前言

本研究之目的在以實尺寸梁柱接頭次構件之高溫試驗來探討 H 型梁-箱型柱之彎矩接頭在火害中之結構行為，因受限於實驗設 備無法模擬整棟鋼構建築物在火害中之情況，且梁柱接頭次構件 可於實驗中模擬與真實梁柱接頭在承受靜載重作用下相似之彎 矩，如圖2-1 所示。

一般抗彎構架之耐震設計原理，乃以強柱弱梁之概念作為出 發點，讓構架在遭受地震力之作用下，於梁端產生塑性鉸，藉此 消散地震時輸入結構之能量，達到耐震消能的效果。但在北嶺及 阪神地震之後，發現許多梁柱接頭卻在尚未產生塑性變形前就已 先達破壞，突顯出傳統銲接及施工方法之缺陷，以及傳統梁柱接 合方式無法提供梁柱接頭足夠韌性與強度。

若要將梁柱接頭的耐震消能之優點有所發揮，首先應防止梁 柱接頭在進入塑性變形前發生破壞，而由地震後構架破壞情形中 得知，破壞處往往發生於梁柱接合面，此處不但是銲接所造成之 熱影響區，也為地震側力作用下發生最大彎矩的位置，故造成脆 性破壞之因素較多，若構架在設計時能將塑性鉸移離應力複雜之 梁柱接合面，將有利於構件發展塑性消能機制，達到抵抗地震力 作用之效果。國內外學者及 FEMA-350（2000）提出梁柱接頭改良 方法，並經過動態遲滯迴圈實驗證明，改良試體之塑性鉸需確實 能遠離柱面銲道，且塑性轉角容量大於 3％，表示改良之梁柱接頭 能有效的抵抗強震，並達到消能目的。

本研究之實尺寸彎矩接頭尺寸乃參照國內某鋼結構大樓，配 合其分析結果之彎矩圖，將梁之反曲點到梁柱接合面設定為試體

耐震補強式接頭火害行為研究

之梁長，其長度為1900（mm），試體柱高則是柱彎矩反曲點間的 高度，其高度為4350（mm）。其梁柱斷面形式乃採用國內最常見 的 H 型梁以及箱型柱作設計依據，梁斷面尺寸為 488×300×11×18

（mm），柱之斷面尺寸則為 BOX 600×600×25×25（mm），相關 的梁柱尺寸以及斷面尺寸示意圖如2-1 所示。

國內常見之梁柱接頭主要有兩種，分別是普通彎矩接頭與托 梁式彎矩接頭。本文所指的普通彎矩接頭之接合型式為鋼梁翼板 以全滲透槽銲與柱翼板接合，剪力片與梁腹板採高拉力螺栓栓 接，通常多在工地現場直接梁柱接合。其優點為施工快速、梁不 必分段接合。但銲接品質因工地銲接而不易管控為其缺點；托梁 式彎矩接頭之接合方式為托梁以全滲透銲與柱翼板接合，通常在 鋼構廠內製作托梁與鋼柱接合，再於工地現場進行托梁與連接梁 接合。此種接合型式具有銲接品質較佳之優點，唯梁需分段續接 與施工較繁複為其缺點。故在決定試體尺寸後，選擇上述兩種國 內常見之鋼構梁柱接合方式做為試體梁柱接合之型式。

本研究整體規劃試驗共製作 4 組梁柱接頭試體以進行高溫火 害實驗。其中梁柱試體分別編號為：

試體 A-普通鋼托梁式彎矩接頭 試體 B-耐火鋼托梁式彎矩接頭 試體 C-側板補強彎矩接頭 試體 D-圓弧切削彎矩接頭

其中試體 A 與 B 之火害試驗已於 97 年進行完成，相關研究成 果發表於文獻[32,33]中，對於前揭試驗部分，本文則不予過多贅 述，僅擷取試驗結果與數值分析部分與本(100)年進行之試體 C 與 D 火害實驗結果相互比對。由於試體 C 與 D 之接頭形式需另行設 計，故於本文中另闢章節說明相關設計之方法。

