文獻回顧

地震來襲時造成破壞的主要原因為梁柱接頭區所需要之彎矩 需求大，且由於斷面幾何的不連續，造成梁柱接頭區產生高應力 集中之現象，使得梁柱接頭區未發生預期的塑性變形來消釋能 量，即因高應力集中之現象造成脆性破壞。為了改善傳統梁柱接 頭之破壞行為，國內外學者提出了許多新形式的梁柱接頭，其中 主要分為減弱式及補強式接頭兩種，其目的均為使梁之塑性變形 遠離梁柱接頭區，避免梁柱接頭區因極高之應力集中現象而造成 脆性破壞。

或電線走火導致火災，此時不管是補強式或切削式梁柱接頭，將 承受火災所帶來的額外危害。因此，確保鋼梁柱接頭於火害下之 承載能力為歷年來之研究目標；惟相關梁柱接頭之耐震火害行為 探討，多以考量地震發生時梁柱接頭遲滯圈所能消耗之能量試驗 為主，而梁柱接頭之火害行為由常以一般剪力或彎矩接頭為主，

相關補強或切削接頭之火害行為較少見於以往研究中，故僅將相 關研究文獻資料分述如下:

壹、常溫下補強式梁柱接頭：

Engelhardt和Sabol[5]提出蓋板梁柱接頭試體，其設計為上側之 蓋板採用梯形削切能穩定的由蓋板傳遞並減少應力集中之效應，

而下側蓋板則採用矩形板以方便銲接，經12組試體測試結果顯 示，其中10組試體可發揮較高之塑性轉角。C.H. Lee and C.M.

Uang[6]提出於梁下翼板加置一塊托梁式T形補強板，其實驗結果顯 示，試體均能發揮良好的韌性行為且層問側位移角均可達到4%以 上。Chen和Lin[7]之肋板補強是於梁上下翼板外側，對應於腹板之 扇形開口處各加置一塊平行於腹板之鋼板，以降低梁腹扇形開口 之應力集中效應，並提高梁柱接頭區之彎矩容量，使塑角移至肋 板圓弧末端。而Chen和Lin共製作了6組試體，試驗結果顯示，最 大塑性轉角介於3.19%至4.01%。國內部分，李智民[8]針對傳統式 梁柱接頭，提出擴大接頭處梁翼板寬度，改善扇形開孔處與梁翼 全滲透銲道之應力集中現象，並製作6組試體進行試驗，實驗結果 顯示，試體皆可於擴翼圓弧末端產生塑性鉸，並提供優良且穩定 之極限彎矩強度及韌性能力。饒智凱[9]探討鋼骨梁柱接頭於梁翼 板內側加置加勁板之耐震行為，並製作9組實尺寸接頭進行試驗，

目的為提高梁柱接頭區之彎矩容量，使塑鉸移至加勁板端部附 近，結果顯示，其中5組內側加勁補強接頭試驗後行為良好，足以

耐震補強式接頭火害行為研究

承受AISC規定之4 %層間側位移角，並建議提高加勁板厚度，以 提高接頭彎矩容量。陳紀勛[10]進行5組鋼梁接H 型鋼柱試體，於 鋼梁腹板塑性區開圓形孔並加入補強方式探討其耐震行為，結果 顯示，試體進入非彈性行為時，在鋼梁腹板開孔處皆可達彎矩與 剪力互制之強度，且於極限狀態試體皆能達鋼梁之標稱塑性彎矩 強度。

貳、常溫下耐震切削梁柱接頭：

北嶺地震後，為了讓傳統梁柱接頭之韌性與耐震消能之行為 能獲得改善，工程界對於梁柱接頭之改良提出了許多方法，其中 一種即為切削減弱式梁柱接頭。Plumier[11]最先提出切削減弱式接 頭之概念，其切削形式包含了於翼鈑進行均勻切削以及在翼版進 鑽孔減弱，藉由切削與減弱來降低此處的彎矩強度，讓切削減弱 區域於外力加載時先達到降伏，使得塑性鉸之位置能遠離梁柱接 頭以避開銲接的熱影響區之影響，來穩定發展耐震消能之能力。

以切削減弱的概念為出發點，所發展出的圓弧切削接頭以及高韌 性接頭則是目前兩種常見的切削減弱式接頭形式。圓弧切削接頭 由Popov教授與Engelhardt教授所提出，將原本Plumier教授所提出 的翼鈑進行均勻切削改成圓弧形式，塑性鉸之發展與均勻切削類 似，由單點進入降伏後，其餘切削斷面也慢慢的開始進入降伏。

Engelhardt [12]針對五組實尺寸切削接頭試體進行試驗，五組切削 試體當中，一組為Plumier教授所提出之翼鈑均勻切削形式，其餘 四組則為圓弧切削形式，試驗結果發現翼鈑均勻切削之接頭之塑 性轉角僅為0.02弧度，無法達到規範所要求之0.03弧度，而四組圓 弧切削接頭皆達到規範所要求的0.03弧度，顯示出圓弧切削接頭之 韌性明顯優於翼鈑均勻切削之接頭。有別於翼鈑均勻切削接頭與 圓弧切削接頭，由台灣科技大學陳生金教授所提出的高韌性接頭

[13]將彎矩梯度納入切削設計中作為考量，依照彎矩梯度來進行切 削。相較於前兩種切削接頭之塑性鉸為單點形成，高韌性接頭可 產生切削區大範圍的降伏，相關文獻中的試驗結果也驗證高韌性 接頭優異的韌性消能能力，塑性轉角達0.04弧度以上。陳誠直[14]

