接合板行為

作為傳遞斜撐構材與梁、柱桿件之力量傳遞媒介，其重要性可想而 知，接合板於地震反應下之非線性行為亦是需要深入探討的，以下就一 些國外研究成果做一敘述。

Withmore (1952)研究接合板接合的應力分佈以決定在接合板的平 均設計應力。Withmore 從實驗中觀察到在接合板的最大正向應力發生在

接合板接合最後一排螺栓之附近，並建立 Withmore 有效寬度之可用設 計方法。

Astaneh-Asl、Goel 與 Hanson 在 1982 年所執行的接合板含塑鉸區域 長度 (Hinge-Zone Length)試驗，如圖 2.1 所示，設定塑鉸區域長度各為 零、2t 及 4t。由試驗結果顯示含有 2t 或 4t 塑鉸區域長度之接合板於斜 撐因挫屈產生面外變形時，於斜撐構材端部產生預期之反覆凹折而使整 體上有較佳之韌性行為。作者提出接合板於特殊同心斜撐構架中需含有 最小 2t 偏移長度之研究成果亦被 AISC 於 2005 年正式引入耐震設計規 範中。

Chakrabarti 及 Bjorhovde (1983)研究接合板接合含斜撐受拉之非彈 性行為，而主要破壞模式是在接合板-斜撐接合的最後一排螺栓之間的淨 斷面拉力破壞。

Thornton (1984)研究受壓接合板之強度，其提出於決定接合板壓力 挫屈強度的方法，為依據 Withmore 寬度和有效挫屈長度來計算，並建 議以平均挫屈長度為基礎的較短有效長度於預測接合板挫屈強度上更 合理。

Hu 與 Cheng (1987)以單向受壓加載於薄接合板接合以測試其彈性 挫屈行為，採實驗和分析方法來研究接合板的厚度、幾何、邊界條件、

偏心及加勁之影響。試驗結果顯示薄接合板產生挫屈之載重較低於以 Withmore 方法計算所得之降伏載重很多；試驗中亦顯示斜撐與接合板之 接合的旋轉束制影響接合板挫屈強度。

Brown (1988)試驗 24 組於單向載重下之接合板試體，研究參數包括 接合板厚度、斜撐桿件的傾斜角度及斜撐桿件尺寸。試驗結果顯示主要

破壞模式為接合板未支撐邊產生挫屈，乃隨著大的面外變形下發生。

Yam (1994)與 Yam 及 Cheng (2002)以實驗及分析方法研究在非彈性 區域下接合板接合之受壓行為及強度，研究參數包括接合板厚度、接合 板尺寸、對角斜撐桿件之角度影響和梁與柱彎矩之效應。接合板試體為 500×400 mm 較 Hu 與 Cheng (1987)之試體 (850×700 mm)小，但試驗結 果顯示出更多非彈性變形，因為在接合桿件和接合板之間提供面外束制 所造成。試體一般的破壞模式為接合板接合挫屈，參數梁柱彎矩及斜撐 桿件角度之影響不顯著。試驗試體之數值分析發現接合桿件長度或厚度 增加下，接合板之挫屈強度亦增加。

Walbridge 等人於 1998 年由有限元素分析之主要結論有：(a)在受拉 或受壓的初始施載在接合板軸向遲滯迴圈之影響甚微；(b)在可靠位移增 量下的重複反覆載重之影響是拉力及壓力抵抗之折減，且隨著初始非彈 性迴圈下遲滯曲線之軟化。此會造成接合板與斜撐之能量消散之折減；

(c)當採用弱接合板-強斜撐 (Weak Gusset-Strong Brace)之結構時，改變 斜撐勁度在接合板軸向遲滯迴圈的影響甚微；(d) 弱接合板-強斜撐之組 合構材有著比強接合板-弱斜撐 (Strong Gusset-Weak Brace)之組合構材 較少的束縮 (Pinching)產生，意味著可有更多能量消散。

Nast 於 1998 年所執行接合板試體試驗，其破壞模式乃因接合板與 最後一排螺旋栓產生撕裂，結果顯示於弱接合板-強斜撐受壓，增加垂直 加勁板可提高壓力抵抗來增加能量消散容量，對拉力抵抗的影響甚微，

