美國ACI 318 設計規範

美國 ACI-318 設計規範 (2005) 為鋼筋混凝土設計規範，其設計概念與 AISC-LRFD 相反，主要係將 SRC 構材中鋼骨部分視為鋼筋，再利用鋼筋混凝土構造之設計方式加以計算其強度。設計過程中假設混凝土之極限應變為 0.003，並假設斷面應變諧和，應變保持線性分佈之狀態。混凝土受壓部分之應力採用之矩形應力塊以簡化計算。

37B

2.2.3 日本建築學會(AIJ) SRC設計規範

日本建築學會 SRC 設計規範 (2001) 是以強度疊加的概念設計 SRC 構材。於設計過程中，視鋼骨與 RC 為各自獨立且不互相影響之個體，亦即忽略兩者在組成 SRC 結構時之合成作用，而分別計算出個別之極限強度，再予以疊加。其疊加方式有簡單疊加法 (Simple Superposed Method, SSM) 與一般化疊加法(Generalize Superposed

Method, GSM)。前者在計算上較為簡單，結果將偏向保守；後者在計算上較為複雜，惟可有較經濟的設計。

18B

2.3 國內鋼骨鋼筋混凝土構造(SRC)設計規範

我國目前鋼結構與 RC 結構設計規範大多參考美國 AISC-LRFD 與 ACI-318 規範而制定。為使國內工程師便於使用 SRC 構造設計規範，SRC 構材強度計算方法之一為將鋼骨與 RC 部分分別依照國

內工程師所熟悉之 AISC-LRFD 與 ACI-318 規範計算其個別強度，最後再採用直接強度疊加法以求得 SRC 構材之強度。

19B

2.4 國內外相關文獻回顧

(1) 鋼梁接 SRC 柱之接頭相關文獻回顧

鋼梁接 SRC 柱接頭相關文獻之試體整理於表 2.1。 Chou and Uang (2002) 進行 2 組實尺寸鋼梁接 SRC 柱之接頭試體試驗。其試

體1 為於 SRC 柱交會區處鋼骨腹板兩側增加疊合板；試體 2 為利用鋼板套 (Jacket Plates) 夾住交會區以取代側向鋼筋。結果顯示疊合板能有效地分擔交會區處混凝土所受之剪力；而於試體2 之鋼板套與連續板提供交會區有效之圍束，使得混凝土在未達最大載重前強度並未衰減。根據以上結果疊合板、鋼板套與連續板皆能夠有效地提升交會區之抗剪能力。

日本學者 Yamashita 等人 (2000)，進行 1 組 1/2 縮尺之鋼梁接 SRC 柱接頭之試驗。試體 SRC 柱內鋼骨與梁鋼骨之撓曲強度比僅為 0.2，但梁柱接頭仍有良好的耐震行為，其交會區剪力-層間變位角迴

圈圖如圖 2.1 所示。Yamashita 等人研究所用之試體斷面在台灣並不常用，因為採用單一 H 型鋼，柱內鋼骨之斷面甚小，且鋼梁貫穿 SRC 柱。

日本學者 Okayasu 等人 (2000)，進行 8 組 1/2 縮尺之鋼梁接 SRC

柱接頭之試驗，試體之柱梁鋼骨撓曲強度比值為 0.1 至 0.3。其中 5 組試體採承壓面板 (Face Bearing Plate, FBP) 補強，2 組試體採用 8 角形加勁鐵筐補強，另1 組試體則採圓形加勁鐵筐補強。試驗結果顯示，因補強有效地提升接頭區之強度，故柱梁鋼骨撓曲強度比值即使小於日本 SRC 規範之標準 (0.4≦ _SCM_A/ _SBM_A≦2.5)，接頭區仍能發揮優異之韌性行為。

日本學者 Fukuchi 等人 (2002)，進行 7 組鋼梁接 SRC 內柱接頭之反覆載重試驗，鋼梁貫穿 SRC 柱。根據其研究報告之參數設定為柱梁鋼骨撓曲強度比值為 0.09 至 0.17 以及近接合部處之箍筋擺放之間距。試驗結果顯示每組試體均能達層間變位角 0.05 弧度，而接合處之強度不致大幅下滑，且箍筋擺放較密集之試體也較擺放較寬鬆之

日本學者 Imanishi 等人 (2003)，進行 3 組鋼梁接 SRC 邊柱接頭之試驗。其中一組試體交會區處柱鋼骨並無腹板，另外兩組試體柱梁鋼骨撓曲強度比值分別為0.61 與 1.52。除了柱鋼骨無腹板的試體(圖 2.2 中間試體)，其餘試體在試驗後皆有良好之韌性行為，如圖 2.2 所示。

