第五章 其他影響鋼骨抗彎梁柱接頭韌性之因素
5.2 實驗結果
此系列實驗試體的破壞模式定義如下：
1.破壞模式 A：由扇型開孔趾所衍生的開裂。
2.破壞模式 B：由梁翼板外緣與鋼質止弧板間縫隙所衍生並進入梁端母材的開裂。
3.破壞模式 C：由梁翼板外緣與鋼質止弧板間縫隙所衍生並進入橫隔板端母材的 開裂。
4.破壞模式 D：由梁翼板與橫隔板間的銲道所衍生的開裂。
5.破壞模式 E：由於梁翼板局部挫屈而導致的破壞。
6.破壞模式 F：由扇型開孔趾的預先銲道（tack welding）所衍生的開裂。
試體的破壞情形敘述如下：
1.使用 E5 鋼材、傳統扇型開孔方式、廠銲的試體大部分產生破壞模式 A 之破壞 使用。
2.B6 鋼材、傳統扇型開孔方式、現場銲接的試體主要出現模式 A 之破壞。
3.使用 B6 鋼材、廠銲的試體，不論扇型開孔方式為何，其破壞模式幾乎為 B 或 C，但主要為破壞模式 B。
4.使用 B6 鋼材、現場銲接、陶質止弧板的試體，其破壞模式為 B 或 C。
5.破壞模式 D 僅出現於下列二組試體：FB6B3F-Os2、FB6B7F-Os2。
6.使用 E5 鋼材、鋼構內銲接、改良式 A 或 B 型扇型開孔方式的試體，主要的破 壞模式為模式E、另有一個為模式 B。
7.儘管在銲接完成後沒有移除背墊板，但 86 組試體中並沒有試體由背墊板或其 銲接處產生開裂或破壞。
實驗結果（詳表 5.1）以累積塑性轉角倍率（η ）作為韌性或能量消散容量
的評估標準；η的定義為累積塑性轉角除以塑性轉角（θP）。在此系列的實驗中 以累積塑性轉角倍率為40 當作試體韌性容量的衡量標準，使用此衡量標準的原 因為：假設鋼骨抗彎構架的柱為鋼體，而最大層間變位為2﹪弧度，因此塑性轉 角亦為2﹪弧度。累積塑性轉角倍率為 40 相當於其累積塑性轉角為 40﹪弧度，
亦即在此構架在往復外力的作用下，至少可以維持層間變位為2﹪弧度的狀態下 經過10 次以上的往復作用仍保持安全。
針對實驗參數對於實驗結果的影響討論如下：
（1）扇形開孔的影響
關於改良式 A 型扇形開孔方式以及改良式 B 型扇形開孔方式方面，採用廠 銲、E5 或 E6 鋼材的試體，其累積塑性轉角倍率有明顯的增加；但是採用廠銲、
B6 鋼材的試體，其累積塑性轉角倍率則與使用傳統扇形開孔方式的試體無甚差 異。
由試驗觀察發現：（1）使用 E5 或 E6 鋼材、傳統扇形開孔方式的試體，其 破壞都從扇形開孔趾衍生、（2）使用 B6 鋼材的試體，不論其所採用的扇形開孔 方式為何種，其開裂是從梁荷重端產生、（3）對於梁翼板與梁腹板接合處的能量 吸收容量而言，B6 鋼材優於 E5 或 E6 鋼材、（4）採用改良式 A 型或 B 型扇形開 孔、E5 或 E6 鋼材的試體，其失敗的原因是因梁腹板局部挫屈造成的強度衰減。
因此對於E5 或 E6 鋼材的梁而言，使用改良式 A 型或 B 型扇形開孔方式可以改 善梁腹板與梁翼板接合處應力集中的現象，並且由應力集中的破壞模式轉變至因 強度衰減而失敗的破壞模式。
對於使用廠銲、B6 鋼材的試體而言，採用改良式扇形開孔方式雖然可以改 善應力集中之現象，但並無法提昇其塑性轉角容量。而現場銲接、B6 鋼材、改 良式扇形開孔的試體，其累積塑性轉角明顯地增加。
大部份採用現場銲接、傳統扇形開孔的試體，破壞都從扇形開孔趾衍伸，但 是鋼鐵廠內銲接的試體並沒有出現上述的破壞模式，而且大部份的情況都是出現 在下翼版的扇形開孔趾。由上述推測將銲趾置於梁的下翼版外側，可能是使試體
提早從扇形開孔破壞的原因。銲趾設置的位置不同，可能會造成不同的破壞模式。
採用現場銲接、改良式扇形開孔的試體，並沒有出現由扇形開孔衍生的破 壞，而累積塑性轉角的增加可能是由具有較長的外伸長度以及較小的扇形開孔二 個因素共同造成的。
因此較小的扇形開孔可以改善梁翼板及梁腹板連接處的硬力或應變集中之 現象，而改良式扇形開孔有助於提昇梁柱接頭的韌性及能量消散容量。採用傳統 扇形開孔的試體，其累積塑性轉角倍率約為 40；採用改良式扇形開孔的試體，
其累積塑性轉角倍率約為55-60。
（2）止弧板的影響
