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研究生: 洪健晉
Hung, Chien-Chin
論文名稱: 高強度螺栓於高溫環境下之抗剪行為量測與數值模擬
Measurement and Numerical Simulatuion for Shear-Resistance Behavior of High Strength Bolts at High Temperature
指導教授: 鍾興陽
Chung, Hsin-Yang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 155
中文關鍵詞: 高溫螺栓有限元素法折減
外文關鍵詞: Finite Elemen, High-Temperature, Reduction, Bolt
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  •   本論文利用高溫拉伸試驗與高溫實尺寸螺栓雙剪試驗結果,探討國內土木建築鋼結構常用之10T等級高強度螺栓高溫下機械性質,並將試驗結果作詳細之分析、比較與討論,亦將蒐集的各國高強度螺栓高溫下試驗資料整理出詳盡之強度與折減比較,根據所彙整的資料,合理歸納出8T等級高強度螺栓、10T等級高強度螺栓和10T等級高強度耐火螺栓之各溫度下極限強度折減曲線,並以此曲線再與國內常用之SN490系列鋼板比較其強度折減,得知常溫與高溫下之鋼結構螺栓接頭設計差異。此外,本研究也利用ABAQUS/Standard有限元素軟體做為數值模擬工具,建立一套合理模擬高溫實尺寸螺栓雙剪行為之數值模型,並以此數值模擬結果驗證所進行的高溫實尺寸螺栓雙剪試驗量測之可行性,而高溫拉伸試驗結果將作為數值模型建立之基礎,所模擬的結果與真實雙剪試驗結果相近,顯示所建立的有限元素數值模型可成功模擬高溫環境下之螺栓抗剪行為。

      This thesis tested and studied the high-temperature mechanical properties of frequently used 10T class high strength bolts in Taiwan by the results from high-temperature tension coupon tests and real-scale double shear bolt tests. The high temperature test data of high strength bolts from other countries were collected and analyzed to develop the averaged high-temperature strength reduction curves of 8T class, 10T class and 10T-FR class bolts. These curves were compared with the strength reduction curves of SN490 class plates to discuss the design limit states of connections at high temperatures. In addition, the finite element software, ABAQUS/Standard, was employed to construct the numerical model for simulating the shear-resistance behavior of real-scale high strength bolts at high temperatures. The numerical results agree well with the experimental results from the high temperature double shear bolt tests, and the finite element model successfully simulates the shear-resistance behavior of high strength bolts at high temperatures.

    摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 V 表目錄 IX 圖目錄 XI 符號表 XIV 第一章 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 6 第二章 文獻回顧 9 2.1 前言 9 2.2 高強度螺栓於高溫下之性質 9 2.3 螺栓接合之有限元素數值分析 12 第三章 試驗規劃與試驗過程 15 3.1 前言 15 3.2 試體種類與製作 16 3.2.1 試體種類 16 3.2.1.1 JSS S10T高強度扭剪型螺栓 17 3.2.1.2 JIS F10T高強度螺栓 17 3.2.1.3 鉻鉬合金高強度耐火螺栓 19 3.2.2 試體規劃及編號 20 3.2.2.1 高溫標準拉伸試驗用試體 20 3.2.2.2 高溫實尺寸螺栓雙剪試驗用試體 21 3.3 試驗設備儀器介紹 22 3.3.1 高溫標準拉伸試驗儀器介紹 22 3.3.1.1 動態拉伸試驗機 22 3.3.1.2 加熱裝置 23 3.3.1.3 水冷散熱裝置 23 3.3.1.4 溫度測定裝置 23 3.3.1.5 伸長量測定裝置 24 3.3.2 高溫實尺寸螺栓雙剪試驗儀器介紹 24 3.3.2.1 1000 kN動態萬能試驗機 25 3.3.2.2 電子式加溫爐 25 3.3.2.3 耐高溫雙剪試體固定具 26 3.3.2.4 水冷式套桶 27 3.3.2.5 沉水泵浦 27 3.3.2.6 熱電耦式溫度計 28 3.3.2.7 非接觸式位移量測系統 28 3.4 高溫試驗過程 30 3.4.1 高溫標準拉伸試驗 30 3.4.1.1 試驗之試體與儀器準備 30 3.4.1.2 試驗流程 31 3.4.2 高溫實尺寸螺栓雙剪試驗 32 3.4.2.1 試驗之試體與儀器準備 32 3.4.2.2 相關程式之操作與設定 35 3.4.2.3 試驗流程 36 3.4.2.4 試驗誤差分析 37 第四章 試驗結果與討論 57 4.1 前言 57 4.2 高溫標準拉伸試驗結果 57 4.2.1 彈性模數比較 58 4.2.2 降伏強度比較 59 4.2.3 極限強度比較 60 4.2.4 延伸率與斷面延伸率比較 62 4.3 高溫實尺寸螺栓雙剪試驗結果 64 4.3.1 抗雙剪力比較 65 4.3.2 剪力面錯動位移量比較 65 4.4 兩種高溫試驗結果比較 66 4.4.1 F10T高強度螺栓 67 4.4.2 鉻鉬合金高強度耐火螺栓 67 4.5 各國高強度螺栓強度比較 68 4.6 高強度螺栓與鋼板之折減強度比較 72 第五章 高溫下螺栓抗剪行為之數值模擬 101 5.1 前言 101 5.2 螺栓材料性質模擬 102 5.2.1 柏松比(Poisson’s Ratio) 102 5.2.2 彈性模數(Elastic Modulus) 103 5.2.3 塑性性質(Plastic Behavior) 103 5.3 有限元素分析之相關理論 104 5.3.1 有限元素法 105 5.3.2 Von Mises 降伏準則 106 5.3.3 Newton-Raphson演算法 107 5.3.4 收斂性之判斷準則 111 5.4 ABAQUS有限元素分析方法 113 5.4.1 基本假設 113 5.4.2 模型建立方法 114 5.4.2.1 幾何形狀 115 5.4.2.2 材料參數之設定 115 5.4.2.3 非線性結構分析 119 5.4.2.4 邊界條件之給定 120 5.4.2.5 接觸條件之給定 121 5.4.2.6 元素之選擇 122 5.4.2.7 網格之劃分原則 123 5.4.3 收斂性分析 124 5.5 分析結果 126 5.5.1 F10T高強度螺栓定溫加載雙剪試驗 126 5.5.2 鉻鉬合金高強度耐火螺栓定溫加載雙剪試驗 128 5.6 比較與討論 129 第六章 結論與建議 149 參考文獻 151 自序 155

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