針對四組實尺寸圓弧切削接頭進行試驗，探討圓弧切削接頭之極 限彎矩強度與韌性，結果顯示圓弧切削接頭擁有優良的極限彎矩 強度與韌性，其梁端總塑性轉角均超過國內規範建議的0.03弧度以 上，甚至能達0.04弧度以上。

叁、鋼結構火害行為研究

對於鋼結構火害的行為，梁柱接頭扮演著重要的腳色，由於 鋼材強度與勁度隨著高溫折減，直接影響接頭是否能承受由梁傳 遞外力至接頭區與並提供伴隨而至的轉角變形量，進而將其移轉 至其他結構系統，將影響鋼結構系統於火害下的承載能力。

從雙子星大樓大樓於2001年遭受911恐怖攻擊事件中顯示，火 場中鋼結構梁柱接頭的重要性[15,16]。許多針對鋼結構物發生火 災之現場調查及Cardington在2000年於英國所作的八層樓實尺寸 鋼結構物火害實驗中，亦可發現梁柱接頭如何讓結構系統避免更 近一步的倒蹋[17]，同年間汐止東方科學園區大樓發生大火，該 場火災並未造成人員傷亡，但卻造成將近數十億新台幣的財物損 失。由圖1-3中，可看出該大樓梁、柱與梁柱接頭雖有防火披覆但 仍舊造成破壞，間接地透露出鋼結構建築物於火災中防火設計之 問題。因此如何避免鋼結構梁柱接頭在火害下破壞是一重要研究 課題。

傳統而言，為了避免鋼結構於火場中破壞，條例式法規皆規 定相對應所需防火時效之被覆材厚度，來延緩熱擴散至結構元件 的時間，以確保在該防火時效內結構元件得以保持住其強度與勁

耐震補強式接頭火害行為研究

度。然而該方法約需增加30%的營建成本[18]，且防火被覆材因使 用時，易經外力碰撞剝落且多屬非再生建材，於目前推廣綠能環 保議題上有所出入。因此，除了前揭方法外，Sakumoto et al.[19]

與 Kelly and Sha [20] 提出耐火鋼高溫下機械性質實驗成果的優 異性及應用耐火鋼於結構體上可有效降低所需防火被覆或塗料的 厚度。更者，在一些溫度未達600⁰C特殊火害情境下，以耐火鋼構 建的結構體在無加以噴塗防火被覆下，亦保持住其結構穩定與安 全。然而有關耐火鋼在梁柱接頭火害行為之實驗研究鮮少見於文 獻中，這或許是因為接頭火害實驗建置不易及接頭型式的多樣 化。此外耐火鋼價格比一般鋼高昂，所以如何有效率的使用耐火 鋼便極為重要，也就是說，未於整個結構元件皆採用耐火鋼，取 而代之的是僅於結構重要部位或可預期的火害最嚴重處採用耐火 鋼而其餘部分仍採用一般鋼。

過去幾年許多梁柱接頭在高溫下進行火害實驗，以了解該接頭 火害下行為，大部分試體皆著重於栓接且未納入整體梁柱構架系 統[21-23]。不像前揭所示的研究方法，Ding and Wang [24]採用整 體橄欖球門形狀梁柱系統，四種不同接頭型式之鋼梁與填充式混 凝土柱，該H型梁柱構架系統可提供接頭區軸向束制，反應真實火 害下之接頭受力行為。Qian et al. [25]進行6次裸鋼梁柱十字型端 板，在三種固定高溫下實驗(400⁰C; 550⁰C and 700⁰C)。為了模擬梁 軸向束制的影響，有些試體是在承受不同軸向壓力下進行，Yu et al.[26]進行一系列共計14次之平板式接頭於懸垂效應下之高溫試 驗。

鋼材之材料性質及構造擁有地域性，無法將國外研究結果套 入國內做應用，有鑑於此，內政部建築研究所針對 I 型梁-I 型柱之 梁柱接頭，以定溫加載與定載加溫方式，進行裸鋼與防火被覆於

高溫環境下之載重實驗(2005)，並於隔年又進行 I 型梁-箱型柱彎矩 接頭高溫試驗(2007)。蘇文傑[27]針對 H 型梁-箱型柱彎矩接頭進 行實尺寸高溫試驗，探討此種彎矩接頭於高溫環境下之行為與破 壞溫度，並比較普通鋼與耐火剛托梁接頭，驗證耐火鋼於高溫下 之性能。林日增[28]利用 ABAQUS 有限元素模型來模擬實尺寸 H 型梁-箱型柱接合之耐火鋼與普通鋼彎矩接頭試體構件於高溫下行 為模式，並與實驗結果做比較，驗證其有限元素模型之模擬準確 性。結果顯示，所建立有限元素模型不論在結構變形、挫屈發生 位置與破壞溫度上的模擬皆有不錯的精準度，也發現耐火鋼於高 溫環境中擁有較普通鋼更佳的耐火性能與時效。林振吉[29]也利用 ABAQUS 有限元素模型來模擬實尺寸 H 型梁-箱型柱接合之耐火 鋼與普通鋼彎矩接頭試體構件於高溫下行為模式，驗證其正確 性，並模擬實際高溫環境下，不同受熱面結構型式（邊柱與角柱）

之行為模式，預測在高溫環境下接頭結構的防火時效，作為日後

之行為模式，預測在高溫環境下接頭結構的防火時效，作為日後