3 、 1 鋼 結 構 設 計 相 關 問 題 之 分 析 3、 1、1國內鋼 結構設計較特殊之問題
鋼結構在其他先進國家已有甚久的歷史，在國內卻起步甚晚，但隨 著國內經濟的發展，我們鋼結構的應用已可直逼先進國家，如進十 年來國內所興建的鋼骨大樓或鋼橋，不僅在工程的規模或難度上都 可在世界鋼結構界佔有一席之地，但由於我們鋼結構的發展可說是 集中於這短短的幾年之間，且集中於重大橋梁或高樓結構，與國外 發展的情況差別甚大，且國內之相關配合措施未能同步發展。而國 外先進國家採用鋼結構的歷史已甚為久遠，如美國Brooklyn鋼橋興 建已超過一百年以上，其帝國大廈亦已有數十年的歷史，而其鋼廠 等重工業的發展更是歷史悠久，而其鋼結構亦已普及到從小廠房到 重型廠房，從中低層建築到超高層建築，或從小規模之鋼橋到長跨 橋。但國內鋼骨結構的發展歷史甚短，早期之鋼骨結構主要在於廠 房建築，及少數之橋梁結構，但拜前幾年房地產景氣之賜，鋼骨大 樓大為興盛，但也因鋼骨建築在台灣之造價仍然高居不下，因此鋼 骨建築物主要用於二十層以上之高層建築，中小型之建築物則較少 使用。很多設計單位或施工單位乃在尚無太多中小型規模之鋼骨建 築物經驗前即進入高層建築，也因而此產生不少問題。
由於鋼骨結構在國外已有甚多之經驗，從國外經驗中學習不失為一 有效之方法，但國外之經驗可能無法全盤移植到台灣。如美國鋼結 構主要採用熱軋型鋼，但台灣由於當初中國鋼鐵設廠時主要以鋼板
之生產為主，並未考慮到生產熱軋型鋼，因此國內之鋼骨建築主要 乃採用以切割鋼板再銲接組合而成之銲接型鋼為主。對鋼梁而言其 幾何形狀皆為工型，其力學特性除了因銲接造成之殘留應力不同 外，熱軋工型鋼與銲接工型鋼並無太大的不同。但對於鋼柱而言其 差異則非常大，國內所採用之巨形銲接箱型鋼柱不僅在外形上與工 型柱不同，其結構行為亦與工型柱相差甚大。雖然日本亦使用此種 銲接箱型鋼柱，但因日本的大鋼廠仍然生產熱軋工型鋼，其建築鋼 柱的使用並非如台灣幾乎90%以上採用箱型鋼柱，而由於國內大量使 用箱型鋼柱，其重要性可說顯而易見，也可說全世界使用箱型鋼柱 比率最高之國家為我們。而也因其他國家對箱型鋼柱的使用不多，
其相關的研究也很少，因此有必要於國內發展此方面的研究，以建 立本土性的技術資料。以下則以銲接箱型鋼柱的研究，及箱型鋼柱 與梁的接頭研究為例，來說明我們如何針對國內自己的問題所進行 的探討。
3、1、2銲接箱型鋼柱的相關之問題
如前所述銲接箱型鋼柱己廣為使用於台灣之高樓建築中，惟國內外 有關銲接箱型鋼枉之資料，卻極為貧乏；國外過去曾對較小斷面之 箱型柱研究其強度，但其板厚甚小，與國內所使用之銲接巨形鋼柱 差異甚大。目前國內鋼結構之設計，大多承襲國外之現範，而國外 之規範主要針對工型鋼柱，並不適用於國內，因為銲接箱型鋼柱之 殘餘應力以具特殊的雙對稱型式，在軸力與彎矩之作用下，與工型 鋼柱之行為有極大之不同，另一方面工型鋼柱是屬於開口形斷面，
而箱型柱屬於封閉斷面，兩者之抗扭性不同，所以對於銲接箱型鋼 枉在承受軸力及彎矩作用下之極限強度，實有必要進行深入之研 究，並由其結果訂定合理而安全的設計規範。筆者乃探討銲接箱型 鋼枉承受軸力及彎矩作用下之極限強度，並以結構試驗來驗證銲接 箱型柱極限強度之理論預測模式，在理論分析與實際的試驗中訂出 合理的設計現範。
本研究探討銲接箱型鋼枉承受軸力及彎矩作用下之極限強度，並以 結構試驗來驗證銲接箱型柱極限強度之理論預測模式，在理論分析 與實際的試驗中訂出合理的設計現範，其步驟及方法如下:
1、 以切片法來量測短柱試體中之殘餘應力。
2、 製作短柱試體，進行垂直荷重試驗，以測定其中之殘餘應力，同 時決定實際之寬厚比限制值。
3、 製作中等長度之試體一批，進行軸向荷重試驗，以決定在軸向荷 重下之極限強度。
4、 製作箱型柱試體，進行軸向與雙彎矩作用下之試驗，以決定箱型 柱在軸向荷重及雙彎矩作用下之極限強度。
5、 整合國內箱型柱之資料，進行理論分析，求得箱型柱之極限強度 曲線。
6、 以數值分析方法分析銲接箱型柱之穩定問題，求得極限強度之理 論值，並由結構試驗加以佐證。
7、 以有限元素法分析局部挫屈問題，並與短柱試驗相查互佐證。
8、 探討局部挫屈與整體挫屈間之相互關係。
9、 訂定銲接箱型鋼柱合理而又安全之設計公式。
經由上述這些理論分析與長、短柱實驗，可得以下之結論:
