第三章 改良式梁柱接頭之探討
3.2 改良式梁柱接頭實驗回顧
以下的實驗回顧主要是針對蓋板型梁柱接頭、弧形切削式梁柱接頭以及漸變 斷面切削式梁柱接頭討論。
3.2.1 蓋板型梁柱接頭(Engelhardt and Sabol 1998)
實驗所採用之蓋板形式：上端蓋板為漸變寬且均小於梁翼板寬度，下端蓋板 為等寬度且大於梁翼板寬度，試體資料詳表3.1。AISC-＃B 系列的試體採用規定 的銲接流程，而AISC-＃A 系列的試體則允許由銲接工人憑其經驗進行銲接。實 驗結果：十二組試體中有十組均能提供良好之塑性變形能力，其中約有三分之二 的試體，塑性轉角可達 3%弧度且並無產生脆性破壞，詳如圖 3.9 所示；部分實 驗是因設備限制而停止，所以如果實驗可繼續進行，這些試體可能有更良好之表 現。大部分的試體，均採用較高強度的梁柱腹板交會區，使得實驗進行的過程中 得以保持彈性行為，SAC-4 及 NSF-6 則採用較輕的斷面使得梁柱腹板交會區產 生降伏。AISC-3A 及 AISC-5B 兩組梁腹板栓接的試體，雖然梁柱接頭接合處之 銲道均通過超音波檢測，但都在塑性轉角未達2﹪弧度即產生脆性破壞。AISC-3A 的破壞原因在於銲接的過程中，銲接工人增加銲接機器的流量與體積以提高工作 度，而從冶金學方面的研究發現，在此情形下AISC-3A 將因受到較高的入熱量，
導致其銲材的韌性較 AISC-3B 低五倍。AISC-5B 的破壞則可歸因於實際降伏應 力高於預期降伏應力、蓋板長度過長及斷面過大、梁柱接頭接合處附近之柱翼板 受到過多的入熱量、下翼板梁柱接頭接合處有初始的瑕疵但未被檢驗發現。
3.2.2 弧形切削式梁柱接頭(Engelhardt et al. 1996)
此實驗梁柱接頭接合處採用全滲透銲接，為了避免背墊板造成初始縫隙，以 及便於檢測銲道瑕疵，所以於銲接完成後移除背墊板。試體資料詳表 3.2，實驗 結果如圖 3.10 所列：DB1 在切削區靠近柱面處發生破裂，可能是因為斷面改變 導致應力集中造成的；雖然發生裂縫，但塑性轉角仍然達到2﹪弧度。DB2-DB5 之塑性轉角則為3﹪~ 4﹪弧度；實驗最終是因為達設備極限而停止；上述四組試 體在切削區域內及梁柱接頭的接合處均無損壞；DB3 在塑性轉角達 2﹪弧度的加 載過程中，在扇形開孔附近有些微的裂縫，但在後續的加載過程並沒有繼續延
伸；DB2、DB4、DB5 的扇形開孔有擴大之現象。DB5 的塑性轉角為 4﹪，其中 約有25%為梁柱腹板交會區的剪力降服。
3.2.3 漸變斷面切削式梁柱接頭(Chen et al. 1996)
由於在台灣和日本，鋼結構建築物中常採用箱型柱以建造雙向抗彎構架，因 此Chen et al.（1996）以寬翼型梁連接於箱型柱上並配合漸變斷面切削，進行梁 柱接頭之實驗。此漸變斷面的切削區可分為三部份如圖 3.11 所示，分別是：前 接續平滑區（a~b）、目的區（b~c）、後接續平滑區（c~d）。而目標區的切削寬度 則分別依據彎矩梯度折減後所求得之寬度進行切削，折減量約為全塑性彎矩或降 伏彎矩的5﹪~10﹪；YC1、YC2 分別是依據降伏彎矩折減 0﹪、5﹪，而 PC1、
PC2、PC3 則是分別依據全塑性彎矩 5﹪、10﹪、10﹪。實驗所得之塑性轉角為 2.35﹪~4.79﹪徑度，實驗結果如圖 3.12 所列。雖然試體的切削寬度是根據折減 後的強度進行設計，但是實驗所得的結果，破壞時的實際強度幾乎皆達到標稱塑 性強度的 1.27~1.3 倍左右。根據實驗結果顯示，PC1~PC3 所形成之塑性轉角皆 大於 YC1、YC2 所得之塑性轉角。所有的試體其破壞皆是產生於扇形開孔上方 的梁翼板開裂，而且也出現梁翼板局部挫曲的現象。PC3 與 PC2 之差別僅在於 接續平滑區切削的幾何形狀，其餘條件均相同；PC3 接續平滑區內為直線切削，
而PC2 則為圓滑線切削。實驗結果明顯發現 PC3 的韌性行為確實較 PC2 差，因 此切削仍應以圓滑線切削較為適當。
3.2.4 漸變斷面切削式梁柱接頭(Iwankiw and Carter 1996)
所有的試體均於梁柱腹板交會區最先出現剪力降伏，接著於梁翼板靠近梁柱 接頭接合處出現對角線狀之降伏，然後才在梁的切削區段發現降伏。切削區段的
降伏區往柱面逐漸延伸，此塑性區約略形成於預期中距柱面二分之一梁深至四分 之三梁深區間。試體資料詳表3.3，實驗結果如圖 3.13 所示，除了 DBT-1A 之塑 性轉角為3﹪弧度外，其餘三組之塑性轉角均達 4﹪弧度，但都出現梁翼板及梁 腹板之局部挫區。DBT-1A、DBT-1B 均因實驗設備之限制而停止實驗，其中 DBT-1A 強度並未衰減，但 DBT-1B 於加載過程後段強度略為衰減。DBT-2A 之 破壞是由梁之上翼板的熱影響區開始出現裂縫，直到此裂縫長度為5 ~ 10cm 時 為止，此時塑性轉角已達要求。DBT-2B 則是由柱翼板之熱影響區開始出現裂縫，
最後因出現塊狀撕裂（divot）而破壞。因此，除了 DBT-2B 外，其餘三組試體均 具有良好之塑性變形能力。
3.2.5 塑性轉角需求
根據我國規範（內政部 1998a、1998b）規定，梁柱接頭的塑性轉角需求：（1）
塑性轉角為3﹪弧度以上、（2）經過非線性動力分析之後，求得所需之塑性轉角 再加上 0.5﹪弧度作為之需求、（3）以設計地震力作用下之層間變位角乘以
(
R 1.0)
1.1 − 倍估計塑性轉角之需求，其中R 為結構系統韌性容量。
上述的三個實驗，除了因切削區的斷面變化過於急遽，導致應力集中而產生 破壞外，幾乎所有的試體的塑性轉角都可以達到3﹪弧度。因此上述的三種改良 式梁柱接頭的確有助於改善梁柱接頭脆性破壞現象，但在進行減弱式的切削斷面 時，應避免切削區斷面變化過大而引起應力集中之情況。