，加上試體導熱需要依段時間，使得位移量受到控制，直
導致受熱面極限強度變軟，非受熱面極限強度不變，則試體受熱程度 有差異，只靠耐火鋼本身較強的特性抑制而延遲破壞，然而最終仍與 一 般 鋼 托 梁 式 梁 柱 接 頭 相 同 ， 亦 發 生 側 向 扭 轉 挫 屈 現 象
（Lateral-Torsion Buckling）。
（2）由不同受火面之梁端位移-歷時關係曲線（圖 3-28 與 3-29）中，而且 所有的熱傳模擬分析皆採用四面受熱（實驗）數據的溫度，並於結構 模擬分析下考量有無側撐的影響。當分析提供側撐裝置（圖 3-28）時，
更可以凸顯耐火鋼材本身強度的提升，其破壞時間先後為四面受熱＜
三面受熱＜兩面受熱，且三者的防火時效都有顯著的區隔；若分析為 無側撐裝置（圖 3-29）時，因為兩面受熱發生側向扭轉挫屈現象
（Lateral-Torsion Buckling），故破壞時間會提早發生，而四面受熱與 三面受熱方式雖然僅差在上翼鈑勁度有無，但因為耐火鋼材本身強度 的提升，導致結果亦有不同。
（3）從不同受火面的相對轉角-歷時關係圖（圖 3-30 與 3-31）看出，有側 撐部分的破壞時間先後為四面受熱＜三面受熱＜兩面受熱，與梁端位 移-歷時關係曲線趨勢相同；而無側撐的兩面受熱部分因為梁柱接頭發 生扭轉作用而提早發生破壞，四面受熱與三面受熱所呈現的結果則因 為鋼材強度提升而有些微的差距。
（4）針對有無側撐作用（圖 3-32～3-37）來比較，無論是梁端位移-歷時曲 線或是相對轉角-歷時曲線，雖然耐火鋼的強度提升防火時效，但與一
般鋼托梁式接頭變形結果差異不大，其中四面受熱方式顯示出幾乎重 合，三面受熱方式差異不大，以上皆只發生挫屈變形，而兩面受熱方 式因為產生的變形現象不同而有明顯的差異（圖 3-38 與 3-39），有側 撐部分僅發生挫屈變形，無側撐部分則發生側向扭轉挫屈現象，故無 側撐的兩面受熱方式會較有側撐的兩面受熱方式更容易提早破壞，與 一般鋼托梁式接頭變形結果雷同。
梁端位移下降 10mm 變形(2.867min) 梁端位移下降 50mm 變形(22.80min)
梁端位移下降 100mm 變形(24.60min) 梁端位移下降 150mm 變形(25.15min)
梁端位移下降 200mm 變形(25.15min) 梁端位移下降 250mm 變形(25.15min)
梁端位移下降 300mm 變形(25.15min) 梁端位移最終變形(25.15min)
圖 3-4 Type C 各階段之四面受熱分析挫屈變形流程圖(有側撐)
梁端位移下降 10mm 變形(4.317min) 梁端位移下降 50mm 變形(23.18min)
梁端位移下降 100mm 變形(24.75min) 梁端位移下降 150mm 變形(25.3min)
梁端位移下降 200mm 變形(25.3min) 梁端位移下降 250mm 變形(25.3min)
梁端位移下降 300mm 變形(25.3min) 梁端位移最終變形(25.3min) 圖 3-5 Type C 各階段之三面受熱分析挫屈變形流程圖(有側撐)
梁端位移下降 10mm 變形(23.22min) 梁端位移下降 50mm 變形(25.45min)
梁端位移下降 100mm 變形(25.73min) 梁端位移下降 150mm 變形(25.73min)
梁端位移下降 200mm 變形(25.73min) 梁端位移下降 250mm 變形(25.73min)
梁端位移下降 300mm 變形(25.73min) 梁端位移最終變形(25.73min) 圖 3-6 Type C 各階段之二面受熱分析挫屈變形流程圖(有側撐)
梁端位移下降 10mm 變形(2.867min) 梁端位移下降 50mm 變形(22.87min)
梁端位移下降 100mm 變形(24.62min) 梁端位移下降 150mm 變形(25.28min)
梁端位移下降 200mm 變形(25.28min) 梁端位移下降 250mm 變形(25.28min)
梁端位移下降 300mm 變形(25.28min) 梁端位移最終變形(25.28min) 圖 3-7 Type C 各階段之四面受熱分析挫屈變形流程圖(無側撐)
梁端位移下降 10mm 變形(4.317min) 梁端位移下降 50mm 變形(23.18min)
梁端位移下降 100mm 變形(24.75min) 梁端位移下降 150mm 變形(25.3min)
梁端位移下降 200mm 變形(25.3min) 梁端位移下降 250mm 變形(25.3min)
梁端位移下降 300mm 變形(25.3min) 梁端位移最終變形(25.3min) 圖 3-8 Type C 各階段之三面受熱分析挫屈變形流程圖(無側撐)
梁端位移下降 10mm 變形(17.07min) 梁端位移下降 50mm 變形(24.38min)
梁端位移下降 100mm 變形(24.48min) 梁端位移下降 150mm 變形(24.48min)
梁端位移下降 200mm 變形(24.48min) 梁端位移下降 250mm 變形(24.48min)
梁端位移下降 300mm 變形(24.48min) 梁端位移最終變形(24.48min) 圖 3-9 Type C 各階段之二面受熱分析挫屈變形流程圖(無側撐)
Type C 不同受火面之梁端位移(DB4)-歷時關係圖(有側撐)
4-face(type C-n) 3-face(type C-n) 2-face(type C-n)
圖 3-11 Type C 不同受火面之梁端位移(DB4)-歷時關係圖(無側撐)
Type C 不同受火面之相對轉角-歷時關係圖(有側撐)
TypeC四面受火有無側撐之梁端位移(DB4)歷時關係圖
