2 箱型柱內 ESW 銲道附近熱影響區破壞

照片 1-2 箱型柱內 ESW 銲道附近熱影響區破壞

(資料來源：林克強等，2010)

第二章 文獻回顧

由於本計劃之鋼骨梁柱接頭為 H 鋼梁與箱型柱接合之接頭，此種型式接頭為國內 鋼骨工程常見之梁柱接頭，國外多採用 H 型柱，故有關本計劃之研究情況主要參考國 內研究為主。目前所蒐集的國內文獻資料如下：

1. 林克強、莊勝智、張福全、張柏彥 (2008)，「台灣典型鋼梁與箱型柱採梁翼 切削或梁翼加蓋板抗彎接頭之破壞模式」，第五屆海峽兩岸及香港鋼結構技術交流會。

2. Ker-Chun Lin and Sheng-Jhih Jhang, “ Seismic Behaviors and Design Method on Steel Beam-to-Box Column Connections with Cover Plate,” Structural Engineering, Vol 25, No.2, pp.75-92, 2010 (in Chinese)

3. Tsai K. C., and Lin, K. C., “Effect of flange stiffeners on seismic beam-to-box column connections,” Report No. NTU/CEER R81-01, Center for Earthquake Engineering Research, National Taiwan University, February 1992, Project No.:

NSC-81-0414-p-002-10-B

4. Cheng-Chih CHEN, Chien-Lin LAI, and Ker-Chun LIN (2009), “FINITE ELEMENT ANALYSIS OF ELECTRO-SLAG WELDING FOR DIAPHRAGMS IN STEEL BOX COLUMN,” The Eleventh Taiwan-Korea-Japan Joint Seminar on Earthquake Engineering for Building Structures SEEBUS 2009, Kyoto, Japan, December 3-5, 2009.

5. 張惠雲、劉琨泰、陳政宇、林克強 (2010)「鋼電熱熔渣銲件微觀結構研究」，

中華民國力學學會第三十四屆全國力學會議.

6. 梁宇宸、陳正誠、蔡顯榮，「受高入熱量 ESW 銲接下箱型鋼柱材質之影響」，

中華民國第九屆結構工程研討會，國賓大飯店，高雄，2008 年 8 月 22～24 日。

7. Achitectural Institute of Japan (AIJ). (2006). Recommendation for Design of Connections in Steel Structures, AIJ, Tokyo, Japan. pp. 79-86 (in Japanese)

以下概述本研究蒐集之文獻資料與研究成果：

文獻[1,2,3]針對國內實際工程所採用之鋼骨箱型柱抗彎梁柱接頭進行耐震行 能研究，共 22 組實尺寸梁柱接頭試體之試驗結果發現，柱內橫隔板與柱板接合之電熔 渣銲銲道，其接合之強度與韌性能力明顯較多道熔填之 FCAW 或 SMAW 全滲透銲道 不可靠，常發生不被預期的脆性破壞機率極高，經統計破壞機率約為 25~40%之間。

探討破壞原因發現，製作偏斜的電熔渣銲被研判為此梁柱接頭試體造成破壞的主要原 因，同時電熔渣銲的高入熱量亦對此破壞造成相當大的影響。由銲道檢測程序也顯示，

所有試體其電熔渣銲均經超音波檢測合格後，再進行梁構件接合，從電熔渣銲破壞之 部分剖面巨觀試片發現，電熔渣銲銲道仍有熔透瑕疵現象，此顯示超音波檢測標準仍 有改進空間。

文獻[4]對於文獻[1]之電熔渣銲破壞現象，利用有限元素軟體，對電熔渣銲幾何位 置與形狀等參數，進行相關解析研究，並利用尖端開口位移、應力三軸度與破裂指數 等三指標評估其破壞潛勢，研究成果顯示，當電熔渣銲與內橫隔板偏移顯著時，尖端 開口位移與應力三軸度指標明顯提升，有發生破壞之趨勢。

文獻[5]利用文獻[1]未試驗之電熔渣銲與柱板接合熱影響區試片進行硬度與衝擊 強度試驗，材質為 A572GR50，結果顯示，其電熔渣銲之熱影響區有硬度增大，衝擊 強度值有顯著降低之現象，此顯示該熱影響區有脆化現象發生。

