補強式梁柱接頭

補強式梁柱接頭其設計原理為提高梁柱接頭處之彎矩強度，避免 梁柱交接面銲接品質不佳、強度不足以及熱影響區之塑性變形能力不 足所引起之脆性破壞，並藉由局部之加勁，使塑絞產生位置能移至加 勁構材外而遠離柱面。早期補強式梁柱接頭之研究包括了有：(1) 蓋 板型 (cover plate) 梁柱接頭、(2) 垂直肋板型 (upstanding ribs) 梁柱 接頭、(3) 側板型 (side plate) 梁柱接頭、(4) 托肩型 (haunch) 梁柱 接頭等等，其構造型式如圖2.1 所示；近幾年來更有擴翼式、梁翼板 內側加勁式梁柱接頭，如圖2.2 與 2.3 所示。其中較常見的為蓋板式

以及垂直肋板式梁柱接頭，以下將針對此兩種型式加以敘述。

2.3 .1 蓋板式梁柱接頭

蓋板型式接頭，施作方式為在梁之上下翼板各加銲一片鋼板，藉 由增加翼板厚度，來提高梁柱接頭區之彎矩容量。常見幾何形狀可分 兩種，一為上下蓋板皆為三角形之補強；一為三角形上蓋板與矩形下 蓋板。

1. 林新益 (1989)

利用有限元素法探討箱型柱與 I 型梁接頭處之應力分佈及其集 中之現象，並施作五組試體，其中一組為梯形蓋板型式，研究結果顯 示蓋板與梁翼板兩側於柱面接合處，皆有高應力集中現象，塑鉸則是 發生於蓋板端部，最後於梁翼板處發生局部挫屈破壞。

2. 陳嘉有 (1995)

利用有限元素法探討多種改良型式之韌性接頭，共施作十二組試 體，其中有四組為蓋板補強式接頭，皆為箱型柱與熱軋 I 型梁接頭，

研究結果發現矩形下蓋板端部由於梁斷面強度變化較大，而產生局部 破裂，顯示此處造成梁翼板應力集中之現象，加以蓋板又屬厚板銲 接，而使此處有殘餘應力，並由於過多入熱量使鋼材脆化，因此較易 產生脆性破壞。但四組蓋板仍有三組可達0.03 弧度，顯見其韌性表 現良好。

3. Engelhardt and Sabol (1997)

實驗採用蓋板之型式為，三角形上蓋板及矩形下蓋板如圖2.4 所 示，而採用漸變寬度之三角形上蓋板是為了使梁翼板之應力能平順傳

遞至柱，避免應力過度集中於蓋板端部；矩形下蓋板則是為了銲接施 工之便利性，先於工廠將下蓋板銲於柱面，至工地組立時，便可當作 下翼板之背墊板，採全滲透銲接，而蓋板與翼板間之接合採角銲銲 接。共施作十二組試體，實驗結果顯示有七組試體之塑性轉角可達 0.03 弧度以上，並在蓋板端部產生塑鉸而有梁翼板及腹板局部挫屈現 象產生，僅兩組試體於較低之塑性轉角發生脆性破壞，因此其韌性行 為表現良好。但由於蓋板屬厚板銲接，有殘留應力及銲接品質難以控 制等問題，為其缺點。

4. Whittaker and Kim (2002)

實驗採用蓋板之型式分為三類，一為梯形上下蓋板，一為矩形上 下蓋板，另一則為燕尾形上下蓋板，共十組試體，其中五組試體之蓋 板與柱面採全滲透銲接接合，而梁翼板則與蓋板銲接接合與柱面無任 何接合 (flange-plate connection)；另外五組之梁翼板、蓋板與柱面則 採全滲透銲接接合 (cover-plate connection)，其接合型式如圖 2.5 所 示。實驗結果顯示十組試體均有良好之韌性行為，破壞模式為蓋板端 之梁翼板及腹板局部挫屈，於柱及蓋板皆無顯著破壞。

