鋼結構梁柱接頭高溫載重行為研究(篇二：數值模擬分析)
103
0
0
全文
(2) 094-301070000-G3036. 鋼結構梁柱接頭高溫載重行為研究. 計 劃 主 持 人：何明錦副所長 共 同 主 持 人：陳生金、邱耀正 研. 究. 員：楊國珍、王天志、李 其 忠. 研 究 人 員： 簡丞宏、張倫銘、連寬宏、毛昶人. 內政部建築研究所研究報告 中華民國九十四年十二月.
(3) ARCHITECTURE AND BUILDING RESEARCH INSTITURE MINISTRY OF INTERIOR RESEARCH PROJECT REPORT. Study on Structural Behavior of Steel Beam-Column Moment Connections under fire load. BY HO MING CHIN CHEN CHIEN JUNG CHIOU YAW JENG. Decemeber 29 2005.
(4) 目次. 篇二：數值模擬分析 目. 次. 表次 .........................................................................IX 圖次 .......................................................................... X 摘要 ....................................................................... XII 第一章 緒論 ........................................................... 31 第一節 前言 ..............................................................................................31 第二節 研究背景與目的..........................................................................32 第三節 研究計畫內容..............................................................................36 第四節 研究方法及進行步驟..................................................................37 第五節 預期完成之工作項目與成果......................................................38. 第二章 高溫環境下鋼結構梁柱接頭之數值模擬39 第一節 前言 ..............................................................................................39 第二節 數值模擬方法與步驟..................................................................40 第三節 歐規高溫環境下鋼材之材料性質..............................................42 第四節 試體規劃......................................................................................44 第五節 非線性有限元素分析模式..........................................................46. 第三章 定溫加載數值範例與討論 ....................... 49 第一節 前言 ..............................................................................................49 第二節 範例一：梁端為自由端且受集中載重......................................51 第三節 範例二：梁受均佈載重與梁端為定向接續..............................62 第四節 柱長細比之影響..........................................................................72 第五節 數值結果討論..............................................................................81. 第四章 定載加溫試驗之數值範例與討論 ........... 87 第一節 前言 ..............................................................................................87 第二節 範例三：上柱、下柱與梁加溫（梁受集中載重）..................92 第三節 範例四：上柱、下柱與梁加溫（梁受均佈載重）..................96. VII.
(5) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 第四節 範例五：下柱與梁底加溫（梁受均佈載重）..........................99 第五節 數值結果討論............................................................................103. 第五章 結論與建議 ............................................. 105 第一節 結論 ............................................................................................105 第二節 建議 ............................................................................................106. 附錄 ....................................................................... 109 參考文獻 ............................................................... 119. VIII.
(6) 表次. 表次 表 3.1. 定溫加載試驗之數值模擬範例說明 .........................................50. 表 3.2. 定溫加載試驗溫度組別..............................................................50. 表 3.3（A） 範例一：梁端集中載重與梁端位移...................................57 表 3.3（B） 範例一：梁端集中載重與梁端位移（續） ......................58 表 3.4（A） 範例一：梁柱彎矩（M）與梁柱相對轉角（ΘBC） ........59 表 3.4（B） 範例一：梁柱彎矩（M）與梁柱相對轉角（ΘBC） ........60 表 3.5. 範例一：梁柱接頭之勁度（K）與梁底溫度（TBBF） ..........61. 表 3.6（A） 範例二：梁上均佈載重（UL）與梁端位移（DBEAM） ...67 表 3.6（B） 範例：梁端均佈載重（UL）與梁端位移（DBEAM） .......68 表 3.7（A） 範例二：梁柱彎矩（M）與梁柱相對轉角（ΘBC） ........69 表 3.7（B） 範例二：梁柱彎矩（M）與梁柱相對轉角（ΘBC） ........70 表 3.8. 範例二：梁柱接頭之勁度（K）與梁底溫度（TBBF） ..........71. 表 3.9. 範例一：柱長細比、梁端位移和梁柱相對轉角 .....................76. 表 3.10. 範例二：柱長細比、梁端位移和梁柱相對轉角 .....................80. 表 3.11 梁柱接頭之勁度（K）與梁底溫度（TBBF） ..............................83 表 3.12 柱接頭之勁度折減百分比與梁底溫度（TBBF）..........................84 表 3.13 接頭之彎矩承載力（MC）與梁底溫度（TBBF） .......................85 表 3.14 柱接頭之彎矩承載能力折減百分比與梁底溫度（TBBF）..........86 表 4.1 定載加溫試驗數值模擬之範例說明................................................88 表 4.2 定載加溫試驗數值模擬之定載重組別............................................89 表 4.3 升溫時溫度分佈比例........................................................................91 表 4.4 極限溫度與載重組別關係（各範例比較，以梁底溫為準） .....103. IX.
(7) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖次 圖 2.1. 數值模擬與分析步驟流程圖......................................................41. 圖 2.2. EUROCODE 3 不同溫度下鋼材力學性質之折減係數圖 ......42. 圖 2.3. EUROCODE3 S355 鋼材在不同溫度下之應力應變曲線圖 ..43. 圖 2.4. 梁－柱組合試體尺寸示意圖......................................................44. 圖 2.5. 梁－柱組合試體邊界安置示意圖..............................................45. 圖 2.6. 抗彎接頭示意圖 ..........................................................................45. 圖 2.7. SOLID92. 圖 2.8. 載重施加歷程示意圖..................................................................47. 圖 2.9. 有限元素模型..............................................................................48. 圖 3.1. 範例一：載重邊界條件示意圖 .................................................51. 圖 3.2. 試體各部位位移與梁柱相對轉角試意圖 .................................53. 圖 3.3. 範例一：有限元素模型..............................................................53. 圖 3.4. 範例一：梁端集中載重與梁端位移之關係圖 .........................54. 圖 3.5. 範例一：梁柱接頭彎矩與梁柱相對轉角之關係圖 .................54. 圖 3.6. 範例一：梁柱接頭之勁度與梁底溫度之關係圖 .....................55. 圖 3.7. 範例一：梁底溫度 20℃，梁端集中載重 86.3 噸之變形圖 ...55. 圖 3.8. 範例一：梁底溫度 795℃，梁端集中載重 2.1 噸之變形圖 ...56. 圖 3.9. 範例二：載重邊界條件示意圖 .................................................62. 圖 3.10. 範例二：有限元素模型..............................................................64. 圖 3.11. 範例二：梁端集中載重與梁端位移之關係圖 .........................64. 圖 3.12. 範例二：梁柱接頭彎矩與梁柱相對轉角之關係圖 .................65. 圖 3.13. 範例二：梁柱接頭之勁度與梁底溫度之關係圖 .....................65. 圖 3.14. 範例二：梁底溫度 20℃，梁上均佈載重 75 噸/M 變形圖 .....66. 圖 3.15. 範例二：梁底溫度 795℃，梁端集中載重 1.6 噸/M 變形圖 ..66. 圖 3.16. 範例一：柱長為兩公尺之邊界條件與 MESH 圖....................73. 圖 3.17. 範例一：柱長為十公尺之邊界條件與 MESH 圖....................73. 圖 3.18. 範例一：柱長為兩公尺之變形和應力分佈(定溫 20℃)..........74. 圖 3.19. 範例一：柱長為十公尺之變形和應力分佈(定溫 20℃)..........74. X. 元素 ...............................................................................47.
(8) 圖次. 圖 3.20. 範例一：柱長細比與梁柱相對轉角之關係圖 .........................75. 圖 3.21. 範例一：柱長細比與梁端位移之關係圖 .................................75. 圖 3.22. 範例二：柱長為兩公尺之邊界條件與 MESH 圖....................77. 圖 3.23. 範例二：柱長為十公尺之邊界條件與 MESH 圖....................77. 圖 3.24. 範例二：柱長為兩公尺之變形和應力分佈(定溫 350℃)........78. 圖 3.25. 範例二：柱長為十公尺之變形和應力分佈(定溫 350℃)........78. 圖 3.26. 範例二：柱長細比與梁柱相對轉角之關係圖 .........................79. 圖 3.27. 範例二：柱長細比與梁端位移之關係圖 .................................79. 圖 3.28. 範例一與範例二比較：接頭勁度與溫度關係圖 .....................82. 圖 3.29. 範例一與範例二比較：彎矩承載能力與溫度關係圖 .............82. 圖 4.1 試體之 CNS 升溫歷時模擬..............................................................90 圖 4.2 3D 有限元素模型示意圖................................................................93 圖 4.3 範例三：梁與柱各部位之溫度歷時圖............................................93 圖 4.4 範例三：梁中心線與柱中心線之溫度分佈歷時圖 .......................94 圖 4.5 範例三：梁底溫度與梁端位移之關係............................................94 圖 4.6 範例三：梁底溫度與梁柱相對轉角之關係....................................95 圖 4.7 範例三：梁底溫度 695℃，49KN@2352KN 之變形圖 .................95 圖 4.8 3D 有限元素模型示意圖................................................................96 圖 4.9 範例四：梁底溫度與梁端位移之關係............................................97 圖 4.10 範例四：梁底溫度與梁柱相對轉角之關係..................................97 圖 4.11 範例四：梁底溫度 695℃，49KN/M@2352KN 之變形圖 ...........98 圖 4.12 3D 有限元素模型示意圖............................................................100 圖 4.13 範例五：梁與柱各部位之溫度歷時圖........................................100 圖 4.14 範例五：梁中心線與柱中心線之溫度分佈歷時圖 ...................101 圖 4.15 範例五三：梁底溫度與梁端位移之關係....................................101 圖 4.16 範例五：梁底溫度與梁柱相對轉角之關係................................102 圖 4.17 範例五：梁底溫度 695℃，49KN@2352KN 之變形圖 .............102. XI.
