緒論

第一節 前言

台灣地狹人稠，人口大量集中於大型都會區中，加上台灣又處於環太 平洋地震帶的高活動區域，鋼骨結構逐漸有取代傳統鋼筋混凝土結構的趨 勢。鋼結構具有自重輕、強度大、耐震性佳、材質均勻及施工迅速等各項 優點，但由結構防火的角度來看，鋼結構的耐火性能較鋼筋混凝土差，普 通鋼材在溫度 350℃時，降伏強度即大幅下降至室溫降伏強度的 2/3 以下，

因此一場火災很可能就會導致鋼結構大樓崩塌。以2001 年美國紐約世貿雙 子星大樓的 911 事件為例，雙子星大樓並未毀於飛機之撞擊，卻因伴隨而 來之大火引致鋼材軟化及梁柱接頭破壞而導致結構挫屈崩塌。

依據內政部消防署統計資料顯示，台灣地區民國 86～91 六年間國內火 災發生次數每年平均約一萬五千餘次、財物損失高達 241 億元，又由台灣 地區民國 92～95 四年間國內火災發生次數每年平均降為六千餘次、財物損 失達 72 億元，而且每造成人員傷亡，由這些數據結果可知，火災所造成的 損失是一筆龐大的金額。此外，台灣因砂石資源匱乏，混凝土價格勢將上 揚，鋼筋混凝土構造之價格優勢將逐漸喪失；且以近來政府大力推展的綠 建築觀點來看，鋼結構在建築生命週期中（由建材生產到建物規劃、設計、

施工、使用、管理及拆除的過程），所消耗的能源與製造的污染皆較鋼筋混 凝土構造為少，且鋼結構資源具回收性；因此，鋼結構極具潛力成為未來 國內建築的主流。唯鋼材之高溫材料性質頗具地域性，國內對鋼結構耐火 性能研究亦有迫切需求。

第二節 研究背景與目的

國外大型火場鑑定報告(如：美國 WTC 世貿大樓大火和英國 Cardington 火場研究)皆證實梁柱接頭和大、小梁接頭在火害高溫下破壞所造成的嚴重 後果，諸如鋼梁掉落、樓板坍塌、鋼柱失去側撐而挫屈破壞…等等。

鋼結構的梁與柱在受到火害高溫作用下，材料強度快速的折減，撓度 持續的增加，進而產生大變形，導致許多梁柱接頭因此而造成破壞，此種 破壞形式，在國內外火場中常見。梁柱接頭在整體大型結構中扮演著重要 的腳色，加上梁柱接頭在溫度變化下，其力學行為隨溫度變化極為複雜，

導致梁柱接頭成為鋼結構耐火性能研究分析的重點。

H 型梁-箱型柱的接合形式，是國內鋼結構建築裡重要的抗彎矩梁柱連 接方式，本文主要針對國內鋼構造建築常見 H 型梁-箱型柱接合之抗彎矩 接頭，依照國內現行鋼構規範設計之實際鋼構建築中的部分實尺寸梁柱構 件，移至大型複合爐中，施以固定載重，藉由複合爐之燃燒來模擬火害中 H 型梁-箱型柱接合之接頭受高溫而破壞的結構行為，並檢討現今規範下梁 柱接頭在高溫下的設計考量。本文同時建立結構數值分析模式，並藉由實 驗所得數據驗證分析結果，期能利用本文所建立之分析模式探討其他狀況 下的結構分析，以替代實驗所需的大量花費。

第三節 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 卻有在高溫環境中材料強度迅速軟化的現象，以至於諸多火災事故中，發 生鋼梁掉落、樓板坍塌、鋼柱失去側撐而挫屈破壞等行為。

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 討梁或柱等單一的構件。Rubert 與 Schaumann [11]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一系列實驗，以了 解梁在高溫環境中的撓度。Iu 與 Chan [9] 與連寬宏[22]則針對 Rubert 與 Schaumann [11]之 實 驗 的 簡 支 梁 ， 以 不 同 載 重 率 ， 參 考 ECCS [4] 與 Eurocode-3 [6]等規範建議之材料參數，進行分析與實驗的比較。Yin 與 Wang [15]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、均佈與非均佈溫度分佈以及不同載重率，

進行梁的懸垂力與撓度之分析研究。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 [10]等人針對門型構架，進行升溫與冷卻的實驗以了解梁的懸垂效應與 梁軸向束制對梁撓度的影響。Al-Jabri [2]等人研究高溫環境中鋼結構梁柱 接頭強度衰退的預測，他們亦進行內柱十字形梁柱結構的實驗[3]，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。

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。最近，國內內政部建築 研究所針對 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[19]。林岳^山華[20]與蔡宗翰[26]亦針對梁 柱接頭之高溫反應進行數值模擬分析。

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的升 溫依預定升溫方式進行，然而經內政部建築研究所在 2005~2006 年針對 H 型梁-H 型柱的梁柱接頭所作的實驗[19]顯示，爐溫與構件表面溫度差異甚 大。Gardner 與 Ng [7]探討結構不鏽鋼暴露於高溫環境中溫度的發展，其結 果顯示熱對流與熱輻射頗影響溫度分佈的發展。Al-Jabri 等人[2, 3]發現梁 柱結構在高溫環境中各部位溫度有不同的發展，因此相對於爐溫給予各部 位不同的溫度折減係數。這些結果顯示熱傳分析除了考慮熱傳導外，亦不 能忽略熱對流與熱輻射所造成的結構各部位升溫曲線不同的狀況。

SN490C-FR應力應變曲線圖

Strain (mm/mm)

Stress (MPa)

RT

Strain (mm/mm)

Stress (MPa)

RT

400 500 600

700 800

650

750

圖 1.3 SN490B 與 SN490C-FR 高溫下極限強度折減趨勢圖