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研究生:李明憲
研究生(外文):Ming-XianLi
論文名稱:結構用鋼材火害後反覆載重行為之研究
論文名稱(外文):The Study on Cyclic Behaviors of Structural Steel after Fire
指導教授:鍾興陽
指導教授(外文):Xing-Yang Zhong
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:土木工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:188
中文關鍵詞:非線性有限元素法反覆載重熱處理火害後梁柱接頭
外文關鍵詞:Nonlinear Finite-Element MethodCyclic LoadingHeat TreatmentAfter FireBeam-to-Column Connection
相關次數:
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本研究將結構用SN490B鋼材放入高溫爐加熱至900ºC後,以空氣冷卻和水中冷卻來模擬火害後可能發生之兩種降溫情形,並製作未受火害、火害後空氣冷卻、火害後水中冷卻三組各兩支反覆載重用試棒,每組試棒再分別進行固定應變及漸增應變不同應變歷程的反覆載重試驗,藉以瞭解SN490B鋼材於高溫火害後可能的反覆載重之行為與求取其相關硬化參數。試驗結果顯示:未受火害試棒與氣冷試棒出現循環硬化之現象,且氣冷試棒之降伏應力折減16.75%;水冷試棒則出現循環軟化之現象,且水冷試棒之降伏應力提升47.62%。此外,本研究使用非線性有限元素軟體,在相同梁柱斷面尺寸條件下,建立五種國內常見梁柱接頭數值模型(即:普通梁柱接頭、蓋板與側板補強梁柱接頭、圓弧式與梯形變斷面式切削梁柱接頭),並導入反覆載重試驗所得之硬化參數,進行五種國內常見梁柱接頭受高溫火害後之反覆載重實驗數值模擬。數值模擬結果顯示:由於氣冷後鋼材強度略微下降,補強與切削之氣冷梁柱接頭數值模型梁柱接頭之梁於柱面所提供之抗彎強度將低於原未受火害前梁於柱面之標稱塑性彎矩值(Mf),但仍可以滿足AISC對於特別抗彎構架梁柱接頭在變形與撓曲強度之兩項規定;而各組水冷之梁柱接頭數值模型,皆於梁柱銲道處發生斷裂破壞,無法使梁柱接頭發揮預期之塑性變形能力,已無法符合AISC對於特別抗彎梁柱接頭構架之規定。
In this study, the structural steel SN490B was heated to 900℃, and then was cooled down by air and water respectively to simulate two kinds of cooling situations for steel structures after fire. Three groups of round bar specimens, including non-fire damaged group, air-cooling group and water-cooling group, were manufactured for cyclic loading test. The two specimens in each group were tested by constant-strain and increased-strain cyclic loading histories respectively to understand the possible cyclic behaviors of high-temperature fire damaged SN490B steel and to acquire the related hardening parameters. The test results showed that cyclic hardening occurred in the non-fire damaged and air-cooling steel and the yield stress of the air-cooling steel decreased 16.75%. Cyclic softening occurred in the water-cooling steel and the yield stress of the water-cooling steel increased 47.62%. Besides, this study also developed the nonlinear finite-element models for five common beam-to-column connections, i.e. traditional connection, cover-plate connection, side-plate connection, radius-cut flange profile connection and tapered flange profile connection, in Taiwan. The hardening parameters acquired from the previous cyclic loading tests were substituted into the nonlinear finite-element models to perform the numerical simulations of the cyclic loading experiments for the five common beam-to-column connections after high-temperature fire. The numerical simulation results showed that the beam flexural resistance at the column face for each air-cooling connection was lower than the nominal plastic moment at column face (Mf) of each associated non-fire damaged connection for the reason of slightly decreased strength of air-cooling steel, but still could meet the two AISC deformation and flexural strength requirements for beam-to-column connections in special moment frames. All the water-cooling beam-to-column connections fractured at the beam-to-column welds, and could not meet the AISC plastic deformation requirement for beam-to-column connections in special moment frames.
摘要 I
Abstract III
誌謝 V
目錄 VII
表目錄 X
圖目錄 XI
符號表 XV
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 3
1.3 研究方法 4
1.4 論文架構 7
第2章 文獻回顧 12
2.1 前言 12
2.2 火害後鋼材相關研究 12
2.3 金屬材料反覆載重試驗相關研究 14
2.4 鋼結構補強與切削梁柱接頭相關研究 15
第3章 有限元素分析相關理論 18
3.1 前言 18
3.2 非線性結構分析 18
3.3 工程與真實應力-應變轉換 19
3.4 彈塑性力學理論 21
3.4.1 降伏準則 21
3.4.2 塑性流法則 22
3.4.3 硬化法則 22
3.4.4 硬化參數迴歸 23
3.5 接觸理論 26
3.6 疊代收斂性 27
3.7 元素理論 28
第4章 反覆載重試驗與硬化參數迴歸 36
4.1 前言 36
4.2 試體鋼材介紹 36
4.3 試驗規劃 37
4.3.1 試體規劃 37
4.3.2 鋼材熱處理 38
4.4 反覆載重試棒製作 40
4.4.1試棒製作程序 40
4.4.2 試體編號 41
4.5 反覆載重試驗 43
4.5.1 試驗儀器介紹 43
4.5.2 試驗載重歷程 44
4.5.3 試驗流程 44
4.5.4 試驗結果 45
4.6 反覆載重試棒數值模型 48
4.6.1 數值模型設定與組數命名 49
4.6.2 邊界束制及加載條件 51
4.7 硬化參數迴歸結果 52
第5章 實尺寸梁柱接頭反覆載重數值模擬 89
5.1 前言 89
5.2 基本假設 90
5.3 數值模型設定與組數命名 90
5.3.2 實尺寸UR梁柱接頭模型 91
5.3.3 火害後實尺寸梁柱接頭模型 91
5.4 材料參數 95
5.4.1 彈性模數與柏松比 95
5.4.2 硬化參數 95
5.5 接觸設定 96
5.6邊界束制及加載條件 97
5.7 網格設定 98
5.7.1 元素選定 98
5.7.2 網格劃分 99
5.8 後處理 100
第6章 實尺寸梁柱接頭數值模型模擬結果 112
6.1 前言 112
6.2 實尺寸梁柱接頭模型模擬結果分析準則 112
6.2.1 試體破壞模式之判斷準則 113
6.2.2 SMF梁柱接頭反覆載重試驗之合格判定準則 115
6.3 實尺寸UR梁柱接頭模型之驗證 117
6.3.1 模擬結果與試驗結果比較 117
6.3.2 小結 119
6.4 火害後實尺寸梁柱接頭數值模型之模擬結果 120
6.4.1 普通梁柱接頭數值模型之模擬結果 120
6.4.2 蓋板補強梁柱接頭數值模型之模擬結果 123
6.4.3 側板補強梁柱接頭數值模型之模擬結果 128
6.4.4 圓弧式切削梁柱接頭數值模型之模擬結果 132
6.4.5 梯形漸變斷面式切削梁柱接頭數值模型之模擬結果 136
6.4.6 小結 140
第7章 結論與建議 174
7.1 結論 175
7.2 建議 176
參考文獻 178
附錄A 181

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