第二章 規範與文獻回顧
第三節 文獻回顧
壹、 高強度鋼材高溫實驗
高溫下之鋼材機械性質為鋼構造防火設計中的重要因素，然而目前國內外之 防火設計手冊或規範皆根據一般強度之鋼材而訂定。近年來高強度鋼材的廣泛使 用，使得高強度鋼材於高溫下之機械性質日漸受到重視，以下整理關於高溫下及 受火後之高強度鋼材機械性質相關研究。
Chen 等人(2006)使用高強度鋼材 BISPLATE 80 (降伏強度為 690 MPa，極限 強度為 790 MPa；鋼材機械性質等同於 ASTM A514、EN 10137-2 Grade S690Q
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或 JIS G 3128)及一般鋼材 XLERPLATE Grade 350 (降伏強度為 360 MPa，極限強 度為 450 MPa；鋼材機械性質等同於 ASTM 573-450)進行火害實驗，於特定溫度 下進行穩態及瞬態測試，探討兩者在相同應變下之彈性模數和降伏強度，並了解 其極限強度和熱伸長率。Chen 等人亦將實驗結果與 ASCE Manual (1992)、British Standard 5950-8 (1998)及 European Code 3 Part 1.2 (2001)進行比較，探討規範是否 保守。研究結果顯示，當溫度高於 540°C 時，高強度鋼材降伏強度與彈性模數的
Qiang 等人(2012)使用 S460 與 S690 兩種鋼材，將其加熱至特定溫度(100˚C 至1000˚C)，待冷卻至常溫後進行拉伸實驗，並測定殘餘彈性模數、降伏強度、
極限強度、延展性與冷卻後的應力應變關係，探討高強度鋼材受火後之材料機械 性質。實驗結果顯示 S460 與 S690 鋼材暴露於溫度 600˚C 以下之火害後，其機 械性質不受影響，可以保守方式考慮其再使用性。此外也發現 S460 與 S690 鋼
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材暴露於 1000˚C 之火害後仍具足夠之延展性。
Kwon (2013)以 SM520B 及 SM570 高強度鋼材做常溫與高溫下之拉伸實驗，
並與 SS400 普通強度鋼材比較。SM570 鋼材之實驗結果如表 2-6 所示。以 Eurocode 3 (2005b)之彈性模數折減係數與 Kwon (2013)之折減係數比較，Eurocode 3 (2005b) 在 700˚C 以下較為保守，而溫度在 700˚C 以上時則較不保守。以 Eurocode 3 (2005b)之降伏強度折減係數與 Kwon (2013)之折減係數比較，溫度在 600˚C 時較 為保守，其餘則較不保守，折減係數比較如表 2-7 所示。與 SS400 普通強度鋼材 比較後發現，SM570 鋼材高溫下之降伏強度在 300˚C 至 700˚C 時，其衰減幅度 較高。此外 Kwon 進行實驗時也發現 SM570 鋼材之熱伸長率與 SM520 鋼材相比，
SM570 鋼材之熱伸長率較高，而 SM570 鋼材作為結構用鋼，其熱伸長率亦為進 行防火設計時之考量因素。
表 2-6 SM570 鋼材高溫下之機械性質
(資料來源：Kwon 2013)
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表 2-7 Eurocode 3 與 Kwon 計算之折減係數比較
Eurocode 3 (2005b)之折減係數 Kwon (2013) SM570 折減係數 溫度 T Fy(T) / Fy E(T) / E Fy(T) / Fy E(T) / E
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溫度影響鋼柱於高溫下之強度外，另有其他參數可影響其強度與破壞模式。對於 鋼構造柱於高溫下之相關研究包含實驗與分析，相關研究成果如下所示。
Yang and Hsu (2009)使用 SN490 鋼材之 H 型鋼柱，以不同的溫度、肢材寬厚 比、細長比與殘餘應力進行定溫(室溫、500˚C、550˚C、600˚C)加載的火害實驗，
探討 H 型鋼柱於火害下之行為與受壓強度，其實驗設置圖如圖 2-2 所示。實驗結 果顯示當試體溫度低於550˚C，鋼柱細長比對其受壓強度有顯著影響，細長比愈 高其受壓強度愈低。結果亦發現短柱斷面為結實斷面，其於高溫下可避免局部挫 屈的發生並保有良好之延展性，因此當進行防火設計時，鋼柱斷面建議使用結實 斷面。
圖 2-2 Yang and Hsu (2009)實驗設置圖
(資料來源：Yang and Hsu 2009)
Yang and Yang (2015)使用 SN490 鋼材之箱型鋼柱，以全滲透開槽銲或部分 滲透開槽銲等銲接型式、半結實斷面或結實斷面等肢材寬厚比與載重比為參數進 行定溫(室溫、500˚C)加載的火害實驗，探討箱型鋼柱於火害下的行為、破壞模 式與受壓強度，其實驗設置圖如圖 2-3 所示。實驗結果顯示不論是全滲透開槽銲 或部分滲透開槽銲，其破壞模式皆為局部挫屈，然而鋼柱以部分滲透開槽銲之方 法銲接，則鋼柱於火害下其銲接處易形成裂縫使耐火性降低。結果亦發現載重比
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與肢材寬厚比愈高鋼柱耐火性愈低。
圖 2-3 Yang and Yang (2015)實驗設置圖
(資料來源：Yang and Hsu 2009)
Takagi and Deierlein (2007)以有限元素分析軟體建立了一系列受壓構材於高 溫下的分析模型。在模擬不同溫度下，分析細長比與強度之對應關係，並與 AISC (2005)、Eurocode 3 (2005b)於高溫下受壓構材之規範比較。分析結果顯示相較於 AISC (2005)，Eurocode 3 (2005b) 有較高的精準度可預測高溫下構材受壓強度。
AISC (2005)之規範則高估了受壓構材於高溫下的強度，並根據分析結果提出修 正公式。隨後，AISC (2010)將此修正公式納入規範內。圖 2-4 為使用 W14 × 90 Gr.50 鋼柱模擬於不同溫度下之受壓強度。圖 2-4 (a)為常溫下受壓強度，圖 2-4 (b) 為 200˚C 下受壓強度，圖 2-4 (c)為 500˚C 下受壓強度，圖 2-4 (d)為 800˚C 下受壓 強度。
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圖 2-4 Takagi and Deierlein (2007)模擬不同溫度下鋼柱受壓強度
(資料來源：Takagi and Deierlein 2007)
Wang 等人 (2013)提出一套分析模式，以高溫下之臨界應力
crT評估高強度 鋼柱之耐火性，並與 CECS200-2006 (2006)及 EC3 (2005)一起做比較。如圖 2-5 所示，其中穩定因數
T
crT/ f
yT，f
yT
高溫下鋼材標稱降伏強度。此研究以 殘餘應力、初始瑕疵、細長比、斷面尺寸及材料性質等作為比較參數。後以有限 元素法分析應證結果，作為高強度鋼材受火害時其各性質是否會影響強度的依 據。結果顯示殘餘應力與斷面尺寸對強度影響不明顯，而初始瑕疵只對短柱有影 響。第二章 規範與文獻回顧
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圖 2-5 Wang 等人 (2013)高強度與普通強度鋼柱之穩定因數比較
(資料來源：Wang 等人 2013)
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