5. Whittaker et al. (2002)

僅施作一組試體，有別於以上文獻，屬巨型尺寸，梁為熱軋之 W36×359 型梁，柱為組建之 BW36×359 型柱，其梁翼板之厚度高達 51 mm，並於上翼板銲上一寬 425 mm、長 533 mm，厚度為 25 mm 之 梯型上蓋板；下翼板銲上一寬495 mm、長 533 mm，厚度為 22 mm 之 矩形下蓋板。實驗結果顯示，僅發展出0.009 弧度之塑性轉角，即於 上蓋板端部產生開裂並延伸至梁腹板直到下翼板處停止；並藉著有限 元素法之分析驗證，的確於梁翼板上與蓋板端部兩側連接處，其破裂 指數 (Rupture Index) 與應力三軸度 (Stress Triaxility) 有突然集中之

現象。綜合以上結果，由於梁翼為厚板，造成其與蓋板間之銲接量偏 多，反而使試體提早脆性破壞，無法發揮其韌性行為。

2.3 .2 垂直肋板式梁柱接頭

垂直肋板式與蓋板式之補強原理相同，皆期望將塑性鉸移至補強 段之末端，不同的是可避免並減少如蓋板厚板銲接及檢驗等問題。而 常見之型式大致分為單肋板與雙肋板兩種，接頭外觀可見圖 2.1 (b)。

1. Popov and Tsai (1989)

共施作十八組試體，其中包含了三組雙肋板型式。三組雙肋板之 接合型式為，上肋板配置於上翼板之上方，下肋板則是配置於下翼板 上方；在經由補強後梁之塑性斷面模數設定為原斷面之0.36 倍及 0.51 倍。研究顯示經補強後梁翼全滲透銲道之應力不但可降低 40%，其中 兩組試體試驗結果之塑性轉角更可達0.048 及 0.052 弧度，並使塑鉸 能產生在補強段末端，使梁翼板及腹板產生局部挫屈之破壞；另一組 試體則因銲接品質不良，下肋板與柱面之銲道產生開裂，僅達0.014 弧度。

2. Anderson and Duan (1998)

施作三組單肋板試體，一組為普通之單肋板型式，並於梁柱腹板 交會區不銲疊合板，試驗結果可達0.025 弧度之塑性轉角，破壞模式 為上肋板與柱面之銲道拉裂；另外兩組則是於肋板上鑽孔，為了使傳 入肋板與柱翼板之銲道應力降低，而兩組之差別也在於有無疊合板之 銲接，試驗結果可達0.025 弧度之塑性轉角，破壞模式為梁翼板及腹 板嚴重挫屈和上肋板與柱面之銲道拉裂。

3. Chen and Lin (2004)

共製作量六組實驗試體，一組為未經補強之試體為對照組，四組 為加入單肋板補強型式之接頭，另一組則為單肋板補強加上水平翅板 補強型式，其接合細節如圖2.6 及 2.7 所示。有別於傳統肋板之設計，

採用一延長段及圓弧段補強，並使塑鉸發生於圓弧段之末端，此種設 計方式是為了使肋板端部應力集中之現象得以改善，並藉由圓弧段使 得應力能平順的傳遞至最大補強段，再匯入柱；梁柱接面之梁塑性斷 面模數以提高1.05 倍至 1.20 倍設計最大補強段之斷面尺寸。試驗結 果顯示，未經補強之試體，僅發展出 0.011 弧度之塑性轉角，即於下 翼板發生脆性破壞，另外有三組試體可發展出0.032 至 0.040 弧度之 間之塑性轉角，破壞模式均為梁翼板及腹板之局部挫屈，並於梁翼板 與柱翼板兩側之全滲透銲道處發生開裂，而加了翅板這組試體則是魚 翅板端部及與柱翼板間之銲道發生開裂現象，僅發展出0.017 弧度之 塑性轉角。