建議

根據梁腹板開孔及梁柱交接面補強型式梁柱接頭之實驗研究結 果，提出下列建議。

1. 本研究採梁、柱皆為 H 型鋼，故研究成果僅適用於同型式之梁、

柱組合而成之鋼結構建築。但近年來國內鋼結構設計之習慣大都 使用 H 型梁接箱型柱之型式，故梁腹板開孔及梁柱交接面補強型 式用於箱型柱之效果仍具探討價值。

2. 鋼梁腹板開孔之大小會影響彎矩與剪力互制作用之強度，且若鋼 梁腹板開孔之位置在梁柱接頭之塑性區內，對其行為之影響甚 大，因此鋼梁腹板開孔之大小仍具探討價值。另外本研究建議鋼 梁腹板開孔之形狀採用圓形較佳，但方形或矩形等形狀之開孔，

對於梁柱接頭之整體行為，仍可做深入研究。

符號索引

Cpr：應變硬化係數(依據FEMA350對切削式接頭設計之建議及實驗 結果，設定為 1.15)

D0：圓形開孔大小即直徑 E ：鋼材之楊氏模數

Fy：梁之標稱降伏強度

Fys：剪力板或加勁板之標稱降伏強度 H ：柱高

I ：H型斷面之慣性矩

LCL：梁端至柱中心之長度 Lb：梁長

Ln：梁第 n段的長度

Lop：開孔中心距柱面之距離

capacity

M ：梁柱交界面之設計彎矩容量

Mf ：梁柱交接面之彎矩需求

Mj：未考慮材料變異係數，梁於柱面之塑性彎矩強度

'

Mj：拉力試驗所求得梁於柱面之塑性彎矩強度

''

Vm：未考慮材料變異係數，梁腹板開孔之剪力標稱強度

hs：剪力板之高度 k：彎矩曲率

ls：加勁板切角之長度

s：梁腹板開孔所剩兩T型斷面之深度

tbw：梁腹板之厚度

ts：剪力板或加勁板之厚度 ΔCL：梁端總變位

ΔT：梁端總變位 Δb：梁的變形分量

Δc：柱變形所引致梁端變形分量 Δe：梁第二段(L )₂ 對角線伸長量 Δop：梁腹板開孔的變形分量

Δpz：梁柱交會區剪力變形所造成的梁端變形分量 Δs：梁第二段(L )₂ 對角線縮短量

Δ1：梁柱交會區對角線伸長量 Δ2：梁柱交會區對角線縮短量

α：梁柱交接面之設計彎矩容量與梁柱交接面之需求彎矩之比值，建

議使用1.05。

αν：未考慮材料變異係數，梁腹板開孔剪力標稱強度之折減係數 β：剛體運動所造成之旋轉角度

γ ：梁塑性彎矩與肋板末端之外力彎矩之比值。

n

γb, ：梁第 n段因剪力變形所造成的變形量 γpz：梁柱交會區剪力變形量

δn：梁第n段因剪力變形與撓曲變形所造成之梁端位移量

'

δn：梁第n段因剪力變形所造成之梁端位移量

"

δn：梁第n段因撓曲變形所造成之梁端位移量

'' '

δn：梁第n段因撓角所引至的梁端位移量

η：塑鉸形成區之塑性彎矩與梁塑性彎矩之比值 θ：抗彎矩構架受側向力作用時之層間變位角 θ'：梁腹板開孔左側傾斜儀所量測之讀數 θ''：梁腹板開孔右側傾斜儀所量測之讀數

θE：在設計定震力E作用下之最大層間變位角 θc：柱轉角

θn：梁第n段因撓曲變形所造成的撓角

θp：韌性抗彎構架之梁柱接頭塑性轉角 λn：梁第 n段因撓曲變形所造成的變形量

ν：梁腹板開孔之長度與梁腹板開孔所剩兩 T型斷面之深度之比值 ρ ：曲率半徑

φ：安全係數，使用 0.9

參考文獻

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表2.1 層間變位角0.5% 弧度時梁各段之撓角與剪力變形以及梁端位移量理論值與分析值之誤差百分比 0.000733 0.000645 0.00135 0.00256 0.00392 0.00117 17.7 17.7

表2.2 層間變位角4% 弧度時梁各段之撓角與剪力變形以及梁端位移量理論值與分析值之誤差百分比 0.01053 0.00084 0.0172 0.04925 0.01017 0.00312 141.2 142.9

表3.1 試體規格

試體 編號

梁柱尺寸 (mm)

材料性質

開孔直徑

D 0

(mm)

開孔位置

L op

(mm)

剪力板或加勁板厚度

ts (mm)

WOC65

梁 H700×300×13×24

柱 H600×500×22×36 A572 Gr. 50

455

477.5

13

WOC65R1 455 18

WOC5OR1 350 18

WOC65R2 455 10

WOC65R3 455 10

表3.2 試體設計參數 WOC65R1

剪力板

WOC65R2

加勁板

表4.1 試體破壞模式之最大塑性總轉角與層間變位角 試體

編號

層間變位角 θ (% rad.)

