第二章 預力樑柱接合行為
2.4 材料性質
五組試體之鋼梁、蓋板與加勁板材質均為 A572 Gr. 50 之鋼材，而削切 鋼板與梁柱交會區包覆鋼板則均採用A36 低碳鋼材，分別製作拉力試片測 試強度(表 2.5)，其中削切鋼板、梁腹板及翼板拉力試片之應力應變曲線如 圖2.16 所示，其中應變的量測是在拉力試片的中央部份黏貼應變計求得，
鋼筋的材料性質則列於表2.6。鋼筋混凝土柱採預鑄方式製造， 28 天設計 抗壓強度
f’
c = 34.5 MPa 的混凝土。在混凝土澆置的同時，各製作 3 個混凝 土圓柱抗壓試體，每次試驗當日取3 個混凝土圓柱試體進行抗壓試驗，試 驗強度如表2.7 所示。本試驗所採用的預力鋼腱為7 股一束的預力鋼鉸線，材料規格為 ASTM A416 Grad 270，斷面直徑 13 mm，極限強度 Fpu = 1860 MPa，圖 2.17 所示 為 7 股一束之預力鋼腱理想化的應力-應變模型，可以下列公式(CSDCV 1999)表示：
s s
s f
ε
ε
≤0.0086 =196500 (2.58)007 . 0 276 . 1860 0 0086
.
0 = − −
≥
s s
s f
ε ε
(2.59)2.5 試體載重歷時及量測儀器規劃
點中心距離(3480 mm)，dc為柱寬(650 mm)。
第三章 試體實驗與結果分析
3.1 前言
本研究共製作五組預力梁柱接合試體，試體包含一支鋼筋混凝土柱與 二支鋼梁，高拉力鋼腱沿鋼梁兩側放置並貫穿梁柱接合區，錨碇於梁的一 端，並於另一端施拉預力而將梁與柱組裝而成。3.2 節介紹試體製作與組裝 程序，3.3 節至 3.7 節為各組試體實驗現象描述與數據分析。
3.2 試體製作與組裝
試體部分分為混凝土柱、鋼板消能裝置與鋼梁，其中試體 1 及試體 2 的梁柱接頭區域使用箍筋，而試體 3、試體 4 與試體 5 三組則以鋼板包覆 梁柱接頭區。鋼筋混凝土柱之鋼筋綁紮、模板作業及混凝土澆置都在潤弘 預鑄廠內完成，消能裝置與鋼梁則由鴻舜鋼鐵廠製造，其中消能裝置上弧 形削切採雷射切割以確保精確度。
試體 1 與試體 2 接頭區採用箍筋，剪力板及削切鋼板需與柱體一起灌 漿，因此在接頭區之橫向箍筋需變換成不同的形式如照片 3.1 所示，箍筋 的形式皆採用規範規定一端為 135°之彎勾另一端為 90°彎勾，沿柱身交錯 排列，柱頂與柱底皆採用鋼板與主筋焊接。模板組裝完畢後進行混凝土澆 置作業(照片 3.2)，兩天後拆模並進行養護(照片 3.3)，在預柱廠內養護 28 天後送至實驗室。
待試體組件全數送至實驗室後，先進行假組裝，利用剪力板將梁鎖至 定位(照片 3.4)，固定完成後穿上鋼腱利用 4 支油壓制動器於梁端施拉預力 (照片 3.5)，藉由安裝在梁端之載重計來取得施拉時之預力 T，由(3.1)式估 算油壓制動器於設計預力下的壓力：
Aj
P= T (3.1)
其中
A
j為油壓機的油壓缸面積(= 40.1cm2) ，T 為每根鋼腱所需之預力。施 拉過程分為四個階段，第一階段為預緊鋼腱，第二階段施加經由(3.1)式計 算出一半之壓力，第三階段則是施加另一半之壓力；最後階段則是將載重 計所讀到之預力值與設計之預力差值補齊。3.3 試體 1 實驗結果 3.3.1 實驗現象觀察
試體 1 的梁柱交會區內採用傳統箍筋，削切鋼板採貫穿方式穿過鋼筋 混凝土柱並在削切鋼板上預留柱主筋之孔位(照片 3.6)。照片 3.7 為試體測 試前於測試構架上之全景，在層間側位移角 θ = 0.00375 弧度前，梁柱皆保 持彈性，梁柱接合面亦無分離情形發生。在層間側位移角θ = 0.005 弧度時，