第二節 試體鋼材與銲接

試 體 箱 型 柱 係 採 鋼 板 銲 接 方 式 組 立 ， 斷 面 型 號 為 BOX600×25t，所使用的鋼板為中鋼公司生產之 SN490B 鋼板，材 料證明如圖2-2 所示，梁的部份採用東和鋼鐵公司生產 SN490B 材 質之 RH488×300×11×18 型鋼；托梁部份：普通鋼托梁亦採用 SN490B 材質之 RH488×300×11×18 型鋼，耐火鋼托梁則因國內尚 未 生 產 耐 火 鋼 之 H 型 熱 軋 型 鋼 ， 先 行 使 用 中 鋼 公 司 生 產 SN490C-FR 鋼板組立成 BH488×300×11×18 型鋼。試體栓接所使用 螺栓為春雨公司生產S10T M24 扭矩控制型螺栓(斷尾螺栓)，試體 銲接所使用銲材為天泰公司生產之TWE721、TWE711、 TL-76A1 銲材與廣泰公司生產KF330×KW-3 銲材。試體所使用鋼材與銲材 如表2-1 所示，試體鋼材強度如表 2-2 所示。

2.1 SN490B 鋼材

SN 級鋼材專用於建築結構耐震設計，其符合 CNS 13812 G3262-03 建築結構用鋼標準，而 SN 級鋼材依照銲接性與耐震性 能的好壞又有 A、B、C 的等級之分，以 C 等級最佳；SN 級的鋼 材較一般構造用SS 級鋼材(CNS G3039-92)與銲接結構用 SM 級鋼 材(CNS 2947 G3057-03)在化學成份與碳當量上的要求較嚴格，表 2-3 為 SN490B 的化學材料規格表。

鋼材在銲接過程中，於高束制接合位置很容易產生層狀撕裂 現象(Lamellar tearing)，及梁柱接頭在承受地震反覆應力後，於銲 接熱影響區內、外均易發生脆性撕裂現象，以及柱續接處易發生 受拉斷裂等情形，為避免發生這些現象必須提高鋼結構之可銲 性、衝擊韌性及耐震性。影響鋼材之耐震性能之主要因素歸納如 下：

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1. 降伏強度上、下限(狹降伏強度)

降伏強度上、下限的規定可以控制鋼材降伏強度的變異性。鋼 材降伏強度變異性過大時會導致如下的顧慮：（1）強柱弱梁 的設計理念無法落實；（2）三維構架在非彈性階段可能產生 額外的地震力偏心或扭矩；（3）可能引致接合強度不足；（4）

容量設計的理念無法落實。SN-B系列鋼材厚度在12mm 以上之 B 級鋼板及厚度在16mm 以上之C 級鋼板，其降伏強度有上 限及下限之規定(3.3~4.5tf/cm²)，抗拉強度範圍限制(5~6.2 tf/cm²)

2. 降伏比上限

鋼材之降伏比為實測降伏強度與實測抗拉強度之比值。鋼材降 伏比較低可使梁柱接頭的塑性鉸區增長，這樣除可減少應力集 中現象外，亦可增加塑性轉角容量，提升梁-柱接頭之延展性及 消能容量。日本JIS 規範規定降伏比不得大於0.8；美國ASTM 則規定不得大於0.85。另一個影響梁-柱接頭延展性及消能容量 的重要因素為梁-柱接頭型式，美國對梁-柱接頭型式有明確的 規定（如切削式或補強式梁-柱接頭），鋼材降伏比則採用比日 本稍微寬鬆的規定，不得大於0.85。國內SN-B系列之型鋼或鋼 板其降伏比須小於0.8。

3. Charpy 衝擊值(Charpy V-notch 簡稱CVN)

鋼材雖具有高強度與甚佳之延展性，但仍無法避免應力集中所 產生的疲勞裂縫，及阻止裂縫急速延伸。為確保鋼材之韌性及 抗疲勞性，並提高阻止裂縫急速延伸的能力，除從接頭及附加 構件之接合細部設計上，須避免產生應力集中現象及降低載重 所產生的最大及最小應力的差值(或應力幅stress range)外，鋼 材之衝擊韌性 (Charpy V-notch 簡稱CVN)吸收能量值一般須

