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研究生: 王士銘
Wang, Shih-Ming
論文名稱: 火害後梁柱接頭銲接區拉力實驗之研究
The Post-Fire Experiment of Steel Beam-to-Column Welded Joints Using Small-Scale Tension Specimens
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: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 140
中文關鍵詞: 火害後梁柱銲接接頭熱處理機械性質
外文關鍵詞: Post-Fire, Beam-to-Column Welded Joint, Heat Treatment, Mechanical Property
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  • 本研究將實尺寸箱型柱與H型梁之梁柱銲接接頭,加工製作成小型之梁柱接頭十字試體來進行火害後的拉力實驗。製作試體所選用的鋼材為SN490B,而十字試體主要由柱內隔板、箱型柱翼板及H型梁翼板三部份銲接製作組成;除了對照組試體(未熱處理試體)以外,其餘製作好的試體將放入高溫爐中加熱至900℃後,再分別以「空氣冷卻」及「水中冷卻」來模擬梁柱銲接接頭火害後之兩種冷卻情形,本研究針對「未熱處理」、「空氣冷卻」和「水中冷卻」三組試體,分別進行標準拉伸試驗、硬度試驗和拉力實驗,透過以上試驗瞭解梁柱銲接接頭受火害後,鋼材機械性質與破壞模式的變化,梁柱接頭十字試體(柱翼板= 25 mm)拉力實驗的部分結果顯示:有背墊板全滲透銲接試體中,空氣冷卻試體之最大拉力減少5%,韌性參數提升3%,水中冷卻試體之最大拉力提升17%,韌性參數減少87%;無背墊板全滲透銲接試體中,空氣冷卻試體之最大拉力減少5%,韌性參數減少1%,水中冷卻試體之最大拉力提升71%,韌性參數減少26%。試體的破壞模式顯示:空氣冷卻試體均在梁翼板端斷裂,與未熱處理試體破壞模式類似;水中冷卻試體因水冷淬火的關係且銲材的碳含量比鋼材少,因此銲道中所形成的麻田散鐵組織其硬度值較梁翼板與柱內隔板為低,也造成銲道之抗拉強度較梁翼板與柱內隔板低,所以造成水中冷卻試體容易在梁翼板與柱內隔板銲接之FCAW銲道處斷裂。

    This study made small-scale tension specimens from full-scale steel beam-to-column welded joints to perform post-fire tensile experiments. All the specimens were made by SN490B steel. A specimen was composed of a column diaphragm plate, a box-column flange plate and a H-beam flange plate, and the three steel plates were connected by welding. Except for the control group specimens (without heat treatment), the other specimens were heated to 900℃ and then were cooled down by “air cooling” and “water cooling” to simulate the two cooling situations for beam-to-column welded joints after fire. The three groups of specimens (i.e., control group, air-cooling group and water-cooling group) were all tested by standard tensile test, hardness test and tensile experiment to investigate the material property and failure mode variations. The tensile experiment results of some small-scale tension specimens (column flange thickness=25mm) are as follows. In the CJP welded specimens with backing bars, the maximum load decreased 5% and the toughness parameter increased 3% for the air-cooling specimens. For the water-cooling specimens, the maximum load increased 17% and the toughness parameter decreased 87%. In the CJP welded specimens without backing bars, the maximum load decreased 5% and the toughness parameter decreased 1% for the air-cooling specimens. For the water-cooling specimens, the maximum load increased 71% and the toughness parameter decreased 26%. The failure modes of small-scale tension specimens showed that the air-cooling specimens all fractured at the beam flange plates, which were similar to the specimens without heat treatment. For the water-cooling specimens, due to the water quenching and the lower carbon content in weld metal, the hardness value of martensite formed in the weld pass was lower than those of beam flange and column diaphragm plates. The tensile strength of the weld pass was also lower than those of beam flange and column diaphragm plates. As a result, water-cooling specimens usually fractured at the FCAW weld pass between beam flange plate and column diaphragm plate.