(9) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 摘要 關鍵詞：抗彎梁柱接頭，火害行為，數值分析模式 一、研究緣起： 近年來採用鋼結構之高樓建築在國內如雨後春筍般林立，鑒於紐約 世貿雙子星大樓倒塌之原因除鋼材於高溫下喪失其強度與勁度外，梁柱 接合處之剪力接合設計亦為導致大樓坍塌之重要因素之一。台灣因處於 地震帶多採用抗彎矩構架之接合型式，由於對於火害中抗彎矩構架之行 為及其破壞模式之相關資訊甚為缺乏，故本計畫針對國內鋼結構建築常 採用之抗彎矩梁柱接合進行初步研究，計畫內容分為兩大部分：抗彎矩 梁柱接頭高溫載重行為試驗與數值模擬分析。 二、研究方法及過程： 本計畫數值模擬分析部分主要應用數值解析探討高溫引起梁柱接 頭的熱應力與變形行為。以 ANSYS 軟體為工具進行鋼結構梁柱接頭火 害行為之分析。先以現行鋼構通用資料進行初步分析模型之建立與模 擬，俟全尺寸鋼結構梁柱接頭火害試驗完成，用以檢驗 ANSYS 軟體分 析模式之正確性，並根據試驗結果修正分析模式，期能達成以軟體分析 代替試驗之目標，並建立一整套國內鋼結構梁柱接頭之高溫行為（如各 種溫度下之梁柱接頭彎矩及轉角之關係）數據，供後續研究與設計之參 考。 三、重要發現： 梁柱接頭勁度與彎矩極限承載能力主要受溫度及柱長細比之影 響，與邊界條件及載重型態無關。梁柱相對轉角與梁端變位和柱長細比 約成正比關係，且隨溫度上升而增加。 接頭勁度在 500℃內遞減速度較慢，超過 500℃時，接頭勁度遞減 速度加快。接頭彎矩極限承載能力在 300℃內幾乎相同，超過 300℃之. XII.
(10) 摘要. 後迅速遞減。約於 770℃，接頭勁度降至室溫時的 5％以下、彎矩極限 承載能力降至室溫時的 10％以下，此時接頭已失效 四、主要建議事項： 長期性建議：建立國內鋼材之高溫性質資料庫。 主辦機關：內政部建築研究所防火中心。 協辦機關：相關研究單位。 長期性建議：持續進行各項耐火試驗。 主辦機關：內政部建築研究所防火中心。 協辦機關：相關研究單位。 長期性建議：建立高溫量測系統。 主辦機關：內政部建築研究所防火中心。 協辦機關：相關研究單位。 ABSTRACT. This project studies the structural behavior of beam-column moment connections of steel structures in fire condition. Due to the construction delay of beam-column furnace, the large-scale beam-column moment connection has not completely tested. A numerical model is proposed first to study its structural behavior. The results are summarized as follows: 1. Propose a numerical model to study the structural behavior of beam-column moment connections of steel structures in fire condition. 2. Establish the joint stiffness-temperature relation of beam-column moment connections. Key words: beam-column moment connections, fire behavior, numerical model. XIII.
(11) 篇二：數值模擬分析. 篇二：數值模擬分析. 邱耀正. 連寬宏. 毛昶人. 29.
(12) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 30.
(13) 緒論. 第一章 緒論 第一節 前言 近年來，台灣地區經濟快速成長，人口不斷增加及大量集中於都 市，使得高樓大廈不斷增建，建築密度亦持續增加，但因一般民眾對於 建築物防火觀念之缺乏，再加上人為疏失與法令執行未完備及其他種種 因素，致屢次造成重大的火災事件。而國內產業環境隨著全球經濟體的 變遷而快速轉變，高科技產業不斷興起，傳統產業亦面臨了空前的挑 戰，在產業轉型的急遽過程中，各種重大火災爆炸事故層出不窮；以台 灣而言，從汐止東科大樓、高雄東帝士大樓等火災案例，顯示高層辦公 室、廠辦綜合大樓的防火安全業已亮起紅燈，並因此造成巨額的社會成 本及嚴重的人員傷亡和財物損失。另依據內政部消防署統計資料顯示， 自民國 85～89 年間國內火災發生次數每年平均約一萬四千餘次、財物 損失超過 45 億元、人員傷亡約 950 人左右。此外，2001 年 911 恐怖 份子攻擊事件引致美國紐約世貿大樓火災而全面倒塌，造成 2800 人傷 亡，財物損失高達美金 9000 億元。由此可見火災對建築物而言，無疑 是損失最嚴重的災害。而火災可能導致大樓迅速崩塌之工程與救難安全 問題，更引起世界各主要國家政府部門與學界的高度重視。因此，若能 正確地預測建築物受火害之反應，對建築物的防火安全將有莫大的助 益。. 31.
(14) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 第二節 研究背景與目的 由於產業的變遷速度遠超過法規訂定與修訂的腳步，近年來，歐 美、日本等先進國家對於建築物防火安全的要求，均已朝向性能設計 (performance based design)的方向發展[11]。歐美、日本等國家對於特 殊建築物、公共設施或高風險作業場所之安全設計，近年來均已突破法 規的範疇，其主因是目前各國所訂定之標準與法規，並不能完全涵蓋所 有行業或作業場所(尤其是特殊作業場所或高風險作業場所)，我國亦然 [18]；因此，依據現行之規範作為設計之依據，顯然無法有效保障人員 安全。有鑑於此，各國在近十年已陸續將性能設計的理念，以文件化方 式逐漸建立並試著和現行法規融合，以因應變化快速的社會變遷所衍生 高風險成本的災損問題。 建築物防火安全的最終目標不外乎[16]：(1)防止起火及火勢擴大減 少財物損失；(2)保證安全疏散，確保生命安全；(3)防護建築物不致因 火災造成重大損害；(4)提供消防搶救人員於執行救災時之必要設施。為 達成以上目標，建築設計需從建築結構、耐火性能、防火區劃、內部裝 修、防阻火災設備及避難對策等方面著手。而建築物在火災中能否避免 坍塌，保持其結構整體性與穩定性，且具有隔離火勢的能力；即結構是 否具有足夠的耐火性，以提供適當的防火時效，則扮演一相當重要的角 色。 就國內目前建築而言，鋼結構與鋼筋混凝土為主要之構造形式，但 鋼結構因造價較高，故以建築成本考量多使用於超高層建築。所以鋼結 構雖具有自重輕、強度大、耐震性佳、材質均勻及施工迅速等各項優點， 但仍僅佔國內總建築量約 5％而已[17]。以台灣地狹人稠、都市土地昂 貴的特性，建築物高層化必為未來發展趨勢；再者，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 以近年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. 32.
(15) 緒論. 回收性；因此，未來鋼結構必將有大幅度的成長，而成為國內建築的主 流。但由結構防火的角度來看，鋼結構的耐火性則較鋼筋混凝土為差。 鋼結構韌性佳、自重輕、可回收且消散地震能量之能力強，一向被 視為是耐震性能最為優越的建築結構系統，然而鋼材本身對溫度的敏感 性卻成為鋼結構致命的弱點。據研究，普通鋼材在溫度超過 400℃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。美國 911 恐怖攻擊事件中，依據 Federal Emergency Management Agency (FEMA) [5]災後調查報告顯示，紐約 世貿大樓並未毀於飛機之撞擊，卻因伴隨而來之大火引致梁柱接頭破壞 而導致結構挫曲崩塌即為明證。 過去學者在鋼結構受火害的研究上，多著重於以數值方法模擬結構 個別構件或整體構架在不同溫度場的結構行為為主，並與試驗結果加以 驗證。針對個別構件之相關研究，Bailey [2]由鋼梁的火害試驗中，發現 所有試體之破壞模式全為側向扭轉挫屈破壞；Ginda 與 Skowronski [6] 研究鋼柱在火場中的彈塑行為； Guedes 等[7]研究鋼板在火場中的彈 塑行為；Liu 等[10]則針對無防火被覆材保護之鋼梁研究其耐火性能。上 述研究描述了個別構件在高溫環境下之結構行為，唯個別構件的數值模 擬或耐火試驗皆未考慮實際結構體之連續性與較複雜的束制條件，故陸 續有學者提出整體構架之分析模式。Liew 等[8], El-Rimawi 等[4], Zhao 與 Shen [12], 以及 Zhao [13]等以有限元素法為架構建立整體構架之數 值模式，唯上述學者僅 Zhao 與 Shen [12]進行簡單的門型構架實驗加 以驗證比對數值結果。 鋼骨結構的主要破壞多數集中於梁柱接頭區，但因梁柱接頭區的力 學行為複雜，目前鋼結構主要研究偏重於梁柱構件，有關梁柱接頭之相 關研究則極為有限。Al-Jabri 等[1]從試驗結果探討高溫下鋼和複合接頭 退化特性，結果發現試驗所用的五組接頭高溫下的破壞模式類似於常溫 時，且當溫度在 400℃以下時接頭退化並不顯著，溫度超過 400℃則接 頭退化隨著溫度升高而漸增。Liu [9]以有限元素模型探討接頭由端鈑栓 接且未受保護的 I 型梁和柱組成之簡單次構架火害之結構行為，發現無. 33.
(16) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 論接頭在一般情況下的彎矩容量有多大，其可以增進火害狀態下梁的負 載容量，至多為梁彎矩容量的 2/3 倍。 過去研究對於鋼結構在高溫環境下的結構行為模式都建立在對單 一構件（如梁或柱）的耐火試驗結果上，而認為因溫度昇高所造成材料 強度的降低為主要的控制因素，因此現行的設計規範亦遵循此一脈絡， 即假設高溫環境下鋼結構之行為與常溫時是相同的，僅材料強度的差 異。此簡單的基本假設，在靜定結構中因無熱應力的效應，一般而言是 正確的；但在具高度靜不定的實際結構物中，則有相當大的誤差。根據 新的研究成果顯示，鋼結構受熱所產生的熱膨脹(thermal expansion)與 熱彎曲(thermal bowing)，因在結構中受束制而引起的熱應力與變形方 為主要控制因素，而材料強度的折減實為次要因素。且根據實驗結果， 鋼結構所具有的耐火性能遠較由單一構件進行耐火試驗所得結果為 高，此意謂著現行的設計規範皆過於保守而有修正的必要。 有關鋼結構之防火性能研究，目前世界各國針對建築物構件之防火 測試規範（如 ASTM E-119、UL 263、BS 476 Part 20、ISO 834、JIS A1304 與 CNS 12514 等）[3]，均僅針對單一構件作測試，唯靜定單一 構件之結構行為異於真實之超靜定結構行為。而梁柱接頭為構成建築體 之要件，其防火性能亦關係到建築結構之穩定性與安全性，相關研究目 前仍付之闕如。由於火害中影響鋼結構構件行為之因素多且複雜，除溫 度效應對鋼材強度對勁度之影響外，鋼構件在高溫下之潛變效應、構件 端點束制效應等，難以單純之分析模式正確模擬之，為彌補此一不足， 增進對鋼結構構件火害中結構行為之了解，進行高溫下鋼結構構件結構 破壞試驗乃為刻不容緩之事。 本計畫主要針對國內鋼結構建築常採用之抗彎矩梁柱接合火害下 結構行為進行高溫破壞試驗，計畫中擬針對採用防火被覆及未採用防火 被覆之梁柱接頭進行定溫加載及定載加溫之結構破壞試驗。經由梁柱接 頭火害中之破壞模式，初步探討火害下影響梁柱接頭破壞之重要參數。 藉由本計畫之初步研究成果除達到了解火害中鋼結構梁柱接頭結構行 為之目的外，亦有助於研判各影響參數之重要性，以利於後續深入探討. 34.
