鋼結構之高溫火害行為

2.2.1 鋼柱高溫下挫屈行為之研究

Ng和Gardner【11】做了一系列不鏽鋼柱和碳鋼柱，在高溫之下挫屈 試驗，並使用ABAQUS進行數值模擬，與實驗數據做比較，探討有限元 素數值分析的可靠性。實驗結果發現，不鏽鋼柱的強度與剛度都比碳鋼 柱強，且有限元模擬誤差皆在10%以內，說明有限元素分析是一個可靠性 很高的方法。

Uppfeldt等人【12】對冷軋不鏽鋼箱型短柱，在火害下臨界溫度進行 研究，並使用ABAQUS的殼元素(S4R)進行數值模擬與實驗結果比較，鋼 柱考慮了形狀與水平兩種瑕疵，且考慮了殘餘應力會小幅降低材料強度 概念。研究發現，形狀與水平瑕疵對於挫屈強度影響極小，而使用有限 元素法分析高溫之下箱型柱的挫屈行為是可靠的。

Wang和Li【13】使用不同的平衡方程式預測，鋼柱在有部分防火披 覆效果損壞下之挫屈溫度與變形狀態，利用ANSYS進行有限元素模擬分 析，並與平衡方程式的結果進行比較。研究結果發現，平衡方程式可以 有效預測兩端為固接柱體的挫屈溫度，防火披覆受損長度，對鋼柱在高 溫之下承載軸力影響甚大。

Choe等人【14】用實尺寸A992 I型鋼柱在定載高溫下，柱的挫屈行為 實驗，柱的形式分為懸臂梁柱與簡支梁柱兩種模型，並使用ABAQUS非 線性有限元素進行模擬分析。研究結果發現，鋼柱的挫屈行為，主要取 決於溫度控制，且在500℃~600℃時，鋼柱的挫屈強度下降明顯，有限元 速模擬分析與實驗結果比較，證明ABAQUS非線性有限元素分析結果合

第二章 文獻回顧

理且可靠。

2.2.2 鋼結構高溫火害實驗之研究

Uy和Bradford【15】以非線性有限元素法模擬冷軋鋼構件在高溫下之 強度與行為之變化，並針對構件的局部挫屈行為探討。模擬結果發現冷 軋構件在高溫中之局部挫屈應力變化，可由考慮高溫時彈性模數與降伏 強度之折減後，進行非彈性分析得到此應力變化。

El-Rimawi等人【16】以門型梁柱構架進行火害試驗，接頭型式為半 鋼性接頭，實驗中探討高溫環境下梁與柱交互影響下，對於個別梁柱構 件之臨界溫度之影響，研究顯示柱載重對於梁構件之彎矩發展有明顯之 影響。

方朝俊【17】對於鋼結構構件銲接及螺栓接合，在高溫火害之行為進 行實驗，且考慮殘餘應力、銲道性質和螺栓預力損失。研究結果發現，

400℃前耐火螺栓之預力略高於室溫時之預力值，當溫度達600℃時，耐 火螺栓之預力只剩室溫時之百分之十。

Liu等人【18】利用H形鋼構架進行升溫與降溫之試驗，且鋼梁予以束 制，並以不同之載重來進行討論。結果發現，下翼板溫度在450℃~600℃

間，彎矩強度會逐漸下降，變位也會增加，到達700℃時，接頭之抗彎能 力將無法承受載重產生之彎矩，即產生大變形。當梁軸力由壓力轉為拉 力時，懸垂效應將會在此時產生，並且可減緩變位下降之速度。

Wang和Davies【19】則分別進行無側向載重和具旋轉束制之鋼柱構 件，於火害中之研究，並考量不同軸力與初始彎矩對於柱破壞溫度的影 響。結果發現柱破壞時之有效長度不受接頭型式之影響，柱破壞溫度只 與柱軸力有關與梁柱接頭、初始彎矩無關。