故當系統以弱接合板-強斜撐系統受壓時來設計，此影響可忽略之。同樣 地有加勁於自由邊 (Free Edge)的接合板，其面外變形是會低於未加勁採 弱接合板-強斜撐設計挫屈強度的試體。採有限元素分析中討論到垂直加

強度，其增量與接合板厚度有關。

Astaneh-Asl 將其自 1981 到 1986 年間與多位學者 Goel 與 Hanson 等人 (Astaneh et al., 1981-1986)所執行的 17 組接合板反覆載重試驗成果 匯整，並於 1998 年出刊。過去學者皆採用單向拉伸或加壓至接合板，

其為第一進行接合板之反覆載重試驗，試驗設置如圖 2.2 所示，由試驗 結果顯示接合板之反覆載重行為與斜撐構材之挫屈方向為構架面外或 面內有強大的關係。當斜撐為面內挫屈 (In-Plane Buckle)時，會有 3 個 塑性鉸產生在斜撐構材上，即一個產生在斜撐構材中央處，另2 個產生 於接合板外之斜撐端部上，此時接合幾乎完全彈性；若斜撐為面外挫屈 (Out-of-Plane Buckle)時，亦有 3 個塑鉸形成，除了斜撐構材中央處外，

另2 個則形成於接合板上。若塑性鉸形成於接合板上時，其必須被設計 成可產生面外變形之型式，如圖 2.3 所示。學者亦提出於過去 Whitmore Section 只適用於採螺栓接合於接合板，將其延伸應用於採銲接接合之接 合板上，如圖2.4 所示。

Sheng 等人於 2002 年進行接合板接合強度及非彈性受壓行為之參 數研究。研究參數包含接合板長自由邊的長度、接合板形狀 (梯形與矩 形板)、接合桿件與接合板之間的接合型式 (銲接和螺栓接合)、於斜撐 桿件與接合板之間由斜撐桿件沿元素X-軸提供旋轉束制、接合桿件之型 式與加勁 (鋼管和 T 型斷面)及接合桿件長度與自由邊加勁板。分析結果 指出，當沿著自由邊發生局部挫屈時，自由邊長度增加之下試體極限載 重有明顯地降低；梯形板和接合桿件型式對試體極限荷載無顯著影響；

當斜撐與接合板之接合採銲接時，試體極限強度提昇 10-20%。為改善 接合行為，作者建議增加中心線加勁板，並儘可能接近梁與柱之邊界及 增加自由邊加勁板。

Astaneh-Asl 等人於 2006 年將其多年與多位學者於研究接合板行為 與多種設計細節之研究成果彙集成冊，文中並提出一系列接合板尺寸與 其接合之計算式，以供結構工程師於實務設計參考之用。所提出之接合 板形狀乃採用錐形 (Tapered)，如圖 2.5 所示，而斜撐構材與接合板接合 則有螺栓接合與銲接接合，並搭配各種斷面之斜撐構材，包含斜撐面外 挫屈與面內挫屈之設計。

總觀以上文獻可發現於以往特殊同心斜撐構架中於斜撐之接合板 於早期設計理念是使其強度需大於斜撐構材，單純藉由斜撐構材受拉降 伏及受壓挫屈來消能，是為一種「強接合板-弱斜撐」之設計理念。近十 年來，國外學者積極研究接合板之行為探討，允許由接合板直接產生受 拉降伏與受壓挫屈之機制下進行能量消散 (Cheng et al. 1994, 2000, Yam and Cheng 2002, Walbridge et al. 2005)，將斜撐設計為強元件，以傳遞力 量，此為「弱接合板-強斜撐」之概念。

圖2.1 含 2t 鉸區域長度之接合板凹折變形情況 (Astaneh-Asl et al. 1982)

圖2.2 接合板反覆載重試驗設置圖 (Astaneh et al. 1981)

圖2.3 接合板之 2t 設置示意圖 (Astaneh et al. 1982)

圖2.4 採栓接與銲接之接合板有效寬度示意圖(Astaneh et al. 1982)

L

Tapered Gusset

圖2.5 錐形接合板之示意圖