(17) 緒論. 各參數影響之量化數據，作為建立採用鋼建築結構時耐火設計及安全評 估之依據。另有鑑於進行鋼結構火害相關試驗相當昂貴與費時，且於高 溫環境下相關數據難以量測，本計畫亦建立有限元素分析模式取代部分 試驗之進行，藉數值模式模擬實驗行為以及參數分析，探討鋼結構之耐 火承載力。. 35.
(18) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 第三節 研究計畫內容 近年來採用鋼結構之高樓建築在國內如雨後春筍般臨立，鑒於紐約 世貿雙子星大樓倒塌之原因除鋼材於高溫下喪失其強度與勁度外，梁柱 接合處之剪力接合設計亦為導致大樓坍塌之重要因素之一。台灣因處於 地震帶多採用抗彎矩構架之接合型式，由於對於火害中抗彎矩構架之行 為及其破壞模式之相關資訊甚為缺乏，故本計畫針對國內鋼結構建築常 採用之抗彎矩梁柱接合進行初步研究，計畫內容分為兩大部分：子計畫 一、數值模擬分析；子計畫二、抗彎矩梁柱接頭高溫載重行為試驗。 高溫破壞試驗分別採定溫加載及定載加溫兩種方式進行；其中定溫 加載之試驗針對裸鋼之梁柱接頭試體分別在各種定溫下進行加載試 驗。定載加溫之試驗則將具有防火被覆之試體先行加載後，再依據標準 升溫曲線升溫。定溫加載試驗之目的在探討固定溫度下裸鋼之梁柱接頭 試體之極限強度；定載加溫試驗之目的則在模擬實際結構在永久載重作 用下具有防火被覆之梁柱接頭試體所能承受之極限溫度。. 36.
(19) 緒論. 第四節 研究方法及進行步驟 在火災發生時因結構構材處於高溫下，使得材料本身的溫度隨之上 昇，由於材料本身受到熱氣而膨脹所產生的熱應力，以及材料分子間的 劣化，而造成構材承載力下降的現象。基本上，火害對鋼結構的主要影 響是高溫而引起的熱應力與變形，以及高溫環境下材料的力學與物理性 質發生變化，如降伏應力(yielding stress)、極限強度(limit capacity)、 彈性模數(elastic modulus)與溫度模數(thermal modulus)等。 本計畫主要探討高溫而引起梁柱接頭的熱應力與變形，分別應用數 值解析與大尺寸實驗探討鋼結構抗彎梁柱接頭在火害高溫環境下之結 構行為。本子計畫以 ANSYS 軟體為工具進行鋼結構梁柱接頭火害行為 之分析。先以現行鋼構通用資料進行初步分析模型之建立與模擬，俟全 尺寸鋼結構梁柱接頭火害試驗完成，用以檢驗 ANSYS 軟體分析模式之 正確性，並根據試驗結果修正分析模式，期能達成以軟體分析代替試驗 之目標，並建立一整套國內鋼結構梁柱接頭之高溫行為（如各種溫度下 之梁柱接頭彎矩及轉角之關係）數據，供後續研究與設計之參考。. 37.
(20) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 第五節 預期完成之工作項目與成果 本計畫主要針對採用抗彎矩構架之梁柱接頭進行高溫加載破壞試 驗，經由梁柱接頭火害中之破壞模式，初步探討火害下影響梁柱接頭破 壞之重要參數，以建立火害下影響梁柱接頭破壞模式之重要影響參數， 以利於後續深入探討各參數影響之量化數據，作為建立採用鋼建築結構 時耐火設計之依據；並利用試驗結果，建立數值模擬分析。 本子計畫預期成果如下： 1. 持續收集國內鋼材高溫試驗成果，以建立國內鋼材高溫性質資料庫。 2. 進行鋼結構抗彎梁柱接頭在火害高溫環境下之結構行為分析，並與 試驗結果比對，據以修正分析模式。 3. 以驗證之數值模式模擬實驗行為以及參數分析，探討鋼結構抗彎梁 柱接頭之結構耐火行為。. 38.
(21) 高溫環境下鋼結構梁柱接頭之數值模擬. 第二章 高溫環境下鋼結構梁柱接頭之數值模擬 第一節 前言 本計畫因目前相關試驗尚未完成，故先建立鋼結構梁柱接頭在高溫 環境下其結構行為之數值分析模式，俟全尺寸鋼結構梁柱接頭火害試驗 完成後，由相關試驗資料據以檢討分析模式之正確性與進行分析模式之 修正，期能達到以數值分析取代部分實體試驗之目標；並進而透過程式 分析建立一整套有關國內鋼結構梁柱接頭之高溫行為（如各種溫度下之 梁柱接頭彎矩及轉角之關係），以供後續研究整體鋼結構火害行為時之 模擬分析使用。 本計畫依實際試體尺寸進行數值模擬，並選用 ANSYS 為數值分析 工具；惟在材料組成律方面，因國內相關資料不甚完備，本計畫先以歐 洲規範 EUROCODE 3[15]高溫環境下之鋼材性質資料作為數值分析之 用。. 39.
(22) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 第二節 數值模擬方法與步驟 本計畫使用 ANSYS 為數值分析工具。ANSYS 主要功能包括三個 部分：前處理模組、分析計算模組和後處理模組。前處理模組提供了一 個強大的實體建模及網格劃分工具，使用者可以方便地建立有限元素模 型；分析計算模組包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析）、熱 分析、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理 場的耦合分析、可類比多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及最 速化分析能力；後處理模組可將計算結果以彩色的等值線顯示、梯度顯 示、向量顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內部） 等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 本文主要進行鋼構架梁柱接頭於定溫加載狀態下之結構行為數值 分析，鋼材於高溫環境下之各項材料性質採歐洲規範 EUROCODE 3 之 資料，並利用 ANSYS 進行非線性結構分析，以求得試體之力與位移、 應力與應變等反應。模擬與分析步驟之流程如圖 2.1 所示。. 40.
(23) 高溫環境下鋼結構梁柱接頭之數值模擬. 圖 2.1. 數值模擬與分析步驟流程圖. 41.
(24) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 第三節 歐規高溫環境下鋼材之材料性質 由於目前國內鋼材於高溫環境下之材料性質資料不全，本文先行採 用歐洲規範 EUROCODE 3 之資料，定出不同溫度下鋼材的比例極限 f pt 、降伏強度 f yt 與常溫下降伏強度 f y 的比值，以及在不同溫度下鋼材. 的彈性模數 Et 與常溫下彈性模數 E 之比值，其結果如圖 2.2 所示。由圖 2.2 可看出，降伏強度與彈性模數約在溫度為 450℃左右有急速下降之 現象。圖 2.3 為 S355 鋼材之應力─應變關係在不同溫度下的曲線，本 文主要以此種鋼材進行分析。由圖 2.3 中可見，鋼材在高溫時趨向完全 彈塑性之材料行為。. 圖 2.2. 42. EUROCODE 3 不同溫度下鋼材力學性質之折減係數圖.
(25) 高溫環境下鋼結構梁柱接頭之數值模擬. 圖 2.3. EUROCODE3 S355 鋼材在不同溫度下之應力應變曲線圖. 43.
(26) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 第四節 試體規劃 本文首先依試驗規劃之梁柱試體尺寸進行數值模擬。其中鋼柱為長 4.35 公 尺 之 H600×600×25×36 型 鋼 、 鋼 梁 為 長 3.1 公 尺 之 H600×300×12×25 型鋼。梁柱接頭採翼板焊接、腹板鎖螺栓之抗彎接 頭形式；梁柱接頭區域採用二片 PL6×528×550 鋼板加勁。試體尺寸、 安裝與接和方式分別如圖 2.4～圖 2.6 所示。 定溫加載試驗首先將試體加熱到特定溫度，然後在鋼柱施加並保持 240 噸的軸向載重(大約是室溫情形鋼柱極限軸向強度的 20%)。其次， 在鋼梁端點頂部施加集中載重，該集中載重逐漸增加直到試體破壞為 止。. 圖 2.4. 44. 梁－柱組合試體尺寸示意圖.
(27) 高溫環境下鋼結構梁柱接頭之數值模擬. 圖 2.5. 梁－柱組合試體邊界安置示意圖. 圖 2.6. 抗彎接頭示意圖. 45.
(28) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 第五節 非線性有限元素分析模式 本文依試體尺寸、加載方式與其邊界條件，建立數值分析模式如下： 一、基本假設： 1. 忽略焊接過程產生之高溫對鋼材性質之影響。 2. 僅考慮全焊接接合。 3. 不考慮殘留應力之影響。 4. 忽略焊材對鋼材之局部結構行為之影響。 5. 忽略焊接作業時熱膨脹之影響。 二、分析模型： 1. 元素種類： 梁柱接頭火害行為分析考慮結構大變形，採用 solid92 元素（如圖 2.7）模擬。 2. 有限元素模型： 如試體規劃，柱採用 H550x550x22x36 型鋼（柱長 3.5 公尺），梁 採用 H600x300x12x25 型鋼（梁長 4.0 公尺），梁柱接頭採用全焊接接 合，載重歷程如圖 2.8、有限元素模型如圖 2.9 所示。. 46.
(29) 高溫環境下鋼結構梁柱接頭之數值模擬. 圖 2.7. 圖 2.8. solid92 元素. 載重施加歷程示意圖. 47.
(30) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 2.9. 48. 有限元素模型.
(31) 定溫加載數值範例與討論. 第三章 定溫加載數值範例與討論 第一節 前言 本章依前述之數值分析模式，進行定溫加載狀態下鋼結構梁柱複合 構件結構行為之分析。文中除分析與試驗規劃相同條件之範例外，再將 同結構改變其邊界條件與載重狀況後進行分析，嘗試進行以分析取代實 體試驗之先期準備工作，惟欲達成此目標尚須試驗驗證。文中並以二個 範例討論破壞載重與最大位移以及破壞彎矩與梁柱相對轉角之關係。 本章的兩個範例都使用相同歐規鋼材之材料性質與相同的試體尺 寸規劃做定溫加載試驗模擬，不同的在於載重型態與邊界條件之設定不 同，其試驗模擬說明如表 3.1，試驗溫度如表 3.2 所示。由表 3.1 可知 範例一的邊界載重情況為柱頂受軸向集中載重、梁端為自由端且受集中 載重，此亦為本計畫規劃之試驗狀況；範例二的邊界載重情況為柱頂的 軸向集中載重、梁上均佈載重以及梁端受到束制，亦即梁端有定向接續 端。. 49.