文獻[6]中亦針對 A992 與 SN490B 中厚板及厚板之鋼材進行實尺寸箱型柱中橫隔 板之電熔渣銲銲接，並針對柱板厚度方向進行衝擊試驗，其試驗結果顯示 32mm 厚柱 板中央材質之衝擊強度值較原母材低，40mm 及 50mm 厚之柱板則反之。

文獻[7]為日本「構造接合部設計指針」，其中提到電熔渣銲之入熱量(51500 J/mm) 較大於其他常見的銲接(以 CO

₂

半自動銲為例：700~1600 J/mm)，其冷卻時間較長導致 其熱影響區的韌性變得較差已是日本工業界認定之事實。

第三章 ESW 元件試體有限元素模型分析

國內鋼結構建築大多採用箱型柱做為柱構件，近幾年針對有關鋼梁接箱型柱電熔 渣銲銲道所對應柱板之抗彎梁柱接頭試驗之統計結果顯示，在試驗中當接頭尚未發展 明顯非線性變形前，即常在電熔渣銲銲道或其熱影響區附近發生脆性破壞，其破壞機 率約為 25%~40%，而從破壞試體之巨觀試片發現製作偏斜的電熔渣銲被研判為此梁柱 接頭試體造成破壞的主要原因，同時電熔渣銲的高入熱量亦對柱板材質造成相當大的 影響，故本研究主要針對電熔渣銲熔透半徑、電熔渣銲位置之偏差與柱板外梁翼板位 置之偏差等鋼構施工可能發生之問題進行有限元素分析與研究，期望藉由本研究可了 解該施工偏差對整體梁柱接頭之影響。

第一節 有限元素分析模型介紹

本研究使用之 ESW 元件分析模型如圖 3-1 所示，主要包含箱型柱、梁翼板、電熔 渣銲銲道、橫隔板與橫隔板上下用以包圍電熔渣銲銲道之背襯板，其中梁翼板採用開 槽全滲透銲接與箱型柱電熔渣銲對應之柱板相接，而於模擬梁翼板全滲透開槽全滲透 銲接處忽略背襯板。因本分析模型為上下對稱之模型，故以箱型柱寬度方向之中心線 取半分析，以節省分析計算之時間。本分析模型於箱型柱之柱板與內橫隔板處以鉸接 束制，於上面梁翼板端部施加拉力，以研究柱板與電熔渣銲接合熱影響區與梁翼板之 應力分布情況。而分析模型之梁柱尺寸主要以目前國內鋼構業較常使用之尺寸為主，

箱型柱尺寸為 BOX 750x750x28，梁翼寬度為 300mm，梁翼板厚度為 25mm，內橫隔 板厚度亦為 25mm。

本分析模型假設施加最大拉力為α

F y A f

，其中

F y

為鋼材標稱降伏強度，A

f

為梁翼 板橫斷面面積。

而

SH

/Z Z _f ×

= β α

其中，β 為梁翼傳入柱內之彎矩約佔總彎矩之比例，該值假設為 0.95。

Z

f /Z 為梁翼塑性斷面模數與梁全斷面塑性斷面模數之比值，以實尺寸梁柱接

頭試驗之實際梁尺寸 BH 800x300x14x25 計算，Z

f /Z 為 0.75。

SH 為應變硬化係數，一般 SN490b 鋼材之應變硬化假設為 1.25。

故α計算出約為 1.58，由此可得到施加最大拉力約為 418t。

電熔渣銲之銲接細節主要參考電熔渣銲之巨觀切片，如照片 3-1 所示，該銲道熔 入柱翼板(Column)、橫隔板(Diaphragm)與上下兩片側墊板(Backing)，側墊板與柱翼板 及橫隔板假設有 0.2mm 之初始間隙，於本分析模型中另增加電熔渣銲之熱影響區，該 熱影響區主要區域在柱翼板上，其電熔渣銲之接合細節如圖 3-2 所示。

鋼母材與銲道之材料模型目前均模擬為雙線性且為均質材料，於線性階段採用等 向(Isotropic)材料模型，彈性模數設定為 200,000 MPa，波松比 (Poison Ration) 為 0.3。

