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梁柱接頭之破壞模式及可能破壞原因

雖然在北嶺地震與阪神地震中都出現梁柱接頭受損的情況,但是在阪神地震 中大部份受損的接頭皆有塑性與局部挫屈的現象出現,與北嶺地震中大部份的梁 柱接頭脆性破壞的情況不同(Nakashima 1999)。

美國方面在北嶺地震後,發現鋼骨抗彎構架的梁柱接頭出現非預期性的脆性 破壞,因而引起了許多學者對此進行研究。以下所敘述之破壞模式是 FEMA

(1995)對北嶺地震所見的破壞模式所作之分類,:

2.1 梁柱接頭之破壞模式

北嶺地震後,針對鋼骨抗彎構架所進行的破壞調查報告,依其發生位置及破 壞方式,將破壞模式區分為(FEMA 1995):梁端之破壞模式 (G)、柱翼板之破壞 模式 (C)、梁柱腹板交會區(panel zone)之破壞模式(P)、銲道之破壞模式 (W) 以 及剪力板之破壞模式 (S) 等五種。以下針對此五種破壞模式說明:

2.1.1 梁端破壞之破壞模式

梁在梁柱接頭處的破壞模式共有八種,包括:上端或下端梁翼板挫屈 (G1)、

上端或下端梁翼板降伏 (G2)、上端或下端梁翼板熱影響區內開裂(G3)、上端或 下端梁翼板熱影響區外開裂 (G4)、上下端梁翼板開裂 (G5)、梁腹板挫屈或降伏 (G6)、梁腹板開裂 (G7)、梁斷面側向扭轉挫屈(lateral torsional buckling)(G8)。

以上破壞模式之詳細位置見圖2.1。

2.1.2 柱翼板之破壞模式

柱翼板在梁柱接頭處的破壞模式共有七種,如所列。包括:柱翼板開裂(C1)、

柱翼板塊狀開裂(tear-out or divot) (C2)、柱翼板熱影響區外開裂 (C3)、柱翼 板熱影響區內開裂 (C4)、柱翼板層裂(lamellar tearing) (C5)、柱翼板挫屈 (C6)、

柱續接板破壞 (G7)。以上破壞模式之詳細位置見圖 2.2。

2.1.3 梁柱腹板交會區之破壞模式

梁柱接頭處之梁柱腹板交會區的破壞模式共有九種,如所列。包括:連續板 (continuity plate)挫屈、降伏或開裂 (P1)、連續板銲道破壞 (P2)、柱腹板降伏或 韌性變形 (P3)、疊合板(doubler plate)的銲道破壞 (P4)、疊合板厚度方向局部 開裂 (P5)、柱腹板厚度方向局部開裂 (P6)、柱腹板或疊合板厚度方向全部或近 乎全部開裂 (P7)、柱腹板挫屈 (P8)、整個梁柱腹板交會區 (包括柱翼板)開裂 (P9)。以上破壞模式之詳細位置見圖 2.3。

2.1.4 銲道之破壞模式

梁柱接頭處的銲道破壞模式共有五種,如表所示。包括:銲趾處開裂 (W1)、

沿銲道本身開裂 (W2)、沿銲道與柱翼板交接面開裂 (W3)、沿銲道與梁翼板交 接面破壞 (W4)、超音波可檢測到但未達破壞標準之瑕疵 (W5)。以上破壞模式 之詳細位置見圖2.4。

2.1.5 剪力板之破壞模式

梁柱接頭處之剪力板的破壞模式共有六種,如所示。包括:剪力板與柱翼板

間之銲道局部破壞 (S1)—剪力板與柱翼板間之銲道局部破壞但梁翼板完整 (S1.a)、剪力板與柱翼板間之銲道局部破壞且梁翼板開裂 (S1.b)、剪力板填角銲 道破壞 (S2)—剪力板填角銲道破壞且梁翼板完整 (S2.a)、剪力板填角銲道破壞 且梁翼板開裂 (S2.a)、剪力板栓孔處垂直向之開裂或變形 (S3)、剪力板的降伏 或挫屈 (S4)、螺栓鬆弛、破壞或掉落 (S5)、剪力板與柱翼板肩的銲道全部開裂 (S6)。以上破壞模式之詳細位置見圖 2.5。

2.2 梁柱接頭可能破壞之原因

Krawinkler (1996)指出,梁柱接頭的破壞並非為單一因素所控制,而是由各 種可能因素所造成的,包括:

