第三章 採用鋼耐震間柱建築結構設計準則研擬
第三節 採用鋼耐震間柱建築結構系統之設計細則
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貳、 依據載重組合力初步設計耐震間柱之邊界構架桿件尺寸
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參、 容許樓層側位移角檢核
依據建築物耐震設計規範規定，在地震力 W
F S V IF
u m aD
u
2 .
4 作用下，
每一樓層與其上、下鄰層之相對側向位移除以層高，即所謂層間相對側向位移角 應有所限制，其值不得超過 0.005 弧度。計算位移時應計及平移與扭轉位移。若 初步設計之桿件尺寸引致層間相對位移角超過0.005 弧度時，代表所設計結構之 側向勁度過小，應適當提升結構總體勁度，可透過增加耐震間柱之斷面尺寸或配 置數量與跨數提升結構勁度。惟在改變耐震間柱尺寸與數量後，應再次檢核邊界 構架桿件尺寸以符合上述第貳項之內容要求。
肆、 耐震間柱斷面結實性與側向扭轉挫屈強度檢核 產生側向扭轉挫屈(Lateral torsional buckling, LTB)。因若間柱桿件產生側向扭轉 挫屈，將大幅減低間柱桿件之強度、遲滯消能行為之穩定性與桿件韌性等性能，
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圖3.5 耐震間柱桿件於樓層內之淨高HSC示意圖
圖3.6 標稱彎矩強度與無支撐長度之關係圖
伍、 耐震間柱桿件容許軸力檢核
耐震間柱桿件主要採垂直柱之型式配置於構架結構中，因此桿件本身於構架 系統中趨於共同分擔構架中之垂直載重，包含靜載重與活載重。此垂直力載重經 過數個樓層之累積，於耐震間柱中易造成可觀之軸力。然而，當耐震間柱之軸力 過高時，將造成間柱之彎矩或剪力降伏強度快速下滑，且顯著降低桿件之韌性或 變形能力，嚴重將迫使耐震間柱完全喪失其本身結構抗震減震之功能性。
因此，於SMF-SC 結構系統設計中，應透過結構分析方式評估耐震間柱桿件 內可能產生之軸力大小，並對耐震間柱桿件之軸力予以適當限制，以確保耐震間 柱於構架系統中能正常發揮其性能。根據國內鋼構造建築物鋼結構設計技術規範 (內政部營建署，2010)與美國 AISC 360-16 鋼結構設計規範(美國鋼結構協會，
2016)針對梁柱桿件之彎矩與軸力互制效應之規定，當桿件軸力大於其本身軸向 強度之20%時，桿件之抗彎強度將大幅度下降，此應於耐震間柱桿件中避免。且 根據美國AISC 341-16 鋼結構耐震設計規範(美國鋼結構協會，2016)針對偏心斜 撐構架中之剪力連桿之設計規定，連桿中軸力若大於其本身軸向降伏強度之15%
時，桿件之抗彎矩能力將大幅下降，此時應避免採用彎矩降伏型剪力連桿設計。
因此，為避免耐震間柱桿件抗彎或抗剪能力大幅下降，於設計中應檢核桿件 支需軸力需求不致超過容許軸力上限值，Pa，以滿足式(3.7)之要求。
u a 0 15 c n
P P . P (3.7)
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釋放，即於間柱桿件設計中應增加允許軸力釋放之接頭設計或透過施工方式達到 釋放軸力之目的。於彎矩降伏型耐震間柱中，軸力之釋放可利用於間柱桿件中間 部採用螺栓續接接頭搭配開長孔之方式達成；而剪力降伏型耐震間柱中，亦可於 間柱桿件中採用螺栓續接接頭搭配開長孔之方式達成，惟此軸力釋放點需與剪力 降伏段錯開，若軸力釋放點並非在桿件中間部時，應以適當設計確保此軸力釋放 點處可傳遞斷面彎矩。