塑性階段採用走動(Kinematic)材料模型，材料之降伏強度暫以標稱強度設定之，如圖 3-3 所示。本分析模型不考慮實際試體製造銲接時所產生之熱影響與殘留應力，亦不考 慮鋼材開裂破壞之行為。待鋼材、電熔渣銲銲道、熱影響區與梁翼全滲透銲銲道之相 關材料試驗完成後，將再修正本分析之材料模型，以使分析模型之行為更加接近真實 結構體。

另外，將該 ESW 分析模型放入梁柱接頭分析模型中，用來模擬梁柱接頭真實發 生 ESW 破壞時(試體編號 RC13，其梁柱相關尺寸詳見文獻[1,2])，實際柱板與電熔渣 銲接合熱影響區與梁翼板之應力分布狀況，該模型之鋼材材料模形採用真實鋼材拉力 試驗之結果，如表一所示，其餘材料模型則與前述相同。於 RC13 梁柱接頭試體中，

ESW 偏差情況如照片二所示。

第二節 有限元素分析模型參數研究

本研究使用有限元素分析軟體 ABAQUS 進行模擬與分析，共有三類參數進行研究 分析，包含 ESW 熔透直徑大小、ESW 垂直偏心與梁翼板偏心等參數，探討該參數對 柱板與電熔渣銲接合熱影響區與梁翼板之應力分布狀況之影響，目前規劃的詳細研究 參數為(1)變化電熔渣銲銲道直徑大小，如圖 3-4 所示，其電熔渣銲銲道直徑大小

為 38mm(D38)、41mm(D41)與 D44mm(D44)三種大小，(2)變化電熔渣銲垂直偏心位置，

如圖 3-5 所示，其垂直偏心位置往上為正，往下為負，共分為+8mm(EV+8)、

+5mm(EV+5)、+3mm(EV+3)、0mm(CC)、-3mm(EV-3)、-5mm(EV-5)與-8mm(EV-8)七 種參數，(3)變化梁翼板之位置，讓梁翼板相對於箱型柱內橫隔板有一垂直往上偏心距 離，分別為 0mm(BFCC)、+8mm(BFEC8)、+16mm(BFEC16)與+25mm(BFEC25)四種參 數，如圖 3-6 所示，而整體有限元素分析的組數如表 3-2 所示。

第三節 有限元素模型分析結果

本研究主要採用累積塑性應變(Equivalent Plastic Strain，以下簡稱 PEEQ)與裂縫尖 端開口位移(以下簡稱 Opening)為本研究電熔渣銲力學行為之指標，其中 PEEQ 為取熱 影響區平行梁翼寬度方向之最大值，而裂縫尖端開口位移則是取側墊板及柱翼板間之 間隙與電熔渣銲之兩交點相對位移，因於 ESW 上下皆有側墊板與柱翼板之間隙，故 此兩種參考指標皆分為上部與下部兩種。有限元素分析結果之比較如圖 3-7 至圖 3-12 所示，其中圖 3-7 至圖 3-9 主要探討梁翼板往上偏心對 PEEQ 與 Opening 之影響，該 分析結果顯示隨著梁翼往上偏心愈大，其上部 PEEQ 與 Opening 之反應愈大，下部 Opening 之反應則愈小，而下部 PEEQ 則幾乎接近 0。圖 3-10 至圖 3-12 則主要為變化 ESW 垂直偏心量對 PEEQ 與 Opening 之影響，而 PEEQ 與 Opening 指標比較之基準點 為取鋼梁發展至彎矩 M

_p

換算得到之拉力(3502 kN)，由這些分析比較圖可知 ESW 往下 偏心量愈大時，上部 Opening 反應愈大、下部 Opening 反應愈小，當 ESW 往上偏心量 愈大時，上下部 Opening 反應則反之，而對於 PEEQ 反應來說，隨著 ESW 往下偏心量 愈大，上部 PEEQ 有愈大之趨勢，而 ESW 往上偏心量愈大，上部 PEEQ 則有愈小之 趨勢，而下部 PEEQ 整體反應幾乎接近 0。尤其需特別注意當 ESW 垂直偏心位置與梁 翼偏心位置為反方向時，其 PEEQ 與 Opening 之指標明顯提升。圖 3-13 至圖 3-15 為 變化 ESW 銲道直徑大小對 PEEQ 與 Opening 指標之影響，由分析結果顯示當 ESW 銲 道直徑愈大時，其 PEEQ 與 Opening 指標有下降之趨勢。

