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梁柱接頭可能破壞原因

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,其包括:

2.4.1 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。

2.4.2 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。相關試驗 顯示(FEMA 1995),A36鋼材其降伏強度常超過 36ksi,另在地震力的返 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

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,而無法有效控制 此類銲道的品質。

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,則需同時承受自柱端傳入的拉力。如果此時柱翼板叉出現開 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,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。

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。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有 之韌性,而導致脆性破壞的發生(Bruneau et Gl.1998)。

本章參考文獻

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(a)

(c) (d)

(b)

圖2.7 加勁式梁柱接頭型式 (Engelhardt and Sabol, 1998)

塑鉸處 加長型肋板

圖2.8 加長型單肋板接頭示意圖

鑽孔式接頭

漸變斷面切削式接頭

圓弧切削式接頭

圖2.9 減弱式梁柱接頭型式