日本 AIJ 規範於梁柱交會區強度規定

(

_{c c}

)

2.4.1 鋼管混凝土梁柱交會區剪力降伏強度與剪力勁度

於本文中所研究之 CFT 接頭，鋼管內填充混凝土，於交會區設置貫 穿式翼板。鋼管混凝土梁柱交會區於受剪時，混凝土與鋼管本身並無相 對錯動產生，乃因產生共同之變形，故可視為個別獨力作用，並依據其 所對應之剪力勁度分配受力大小。同時假設 CFT 梁柱交會區之剪力勁度 K 可分為鋼管之抗剪勁度K 及混凝土之抗剪勁度_s K 所共同承擔，其表_c 示如下：

c

s K

K

K = + （2.19）

於梁柱交會區剪力降伏強度之定義，乃是當梁柱交會區之剪應變達 降伏剪應變時，所對應梁柱交會區之剪力強度，其包括鋼管與混凝土之 剪力強度。而梁柱交會區強度採疊加原理，於鋼管部份以三線段之剪力 與剪變形關係描述各階段之行為。混凝土部份除考慮降伏剪應變及極限 剪應變之發生時機外，亦考慮混凝土受鋼管之包覆與軸向三方向圍束，

於其達極限剪應變後，強度可以極限剪力強度表示之，乃以三線段模型 描述。而 CFT 梁柱交會區剪力強度V ，可由鋼管所提供之剪力強度V 及_s 混凝土所提供之剪力強度V 直接疊加而得，由下式表示： _c

c

s V

V

V = + （2.20）

以下將分鋼管與混凝土個別討論之。

（1） 鋼管部份

本試驗之試體乃於梁柱交會區中採翼板貫穿鋼管與混凝土，當梁端

其中τ為剪應力，G 為鋼材之剪力模數。 _s

( )

而鋼管本身亦屬平面應力狀態，σ₃ =0，將之代入 Von Mises 剪力

（2） 混凝土部份

3 1

0

其中V_y,c為降伏剪力 ，V_u,c為極限剪力，τ_avg為平均剪應力，A 為梁_c

(

²

) (

^5.2

)

³

並根據上述所推導之交會區力學模型，以線性疊加後，如圖 2.14 所示，

亦可模擬出本文中試驗試體梁柱交會區剪力與剪應變之關係，以供學術 參考。

2.5 梁柱子結構變位分析

此試驗子結構之梁柱接頭由油壓致動器施予梁端位移造成柱體、梁 柱交會區及梁產生變形，油壓致動器所施予梁端總位移δ_b,total主要包括三 種變形分量，如圖 2.15 所示，包括有：梁柱交會區剪力變形所引致的梁 端變位δ_pz、柱變形所引致的梁端變位δ_c及梁本身之變位δ_b。梁端總位

移δ_b,total如式（2.61）表示：

pz b c total

b δ δ δ

δ _, = + + （2.61）

以下章節將介紹此三種變形分量之計算方式與變形模式。

(一) 梁柱交會區剪力變形計算

梁柱交會區剪力變形量γ ，乃依據配置於交會區對角線上之位移計

（π gauge）所量測到交會區對角線之伸長與縮短量（δ₁與δ₂），再由 交會區變形幾何關係推換得知的，如圖 2.16 所示。並假設交會區在柱兩 側受到梁端不平衡彎矩後，其變形為一平行四邊形，根據平行四邊形對 角線伸長或縮短量相等之特性，可由平行四邊形幾何關係推導而得下 式：

( )

[

dh +γdv ² +dv²

]

¹² =

(

dh² +dv²

)

¹² +δav （2.62）

其中d 、_h d 各為柱深與梁深，_v γ 為交會區之剪力變形，δ_av為平行四

方向之傾斜儀所量測而得。在只考慮柱體變形所引致之梁端變位，不考

示：

c pz total b

b δ δ δ

δ = _, − − （2.72）

就梁端對柱中心之總變形角θb,total =δb,total

(

Lb +dc ²

)