另於實尺寸梁柱接頭分析結果顯示當試體於 0.01 弧度迴圈發生電熔渣銲銲道破壞

時，其 PEEQ 指標約為 0.01，如圖 3-16 所示，該值可做為電熔渣銲銲道開裂破壞之指 標。後續將再針對不同實尺寸梁柱接頭但同樣發生電熔渣銲銲道破壞之試體進行分 析，以驗證 PEEQ 為 0.01 時，作為電熔渣銲銲道開裂破壞之指標是否適當。

表 3-1 試體 RC13 實際材料強度表

Spec. Location F y

(MPa) F yf / F yw

F u

(MPa) F uf / F uw

Elongation

(%)* YR=F u / F y YR f / YR w

Flange 387.50 513.55 28.50 1.33 RC13

Web 430.66 0.90

540.53 0.95

23.93 1.26 1.06 * Gauge Length = 200 mm

(資料來源：林克強等，2010)

表 3-2 有限元素分析組數

ESW熔透直徑 (mm)

ESW 垂直偏移量 (mm)

梁翼往上偏移量

(mm)

分析組數

38 -5、-3、0、+3、+5 0、8、16、25 共20組 41 -5、-3、0、+3、+5 0、8、16、25 共20組 44 -8、-5、-3、0、+3、+5、+8 0、8、16、25 共28組

(資料來源：本研究製作)

Force Column

Plate Column

Plate

Diaphragm

HAZ

圖 3-2 電熔渣銲接合細節示意圖

(資料來源：本研究製作)

Plastic Strain Stress (MPa)

350

E=200GPa

ν=0.3

SN490B Material

0.01E

Plastic Strain Stress (MPa)

350

E=200GPa

ν=0.3

SN490B Material

0.01E

Plastic Strain Stress (MPa)

480

E=200GPa ν=0.3

Welds (SAC 1999)

0.0036E

Plastic Strain Stress (MPa)

480

E=200GPa ν=0.3

Welds (SAC 1999)

0.0036E

圖 3-3 有限元素分析使用之材料模型 (資料來源：本研究製作)

D=38mm

D=38mm D=41mm D=41mm D=44mm D=44mm

38 41 44

圖 3-4 ESW 銲道直徑大小參數

(資料來源：本研究製作)

-5

+5 -8

+8 -3

+3

± ± 3mm 3mm

± ±5mm 5mm ±8mm ± 8mm 0mm 0mm

圖 3-5 ESW 垂直偏心位置參數 (資料來源：本研究製作)

25 8 16

0mm 0mm

8mm 8mm 16mm 16mm 25mm 25mm

圖 3-6 梁翼板往上偏心位置參數

(資料來源：本研究製作)

鋼骨梁柱接頭橫隔板耐震性能研究

-0.2

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

O p e n ing ( m m )

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

M a x . PE EQ

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

Open ing ( m m )

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

Ma x . P E EQ

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

Open ing ( m m )

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

M a x. PEE Q

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

Op e n in g ( mm)

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

M a x . PE EQ

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

Open ing ( m m )

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

M a x. PEE Q

BFCC(Top)

-0.2

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

O p e n ing ( m m )

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

M a x . PE EQ

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

Open ing ( m m )

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

Ma x . P E EQ

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

Open ing ( m m )

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

M a x. PEE Q

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

Op e n in g ( mm)

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

M a x . PE EQ

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

Open ing ( m m )

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

M a x. PEE Q

BFCC(Top)

-0.2

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

O p e n ing ( m m )

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

M a x . PE EQ

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

Open ing ( m m )

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

Ma x . P E EQ

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

Open ing ( m m )

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

M a x. PEE Q

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

Op e n in g ( mm)

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

M a x . PE EQ

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

Open ing ( m m )

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

M a x. PEE Q

BFCC(Top)

-0.2

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

O p e n ing ( m m )

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

M a x . PE EQ

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

Open ing ( m m )

BFCC(Top)