對於廠銲、使用陶質止弧板的試體，其累積塑性轉角倍率高於使用鋼質止弧 板的試體之值。使用鋼質止弧板的試體，其破壞均於較早的階段就出現（約為荷 重位移為 2θP時），而破壞是從止弧板與梁翼版外緣間的縫隙產生，此亦屬於初 始縫隙的效應。雖然使用陶質止弧板的試體，亦於梁翼版端衍伸裂縫，但是其出 現時間較晚，且延伸的速度也較慢。當使用陶質止弧版時，銲接的施作品質對於 累積塑性轉角的容量影響頗大，只有在良好的施作品質下才具有不錯的塑性轉角 容量，否則就跟使用傳統鋼質止弧板無甚差異。
對於現場銲接的試體而言，延長橫隔板的外伸長度（150mm）時，採用鋼質 止弧板的累積塑性轉角倍率高於陶質止弧板的值。
（3）動態荷重的影響
採用動態荷重的試體與相同條件下採用擬靜態荷重的試體比較，其累積塑性 轉角並沒有明顯下降的趨勢，甚至有略為上升的現象，且其破壞模式亦從脆性破 壞轉變為韌性破壞。由於動態荷重造成溫度上升可能是此現象的一個重要原因。
在柱面附近的梁斷面，在荷重位移達6θP之後，其溫度由攝氏18 增加到攝氏 40 度；Charpy-V notch 的試驗結果可以發現，在攝氏 40 度時發生脆性破壞的可能
性很低。
（4）溫度效應
由 12 組鋼構場內銲接、使用 E5 鋼材、在攝氏零下 23 度的環境下所進行的 試驗結果顯示，溫度降低對於並不會降低累積塑性轉角容量。
（5）廠銲或現場銲接的影響
對於鋼構廠內進行銲接工作的試體與現場銲接的試體，實驗所得的累積塑性 轉角並無太大的差異。
5.3 小結
累積塑性轉角倍率小於 40 的試體有 23 個，其可能的原因如下：（1）裂縫起 始於梁翼版銲接的起弧或止弧處之瑕疵，而這些瑕疵都是經過超音波檢測但被判 定為可接受的。（2）部份試體的梁腹板填角銲道以一層一次銲接的方式進行，所 形成的喉厚較小，也使得破壞較早形成。（3）其中一個背墊板的銲接與扇形開孔 趾部份重疊，導致破壞提早產生。（4）在扇形開孔趾附近的意外撞擊導致破壞的 形成。
當外力荷重對於梁端所造成的位移為 4θ 時，其所對應的塑性轉角為 3﹪弧p 度，累積塑性轉角倍率為 32。在此系列實驗的 86 組試體中，有 72 組的試體在 完成4θ 的往復載重過程仍未出現強度衰減的現象。因此如果梁柱接頭是由良好p 的鋼材與銲接工作品質的話仍可具有是當的塑性轉角容量，如果採用改良型的扇 形開孔則可有以更好的塑性轉角容量。
表 5.1 寬翼梁接箱型柱之梁柱抗彎接頭塑性轉角容量之實驗資料(Committee on Steel Building Structures-The Kinki Branch of The Architectural Institute of Japan 1997)
No. 試體編號 焊接 方式
梁斷面尺寸 及鋼材
柱斷面尺寸 及鋼材
扇形開 孔方式
板厚差 (mm)
實驗單位 試驗溫度 (℃)
荷重 方式
累積塑性 轉角倍率
破壞 模式 1 SE5Z3F-Kb1 廠焊 H500×200×10×16 □350×350×12 傳統型 3 神戶大學 17 擬靜態 42 A 2 SE5Z6F-Kb1 " (SS400) (BCR295) 傳統型 6 " 10 " 48 A 3 SE5Z3F-Kb2 " " " 傳統型 3 " 6 " 38 A 4 SE5Z6F-Kb2 " " " 傳統型 6 " 10 " 31 A 5 SE5A3F-Kb1 " " " 改良式 A 型 3 " 9 " 60 E 6 SE5A6F-Kb1 " " " 改良式 A 型 6 " 12 " 58 E 7 SE5A3F-Kb2 " " " 改良式 A 型 3 " 9 " 64 B 8 SE5A3F-Kb3 " " " 改良式 A 型 3 " 12 " 58 E 9 SE5A3-Kb4 " " " 改良式 A 型 3 " 14 " 49 B 10 SE5A6F-Kb2 " " " 改良式 A 型 6 " 8 " 58 E 11 SE5A6F-Kb3 " " " 改良式 A 型 6 " 7 " 59 E 12 SE5B3F-Kb1 " " " 改良式 B 型 3 " 10 " 60 E 13 SE5B6F-Kb1 " " " 改良式 B 型 6 " 12 " 59 E 14 SE5B3F-Kb2 " " " 改良式 B 型 3 " 8 " 47 B 15 SE5B6F-Kb2 " " " 改良式 B 型 6 " 9 " 50 B 16 SE5Z3-Ch1 " " " 傳統型 3 千葉大學 -23 " 21 A 17 SE5Z6-Ch1 " " " 傳統型 6 " -23 " 21 B 18 SE5Z3-Ch1 " " " 傳統型 3 " -23 " 61 A 19 SE5Z6-Ch1 " " " 傳統型 6 " -23 " 46 A 20 SE5Z3-Ch1 " " " 改良式 A 型 3 " -23 " 75 E 21 SE5Z6-Ch1 " " " 改良式 A 型 6 " -23 " 21 A 22 SE5Z3-Ch1 " " " 改良式 A 型 3 " -23 " 96 E 23 SE5Z6-Ch1 " " " 改良式 A 型 6 " -23 " 70 E
63
No. 試體編號 焊接 方式
梁斷面尺寸 及鋼材
柱斷面尺寸 及鋼材
扇形開 孔方式
板厚差 (mm)
實驗單位 試驗溫度 (℃)
荷重 方式
累積塑性 轉角倍率
破壞 模式 24 SE5Z3-Ch1 廠焊 H500×200×10×16 □350×350×12 改良式 B 型 3 千葉大學 -23 擬靜態 14 F 25 SE5Z6-Ch1 " (SS400) (BCR295) 改良式 B 型 6 " -23 " 68 A 26 SE5Z3-Ch1 " " " 改良式 B 型 3 " -23 " 77 E 27 SE5Z6-Ch1 " " " 改良式 B 型 6 " -23 " 66 E 28 SB6Z3-Kn1 廠焊 H600×250×12×25 □450×450×19 傳統型 3 近畿大學 常溫 擬靜態 21 B 29 SB6Z3-Kn2 " (SN490B) (BCR295) 傳統型 3 " 28 " 14 B 30 SB6Z7-Kn1 " " " 傳統型 7 " 常溫 " 45 B 31 SB6Z7-Kn2 " " " 傳統型 7 " 常溫 " 11 B 32 SB6Z3-Kn3 " " " 傳統型 3 " 16 " 43 B 33 SB6Z3-Kn4 " " " 傳統型 3 " 20 " 43 B 34 SB6Z7-Kn3 " " " 傳統型 7 " 常溫 " 60 B 35 SB6Z7-Kn4 " " " 傳統型 7 " 19 " 36 B 36 SB6Z3F-Kn5 " " " 傳統型 3 " 11 " 61 B 37 SB6Z7F-Kn5 " " " 傳統型 7 " 8 " 61 B 38 SB6A3-Kn1 " " " 改良式 A 型 3 " 29 " 22 B 39 SB6A7-Kn1 " " " 改良式 A 型 7 " 29 " 31 B 40 SB6A3-Kn2 " " " 改良式 A 型 3 " 18 " 45 B 41 SB6A7-Kn2 " " " 改良式 A 型 7 " 20 " 63 C 42 SB6A3F-Kn3 " " " 改良式 A 型 3 " 15 " 33 C 43 SB6A3F-Kn4 " " " 改良式 A 型 3 " 8 " 78 B 44 SB6A7F-Kn3 " " " 改良式 A 型 7 " 13 " 57 B 45 SB6A7F-Kn4 " " " 改良式 A 型 7 " 11 " 86 E
64
No. 試體編號 焊接 方式
梁斷面尺寸 及鋼材
柱斷面尺寸 及鋼材
扇形開 孔方式
板厚差 (mm)
實驗單位 試驗 溫度
荷重 方式
累積塑性 轉角倍率
