建立鋼斜撐構件之軸力與變位關係

本研究目前僅探討同心鋼斜撐構架之斜撐構件的軸力與變位關係，由於鋼斜 撐在受軸壓力作用後，會產生複雜的挫屈行為，使斜撐構件的非線性行為難以掌 握。所幸，FEMA-356 中有提出鋼斜撐在受軸壓或拉力時之非線性分析模型(圖 5.7)，並針對各類鋼斜撐構件建立不同之模型參數(表 5.1)，如此將可輕易的建立

圖5.7 FEMA-356 軸力位移關係圖

【資料來源：本研究製作】

表5.1 非線性分析模型參數和性能水準

【資料來源：本研究製作】

a b c LS CP LS CP

a.雙角鋼面內挫屈 0.5Δc 9Δc 0.2 0.25Δc 5Δc 7Δc 7Δc 8Δc

b.雙角鋼面外挫屈 0.5Δc 8Δc 0.2 0.25Δc 4Δc 6Δc 6Δc 7Δc

c.W或I型 0.5Δc 8Δc 0.2 0.25Δc 5Δc 7Δc 7Δc 8Δc

d.雙槽型鋼面內挫屈 0.5Δc 9Δc 0.2 0.25Δc 5Δc 7Δc 7Δc 8Δc

e.雙槽型鋼面外挫屈 0.5Δc 8Δc 0.2 0.25Δc 4Δc 6Δc 6Δc 7Δc

f.鋼管混凝土 0.5Δc 7Δc 0.2 0.25Δc 4Δc 6Δc 6Δc 7Δc

受接斜撐(EBF斜撐除外) 11ΔT 14ΔT 0.8 0.25ΔT 7ΔT 9ΔT 11ΔT 13ΔT

受壓斜撐(EBF斜撐除外)

塑性變形 殘餘強 度比

模型參數 可接受標準

桿件

塑性變形

IO 主要桿件 次要桿件

第五章鋼斜撐構架補強理論分析與驗證

第六節 錨碇接合強度設計

在進行耐震補強時，既有混凝土構材與新增構材間是否能緊密的連拉將是補 強成效的關鍵，而化學錨栓(植筋)與膨帳螺栓更是既有與新增鋼筋混凝土結構間 連接不可或缺之重要材料之一，在應用上必須了解化學錨栓與植筋之力學行為，

充分利用其最有效之剪力摩擦接合模式，才不致於在既有與新增結構系統間產生 弱面或力量傳遞不完全之現象(陳正平，2012)。

以下分別介紹膨帳螺栓錨碇與化學螺栓錨碇用於增設剪力牆或鋼斜撐構架 與鋼筋混凝土構架連結處之設計強度計算方法(廖文義，2006)。

1.剪力強度

剪力強度Q 定義為單根螺栓（植筋）於混凝土介面所能承受之剪力強度，

剪力強度應取 及 之較小者，此二強度應根據鋼材強度與混凝土承載強度 計算。

a. 膨脹螺栓錨碇

當4 7 時，Q min , 其中

Q 0.7 (5-7)

0.3 (5-8)

但剪應力τ Q A⁄ 不大於2500 kg/cm²。 當 7 時，Q min ,

Q 0.7 (5-9)

0.4 (5-10)

但剪應力τ Q A⁄ 不大於3000 kg/cm²。 b. 化學螺栓錨碇（或植筋）

當 7 時

Q min , (5-11)

Q 0.7 (5-12)

0.4 (5-13) 但剪應力τ Q_a⁄A_se不大於3000 kg/cm²。

：錨碇之有效植入深（cm），一般採用經驗值如下：

拉張域抵抗錨碇材植入有效深度自植入孔表面起最少 15 以上(扣除保護 層)

壓縮域抗壓錨碇材植入有效深度自植入孔表面起最少 10 以上(扣除保護 層)

剪力抵抗錨碇材植入有效深度自植入孔表面起最少 10 以上(扣除保護層)

：錨定螺栓之直徑（cm），一般介於 13~22mm 間

：於接合面處錨定本體及錨定螺栓之斷面積（cm）

：既有混凝土之抗壓強度（kgf/cm2），為進行抗壓試驗之強度，當試驗強度高 於設計標稱強度時，採用標稱強度為 。

：既有混凝土之楊氏模數（kg/cm2）

：鋼材之標稱降伏強度（kg/cm2）

2.抗拉拔強度

抗拉拔強度 Ta 定義為單根錨栓（植筋）於混凝土介面所能承受之拉力強 度。拉力強度應為以下三者之最小值，包括由鋼材強度所決定之 、由混凝土 錐形破壞所決定之 、以及由黏著破壞所決定之 。

a. 膨脹螺栓錨碇

min , (5-14)