2.2.1 結構系統方面

在大部分於北嶺地震發生破壞的抗彎構架中,多數的構架皆用於傳遞垂直載 重,只有少數構架用以抵抗側向地震力,造成結構系統的贅餘度較低,而減少結 構系統應力重新分配的機制。除此之外為滿足結構系統在地震力作用下的側向位 移限制,大多須採用較大尺寸的梁,導致梁翼板的全滲透銲接量增大,造成銲接 方面的問題。

2.2.2 材料方面

在強柱弱梁的設計原則下,一般的鋼骨抗彎構架在材料使用方面,梁較常採 用的為A36 鋼材,柱較常採用的為 A572 Gr.50 鋼材。 FEMA (1995) 顯示,近 幾年來美國的鋼鐵供應商所提供的A36 鋼材,其降伏強度常超過 36 ksi,平均降 伏強度及極限強度分別為 49 ksi 及 69 ksi。另外在地震力的返復載重作用之下,

應變固化效應可能使得梁的彎矩強度增加50﹪以上(Krawinkler 1983)。因此在 上述的因素作用之下,如果設計者仍以 A36 鋼材的標稱強度進行設計,將使得

梁柱接頭處梁的設計作用力遠小於真實作用力,導致選用的柱強度及銲材強度相 對降低。如果梁翼板的實際降伏強度遠大於標稱強度,甚至可能造成柱強度不足 形成弱柱強梁之設計,或是銲材強度之不足而形成銲道破壞。

2.2.3 銲接方面

在母材方面,因為銲接過程的高入熱量會改變銲道附近母材的晶格與晶相,

使得母材脆化,形成所謂的熱影響區(HAZ),此情況常見於梁端上下翼板及梁 柱腹板交會區的柱翼板。對於柱翼板而言,與梁上下翼板接合的相對高程處,其 內側須加銲加勁板,造成此處的柱翼板重複受熱;有時亦需於梁柱腹板交會區增 銲疊合板,造成其兩側銲道附近的柱翼板脆化。在北嶺地震發生前,塑性鉸的發 生位置皆設計於梁柱接頭處;當塑性鉸發生在梁柱接合處時,梁端上下翼板的全 滲透銲道附近的熱影響區或梁柱腹板交會區的柱翼板,在無法發揮適當的韌性情 況下自然容易產生開裂。

銲道的瑕疵及細部問題,是北嶺地震接頭破壞案例中最常見的問題。下翼板 的全滲透銲接,因受梁腹板所阻,無法如上翼板的全滲透銲接可連貫施工,甚至 有左右分段施工之情形,造成在梁腹板扇形切角處的下翼板全滲透銲道的不連 續;也因為梁腹板的因故,使得下翼板全滲透銲道的超音波檢測無法順利進行,

而無法有效控制此類銲道的品質。其他常見的銲道破壞原因尚有:銲接工人的施 工品質、銲道檢測準確度不足、起弧段銲接品質不良、銲接角度過小、銲道疊層 過大及排列不良等。

2.2.4 梁柱腹板交會區方面

梁柱腹板交會區主要用以承受梁翼板所傳入的剪力,但是在地震力的作用 下,則需同時承受由柱端傳入的拉力。如果此時柱翼板又出現開裂之情況,將造 成梁柱腹板交會區柱腹板的開裂。當塑性鉸發生在梁柱腹板交會區時,梁柱腹板 交會區可能因剪力變形過大,使得梁柱腹板交會區在四個角偶處產生局部曲折

(kink),當梁翼板與翼板全滲透銲接處曲折程度嚴重時極易造成接合處的破 壞,包括梁翼板或柱翼板的開裂、梁端上下翼板全滲透銲道破壞。

2.2.5 其他方面

其他可能的原因包括:樓板與梁上翼板的結合,中性軸隨之往上翼板移動,

使得下翼板受到更大的應力;扇形切角加工不當傷及母材,導致梁翼板的開裂;

梁翼板全滲透銲接處的墊襯板與柱翼板間未銲接的自然縫隙,容易造成應力集中 現象及銲道開裂的初始裂縫。

對於同一材料而言,如果要有相同程度的單向應變,受到另二個方向束制的 元素所承受的應力將高於無束制的元素所承受之應力。在梁柱接頭區,梁翼板因 受到接合處的束制,處於三軸應力之狀態,其應變行為已非單向外力作用下之情 況,此時梁翼板已無法發揮其在單軸拉伸試驗中所具有之韌性,而發導致脆性破 壞的發生(Bruneau et al. 1998)。