1、 以全滲透銲接法製作之箱型短柱試驗得知其殘餘應力高於以半滲 透銲接法製作之箱型短柱，此結果與切片法所得之殘餘應力分佈 吻合，全滲透銲接箱型鋼柱之最大殘餘應力平均值為0、39Py，
而部份滲透銲接箱型鋼柱之平均值為0、27Py，銲接是造成殘餘 應力的主因，全滲透銲由於銲接量大，因此其所造成之殘餘應力 會高於半滲透銲接的殘餘壓應力。
2、 對短柱而言，全滲透銲接之箱型柱，較部份滲透銲接具有較高之 極限強度，同時具有較佳之韌性抵抗局部挫屈之能力。
3、 目前國內使用之銲接箱型鋼柱，在梁柱接頭區是以全滲透銲接方 式製作，而在梁柱接頭區以外，則以半滲透銲接製作，試驗結果 顯示半滲透銲由於存在著天然之裂縫，易於在高軸力作用下產生 開裂現象，因此建議若在放大地震力作用下其軸力高達其極限強 度之70%以上則應採用全滲透銲接，以避免其在高軸力作用下產 生斷裂破壞(14，15)。對於較詳細之設計資料則可參考文獻[。
2,8] 。
3、1、3 鋼骨韌性立體抗彎構架梁柱接頭設計與施工之相關問題 由於國內鋼骨高樓所採用之柱以巨形銲接箱型柱為主，而此種柱與 梁之接合甚為特殊，與國外所採用之工型柱與梁之接合差異甚大，
再加以鋼骨構架之耐震性能主要仰賴其梁柱接頭區之塑性變形能 力，而此類接頭之設計方法目前所採用者源自工型柱，其是否適用 於箱型柱則值得懷疑，因此國內1985年開始進行一系列鋼骨接頭大
型破壞試驗研究，筆者曾統計三十七組箱型柱樑柱接頭試體破壞試 驗結果顯示，其接頭樑端平均之塑性轉角僅為 0.92% rad，且受測 試體近20% 為脆性破壞。針對上述梁柱接頭之研究結果，筆者曾提 出脆性斷裂之主因應為梁柱接頭區彎矩梯度造成應力集中而導致脆 性斷裂，並建議以採梁柱接頭區依彎矩梯度切削梁翼板，提供一預 先選定之擴大塑性區方式改良傳統抗彎接頭。此種梁柱接頭經實尺 寸試驗及振動檯試驗皆顯示其具穩定且優越之消能能力，此種高韌 性接頭不僅設計簡單施工容易且造價低廉，而其塑性轉角更可達4%
以上，有助於確保鋼骨結構的耐震韌性，並由行政院國科會取得國 際性專利。
事實上鋼骨梁柱接頭之脆性斷裂問題在1994年1月16日美國加州洛杉 磯之北嶺Northridge地震中亦造成甚大的震撼，在此次地震中有百 餘棟鋼骨結構梁柱接頭區產生斷裂破壞。而1995年1月17日日本阪神 大地震中亦發現，現行鋼骨構造物之梁柱接頭設計方法不僅無法發 展出如設計規範所要求之耐震性能，而常產生脆性斷裂之現象。如 何有效提昇鋼骨抗彎接頭耐震能力之問題已成為國內外目前鋼結構 研究之最新趨勢。美國鋼結構協會有鑑於北嶺地震中傳統鋼骨抗彎 接頭塑性變形能力普遍不足，乃立即進行鋼結構接頭破壞行為之探 討，並陸續發表相關之研究成果。這些研究顯示原來之翼板銲接腹 板鎖螺栓式接頭，即使採以高水準之銲接施工，仍無法確保接頭能 在強烈地震襲擊下產生足夠之變形而不致脆性斷裂，因此美國已不 再容許採用此種接頭設計，且在北嶺地震前一般認為若未進行非線
性動力分析時，採用1.5%的塑性轉角可能已足夠，1994年SAC之抗彎 構架暫行指針及1996年洛杉磯市政府之通告皆要求梁柱接頭應能提 供至少3%的塑性轉角，而若採用非線性動力分析以決定韌性需求 時，計算所得之塑性轉角應再加上0.05%，以作為設計之指標。國內 鋼骨大樓之抗彎接頭多採用美系AISC之設計與施工方式，可預見國 內鋼骨抗彎接頭亦可能面臨韌性不足之危機。
為確保梁柱接頭之塑性行為，美國目前建議之接頭設計則著重於補 強式接頭及減弱式接頭。其中因補強式之接頭施工甚為困難，因此 亦有不少研究人員在尋求其他之接頭設計，而筆者之方法乃依接頭 區之彎矩需求進行切削，以提供一預先選定之擴大塑性區來消散地 震引致之能量。1995年美國之研究人員亦注意到切削應考慮到彎矩 梯度之變化而開始進行非對稱不均勻斷面之切削研究，而其研究成 果亦頗令人滿意，其塑性轉角可達3%，文獻29亦說明非對稱切削較
為確保梁柱接頭之塑性行為，美國目前建議之接頭設計則著重於補 強式接頭及減弱式接頭。其中因補強式之接頭施工甚為困難，因此 亦有不少研究人員在尋求其他之接頭設計，而筆者之方法乃依接頭 區之彎矩需求進行切削，以提供一預先選定之擴大塑性區來消散地 震引致之能量。1995年美國之研究人員亦注意到切削應考慮到彎矩 梯度之變化而開始進行非對稱不均勻斷面之切削研究，而其研究成 果亦頗令人滿意，其塑性轉角可達3%，文獻29亦說明非對稱切削較