接頭補強之基本設計方法

本節提出梁柱接頭補強設計之基本建議，包括適當補強細節之選 擇、非彈性變形集中之位置、塑鉸之塑性彎矩估算、塑鉸之剪力估算，

及臨界斷面之強度需求計算，除非在建議準則中特別說明，否則設計 者需利用這些基本原則來設計接頭之補強。

A.3.1 構架配置

構架之補強需使位移轉角能符合需求，圖 A.3之構架透過遠離柱 面之梁造成整體之非彈性變形轉角，此行為可透過局部之加勁與補強 來達成，如使用蓋板（cover plates）、加勁肢材（haunches）或類似之 方法，目的在使遠離柱面之梁斷面的撓曲需求與塑性容量比值最大。

當然結構物也可能在不同地方產生塑性變形，端視結構配置、設計細 節、梁柱與接頭的相對強度而定，如塑性變形可能產生在剪力板上、

柱上或梁柱交會區中，本建議準則中之總層間變形轉角為彈性轉角與 非彈性轉角之總和。

塑 鉸 未變形構 變形構架

架

圖A.3 當梁上產生塑鉸時之構架非彈性行為

透過斷面張力降伏與壓力降伏或挫屈，將使集中變形之區域承受 固定之外力，當有足夠塑鉸產生時構架將有明顯的塑性變形，且透過 塑鉸消散能量，然而也可能造成塑鉸範圍之破壞，通常較不希望塑鉸 發生柱上，因為若發生在柱上則相對會有較少之桿件發生塑性變形，

因而消能效果較差。

在1994 北嶺地震前之規範皆考慮塑鉸發生在梁柱交會區或梁柱 接頭之柱面，若塑鉸發生在梁柱交會區則由於巨大變形的二次應力將 導致梁柱接合的脆性破壞，若塑鉸發生在梁柱接頭之柱面，由於將增 加銲道及熱影響區之變形需求，因此亦可能導致接頭之脆性破壞。為 得到較佳之消能能力，應避免強梁弱柱之設計，且應避免非彈性行為 在靠近柱面處發生，可以補強梁斷面或是削減梁斷面來達到此目的，

由於塑鉸乃是一個範圍而非單一點，通常大概為梁深之一半，因此至 少需將塑鉸區移離柱面此一距離，當以補強方式移離塑鉸區後，由於 柱之撓曲變形需求增加，應更注意避免強梁弱柱之情形發生，為使塑 鉸發生在柱的情形不致發生，需以蓋版補強或類似方法增加柱之容 量，亦可以斜撐構架或剪力牆等補強側力抵抗系統的方式達到目的。

一般而言，並不希望接頭脆性破壞的發生，因為脆性破壞可能造 成構架承重能力之喪失或構架局部崩塌，而就整體構架而言，許多接 頭的破壞將使構架不穩定甚至崩塌，然而將塑鉸移至梁上並非無任何 壞處，可能造成樓版或其他支撐構材的破壞，且其修復之難度高，費 用亦可觀，但至少確保了生命安全的保障，修復後結構物亦能正常使 用。若對於上述之可能損壞情形無法接受，則可採用其他方式減低結 構物之塑性變形需求，如運用斜撐構架、剪力牆、消能裝置、隔震系

統與類似的結構系統等。

A.3.2 層間變形角之要求

補強後之梁柱接頭變形容量至少需滿足根據第三章所提方法分 析出之樓層轉角，後面章節提出一些接頭補強方法的細節與使用上限 制說明以及其變形角容量計算，另有介紹適用於新建結構之抗彎接合 的耐震評估方法，及提供一些具專利之接頭補強方法。

表A.3 SMRF 與 OMRF 的設計係數

設計係數 OMF SMF

K

根據86 年之前的規範設計

1.0 0.67

R

根據86 年的規範設計

3.2 4.8

根據第三章之準則估算力與變形的需求，並估算結構物之容量，

以確立結構物之耐震能力。同樣地根據第三章，在簡化的補強設計中 並未評估結構物之性能，因此無法十分明確的提出結構物之性能表 現，而僅能確保其可靠性。過去建築規範僅承認兩種鋼構抗彎構架：

具有較大非彈性變形容量抗彎構架即韌性抗彎構架(SMRF)，與具有 些許非彈性變形容量之抗彎構架即部份韌性抗彎構架(OMRF)。

表 A.3 依據建築物耐震設計規範，將構架系統分為兩類 SMRF 與 OMRF，事實上有些 SMRF 或 OMRF 是屬於二元系統，主要之抗 側力系統為斜撐系統或剪力牆，在此不建議運用簡化之程序來補強此 類結構物。

A.3.3 接頭形式

需確保接頭之補強不會有下述情形發生 a. 強梁弱柱

b. 弱層 c. 軟層

根據A.6 節所選定之接頭補強細節，僅適用於某些桿件尺寸或結構配 置。

A.3.4 塑鉸位置之決定

如圖A.4所示之塑鉸位置需明確定義，為接頭補強所定出之塑鉸 位置亦可適用於承受垂直載重但變形需求較小之梁與強柱弱梁之 梁，若梁因承受垂直載重而有較大變形或構架不符合強柱弱梁，則塑 鉸位置需根據塑性分析決定。垂直載重所造成之梁撓曲變形需求需小 於其塑性變形容量之30%，且需確定梁為構架主要非彈性變形構件。

梁深, d

加勁材

減弱斷面 塑鉸

圖A.4 塑鉸形成之位置

A.3.5 塑鉸塑性彎矩

梁柱接頭設計時，將塑鉸設計在梁上，塑性彎矩由以下方式計算：

Mpr = CprRyZeFy (A.1) 其中

M_pr =可能的最大塑鉸彎矩

C_pr =計算最大接合強度之係數，最大接合強度需考慮應變硬化、局部 束制條件及補強等情況，對大多數之接合形式除非特別註明，此係數 可取為1.2 或採下式計算

y u y

pr

F

F C F

2

= + (A.2) Ry =由 AISC 耐震規範所得之係數

F_y =材料之降伏應力 F_u =材料之極限應力

若塑鉸不發生在梁上，則需考慮降伏機制來計算塑鉸強度，或由 實驗來求得。

A.3.6 塑鉸剪力之決定

如圖A.5所示，根據 A.5.1 節規定之垂直力載重組合施於梁上，

並取梁上兩塑鉸之間的自由體圖，來求得塑鉸處之剪力。

A.3.7 臨界斷面強度需求之決定

為完整設計接頭之補強，包含板、螺栓、銲道等之設計，需決定 各個臨界斷面之剪力與撓曲強度，可取塑鉸與臨界斷面之間部分之桿 件為自由體來求得，以圖A.5之梁為例，圖 A.6 顯示其強度計算之 流程。

特殊接合方式可能具有許多不同的臨界斷面，若在梁翼與柱之間 有垂直板通過，則當設計梁翼接柱細節或評估梁柱交會區剪力需求 時，該處至少應設為一臨界斷面，另一臨界斷面在柱中心線上，用以 檢核強柱弱梁，此外若有其他臨界斷面應適當考慮。

圖A.5 塑鉸剪力計算範例

圖A.6 臨界斷面需求強度之計算

A.3.8 降伏彎矩

有些接頭之設計需求得塑鉸開始形成時之柱面彎矩M_yf，可依下式 決定：

M

= C

M

b be pr y

S C Z

C = 1 (A.4)

C_pr = 根據 A.3.5 節規定所計算之最大接合強度係數 S_b = 塑鉸區之梁彈性斷面模數

Zbe = 塑鉸區之梁有效塑性斷面模數