報告內容

本研究報告內容共分為五個章節，第一章為緒論，第二章是對梁柱 交會區提出一套力學模型以預測交會區剪力強度，並建立其與剪變形之

關係，第三章是實尺寸梁柱接頭反覆載重實驗規劃設計、試體製作與試 驗程序等之敘述說明，第四章則是試驗結果與討論，第五章為實驗結論 與建議。

第二章 CFT 梁柱接頭之力學行為

2.1 前言

韌性抗彎構架於設計時皆要求結構系統以強柱弱梁理念設計之，此 乃希望以梁構件之韌性變形能力吸收並消散地震力所傳入結構體之能 量，避免柱構件受地震水平力作用時造成結構體之崩塌，以提升結構體 整體安全性。而經國外學者研究報告（Krawinkler 1978）中指出，鋼結 構梁柱交會區採剪力降伏型式消能，可達穩定之消能特性。而 CFT 結構 之梁柱交會區乃是由鋼與混凝土之複合型式，故於梁柱交會區力學行為 之預測就顯得其複雜性，故對於梁柱交會區之剪力強度與彈性勁度之理 論推導上，更顯其重要性。

於本章節將先由國內外相關研究與規定開始，爾後介紹梁柱接頭力 學分析與梁柱交會區之力學行為及梁柱交會區變位與梁端位移之關 係，由此探討接頭區之力學行為，並推導出適用於本研究之 CFT 結構梁 柱交會區之力學模型。

2.2 國內外相關研究與規定

國內外已有不少鋼管混凝土梁柱接頭研究，以下相關重要文獻做一 概述：

Kang 等人（Kang et al. 2001）研究採用 T 型加勁板，附加鋼棒或板 貫穿矩形鋼管混凝土柱式接頭，並用有限元素分析試體行為。實驗結果

指出此系列接頭有效增加試體彎曲強度與旋轉勁度，有限元素分析與實 驗結果相當符合。

Ricles 等人（1995）研究採用內橫隔板與梁腹板，對應矩形鋼管內 壁裝設剪力釘等四組試體，對於混凝土在交會區剪力強度貢獻，則採用 三種不同設計方式，藉以探討法規上限值。實驗結果指出較小寬厚比可 提高交會區剪力強度，且由兩種不同設計方式與 ACI 規範比較，由實驗 資料得知 ACI 規範高估混凝土對交會區剪力強度貢獻。

林克強，蔡克銓（2000）研究採用六組上下夾型外橫隔板矩形鋼管 混凝土梁柱接頭，試體以橫隔板寬度、橫隔板與梁翼填角銲長度為參 數。實驗結果指出所有試體破壞均為梁翼板與橫隔板破裂，此種破壞模 式屬於韌性破壞。填角銲銲道均無破壞，實驗結果也指出 70 ksi 銲材使 用於 A36 鋼材甚為保守，試體且若於填角銲末端施予回頭銲接，則可避 免接頭脆性破壞發生。試體彎矩強度發展極為穩定，均超過梁塑性彎矩 強度，其應變硬化因子正方向 1.19 負方向 1.08，其梁端塑性旋轉角可達 3%~5%相當優異。

鐘立來等人（2000）研究採用七組配置內橫隔板矩形鋼管混凝土梁 柱接頭進行試驗，如圖 2.1 所示。以徑厚比與是否填充混凝土為參數，

並且建立梁柱交會區剪力勁度理論模型，模擬地震力作用下交會區行 為。實驗結果顯示鋼管徑厚比較小時，交會區彈性勁度並無顯著提升，

灌注混凝土對交會區剪力強度有明顯幫助。其所提出交會區理論模型也 較 AIJ 規範準確，但由於梁翼板與鋼管間銲道發生脆性破壞，所以應採 用較新式接頭與研究中所發展的交會區理論模型配合。