梁 1 與梁 2 兩側梁腹板在承壓板內側產生些微降伏(照片 3.8)，梁柱交會區 之混凝土亦產生剪力裂縫(照片 3.9)，待減載時裂縫也消失。在層間側位移 角θ = 0.0075 弧度時，鋼筋混凝土柱因撓曲作用而於距梁翼板外側約 25 cm 處產生拉力裂縫，寬度小於 0.1 mm，梁腹板於承壓板內側之降伏情形持續 擴大。當層間側位移角θ = 0.01 弧度時，梁腹板於承壓板內側之降伏範圍 約達150 mm，鋼筋混凝土柱在距梁翼板約 42 cm 處新增一條撓曲裂縫，且 交會區剪力裂縫增加為三條，裂縫寬度約為0.3 mm，在此時可明確觀察到 位於受拉側的梁承壓板與柱面分離。實驗進行到層間側位移角θ = 0.02 弧 度時，梁 2 之梁翼加勁板外側梁翼板產生降伏，且交會區的裂縫寬度已達 0.7 mm。在層間側位移角 θ = 0.03 弧度時，梁 1 與梁 2 兩側梁翼加勁板外 側梁上下翼板與腹板陸續產生降伏(照片 3.10)，梁柱分離情形如照片 3.11 所示，可以觀察到中性軸大約在梁翼板與腹板接合處。在層間側位移角達 0.04 弧度時，梁 1 及梁 2 兩側梁翼加勁板外側梁上下翼板與腹板嚴重降伏，
且交會區的剪力裂縫寬度達0.8 mm (照片 3.12)，在進行層間側位移角 θ =
0.04 弧度第二圈時梁 1 在上部梁翼加勁板外側產生挫屈(照片 3.13)，此時梁 1 雖產生挫屈但載重計所量測到的預力並未下降，所以進行層間側位移角 0.05 弧度的測試，梁 1 的挫屈(照片 3.14)造成梁 1 長度縮短且損失初始預 力，使得強度下降，挫屈的變形也造成試體1 無法自行復位(圖 3.1)。
3.3.2 整體反應
圖 3.1 為梁 1 與梁 2 的彎矩與梁端變形關係圖，其中彎矩 M 為千斤頂 力量乘以至柱面距離，Mnp 為梁標稱彎矩強度，試體在層間側位移角達到 0.04 弧度第二圈時並未因上梁翼板腹板挫屈而產生變化，在達到層間側位 移角0.05 弧度時力量不再增加而開始下降，梁此時上下翼板及腹板均已挫 屈(照片 3.13 及照片 3.14)。圖 3.2 所示為試體歷經每一次新的反覆載重歷時 之彎矩包絡線，彈性勁度
K
TE(= 81,000 kN-m)是取層間側位移角 0.005 弧度 以前之實驗值線性迴歸所得，在層間側位移角0.04 弧度時試體發揮的最大 彎矩為839 kN-m( = 1.12 Mnp)，鋼腱力量是藉由裝置於梁末端之載重計來量 測，圖 3.3 顯示千斤頂力量與鋼腱預力之關係圖，發現在初始預力作用下，千斤頂力量與鋼腱預力之關係圖上會有一段平台，表示此時梁柱尚未分 離，因此鋼腱力量不會增加，待鋼腱力量開始增加時可以看到圖形上開始 轉折，轉折處即為梁柱分離點，此時千斤頂力量乘以千斤頂中心至柱面距 離即為分離彎矩，將各層間側位移角的分離彎矩求出如圖 3.4 所示，發現 分離彎矩隨著層間側位移角的增加有些許下降，但維持在初始分離彎矩 95%的範圍內，待梁產生較大降伏時造成梁縮短，鋼腱預力下降如圖 3.3 所 示，在進行層間側位移角0.04 弧度歷時，鋼腱初始預力已從 1200 kN 下降 至1150 kN。圖 3.5 為在每個層間側位移角下的預力值，鋼腱力量的預測則 根據 2.2 節，假設中性軸固定在梁翼板與腹板交接處，利用公式(2.10)求出 鋼腱力量，另外可利用 2.2 節中所提出的迭代法求得中性軸位置再計算出
鋼腱力量，可觀察到根據變化的中性軸所求得之鋼腱力量較接近試驗所量 測之鋼腱力量，另外利用簡化方法(即固定中性軸位置)所求得之鋼腱力量也 相當接近，在 0.04 弧度層間側位移角時之軸力與梁軸向降伏強度比值 (P4%/φb