(5-15)

0.75√ (5-16)

b.化學螺栓錨碇（或植筋）

min , , (5-17)

(5-18)

以上

5.9

(a)構架架上梁複合

圖5.12 分

【資料來

分析結果與實 來源：本研究

實驗比對圖 究製作】

圖

第六章 SERCBWin 2012 補強分析模組之開發

第六章 SERCBWin 2012 補強分析模組之開發

第一節 SERCBWin 2012 簡介

一、系統功能

1.基本分析功能

由於現有之結構分析軟體並不支援前幾章節所介紹之分析理論，所以輔助分 析系統需要能滿足本研究所需要的分析功能，包括磚牆與RC 牆的分析、構件斷 面的彎矩與曲率分析、構件斷面軸力與彎矩的關係曲線分析、梁柱構件彎矩塑鉸 分析(在 ETABS 中稱為 M3 塑鉸)，以及在後處理階段的 PGA 與位移關係曲線分 析。

2.自動化功能

輔助分析系統整合ETABS 結構靜力分析功能與側推分析功能，做為結構分 析的計算核心，主要是由於ETABS 是目前國內普遍使用的結構分析軟體，已經 有許多分析與設計的成果，若能整合這套商用套裝軟體，對於工程師驗證與比對 分析成果較為便利，而且工程師亦可以延用原有的建模習慣，快速地建立建築物 的分析模型，大大地提昇本研究理論的可用性。

然而ETABS 這套商用軟體並沒有提供 API 可供整合，所以僅能從其輸出的 檔案著手整合。另一項應用的困難點在於ETABS 是一套視窗應用程式，所有分 析工作均需要由使用者操作，才能執行分析，並進一步輸出本研究所需要的檔 案，雖然這一些操作的程序並不算複雜，但是要反覆執行分析工作時仍是相當不 便，所以自動化整合亦是本研究設定的目標之一，希望能整合自動化視窗介面程 式的操作，便利使用者進行分析的工作，本研究稱此作業模式為「自動化視窗作 業模式」。

此外，對於有些研究工作需要大量執行批次的分析工作，輔助分析系統亦將 支援文字命令列的操作模式(Console Mode)的執行模式，讓研究人員可以藉由命

令模式，直接利用下參數的方式進行分析，本研究稱此作業模式為「文字命令列 作業模式」。

3.管理功能

輔助分析系統透過檔案的方式，讀取ETABS 所建立的結構模型資料與分析 的結果，並將分析的結果以文字檔的方式輸出，供工程師檢驗，所以在一個建築 物耐震能力的分析過程中，將會產生相當多的檔案，所以輔助分析系統將設計一 套分析專案的管理模式，管理分析過程所產生的檔案，並能自動地將這些檔案備 份管理，透過備份的觀念建立版本管理，讓工程師可以在必要的時候，還原至某 一個版本的分析資料，工程師亦可以利用此管理技術執行備份的工作。

此外，輔助分析系統亦將整合電子郵件與分析記錄的功能，能將整個分析專 案透過電子郵件傳送至其他工程師，提昇協同作業的便利性。

二、系統架構

輔助分析系統設計架構如圖 6.1 所示，最底層為「基礎軟體平台」，本研究 以.NET Framework 2.0 為主要的基礎平台，利用其豐富的基礎類別程式庫(Base Class Library, BCL)，做為整體輔助分析系統的核心；「分析核心層」是輔助分析 系統的計算核心，內容涵蓋前幾章所說明的磚牆與RC 牆分析、構件塑鉸分析與 建築物耐震能力分析等，此層的程式庫名稱為 SERCB，在此程式庫中尚包含部 份 NARC2004(由宋裕祺教授所開發)的分析核心，其名稱為 SERCB.Sung；在「應 用程式層」則是利用 SERCB 與 SERCB.Sung 開發出「文字命令列操作模式」的 SERCBC 與「視窗介面操作模式」的 SERCBWin，利用分層的方式建構輔助分析 系統，將提高系統建構的彈性，若要調整或擴充分析核心，僅需要使用物件導向 程式開發技術，即可以便利地達到延伸與擴充的目的。

