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試體SRC3 之梁彎矩與梁柱接頭總轉角、梁柱接頭總塑性轉角、梁總轉角、

梁塑性轉角、柱轉角及柱總轉角的關係圖分別如圖4.25 至 4.30 所示;圖 4.31 則 為試體SRC3 各遲滯迴圈最大梁端位移時之各轉角分量百分比圖。由圖 4.25、圖 4.26 可看出梁柱接頭總轉角與梁柱接頭總塑性轉角,在正方向分別為 6.22 %及 5.38 %弧度;在負方向則分別為 6.20 %及 5.33 %弧度,試體的塑性變形能力相當

的優越,遠遠超過設計所規定之4 %弧度最小值。而圖 4.28 可看出梁塑性轉角正 方向達到5.38 %弧度,負方向亦達 5.28 %弧度,且遲滯迴圈中的曲線相當的飽 滿,涵蓋面積亦相當的廣泛,證明試體SRC3 有相當良好的韌性。

此外,圖4.25 中亦可清楚看出試體在鋼梁產生明顯塑性變形後 ( 當梁端位 移 8△y 以後 ),試體彎矩強度有漸漸衰減的現象,強度降緩現象較試體 SRC1 及試體SRC2 更為緩慢,主要是因為此試體之梁為 A36 鋼材,其有較 A572 Gr.50 鋼材為佳的延展性。

在梁彎矩與柱轉角關係上,圖 4.29(a)與(b)可明顯的看出梁柱交會區與柱撓 曲轉角變形尚處於彈性階段,並未有明顯的降伏情況。梁柱交會區最大轉角變形 角量為+0.30 %及-0.30 %弧度,而柱撓曲轉角最大轉角變形角量則為+0.20 % 及-0.25 %弧度,兩轉角量對於梁柱接頭總塑性轉角的貢獻皆相當有限。而圖 4.30 為梁彎矩與柱總轉角的關係圖,因為柱撓曲轉角與梁柱交會區轉角均處於彈 性階段,故結果將與圖4.29 相像。圖 4.30 中之最大柱總轉角變形角量為+0.44 % 及-0.53 %弧度,相對於梁柱接頭總塑性轉角的貢獻亦相當有限,在柱總轉角小 的情形下,試體在接頭區側面混凝土僅產生清晰可見的極輕微裂縫。

由圖4.31 中可以清楚的看出試體試驗開始至結束時,試體消能機制的轉換。

在試驗初期的時候 ( 1 – 4 迴圈時 ),一開始 SRC 柱所分擔的比例還可高達 20 % 以上,但接下來便漸漸的由鋼梁的塑性變形來控制。試驗中期的時候 (5 – 8 迴圈 時 ),可以明顯的看出大部分的消能機制已漸漸的由鋼梁的塑性變形來控制,梁 柱交會區及柱撓曲轉角分量所佔比例也降至更低,僅有10 %左右的比例。

試驗後期 ( 9 – 13 迴圈時 ),鋼梁於第 9 迴圈時產生明顯的塑性變形,之後 能量更大部分由梁的塑性鉸來消散,直至試驗終止後,梁轉角分量所佔比例竟有 95 %以上,柱的撓曲轉角分量所佔比例僅約為 1 %左右,梁柱交會區剪力變形轉 角分量不到4 %。整體來說,此試體的整體表現行為與試體 SRC1 及 SRC2 相似,

且梁達到更充分的塑性變形,有更佳的韌性。各 SRC 梁柱接頭試體轉角分析整

本研究參考美國聯邦緊急事務處理局(Federal Emergency Management Agency,FEMA)[12]之定義來求取試體的層間變位角(Story Drift Angle),

層間變位角的定義如圖 4.32 所示。由層間變位角之定義可發現其即為本研 究所定義之試體總轉角。試體 SRC1 的梁端最大位移為 121mm,試體 SRC2 的梁端最大位移為 121mm,試體 SRC3 的梁端最大位移為 143mm,而梁端 到柱中心之距離皆為 2305mm,故試體 SRC1 之(θt)u = 5.24 %弧度,試體 SRC2 之(θt)u = 5.23 %弧度,試體 SRC3 之(θt)u = 6.22 %弧度。所有試體之 破壞原因與最大層間變位角如表 4.2 所示。