P
y)列於表 3.1，與預測值接近。圖 3.6(a)為梁柱接頭剪應變γ與梁 1 彎矩關係圖，剪應變為利用圖 2.20(a)中的位移計 L1 及 L2 代入(2.60)式推導所得，可以看到彎矩大於 400 kN-m 時，因梁柱接合區之混凝土產生剪力裂縫造成剪應變突然增加，造成 梁柱接合區產生些許殘餘變形。圖 3.6(b)為柱之變形轉角 θc利用(2.62)式計 算所得，由於混凝土柱有因彎矩所造成之撓曲裂縫，圖形也有些許殘餘變 形，由此可假設柱與梁柱接頭區仍屬彈性變形。依據 2.5 節所推導的梁端 變位分離方式計算所得之梁端位移分量表示於圖3.7(a)，其中每個層間側位 移角下的第一組長條圖為試體 1 的結果，可以看到柱、梁柱接頭區與梁所 提供的梁端側位移隨著層間側位移角的增加而增加，但由梁柱分離的剛體 旋轉角所造成的梁端變位的增量影響很顯著，各位移分量所佔之比例顯示 於圖 3.7(b)，在 0.01 弧度層間側位移角前，鋼梁的彈性彎曲曲率所造成之 梁端側向位移所佔的比例最大，當梁以柱面為支點產生剛體旋轉後所造成 的側向位移量的比例明顯增加。
根據在上下梁翼內側裝置的位移計 L3 及 L4[圖 2.20(b)]所量測到梁柱 介面分離的位移，利用內差法求得在每一個層間側位移角下中性軸的位置 (圖 3.8)，在梁柱正要分離時中性軸位於梁柱介面的底部，隨著梁柱的分離 中性軸會迅速向受壓側移動，在梁柱分離之剛體旋轉角達0.02 弧度後，中 性軸會趨近於梁翼板與腹板接合處，另外在迭代法計算中以力平衡求取中 性軸位置(見第 2.2 節)亦畫於圖中，比較可發現兩者所得之結果相近，中性 軸所趨近之位置與設計時所假設之梁翼板與腹板交接的位置相同，梁柱分 離之剛體旋轉角 θg可藉由 L3 與 L4[圖 2.20(b)]所量得的位移變化量除以兩
個位移計的距離所得，此剛體旋轉角與層間側位移角關係如圖3.9 及表 3.2
切剛板所提供之彎矩分量，另外，由於中性軸在達剛體旋轉角0.01 弧度後 趨近於梁翼板與腹板交接處，取此點為支點並利用位移計求得之剛體旋轉 角，亦可計算出鋼腱與削切鋼板所提供之彎矩分量，結果如圖3.14 所示，
在 0.075 弧度時梁上中性軸尚未趨近於假設處，因此實際的彎矩強度(圖中 第 1 排)較簡化計算的結果(圖中第 2 排)小，待中性軸趨於定值後兩個計算 方式所得的結果皆相近，各組試體的計算比值列於表3.3，可發現假設中性 軸在梁柱分離後位於梁翼板與腹板交接處計算所得之彎矩貢獻量與實際值 相近。
3.3.3 局部反應
圖3.15 為梁柱接頭內梁端彎矩與箍筋應變關係圖。梁 2 彎矩與梁翼板 內側應變計讀值的關係如圖 3.16 所示，在靠近柱面的應變計(S11、S13 及 S14)皆在彈性範圍，在梁翼加勁板外側之應變計(S15)在 0.03 弧度層間側位 移角時達到了降伏應變，在各階段之層間位移角下應變沿梁身的分佈如圖 3.17 所示，發現由於梁翼加勁板在 1.5 倍梁深範圍內造成面積及慣性矩的 增加，因此應變沿梁身的分佈在梁翼加勁板的範圍內有效的減少，由於梁 端彎矩為梁與削切鋼板所提供，因此在削切鋼板內側(450 mm 範圍內)之梁 翼板應變再度明顯減少。
根據 2.2 節梁翼加勁板的設計方法，依照實際的材料性質、鋼腱力量 與梁端彎矩可求出實際的彎矩需求關係如圖3.18 所示，顯示梁翼加勁板外
根據 2.2 節梁翼加勁板的設計方法，依照實際的材料性質、鋼腱力量 與梁端彎矩可求出實際的彎矩需求關係如圖3.18 所示，顯示梁翼加勁板外