(32) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 表 3.1. 定溫加載試驗之數值模擬範例說明. 模擬試驗. 基本載重. 第一階段. 第二階段. 第三階段. 名稱. 邊界條件. 載重模式. 載重模式. 載重模式 梁端集中載. 柱頂端施加 範例一. 整座試體在 火爐內加熱 到試體中全 部一致溫度. 範例二. 軸向集中載 重 240 頓. 重，加載到 試體破壞為 止。. （大約室溫 20℃之鋼柱 之軸向強度 之 20％）. 梁上均佈載 重，加載到 試體破壞為 止。. 表 3.2. 定溫加載試驗溫度組別. 定溫加 載試驗. 溫度試驗組別. 名稱 範例一. 20℃ 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃ 700℃ 795℃. 範例二. 20℃ 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃ 700℃ 795℃. 50.
(33) 定溫加載數值範例與討論. 第二節 範例一：梁端為自由端且受集中載重 如圖 3.1 所示為一座全焊接接合之梁─柱組合結構，柱上端為滾接 支撐，柱下端為鉸接支撐，梁端為自由端，且於梁中點設置側向支撐； 尺寸大小如第二章內容所述，在火爐內受定溫後，分別於柱頂端承受 240 噸之軸向載重（大約是室溫 20℃之鋼柱軸向強度 20％） ，與梁端承 受一集中載重，直到試體破壞為止。由表 3.2 可知於定溫加載模擬試驗 組別有：室溫 20℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、 795℃。 本範例材料性質採用第二章所述的 EUROCODE3 S355 級的鋼 材，其常溫下降伏強度為 375 MPa，彈性模數為 220 GPa，密度為 7850 kg/m3，包松比為 0.3。. 圖 3.1. 範例一：載重邊界條件示意圖. 51.
(34) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 各部位之位移與梁柱相對轉角如圖 3.2 定義。由圖 3.4 與表 3.3 （a） 、 （b）可知試體在每一組溫度中，梁端位移隨著集中載重變大而進 入塑性狀態，每一組位移量皆可高達 400mm 以上。其中試驗溫度 20℃、200℃、300℃其梁端可承受的集中載重大約為 66 噸，是因為歐 規 S355 級鋼材性質在 300℃其極限應力皆為相同所造成。當鋼材在超 過 500℃，可承受集中載重大小降到約為 41 噸，約為試體室溫下可承 受的集中載重之 2/3；到 770℃時，可承受的集中載重降到約為 6 噸， 乃因鋼柱在超過 700℃時，對於柱頂之軸向載重 240 噸已經開始無法負 荷，呈現不穩定狀態。 由圖 3.5 與表 3.4（a） 、（b）可知試體在每一組溫度中，梁柱相對 轉角隨著接頭所承受的彎矩變大而進入塑性狀態，當試驗溫度越高時， 梁柱接頭所能承受彎矩變小，當鋼材超過 500℃時，接頭可承受的彎矩 大小約為室溫時的 2/3，接頭的相對轉角更容易進入塑性狀態，這也可 以由圖 3.6 與表 3.5 可以佐證，接頭之初始勁度（K=M/Θbc）隨著試體 溫度上升到 770℃而勁度遞減為室溫時接頭勁度的 5％以下。 由圖 3.7 的變形圖可知，試體溫度在較低的溫度承受較大的梁端集 中載重時，梁的部分已經進入塑性狀態，其變形量較大，而鋼柱變形量 相對上來說比較小，所以梁端位移量大多由梁之大變形所提供；但由圖 3.8 的變形圖可知，當試體溫度高達 700℃以上，相對上來看，鋼梁的 變形量較小，鋼柱的變形量已經變大，可以看出鋼柱強度已經快失效， 比梁提早進入塑性狀態，所以梁端位移大多由柱大變形所提供。. 52.
(35) 定溫加載數值範例與討論. 圖 3.2. 試體各部位位移與梁柱相對轉角試意圖. 圖 3.3. 範例一：有限元素模型. 53.
(36) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 3.4. 圖 3.5. 54. 範例一：梁端集中載重與梁端位移之關係圖. 範例一：梁柱接頭彎矩與梁柱相對轉角之關係圖.
(37) 定溫加載數值範例與討論. 圖 3.6. 圖 3.7. 範例一：梁柱接頭之勁度與梁底溫度之關係圖. 範例一：梁底溫度 20℃，梁端集中載重 86.3 噸之變形圖. 55.
(38) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 3.8. 56. 範例一：梁底溫度 795℃，梁端集中載重 2.1 噸之變形圖.
(39) 定溫加載數值範例與討論. 表 3.3（a） 範例一：梁端集中載重與梁端位移 20℃ 梁端 載重 （噸）. 200℃ 梁端 位移. （mm）. 梁端 載重 （噸）. 300℃. 梁端 位移 （mm）. 梁端 載重 （噸）. 400℃. 梁端 位移 （mm）. 梁端 載重 （噸）. 梁端 位移 （mm）. 0.000. -0.531. 0.000. -0.589. 0.000. -0.663. 0.000. -0.760. 4.350. -2.786. 4.350. -3.089. 4.350. -3.480. 3.550. -3.391. 8.700. -5.041. 8.700. -5.589. 8.700. -6.296. 7.100. -6.023. 15.225. -8.424. 15.225. -9.339. 15.225. -10.521. 12.425. -9.985. 25.013. -13.499. 25.013. -14.979. 25.013. -16.875. 20.413. -16.550. 39.694. -21.121. 39.694. -23.897. 39.694. -26.953. 32.394. -27.653. 61.715. -33.369. 61.715. -50.321. 61.715. -76.655. 50.365. -60.494. 74.358. -154.345. 74.358. -180.036. 74.358. -206.589. 60.683. -103.582. 80.047. -224.921. 80.679. -260.898. 80.047. -280.104. 65.326. -135.798. 83.523. -277.500. 83.523. -307.444. 83.523. -337.401. 68.163. -186.574. 85.088. -330.342. 85.262. -376.296. 85.088. -398.585. 68.801. -239.624. 86.044. -436.117. 86.131. -495.810. 86.044. -512.371. 69.089. -300.709. 86.238. -483.344. 86.219. -518.617. 86.140. -535.261. 69.218. -349.657. 86.334. -513.515. 86.262. -531.236. 86.238. -561.961. 69.347. -440.277. 57.
(40) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 表 3.3（b） 範例一：梁端集中載重與梁端位移（續） 500℃ 梁端 載重 （噸）. 58. 600℃. 梁端 位移 （mm）. 梁端 載重 （噸）. 700℃. 梁端 位移 （mm）. 梁端 載重 （噸）. 795℃. 梁端 位移 （mm）. 梁端 載重 （噸）. 梁端 位移 （mm）. 0.000. -0.883. 0.000. -1.712. 0.000. -5.310. 0.000. -36.316. 2.750. -3.254. 1.650. -4.466. 0.800. -8.744. 0.125. -38.263. 5.500. -5.626. 3.300. -7.220. 1.600. -12.227. 0.250. -40.255. 9.625. -9.191. 5.775. -11.356. 2.800. -17.645. 0.438. -43.338. 15.813. -15.025. 9.488. -17.607. 4.600. -26.664. 0.719. -48.242. 25.094. -25.144. 15.056. -28.590. 7.300. -43.097. 1.141. -57.182. 39.015. -53.149. 23.409. -65.426. 11.350. -89.254. 1.563. -71.860. 47.008. -93.046. 27.725. -101.915. 13.443. -131.053. 1.847. -99.691. 50.604. -123.625. 30.363. -138.728. 14.721. -169.596. 2.132. -314.408. 52.802. -161.033. 31.681. -176.984. 15.297. -202.331. 2.169. -407.690. 53.791. -275.313. 32.275. -282.522. 15.648. -312.369. 2.173. -423.224. 53.927. -332.700. 32.438. -428.963. 15.720. -413.965. 53.989. -373.377. 15.724. -421.896. 54.016. -397.052.
(41) 定溫加載數值範例與討論. 表 3.4（a） 範例一：梁柱彎矩（M）與梁柱相對轉角（Θbc）. 20℃ 梁柱 彎矩 （N-m）. 200℃ 梁柱 相對 轉角. 梁柱 彎矩 （N-m）. 300℃ 梁柱 相對 轉角. 梁柱 彎矩 （N-m）. 400℃ 梁柱 相對 轉角. 梁柱 彎矩 （N-m）. 梁柱 相對 轉角. -7.99E+03. 7.54E-06. -7.99E+03. 8.36E-06. -7.99E+03. 9.42E-06. -7.99E+03. 1.08E-05. -1.40E+05. 1.02E-04. -1.40E+05. 1.14E-04. -1.40E+05. 1.28E-04. -1.16E+05. 1.24E-04. -2.73E+05. 1.88E-04. -2.73E+05. 2.08E-04. -2.73E+05. 2.35E-04. -2.24E+05. 2.24E-04. -4.71E+05. 3.16E-04. -4.71E+05. 3.50E-04. -4.71E+05. 3.95E-04. -3.86E+05. 3.76E-04. -7.69E+05. 5.08E-04. -7.69E+05. 5.64E-04. -7.69E+05. 6.36E-04. -6.29E+05. 6.14E-04. -1.22E+06. 7.97E-04. -1.22E+06. 9.11E-04. -1.22E+06. 1.03E-03. -9.93E+05. 1.01E-03. -1.88E+06. 1.31E-03. -1.88E+06. 2.00E-03. -1.88E+06. 2.77E-03. -1.54E+06. 2.14E-03. -2.27E+06. 5.50E-03. -2.27E+06. 5.95E-03. -2.27E+06. 6.36E-03. -1.85E+06. 3.38E-03. -2.44E+06. 6.85E-03. -2.46E+06. 7.60E-03. -2.44E+06. 7.88E-03. -1.99E+06. 4.41E-03. -2.55E+06. 8.35E-03. -2.55E+06. 8.94E-03. -2.55E+06. 9.57E-03. -2.08E+06. 6.70E-03. -2.60E+06. 1.07E-02. -2.60E+06. 1.20E-02. -2.60E+06. 1.24E-02. -2.10E+06. 9.37E-03. -2.62E+06. 1.56E-02. -2.63E+06. 1.76E-02. -2.62E+06. 1.78E-02. -2.11E+06. 1.24E-02. -2.63E+06. 1.78E-02. -2.63E+06. 1.87E-02. -2.63E+06. 1.89E-02. -2.11E+06. 1.47E-02. -2.63E+06. 1.92E-02. -2.63E+06. 1.93E-02. -2.63E+06. 2.02E-02. -2.12E+06. 1.88E-02. 59.