日本學者 Oshida 等人 (2003)，進行 4 組 SRC 內柱接鋼梁接頭

之試驗，試體柱梁鋼骨撓曲強度比值為1.30、0.60 與 0.50，鋼梁並未貫穿 SRC 柱。柱鋼骨無腹板的試體交會區剪力強度不足外，其餘試體之耐震性能良好。

翁正強與王暉舜 (2005) 進行 2 組大尺寸鋼梁與包覆箱型鋼柱相接之梁柱接頭試體之反覆載重試驗。針對 S-SRC 梁柱接頭之鋼梁塑

性鉸的發生情形、梁柱接頭區混凝土之開裂狀況、配置剪力釘對梁柱接頭韌性之影響進行研究。試驗結果顯示，因 SRC 柱內之箱型鋼管斷面 X 與 Y 方向各有兩片腹板，故可以提供梁柱接頭區充分的剪力強度，並可抑制接頭區的剪力變形，使接頭區之混凝土保持良好狀態而無明顯開裂。因此接頭區的混凝土能夠對相接之鋼梁發揮有效的束制作用，使得鋼梁在 SRC 柱混凝土面外形成良好的塑性變形，並使鋼梁的塑性鉸遠離銲道。

楊宗翰 (2004) 進行 3 組實尺寸鋼梁接鋼骨鋼筋混凝土柱之梁柱

接頭試體承受反覆載重作用之試驗。此研究在梁柱接頭區採用 4 支 90+135 度彎鉤之周邊繫筋，以形成圍束箍筋的方式來簡化 SRC 梁柱接頭區箍筋的施工複雜性。試驗結果顯示，此種施工方式於梁柱接頭區之混凝土可提供良好的圍束效應，並且有效提供接頭區所需之剪力強度。

徐振益 (2004) 進行 5 組實尺寸鋼梁接鋼骨鋼筋混凝土柱之梁柱接頭試體之反覆載重試驗。此研究在梁柱接頭區加銲疊合板但不配置圍束箍筋之方式，來簡化梁柱接頭處箍筋的施工複雜性。試驗結果顯示，於交會區鋼柱腹板之標稱剪力強度與該區最大需求剪力強度之比值在 0.82 以上之試體，其鋼梁上均產生良好的塑性鉸，發揮良好的消能作用，並且在柱接頭區之鋼柱腹板加銲適當的疊合板可有效提升交會區之強度，減少接頭區混凝土的開裂。

(2) SRC 梁接 SRC 柱之接頭相關文獻回顧

陳昭榮 (1992) 利用半預鑄工法之 SRC 接頭試體，探討 SRC 梁柱接頭之強度與韌性行為。在反覆載重試驗下發現，若於梁或柱之鋼骨翼板加銲剪力釘，則試體相較於未銲剪力釘的試體擁有較佳之韌性行為。其原因為剪力釘提供之水平力承壓面積遠大於鋼筋握裹所承

受水平力之面積，故在加銲剪力釘之試體，鋼骨與混凝土之間有較佳之合成作用。

蔡克銓等人 (1995) 以半預鑄工法之 SRC 接頭試體承受反覆載重試驗，以探討 SRC 接頭於強震下的力學行為。該結果顯示 SRC 梁

柱接頭於反覆載重試驗下有良好的強度及韌性表現，亦可發現試體實際之強度大於設計時所計算之理論強度。另外，於 SRC 梁之鋼筋能

有效地分擔著部分剪力及彎矩，但隨著反覆載重次數增加，梁內鋼骨所承受的剪力比例亦即隨之提高。

(3) 鋼梁接 RC 柱之接頭相關文獻回顧

從 1985 年開始，美日兩國學者也逐漸重視另一種複合型結構的研究，此種複合型的結構是結合鋼筋混凝土柱與鋼梁構材 (Reinforced Concrete Column and Steel Beam，簡稱 RCS)。RCS 之構

造於柱中雖無設置鋼骨，但由相關研究成果顯示此種複合型結構的耐震性能與經過耐震設計的 RC 結構能相比擬。相關之研究可見文獻 ASCE Task Co mmittee (1994) 、 Noguchi and Uchida (2004) 、 Parra-Montesinos and Wight (2000) 、 Liang and Parra-Montesinos (2004)、Cheng and Chen (2005)、Deierlein and Noguchi (2000)、陳沛清 (2002) 等之研究。圖 2.3 所示為鋼梁貫穿 RC 柱之接頭剪力強度

機制，其接頭剪力強度由鋼梁腹板、混凝土壓桿與鋼筋混凝土壓力區

上述公式為確保鋼梁接 SRC 柱接合處彎矩傳遞不致發生問題，

2. SRC

梁柱接頭區之需要剪力強度

V

u應依以下規定計算：

(a)

圍束接頭 V_nrc =5.3 f_c^'A_j

(2-5)

(b)

接頭三面或兩對面受圍束 V_nrc = 4.0 f_c^'A_j

(2-6) (c)

