文獻回顧

第一節常溫下剪力接合研究

在室溫下，鋼板中螺栓孔承受螺栓給予的壓力其破壞的模式大致可分為兩種：一 種是與螺栓交界面材料降伏而造成螺栓孔過度變形擴大的承壓破壞模式 (bearing failure mode)，一種是由於螺栓孔的邊距或間距不夠而造成螺栓孔被螺栓撕裂的撕裂 破壞模式 (tear-out failure mode)；相關的研究大致在 70 年代時由美國的Research Council on Riveted and Bolted Structural Joints (RCRBSJ)贊助進行的大量實驗和 後續研究所制定的準則 (Fisher and Struik, 1974) 而奠下了基礎，其後的一些研究 如Chong和Matlock (1976)，Gilchrist和Chong (1979) 的研究主要是著重在對輕型 (light gauge) 鋼板螺栓孔支承實驗結果的探討，Frank和Yura (1981) 所做的實驗指 出，當螺栓孔的變形等於 6 mm (1/4 英吋) 時，螺栓孔所能承受的最大支承力約略等於 和Yura (1999)、Lewis和Zwerneman (1996) 除了證實了以上極限狀態的標稱強度，而 且證實了極限降伏強度比(

F

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在鋼結構受火害的設計與分析，常使用“折減法＂來計算(Harmathy, 1993;

Lawson and Newman, 1996; Buchanan, 2001)，意即使用鋼材在溫度上升後折減的極限 強度或降伏強度來預估結構在高溫下的強度，在此我們須注意的是，整個 AISC-LRFD 對 螺栓孔的承壓強度是建立在室溫下螺栓孔變形(6 mm)的極限狀態下，當溫度升高，鋼構 件在受力又受熱的狀態下會有膨脹、潛變…種種和常溫狀態不同的力學行為產生，此時 螺栓孔的承壓強度計算如再使用“折減法＂並以 6 mm 的螺栓孔變形為其極限狀態，由 於鋼材的材料性質(極限強度、降伏強度、彈性模數、熱膨脹率…等性質)在高溫下已改

變，原規範在此極限狀態下所訂定的承壓強度(即公式(2.1)至(2.3))是否合理適用將是

（1）鋼板承壓破壞模式（bearing failure mode）

（2）鋼板撕裂破壞模式（tear-out failure mode）

國內規範對螺栓孔邊距最大、最小部份，均有其規定。目的為避免邊距過小時，

其在打孔時會在鋼板之反側出現膨脹及 裂現象發生，此時，鋼板容易造成撕裂破壞模 式發生。另外，在最大邊距部分也做了一些規定，其目的在於避免螺栓孔邊距過大，在 邊緣處將會發生捲曲現象發生。

Fisher 和 Struik（1974）在美國 Research Council on Riveted and Bolted Structural Joints（RCRBSJ）進行研究螺栓孔破壞行為模式，並且為後來之規範制定 了準則。其後，陸續有很多人對於這方面之研究做相當多投入。例如：Chong 和 Matlock

（1976）、Haussler 和 Pabera（1976）及 Gilchrist 和 Ching（1979）都對鋼板在螺栓 接合條件下，研究其接合行為，這類實驗是在沒有使用墊圈（washer）之條件下。

Kim 和 Yura（1997）共同實驗研究對兩種不同之鋼板：一種為高極限-降服應力比 (high ultimate-to-yield stress ratio)之鋼板，另一種為低極限-降服應力比(low ultimate-to-yield stress ratio)之鋼板。針對這兩種不同鋼板，研究其對應於不同 邊距之單螺栓孔和對應於不同邊距與淨間距之雙螺栓孔，對鋼板強度之影響。Kim 和 Yura 在其實驗結果中發現，在位移 6.35 mm（1/4 inch）時，其極限-降服應力比大於 1.13 者，並不會影響其強度。也再次證實了承壓強度與材料之極限強度成比例關係。同時這 份實驗結果與美國 AISC-LRFD（American Institute of Steel Construction Load and Resistance Factor Design）規範與歐洲規範（Eurocode 3）做比較，驗證了規範內的 鋼板螺栓接合極限狀態的標稱強度（nominal strength）。