破壞 模式 46 SB6B3-Kn1 廠焊 H600×250×12×25 □450×450×19 改良式 B 型 3 近畿大學 常溫 擬靜態 16 B 47 SB6B7-Kn1 " (SN490B) (BCR295) 改良式 B 型 7 " 常溫 " 15 C 48 SB6B3-Kn2 " " " 改良式 B 型 3 " 19 " 49 B 49 SB6B7-Kn2 " " " 改良式 B 型 7 " 20 " 43 B 50 SB6B3FKn3 " " " 改良式 B 型 3 " 15 " 41 C 51 SB6B7FKn3 " " " 改良式 B 型 7 " 10 " 68 B 52 SB6B3FKn4 " " " 改良式 B 型 3 " 15 " 49 B 53 SB6B7FKn5 " " " 改良式 B 型 7 " 11 " 64 B 54 SB6Z3-Ky1 廠焊 H600×250×12×25 □450×450×19 傳統型 3 京都大學 17 擬靜態 39 B 55 SB6Z7-Ky1 " (SN490B) (BCR295) 傳統型 7 " 14 擬靜態 43 B 56 SB6Z3-Ky2D " " " 傳統型 3 " 13 動態 40 B 57 SB6Z7-Ky2D " " " 傳統型 7 " 18 動態 37 B 58 SB6Z3-Ky3D " " " 傳統型 3 " 12 動態 69 B 59 SB6Z7-Ky3D " " " 傳統型 7 " 12 動態 64 B 60 SB6A3F-Ky1 " " " 改良式 A 型 3 " 10 擬靜態 71 B 61 SB6A7F-Ky1 " " " 改良式 A 型 7 " 9 擬靜態 49 B 62 SB6A3F-Ky2D " " " 改良式 A 型 3 " 13 動態 43 B 63 SB6A7F-Ky2D " " " 改良式 A 型 7 " 15 動態 72 B 64 SB6B3F-Ky1 " " " 改良式 B 型 3 " 13 擬靜態 60 B 65 SB6B7F-Ky1 " " " 改良式 B 型 7 " 12 擬靜態 79 E 66 SB6B3F-Ky2D " " " 改良式 B 型 3 " 12 動態 93 B 67 SB6B7F-Ky2D " " " 改良式 B 型 7 " 12 動態 102 B
65
No. 試體編號 焊接 方式
梁斷面尺寸 及鋼材
柱斷面尺寸 及鋼材
扇形開 孔方式
板厚差 (mm)
實驗單位 試驗 溫度
荷重 方式
累積塑性 轉角倍率
破壞 模式 68 SE6Z2-Os1 廠焊 H600×200×11×17 □450×450×19 傳統型 2 大阪大學 27 擬靜態 22 A 69 SE6A2-Os1 " (SN400B) (STKR400) 改良式 A 型 2 " 30 " 53 E 70 SE6B2-Os1 " " " 改良式 B 型 2 " 33 " 55 E 71 FB6Z3-Os1 場焊 H600×200×12×25 □450×450×19 傳統型 3 大阪大學 26 擬靜態 50 A 72 FB3Z7-Os1 " (SN400B) (STKR400) 傳統型 7 " 27 " 52 A 73 FB6Z3F-Os2 " " " 傳統型 3 " 11 " 34 B 74 FB3Z7F-Os2 " " " 傳統型 7 " 10 " 48 B 75 FB6B3-Os1 " " " 改良式 B 型 3 " 28 " 71 以上 F
76 FB3B7-Os1 " " " 改良式 B 型 7 " 25 " 69 A 77 FB6B3F-Os2 " " " 改良式 B 型 3 " 14 " 87 D 78 FB3B7F-Os2 " " " 改良式 B 型 7 " 10 " 63 D 79 FB6Z3F-Ok1 " " " 傳統型 3 大阪工大 12 " 54 A 80 FB3Z3F-Ok2 " " " 傳統型 3 " 12 " 16 C 81 FB6Z7F-Ok1 " " " 傳統型 7 " 14 " 45 A 82 FB3Z7F-Ok2 " " " 傳統型 7 " 11 " 9 C 83 FB6B3F-Ok1 " " " 改良式 B 型 3 " 8 " 49 C 84 FB3B3F-Ok2 " " " 改良式 B 型 3 " 7 " 44 B 85 FB6B7F-Ok1 " " " 改良式 B 型 7 " 5 " 21 C 86 FB3B7F-Ok2 " " " 改良式 B 型 7 " 5 " 63 F
66