而言，由梁變形 所造成之接頭轉角即可用總變形角扣除交會區剪力變形與柱變形引致 接頭轉角得到：

c pz total b

b θ θ θ

θ = _, − − （2.73）

第三章 實尺寸梁柱接頭反覆載重試驗

3.1 前言

如本文第一章所述，本研究計劃乃屬於一整合型計劃中之子計劃，

試驗子結構乃取一三層鋼管混凝土抗挫屈斜撐（2D Full-scale 3-Story 3-Bay CFT Buckling Restrained Braced Frame，簡稱 CFT/BRB）二維平面 構架，本子結構代表平面二維構架之外梁柱接頭。於進行三層平面斜撐 構架試驗前先行瞭解各子結構在模擬地震作用時之非線性行為與力量 傳遞機制，藉由子結構試驗資料與行為結果，以配合於 2003 年進行之 實際三層樓構架試驗上。在本章節之內容可分為本子結構試體之規劃、

製作，試驗設置、程序等，敘述如下。

3.2 試驗規劃

本文針對 CFT 鋼管混凝土梁柱接頭構造探討其力量傳遞機制，使塑 性鉸發生在鋼梁上，而接頭具有足夠強度，發揮梁柱子結構應有的強度 與韌性；並採交會區產生剪力變形以消能之方式，探討交會區剪力傳遞 機制與消能性。為達上述之需求，以一模擬地震力作用之反覆載重試驗 構架，測試本試驗設計規劃之試體，以下就整體試驗構架與試體規劃做 一簡介。

(一) 試驗簡介

CFT/BRB 二維平面構架尺寸 X 向為三跨，一跨 7 公尺，樓層高為 4

公尺，試體構架 Y 向為單柱，樓板寬為 3 公尺，如圖 3.1 所示。構架設 計質量頂層為 4.12 kN/m²，其餘樓層為 5.2 kN/m²，所加載之頂層設計靜 載重為 3.24 kN/m²，其餘典型樓層之設計靜載重為 3.69 kN/m²，設計活 載重均為 2.45 kN/m²。依據「建築物耐震設計規範及解說」（內政部建研 所 1999）進行最小水平總橫力之計算，做豎向分配。爾後利用結構分 析商用軟體 SAP2000 進行構架彈性分析，依據分析所得各構件之內力，

以設計各構件斷面與實驗所需加載之垂直載重大小。

試驗試體四組為構架之外梁柱接頭，為模擬地震力作用時，實際三 層樓建築結構產生側向變位，梁與柱之反曲點出現在梁與柱跨距之中 點，依據鉸接點模擬梁柱構件之三個反曲點，如圖 3.2 所示。為簡化試 驗與減少變數，以一剛接加兩鉸接之構架模擬三個剛接構架，根據以上 構架分析之結果設計出本試驗試體，決定 CFT 梁柱接頭斷面製作試體，

如此即可模擬 CFT 接頭在地震力做用下之受力變形行為。試驗試體另二 組為內梁柱接頭，此試體規劃設計與上述方法一致。

(二) 試體規劃

目前國內設計結構物以韌性設計為指標，即是將結構系統以『強柱 弱梁』設計，利用梁構件或梁柱交會區的塑性變形能力來吸收和消散地 震力所傳入結構物之能量。另外一種結構消能方式亦採強柱弱梁之設 計，但消能區域設定於交會區，由梁柱交會區產生大量剪力變形來消散 地震水平側力所產生之能量。故於本研究共規劃製作了六組實尺寸梁柱 接頭試體，試體規劃如表 3.1 及表 3.2 所示。六組試體皆採用相同之柱 斷面，四組採相同梁斷面，另二組採組合式鋼梁斷面。

如表所示，試驗試體採用之柱斷面為 350×350×9 mm 之矩形鋼管 柱，四組邊柱試體梁採型號為 H450×200×10×15 之 H 型熱軋型鋼，柱與 鋼梁皆為 A572 Gr. 50 之鋼材，二組十字型試體梁採型號 BH280×180×8

×18 及 BH300×200×9×20 之組合型 H 型鋼梁，五組試體接頭型式採貫穿 式補強翼板之梁柱接合型式，貫穿翼板材質為 A36 鋼材，一組則為全梁 貫入式之梁柱接合型式。因梁段所受之彎矩以靠近梁柱交會區之部份最 高，並向梁之反曲點遞減，因此愈靠近梁柱接頭之梁段，進入塑性的機 會越大。故取交會區中心向兩邊伸長各 1.5 公尺處，以螺栓接合之方式 將試體之梁分成兩段，一段連接於試體之梁柱接頭，剩下之梁段與油壓 致動器連接。整體之實尺寸試體為高 3.7 公尺，跨度 3 公尺一 T 字型構 架之外梁柱接頭，與 3.7 公尺高跨度 6 公尺之十字型構架之內梁柱接頭，

本研究所設計之試體構架全貌可由照片 3.1 與照片 3.2 所見。

試體 H4GT、H4GL 及 H4FT 採貫穿式補強翼板之交會區接合細節，

試體 H4BT 採全梁貫入式之交會區接合細節，皆為強柱弱梁之接頭。貫 穿式補強翼板之設計理念乃由梁翼板貫入式接頭（Schneider et al.