    目錄 摘要 I Abstract III 誌謝 V 目錄 VII 表目錄 IX 圖目錄 XI 符號表 XIII 第一章 緒論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 研究目的 5 1.3 研究方法 6 1.4 論文架構 8 第二章 文獻回顧 15 2.1 前言 15 2.2 梁柱接頭相關研究 15 2.3 火害後鋼材相關研究 16 第三章 梁柱接頭十字試體規劃與製作 19 3.1 前言 19 3.2 試驗規劃 20 3.2.1 試體規劃 20 3.2.2 鋼材熱處理 23 3.3 試體鋼材與銲材介紹 27 3.3.1 SN490B鋼材 27 3.3.2 KFX-71T銲材(FCAW用銲材) 28 3.3.3 TWE-721銲材(EGW用銲材) 28 3.4 梁柱接頭十字試體製作 29 3.4.1 試體製作程序 30 3.4.2 試體編號 34 第四章 標準拉伸試驗與硬度試驗 53 4.1 前言 53 4.2 標準拉伸試驗 53 4.2.1 試驗儀器介紹 54 4.2.2 試驗流程 54 4.2.3 試驗結果 56 4.3 硬度試驗 60 4.3.1 試驗儀器介紹 62 4.3.2 試驗流程 62 4.3.3 試驗結果 63 第五章 梁柱接頭十字試體拉力實驗 79 5.1 前言 79 5.2 試驗儀器介紹 79 5.3 試驗流程 80 5.4 試驗結果 81 第六章 試驗結果討論 103 6.1 前言 103 6.2 未熱處理試體 103 6.3 空氣冷卻試體 104 6.4 水中冷卻試體 105 6.5 結果與文獻比較 109 6.6 萬能試驗機系統變形 110 第七章 結論與建議 127 參考文獻 133 附錄一 137 自述 140 表目錄 表1- 1各試體破壞模式數量統計表(林克強等人,2008) 10 表3- 1 SN490B鋼材之材料規格表(鋼結構設計手冊,2005) 38 表3- 2 KFX-71T銲材化學成份表 39 表3- 3 KFX-71T銲材機械性質表 39 表3- 4 TWE-721銲材化學成份表 39 表3- 5 TWE-721銲材機械性質表 39 表3- 6試體組裝材料表 40 表3- 7標準拉伸試片尺寸 40 表3- 8梁柱接頭十字試體尺寸 40 表3- 9各試體編號總表 41 表4- 1 Instron 2620-602 General Specification 67 表4- 2 Instron 2620-602 適用範圍 67 表4- 3 SN490B鋼材以900℃熱處理後在不同方式冷卻後之標準拉伸試驗結果 67 表4- 4未熱處理試體與熱處理試體之機械性質比較結果 68 表5- 1所有梁柱接頭十字試體之拉力實驗結果 86 表5- 2有背墊板全滲透銲梁柱接頭十字試體機械性質比較 86 表5- 3無背墊板全滲透銲梁柱接頭十字試體機械性質比較 86 表5- 4梁柱接頭十字試體之韌性參數(Ut)比較 87 表6- 1未熱處理試片和升溫至900℃不同冷卻方式之試片彈性模數比較 112 表6- 2未熱處理試片和升溫至900℃不同冷卻方式之試片降伏強度比較 112 表6- 3未熱處理試片和升溫至900℃不同冷卻方式之試片抗拉強度比較 112 表6- 4未熱處理試片和升溫至900℃不同冷卻方式之試片延伸率比較 113 表6- 5未熱處理試片和升溫至900℃不同冷卻方式之試片斷面縮減率比較 113 圖目錄 圖1- 1梁柱複合構件受一層間變位角(θ)之示意圖 11 圖1- 2北嶺地震後鋼骨抗彎構架之梁柱接頭銲接區破壞型式(Bruneau等人,1998) 12 圖1- 3台灣常用之三種梁柱抗彎接頭 12 圖1- 4 H型梁與箱型柱之梁柱接頭破壞圖 13 圖1- 5 ISO 834升溫曲線圖 13 圖3- 