ANSYS分析鋼鈑加翼鈑之結果與討論

本節主要針對厚度為 2cm、寬度為 100cm 之鋼鈑進行分析，依不 同高寬比分為五組，鋼鈑尺寸以寬×高×厚(cm)表示，依序為 100×50×

2、100×100×2、100×150×2、100×200×2 及 100×250×2 等，各組之分 析結果整理於表 5.5~表 5.19，其中表 5.5~表 5.9 為各組鋼鈑以翼鈑 補強後之效能評估，包括翼鈑尺寸、極限剪力強度增幅、極限剪力強 度提升率及每單位厚度(寬度)之極限剪力強度增幅；表 5.10~表 5.19 則為以翼鈑補強之各組鋼鈑的 ANSYS 非線性分析結果，作為探討翼鈑 厚度及寬度對於鋼鈑極限剪力強度之影響的依據，包括翼鈑尺寸、極 限剪力強度、後極限剪力強度、三向(X，Y 及 Z)位移之最大值與最小 值，位移量之最大值以及破壞模式等。翼鈑厚度與鋼鈑極限剪力強度 之關係，以及翼鈑寬度與鋼鈑極限剪力強度之關係如圖 5.26~圖 5.35 所示。茲針對各組之分析結果討論如下：

„ 鋼鈑尺寸：100×50×2(高寬比=0.5)

由表 5.5 之結果顯示，翼鈑寬度為 6cm，且厚度 1cm 時，每單位 厚度所提升之鋼鈑極限剪力強度最佳；當翼鈑厚度固定為 1cm 時，翼 鈑寬度達 6cm 以上時才顯現補強效果。由表 5.10 及圖 5.26 之結果顯

達 1cm 時即趨飽和—當翼鈑厚度＞1cm 時，破壞模式轉為為施力點破 壞，極限剪力強度即無法增加。表 5.11 及圖 5.27 之結果顯示，當翼 鈑厚度固定為 1cm 時，增加翼鈑寬度對於鋼鈑極限剪力強度之影響。

翼鈑寬度≦5cm 時雖有加勁效果﹙變形量降低﹚，但對鋼鈑整體極限 剪力強度並無助益，直到翼鈑寬度≧6cm 時鋼鈑極限剪力強度才略為 提升，其破壞模式為局部挫屈破壞及施力點應力破壞同時產生。惟翼 鈑寬度為 8cm 時，因破壞提前於翼鈑﹙斷面過於細長﹚發生，反而造 成整體極限強度略降。

„ 鋼鈑尺寸：100×100×2(高寬比=1)

由表 5.6 之結果顯示，翼鈑寬度固定為 6cm，且厚度 0.5cm 時，

每單位厚度所提升之鋼鈑極限剪力強度最佳；當翼鈑厚度固定為 0.5cm 時，鋼鈑之極限剪力強度隨著翼鈑寬度增加而增大。表 5.12 顯示翼鈑厚度對於鋼鈑極限剪力強度之影響。隨著翼鈑厚度的增加，

鋼鈑極限剪力強度可逐漸增加，破壞模式由原本的局部挫屈破壞轉為 與應力破壞同時產生。由圖 5.28 之結果顯示，當翼鈑寬度為 6cm 時，

極限剪力強度隨著翼鈑厚度之增加而有所提升，惟翼鈑厚度≧2cm 後 極限剪力強度之增率則趨緩。表 5.13 及圖 5.29 之結果顯示，隨著翼 鈑寬度的增加，破壞模式由原本的局部挫屈破壞轉為與應力破壞同時 產生，可提升其極限剪力強度。當翼鈑厚度固定為 0.5cm，翼鈑寬度

為 6cm 時，鋼鈑極限剪力強度明顯提升，因其破壞模式為局部挫屈破 壞與施力點應力破壞同時產生，材料強度較為充分利用所致。

„ 鋼鈑尺寸：100×150×2(高寬比=1.5)

由表 5.7 之結果顯示，當翼鈑寬度固定為 6cm，且厚度 0.5cm 時，

每單位厚度所提升之極限剪力強度最佳；翼鈑厚度≧2.5cm 時，其極 限強度提升率約 50%，補強效果相當顯著。當翼鈑厚度固定為 0.5cm 時，隨著翼鈑寬度之增加可提升鋼鈑極限強度。表 5.14 顯示增加翼 鈑厚度對於鋼鈑極限剪力強度之影響—鋼鈑極限剪力強度隨著翼鈑 厚度增加而增加，破壞模式由原本的局部挫屈破壞轉為局部挫屈與翼 鈑應力破壞同時產生。由圖 5.30 之結果顯示，極限剪力強度隨著翼 鈑厚度之增加而持續提升，兩者約呈線性比例增加。表 5.15 及圖 5.31 之結果顯示，翼鈑厚度固定為 0.5cm 時，隨著翼鈑寬度的增加，破壞 模式由原本的局部挫屈破壞轉為局部挫屈與鋼鈑﹙或翼鈑﹚應力破壞 同時產生。當翼鈑寬度為 8cm 時，其鋼鈑極限剪力強度不再增加，已 達飽和。