0 1000 2000 3000 4000 5000

Force (kN)

Ma x . P E EQ

BFCC(Top)

-0.1

O p e n ing ( m m ) Top

Bottom

M a x . PE EQ

Top

O p e n ing ( m m ) Top

Bottom

M a x . PE EQ

Top

O p e n ing ( m m ) Top

Bottom

M a x . PE EQ

Top Bottom D38BFEC16

圖 3-10 ESW 熔透直徑為 38mm 時，採用不同垂直偏心量之分析結果比較圖

(資料來源：本研究製作)

-0.1

O p e n ing ( m m ) Top

Bottom

M a x . PE EQ

Top

O p e n ing ( m m ) Top

Bottom

M a x . PE EQ

Top

O p e n ing ( m m ) Top

Bottom

M a x . PE EQ

Top

-0.1

O p e n ing ( m m ) Top

Bottom

M a x . PE EQ

Top

O p e n ing ( m m ) Top

Bottom

M a x . PE EQ

Top

O p e n ing ( m m)

Top

M a x . PE EQ

Top Bottom D44BEC16

圖 3-12 ESW 熔透直徑為 44mm 時，採用不同垂直偏心量之分析結果比較圖

(資料來源：本研究製作)

-0.1

Diameter (mm)

Op eni ng ( m m )

Top

Diameter (mm)

M a x. PEE Q

Top

Diameter (mm)

O p eni ng ( m m )

Top

Diameter (mm)

Ma x . PEE Q

Top

Diameter (mm)

O p eni ng ( m m )

Top

Diameter (mm)

Ma x . PEE Q

Top

-0.1

Diameter (mm)

O p eni ng ( m m )

Top

Diameter (mm)

Max . PEE Q

Top

Diameter (mm)

O p eni ng ( m m )

Top

Diameter (mm)

Ma x . PEE Q

Top

Diameter (mm)

O p eni ng ( m m )

Top

Diameter (mm)

Ma x . PEE Q

Top Bottom

EC-3BFEC16

圖 3-14 ESW 垂直偏差為-3 時，採用不同 ESW 銲道直徑大小之分析結果比較圖

(資料來源：本研究製作)

-0.1

Diameter (mm)

O p eni ng ( m m )

Top

Diameter (mm)

Max . PEE Q

Top

Diameter (mm)

O p eni ng ( m m )

Top

Diameter (mm)

Ma x . PEE Q

Top

Diameter (mm)

O p eni ng ( m m )

Top

Diameter (mm)

Ma x . PEE Q

Top

0 0.01 0.02 0.03

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

Drift (%, radian)

PEEQ

-1200 -800 -400 0 400 800 1200

-6 -4 -2 0 2 4 6

Drift (%, radian)

La te ra l For c e ( k N )

TEST Analysis

TG2c

F

P

F

Pr1

1%時，發 生破壞

圖 3-16 梁柱接頭試體發生電熔渣銲銲道破壞之 PEEQ 指標

(資料來源：本研究製作)

44mm 46mm

46 m m 47 m

m

5mm

3mm

3mm

44mm 46mm

46 m m 47 m

m

5mm

3mm

3mm 28mm

25mm

照片 3-1 梁柱接頭試體發生電熔渣銲銲道破壞之 PEEQ 指標

(資料來源：本研究製作)

第四章 橫隔板與箱型柱電熱熔渣銲接合試驗

第一節 試體設計

由前章節有限元素分析之結果可知電熔渣銲(ESW)之耐震行為，受 ESW 垂直偏心 量、外側梁翼板垂直偏心量以及 ESW 銲道直徑大小等參數影響，綜合分析結果以及 考慮試體製作可行性，本研究以 ESW 銲道垂直偏心量、梁翼板垂直偏心量兩者為控

由前章節有限元素分析之結果可知電熔渣銲(ESW)之耐震行為，受 ESW 垂直偏心 量、外側梁翼板垂直偏心量以及 ESW 銲道直徑大小等參數影響，綜合分析結果以及 考慮試體製作可行性，本研究以 ESW 銲道垂直偏心量、梁翼板垂直偏心量兩者為控

在文檔中 鋼骨梁柱接頭橫隔板耐震性能研究 (頁 28-0)