文獻回顧

鋼結構雖然有自重輕、韌性佳與高耐震能力等諸多優異的性能，但是卻

過去國內外對鋼結構在高溫環境中的研究，受限於實驗設備，泰半探討梁或 柱等單一構件。Rubert 與 Schaumann [19]曾對簡支梁之不同細長比的梁斷面 以及不同載重率，並採用不同升溫速率進行實驗，以了解梁在高溫下結構的 撓度變化。Iu 與 Chan [13]及連寬宏 [33]則針對 Rubert 與 Schaumann [19]之 實驗的簡支梁結構，以不同載重率參照 ECCS [ 9]、Eurocode-1 [10]與 Eurocode-3 [11]等規範建議之材料參數，進行分析與實驗的比較。Yin 與 Wang [24,25]針對構架上對梁的束制狀況，在梁端點採用不同的彈性軸向束制與彈 性彎矩束制，搭配不同梁跨度型式，使用均佈和非均佈的溫度與不同載重 率，進行梁的懸垂效應與撓度之分析。唯單一構件無法代表結構體連續性與 端部束制的複雜行為，近年來陸續有學者注意複合構件之高溫行為研究。Liu [15]等人使用等參數有限元素（Shell Element）來模擬大規模實驗，其中包含 材料可塑性的考量、溫度的影響，及斷面受熱的非線性膨脹與高溫下的大變 形等細節考量，並以時間域觀點計算結構的應力大小，以及試體受其影響的 各部分溫度變化率；另外也針對門型構架，進行升溫與冷卻的實驗以瞭解梁 的懸垂效應與軸向束制對撓度的影響。Elghazouli [18]等人闡述接頭結構以不 同的載重型式與變形程度，更考慮勁度和強度性質的影響，由結構學理論的 基礎方程式運算出其平衡條件，進而得到理想狀況下的溫度-強度相互影響曲 線，雖仍需要以實驗結果來驗證，但目前已可快速地模擬不同強度下相互影 響曲線的狀況，包括不同材料性質組成接頭的相互影響限制。

Al-Jabri [ 2, 3, 4, 5, 6]等人日前曾參與 Cardington 全規模結構火害實驗，

體悟到火害下接頭結構驗證的重要性，加上現行的設計規範仍屬不充分 的佐證，必須透過實驗修正不同型式的彎矩-轉角-溫度曲線；因此著手 研究高溫下鋼結構梁柱接頭強度衰退的預測；並進行內柱十字形梁柱結 構的實驗，探討半剛性接頭之彎矩-轉角-溫度關係，並建立轉角與彎矩 的數學關係式；近期使用 ABAQUS 程式結合使用有限元素法所獲得的 應力-應變關係，加上使用 Von Mises 降伏判斷準則來模擬升溫下螺栓接 合的材料性質，包括螺栓的降伏及極限應力；由於火害實驗是昂貴且複 雜的，所以開始著手建立日前已完成實驗（接頭尺寸、載重類型與溫度 分佈）的高溫分析模式，並與實驗數據作對照，期許能夠更瞭解火害下 對真實接頭結構的熱效應特性，才能減低火災意外的迫害程度。

Bailey [ 7, 8]等人於 1996～2007 年期間從火害實驗研究火害中（升溫作 用）與火害後（冷卻效應）的考量下進行分析，建立試體之受力與梁 端垂直變位關係的 2D 模式模擬，對協助評估火害後鋼結構的補救及能 夠同時預測火害後結構的殘餘應力與位移考量，更是佔有一席之地；

並進階嘗試實際 3D 模式模擬，使用先前發生過的真實火災案例，結合 簡易設計法則來簡化評估，除了低載重率的案例外，大都獲得很高的 評價。Silva [21]等人以過去的實驗數據預測火害下可能發生的彎矩-轉 角相互反應，包含隨著溫度增加導致不同組成接頭的降伏應力與楊氏

Jowsey [14]等人考量鋼結構於高溫下的應用，透過火災動態模擬裝置

（FDS）的流體動力計算程式與 ABAQUS 有限元素模型來探討很多實 際無法控制的火災事件。Vimonsatit [22]等人透過很多大規模鋼鈑梁實 驗發現都有明顯的剪力破壞現象，遂分析考量剪力因素，包含研究鋼 材的剪力挫屈行為、促使結構產生斜張力效應及接合鈑的塑絞作用，

建立適當的模擬並與實驗結果比較。Sarraj [20]等人使用 ABAQUS∕

Standard 模式建立簡支梁接頭結構受剪挫屈的 3D 模組行為，其中分析 模式已涉獵的考量包括對接頭結構材料組成律的非線性特質、以及規 範下的幾何結構非線性與接觸行為的相互影響，並引導結構所有接觸 表面間的互制行為、讓梁腹鈑與鋼鈑間的剪力和螺栓頭與螺栓孔間的 挫屈與實驗結果一致，並試著以剛接點間的強度與勁度效應，描述出 試體的挫屈作用與螺栓的單剪行為。

不過，鋼材之高溫材料性質頗具地域性，國外之研究結果無法直接移 植國內應用，國內對鋼結構耐火性能研究亦有迫切需求。本所針對 H 型梁-H 型柱的梁柱接頭，分別以定溫加載與定載加溫，進行裸鋼與防 火被覆的高溫載重實驗 [29]。林岳山華 [30]、許晉瑋 [36]與蕭博勳 [39]

亦針對梁柱接頭結構之高溫反應進行數值模擬分析。至於螺栓結合的 分析考量，則参照方朝俊 [26]、洪健晉 [32]研究分析鋼材的螺栓行為 影響，已有相當的涉獵程度與發展。

對於大尺寸構件實驗的升溫模式，雖然於技術上已經能達到爐溫上升

依照預定升溫方式進行，然而經內政部建築研究所在 2005～2006 年針 對 H 型梁-H 型柱的接頭結構實驗 [29]顯示，爐溫與構件表面溫度差 異甚大。Gardner 與 Ng [12]探討不鏽鋼結構暴露於高溫環境中溫度變 化，其結果顯示熱效應會影響溫度分布。Al-Jabri [ 2, 3, 4, 5, 6]等人發 現梁柱結構在高溫環境中，各部位溫度有不同的上升趨勢，因此分析 給予結構各部位的表面溫度並不相同，必須有不同程度的折減比例。

再加上方朝俊 [26]、洪健晉 [32]的栓接與螺栓行為相關研究，針對螺 栓與接頭接合的接觸行為，使得分析能夠更確實模擬接頭的實際情 形。這些結果顯示熱傳分析的重要性，尤其必須考量熱傳導對各部分 構件的接觸，其中梁柱結構與螺栓接合的介面，將在本文的實驗與分 析中扮演很重要的角色