本研究第五章將針對耐震間柱之軸力累積效應進行一系列構架系統之研究 與分析，並將提供於各式情況下間柱桿件軸力大小之估算方法，可供本項軸力檢 核之用。而於此檢核項目完成後，即可確定耐震間柱桿件之斷面尺寸與設計。
陸、 耐震間柱與邊界梁接頭之強梁弱間柱容量設計法
含鋼耐震間柱之韌性抗彎矩構架中，理想之韌性行為應為於邊界梁與邊界柱 相接處以及耐震間柱桿件中發展其塑性鉸，以提供構架能量消散與提高整體韌性 之用途，如圖3.7 所示。忽略垂直載重情況下，於側向力作用下，構架中邊界梁 之彎矩分布情形如圖3.8 所示，即於邊界梁近與間柱桿件接合處亦趨於發展較高 之彎矩。然而若欲維持上述理想之構架塑性行為，設計中應避免邊界梁於與間柱 相接處產生塑性鉸。因此，需於邊界梁與耐震間柱之接頭處進行”強梁弱間柱”之 容量設計。即於邊界梁之兩端(近柱面處)及耐震間柱皆達塑性鉸時，應確保靠間 柱兩側之邊界梁能夠維持彈性狀態。
圖 3.7 含鋼耐震間柱 SMF 中理想之韌性行為與塑鉸發生位置示意圖
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2
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圖 3.10 含耐震間柱構架邊界梁極限軸力估算方法示意圖
而於此檢核項目完成後，即可確定邊界梁之斷面尺寸與設計。惟應注意弱於 此檢核中放大邊界梁斷面尺寸時，應重新檢視邊界梁與柱交會區之強柱弱梁檢核，
必要時亦須增加邊界柱之斷面尺寸以滿足要求。
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捌、 耐震間柱與邊界梁交會區之剪力強度檢核
耐震間柱與邊界梁交會區(Panel zone)須具備足夠之剪力強度 Vv，以足夠抵 抗極限狀態下此交會區之需求剪力 Vu，即檢核Vu
vVv，此需求剪力應依據交 會區附近各耐震間柱達極限狀態時對應至其與邊界梁連接面之彎矩的總和計算 之，如圖3.11 中所示。圖中Mf 為連接至該交會區之耐震間柱達其塑性極限狀態 (Vult)時對應至邊界梁翼板外緣之彎矩，並假設此彎矩主要由耐震間柱之翼板傳遞 至交會區中，此交會區之需求剪力Vu可依式(3.13)計算之。圖3.11 耐震間柱與邊界梁交會區(a)自由體圖，與(b)需求剪力計算示 意圖
b
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當耐震間柱與邊界梁交會區之剪力強度不足或不符式(3.15)時，應使用厚度 至少 6 mm 之疊合板。疊合板與邊界梁腹板間以密貼為原則，如圖 3.12(a)與(b)，
惟疊合板對稱設置於邊界梁腹板兩側時，允許疊合板與柱腹板間保留 2 mm 以內 之間隙，如圖 3.12(c)。與邊界梁腹板密接之疊合板，依據 AWS D1.8 4.3 節(2016) 之規定，應以部分滲透槽銲道或填角銲道與邊界梁翼板連接。與邊界梁腹板間具 間隙之疊合板則應使用全滲透槽銲道、部分滲透槽銲道或填角銲道與柱翼板連接，
其中部分滲透槽銲道或填角銲道之需求強度應與疊合板剪力降伏強度相當，如圖 3.12 中所示。
圖3.12 耐震間柱與邊界梁交會區疊合板配置型式
耐震間柱與邊界梁交會區須使用連續板，如圖 3.13 所示，此疊合板允許延 伸至連續板外或設置於連續板之間，且交會區中亦可設置橫向加勁板，建議交會 區中之橫向加勁板應與疊合板可配置於交會區梁腹板之不同側，如圖 3.14 所示，