„ 鋼鈑尺寸：100×200×2(高寬比=2)

由表 5.8 之結果顯示，增加翼鈑可提升鋼鈑極限強度。當翼鈑寬 度固定為 6cm，且厚度 1.5cm 時，每單位厚度所提升鋼鈑之極限剪力

強度提升率超過 50%，效果相當顯著。表 5.16 顯示，隨著翼鈑厚度 的增加，鋼鈑極限剪力強度亦增加，部分破壞模式由原本的整體挫屈 破壞轉為局部挫屈與應力破壞同時產生。圖 5.32 亦顯示極限剪力強 度隨著翼鈑厚度之增加而穩定提升。表 5.17 及圖 5.33 之結果顯示，

當翼鈑厚度固定為 1.5cm 時，隨著翼鈑寬度的增加，破壞模式由原本 的整體挫屈破壞轉為局部挫屈與鋼鈑﹙或翼鈑﹚應力破壞同時產生。

惟當翼鈑寬度 6cm 時，鋼鈑突產生整體挫屈破壞，鋼鈑極限剪力強度 呈現略為下降的現象，而當翼鈑寬度為 10cm 時，其破壞模式為翼鈑 應力破壞，可增加鋼鈑之極限剪力強度容量，鋼鈑極限剪力強度即大 幅提升。

„ 鋼鈑尺寸：100×250×2(高寬比=2.5)

由表 5.9 之結果顯示，增加翼鈑可提升鋼鈑極限強度。當翼鈑寬 度固定為 6cm 時，鋼鈑極限剪力強度隨翼鈑厚度之增加而增大，基於 實用性考量，選擇t_f =2cm﹙與鋼鈑厚度相同﹚作為評估翼鈑寬度影響 之依據。當翼鈑厚度固定為 2cm 時，除翼鈑寬度為 3cm 時之極限剪力 強度略為降低外，隨著翼鈑寬度的增加，鋼鈑之極限剪力強度均隨著 翼鈑寬度增加而增大。表 5.18 及圖 5.34 之結果顯示，當翼鈑寬度固 定為 6cm 時，除翼鈑厚度達 3cm 之案例破壞模式轉為施力點應力破壞 與局部挫屈同時發生，使極限剪力強度有較為顯著之提升外，其餘案

例仍為整體挫屈破壞，極限剪力強度之增加有限，顯示當鋼鈑之高寬 比過大時，增加翼鈑對於鋼鈑穩定性及強度之改善效果有限。表 5.19 及圖 5.35 之結果顯示，當翼鈑厚度固定為 2cm，翼鈑寬度≦6cm 時，

破壞模式仍為整體挫屈破壞，鋼鈑極限剪力強度雖隨著翼鈑厚度之增 加而略有提升，但增幅有限；當翼鈑寬度≧7cm 時，破壞模式由原本 的整體挫屈破壞轉為局部挫屈破壞與應力破壞同時產生，甚至轉為施 力點應力破壞﹙翼鈑寬度≧9cm﹚，因此鋼鈑之極限剪力強度有顯著提 升。

以翼鈑補強鋼鈑後，其極限剪力強度明顯提升，顯示翼鈑能改變 其破壞模式，有效增加鋼鈑強度。當鋼鈑高寬比≦0.5 時，因其極限 剪力強度接近飽和，翼鈑補強效果不明顯，較無須使用翼鈑補強；當 鋼鈑高寬比≧2.5 時，因其幾何形狀過於細長，以翼鈑補強鋼鈑後，

其極限剪力強度提升有限，較不符合經濟效益；而鋼鈑高寬比介於 1~2 之間，翼鈑補強之效果顯著，有效將整體挫屈破壞延遲，可大幅 提升鋼鈑之極限剪力強度。選擇適當尺寸之翼鈑可將鋼鈑強度提升，

降低制震壁鋼鈑於剪力傳遞時產生整體挫屈破壞之可能性，確保摩擦 制震壁能有效的發揮消能機制，達到減震之目的。

5.5 小結

本節以制震壁之鋼芯鈑為研究對象，進行 ANSYS 非線性應力分 析，以便找出合理的設計參數，做為往後設計摩擦制震壁時之參考。

非線性應力分析結果顯示，鋼鈑之極限剪力強度隨著鋼鈑高度增加而 降低，因鋼鈑高寬比越大，將導致局部挫屈破壞及整體挫屈破壞現象 越早產生，設計制震壁鋼鈑時應避免使用高寬比過大之鋼鈑，以減少 產生整體挫屈破壞之可能性。