SER 理做

的核 計

關於程式 RCB.Sung 程 做一說明(參

CB.Sung 程式 算，為了保持

RCB.Sung 程 來源：參考書

式庫中，包 持系統的彈 類 別 (Dat

六章 SERCBW

系統架構

taField) 與

Win 2012 補強

(DataFieldCollection)，做為分析核心主要的輸入資料與輸出資料。利用這種方式 設 計 可 以 固 定 分 析 核 心 的 程 式 介 面(Interface) ， 而 所 有 分 析 參 數 則 貯 存 在 DataFieldCollection 物件中。每一個 DataField 除了記錄分析的參數之外，亦包 含此分析參數之物理量，透過此物理量 SERCB 程式庫可以自動地處理輸入與輸 出的單位(InputUnit 與 OutputUnit 類別)，所以輔助分析系統可以彈性地支援多種 單位格式的輸入與多種單位格式的輸出。Reader 與 Writer 類別則分別處理檔案 的輸入與輸出，若要處理不同的結構分析軟體，則透過實作這些類別就可以達到 擴充的目的。

第六章 SERCBWin 2012 補強分析模組之開發

第二節 補強分析功能需求分析

SERCBWin 2012 補強分析模組的開發為本研究計畫之主要內容之一，根據 先前的資料蒐集，國內目前尚無針對常用的補強工法進行分析程式的開發，因此 本研究將先以國內常用的補強工法作為優先開發模組，另外，也針對日本常用之 斜撐構架補強的部份進行模組開發。補強模組需求分析之使用者案例圖(Use Case Diagram)如圖 6.3 所示，目前先開發系統之 RC 擴柱強度補強、RC 包覆韌性補強、

鋼板包覆強度補強、鋼板包覆韌性補強、翼牆補強、鋼斜撐構架補強及補強斷面 編輯視窗等功能。各補強之使用者案例分析規則可參考第四章及第五章內容，在 此不多做說明。但因 SERCBWin2012 現階段僅提供矩形及圖形斷面分析功能，

因此在視窗操作中之斷面編輯器也僅提供此兩種斷面的輸入表格，所以在本研究 也 將 針 對 斷 面 編 輯 器 之 功 能 進 行 改 版 ， 另 外 ， 現 行 版 本 斷 面 分 析 僅 考 慮 Kawashima 組成律，但國家地震工程研究中心的相關報告中建議補強後以 Mander 組成律進行分析較為合適，因此系統也將實作一材料參數編輯之視窗。目前 SERCBWin2012 之斷面視窗如圖 6.4 所示，編輯視窗中的參數包含了斷面的尺寸 及材料參數，且僅能針對單一組成律進行輸入，欄位固定，已無法滿足補強斷面 的編輯使用。目前先初步設計斷面及材料參數編輯視窗如圖6.5 所示，斷面編輯 視窗變成兩段式輸入，第一階段先輸入斷面名稱、所對應之材料性質及斷面型 式；第二階段輸入斷面尺寸及相關參數並進行斷面的配筋(圖 6.6)。而在同一視 窗中的另一標籤頁為材料參數輸入頁面，共分為三個區塊，Kawashima 組成律、

Mander 組成率及鋼筋組成律可供選擇。

工

圖

圖6.5 定義

【資料來

圖6.6 編輯斷

【資料來

第六

義材料與斷 來源：本研究

斷面尺寸及 來源：本研究

六章 SERCBW

斷面之視窗 究製作】

及配筋之視窗 究製作】

Win 2012 補強

窗

強分析模組之之開發

第三節 補強分析功能設計與視窗化實作

一、補強分析功能類別圖

SERCB 現行版本在斷面分析上僅有矩形和圓形的分析功能，因此在分析套 件中僅規畫一個斷面分析類別 SectionAnalyzer(圖 6.7)，其包含了彎矩-曲率分 析，彎矩-軸力分析、基本斷面切片分析(切片面積、位置等，但僅限矩形及圓形) 及鋼筋混凝土與鋼筋材料組成律的建立(限 Kawashima)等操作方法，從彎矩-曲率 分析循序圖可知，假如系統要增加分析斷面的型式，在 SectionAnalyzer 中的 Initialization 就須做切片運算改變，且 MKanalysis 的運算方式也得調整，如此將

SERCB 現行版本在斷面分析上僅有矩形和圓形的分析功能，因此在分析套 件中僅規畫一個斷面分析類別 SectionAnalyzer(圖 6.7)，其包含了彎矩-曲率分 析，彎矩-軸力分析、基本斷面切片分析(切片面積、位置等，但僅限矩形及圓形) 及鋼筋混凝土與鋼筋材料組成律的建立(限 Kawashima)等操作方法，從彎矩-曲率 分析循序圖可知，假如系統要增加分析斷面的型式，在 SectionAnalyzer 中的 Initialization 就須做切片運算改變，且 MKanalysis 的運算方式也得調整，如此將