梁腹板開孔型式梁柱接頭

梁腹板開孔式梁柱接頭之研究參數主要針對塑性區梁腹板之開 孔形狀、大小以及位置，因此本研究訂出相關研究參數 、b 及 ， 其中 a 為預期塑性鉸產生位置距離柱面之長度； 為開孔之總長 度；c 則為開孔之深度。以下各節將就各參數分別詳述之，其開孔 外觀及各參數相關位置如圖3.2 所示。此外為了得知經由梁腹板開孔 後之韌性行為是否良好，因此開孔模型之建立均採用相同於試驗試體 之尺寸及扇形銲接開孔以作為比較之依據。

a c

b

3.3.1 設計原理

國內鋼構造建築物鋼結構設計技術規範中提到，梁於塑性區斷面 之變化會影響其塑性變形能力，在適當的設計下斷面變化可提高塑性 變形能力，反之不當的斷面變化則會嚴重減損梁之塑性變形能力，因 此規定除非有明確的試驗數據為依據，否則梁腹不可隨意開孔。有鑒 於此本節將藉由2.4 節中減弱式與梁腹板開孔式接頭之相關文獻與規 範訂定出於塑性區梁腹板開孔之相關研究參數的範圍。

1. 開孔形狀

根據文獻 Darwin and Lucas (1990) 中之建議以及施工性的考 量，開孔之形狀採用矩形以及圓形，兩者不同的是當開孔之深度及範 圍相同時，矩形開孔於相同範圍內將損失較多之面積，因此其對於梁 彎矩容量之折減有較明顯之效果，以達降低梁柱接面之彎矩強度，降 低破壞之可能性；反之圓形開孔雖然折減效果不明顯，但由於其幾何 形狀利於改善開孔之角隅應力集中等問題，避免此處過早產生撕裂。

綜觀以上兩者之優缺，本研究將採用矩形開孔並再將其兩側改為半圓

形的型式施作。

2. 預期塑性鉸產生位置 (a )

參數 為預期塑性鉸產生位置距離柱面之長度，此處決定之方 法為參考圓弧切削式梁柱接頭 (FEMA-350, 2000) 之設計參數，各參 數代表之位置如圖2.15 所示，其中設計參數公式如下：

a

(

0.5 to 0.75

) _bf

a

≅

b

(

0.65 to 0.85

) _b

b

≅

d

由圖2.15 可知預期塑性鉸產生位置距離柱面之長度為柱面至切 削區長度之中點，而本研究則將塑性鉸位置定為開孔起始段之圓弧末 端因此可定參數

a

如下：

( ) (

0.65 to 0.85

)

0.5 to 0.75

2

b bf

a

≅

b

+

d

由上述公式可得ㄧ塑性鉸距離柱面之範圍，除此之外由於梁斷面 之翼板主要承受大部分之彎矩，而腹板主要承受剪力，因此梁腹板開 孔對於彎矩容量之折減效果不大，因此須配合彎矩梯度之概念，使開 孔位置盡量靠近柱面，才能使外力彎矩達梁腹板開孔斷面之彎矩容量 時，投影至柱面之需求彎矩不高於梁之彎矩容量，以避免梁柱接面處 之破壞，其中彎矩梯度之示意可參考圖3.3。

3. 梁腹板開孔區之總長度 (b)

參數

b

為梁腹板開孔之總長度，根據圖3.2 本研究將其定為：

b

2

o

b

=

α d

+

R _p

其中

R _op

為開孔兩側圓弧之半徑，

d _b

為梁之深度，

α

則為本研究 探討之參數，當

α

越大，開孔之範圍隨之增大，則開孔斷面之彎矩 容量將大幅的降低，有利於降低投影至柱面之需求彎矩，然則雖可降 低梁柱接面破壞之可能性，但梁之勁度也將隨之降低，恐使梁構件提 早發生不穩定之現象，產生局部挫屈，將不利於柱面彎矩強度之提 升，使其無法達到 AISC (2005) 規範中所規定80%之標稱彎矩強度，

因此本研究擬採

α

值為 0.5~1.0之間，並將於本章中以有限元素法 分析並加以歸納出

α

值適合之範圍，以訂定開孔之總長度

b

。 4. 開孔深度 (c)

參數 為梁腹板開孔之深度，根據文獻 Darwin and Lucas (1990) 中之建議，開孔之深度以不超過 0.7倍梁深為限，以避免開孔深度 過大造成剩餘之上下兩 T 型斷面發生局部挫屈現象；另外文獻

Chung et al. (2001) 中也提到，參考實際建築物上常用之尺寸大小，

建議梁腹板開孔之深度為 0.5至0.75倍的梁深。綜觀以上，將可得 ㄧ開孔深度之範圍，本研究將參數 訂定如下：

c

c

(

^{0.5 to 0.7}

) b

c

≅

d

此外由於開孔之故，降低了梁斷面之剪力容量，因此必須檢核所 設計開孔斷面之標稱剪力強度，是否大於當開孔斷面達標稱彎矩容量 時所需之剪力強度，若不符合則需重新選取。

3.3.2 設計流程

以下將就3.3.1 節所述，歸納出一簡易之設計流程，設計之流程

及公式說明如下：

1. 決定預期塑性鉸產生位置距離柱面之長度

a

：

( )

,

0.6

n op y bw b

V

=

φ F t d

−

c

(3.6)

其中

φ

：0.9 (AISC-LRFD code 2005)

5. 決定開孔深度

c

之尺寸，由所訂定建議範圍「

c

≅

(

^{0.5 to 0.7}

) d b

」 與求出之上限決定之。

6. 由所選取之

c

值求出開孔斷面之標稱彎矩容量

M _{p op ,}

。

7. 由外力彎矩梯度之幾何關係可求得梁柱接面之需求彎矩

M _f

：

, b

f p op

b

M L

L a

= −

M

(3.7)

8. 檢核所選取梁之彎矩容量

M _capacity

是否大於梁柱接面之需求彎 矩

M _f

，若不符則需選擇較小之

a

值重新設計之：

capacity f

M

≥

M

(3.8)

capacity pr y y b

M

=

C R F Z

(3.9)

其中

Z _b

：梁斷面之塑性斷面模數

：考慮應變硬化之放大因子（依據 FEMA-350未補強式

C pr

接頭設計之建議，採1.2）

R y

：材料變異係數

9. 決定開孔兩端之幾何形狀及尺寸，為了降低四個角隅處應力集中 之問題兩端改採半圓形施作，圓弧半徑 (

R ) _op

即為開孔深度之ㄧ 半。

10. 決定開孔之總長度

b

：

b

2

b

=

α d

+

R _op

(3.10)

其中

^α

^≅

(

^{0.5 to 1.0}

)

在文檔中 實尺寸鋼結構梁柱彎矩接頭試驗與分析 (頁 39-44)