1梁柱接頭與十字試體示意圖 42 圖3- 2梁柱接頭與十字試體示意圖(側視) 42 圖3- 3有背墊板全滲透銲接與無背墊板全滲透銲接示意圖 43 圖3- 4試體規劃圖 44 圖3- 5鐵碳平衡圖 45 圖3- 6體心立方與面心立方結構圖 46 圖3- 7試體組裝細部示意圖 47 圖3- 8試體製作照片(試體組裝銲接步驟) 48 圖3- 9試體製作照片(切割步驟) 49 圖3- 10標準拉伸試片設計圖 50 圖3- 11梁柱接頭十字試體設計圖 51 圖4- 1標準拉伸試驗設備 69 圖4- 2延伸計Instron2620-602 69 圖4- 3標準拉伸試驗流程圖 70 圖4- 4試體夾持後之長度 71 圖4- 5 SN490B柱隔板試片與梁翼板試片試驗破壞情形 72 圖4- 6 SN490B柱隔板試片與梁翼板試片試驗斷面圖 73 圖4- 7 SN490B鋼材以900℃熱處理後在不同方式冷卻後之應力應變曲線 74 圖4- 8硬度計G&R HT1000A 74 圖4- 9硬度試驗之量測方向 75 圖4- 10硬度計操作說明 75 圖4- 11硬度試驗所量測之硬度值 76 圖4- 12硬度試驗所量測之抗拉強度 76 圖4- 13熱影響區(HAZ)示意圖 77 圖5- 1拉力實驗設備 88 圖5- 2拉力實驗流程圖 89 圖5- 3十字試體夾持後之長度 90 圖5- 4十字試體以900℃熱處理後在不同方式冷卻後之力與儀器輸出位移關係圖 90 圖5- 5試體W-NB-T25與W-NB-T35再進行加工示意圖 91 圖5- 6試體W-NB-T25拉力實驗結果 92 圖5- 7未熱處理十字試體N-B-T25拉力實驗前後照片 93 圖5- 8未熱處理十字試體N-NB-T25拉力實驗前後照片 94 圖5- 9空氣冷卻十字試體A-B-T25拉力實驗前後照片 95 圖5- 10空氣冷卻十字試體A-NB-T25拉力實驗前後照片 96 圖5- 11水中冷卻十字試體W-B-T25拉力實驗前後照片 97 圖5- 12水中冷卻十字試體W-NB-T25拉力實驗前後照片 98 圖5- 13水中冷卻十字試體W-B-T35拉力實驗前後照片 99 圖5- 14水中冷卻十字試體W-NB-T35拉力實驗前後照片 100 圖5- 15未熱處理十字試體拉力實驗後試體破壞斷面情形 101 圖5- 16空氣冷卻十字試體拉力實驗後試體破壞斷面情形 101 圖5- 17水中冷卻十字試體拉力實驗後試體破壞斷面情形 102 圖6- 1試體W-B-T25未試驗照片 114 圖6- 2試體W-B-T25梁翼板側破壞情形之細部照片 115 圖6- 3試體W-B-T25柱面板側破壞情形之細部照片 116 圖6- 4試體W-B-T35梁翼板側破壞情形之細部照片 117 圖6- 5試體W-B-T35柱面板側破壞情形之細部照片 118 圖6- 6試體W-NB-T25未試驗照片 119 圖6- 7(a)試體W-NB-T25梁翼板側破壞情形之細部照片 120 圖6- 7(b)試體W-NB-T25梁翼板側破壞情形之細部照片 121 圖6- 8(a)試體W-NB-T25柱面板側破壞情形之細部照片 122 圖6- 8(b)試體W-NB-T25柱面板側破壞情形之細部照片 123 圖6- 8(c)試體W-NB-T25柱面板側破壞情形之細部照片 124 圖6- 9水冷試體W-B-T25之位移計讀值與電腦讀值比較 125 圖6- 10水冷試體W-NB-T25之位移計讀值與電腦讀值比較 125

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    下載圖示 校內:2016-09-02公開
    校外:2021-08-31公開
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