第一章 緒論
1.1 研究背景
十九世紀末，由於都市的發展與人口的快速成長所帶來的地價上漲，為了 增加都市用地的使用，追求更大的容積，加上已經成熟的鋼鐵技術與升降機的 發明，材料強度的提升使得相同柱斷面可承載的重量也上升，結構可利用容積 得以保留，垂直向延伸建築建造變得不再困難，至此高層建築發展開始興起。
之後在世界經濟高速成長下，樓層高度的進展非常快速，再超過一定高度後，
結構強度的需求考量不再只是承重及地震力，隨建築高度增加受風面積與風力 也不斷上升，而主體結構也從剛性建築轉變為柔性建築，地震力的效應慢慢降 低但風力引起的側向位移卻大幅度增加。為了滿足側向風力所導致的受力與位 移，一般框架結構已經不足以達成需求，為此 F.R.Khan[2]提出利用建築結構外 側布置密集柱與深梁，使得整體建築猶如一連續筒(tube)所包圍形成，將其稱做 框筒結構。自從 1963 年首次應用在位於美國芝加哥市 116 公尺高的 DeWitt Chestnut 建築以後，框筒結構型式開始廣泛使用於高層建築中，因此對於框筒 結構的力學結構做受力與位移之分析行為變得非常重要。
1.2 研究動機與目的
一般高層結構系統抵抗外力的結構型式主要分為內部結構型式(Interior Structures)和外部結構型式(Exterior Structures)。筒狀結構則是典型的一種外部結 構系統型式，在受風力作用下可當作懸臂箱型梁處理，但由於框筒結構並非真 實完整封閉筒形，因此在受水平力作用下，力量的傳遞會因結構深梁勁度影響 而造成剪力延遲，使得框筒結構受力不均而無法完整發揮其整體結構的勁度，
對於框筒結構往高樓層發展有相當的影響，因此剪力延遲效應的分析變成為一
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個相當重要的課題。為此發展出剪力延遲效應的簡化分析方法，也可以使用電 腦結構分析軟體來做精確的剪力延遲效應影響分析。在時代的演進下，為了各 種目的，框筒結構也發展出了數種框筒型式，從標準的方形框筒，到筒中筒，
圓筒以及斜撐式框筒等等，因此將框筒結構型式做不同的變化，加以分析比較，
希望能得到或了解框筒結構的特性並改良。
本論文主要是利用電腦結構分析軟體(SAP2000)來分析超高層逐漸內縮型 式框筒結構在受水平載重下，利用更改結構深梁的勁度與在特定樓層高度增加 Belt truss 等方式，來檢視其翼板與腹板端框柱的軸應力分佈(剪力延遲效應)變 化，與整體結構水平位移曲線變化，並加以探討。希望能夠了解當框筒整體結 構為隨高度由下而上逐漸內縮時，觀察其內縮型式框筒結構側向位移曲線變化，
與傳統框筒結構位移曲線之差異，利用改變各種不同結構參數，得到框筒結構 翼板與腹板柱軸力變化與剪力延遲情形，與一般框筒結構內柱之軸向內力分佈 情形的差別，且得到內縮型式框筒結構在不同的剪力延遲效應下，各樓層的垂 直位移與翹曲變形行為。
1.3 文獻回顧
一開始先從 Mir M.Ali[1]的文章中了解高層建築的發展與前景，明瞭各種高 層建築之結構形式，從材料分出混凝土建築及鋼結構建築，從結構組成分出外 部結構及內部結構。在選定型鋼材料搭配外部結構組成做為高層建築之研究主 體型式後，選擇了 F.R.Khan[2]所提出之框筒結構做為研究的目標，所以首先必 需了解框筒結構的行為特性。
在方形框筒結構的簡化分析中，主要有等效平面構架分析以及等效連續筒 模型分析方法，F.R.Khan[2]及 B.S.Smith[3]提出將三維結構轉化為二維平面構架 再做簡化分析，為等效平面構架分析方法，而 A.Coull[4]與 A.K.H.Kwan[5]則是
