有限元素分析模型

壹、基本假設

1. 假設加溫爐內溫度均勻分佈。

2. 假設混凝土無含水率之影響

3. 忽略混凝土內部含水份汽化對溫度之影響。

4. 假設混凝土不因高溫產生開裂或爆裂現象。

5. 忽略箱型鋼柱於製作或銲接過程中產生殘留應力之影響。

6. 假設試體箱型鋼與混凝土間之接觸為無握裹。

7. 假設鋼筋籠與混凝土間之接觸採嵌入區域約束型式。

貳、分析模型之邊界

為使分析模擬趨近於實際試驗情況，分析模型之邊界設定可分為柱兩端支承 邊界、載重施加邊界與溫度等。

1. 支承邊界設定

以實際試體於加溫爐中之支承情況，模擬試體頂端設置為固定支承，底端為 可上、下移動支承，但不能旋轉之。

2. 載重邊界設定

試體之載重乃由加溫爐底端加載設備由下往上，以均佈載重形式將載重施加 至試體，因此分析模型之載重將依據各實驗試體加載大小，以均佈載重形式輸入 於模型底端端板，其力量方向朝上。

3. 接觸與模型邊界設定

試體由箱型鋼、混凝土及鋼筋籠部分組合而成，箱型鋼柱與混凝土間之接觸 設定為無握裹硬接觸，而鋼筋與混凝土間採嵌入約束型式。

4. 溫度邊界設定

以實驗前試體溫度設為分析模型之初始溫度，再根據加溫爐量測之平均爐溫，

輸入至模型受熱段表面；為模擬加溫爐出火口將溫度傳遞至試體之行為，模型受 熱段表面考慮熱對流與熱輻射之影響。

參、材料性質

分析模型依實驗試體建立，其各部件之材料性質為參考相關文獻及規範建議 之力學性質及熱性質。力學性質為降伏強度、彈性模數、極限拉力強度與抗壓強 度等，而熱性質為比熱、熱傳導與熱膨脹等。

1. 鋼骨材料性質

箱型鋼骨採A572 Gr. 50，力學性質依常溫下鋼骨拉力試驗結果，再以莊有 清(2004)研究不同溫度下鋼材拉伸試驗成果修正設定；與 Eurocode 4 規範之鋼材

2. 鋼筋材料性質

實驗試體B4R 系列、B5R-.3 及 B6R 系列為箱型鋼柱內填充鋼筋混凝土，箍 筋皆使用3 號竹節鋼筋，而主筋分別依序採用 8 號、8 號及 9 號竹節鋼筋。鋼筋 之力學性質為依實際拉力試驗結果，再根據Eurocode 4 規範規定修正；熱性質採 用Eurocode 4 規範建議。Eurocode 4 規範規定，鋼筋之高溫力學折減係數與熱性 質，可採用鋼骨材料之建議數據，如表5-1 與圖 5-1 所示。

3. 混凝土材料性質

內填充混凝土會因配比、含水率及模型簡化分析等因素影響，使分析模型採 用之混凝土性質難以確定；參考陳誠直等人(2010, 2011, 2012)分析成果，本研究 混凝土力學性質乃以試體試驗時混凝土抗壓強度，再利用Eurocode 4 規範規定修

(a) 鋼材熱膨脹性質 (b) 鋼材熱傳導性質

(c) 鋼材比熱性質

圖 5-1 Eurocode 4-高溫下鋼材熱性質

0 200 400 600 800 1000 1200

Temperature (^oC) 0.0E+000

Thermal expansion (mm-1 o C-1 )

300 600 900 1200 1500 1800 2100 Temperature (^oF)

32

0 200 400 600 800 1000 1200

Temperature (^oC) 0

Thermal conductivity (Wm-1oC-1)

300 600 900 1200 1500 1800 2100 Temperature (^oF)

32

0 200 400 600 800 1000 1200

Temperature (^oC) 0

Specific heat (Jkg-1oC-1)

300 600 900 1200 1500 1800 2100 Temperature (^oF)

32

(a) 混凝土熱膨脹性質 (b) 混凝土熱傳導性質

Teperature (^oC) 0.0E+000

Thermal expansion (mm-1 o C-1 )

300 600 900 1200 1500 1800 Temperature (^oF)

32

0 200 400 600 800 1000

Temperature (^oC) 0

Thermal conductivity (Wm-1oC-1)

300 600 900 1200 1500 1800 Temperature (^oF)

32

0 200 400 600 800 1000

Temperature (^oC) 0

Specific heat (Jkg-1o C-1 )

300 600 900 1200 1500 1800 Temperature (^oF)

32

元素，鋼筋籠(主筋和箍筋)部件使用 DC1D2 元素；DC3D8 為三維元素(C3)，每 個元素有八個節點(D8)，而第一個字母“D＂代表溫度分析；DC1D2 為溫度分析 之一維元素，每個元素有兩個節點。非線性應力及接續性耦合分析，箱型鋼柱和 混凝土部件使用C3D8R 元素，主筋和箍筋部件使用 T3D2 元素；C3D8R 元素為 三維具八個個節點之元素，而T3D2 元素則為三維兩個節點之元素。 

圖 5-4 填充型箱型鋼柱模型

(資料來源：本研究整理)   

(a) 箱型鋼柱模型 (b) 鋼筋籠模型 (c) 混凝土柱模型

圖 5-5 分析模型之溫度測點設置示意圖

圖 5-5 分析模型之溫度測點示意圖(續)