(42) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 表 3.4（b） 範例一：梁柱彎矩（M）與梁柱相對轉角（Θbc） 500℃ 梁柱 彎矩 （N-m）. 600℃ 梁柱 相對 轉角. 梁柱 彎矩 （N-m）. 700℃ 梁柱 相對 轉角. 梁柱 彎矩 （N-m）. 795℃ 梁柱 相對 轉角. 梁柱 彎矩 （N-m）. 梁柱 相對 轉角. -7.99E+03. 1.25E-05. -7.99E+03. 2.43E-05. -7.99E+03. 1.03E-04. -7.99E+03. 1.74E-03. -9.16E+04. 1.18E-04. -5.82E+04. 1.59E-04. -3.23E+04. 3.46E-04. -1.18E+04. 2.09E-03. -1.75E+05. 2.08E-04. -1.08E+05. 2.64E-04. -5.66E+04. 4.91E-04. -1.56E+04. 2.19E-03. -3.01E+05. 3.44E-04. -1.84E+05. 4.21E-04. -9.31E+04. 7.17E-04. -2.13E+04. 2.35E-03. -4.89E+05. 5.60E-04. -2.97E+05. 6.61E-04. -1.48E+05. 1.08E-03. -2.98E+04. 2.60E-03. -7.71E+05. 9.15E-04. -4.66E+05. 1.09E-03. -2.30E+05. 1.71E-03. -4.27E+04. 3.04E-03. -1.19E+06. 1.92E-03. -7.20E+05. 2.22E-03. -3.53E+05. 3.20E-03. -5.55E+04. 3.67E-03. -1.44E+06. 3.08E-03. -8.51E+05. 3.26E-03. -4.17E+05. 4.47E-03. -6.42E+04. 4.59E-03. -1.55E+06. 4.04E-03. -9.31E+05. 4.48E-03. -4.56E+05. 5.73E-03. -7.28E+04. 1.30E-02. -1.61E+06. 5.58E-03. -9.71E+05. 6.12E-03. -4.73E+05. 7.15E-03. -7.40E+04. 1.66E-02. -1.64E+06. 1.11E-02. -9.89E+05. 1.13E-02. -4.84E+05. 1.27E-02. -7.41E+04. 1.72E-02. -1.65E+06. 1.38E-02. -9.94E+05. 1.81E-02. -4.86E+05. 1.76E-02. -1.65E+06. 1.57E-02. -4.86E+05. 1.74E-02. -1.65E+06. 1.68E-02. 60.
(43) 定溫加載數值範例與討論. 表 3.5. 範例一：梁柱接頭之勁度（K）與梁底溫度（Tbbf）. 梁底溫度（Tbbf）. 接頭勁度（K）. （℃）. （N-m）. 20. 1.18E+09. 200. 1.07E+09. 300. 9.49E+08. 400. 8.01E+08. 500. 6.04E+08. 600. 3.16E+08. 700. 8.49E+07. 795. 9.26E+06. 61.
(44) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 第三節 範例二：梁受均佈載重與梁端為定向接續 範例二與範例一僅在載重與邊界條件不同而已。如圖 3.9 所示為一 座全焊接接合之梁─柱組合結構，柱上端為滾接支撐，柱下端為鉸接支 撐，梁端為定向接續端，且於梁中點設置側向支撐；尺寸大小如第二章 內容所述，在火爐內受定溫後，分別於柱頂端承受 240 噸之軸向載重（大 約是室溫 20℃之鋼柱軸向強度 20％） ，與梁上承受均佈載重，直到試體 破壞為止，由表 3.2 可知於定溫加載模擬試驗組別有：室溫 20℃、 200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、770℃。 本範例材料性質亦採用第二章所述的 EUROCODE3 S355 級的鋼 材，其常溫下降伏強度為 375 MPa，彈性模數為 220 GPa，密度為 7850 kg/m3，包松比為 0.3。. 圖 3.9. 62. 範例二：載重邊界條件示意圖.
(45) 定溫加載數值範例與討論. 經分析由圖 3.11 與表 3.6（a） 、 （b）可知試體在每一組溫度中，梁 端位移隨著均佈載重變大而進入塑性狀態，每一組位移量最多達 300mm，其原因在於梁端有定向接續的影響。其中試驗溫度 20℃、 200℃、300℃其梁端可承受的均佈載重大約為 54 噸/m，也是因為歐規 S355 級鋼材性質在 300℃其極限應力皆為相同所造成。當鋼材在超過 500℃，可承受均佈載重大小降到約為 34 噸/m，也約為試體室溫下可 承受的均佈載重之 2/3；到 770℃時，可承受的均佈載重降到約為 5.5 噸/m，這也因為鋼柱在超過 700℃，對於柱頂之軸向載重 240 噸已經開 始無法負荷，呈現不穩定狀態。 由圖 3.12 與表 3.7（a） 、 （b）可知範例一與範例二之接頭高溫性能 行為，並無明顯差異，這也可以由圖 3.13 與表 3.8 可以佐證，接頭之 初始勁度（K=M/Θbc）隨著試體溫度上升到 770℃而勁度遞減為室溫時 接頭勁度的 3％以下。 由圖 3.14 的變形圖可知，試體溫度在較低的溫度承受較大的梁上 均佈載重時，梁的部分已經進入塑性狀態，其變形量較大，但變形之幾 何形狀與範例一大不相同，而鋼柱變形量相對上來說比較小，所以梁端 位移量大多還是由梁之大變形所提供；但由圖 3.15 的變形圖可知，當 試體溫度高達 700℃以上，相對上來看，鋼梁的變形量較小，鋼柱的變 形量已經變大，可以看出鋼柱強度也已經快失效，比梁提早進入塑性狀 態，所以梁端位移大多由柱大變形所提供，且由圖 3.15 可知範例二的 柱的旋轉角度與梁的旋轉角度比範例一還大。. 63.
(46) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 3.10 範例二：有限元素模型. 圖 3.11 範例二：梁端集中載重與梁端位移之關係圖. 64.
(47) 定溫加載數值範例與討論. 圖 3.12 範例二：梁柱接頭彎矩與梁柱相對轉角之關係圖. 圖 3.13 範例二：梁柱接頭之勁度與梁底溫度之關係圖. 65.
(48) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 3.14 範例二：梁底溫度 20℃，梁上均佈載重 75 噸/m 變形圖. 圖 3.15 範例二：梁底溫度 795℃，梁端集中載重 1.6 噸/m 變形圖. 66.
(49) 定溫加載數值範例與討論. 表 3.6（a） 範例二：梁上均佈載重（UL）與梁端位移（Dbeam） 20℃ 均佈 載重 （噸. 200℃ 梁端 位移. （mm）. /m）. 均佈 載重 （噸. 梁端 位移 （mm）. /m）. 300℃ 均佈 載重 （噸. 梁端 位移 （mm）. /m）. 400℃ 均佈 載重 （噸. 梁端 位移 （mm）. /m）. 0.000. -0.460. 0.000. -0.510. 0.000. -0.574. 0.000. -0.658. 3.800. -1.533. 3.825. -1.700. 3.850. -1.915. 3.150. -1.930. 7.600. -2.607. 7.650. -2.890. 7.700. -3.256. 6.300. -3.203. 13.300. -4.217. 13.388. -4.675. 13.475. -5.267. 11.025. -5.125. 21.850. -6.633. 21.994. -7.357. 22.138. -8.289. 18.113. -8.177. 34.675. -10.260. 34.903. -11.592. 35.131. -13.134. 28.744. -13.619. 53.912. -17.845. 54.267. -27.260. 54.621. -34.827. 44.690. -27.945. 64.956. -55.222. 65.384. -63.213. 65.811. -72.934. 53.845. -47.783. 69.926. -75.392. 70.386. -88.915. 70.846 -109.799. 57.965. -96.932. 72.963 -109.960. 73.443 -144.488. 73.923 -180.009. 59.224 -141.378. 74.482 -151.427. 74.062 -164.806. 74.235 -192.438. 59.507 -155.374. 74.824 -166.149. 74.340 -175.623. 59.635 -162.243. 74.977 -174.004. 74.466 -180.891. 59.762 -170.180. 74.981 -177.804. 74.504 -182.565. 74.999 -180.396. 74.542 -184.532. 67.
(50) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 表 3.6（b） 範例：梁端均佈載重（UL）與梁端位移（Dbeam） 500℃ 均佈 載重 （噸. 600℃. 梁端 位移 （mm）. /m）. 均佈 載重 （噸. 700℃. 梁端 位移 （mm）. /m）. 均佈 載重 （噸. 795℃. 梁端 位移 （mm）. /m）. 均佈 載重 （噸. 梁端 位移 （mm）. /m）. 0.000. -0.765. 0.000. -1.482. 0.000. -4.612. 0.000. -30.922. 2.450. -1.916. 1.500. -2.847. 0.700. -6.299. 0.100. -32.225. 4.900. -3.067. 3.000. -4.211. 1.400. -8.006. 0.200. -33.573. 8.575. -4.801. 5.250. -6.261. 2.450. -10.634. 0.350. -35.697. 14.088. -7.551. 8.625. -9.364. 4.025. -14.956. 0.575. -39.254. 22.356. -12.411. 13.688. -14.859. 6.388. -22.752. 0.913. -45.428. 34.759. -25.423. 18.750. -24.057. 9.931. -41.822. 1.419. -67.925. 41.168. -40.386. 26.344. -71.968. 11.762. -59.917. 1.478. -80.696. 45.084. -85.519. 27.084 -100.750. 12.881. -94.635. 1.507. -95.173. 45.877 -114.231. 27.824 -160.772. 13.441 -168.098. 1.510. -95.185. 46.670 -161.285. 27.875 -166.564. 13.503 -172.409. 1.511. -95.395. 46.730 -165.830. 27.898 -169.344. 13.516 -175.806. 46.755 -167.951. 27.913 -172.145. 13.523 -178.546. 68.