Al-Jabri等人【20】進行鋼結構彎矩接頭強度於高溫下衰減行為之實 驗，並建立一套預測隨溫度升高，彎矩與旋轉角關係之方法。試驗發現 溫度在400℃以下時，接頭強度退化並不明顯，超過400℃時，接頭強度 退化隨溫度升高而明顯漸增。

何明錦和陳生金【21】進行實尺寸抗彎矩構架梁柱接頭火害試驗，且 以定載加溫和定溫加載進行實驗。試驗結果發現，接頭彎矩承載能力在 300℃內變化不大，超過300℃後，接頭彎矩承載能力開始急速下降。

Mesquita 等人【22】對於無側撐I型鋼梁在火害中之臨界溫度進行研 究，並對I型鋼梁在無側撐之情況下可能發生側向扭轉挫屈破壞時之臨界 溫度做探討。實驗中發現，梁最高點的臨界溫度都發生在靠近支撐處。

Sarraj等人【23】利用ABAQUS建立3D有限元素模型，模擬剪力接頭 受高溫產生的變形，並探討大變形時，所造成的懸垂效應，並與其試驗 比較。研究發現，ABAQUS能準確的分析高溫下彎矩與轉角和溫度與撓 度的關係。

Wald等人【24】以實尺寸鋼構建築物火害實驗，探討構架中各桿件的 內力分佈，及樓板、梁、柱和梁柱接頭之行為。實驗發現，整體結構物 受火害的結構行為，比單一構件火害之行為來的好，這是因為整體結構 具有連續性，且內力傳遞路徑也來的多。

林子賓【25】進行鋼板螺栓孔於高溫中承壓行為之實驗，以研究火害 中梁柱接頭中之剪力片承壓行為，並試驗SN490C-FR耐火鋼板在高溫中 之承壓行為，以驗證耐火鋼板於高溫中之優越性。

Ding和Wang【26】進行10組門型構架試驗，以鋼管混凝土柱搭配不 同之梁柱接合型式，試驗各種梁柱接頭於高溫中之破壞模式，並分別以 無保護之鋼梁與部份受熱之鋼梁模擬實際建築物中鋼梁受熱之情形。

第二章 文獻回顧

察溫度與梁斷面翼板、腹板、螺栓對於梁轉動容量之影響。實驗中得到，

梁側撐位置與有效長度對於梁在火害中轉動容量之影響。

Li等人 【28】針對梁之軸向束制之有無對高溫中梁行為之影響進行 實驗，並觀察高溫前與後兩者之行為變化，發現有束制梁比無束制梁有 較佳之抵抗火害能力。

Qian等人【29】對十字形鋼構架梁柱接頭進行高溫火害試驗，分為六 組十字梁柱接頭，包含不同軸向束制與熱膨脹有無，探討不同溫度之鋼 梁行為。結果發現，梁斷面軸力對於梁柱接頭之彎矩容量有顯著影響，

因此建議軸向束制對於梁柱接頭之影響必須考量。

Li和Guo【30】研究鋼梁在降溫階段其受力行為，研究結果發現，梁 完全冷卻時，所產生的殘留拉力，會比升溫階段的殘留壓力還要大。同 年，Li等人進行鋼梁有無軸向束制對於高溫下實驗，結果發現有軸向束 制之鋼梁其耐火性能較佳。

蘇文傑【31】進行實尺寸梁柱接頭次構件試體之標準升溫試驗，總共 三組高溫試驗一組常溫試驗。研究結果顯示，耐火鋼接頭在火害中較普 通鋼接頭有更佳的耐火性能。

2.2.3 鋼結構高溫火害行為數值模擬之研究

Gillie等人 【32】針對英國BRE於Cardington所進行的鋼構大樓火害 實驗，利用ABAQUS進行有限元素數值模擬分析，數值分析結果顯示影 響火害中鋼構大樓結構行為的主要因素為熱膨脹，而材料(鋼材與混凝土) 受到高溫而劣化和承受之重力式載重所造成之影響為其次。

