熱傳數值分析預測

分析鋼柱試體在耐火爐內的溫度場時，因受火條件單純，爐溫可取平均值，

實驗佈置在構件表面的熱電偶直接測得表面的溫度也取平均值，進行溫度場分 析。

實驗所用之內灌混凝土箱型鋼柱斷面尺寸如表 3 - 1 所示，各試體斷面寬度 有 400mm 及 500mm 兩種，厚度有 30mm 及 25mm 兩種，設定實驗溫度有 600

℃及 700℃兩種，可探討不同寬厚比於高溫軸壓力下之局部穩定性，另外，不 同細長比可探討鋼柱結構整體之穩定性。

實驗試體長度為 3830 mm，受熱段為 3520 mm，如熱電偶測點位置分布如 圖 3 - 2 所示。

表 3 - 1 試體斷面尺寸

編號 試體尺寸 (mm) 細長比 寬厚比 溫度(℃) HCB4T6 400 × 400 × 30 × 3830 32.4 11.3 600 HCB5T7 500 × 500 × 25 × 3830 25.8 18.0 700 (資料來源：2020 委託研究「高強度內灌混凝土箱型鋼柱於高溫下抗壓強度之

研究」)

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圖 3 - 2 熱偶計測點分布圖

(資料來源：2020 委託研究「高強度內灌混凝土箱型鋼柱於高溫下抗壓強度之 研究」)

先分析第一支試體表面溫度到達 600℃所需時間，數值分析用 ABAQUS 程 式，只做熱傳處理，不做應力分析，鋼及混凝土材料熱性質方面採用第二章規 定，分析元素用 3 維元素 DC3D8，於柱試體上下端裝設隔熱之防火棉部分元素 分割較大，中央受熱段採取較細之分割，元素分割如圖 3 - 3，分析結果溫度分 布如圖 3 - 4 所示。

圖 3 - 3 數值分析元素分割圖 (資料來源：本研究整理)

圖 3 - 4 數值分析溫度分布圖 (資料來源：本研究整理)

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數值分析結果如圖 3 - 5 至圖 3 - 6 所示，以 2019 年第 1 次升溫曲線模擬，

到達 600℃約需 3 小時，4 小時候鋼表面溫度約 607.8℃，以 2019 年第 2 次升溫 曲線模擬，鋼表面溫度不會到達 600℃，4 小時後只達 591.8℃。

修正升溫曲線，將第 1 次的溫度由 630℃提高到 650℃，結果如圖 3 - 7 所 示，時間需 8290 秒，約 2 小時 18 分鐘，如果提高到 670℃，結果如圖 3 - 8 所 示，時間需 7070 秒，約 1 小時 58 分鐘左右。

如若升溫曲線改成標準升溫曲線至 630℃，結果如圖 3 - 9 所示，時間需 10330 秒，約 2 小時 52 分鐘，如果提高到 650℃，結果如圖 3 - 10 所示，時間 需 7860 秒，約 2 小時 11 分鐘；如果提高到 670℃，結果如圖 3 - 11 所示，時 間需 6730 秒，約 1 小時 52 分鐘。

如前分析結果顯示，以標準升溫曲線將溫度升至 670℃雖然時間最短，但 因為爐內火源配置得增加，會造成溫度到達 670℃時得關閉一些火源才能保持 爐溫，不建議採用。因此升溫曲線將採以自訂方式，並將爐溫提高至 670℃後 保持定溫，預估升溫時間約 2 小時左右。

圖 3 - 5 試體 HCB4T6 數值結果與 2019 年第 1 次自訂升溫曲線、爐溫比較 (資料來源：本研究整理)

圖 3 - 6 試體 HCB4T6 數值結果與 2019 年第 2 次自訂升溫曲線、爐溫比較 (資料來源：本研究整理)

圖 3 - 7 自訂升溫曲線至 650℃與試體 HCB4T6 數值分析結果 (資料來源：本研究整理)

到達 600℃，時間 8290 秒

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圖 3 - 8 自訂升溫曲線至 670℃與試體 HCB4T6 數值分析結果 (資料來源：本研究整理)

圖 3 - 9 標準升溫曲線至 630℃與試體 HCB4T6 數值分析結果 (資料來源：本研究整理)

到達 600℃，時間 7070 秒

到達 600℃，時間 10330 秒

圖 3 - 10 標準升溫曲線至 650℃與試體 HCB4T6 數值分析結果 (資料來源：本研究整理)

圖 3 - 11 標準升溫曲線至 670℃與試體 HCB4T6 數值分析結果 (資料來源：本研究整理)

到達 600℃，時間 7860 秒

到達 600℃，時間 6730 秒

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繼續分析第二支試體表面溫度到達 700℃所需時間，以自訂升溫曲線將爐 溫提高到 730℃，4 小時後鋼表面溫度不會到達 700℃，只有 688.4℃，結果如 圖 3 - 12 所示。溫度由 730℃提高到 750℃，結果如圖 3 - 13 所示，時間需 12510 秒，約 3 小時 28 分鐘。如果提高到 770℃，結果如圖 3 - 14 所示，時間需 9340 秒，約 2 小時 35 分鐘左右。

如前分析結果顯示，700℃自訂升溫曲線是以將爐溫提高至 770℃後保持定 溫方式為之，預估升溫時間約 2 小時 35 分鐘左右。

圖 3 - 12 自訂升溫曲線至 730℃與試體 HCB5T7 數值分析結果 (資料來源：本研究整理)

688.4℃

圖 3 - 13 自訂升溫曲線至 750℃與試體 HCB5T7 數值分析結果 (資料來源：本研究整理)

圖 3 - 14 自訂升溫曲線至 770℃與試體 HCB5T7 數值分析結果 (資料來源：本研究整理)

到達 700℃，時間 12510 秒

到達 700℃，時間 9340 秒

23 度到達 202.688℃，而中心點溫度到達 153.962℃。