斜撐具有高勁度與彈性強度而廣泛使用於鋼骨建築結構 符合耐震 需求的傳統特殊同心斜撐構架，斜撐挫屈為大地震發生時最早發生的破 壞模式，本研究以有限元素分析與試驗方式了解低降伏鋼接合板之強度 與變形特性 藉以探討 SCBF 採用結合板作為消能元件之可行性 綜合分 析與試驗結果後之結論與建議彙整如下：
結構選用 SCBF 系統時，依據規範設計時，應考慮斜撐挫屈後的結 構反應。傳統特殊同心斜撐之耐震設計採用弱斜撐、強接合板設計邏 輯，於彈性階段具有高勁度與強度而符合經濟設計之需求，但承受較大 地震作用時，斜撐受壓挫屈因具有最低強度等級而為最先發生之極限狀 態。結構設計時為了確保斜撐挫屈時仍然維持穩定，必須考慮拉、壓斜 撐均衡配置並檢核受拉斜撐降伏與受壓斜撐挫屈同時發生之其他構件 與接合傳力強度需求。斜撐接合細部則須提供斜撐面外挫屈之轉動能 力。但由於伴隨斜撐挫屈所產生的面外變形遠大於軸向縮短量、因此結 構的使用性在挫屈初期就已明顯受到影響。本研究如採用強斜撐、弱接 合板之強度階級規劃，建立斜撐挫屈前接合板先行降伏消能的機制，則 結構受側力所形成的斜撐端點間軸向變形需求主要必須由接合板所提 供，因此接合板必須具有承受高應變之能力，低降伏鋼因具有低強度與 高變形能力故比一般鋼板適合作為此種系統之斜撐接合板。由試驗結果 顯示 當特殊同心斜撐系統改採強斜撐弱接合板設計邏輯時 耐震所需 的非線性變形必須由接合板提供，接合板在反復載重作用下均可進入拉 力與壓力降伏階段，非彈性挫曲後反復載重下之壓力強度衰減幅度和
緩，可降低相鄰構件因斜撐拉力強度與挫屈後強度差值所需之額外強度 需求，反向解壓加載並具良好勁度而形成較為相當飽滿之穩定消能遲滯 迴圈，因此可以避免或減緩傳統斜撐受壓彈性挫屈所產生的勁度、強度 急遽衰減等不利影響，並可降低系統的最大地震反應。
本研究之試體模擬斜撐與梁柱間之接合，其中斜撐接合板兩側 受到樑柱翼板的束制而具有較大的面外勁度與強度，另兩側未加勁時則 為面外勁度較小之自由端，目前規範要求斜撐接合於自由端束制線外 2t~4t 的位置，以確保斜撐挫屈時之端點轉動能力。Cheng 與 Roeder 教 授均建議斜撐深入樑柱翼板間束制較大的區域，可以提供斜撐端點較佳 的轉動勁度與強度，Roeder 教授基於斜撐挫屈時接合板形成橢圓弧的塑 性鉸，因此建議的斜撐接入深度幾何關係也以距離樑柱翼板束制所形成 的橢圓邊界為幾何定義方式，惟須注意斜撐壓力強度亦隨之提昇，故應 檢核斜撐與接合板極限壓力強度是否符合原有強度等級的規劃邏輯。
本研究係以接合板降伏為設計目標，斜撐與接合板之接合幾何關係 按照 Roeder 教授所建議之方式定義，最深入的一排螺栓分別距離橢圓 邊界 0t、2t、4t、6t、8t 以探討接合板之強度與變形能力，各試體雖具 有相同的 Whitmore 有效寬度。但斜撐強度隨斜撐端部愈接近橢圓邊界 時拉力與壓力強度均較高。當接合板未加勁時，斜撐接合端部與橢圓束 制線間之距離小於 6t 時，破壞模式受到橢圓降伏區域拉壓反復作用下的 斷裂起始所控制，接合深度達到 8t 時橢圓降伏區域較大而受到塊狀撕裂 所控制，惟接合板整體挫曲的程度隨接合距離之增加而加大，相對軸壓 強度則隨接合距離之增加而下降。斜撐接合深度與橢圓降伏線距離小於 2t 以內時之遲滯迴圈較為飽滿，但容許拉力變形較小，實務設計時應考 慮側向位移需求。再依據側向位移所對應的斜撐端點間變形需求(接合板 之變形需求)選擇合適的接合板細部。惟除非極限變形需求不大，建議接
合板接入深度應距離橢圓邊界 4t(含)以上之距離。 一般鋼板以極限強度 計算螺栓孔的承壓強度，對於低降伏鋼而言，由於其降伏比低，因此螺 栓孔開始發生較大承壓變形時的載重相對較低，但是反復載重作用下，
螺栓滑動強度仍可有效維持，且受壓斜撐端部直接承壓於已產生面外變 形的接合板，故變形的螺栓孔並未造成明顯的剛體滑移，而遲滯迴圈所 顯現的消能面積仍然相當飽滿。如果使用厚度較大鋼板或採用焊接方式 接合時，接合板接入深度應距離橢圓邊界之距離應再放大，並配合使用 適當之側向整體挫屈束制機制或加勁，惟加勁方式以不提高接合板軸力 強度為佳。