塑性總轉角

θ (% rad.)p

破壞模式

WOC65 +1.5 -1.0 +0.4 -0.2

梁上翼板扇形開孔沿翼板寬度 方向向兩端撕裂

WOC65R1 +4.0 -4.0 +3.1 -3.2

梁翼與梁腹產生局部挫屈；梁 腹板開孔中心左右的四個角隅 往柱面及梁端的方向撕裂

WOC50R1 +5.0 -5.0 +3.9 -4.0

梁翼板挫屈及梁腹板開孔中心 左右四個角隅面外挫屈

WOC65R2

+3.0 -3.0 +1.7 -1.7 梁下翼板扇形開孔沿翼板寬度

方向向兩端撕裂

WOC65R3 +5.0 -5.0 +4.0 -4.3

梁翼與梁腹產生局部挫屈；下 翼板在加勁板端部(開孔中心) 右側及梁腹板出現嚴重的撕裂

表 4.2 試體梁腹板開孔所造成梁端之轉角

試體 編號

梁 腹 板 開 孔 剪 力 作 用 造 成 梁 端 之 轉角

θ (% rad.) s

梁 腹 板 開 孔 撓 曲 作 用 造 成 梁 端 之 轉角

θ (% rad.) f

梁 腹 板 開 孔 造 成 梁端之總轉角

θ (% rad.) op

WOC65 +0.1 -0.09 +0.2 -0.2 +0.3 -0.3

WOC65R1 +1.7 -1.7 +2.7 -2.8 +4.4 -4.5

WOC50R1 +0.9 -0.6 +1.9 -1.7 +2.7 -2.1

WOC65R2 +0.2 -0.2 +0.8 -0.7 +1 -0.9

WOC65R3 +1.1 -1.7 +2.1 -2.8 +3.2 -4.5

表4.3 試體各項彎矩與剪力之強度

at opening at joint at opening

試體 M _p M_p,op M^'_p,op M^"_p,op M j M ^'_j M ^"_j Mtest_,op M_test,j V_n,op V_n^'_,op V_n^"_,op Vtest_,op

WOC65 2156 1924 2196 2434 2156 2498 2372

1844 2117

587 762 646 572

-1809 -2077 -561

WOC65R1 2156 1924 2196 2434 2626 3010 2889

2012 2310

587 762 646 624

-1964 -2255 -609

WOC50R1 2156 2018 2319 2553 2626 3010 2889

2388 2742

958 1243 1054

741

-2306 -2648 -716

WOC65R2 2156 1924 2196 2434 2701 3091 2971

2201 2527

587 762 646 683

-2210 -2538 -686

WOC65R3 2156 1924 2196 2434 2841 3245 3125

2280 2617

587 762 646 707

-2280 -2617 707

單位：彎矩kN-m 剪力kN

表4.4 試體各項彎矩之比值

試體 M_test,j /M_p M_test,j/M^'_j M_test,op/M^'_p,op

WOC65

0.98 0.85 0.84

0.96 0.83 0.82

WOC65R1

1.07 0.77 0.92

1.05 0.75 0.89

WOC50R1

1.27 0.91 1.03

1.23 0.88 0.99

WOC65R2

1.17 0.82 1.00

1.18 0.82 1.01

WOC65R3

1.21 0.81 1.04

1.21 0.81 1.04

表 4.5 在層間變位角 1.5% 弧度與極限載重下之剪力與彎矩強度 WOC65R1

571 1840 634 2012 -550 -1772 -609 -1964 WOC50R1

613 1974 741 2388 -585 -1884 -716 -2306 WOC65R2

605 1948 683 2201 -588 -1894 -686 -2210 WOC65R3

583 1879 707 2280 -616 -1986 -707 -2280

表 4.6 在層間變位角1.5% 弧度與極限載重下之彎矩與剪力互制作用

a b

c

c b R c

8 4 ² + ²

=

REDUCED BEAM SECTION

圖2.1 圓弧切削式接頭示意圖

Ls

ds d^s

db

圖2.2 梁翼內側加勁板補強之梁柱接頭示意圖

Ls

db

圖 2.3梁翼內側加勁板補強之梁柱接頭示意圖

圖2.4 梁柱交接面之梁上下翼板增加具延長段之單肋板補強之梁柱 接頭示意圖

圖2.5梁柱交接面之梁上下翼板增加具延長段之單肋板補強之梁柱接 頭示意圖

Goel et al. (1997)

圖2.6 蓋板與肋板式接頭示意圖

Goel et al. (2000)

圖2.7 蓋板與肋板式接頭示意圖

P

"

Mp

"