(51) 定溫加載數值範例與討論. 表 3.7（a） 範例二：梁柱彎矩（M）與梁柱相對轉角（Θbc） 20℃ 梁柱 彎矩 （N-m）. 200℃ 梁柱 相對 轉角. 梁柱 彎矩 （N-m）. 300℃ 梁柱 相對 轉角. 梁柱 彎矩 （N-m）. 400℃ 梁柱 相對 轉角. 梁柱 彎矩 （N-m）. 梁柱 相對 轉角. -3.92E+03 4.75E-05 -3.90E+03 5.27E-05 -3.79E+03 5.94E-05 -3.69E+03 6.30E-05 -1.02E+05 1.35E-04 -1.02E+05 1.50E-04 -9.76E+04 1.69E-04 -7.55E+04 1.63E-04 -1.99E+05 2.58E-04 -2.04E+05 2.86E-04 -1.91E+05 3.22E-04 -1.47E+05 3.09E-04 -3.45E+05 4.42E-04 -3.53E+05 4.90E-04 -3.31E+05 5.52E-04 -2.55E+05 5.36E-04 -5.67E+05 7.19E-04 -5.85E+05 7.99E-04 -5.36E+05 9.00E-04 -4.10E+05 9.29E-04 -8.83E+05 1.13E-03 -9.00E+05 1.36E-03 -8.44E+05 1.60E-03 -6.49E+05 1.67E-03 -1.35E+06 3.39E-03 -1.36E+06 7.50E-03 -1.29E+06 9.70E-03 -9.92E+05 5.33E-03 -1.58E+06 1.87E-02 -1.53E+06 2.00E-02 -1.46E+06 2.14E-02 -1.17E+06 1.20E-02 -1.66E+06 2.55E-02 -1.64E+06 2.96E-02 -1.58E+06 3.58E-02 -1.28E+06 3.57E-02 -1.69E+06 4.07E-02 -1.70E+06 5.36E-02 -1.69E+06 6.56E-02 -1.34E+06 5.54E-02 -1.72E+06 5.78E-02 -1.71E+06 6.18E-02 -1.71E+06 7.07E-02 -1.35E+06 6.13E-02 -1.73E+06 6.37E-02 -1.71E+06 6.61E-02. -1.35E+06 6.42E-02. -1.73E+06 6.68E-02 -1.72E+06 6.83E-02. -1.35E+06 6.75E-02. -1.73E+06 6.83E-02 -1.72E+06 6.89E-02 -1.73E+06 6.94E-02 -1.72E+06 6.97E-02. 69.
(52) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 表 3.7（b） 範例二：梁柱彎矩（M）與梁柱相對轉角（Θbc） 500℃ 梁柱 彎矩 （N-m）. 600℃ 梁柱 相對 轉角. 梁柱 彎矩 （N-m）. 700℃ 梁柱 相對 轉角. 梁柱 彎矩 （N-m）. 795℃ 梁柱 相對 轉角. 梁柱 彎矩 （N-m）. 梁柱 相對 轉角. -3.59E+03 6.00E-05 -3.49E+03 7.28E-05 -3.36E+03 4.73E-05 -3.26E+03 3.51E-05 -5.96E+04 1.62E-04 -3.79E+04 1.95E-04 -1.84E+04 3.43E-04 -2.63E+03 2.03E-04 -1.15E+05 2.84E-04 -7.21E+04 3.52E-04 -3.33E+04 5.46E-04 -4.76E+03 7.82E-04 -1.99E+05 4.88E-04 -1.23E+05 5.87E-04 -5.51E+04 8.61E-04 -7.88E+03 1.71E-03 -3.19E+05 8.47E-04 -1.98E+05 9.60E-04 -8.81E+04 1.39E-03 -1.26E+04 4.45E-03 -5.04E+05 1.48E-03 -3.09E+05 1.92E-03 -1.38E+05 2.57E-03 -1.97E+04 1.08E-02 -7.65E+05 4.87E-03 -4.14E+05 4.11E-03 -2.13E+05 6.38E-03 -3.05E+04 2.54E-02 -9.11E+05 9.82E-03 -5.82E+05 2.30E-02 -2.50E+05 1.08E-02 -3.27E+04 2.68E-02 -9.79E+05 3.13E-02 -6.07E+05 3.67E-02 -2.74E+05 2.70E-02 -3.38E+04 2.77E-02 -1.03E+06 4.41E-02 -6.39E+05 6.31E-02 -3.02E+05 6.07E-02 -3.37E+04 2.88E-02 -1.07E+06 6.40E-02 -6.39E+05 6.55E-02 -3.04E+05 6.68E-02 -3.38E+04 2.88E-02 -1.07E+06 6.59E-02 -6.39E+05 6.67E-02 -3.04E+05 6.83E-02 -1.07E+06 6.68E-02 -6.39E+05 6.79E-02 -3.04E+05 6.95E-02. 70.
(53) 定溫加載數值範例與討論. 表 3.8. 範例二：梁柱接頭之勁度（K）與梁底溫度（Tbbf）. 梁底溫度（Tbbf）. 接頭勁度（K）. （℃）. （N-m）. 20. 1.12E+09. 200. 1.01E+09. 300. 8.59E+08. 400. 7.18E+08. 500. 5.50E+08. 600. 2.81E+08. 700. 5.09E+07. 795. 2.76E+06. 71.
(54) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 第四節 柱長細比之影響 考量範例一之邊界條件（梁端為自由端且受集中載重），改變柱之 長度（柱長度由 2 公尺變化到 10 公尺，且定溫於 20℃、350℃和 550 ℃） ，梁端施加一不使得試體破壞之力量（2.5 噸）。其中，柱長 2 公尺 及 10 公尺之邊界條件與 MESH 圖如圖 3.16、圖 3.17 所示；計算結果 變形和應力分佈如圖 3.18、圖 3.19 所示。由圖 3.18 可看出柱在兩公尺 時因柱較短較不易產生轉角，而圖 3.19 可以明顯的看出柱之變形。有 關梁柱相對轉角和梁端變位與柱長細比之關係如圖 3.20、圖 3.21 所示， 由圖 3.20 和表 3.9 可知柱長細比越大梁柱相對轉角就越大、且其關係 約成正比，另，由圖 3.21 和表 3.9 可看出柱長細比越大梁端位移也越 大、且其關係亦約成正比關係。 另，考量範例二之邊界條件（梁受均佈載重與梁端為定向接續）， 改變柱之長度（柱長度由 2 公尺變化到 10 公尺，且定溫於 20℃、350 ℃和 550℃） ，梁上施加一不使得試體破壞之力量（3 噸/公尺） ，其中， 柱長 2 公尺及 10 公尺之邊界條件與 MESH 圖如圖 3.22、圖 3.23 所示； 計算結果變形和應力分佈如圖 3.24、圖 3.25 所示。有關梁柱相對轉角 和梁端變位與柱長細比之關係如圖 3.26、圖 3.27 所示，由圖 3.26 和表 3.10 可知柱長細比越大梁柱相對轉角就越大、且其關係約成正比與範例 一雷同，由圖 3.27 和表 3.10 可看出柱長細比越大梁端位移也越大、且 其關係亦約成正比關係。 由以上分析可得，隨著溫度升高，梁柱接頭勁度逐漸降低，接頭越 易變形，梁柱相對轉角及梁端位移也越大。. 72.
(55) 定溫加載數值範例與討論. 圖 3.16 範例一：柱長為兩公尺之邊界條件與 MESH 圖. 圖 3.17 範例一：柱長為十公尺之邊界條件與 MESH 圖. 73.
(56) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 3.18 範例一：柱長為兩公尺之變形和應力分佈(定溫 20℃). 圖 3.19 範例一：柱長為十公尺之變形和應力分佈(定溫 20℃). 74.
(57) 定溫加載數值範例與討論. 圖 3.20 範例一：柱長細比與梁柱相對轉角之關係圖. 圖 3.21 範例一：柱長細比與梁端位移之關係圖. 75.
(58) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 表 3.9. 範例一：柱長細比、梁端位移和梁柱相對轉角. 20℃ 長細比. 梁柱 相對轉角 (mm/mm) (rad). 350℃ 梁端 位移 (mm). 長細比. 梁柱 相對轉角 (mm/mm) (rad). 550℃ 梁端 位移 (mm). 長細比. 梁柱 相對轉角 (mm/mm) (rad). 梁端 位移 (mm). 8.44E+00. 4.09E-05. -2.40E+00 8.44E+00. 4.77E-05. -3.01E+00 8.44E+00. 6.19E-05. -4.40E+00. 1.27E+01. 4.83E-05. -2.49E+00 1.27E+01. 5.70E-05. -3.12E+00 1.27E+01. 7.62E-05. -4.57E+00. 1.69E+01. 5.53E-05. -2.56E+00 1.69E+01. 6.59E-05. -3.21E+00 1.69E+01. 9.04E-05. -4.70E+00. 2.11E+01. 6.17E-05. -2.62E+00 2.11E+01. 7.41E-05. -3.28E+00 2.11E+01. 1.03E-04. -4.80E+00. 2.53E+01. 6.74E-05. -2.68E+00 2.53E+01. 8.13E-05. -3.35E+00 2.53E+01. 1.14E-04. -4.90E+00. 2.95E+01. 7.26E-05. -2.74E+00 2.95E+01. 8.79E-05. -3.42E+00 2.95E+01. 1.24E-04. -4.99E+00. 3.38E+01. 7.93E-05. -2.80E+00 3.38E+01. 9.62E-05. -3.49E+00 3.38E+01. 1.37E-04. -5.08E+00. 3.80E+01. 8.43E-05. -2.86E+00 3.80E+01. 1.02E-04. -3.55E+00 3.80E+01. 1.46E-04. -5.17E+00. 4.22E+01. 8.89E-05. -2.92E+00 4.22E+01. 1.08E-04. -3.62E+00 4.22E+01. 1.54E-04. -5.25E+00. 76.
(59) 定溫加載數值範例與討論. 圖 3.22 範例二：柱長為兩公尺之邊界條件與 MESH 圖. 圖 3.23 範例二：柱長為十公尺之邊界條件與 MESH 圖. 77.
(60) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 3.24 範例二：柱長為兩公尺之變形和應力分佈(定溫 350℃). 圖 3.25 範例二：柱長為十公尺之變形和應力分佈(定溫 350℃). 78.
(61) 定溫加載數值範例與討論. 圖 3.26 範例二：柱長細比與梁柱相對轉角之關係圖. 圖 3.27 範例二：柱長細比與梁端位移之關係圖. 79.