1. 接合板允許整體挫曲發生時，軸壓面內有效壓應變相對較小，
使反復載重下之極限拉力變形能力接近單向載重試驗之變形能 力。
2. 一般鋼板以極限強度計算螺栓孔的承壓強度，對於低降伏鋼而 言，由於其降伏比低，因此螺栓孔開始發生較大承壓變形時的 載重相對較低，但是反復載重作用下，螺栓滑動強度強度仍可 有效維持，且受壓斜撐端部直接承壓於已產生面外變形的接合 板，故變形的螺栓孔並未造成明顯的頸縮現象。
3. 採用具有最低強度等級的低降伏鋼接合板時，接合板於壓力側 挫曲後行為良好，反向解壓與加載的勁度仍維持接近彈性勁 度，遲滯迴圈中拉壓兩側的對稱性較佳，因此斜撐方向的配置 與拉壓斜撐配置的比例限制具有較大的調整彈性。
4. 使用弱接合板時 接合板以均勻受力為原則 採用偏心接合時有 助於局部應力均勻傳遞，惟應考慮偏心彎矩平衡分配至梁柱構 件。
5. 低降伏鋼本研究係以接合板降伏作為耐震消能機制， 其彈性強 度、勁度仍符合彈性設計之規範標準。韌性提高可以降低結構 物的非線性反應 如果系統可以提供足夠的非線性變形能力 時，其耐震性能優於傳統 SCBF 系統。接合的形式則參考 Cheng 與 Roeder 之研究，將斜撐端部直接延伸入接合板直線彎曲線以 內的範圍。
6. 採用弱接合板時 拉力、壓力載重作用下。非線性變形集中於接 合板，所對應之塑性應變較大，較小的地震下接合板就開始消 能，有效提升結構阻尼比。
7. 接合板加勁時，可以減少斜撐拉壓強度差異改善 SCBF 系統中 彈性挫屈後的載重不平衡現象、提高 SCBF 的系統韌性與降低 結構的地震反應，同時大幅降低挫屈面外變形的影響。地震後 檢修與更換比斜撐容易。
8. 接合板以 30°傳遞應力的方式估算強度係基於接合板的彈性分 析結果，如接合板允許產生較大應變以發揮應力重分配時，以 45°傳遞應力的計算方式較符合單向載重強度的試驗結果，SCBF 以符合抗震為設計目標，當斜撐構架的韌性設計依據規範採用 弱斜撐、強接合板的強度等級規劃時，為避免反復載重過程中，
強度逐漸下降而接合板仍有可能形成弱桿件，設計載重下對應 之接合板應力應以彈性強度為界，因此接合板等值有效寬度以 30°計算較為保守。如果設計時已考慮接合板的變形能力而採用 弱接合板的設計邏輯時， 則建議以 45°決定等值有效寬度並計 算極限強度。
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表 2. 1 LYP100 合金成份限制
表 2. 2 LYP100 機械性質規格表
表 3. 1 ANSYS 分析用之材料應力應變定義
化學成分 C Si Mn P S
規格 ≦0.004 - - ≦0.02 ≦0.015
機械性質 降伏強度 (MPa) 0.2%
offset
抗拉強度 (MPa)
伸長率(%) 試片規格
規格 90~120 200~300 ≧50 CNS 2112 No.5
衝擊韌性 > 27J (@ 0°C) Grain Size>40µm
建議相稱銲材 E6010 E6016
A572 Gr.50
應變 0 0.00175 0.05175 0.30 - - - 應力
(Mpa) 0 350 450 452 - - - LYP10
0
應變 0 0.00045 0.025 0.05 0.1 0.2 0.3 應力
(Mpa) 0 90 160 200 250 275 280
表 3. 2 接合板標稱強度 2.Pcn:標稱壓力強度, kN (base on Fy)( k=0.65, 1.2 for gusset with and
without stiffener respectively. L=(L1+L2+L3)/3)
表 3. 3 接合板分析強度與對應位移
表 3. 4 接合板分析勁度比較表
LYP100 接 合板
表 3. 5 接合板分析強度比較表 Pnt,a(kN)
40mm 對應拉 力強度 Pnt,40
40mm 對應拉 力強度 Pnt,40