其他 V_nrc =3.2 f_c^'A_j

(2-7)

A

j為接頭區混凝土部分之有效受剪面積，當接頭處之梁為鋼梁時，

A

j之深度為沿剪力方向接頭之深度；

A

_j之寬度不得大於接頭處垂直於剪力方向柱寬之一半。

第三章鋼梁接SRC 柱之梁柱接頭實驗

21B

3.1 前言

相較於日本規範

SRC

柱內鋼骨與鋼梁之撓曲強度比值的設定，目前國內對於

SRC

構造的設計仍採取較為保守的態度。為探討

SRC

柱內鋼骨與鋼梁的撓曲強度比值於梁柱接頭行為之影響，也期望在未來的

SRC

構件有較為彈性的設計方法，本研究以實驗的方式探討鋼柱與鋼梁撓曲強度比值小於

1.0

時梁柱接頭之耐震行為。

22B

3.2 實驗規劃

本研究設計六組鋼梁接

SRC

柱的試體於實驗室進行反覆載重之試驗。進行試驗的六組試體，各組試體均能夠滿足規範強柱弱梁之要求，以及梁柱交會區之設計剪力強度大於其最大需求剪力強度。為了簡化試體在設置上的複雜性以及考量實驗室的儀器設備與空間，所有試體均採取外部接頭鋼梁接

SRC

柱的型式。試體為模擬上下樓層柱與一跨距梁中央的反曲點，因反曲點處彎矩為零，所以可以利用三個鉸接點來表示這三處之反曲點。於實驗室中將

SRC

柱平躺並固定於強力地板，反覆加載於梁端以進行試驗，如圖

3.1

所示。

23B

3.3 試體設計

本研究規劃六組試體如表

3.1

所示，以

SRC

柱之鋼骨與鋼梁撓曲強度比值、強柱弱梁比值為試體研究參數。其中試體名稱之

SR

代表鋼骨柱與鋼梁撓曲強度比值

(Strength Ratio)

，

R8

或

R6

代表

SRC

柱內主筋號數為

#8

或

#6

。基於國內常用的

SRC

梁與柱構件尺寸以及施工的便利性，試體之設計考量國內工程界可能採用之尺寸範圍，故設定試體的柱梁鋼骨撓曲強度比值為

0.8

至

0.4

。另一研究參數為強柱弱梁比值，藉由使用

#8

與

#6

的柱主筋以改變

SRC

柱之

RC

部分之強度作為研究參數。

試驗的

SRC

柱斷面示意如圖

3.2

所示，柱內鋼骨與鋼梁均採用

A572 Gr. 50

的鋼材，並使用

28

天抗壓強度為

4000 psi

的混凝土以包覆柱內的鋼骨。六組試體的柱斷面尺寸均為

450 450 mm

，於柱的四個角落配置

3

根鋼筋做為柱內主筋，共

12

根主筋；而箍筋均採用

#3

鋼筋。

六組試體之鋼梁的尺寸均固定為

H280

120

10

20

之銲接組合

H

型鋼，而梁長配合實際構造與實驗反力牆高度及油壓致動器位置，

從加載點至

SRC

柱面長度為

2160 mm

，

SRC

柱支承點間長度為

3000 mm

；柱內鋼骨以銲接的方式組合成十字型或

H

型鋼骨，各組試

體之柱內鋼骨尺寸都是根據鋼柱與鋼梁的撓曲強度比值決定，其設計如圖

3.3

至

3.6

所示。

SRC

柱內箍筋的配置在非圍束區處間距均為

100 mm

，採用閉合

SRC

柱內箍筋的配置在非圍束區處間距均為

100 mm

，採用閉合

在文檔中鋼梁與包覆型鋼骨鋼筋混凝土柱接頭韌性行為研究 (頁 23-125)

2.2.3 日本建築學會(AIJ) SRC設計規範

2.3 國內鋼骨鋼筋混凝土構造(SRC)設計規範

2.4 國內外相關文獻回顧

2. SRC

V

(a)

(2-5)

(b)

(2-6) (c)

(2-7)

A

A

A

第三章 鋼梁接SRC 柱之梁柱接頭實驗

3.1 前言

SRC

SRC

SRC

SRC

1.0

3.2 實驗規劃

SRC

SRC

SRC

3.1

3.3 試體設計

3.1

SRC

SR

(Strength Ratio)

R8

R6

SRC

#8

#6

SRC

0.8

0.4

#8

#6

SRC

RC

SRC

3.2

A572 Gr. 50

28

4000 psi

450

450 mm

3

12

#3

H280

120

10

20

H

SRC

2160 mm

SRC

3000 mm

H

3.3

3.6

SRC

100 mm

SRC

100 mm

第三章鋼梁接SRC 柱之梁柱接頭實驗