以翼鈑補強鋼芯鈑後，極限剪力強度明顯提升，並可改變鋼鈑的 破壞模式，即可能由原本未加裝翼鈑時之挫屈破壞，改變為挫屈破壞 與應力破壞同時產生，且隨著翼鈑尺寸的續增而轉為應力破壞。簡言 之，增加翼鈑可延遲整體挫屈破壞，並大幅提升鋼鈑之極限剪力強 度。當鋼鈑之高寬比≦0.5 時，因其極限剪力強度接近飽和，翼鈑補 強效果不明顯，較無須使用翼鈑補強；鋼鈑之高寬比介於 1~2 之間，

翼鈑補強之效果顯著，有效將整體挫屈破壞延遲，可大幅提升鋼鈑之 極限剪力強度；當鋼鈑之高寬比≧2.5 時，增加翼鈑對於鋼鈑穩定性 及強度之改善效果有限，建議設計時鋼鈑之高寬比最好不要超過 2.0。選擇適當尺寸之翼鈑可將鋼鈑強度提升 50%以上，降低制震壁 鋼鈑於剪力傳遞時產生挫屈破壞之可能性，確保摩擦制震壁能有效發

表 5.1 鋼鈑之 ANSYS 非線性分析結果(w=50cm；t=1cm)

表 5.2 鋼鈑之 ANSYS 非線性分析結果(w=50cm；t=2cm)

表 5.3 鋼鈑之 ANSYS 非線性分析結果(w=100cm；t=1cm)

表 5.4 鋼鈑之 ANSYS 非線性分析結果(w=100cm；t=2cm)

表 5.5 翼鈑補強之效能評估(高寬比=0.5)

表 5.7 翼鈑補強之效能評估(高寬比=1.5)

表 5.9 翼鈑補強之效能評估(高寬比=2.5)

表 5.11 以翼鈑補強之鋼鈑 ANSYS 非線性分析結果－翼鈑寬度之影響

表 5.12 以翼鈑補強之鋼鈑 ANSYS 非線性分析結果－翼鈑厚度之影響

表 5.13 以翼鈑補強之鋼鈑 ANSYS 非線性分析結果－翼鈑寬度之影響

表 5.14 以翼鈑補強之鋼鈑 ANSYS 非線性分析結果－翼鈑厚度之影響

表 5.15 以翼鈑補強之鋼鈑 ANSYS 非線性分析結果－翼鈑寬度之影響

表 5.16 以翼鈑補強之鋼鈑 ANSYS 非線性分析結果－翼鈑厚度之影響

表 5.17 以翼鈑補強之鋼鈑 ANSYS 非線性分析結果－翼鈑寬度之影響

表 5.18 以翼鈑補強之鋼鈑 ANSYS 非線性分析結果－翼鈑厚度之影響

表 5.19 以翼鈑補強之鋼鈑 ANSYS 非線性分析結果－翼鈑寬度之影響

圖 5.1 鋼鈑幾何外型設定

圖 5.3 SOLID 186 元素

圖 5.4 設定密度

圖 5.5 設定彈性模數與波松比

圖 5.6 設定材料非線性參數

圖 5.7 Mesh Tool 設定

圖 5.8 鋼鈑網格建立

圖 5.10 鋼鈑力量加載

圖 5.11 施力點應力破壞之位移等高線圖

圖 5.12 局部挫屈破壞之位移等高線圖

圖 5.14 整體挫屈破壞之位移等高線圖

圖 5.15 鋼鈑上端外側四個節點示意圖

0 10 20 30 40 50

displacement(cm)

0 100 200 300 400

shear capacity(tf)

圖 5.16 鋼鈑位移與極限剪力強度之關係

0 1 2 3 4

0 100 200 300 400

ultimate shear capacity(tf)

width x thickness (cm) 50x1 50x2 100x1 100x2

圖 5.18 鋼鈑加翼鈑幾何外型設定

圖 5.19 鋼鈑加翼鈑網格建立

圖 5.20 鋼鈑加翼鈑邊界條件設定

圖 5.22 施力點應力破壞之位移等高線圖

圖 5.23 翼鈑應力破壞之位移等高線圖

圖 5.24 局部挫屈破壞之位移等高線圖

0 0.5 1 1.5 2

ultimate shear capacity (tonf)

302

ultimate shear capacity (tonf)

圖 5.27 翼鈑寬度與鋼鈑極限剪力強度之關係

圖 5.27 翼鈑寬度與鋼鈑極限剪力強度之關係