鐘立來等人（2001）研究採螺栓穿透式之梁柱接頭，如圖 2.2 所示，

設計規劃四組實尺寸試體，以梁柱交會區鋼管寬厚比為主要變數，針對 梁柱交會區之消能行為進行研究探討。並提出梁柱交會區行為之理論模 型。試驗結果顯示，隨鋼管之寬厚比之減少，梁柱交會區之行為於彈性 勁度與強度上都有所提升，使得梁柱交會區於彈性勁度與極限強度方面 皆較以往一般接合方式高，但由於柱腹板穿孔之影響，導致應力集中於 孔位沿線，最終破壞於此。試體整體韌性佳，採梁柱交會區剪力變形作 為消能機制之 CFT 梁柱接頭為其特性與優點。由所提出交會區行為理論 模型可準確預估梁柱交會區之剪力強度。

陳誠直於 2002 年研究設計一貫穿翼板補強式接頭，其貫穿翼板貫 穿鋼管並以開槽銲與鋼管接合，而貫穿翼板延伸出柱面段則與鋼梁填角 銲接合。採此接合細節乃藉翼板貫穿鋼管傳遞應力導入交會區，避免梁 柱交接面之應力集中；由柱面延伸段補強梁翼板斷面，並於延伸段末端 形成塑鉸以消散地震能量。設計規劃四組實尺寸梁柱接頭試體試驗，兩 組高交會區剪力容量試體，預期非彈性變形集中於夾型板末端塑鉸處。

另兩組試體為低交會區剪力容量，預計非彈行變形由梁與交會區共同承 受。試驗結果顯示貫穿翼板可有效傳遞梁翼作用力至梁柱交會區，高交 會區剪力容量之試體整體韌性良好；低交會區剪力容量試體，明顯可見 由交會區產生剪力變形。

2.2.1 Krawinkler 梁柱交會區理論

Krawinkler 於研究報告中指出鋼結構梁柱交會區之剪力降伏具有穩 定消能特性，為了分擔梁端的塑性變形需求，亦使梁柱交會區產生剪力

降伏以達到梁與梁柱交會區共同消能的目的。梁柱交會區之力學行為主 要受到剪力控制，Krawinkler 所提出之梁柱交會區力學模型，乃是於 H 型鋼骨梁柱交會區於受力時，梁翼所傳遞之剪力會使接頭承受一組不平

入交會區，將會高估傳入梁柱交會區的剪力。若柱腹板的厚度為t ，_cw t_cf

Krawinkler 亦將之簡化為：

G t d

K =0.95 _{c cw} （2.9）

降伏強度V 可由下式表示為： _y

Vy =0.95d_ct_cw

國外學者研究指出（Krawinkler 1978, and Tasi and Popov 1990）於 梁柱交會區中在不平衡梁彎矩作用下之剪應力實際上分布並不均勻，應

Vu =V_y +3γ_y K_p =V_y ⎟⎟

由 Krawinkler 的試驗結果顯示指出，若梁柱交會區有良好的韌性，

在反覆載重作用下其遲滯消能迴圈穩定且可重複製造，甚至經過極大的 非 線 性 扭 曲 ， 在 交 會 區 發 生 對 角 挫 屈 後 ， 強 度 也 沒 有 明 顯 下 降 。 Krawinkler 於研究報告中亦指出於接頭區若過度的變形會造成不良影 響，可能在柱翼與梁翼相接處附近產生局部摺曲(local kink)，如圖 2.7。

這些局部摺曲處容易使銲接的銲道產生應變集中情形，進而造成銲道或 母材的破裂。Krawinkler 亦提到當柱受軸力作用時，依 Von Mises 降伏 準則，其降伏強度應乘上一折減因子α，這也是造成降伏強度小於V 的_y Krawinkler 亦指出此因子並不適用於塑性設計。

此外，於美國 UBC 規範(1994)中所規定梁柱交會區在4γ_y時的強

2.2.2 日本 AIJ 規範於梁柱交會區強度規定

(

_{c c}

)

