第四章 實驗結果分析與討論：對於試驗結果進行討論，以及實驗結果與( Chen et al. 2008 )分析模型動力分析結果進行比較。
第五章 結論：根據本研究之試驗結果以及分析，歸納出結論。
5
第二章 文獻回顧
本章於 2.1 節中，整理了關於斜撐構架行為之相關研究。2.2 節則是彙整過 去靜態往覆加載歷時之研究，如兩篇已納入 AISC 規範中之靜態往覆加載歷時，
Loading Sequence for Beam-to-Column Moment Connections（Krawinkler et al. , 2000）、Loading Sequence for Link-to-Column Connections（Richards 與 Uang, 2003）
以及 Chen et al.（2008）所提出較適合 CBF 之靜態往覆加載歷時。
Roeder （1989）對一個六層樓的實尺寸鋼結構同心斜撐構架輸入三種不同 級別的地震歷時。(1)彈性試驗（Elastic Test）：斜撐構件皆在彈性範圍之內。(2) 中度試驗（Moderate Test）：斜撐構材發生有限的降伏與挫屈情形，比較不尋常的 是在二樓梁接頭腹板處開裂成三片，其原因是扭轉和彎翹行為造成。(3)最後試驗
（Final Test）：斜撐構材發生大規模的降伏以及挫屈行為。
Tremblay （2002）對過去的 76 組鋼結構同心斜撐構架靜態往覆加載歷時試
6
Lee and Bruneau （2005）對過去其他學者的試驗資料進行斜撐構件抗震容 量分析，包括：Black et al. （1980）、Zayas et al. （1980）、Jain et al. （1978）、
Astaneh-Asl et al. （1982）、Archambault et al. （1995）、Leowardi 與 Walpole（1996）、 Walpole（1996）等。分析結果顯示在各種斜撐構材斷面中，管狀的斜撐構材（屏 除被認為較高的寬厚比會較容易因局部挫屈較導致斷裂的因素）在受壓時抗壓容 量降低較少並且有較高的消能容量。另外分析結果也顯示 Wide-Flange 的斜撐構 材斷面在細長比值超過 80 之後，第一次挫屈情形發生時的抗壓容量下降較小，
然而一般認為斜撐構材抗震表現在細長比值介於 80-120 較佳的情形，在這次分 析結果中與細長比值介於 120-160 比較並沒有明顯的差異。
Han et al.（2007）對不同大小寬厚比的斜撐構材進行試驗，斜撐構材斷面皆 為 HSS 斷面。從試驗結果得知斜撐構材的寬厚比介於 11 至 18 斜撐構件的應變 頓大學(University of Washington,UW)、美國加州大學柏克萊分校((University of California,UC)、台灣國家地震工程研究中心及日本與加拿大研究人員之國際合作
7 構架中撕裂或開裂的參數。於分析結果中以等值塑性應變 (Equivalent Plastic Strain,PEEQ)來評估接合板與梁或柱之焊道產生開裂以及斜撐挫屈後破裂之指標。 參數包括：斜撐構材寬厚比、斜撐構材細長比、斜撐構材斷面(HSS、PIPE、Wide-Flange)、管型斜撐構材內灌漿與否、靜態往覆加載歷時(修改 AISC 鋼結構構架靜 態往覆加載歷時)、靜態往覆加載速率。試驗結果顯示，靜態往覆加載歷時、斜撐
8 則為 Hybrid Simulation。研究結果顯示在相同的側推力下，圓型鋼管斜撐構件較 方型鋼管斜撐構件有較佳的延展性。第一、二組試驗皆在相同的層間位移量時產 生局部挫屈，並且發現各層樓之層間位移，圓型鋼管斜撐構架相較方型鋼管斜撐 構架有更一致之傾向。
NCREE(2013)有一國際間之合作研究計畫包括，美國華盛頓大學(University of Washington,UW)、美國加州大學柏克萊分校(University of California,UC)、台灣 國家地震工程研究中心，此實驗於國家地震工研究中心(NCREE)進行試驗。此計
9 strongly on the type of component and failure mode）
N ： 損壞迴圈圈數（number of damaging cycles）
Δ𝛉i ： 每一迴圈的變形範圍（deformation range of cycle i）
c ： 另一個構架性能係數，通常比 1 大（a structural performance parameter the is usually greater then 1.0）
基於 2.1 式 Krawinkler et al. 認為要制定合理的鋼結構彎矩構架的靜態往覆
Richards and Uang（2003）延用 Krawinkler et al.的方法制定 Loading Sequence for Link-to-Column Connections，因其認為 Loading Sequence for Beam-to-Column Moment Connections 對於評估鋼結構偏心斜撐構架（Eccentrically Braced Frames, EBFs）行為過於保守。於是 Richards and Uang 將描述參數由層間位移角(Story Drift Angle, θ)改變成連桿旋轉角（Link Rotation, γ），五個目標參數值也全部更新，
其結果與之前比較有幾項改變：(1)減少累積變形範圍 (2)降低非彈性迴圈比例。