達27J (焦耳) (亦即2.8kgf-m)以上，才能有效阻止裂縫的急速延 伸。衝擊值越高表示產生相同斷裂面所需的能量越高，衝擊值 越高就越不容易產生不穩定的裂縫成長（或稱脆性斷裂），因 此對銲接瑕疵的容忍度也較高。Charpy 衝擊值受測試時的溫 度及加載速率（loading rate）的影響很大，測試時的溫度越低，

加載速率越高，試驗所得之Charpy 衝擊值越小。

4. 厚度方向斷面縮率

厚度方向斷面縮率指的是拉伸試片受力後，在厚度方向上產生 頸縮斷裂後，斷裂面的斷面積縮率。斷面縮率越高表示鋼材厚 度方向的延展性或韌性越高。梁-柱接頭區柱翼板與梁翼板交接 處，柱翼板在厚度方向承受由梁塑性鉸區傳遞過來的應力，此 應力可能超過梁翼板的降伏強度而進入應變硬化階段。此外柱 構材還要承受本身的軸向力以及彎矩，因此柱翼板在與梁翼板 的交接處有很嚴重的應力集中現象，其中又以柱翼板厚度方向 的應力最大。為調節這種局部區域的應力集中現象並避免導致 脆性斷裂或層狀撕裂，柱翼板厚度方向需要具有良好的延展性 或韌性。

5. 碳當量

若要使用經濟而方便的銲接方法進行鋼結構的銲接，母材的碳 當量必須受到限制。碳當量主要在反應鋼材銲接後的冷裂敏感 性，母材碳當量過高容易在銲接後的熱影響區產生脆硬的麻田 散鐵，麻田散鐵很容易補捉氫原子，加上殘留應力的牽引，氫 原子聚集形成氫分子(氫氣)進而構成裂縫，造成銲接缺陷。此 種裂縫一般在銲道溫度下降至室溫後才產生，因此稱為冷裂；

又這種裂縫肇因於氫的聚集，因此又稱為氫裂，此種缺陷往往 在 銲 後 一 段 時 間 才 產 生 ， 所 以 又 稱 為 延 遲 破 裂(delayed fracture)。

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(1) 磷有極佳的肥粒鐵強化(Ferrite Strengthening)效應，使鋼材之 硬度及強度增加。但在延展性及韌性方面却相對不利。

(1) 硫在鋼中有利於切削性(Machinability)。

(2) 硫含量太高對鋼材的韌性有不利的影響。硫一般多以硫化錳 態薄膜，以致造成熱脆性(Hot Shortness)。

(3) 随著含硫量增加，鋼材的銲接性(Weldability)會随著下降。

本研究自試驗所使用之SN490B 材質的 RH488×300×11×18 型 鋼上取樣，製作拉伸試驗所需試體，並進行各溫度下之拉伸試 驗，得到在各溫度下的楊氏模數、降伏強度與極限強度折減如表 2-4、表 2-5、圖 2-3 與圖 2-5 所示。可發現 SN490B 鋼材在 300 度時因藍脆現象，其抗拉強度大於常溫時的強度。而在600 度時 SN490B 鋼材強度已剩下不到常溫時的 1/3，過 600 度後 SN490B 鋼材強度開始大幅衰退，隨著試驗溫度的上昇，降伏強度與極限 強度的差距已逐漸縮小。

2.2 SN490C－FR 鋼材

不論耐火鋼或傳統鋼材其降伏強度均隨著溫度上升而下降，

而耐火鋼材之下降趨勢較緩。傳統鋼材在超過 500oC 後降伏強度 已開始大幅地下降，到 600oC 時，強度僅只有常溫下之 0.4 倍；

而耐火鋼材在溫度超過600oC 後，降伏強度才開始下降，在 600oC 時強度尚能維持在原有強度的 0.6 倍左右，0.6 倍的降伏強度為不 考慮斷面應力重分配時鋼構件之最大容許應力，即在600℃時之降

而耐火鋼材在溫度超過600oC 後，降伏強度才開始下降，在 600oC 時強度尚能維持在原有強度的 0.6 倍左右，0.6 倍的降伏強度為不 考慮斷面應力重分配時鋼構件之最大容許應力，即在600℃時之降