並應分別符合下述規定：
圖3.13 耐震間柱與邊界梁交會區增加疊合板方式:(a)延伸式疊合板，(b) 設置 於連續板間之疊合板
圖3.14 耐震間柱與邊界梁交會區同時配置疊合板與加勁板方式示意圖
1. 延伸式疊合板：疊合板與腹板間應密貼，疊合板及其與邊界梁翼間之銲道應 自所連接間柱左右最外翼緣各延伸至少150 mm。疊合板之左右緣與邊界梁腹 板間可不電銲。
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玖、 耐震間柱與邊界梁接頭需求剪力強度
計算耐震間柱與邊界梁接頭需求剪力強度時，由地震引致之剪力Ecl應由容 量設計概念求得，彎矩降伏型耐震間柱桿件之Ecl可依式(3.16)計算，而剪力降伏 型耐震間柱桿件之Ecl可依式(3.17)計算。
ph p y
cl H
M R E 21.1
(3.16)
Ecl 1.1Ry
0.6FyAv,IC
(3.17)其中， Ry為彎矩降伏型間柱端部塑鉸處翼板之或剪力降伏型間柱中間段腹板之 材料超強因子。Hph為耐震間柱桿件兩端塑鉸間之距離，cm。Mp ZphFy為 彎矩(端部)降伏型間柱端部發展彎矩塑鉸處之標稱塑性彎矩。Zph為間柱端部發 展彎矩塑鉸處之塑性斷面模數。Av,IC為剪力(中間部)降伏型間柱之中間段剪力斷 面積。Fy為間柱中間段腹板之標稱降伏強度。
壹拾、 耐震間柱與邊界梁之接合細節要求
耐震間柱於構架中主要利用於桿件端部或中間部發展塑性鉸之方式抵抗地 震橫力以及消散地震引入結構之震動能量，因此間柱之塑性行為具有穩定且足夠 之韌性容量。彎矩降伏型耐震間柱與邊界梁之接頭可採減弱式接頭或補強式接頭，
以確保耐震間柱與邊界梁之接合部於極限狀態下能維持彈性狀態且避免破壞產 生，以增加接頭之變形能力及疲勞壽命，而剪力降伏型耐震間柱與邊界梁之接頭 應確保於其極限狀態下能維持彈性狀態且避免破壞產生。且上述兩者皆應符合下 列規定:
1. 設計撓曲強度 Mu :
耐震間柱與邊界梁接合處所需之撓曲強度Mu應為下列二者中之較小者，
且此接頭銲接時採用之銲條除應與母材相稱外，應至少在 CNS3506 等級以 上。
(1) 耐震間柱桿件之塑鉸極限塑性彎矩 1.1RyMp (彎矩降伏型耐震間柱適 用)或極限剪力 1.1RyVy (剪力降伏型耐震間柱適用)對應至間柱端部之 彎矩。
(2) 耐震間柱桿件與邊界梁交會區之標稱剪力強度所對應之間柱端彎矩。
2. 銲接細則:
耐震間柱與邊界梁接頭全滲透銲接之銲接程序應與結構試驗所採用
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壹拾壹、 耐震間柱桿件保護區規定
耐震間柱桿件於端部或中間部之可能發展塑性鉸區域應視為保護區段，而在 此保護區段中，應禁止任何其他結構與非結構元件附著於間柱桿件上，如側向支 撐、帷幕牆、隔間牆等，以避免影響耐震間柱中塑鉸之正常發展。一般而言，對 於彎矩降伏型耐震間柱之未加勁接頭，保護區段應為自邊界梁面起至耐震間柱桿 件塑鉸中心處向外延伸一半間柱深dSC之範圍，如圖3.15 所示。對於剪力降伏型 耐震間柱而言，保護區段應為耐震間柱桿件中間部剪力降伏降伏區之範圍，如圖 3.16 所示。
圖3.15 彎矩降伏型間柱桿件保護區示意圖
圖3.16 剪力降伏型間柱桿件保護區示意圖
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壹拾貳、 耐震間柱之橫向變形要求
壹拾貳、 耐震間柱之橫向變形要求