2.4.1 鋼管混凝土梁柱交會區剪力降伏強度與剪力勁度

於本文中所研究之 CFT 接頭，鋼管內填充混凝土，於交會區設置貫 穿式翼板。鋼管混凝土梁柱交會區於受剪時，混凝土與鋼管本身並無相 對錯動產生，乃因產生共同之變形，故可視為個別獨力作用，並依據其 所對應之剪力勁度分配受力大小。同時假設 CFT 梁柱交會區之剪力勁度 K 可分為鋼管之抗剪勁度K 及混凝土之抗剪勁度_s K 所共同承擔，其表_c 示如下：

c

s K

K

K = + （2.19）

於梁柱交會區剪力降伏強度之定義，乃是當梁柱交會區之剪應變達 降伏剪應變時，所對應梁柱交會區之剪力強度，其包括鋼管與混凝土之 剪力強度。而梁柱交會區強度採疊加原理，於鋼管部份以三線段之剪力 與剪變形關係描述各階段之行為。混凝土部份除考慮降伏剪應變及極限 剪應變之發生時機外，亦考慮混凝土受鋼管之包覆與軸向三方向圍束，

於其達極限剪應變後，強度可以極限剪力強度表示之，乃以三線段模型 描述。而 CFT 梁柱交會區剪力強度V ，可由鋼管所提供之剪力強度V 及_s 混凝土所提供之剪力強度V 直接疊加而得，由下式表示： _c

c

s V

V

V = + （2.20）

以下將分鋼管與混凝土個別討論之。

（1） 鋼管部份

本試驗之試體乃於梁柱交會區中採翼板貫穿鋼管與混凝土，當梁端

其中τ為剪應力，G 為鋼材之剪力模數。 _s

( )

而鋼管本身亦屬平面應力狀態，σ₃ =0，將之代入 Von Mises 剪力

（2） 混凝土部份

3 1

0

其中V_y,c為降伏剪力 ，V_u,c為極限剪力，τ_avg為平均剪應力，A 為梁_c

(

²

) (

^5.2

)

³

並根據上述所推導之交會區力學模型，以線性疊加後，如圖 2.14 所示，

亦可模擬出本文中試驗試體梁柱交會區剪力與剪應變之關係，以供學術 參考。

2.5 梁柱子結構變位分析

此試驗子結構之梁柱接頭由油壓致動器施予梁端位移造成柱體、梁 柱交會區及梁產生變形，油壓致動器所施予梁端總位移δ_b,total主要包括三 種變形分量，如圖 2.15 所示，包括有：梁柱交會區剪力變形所引致的梁 端變位δ_pz、柱變形所引致的梁端變位δ_c及梁本身之變位δ_b。梁端總位

移δ_b,total如式（2.61）表示：

pz b c total

b δ δ δ

δ _, = + + （2.61）

以下章節將介紹此三種變形分量之計算方式與變形模式。

(一) 梁柱交會區剪力變形計算

梁柱交會區剪力變形量γ ，乃依據配置於交會區對角線上之位移計

（π gauge）所量測到交會區對角線之伸長與縮短量（δ₁與δ₂），再由 交會區變形幾何關係推換得知的，如圖 2.16 所示。並假設交會區在柱兩 側受到梁端不平衡彎矩後，其變形為一平行四邊形，根據平行四邊形對 角線伸長或縮短量相等之特性，可由平行四邊形幾何關係推導而得下 式：

( )

[

dh +γdv ² +dv²

]

¹² =

(

dh² +dv²

)

¹² +δav （2.62）

其中d 、_h d 各為柱深與梁深，_v γ 為交會區之剪力變形，δ_av為平行四

方向之傾斜儀所量測而得。在只考慮柱體變形所引致之梁端變位，不考

示：

c pz total b

b δ δ δ

δ = _, − − （2.72）

就梁端對柱中心之總變形角θb,total =δb,total

(

Lb +dc ²

)

而言，由梁變形 所造成之接頭轉角即可用總變形角扣除交會區剪力變形與柱變形引致 接頭轉角得到：

c pz total b

b θ θ θ

θ = _, − − （2.73）

第三章 實尺寸梁柱接頭反覆載重試驗

3.1 前言

如本文第一章所述，本研究計劃乃屬於一整合型計劃中之子計劃，

試驗子結構乃取一三層鋼管混凝土抗挫屈斜撐（2D Full-scale 3-Story

試驗子結構乃取一三層鋼管混凝土抗挫屈斜撐（2D Full-scale 3-Story

在文檔中 鋼與混凝土複合構造之行為研究---子計畫：矩形鋼管混凝土柱與H型鋼梁抗彎接頭行為之研究(II) (頁 20-0)