數值模擬方法與步驟

科技發展迅速，電腦輔助設計與有限元素分析軟體不斷演進，提 供給研究人員與工程師更經濟且更有效率的分析工具。本研究使用 ABAQUS 有限元素軟體進行分析。ABAQUS 不僅能夠進行線性或非 線性的結構分析，而且能夠分析包括熱傳導、質量擴散、電子元件的 熱控制、聲學、土壤力學和壓電等各種廣闊領域中的問題。ABAQUS 對於組合構件問題，經由給予每個合適的材料模型，並且定義構件之 間的交互作用，能夠簡易的組裝成型進行分析。在非線性分析中，

ABAQUS 能自動選擇合適的負載增量和收斂準則，並在分析過程中 也能不斷調整這些參數，以確保能獲得正確的分析結果。ABAQUS 中沒有固定的單位系統，分析時必須指定一致性的單位如表 3-4，本 研究採用SI 單位系統。

分析基本假設

使用ABAQUS 分析軟體進行分析模擬，其細節及假設如下：

1. 忽略試體於製作或銲接等因素產生殘留應力之影響。

2. 試體在加溫爐加熱時，忽略加溫爐噴嘴經由熱對流及熱輻射方式 將熱傳導至試體之過程。

3. 忽略剪力釘的分析，假設鋼梁與樓板有完全之握裹。

4. 忽略鋼承板的分析。施作樓板時，鋼承板是做為混凝土的模型，

對於合成梁抗撓曲之貢獻略為不計。

分析步驟

對於鋼梁與樓板結合之合成梁在高溫環境下行為進行數值分 析。所使用的分析分別為熱傳分析、非線性應力分析以及結合兩者的 接續性耦合分析(Sequentially Coupled Thermal-Stress Analysis)。分析 流程如圖3-12 所示，有限元素模型如圖 3-13 至圖 3-16 所示

熱傳分析

根據熱電偶線量測所得數據，對合成梁模型各部份個別施加溫度 歷時。分析使用熱傳分析元素DC3D8 (為八個節點的六面體的元素)。

模型中節點溫度歷時被儲存在熱傳分析結果內，供接續性耦合分析之 用。

非線性應力分析

模擬合成梁受四點加載情形。在非線性應力分析中，對模型施加 載重及邊界條件。分析使用三維應力分析元素C3D8R (為八個節點的

位移、應力及應變等反應。

接續性耦合分析

試體在試驗中同時受到溫度及載重的作用，接續性耦合分析即是 結合熱傳分析以及非線性應力分析兩種分析結果，將溫度及載重效應 同時反應出來的分析方法。在接續性耦合分析中熱傳分析結果不會受 到非線性應力分析所影響。先進行熱傳分析得到節點溫度資料，再進 行非線性應力分析得到常溫下試體加載後之反應，再將熱分析結果輸 入非線性應力分析中進行接續性耦合分析，求得合成梁受溫度及載重 與之反應。

材料性質設定

ABAQUS 有限元素分析中將鋼材設定為均質材料，其應力應變 曲線簡化為雙線性，線性階段採用Linear Isotropic 材料模型，彈性模 數 (Elastic Modulus, E)依據章節 3.1.2 設定；塑性階段採用 Plastic 中 Hardening 為 Isotropic 材料模型，在塑性應變發生時各方向之應力改 變量皆相同，塑性模數 (Plastic Modulus, Esh)依據章節 3.1.1 設定，如 圖3-17 所示。

ABAQUS 模型對於混凝土之應力應變關係採用章節 3.2.1 建議。

混凝土在初始線性階段過後之曲線採用 Concrete Damaged Plasticity 材料模型，其 Plasticity 中設定參數參照 ABAQUS 手冊，當中傾斜角 (Dilation Angle)手冊建議設定為 30；偏心值 (Eccentricity)會影響模型 之收斂性，手冊建議為 0.1；初始雙軸壓應力與單軸壓應力之比值設 定為1.16：K 值與降伏面有關，手冊建議為 0.67；黏制性參數 (Viscosity Parameter)設定則與勁度與韌性改變之收斂性有關，設定為 0，表示不 考慮此參數之影響。