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將框筒結構轉化為等效連續筒模型做分析，稱做等效連續筒模型分析。在本研 究中則是採取使用了有限元素法的 SAP2000 軟體做輔助來分析框筒結構，以及 利用 A.Coull 與 A.K.H.Kwan 提供之方法求得等效連續筒參數，兩者等效連續筒 大部份參數皆相同，主要差異在於其中剪力參數的求取，由於 Coull 使用方法 無 考 慮 梁 柱 桿 件 之 剪 力 變 形 ， 為 了 得 到 更 真 實 之 結 果 選 定 Kwan 利 用 之 K.H.Ha[6]提供之方法求得剪力參數，得到等效連續筒參數之後再利用 SAP2000 軟體模擬出等效連續筒模型做比較。
剪力延遲效應的研究最早是在航太領域裡出現，但隨著高層結構中越來越 多框筒結構型式的出現與發展成熟，剪力延遲效應也成為框筒結構研究重點所 在。許多人開始對剪力延遲做研究，例如在 Coull 與 Kwan 的簡化分析方法裡，
從翼板及腹板框架中可以清楚計算出剪力延遲的情形。而在負剪力延遲效應的 研究，最早是由 D.A.Foutch[7]在受均佈荷載之箱型懸臂梁中發現的，之後 S.T.Chang[8]使用有限元素法驗證了在受均佈荷載下箱型懸臂梁之負剪力延遲 效應。
J.J.Connor[9]則是分析出框筒結構中的正負剪力延遲效應，以及根據結構的 高度變化得到其剪力延遲的分佈與變化規律。Y.Singh[10]則是真正說明其框筒 結構負向剪力延遲效應的形成原因，將結構受力得到之軸力與位移得到之軸力 分開作用繪圖，圖 2-3 當兩者軸力大小一致時產生所謂的剪力延遲翻轉(shear-lag reversal)，在這高度以上因受力位移交互作用下得到負向剪力延遲，在這高度以 下受力大於位移作用得到正向剪力延遲，並且 Y.Singh 再根據改變結構中各種 參數分析得出影響剪力延遲之因素，變動參數時正負剪力延遲交互作用變化之 規律，而剪力延遲翻轉在距離結構底部多少高度時發生，以及正向剪力延遲與 負向剪力延遲彼此之相關性。
在 Mir M.Ali[1]之文章中可以發現到 Belt Truss 如何利用於高層鋼結構之發 展與演進情形，而在大型結構之實際應用上 Belt Truss 常與 Outrigger 及核心 (Core)結構一起使用，R.S.Nair[11]和 S.Fawzia[12]都曾經對此結構方式做過深入
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研究，分析其附加元件之架設方式與位置及其對於高層結構之位移與結構行為 之影響。
1.4 論文架構
本論文主要架構分為五個章節。第一章為緒論，首先簡單介紹高層建築與 框筒結構的發展及相關研究背景，之後說明研究的動機與希望探討的方向及目 的，並就參考收集的文獻做一個整體的回顧分析。第二章則先就框筒結構型式 介紹，說明其結構系統的發展原因與結構優點，現今存在著哪些框筒結構系統 型式，再對於在框筒結構中非常重要的剪力延遲效應做介紹，了解何謂剪力延 遲效應，剪力延遲效應發生原因，剪力延遲效應的特性與影響情形，並對能夠 改進剪力延遲效應的方法做介紹。第三章介紹改變後的框筒結構其主要組成型 式，風力的組成與施加方式以及 SAP2000 軟體分析介紹，何謂 Belt Truss 以及 Belt Truss 對結構的效應，如何將框筒結構模型轉換為等效連續筒模型，以及共 軛梁分析公式介紹，好對上述的施力型式與設計方法根據框筒結構考慮不同的 參數設定做分析。第四章為結構案例分析，使用 SAP2000 軟體制作框筒結構模 型，施加側力載重做靜力分析，探討內縮型式框筒結構模型與傳統框筒結構模 型在受風力後得到之水平位移情形比較，並且對內縮型式框筒結構與傳統框筒 結構之剪力延遲情形做分析討論，再對內縮型式框筒結構在不同樓層高度的垂 直位移情形做分析。第五章為結論與未來展望，首先總結第四章得到的分析結 果並加以討論，思考可能改進的地方及未來有可能繼續努力研究之方向。
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