而依據美國AISC 2002[13]之規定,所有設計採反復載重試驗之耐震系統梁 柱接頭都需滿足至少4 %的層間變位角,而本試驗之試體均有超過 4 %弧度最小 值。此外,國內鋼結構設計規範亦規定耐震系統梁柱接頭試體之塑性旋轉角至少 需滿足3 %弧度,表 4.1 顯示各試體之梁塑性旋轉角皆達 3 %弧度以上,故均有 滿足規範之規定值。

4.3 試體勁度

圖 4.33 為各試體之力與位移破壞包絡線,由圖中可以清楚的看出各試體整 體的勁度均極為接近,從一開始的初始勁度甚至到鋼梁翼板產生塑性變形後之勁 度。由於試體 SRC3 的鋼梁為 A36 鋼材,故較其他試體早進入塑性變形極為合 理。另外,在試體鋼梁發生良好的塑性變形後,試體強度有明顯的下降情形。

而圖 4.34 為各試體之彎矩與柱總轉角破壞包絡線,由圖中可以發現各試體 之柱整體勁度均非常接近。圖中最後的回縮現象是因為梁產生良好的塑性變形 後,其柱總轉角量降低所造成的;而初期的柱總轉角有時會有左右些微抖動的現 象產生,主要是因為 SRC 柱為非均質構材,再加上混凝土開裂的影響所造成,

不過整體的趨勢仍能可以明顯看出。若將柱總轉角分成梁柱交會區及柱撓曲轉 角,如圖4.35 之(a)與(b),將可比較出各試體的梁柱交會區與柱撓曲勁度。圖 4.35

顯示各試體梁柱交會區與柱撓曲初使勁度均非常接近,梁柱交會區在進入塑性變 形後的勁度亦相當接近。

4.4 應變計資料分析

圖4.36 至圖 4.38 依序為試體 SRC1 ~ 3 於正載重時,受拉側之鋼梁翼板之應 變趨勢。由圖中可以清楚的看出,試驗一開始,約梁端位移3Δy 之前,鋼梁翼 板的應變趨勢較為ㄧ致;當位移進入4Δy 之後,由於混凝土對鋼梁的圍束,使 得SRC 柱混凝土面內的鋼梁翼板之應變開始趨於緩和,而距 SRC 柱混凝土面外 50、150 及 250 mm 的鋼梁翼板之應變量均隨著迴圈數的增加而增大,顯示力量 已慢慢移轉至SRC 柱混凝土面外之鋼梁,此時外力的能量主要是藉由 SRC 柱混 凝土面外的鋼梁翼板產生塑性變形來消散。

由上述可以清楚的發現本研究之梁柱接合型式,鋼梁在 SRC 柱混凝土的圍 束下,均可以有效的使鋼梁於混凝土面外發展出所需之塑性轉角,且本研究之鋼 梁不需經由任何補強方法或減弱(切削)方式,有別於現今鋼結構所須使用之補 強式與減弱(切削)式梁柱接頭。

圖4.39 至圖 4.41 分別為試體 SRC1 ~ 3 於正負載重時,距 SRC 柱混凝土面 外100 mm 處鋼梁腹板之應變趨勢。由圖中可看出試體在承受正負載重時,鋼梁 受力後中性軸之變化。由於鋼梁為對稱H 型斷面,在梁端位移進入 8Δy 之前,

鋼梁並未產生明顯的塑性變形,此時鋼梁之中性軸大都與鋼梁形心軸重疊;但當 位移進入8Δy 之後,鋼梁翼板開始產生較明顯的塑性變形,同時腹板亦有鼓起 現象產生,鋼梁之中性軸便隨著鋼梁腹板鼓起而產生偏離形心軸的現象,如照片 4.1、4.3 及 4.9 所示,其偏差距離的大小則依鋼梁腹板鼓起的方式不同而有不同。