此後在（Okazaki et al., 2005）之實驗也證實了 Loading Sequence for Link-to-Column Connections 可以使 EBF 發揮比原本多 50%的變形容量。此研究結果在 2005 年 被列入 AISC 規範中。
Chen et al.（2008）利用 OpenSEES 模擬三層樓高之 CBF 模型，分析結果發 現 CBF 在 Loading Sequence for Beam-to-Column Moment Connections 作用下，對 於 CBF 真實反應有低估情形，且認為 CBF 相較於其他鋼結構構架有較高的勁度，
10
受震時會有較多高頻率小振幅的情形發生，對此既有 Loading Sequence for Beam-to-Column Moment Connections 並無法有效反應 CBF 真實行為的需求。認為需要 更多的試驗來驗證，因此提出一條更趨近 OpenSEES 動力分析結果的靜態往覆加 載歷時供後人測試。
胡懷國 (2012) 提出改善的靜態往覆加載歷時並進行斜撐構件靜態往覆加 載歷時，試驗變數包括兩種不同半徑的圓形鋼管斜撐構材斷面與三種不同類型的 靜態往覆加載歷時(1) Loading Sequence for Beam-to-Column Moment Connections
（AISC, 2010） (2) Loading Sequence for Link-to-Column Connections （AISC, 2010）
(3) Proposed Loading Sequence for CBF，總計有六組試驗試體。試驗結果顯示 Loading Sequence for Beam-to-Column Moment Connections 並不適合 CBF 靜態往 覆加載試驗，至於在使用 Loading Sequence for Link-to-Column Connections 時斜 撐構件試體累積能量的速率較慢，對於測試 CBF 斜撐構件之變形與韌性容量需 要再評估，而 Proposed Loading Sequence for CBF 在評估 CBF 斜撐構件之變形與 消能容量，則提供較佳的準確性。
11
本試驗測試以下兩種加載歷時，(1) Loading Sequence for Link-to-Column Connections （AISC, 2010）(2) Proposed Loading Sequence for CBF。依之前的研 究結果顯示 (胡懷國 2012)，Loading Sequence for Beam-to-Column Moment Connections（AISC, 2010）套用在 CBF 斜撐構架極為不適，因其過大比例的塑性 迴圈比例(100%)與過於快速的累積塑性變形等，皆會導致斜撐構件過早破壞。因 此本次實驗未將 Loading Sequence for Beam-to-Column Moment Connections 納入 本次實驗之中。
3.1.1 Loading Sequence for Link-to-Column Connections （AISC, 2010）
此歷時為 Richards and Uang 參考 Loading Sequence for Beam-to-Column Moment Connections 之設計方法(Krawinkler et al. 2000)，提出較適合 EBF 之 Loading Sequence for Link-to-Column Connections，其研究模型如圖 3.1。於本實 驗中提出來做本試驗的加載歷時，來觀察其在 CBF 上的適用性。Loading Sequence for Link-to-Column Connections 使用的控制參數為連桿轉角（γ）如圖 3.2 所示 (γ：0.00375、0.005、0.0075、0.01 之圈數皆為 6 圈，0.015 為 4 圈，0.02、0.03 為 2 圈，0.04、0.05、0.07、0.09 則為 1 圈)，由於本實驗之控制參數為樓層位移
12
圖3. 1 EBF之研究模型 10-story（Richards and Uang 2003）
Loading Sequence for Link-to-Column Connections （γ）
變形量（γ） 圈數
0.00375 6 0.005 6 0.0075 6
0.01 6
0.015 4
0.02 2
0.03 2
0.04 1
0.05 1
0.07 1
0.09 1
圖 3. 2 Loading Sequence for Link-to-Column Connections（連桿轉角,γ）
（AISC, 2010）
13
圖 3. 3 連桿轉角
γ 與層間位移角
θ 之關係圖 δ圖 3. 4 Loading Sequence for Link-to-Column Connections（樓層位移角,θ）
(胡懷國 2012)
Loading Sequence for Link-to-Column （θ）
Connections（θ）
14
3.1.2 Proposed Loading Sequence for CBF