利用鋼材在高溫下折減後的強度來做設計。這種做法往往無法考慮鋼材在高溫下材料的 性質(潛變、膨脹、降伏強度、極限強度、彈性係數…等)。因此，對於高溫下利用折減 係數預估的鋼板承壓強度是否合理性，令人懷疑。

第三節有限元素數值分析

Pratt 和 Pardoen（2002）利用 NIKE3D 非線性有限元素方法，模擬圓錐形螺栓接 頭搭接縫載重拉伸行為，並將其載重拉伸行為與實驗結果作比較。同時，這個結果顯示 出非線性有限元素分析可以準確的預測螺栓接頭行為。而後， Pratt 和 Pardoen（2002）

利用 NIKE3D 有限元素法模擬預測單孔與雙孔螺栓搭接接頭，受載重拉伸作用之力學行 為。並將其所得結果與實驗結果進行比較。結果顯現出其數值模擬可以準確的預測其結 果。Rex 和 Easterling（2003）共同研究發展出一套特殊模擬方法，模擬一鋼板在常溫 下受一高強度螺栓承載力之破壞。並且可以有效的預測其初始勁度、強度、載重、變形 之行為，利用如此數值模擬結果將可以節省時間與金錢上之花費。但以上分析結果，只 是在常溫下對螺栓接頭所做的數值模擬。

早期，Najjar 和 Burgess（1996）利用有限元素法之觀念，針對大型鋼結構構件 或整體，自己發展出一套 3DFIRE 非線性結構分析程式，來模擬其構件或結構整體受火 害時的力學行為及反應。隨後 Huang、Burgess、Plank（2001）利用 VULCAN 非線性結構 分析程式，進行有關鋼結構受火害的行為模式。Gillie、Usmani、Rotter（2002）則利 用 ABABQUS 來進行有關鋼角處受火害之結構行為模式。

另外，針對不同的鋼結構構件也有很多人進行研究模擬。例如： Liu（1999）對 於無防火披覆的鋼梁，提出自己的分析模式進行數值模擬。 Sanad、Rotter、Usmani 和 O＇Connor（2000）同樣提出自行分析模式，對於大型建築物之複合型鋼樑進行火害 分析及結構行為探討。Cai、Burgess 和 Plank（2002）利用 VULCAN，對於火害中非對稱 斷面桿件進行模擬。Villa Real、Lopes、Silva、Piloto 和 Franssen(2004)利用 SAFIR 數值模擬，分析梁柱構件在火害中之行為。但對於這些研究，大多利用折減方式模擬鋼 慢慢由 Hill（1958）、Naghdi （1960） 和 Green （1965）…等人針對等溫的工作硬化 彈塑性材料之變形開始研究。Wang 和 Prager（1954）建立一套包含溫度跟潛變效應極 限理論。Pian（1957）將潛變包含至總應變量公式，其總應變量公式表示為如下：

為總格林應變張量(total Green strain tensor)

e

ε

為即時彈性應變(instantaneous elastic strain)

P

ε

為即時塑性應變(instantaneous plastic strain)

T

ε

為 與 時 間 相 依 性 溫 度 應 變 (time-dependent thermal strain)

c

ε

為與時間相依性潛變應變(time-dependent creep strain)

　 ∆ ε = ε − ε

= ε

( σ , T ) + ε

( T ) + ε

( σ , T , t ) 　 　 　 　(2.2) 其中， ε 為總應變

ε

為初始應變

ε

(σ,T) 為應力所造成應變 ε

(σ,T) 為溫度所造成應變 ε

(σ,T,t)為潛變所造成應變

在模擬時，應把隨應力、溫度、時間而改變之潛變參數考慮進來，使得分析結果 更為準確。