而試體SRC3 因為考慮鋼梁為對稱斷面,且為節省應變計之消耗,故僅在ㄧ半鋼 梁腹板處貼三個應變計。不過,由圖4.41 亦可以看出鋼梁腹板之整體應變趨勢。

圖4.42 至圖 4.44 分別為試體 SRC1 ~ 3 於正負載重時,梁柱接頭區圍束箍筋

之應變趨勢。由圖中可以發現除試體SRC3 之外,梁柱接頭區之圍束箍筋均有產 生較大的應變量,主要是因為試體SRC3 梁柱接頭區之設計剪力強度較其他試體 為高,若扣除掉梁柱接頭區RC 部分所提供之剪力強度貢獻,接頭區鋼柱腹板提 供之剪力強度恰好約等於梁柱接頭區之需要剪力強度;換句話說,即使不考慮梁 柱接頭區RC 部分所提供的剪力強度,僅靠接頭區鋼柱腹板所提供之剪力強度亦 足夠。

而實驗結果亦可發現試體 SRC3 梁柱接頭區之圍束箍筋的極限應變量均較 小,且僅有ㄧ側圍束箍筋有達到降伏應變量(約 0.002 左右),顯示接頭區之圍 束箍筋所分擔之剪力亦較小,大部分的剪力主要由接頭區鋼柱腹板來承擔。因此 在接頭區鋼柱腹板所提供之剪力強度足以完全承擔梁柱接頭區之需要剪力強度 時,接頭區圍束箍筋量之規定是否可以予以放寬,甚至完全不放置,值得更進一 步的探討。

另ㄧ方面,試體 SRC1 與 SRC2 在梁柱接頭區側面混凝土均無較明顯的裂 縫,但是試體SRC2 的梁柱接頭區圍束箍筋卻有較大的應變量,顯示箍筋對兩者 梁柱接頭區的剪力強度提供的貢獻不同。比較兩者之梁彎矩與梁柱交會區轉角圖

(圖4.15(a)與圖 4.22(a)),發現試體 SRC1 之梁柱交會區有較大的轉角及涵蓋面 積,顯示試體SRC1 主要是由接頭區鋼柱腹板區來提供剪力,而試體 SRC2 則由 接頭區鋼柱腹板及圍束箍筋一起分擔。故試體SRC1 其梁柱接頭區圍束箍筋僅在 試驗初期有較大的應變量,之後便漸漸的趨於緩和;而試體SRC2 直至試驗終止 其梁柱接頭區圍束箍筋均一直提供其所能提供之剪力強度與圍束力。由上述比較 可以得知,只要接頭區鋼柱腹板及RC 部分所提供之總剪力強度足夠,則其各別 提供之剪力所佔的百分比對試體整體行為並無明顯的影響。

此外,試體SRC1 ~ SRC3 均在鋼梁產生較為明顯的塑性變形後,接頭區圍 束箍筋之應變量皆隨著迴圈數的增加而變小,主要是因為鋼梁已漸漸形成塑性 鉸,使得梁柱接頭區所承受之力量減弱的緣故。

4.5 彎矩強度之影響

表4.3 為各試體梁端最大彎矩實驗值與鋼梁塑性彎矩之比較,顯示出各試體 在梁端達最大載重所引致之鋼梁最大彎矩幾乎都已達塑性彎矩以上,僅試體 SRC1 於負載重行程時之鋼梁最大彎矩值較理論值小,代表各試體鋼梁均應已達 應變硬化之階段,且主要消能區域均在鋼梁上。實驗結果亦顯示,所有試體之鋼 梁都在遠離SRC 柱混凝土面 15 至 20 公分處(約 0.3 ~ 0.5 倍梁深)產生了良好 的塑性鉸,發揮良好的韌性。

在所有試體均滿足強柱弱梁,梁柱接頭區的剪力強度足夠,且所有梁柱接合 細節均滿足規範所規定之情形下,理論上試體除了要達到其所需強度之外,鋼梁 均應形成良好的塑性鉸。實驗結果顯示,試體SRC1 ~ SRC3 均達到預期的要求。

由此可驗證國內 SRC 設計規範所規定 SRC 柱接鋼梁之梁柱接頭型式,其 SRC

由此可驗證國內 SRC 設計規範所規定 SRC 柱接鋼梁之梁柱接頭型式,其 SRC

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