此加載歷時引用（Chen et al. , 2008）Proposed Loading Sequence for CBF 如 圖 3.5 所示，是本研究提出較符合 CBF 動力行為之靜態往覆加載歷時。根據過去 研究(胡懷國 2012)結果顯示，在每階段與分析模型動力分析結果變形範圍比較 的誤差量中，無論是加總計算或是平均計算 Proposed Loading Sequence for CBF 的加載結果與分析模型之動力分析皆較 Loading Sequence for Beam-to-Column Moment Connections 以及 Loading Sequence for Link-to-Column Connections 為接 近。
過去的研究(胡懷國 2012)僅以斜撐構件進行實驗，本次實驗更進一步以簡 化之斜撐構架系統來進行靜態往覆載重實驗加載歷時之評估。此系列研究中，規 劃四組試體，表 3.1 為各試體編號與加載歷時表，試驗之斜撐斷面分為兩種 65 系 列以及 35 系列，分別以 Loading Sequence for Link-to-Column Connections 以及 Proposed Loading Sequence for CBF 兩種加載歷時試驗。
圖 3. 5 Proposed Loading Sequence for CBF
Proposed Loading Sequence for CBF
15
表 3. 1 各試體編號與加載歷時對照表 Test Specimen Slenderness Ratio
of Brace Loading Sequence E65 65.5 Link-to-Column Connections
C65 65.5 CBF
E35 35.28 Link-to-Column Connections
C35 35.28 CBF 合（moment connection），實際接合情形，如圖 3.8，於鋼梁端部 45 度開槽與鋼 柱間全滲透焊接。實驗試體各部位之材料性質如表 3.4 所示。
16
圖 3. 6 斜撐構架系統之簡化構架示意圖
表 3. 2 實驗試體尺寸列表
表 3. 3 實驗試體細長比與寬厚比 Test Specimen
slender (D/t)exp65 Series 65.5 25.4 35 Series 35.28 31.78
圖 3. 7 斜撐加勁尺寸設計圖
Test Specimen Db(cm) tb(cm) Lb(cm) A(cm2) Iy(cm4) γy(cm) 65 Series 11.43 0.45 230.4 15.5 234 3.89 35 series 19.07 0.6 254.9 34.8 1490 6.53
17
18
調整梁的高度至本實驗所需的高度，確保梁在受力時上下水平及左右側移的穩定，
如圖 3.12。最後再將斜撐構材吊裝，如圖 3.13(a)，以及完成斜撐構材與接合板的 焊接作業，如圖 3.6(b)、3.6(c)，即完成整體構架架設。整體構架設計圖與實際組 裝圖，如圖 3.14。
圖 3. 9 試驗基座定位並施加預力
圖 3. 10 柱的吊裝
19
圖 3. 11 柱端側向支撐系統
圖 3. 12 梁端側向支撐系統
(a) (b)
(c)
圖 3. 13 斜撐吊裝以及完成焊接作業
20
圖 3. 14 整體構架設計圖與實際組裝圖
21
3.4 試驗設置與程序
3.4.1 施力系統與資料擷取系統
本試驗側向載重系統由一支載重容量為 200 噸(1962kN)、位移容量為
±600mm 之油壓致動器所構成。試驗之加載速率 E 系列為 0.0697 mm/sec 到 1.39416 mm/sec 之間；C 系列為 0.1756 mm/sec 到 1.17129 mm/sec 之間，試驗時 油壓致動器先拉，此時斜撐構件受拉，位移定義為正，油壓致動器的資料輸出連 上之力量，如圖 3.15 所示。(2)位移計(LVDT、Dial Gage，以 C1~C4 為標示)，用 於量測梁柱之間的開合量，位移容量為±25mm 和下接合板與斜撐構件端部之面 外變形量，位移容量為±15mm，以及觀察構架是否有發生滑動現象，位移容量為
±15mm，如圖 3.16 所示。(3)拉線式位移計（String Pot，以 A1~A2 為標示），斜 撐構件之軸力，位移容量為±250mm 以及斜撐構件中點之面外變形量，位移容量 為±500mm，如圖 3.16 所示。
22
圖 3. 15 應變計配制圖
圖 3. 16 位移計配置圖
23
3.4.3 試驗程序
試驗前置作業，包含組裝試體、黏貼應變計、塗石膏漆、架設量測儀器與接 數據傳輸線等，完成前置作業後即可進行試體載重試驗。為了能夠即時清楚地觀 察實驗試體在實驗進行中受載重做用時的變形與破壞，實驗試體從斜撐中央向斜 撐兩端各 90 cm 處、接合板向斜撐加勁接合處延伸 20 cm、連接梁短梁部分、南 端柱下部 H/4 和上部 H/4 處，以及北端短柱部分，都均勻塗抹加入乳黃色色母的 石膏漆，藉由塗抹上的石膏漆可直接觀察出其受力，產生降伏或挫屈，石膏漆的 剝落情形，如圖 3.17 所示。前置作業完成後開始進行試驗，實驗進行時在實驗試 體南端輸入靜態加載歷時，試驗全程採位移控制，將軸力透過接合板傳入斜撐構 材，油壓致動器先向南拉再向北推，油壓致動器南拉時斜撐試體受拉，力量與位 移顯示皆為正值，油壓致動器向北時斜撐試體受壓，力量與位移顯示皆為負值。
試驗過程全程錄影，當每個目標層間位移的第 1 迴圈正負峰值(Peak)達到時，試 驗暫停觀察試體變形情況以及拍照，直至斜撐發生斷裂後停止試驗。試驗流程圖 如圖 3.18 所示。
圖 3. 17 石膏漆分佈圖