含溫度效應之二維剛架彈塑性分析

鋼結構雖然具有質量輕、強度高及韌性佳等優點,在土木工程上可廣泛的應用於高層建築或大跨度橋梁等建築,但相較於其他傳統建材如鋼筋混凝土,鋼結構卻也更容易於高溫下喪失其強度,產生大量變形並降低其極限承載力,因此實有必要對於鋼結構在火害作用下之力學行為作更深入的了解。  本文希望藉由有限元素法探討平面構架在溫度效應下之非線性行為,首先以更新式拉格蘭治推演法(Updated Lagrangian Formulation)推導二維梁元素在溫度效應下之增量平衡方程式,並利用零長度塑性鉸法模擬結構之彈塑性行為,另外為了考慮高溫時材料的軟化現象,採用由Eurocode 3規範所訂定的材料折減係數。經由與文獻中鋼結構火害分析資料的驗證,顯示本文所建立的數值方法的確可有效模擬結構在溫度作用下之變形行為及臨界溫度(critical temperature)。最後,透過一系列的參數分析,可了解結構束制條件的改變,或者溫度沿斷面分佈情形的不同,都會影響結構的極限強度以及最後的崩塌機構(collapse mechanism);此外,關於加載路徑以及幾何瑕疵(geometrical imperfection)等問題,也將以範例作一相關的討論。

作者:陳俊傑