,op

Mp capacity

M

dem

Mp_,

Lop

Lb

Demanded moment

圖2.8 梁腹板開孔及梁柱交接面補強型式梁柱接頭梁彎矩強度與外 力需求彎矩圖

hs

bs

ts

圖2.9 補強型式ㄧ之示意圖

b

s

l

s

l

s

l

s

l

s

t

s

t

s

圖 2.10 補強型式二之示意圖

tbw

tbf

s bbf

db D₀

圖2.11 梁腹板開孔後之斷面圖

ΔT

op b

c pz

T =Δ +Δ +Δ +Δ Δ

圖 2.12 梁端變形分量示

Δ1

db

dc

Δ2

γpz

圖2.13 鋼骨梁柱交會區對角線相對位移與剪力變形關係示意圖

圖2.14 鋼骨梁柱交會區剪力變形所造成之梁端變形分量示意圖

b pzd

γ γ_pzd_b

β

β

圖2.15 剛體運動之旋轉角之示意圖

) 1 ( H d_b d^b

pz −

γ

2 ) ( _b ^c

b pz b pz

L d H

L γ d +

− γ

圖2.16 梁柱交會區變形含剛體運動後所造成之梁端變形分量示意圖

Horizontal Tiltmeter

Vertical Tiltmeter

b c×d

θ )

( _b 2^c

c

L +d θ

圖2.17 柱變形所引致之梁端變形分量示意圖

(a)梁柱交會區未變形 (b)梁柱交會區受剪力變形

(c)梁柱交會區受剪力變形 及剛體運動

(d)梁柱交會區受剪力變形、

剛體運動及柱變形

TH

TV

β

β

θc

θc

γpz

圖2.18 傾斜儀讀數量測示意圖

L1 L₂ L₃

圖2.19 公式推導中所用之梁桿件各段範圍示意圖

θ2

θ1 θ¹

db

L2

θ2

θ2

'' '

δ2

L3

(a) 梁第二段(開孔區)之撓角所引至梁端位移量

L2

2 ,

γb '

δ2

db

Δs

Δe

(b) 梁第二段(開孔區)因剪力作用所產生之梁端位移量 圖 2.20 梁第二段(開孔區)受剪力及撓曲作用之變形示意圖

ρ ρ L2

L2

L2

θ2

θ2

L2

θ2

λ2 λ₂

"

δ2

db

db

(c) 梁第二段(開孔區)因撓曲作用所產生之梁端位移量 圖2.20 梁第二段(開孔區)受剪力及撓曲作用之變形示意圖(續)

圖2.21 梁桿件腹板開孔模型之網格化圖

圖 2.22 梁桿件腹板開孔之Von Miss應力分佈圖

20

500 250

250 200

600 200

4@225=900

R12

1000

1000

50 50

30 310 1169 2831 1169 310

30

280

280 50 85

115

Column : BH 600x500x22x36

1

Section C-C

Section A-A

Section B-B

564 15

D=50mm holes (TYP)

140 140

CL 280

4000

4000

3

1

Plate 15mm 12

Plate 20mm 8

Plate 15mm 8

239

528528

239

Plate 24 mm 8

圖3.1 柱之尺寸圖

圖3.2 梁之尺寸圖

圖 3.3 試體WOC65 之接合細節

圖3.4 試體WOC65R1 之接合細節

550 3060

圖3.5 試體WOC50R1 之接合細節

T＆ B FLGS

Beam H700X300X13X24 Column H600X500X22X36

8 T＆ B FLG Backings

40.5252 200

200

252

10 mm shear tab thickness

10 mm stiffener thickness Opening

Three F10T M24 bolts

455

圖3.6 試體WOC65R2 之接合細節

T＆ B FLGS

Beam H700X300X13X24 Column H600X500X22X36

8 T＆ B FLG Backings

7@7240.5

60 50

40.5

110

10 mm shear tab thickness

10 mm stiffener thickness Opening

Eight F10T M24 bolts

455

圖3.7 試體WOC65R3 之接合細節

圖3.8 試驗設置

240

475

1, 2：π-Gage，量測接頭腹板區變形量 3, 4：Tiltmeter，量測柱變形量

5, 6：Tiltmeter，量測梁腹板開孔區的撓曲變形角 7, 8：LVDT，量測梁腹板開孔的剪力變形量

圖3.9 量測儀器配置圖

45°

60 190 227.5 227.5 300

Unit:mm

註：試體WOC65、WOC65R1、WOC50R1應變計位置相同。

圖 3.10 試體WOC65 應變計位置圖

25 477.5

60 50

註：試體WOC65R2、WOC65R3應變計位置相同。

圖3.11 試體 WOC65R2應變計位置圖

FEMA-350 (2000)

圖3.12 梁柱接頭子結構層間變位角定義

圖3.12 梁柱接頭子結構層間變位角定義

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