4-face(Type C-y) 4-face(Type C-n)
圖 3-14 Type C 四面受火有無側撐之梁端位移(DB4)歷時關係圖
TypeC三面受火有無側撐之梁端位移(DB4)歷時關係圖
0
3-face(Type C-y) 3-face(Type C-n)
圖 3-15 Type C 三面受火有無側撐之梁端位移(DB4)歷時關係圖
TypeC兩面受火有無側撐之梁端位移(DB4)歷時關係圖
0
2-face(Type C-y) 2-face(Type C-n)
圖 3-16 Type C 兩面受火有無側撐之梁端位移(DB4)歷時關係圖
TypeC四面受火有無側撐之相對轉角-歷時關係圖
4-face(Type C-y) 4-face(Type C-n)
圖 3-17 Type C 四面受火有無側撐之相對轉角-歷時關係圖
3-face(Type C-y) 3-face(Type C-n)
圖 3-18 Type C 三面受火有無側撐之相對轉角-歷時關係圖
2-face(Type C-y) 2-face(Type C-n)
圖 3-19 Type C 兩面受火有無側撐之相對轉角-歷時關係圖
有側撐之變形 無側撐之變形
圖 3-20 Type C 二面受熱之有無側撐分析變形對照側視圖
有側撐之變形 無側撐之變形
圖 3-21 Type C 二面受熱之有無側撐分析變形對照正視圖
梁端位移下降 10mm 變形(1.267min) 梁端位移下降 50mm 變形(24.88min)
梁端位移下降 100mm 變形(26.38min) 梁端位移下降 150mm 變形(26.4min)
梁端位移下降 200mm 變形(26.4min) 梁端位移下降 250mm 變形(26.4min)
梁端位移下降 300mm 變形(26.4min) 梁端位移最終變形(26.4min) 圖 3-22 Type D 各階段之四面受熱分析挫屈變形流程圖(有側撐)
梁端位移下降 10mm 變形(9.917min) 梁端位移下降 50mm 變形(28.78min)
梁端位移下降 100mm 變形(30.18min) 梁端位移下降 150mm 變形(30.22min)
梁端位移下降 200mm 變形(30.22min) 梁端位移下降 250mm 變形(30.22min)
梁端位移下降 300mm 變形(30.22min) 梁端位移最終變形(30.22min) 圖 3-23 Type D 各階段之三面受熱分析挫屈變形流程圖(有側撐)
梁端位移下降 10mm 變形(11.14min) 梁端位移下降 50mm 變形(30.74min)
梁端位移下降 100mm 變形(30.74min) 梁端位移下降 150mm 變形(30.74min)
梁端位移下降 200mm 變形(30.74min) 梁端位移下降 250mm 變形(30.74min)
梁端位移下降 300mm 變形(30.74min) 梁端位移最終變形(30.74min) 圖 3-24 Type D 各階段之二面受熱分析挫屈變形流程圖(有側撐)
梁端位移下降 10mm 變形(0.833min) 梁端位移下降 50mm 變形(24.93min)
梁端位移下降 100mm 變形(24.93min) 梁端位移下降 150mm 變形(26.4min)
梁端位移下降 200mm 變形(26.4min) 梁端位移下降 250mm 變形(26.4min)
梁端位移下降 300mm 變形(26.4min) 梁端位移最終變形(26.4min) 圖 3-25 Type D 各階段之四面受熱分析挫屈變形流程圖(無側撐)
梁端位移下降 10mm 變形(9.717min) 梁端位移下降 50mm 變形(24.52min)
梁端位移下降 100mm 變形(30.23min) 梁端位移下降 150mm 變形(30.23min)
梁端位移下降 200mm 變形(30.23min) 梁端位移下降 250mm 變形(30.23min)
梁端位移下降 300mm 變形(30.23min) 梁端位移最終變形(30.23min) 圖 3-26 Type D 各階段之三面受熱分析挫屈變形流程圖(無側撐)
梁端位移下降 10mm 變形(9.717min) 梁端位移下降 50mm 變形(27.87min)
梁端位移下降 100mm 變形(27.88min) 梁端位移下降 150mm 變形(27.88min)
梁端位移下降 200mm 變形(27.88min) 梁端位移下降 250mm 變形(27.88min)
梁端位移下降 300mm 變形(27.88min) 梁端位移最終變形(27.88min) 圖 3-27 Type D 各階段之二面受熱分析挫屈變形流程圖(無側撐)
Type D 不同受火面之梁端位移(DB4)-歷時關係圖(有側撐)
Type D 不同受火面之相對轉角-歷時關係圖(有側撐)
四面受火情形(耐火鋼材)有無側撐之梁端位移(DB4)歷時關係圖
4-face(Type D-y) 4-face(Type D-n)
圖 3-32 Type D 四面受火有無側撐之梁端位移(DB4)歷時關係圖
3-face(Type D-y) 3-face(Type D-n)
圖 3-33 Type D 三面受火有無側撐之梁端位移(DB4)歷時關係圖
2-face(Type D-y) 2-face(Type D-n)
圖 3-34 Type D 兩面受火有無側撐之梁端位移(DB4)歷時關係圖
四面受火情形(耐火鋼材)有無側撐之相對轉角-歷時關係圖
4-face(Type D-y) 4-face(Type D-n)
圖 3-35 Type D 四面受火有無側撐之相對轉角-歷時關係圖
圖 3-35 Type D 四面受火有無側撐之相對轉角-歷時關係圖