(62) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 表 3.10 範例二：柱長細比、梁端位移和梁柱相對轉角 20℃ 長細比. 梁柱 相對轉角 (mm/mm) (rad). 350℃ 梁端 位移 (mm). 長細比. 梁柱 相對轉角 (mm/mm) (rad). 550℃ 梁端 位移 (mm). 長細比. 梁柱 相對轉角 (mm/mm) (rad). 梁端 位移 (mm). 8.44E+00. 1.11E-04. -1.79E+00 8.44E+00. 1.48E-04. -2.39E+00 8.44E+00. 2.44E-04. -3.93E+00. 1.27E+01. 1.17E-04. -1.85E+00 1.27E+01. 1.57E-04. -2.47E+00 1.27E+01. 2.58E-04. -4.06E+00. 1.69E+01. 1.26E-04. -1.90E+00 1.69E+01. 1.67E-04. -2.53E+00 1.69E+01. 2.76E-04. -4.17E+00. 2.11E+01. 1.28E-04. -1.94E+00 2.11E+01. 1.70E-04. -2.59E+00 2.11E+01. 2.81E-04. -4.26E+00. 2.53E+01. 1.34E-04. -1.98E+00 2.53E+01. 1.79E-04. -2.65E+00 2.53E+01. 2.94E-04. -4.35E+00. 2.95E+01. 1.42E-04. -2.03E+00 2.95E+01. 1.90E-04. -2.70E+00 2.95E+01. 3.12E-04. -4.44E+00. 3.38E+01. 1.47E-04. -2.06E+00 3.38E+01. 1.96E-04. -2.75E+00 3.38E+01. 3.22E-04. -4.53E+00. 3.80E+01. 1.51E-04. -2.10E+00 3.80E+01. 2.01E-04. -2.80E+00 3.80E+01. 3.31E-04. -4.61E+00. 4.22E+01. 1.53E-04. -2.11E+00 4.22E+01. 2.08E-04. -2.86E+00 4.22E+01. 3.42E-04. -4.70E+00. 80.
(63) 定溫加載數值範例與討論. 第五節 數值結果討論 由數值範例中顯示，當結構所受之載重型態與邊界條件不同時，其 影響的部分有：梁端位移大小不同、承受載重大小不同、梁與柱之幾何 變形不同、梁的旋轉角不同、柱的旋轉角不同…等，但是對於載重所造 成的彎矩與梁柱相對轉角關係、梁柱接頭之勁度與彎矩極限承載能力並 沒有影響。由圖 3.28 為梁柱接頭之勁度比較與圖 3.29 梁柱接頭之彎矩 極限承載能力比較，可看出梁柱接頭高溫性能依舊一樣，不受邊界條件 與載重型態而改變。由圖 3.28 可看出，接頭勁度在 500℃內遞減速度 較慢，當超過 500℃時，接頭勁度遞減速度加快；由圖 3.29 可看出由 於歐規材料關係，所以在 300℃內的接頭彎矩極限承載能力差不多相 同，當超過 300℃之後，其彎矩極限承載能力開始迅速遞減。大約在 770℃，接頭勁度降至室溫時的 5％以下的與彎矩極限承載能力降至室 溫時的 10％以下，已經可以宣稱接頭失效。 另外，由第四節分析結果可以看出梁柱相對轉角與梁端變位和柱長 細比約成正比關係，且隨溫度上升，梁柱相對轉角與梁端變位之變化也 就越大，但其與柱長細比之關係約成正比仍然不變。. 81.
(64) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 3.28 範例一與範例二比較：接頭勁度與溫度關係圖. 圖 3.29 範例一與範例二比較：彎矩承載能力與溫度關係圖. 82.
(65) 定溫加載數值範例與討論. 表 3.11 梁柱接頭之勁度（K）與梁底溫度（Tbbf）. 接頭勁度（K） 梁底溫度（Tbbf） （N-m） （℃） 範例一. 範例二. 20. 1.18E+09. 1.12E+09. 200. 1.07E+09. 1.01E+09. 300. 9.49E+08. 8.59E+08. 400. 8.01E+08. 7.18E+08. 500. 6.04E+08. 5.50E+08. 600. 3.16E+08. 2.81E+08. 700. 8.49E+07. 5.09E+07. 795. 9.26E+06. 2.76E+06. 83.
(66) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 表 3.12 柱接頭之勁度折減百分比與梁底溫度（Tbbf）. 梁底溫度（Tbbf）. 84. 折減百分比 K/ K 20（％）. （℃）. 範例一. 範例二. 20. 100.0%. 100.0%. 200. 90.2%. 90.2%. 300. 80.1%. 76.9%. 400. 67.6%. 64.3%. 500. 50.9%. 49.2%. 600. 26.7%. 25.2%. 700. 7.2%. 5.6%. 795. 0.8%. 0.4%.
(67) 定溫加載數值範例與討論. 表 3.13 接頭之彎矩承載力（Mc）與梁底溫度（Tbbf）. 接頭彎矩承載力（Mc） 梁底溫度（Tbbf） （N-m） （℃） 範例一. 範例二. 20. -2.63E+06. -1.73E+06. 200. -2.63E+06. -1.72E+06. 300. -2.63E+06. -1.71E+06. 400. -2.12E+06. -1.35E+06. 500. -1.65E+06. -1.07E+06. 600. -9.94E+05. -6.39E+05. 700. -4.86E+05. -3.04E+05. 795. -7.41E+04. -3.38E+04. 85.
(68) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 表 3.14 柱接頭之彎矩承載能力折減百分比與梁底溫度（Tbbf）. 梁底溫度（Tbbf）. 86. 折減百分比 M/ Mc 20（％）. （℃）. 範例一. 範例二. 20. 100.0%. 100.0%. 200. 99.7%. 99.0%. 300. 99.5%. 98.7%. 400. 80.4%. 77.7%. 500. 62.7%. 61.6%. 600. 37.8%. 36.9%. 700. 18.5%. 17.5%. 795. 2.8%. 1.9%.
(69) 定載加溫試驗之數值範例與討論. 第四章 定載加溫試驗之數值範例與討論 第一節 前言 上一章的定溫加載模擬試驗之規劃目的在模擬與估算鋼結構梁柱 接頭在高溫情形中與在不同之邊界條件、載重型態、尺寸大小與軸力大 小下之梁柱接頭之性能，並且從中得其破壞載重與最大位移以及破壞彎 矩與梁柱相對轉角之關係。但是真實的高溫火場中，結構物的柱軸向載 重與梁上載重早已施加完成，而是隨時間變化，火場溫度上升，不均勻 加熱在鋼結構上，而造成鋼結構物的變形，並且使彎矩重新分配，對於 高溫受熱狀態下之結構設計而言，發展結合動力、熱力學效應之數值模 擬分析是必要的，本章目的在於了解鋼結構之高溫加熱進行中，鋼結構 梁柱隨溫度變化之結構行為，從中得其破壞溫度與最大位移以及破壞彎 矩與梁柱相對轉角之關係以檢核梁柱接頭在高溫加熱進行中之性能。 本章有三個範例，三個範例都使用相同的歐規鋼材之材料性質做定 載加溫試驗模擬，各範例之邊界、載重與加溫條件如表 4.1 與表 4.2 所 示。其中爐溫歷時採用 CNS 升溫曲線，如圖 4.1 所示，鋼材表面各部 溫度位分佈比例，如表 4.3 中所示，一直加溫到試體破壞為止. 87.
(70) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 表 4.1 定載加溫試驗數值模擬之範例說明. 模擬試 驗名稱. 範例三. 範例四. 範例五. 88. 基本載重邊界 條件. 第一階段. 第二階段. 第三階段. 載重模式. 載重模式. 載重模式. 梁端施加預定 之集中載重大 小。 上柱、下柱 與梁在火爐 內加溫直到 柱頂端施加 試體破壞為 軸向集中載 止。 重 2352kN（大 約室溫 20℃ 之鋼柱之軸 向強度之 20 梁上施加預定 ％） 。 之均佈載重大 小。 下柱與梁底 在火爐內加 溫直到試體 破壞為止。.
(71) 定載加溫試驗之數值範例與討論. 表 4.2 定載加溫試驗數值模擬之定載重組別. 範例 定載重試驗組別 名稱 柱載重. 2352kN. 範例三 梁載重. 0kN. 49kN. 柱載重. 98kN. 147kN. 196kN. 245kN. 2352kN. 範例四 梁載重. 0kN/m. 49kN/m. 柱載重. 98kN/m. 147kN/m. 196kN/m. 147kN/m. 196kN/m. 2352kN. 範例五 梁載重. 0kN/m. 49kN/m. 98kN/m. 89.
(72) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 4.1 試體之 CNS 升溫歷時模擬. 90.
(73) 定載加溫試驗之數值範例與討論. 表 4.3 升溫時溫度分佈比例. 受熱模式 上柱、下柱與梁 溫度區塊. 下柱與梁底. 加溫. 加溫. 爐溫. 1.38. 1.47. 梁底部翼鈑. 1.00. 1.00. 梁腹鈑. 1.06. 1.03. 梁頂部翼鈑. 1.02. 0.68. 下柱翼鈑. 1.03. 0.98. 下柱腹鈑. 1.14. 1.08. 梁柱接頭. 1.08. 1.05. 上柱翼鈑. 1.03. 0.4. 上柱腹鈑. 1.14. 0.4. 91.
(74) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 第二節 範例三：上柱、下柱與梁加溫（梁受集中載重） 圖 4.2 所示為範例三全銲接接合之梁柱組合結構，邊界條件、加載 方式與受熱模式如前述。經熱傳導分析所得之鋼材各部位溫度與時間的 關係如圖 4.3 所示。由圖中觀察可知，因為溫度的比例與 CNS 升溫的 關係，曲線的升溫方式都一樣，當火爐溫度達到 1152℃，試體的最高 溫度（下柱腹鈑）約 952 度，試體最低溫的部分（梁底部翼鈑）約 836 度，溫度因部位不同而有差異且火爐溫度不同，且可以由圖 4.4 觀察梁 與柱中心線溫度分佈大小。 梁底溫度與梁端位移之關係如圖 4.5 所示，梁底溫度與梁柱接頭轉 角之關係如圖 4.6 所示。由圖 4.5 可知，在定載下，爐溫升高，梁端位 移隨之增大，如同施加額外的載重使得變形越大，實際上為材料性質強 度下降，所以結構載重與熱載重都會大大地影響梁柱構件的行為。由圖 4.6 可知，溫度越高，梁柱相對轉角越大，且載重越大之組別，也會使 轉角加速增大，更易塑性破壞。圖 4.7 所示為高溫下梁柱接頭的結構變 形圖，圖中顯示柱有局部挫屈現象。. 92.