1998），如圖 3.3 所示，與補強式蓋板接頭之細節（Engelhardt and Sabol 1995），如圖 3.4 所示，結合改良而來，其可改善梁翼貫入式接頭於鋼管 於梁翼貫入處填角銲道破裂所造成鋼管撕裂，並保持補強式蓋板接頭之 優良耐震性能並將塑鉸有效移離柱面，且由研究報告（陳誠直 2002）

中顯示其於反覆載重試驗中具良好之耐震能力。所採用上貫穿式翼板為 梯形，寬度與鋼梁翼板同寬，採填角銲接於兩側梯形斜邊，下貫穿式翼 板採矩形板，此設計乃為避免現場仰銲之情況發生，且寬度較梁翼板大 以便利填角銲接施工。全梁貫入式接頭細節乃採用文獻中（Elremaily and

Azizinamini 2001）所提出之接合細節，鋼管與梁翼貫入之銲道為全滲透 銲接合。本研究所設計規劃之六組試體於鋼管採兩 U 型鋼板對接，接合 細節採全滲透銲接，銲接設計接合細節如圖 3.5 所示，試體設計與於梁 柱交會區之接合細節如圖 3.6 至圖 3.15 所示。

貫穿式翼板厚度之設計，乃依據 FEMA 350（2000）之研究報告設 計於鋼梁產生塑鉸位於貫穿翼板末端延伸四分之一梁深之位置，如圖

col

於國外研究報告（Engelhardt et al. 1995）中指出蓋板與鋼梁僅於縱 向（平行鋼梁之方向）以填角銲接接合，若於橫向（垂直鋼梁之方向）

無銲接，而此處於實驗中會產生開張之現象，乃導致縱向銲道會有提早 破壞之現象產生。國外文獻（Elremaily and Azizinamini 2001）中指出於 全梁貫入與 CFT 柱之銲道可採全滲透銲與填角銲兩種銲接接合方式。依

合，並於平行柱面方向加上一道橫向銲道。試驗目的乃測試橫向銲道對 於由梁端傳來力量傳遞路徑之影響。而貫穿翼板之填角銲道設計乃採 AISC-LRFD 規範之規定，如下式所示：

b w f w

w F d

t M

l = 0.707 （3.7）

其中l 為銲道長度，_w t 為銲道厚度（銲喉）_w ，F 為銲道設計強度，採_w 0.6 倍的銲條極限強度，F_w =0.6F_EXX。

試體 H4GL：於接頭區中，貫穿式翼板與 CFT 鋼管柱之接合亦採全 滲透銲銲接，貫穿式翼板與鋼梁翼板接合採填角銲接接合，並無設置橫 向填角銲道，並與試體 H4GT 做一比較。

試體 H4FT：於接頭區中，貫穿式翼板與 CFT 鋼管柱之接合亦採填 角銲銲接，貫穿式翼板與鋼梁翼板接合亦採填角銲接接合，並設置橫向 填角銲道，並與試體 H4GT 做一比較。試驗目的在於測試貫穿翼板與 CFT 鋼管柱之接合採填角銲道適用性。

試體 H4BT：為全梁貫入式接頭，於鋼梁與 CFT 鋼管柱之接合採全 滲透銲銲接，試驗目的於全梁貫入式應用於矩形 CFT 鋼管柱之耐震能 力。

試體 H3GT：為十字型接頭，於接頭區中，貫穿式翼板與 CFT 鋼管

試體 H3GT：為十字型接頭，於接頭區中，貫穿式翼板與 CFT 鋼管

在文檔中 鋼與混凝土複合構造之行為研究---子計畫：矩形鋼管混凝土柱與H型鋼梁抗彎接頭行為之研究(II) (頁 29-0)