有限元素模型之建立

有限元素模型以箱型柱接 H 型鋼梁之外部梁柱子結構接頭進行 分析，模型建立之基本假設與細節如下：

基本假設

由於梁柱接頭型式之不同，其基本假設也有所不同，並根據軟體 限制及運算時間之考量，以下列假設分析之：

1. 扇形開孔改良型式之梁柱接頭

a. 分析模型不考慮實際試體於銲接接合施作時，所產生之殘留 應力與銲接熱影響區之影響；分析模型亦不考慮局部挫屈及 開裂破壞之情形。

b. 基於模型具有幾何對稱之特性，因此以梁腹板厚度方向中心 線為對稱平面，取半分析來縮短程式運算時間；此外忽略剪 力板與高張力螺栓，以梁腹板厚度模擬之，即不考慮梁腹板 與剪力板之間厚度差異，並將梁腹板固接於柱翼板之上，即 不考慮剪力板與梁腹板間之相對滑移。

2. 梁腹板開孔式之梁柱接頭

a. 分析模型不考慮實際試體於銲接接合施作時，所產生之殘留

應力與銲接熱影響區之影響；分析模型亦不考慮開裂破壞之 情形。

b. 為了得知梁腹板開孔區產生局部挫屈後對於整體韌性行為之 影響，因此必須採整體模型分析，並給定梁構件ㄧ面外變形 量，即初使缺陷 (Initial Imperfection)，使得局部挫屈之現象 能表現出來，其中所給定之初使缺陷是藉由特徵植挫屈分析 所得之挫屈模態來施加，此處給定之初使缺陷採用梁長之 1/1000 (AWS D1.5, 2004)；此外忽略剪力板與高張力螺栓，以 梁腹板厚度模擬之，即不考慮梁腹板與剪力板之間厚度差 異，並將梁腹板固接於柱翼板之上，即不考慮剪力板與梁腹 板間之相對滑移。

模型尺寸

依照梁柱接頭尺寸之差別共可分為兩類，而試體名稱則分別命名 為 UN1、UN2、OP1 及 OP2 試體，其中 UN 代表扇形銲接開孔改 良型式之梁柱接頭；OP 代表梁腹板開孔型式之梁柱接頭；1跟2分 別代表不同梁柱尺寸之試體。試體尺寸之詳細細節分述如下：

1. 試體 UN1 及 OP1 柱斷面為 □750×750×45×45 mm 之箱型組合 斷面，柱支承點跨距為 4000 mm，梁斷面為 H700×400×20×45 mm 組合型鋼，長4635 mm，梁施力端距柱面 4975 mm。

2. 試體 UN2 及 OP2 柱斷面為 □750×750×35×35 mm 之箱型組合 斷面，柱支承點跨距為 4000 mm；梁斷面為 H700×300×18×35 mm 組合型鋼，長4235 mm，梁施力端距柱面 4575 mm。

材料性質與模型網格

1. 鋼材與銲材之應力應變曲線均模擬成雙線性，於第一階段模擬材 料彈性範圍，採 Linear Isotropic 模型，彈性模數 (Elastic Modulus, E) 為 200,000 MPa，波松比 (Poisson’s Ratio) 為0.3；第二階段模 擬材料降伏及應變硬化情形，採 Multi-linear Kinematic 模型，鋼 材採用 SN490B，其降伏強度為324 MPa，並根據 FEMA-350

(2000) 之建議，考慮其材料變異係數 R

_y

為1.1，應變硬化模數

E

_sh

採用 0.05 E。銲材採用 E7018 銲條，其降伏強度則為 480 MPa，應變硬化模數 E

_sh

採用 0.004 E (Chao et al. 2006)。

2. 模擬鋼材之分析元素採用三維結構固體元素 Solid45 (3-D Structural Solid)，每個元素有8個節點，每個節點有3個平移自 由度，元素外觀如圖3.5 所示。模型網格以四方體為主，惟形狀 不規則處採用三角體，並於梁柱接合處與塑性發展區域採用較小 網格，並向外逐漸放大，以避免網格數量過多，增加運算時間。

元素邊長寬比以1為佳，最多以不超過20 倍為原則。

邊界條件與位移歷程

1. UN 試體分析模型之邊界束制條件皆比照實際試驗情形模擬之並 加以簡化，箱型柱之ㄧ端模擬為鉸支承、另一端模擬為輥支承。

加載方式則為於梁端施加單向載重，並以位移控制方式進行加 載，模擬情形如圖3.6 所示；OP 試體分析模型之邊界束制條件 同 UN 試體，惟模型採整體分析，並於鋼梁翼板相應實驗設置 側向支撐處束制其面外方向 (UX) 之自由度，以模擬實驗時為了 防止梁構件產生側向扭轉挫屈所設置之側向支撐，模擬情形如圖

2. 位移歷程之選取，乃參考 AISC (2005) 耐震設計規範中規定，以 層間變位角為設計位移之依據，層間變位角即為梁端變位除以梁 端至柱中心線之距離；試體之位移歷程為層間變位角0.375%、

0.5%、0.75%弧度下依序加載六個迴圈，接著 1% 加載四個迴圈，

而1.5%、2%、3%、4%弧度則為兩個迴圈，往後的增量為每增加 1%弧度施載兩個迴圈至油壓致動器之行程限制或試體破壞為 止。於分析時單向加載之施加方式依序由 0.375%~4%，而為了確 定其準確性，另外建立施以反覆載重加載方式之模型與之比較，

其中為了節省運算時間，僅於每個位移歷程進行一個迴圈之加 載。

在文檔中 實尺寸鋼結構梁柱彎矩接頭試驗與分析 (頁 44-47)