Al-Jabri 等人【33】使用ABAQUS有限元素數值分析半鋼性端板式接 頭，在火害中受不同載重其彎矩和轉角關係，並考慮材料的非線性。分

析的結果與實驗數據相比有不錯的精確度。

Takagi與Deierlein 【34】以非線性有限元素軟體模擬鋼結構構件如 梁、柱和梁柱構件在高溫下之行為與強度，並與AISC及CEN規範進行比 較，比較此兩種規範於高溫中構件強度計算上之差異。並發現在高溫中 局部挫屈破壞對於結實斷面型鋼與接近結實斷面之型鋼並非其主要之破 壞原因。

蕭博勳【35】利用ABAQUS有限元素軟體，模擬實尺寸箱型柱-H型梁 之彎矩接頭高溫行為，梁與柱分別使用SN490B普通鋼與SN490C-FR耐火 鋼，並以不同的載重形式進行模擬。模擬結果顯示，耐火鋼之運用於梁 上可有效提升梁柱彎矩接頭的極限破壞溫度。

林振吉【36】利用ABAQUS軟體，進行鋼構H型梁-箱型柱彎矩接頭在 高溫火害下之模擬，並考慮側撐勁度作用、不同受熱面結構形式，以及 不同鋼材等參數，以預測高溫環境下接頭結構之防火性能。

林日增【37】針對實尺寸梁柱接頭次構件試體之標準升溫試驗，利用 ABAQUS有限元素數值模擬進行比對。模擬結果發現，有限元素模型不 論在試體結構變形、局部挫屈發生位置與破壞溫度，都有不錯的準確性。

洪健晉【38】進行實尺寸螺栓雙剪於高問下試驗，並用ABAQUS有限 元素軟體，模擬高溫實尺寸螺栓雙剪之行為，並與試驗結果驗證其準確 性。模擬結果與試驗值相當逼近，顯示ABAQUS可以準確模擬螺栓在高 溫下之抗剪行為。

吳家豪【39】進行國內常見補強式梁柱韌性接頭在高溫下之行為模 擬，利用區塊溫度模擬法以及FDS動態火場模擬軟體來模擬火場溫度。模 擬結果顯示，梁柱接頭在蓋板、側板及加勁改良補強後，其臨界破壞溫 度有明顯提升，此外，FDS-ABAQUS分析法較區塊溫度給定分析法，能

第二章 文獻回顧

陳景智【40】利用「FDS-ABAQUS順序耦合分析法」與「區塊溫度 給定分析法」，模擬實尺寸H型鋼構架在高溫爐中受定載升溫，並探討耐 火的H型鋼構架在高溫火害下之耐火性行為。研究發現，FDS-ABAQUS 順序耦合分析法，在模擬破壞溫度、挫屈位置以及結構變形上，皆優於 區塊溫度給定分析法。

Kodur和Dwaikat 【41】利用ANSYS有限元素軟體對梁柱構件在真實 之火場、加載以及束制下進行模擬，並考慮鋼材潛變效應，研究結果發 現，當增加鋼梁載重時，使鋼梁在高溫下膨脹時，所受到的軸壓力下降 速度增加，因此鋼梁的懸垂效應提早發生，此為有無考慮鋼材的潛變效 應，明顯影響鋼材在高溫下之行為。

Chung等人【42】進行梁柱耐火彎矩接頭鋼材於高溫下之實驗，兩組 實尺寸梁柱彎矩接頭，其中分別使用普通鋼與耐火鋼，針對梁柱接頭區 附近進行耐火鋼材之補強。試驗結果顯示，耐火鋼梁彎矩接頭試體可有

Chung等人【42】進行梁柱耐火彎矩接頭鋼材於高溫下之實驗，兩組 實尺寸梁柱彎矩接頭，其中分別使用普通鋼與耐火鋼，針對梁柱接頭區 附近進行耐火鋼材之補強。試驗結果顯示，耐火鋼梁彎矩接頭試體可有