(75) 定載加溫試驗之數值範例與討論. 圖 4.2. 3D 有限元素模型示意圖. 圖 4.3 範例三：梁與柱各部位之溫度歷時圖. 93.
(76) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 4.4 範例三：梁中心線與柱中心線之溫度分佈歷時圖. 圖 4.5 範例三：梁底溫度與梁端位移之關係. 94.
(77) 定載加溫試驗之數值範例與討論. 圖 4.6 範例三：梁底溫度與梁柱相對轉角之關係. 圖 4.7 範例三：梁底溫度 695℃，49kN@2352kN 之變形圖. 95.
(78) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 第三節 範例四：上柱、下柱與梁加溫（梁受均佈載重） 圖 4.8 所示為範例四全銲接接合之梁柱組合結構，其邊界條件與範 例一之差別為梁端改為定向接續。因加熱方式與範例三相同，故經熱傳 導分析所得之鋼材各部位溫度與時間的關係與範例三相同。 梁底溫度與梁端位移之關係如圖 4.9 所示，梁底溫度與梁柱接頭轉 角之關係如圖 4.10 所示。由此可知，在定載下，爐溫升高，梁端位移 與梁柱相對轉角越大，且在越大的定載重之組別，也會使位移與轉角加 速增大，更易塑性破壞。圖 4.11 所示為高溫下梁柱接頭的結構變形圖， 其與範例三之變形曲線不同惟與範例三相同柱有局部挫屈現象。. 圖 4.8. 96. 3D 有限元素模型示意圖.
(79) 定載加溫試驗之數值範例與討論. 圖 4.9 範例四：梁底溫度與梁端位移之關係. 圖 4.10 範例四：梁底溫度與梁柱相對轉角之關係. 97.
(80) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 4.11 範例四：梁底溫度 695℃，49kN/m@2352kN 之變形圖. 98.
(81) 定載加溫試驗之數值範例與討論. 第四節 範例五：下柱與梁底加溫（梁受均佈載重） 圖 4.12 所示為範例五全銲接接合之梁柱組合結構，其邊界條件與、 加載方式與範例四相同，但受熱模式改為下柱與梁底加溫。經熱傳導分 析所得之鋼材各部位溫度與時間的關係如圖 4.13 所示。由圖中觀察可 知，當火爐溫度達到 1152℃，試體的最高溫度（下柱腹鈑）約 847 度， 試體最低溫的部分（上柱）約 282 度，這是由於受熱模式為下柱與梁底 加溫，所以溫度分佈差異極大，且可以由圖 4.14 觀察梁與柱中心線溫 度分佈大小。 梁底溫度與梁端位移之關係如圖 4.15 所示，梁底溫度與梁柱接頭 轉角之關係如圖 4.16 所示。其位移與轉角變形行為與範例四相同，但 因受熱模式不同，造成範例五之可承受之溫度皆比範例四大 50℃。高 溫下的梁柱接頭的結構變形如圖 4.17 所示，因為只有下柱與梁底受熱， 由圖可以看出下柱有局部挫屈現象，上柱則否且其上柱與下柱之相對變 形較範例四為大。. 99.
(82) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 4.12. 3D 有限元素模型示意圖. 圖 4.13 範例五：梁與柱各部位之溫度歷時圖. 100.
(83) 定載加溫試驗之數值範例與討論. 圖 4.14 範例五：梁中心線與柱中心線之溫度分佈歷時圖. 圖 4.15 範例五三：梁底溫度與梁端位移之關係. 101.
(84) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 圖 4.16 範例五：梁底溫度與梁柱相對轉角之關係. 圖 4.17 範例五：梁底溫度 695℃，49kN@2352kN 之變形圖. 102.
(85) 定載加溫試驗之數值範例與討論. 第五節 數值結果討論 在定載下，爐溫升高，梁端位移與相對轉角越大，如同施加額外的 載重使得變形越大，但實際上為材料性質強度下降，所以結構載重與熱 載重都會大大地影響梁柱構件的行為，且在越大的定載重之組別，也會 使位移與轉角加速增大，更易塑性破壞。 由於梁端定向接續端在高溫進行中會影響柱的側向位移與試體之 彎矩圖分佈。且在一定柱軸力下，定載重較小時加溫，先進入塑性狀態 的是柱，而不是梁，柱會有挫屈現象；反之，梁先進入塑性狀態。且試 體受熱分佈不同，也會造成柱之局部挫屈之現象。所以模擬高溫進行中 鋼結構梁柱接頭時，考慮真實載重邊界條件與受熱模式以符合真實結構 高溫反應行為。 定載加溫狀態下各範例其破壞溫度如下表所示： 表 4.4 極限溫度與載重組別關係（各範例比較，以梁底溫為準） 載重. 49kN. 98kN. 147kN. 196kN. 極限溫度（℃）. 695.7. 677.7. 638.5. 607.1. 載重. 49kN/m. 98kN/m. 147kN/m. 196kN/m. 極限溫度（℃）. 695.7. 669.8. 630.7. 591.5. 載重. 49kN/m. 98kN/m. 147kN/m. 196kN/m. 極限溫度（℃）. 742.5. 725.1. 672.8. 648.1. 範例三. 範例四. 範例五. 103.
(86) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 104.
(87) 結論與建議. 第五章 結論與建議 第一節 結論 1. 由 ANSYS 分析顯示，梁柱接頭之勁度、彎矩極限承載能力與溫度 及柱長細比有關，但與邊界條件及載重型態無關。 2. 接頭勁度在 500℃內遞減速度較慢，當超過 500℃時，接頭勁度遞減 速度加快。約在 770℃，接頭勁度降至室溫時的 5％以下。 3. 接頭彎矩極限承載能力在 300℃內變化不大，超過 300℃後，其彎矩 極限承載能力開始迅速遞減。約在 770℃，彎矩極限承載能力降至 室溫時的 10％以下。 4. 梁柱相對轉角與梁端變位和柱長細比約成正比關係，且隨溫度上升 而增加。. 105.
(88) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 第二節 建議 1. 建議一： 建立國內鋼材之高溫性質資料庫：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所防火中心。 協辦機關：相關研究單位。 目前國內鋼材在高溫環境下之性質資料仍相當有限，若直接引用其 他國家資料因成分與製程不盡相同故差異頗大，積極建立國內鋼材 之高溫性質資料庫應為當務之急。 2. 建議二： 持續進行各項耐火試驗：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所防火中心。 協辦機關：相關研究單位。 內政部建築研究所防火中心之耐火爐其性能堪稱世界首屈一指，持 續進行各項耐火試驗將對國內建築耐火性能之研究與設計有莫大裨 益。 3. 建議三： 建立高溫量測系統：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所防火中心。 協辦機關：相關研究單位。 內政部建築研究所防火中心之耐火爐其性能雖堪稱世界首屈一指， 惟在高溫狀態下欲量測試驗結果之系統尚待完整建立。本計畫若高. 106.
(89) 結論與建議. 溫量測系統建立後，能量測梁柱接頭之相對轉角，則可供分析驗證 並回饋修正數值模式。. 107.
(90) 鋼結構粱柱接頭高溫載重行為研究. 108.
(91) 附錄. 附錄 附錄一 鋼結構梁柱接頭高溫載重行為研究. 期初報告. 趙委員文成 李委員有豐. 專家綜合意見 執行情形 1.因試體皆在爐內，如以 LVDT 量測位移，因 LVDT 不耐高溫，只能以延伸桿或於爐外量 依所提意見納入考量。 測，因此需要詳加考慮其佈設位置及受高溫之 影響？ 2.LVDT 所量到的是試體的整體行為，而試體的 破壞卻常常是從局部先開始，再逐漸擴大破 依所提意見納入考量。 壞，所以應多加注意觀察破壞之起始位置及原 因？ 3. 鋼材在高溫下的性質組成律資料是很重要 擬持續蒐集相關資料，並提請 的，如此在分析時才能確實輸入材料性質，模 建研所考量是否自行建置相 擬出較實際的行為？ 關試驗設備。 鋼構耐火行為相關課題甚 4.火災現場消防隊常以水柱直接噴射滅火，本研 多，因研究時程與經費關係， 究是否可以考慮噴水對材質之影響？或無噴 提請建研所參考另列計畫探 水讓其自然降溫對材質之影響？ 討。 5.規劃試驗所用試體的梁長度較短，彎矩變小、依所提意見於試驗與分析過 剪力變大，應注意是否會有剪力破壞的問題？ 程納入考量。 6.國內火災現場構件實際破壞情形，事實上接頭 處破壞的並不多，反而是梁扭曲變形破壞的案 依所提意見納入考量。 例較多，此現象請多參考。 1.在進行 ANSYS 數值分析之前，建議先進行與 子計畫二同一批鋼材之高溫下應力-應變行為 結構試驗前先進行同批鋼材 (或稱為高溫下之組成律)，此一組成律應是溫 之材料試驗較為理想。提請建 度、溫度梯度、加溫速率與材料之常溫下之參 研所參考採購高溫材料試驗 數(如 Young’s Modulus 等)之函數。當然收集 設備。 資料建成資料庫亦是可行,但不若建立組成律 函數後可放入 ANSYS 之分析模式,來的方便。 2.定載加溫部分亦請考慮加溫速率之變化，看試 依所提意見納入考量。 驗結果是否對於此項變數敏感?. 109.
數據
+7
相關文件
“ Consumer choice behavior in online and traditional supermarkets: the effects of brand name, price, and other search attributes”, International Journal of Research in Marketing,
It is always not easy to control the process of construction due to the complex problems and high-elevation operation environment in the Steel Structure Construction (SSC)
(1982), “An Investigation into the Determinants of Customer Satisfaction,” Journal of Marketing Research, Vol. 1996), “Relationship Marketing in Consumer Markets,” Journal
This study discussed the pipelines of different materials, such as PVC pipes and steel pipes, with different water contents in different depths of standard sand (Ottawa sand), and
一、 I 型鋼樑橋 (I-Shape Steel Girder Bridges) 二、 箱型鋼梁橋 (Box Girder Steel Bridgers) 三、 桁架鋼橋 (Steel Truss Bridgers).. 四、 鋼拱橋 (Steel
Y., (1997), “Resource recovery of sludge as building and construction materials — a future trend in sludge management,” Journal of Water Science and Technology, Vol. J.,
本研究為了將結構物內的牆以不同單位重來做比較，在計算每棟
Keywords： ： ： ：Rolling Door, Insulation, TRIZ, Goldfire Innovator.. In the present, most of the rolling door products in the market are made of steel or
