鋼耐震間柱結構系統設計準則與性能評估方法研擬

(1)

耐

震

間

柱

結

構

系

統

設

計

準

則

與

性

能

評

估

方

法

研

擬

內

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建

築

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究

所

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究

資

料

蒐

集

分

析

報

告

(1

09 年

度

₎

(2)

鋼耐震間柱結構系統設計準則與性能評

估方法研擬

(資料蒐集分析報告)

(3)

鋼耐震間柱結構系統設計準則與性能評

估方法研擬

內政部建築研究所協同研究報告

中華民國109年12月

研究主持人：陳建忠協同主持人：蕭博謙研究員：陳沛清、范仲棋、黃國倫、周楷峻研究助理：張友郕、蘇怡平研究期程：中華民國109年3月20至12年31月

(4)

(5)

I

目次 ... I

表次 ... III

圖次 ... 錯誤! 尚未定義書籤。

摘要 ... IX

Abstract ... XI

第一章緒論 ... 1

第一節研究背景、目的與範圍 ... 1

第二章文獻回顧 ... 5

第一節國內現行鋼結構與耐震設計相關規範 ... 5

第二節國外現行鋼結構與耐震設計相關規範 ... 34

第三章採用鋼耐震間柱建築結構設計準則研擬 ... 59

第一節建築結構設計流程說明 ... 59

第二節鋼耐震間柱類別 ... 63

第三節採用鋼耐震間柱建築結構系統之設計細則 ... 66

第四章國內現行相關結構設計規範修訂 ... 93

第一節國內現行鋼結構設計規範修訂 ... 93

第二節國內現行鋼骨鋼筋混凝土結構設計規範修訂 ... 103

第五章採用鋼耐震間柱建築結構系統耐震性能評估與分析研究 105

第一節採用鋼耐震間柱建築結構系統耐震性能評估 ... 106

第二節構架中耐震間柱桿件軸力累積與釋放效應研究 ... 138

第三節含鋼耐震間柱之結構系統簡易耐震性能評估方法 ... 168

第六章結論與建議 ... 179

第一節結論 ... 179

第二節

建議 ... 181

參考書目 ... 183

(6)

附錄一期中審查意見與回應 ... 185

附錄二期末審查意見與回覆 ... 199

附錄三專家座談會紀錄與意見回覆 ... 205

(7)

III

表次

表2.1 極限設計法受壓肢之寬厚比限制... 8 表2.2 結構系統韌性容量 R ... 32 表2.3 常用抗震建築物結構之設計參數... 34 表2.4 鋼材之 Ry與 Rt值 ... 39 表2.5 中等韌性與高韌性構件其受壓肢材之寬厚比限制... 40 表2.6 梁端接頭係數... 52 表4.1「鋼結構極限設計法規範及解說」修正條文對照表... 94 表4.2「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說」修正條文對照表... 104 表5.1.1 三層樓 SMF 構架原型建築之設計參數... 108 表5.1.2 三層樓 SMF 構架原型建築物之設計基底剪力及豎向分配力... 108 表5.1.3 三層樓 SMF 與 SMF-SC 構架原型建築物之梁柱尺寸 ... 109 表5.1.4 本研究所採用之 FEMA P-695 中地震波資訊 ... 112 表5.1.5 SMF 與 SMF-SC 構架中各種極限狀態定義 ... 118 表5.1.6 九層樓 SMF 構架原型建築之設計參數... 120 表5.1.7 九層樓 SMF 構架原型建築物之設計基底剪力及豎向分配力... 120 表5.1.8 九層樓 SMF 與 SMF-SC 構架原型建築物之梁柱尺寸 ... 121 表5.1.9 二十層樓 SMF 構架原型建築之設計參數 ... 129 表5.1.10 二十層樓 SMF 構架原型建築物之設計基底剪力及豎向分配 ... 129 表5.1.11 二十層樓 SMF 與 SMF-SC 構架原型建築物之梁柱尺寸 ... 130 表5.2.1 五層樓 SMF-SC 構架原型建築之設計參數 ... 140 表5.2.2 五層樓原型建築物之設計基底剪力及豎向分配力... 141 表5.2.3 五層樓 SMF-SC 構架原型建築物之梁柱尺寸 ... 141 表5.2.4 五層樓案例之彈性分析結果 (週期及層間側移角) ... 142 表5.2.5 十五層樓 SMF-SC 構架原型建築之設計參數 ... 143 表5.2.6 十五層樓 SMF-SC 構架之設計基底剪力及豎向分配力 ... 144 表5.2.7 十五層樓 SMF-SC 構架原型建築物之梁柱尺寸 ... 145 表5.2.8 十五層樓案例之彈性分析結果 (週期及層間側移角) ... 145 表5.2.9 五層樓 SMF-SC 構架中耐震間柱軸力參數分析列表 ... 156

(8)

表5.2.10 十五層樓 SMF-SC 構架中耐震間柱軸力參數分析列表 ... 157 表5.2.11-1 考量間柱偏移量之五層樓 SMF-SC 構架中耐震間柱軸力參數分析列表 ... 161 表5.2.11-2 考量間柱偏移量之五層樓 SMF-SC 構架中耐震間柱軸力參數分析列表 ... 162 表5.2.11-3 考量間柱偏移量之五層樓 SMF-SC 構架中耐震間柱軸力參數分析列表 ... 163 表5.2.11-4 考量間柱偏移量之五層樓 SMF-SC 構架中耐震間柱軸力參數分析列表 ... 164 表5.2.11-5 考量跨間柱偏移量之五層樓 SMF-SC 構架中耐震間柱軸力參數分析列表 ... 165 表5.3.1 五層樓 SMF-SC 構架(R=4.8)原型建築之設計參數 ... 169 表5.3.2 五層樓 SMF-SC 構架(R=3.2)原型建築之設計參數 ... 169 表5.3.3 十五層樓 SMF-SC 構架(R=4.8)原型建築之設計參數 ... 170 表5.3.4 十五層樓 SMF-SC 構架(R=3.2)原型建築之設計參數 ... 170 表5.3.5 五層樓 SMF-SC 構架(R=4.8)原型建築物之梁柱尺寸 ... 170 表5.3.6 五層樓 SMF-SC 構架(R=3.2)原型建築物之梁柱尺寸 ... 171 表5.3.7 十五層樓 SMF-SC 構架(R=4.8)原型建築物之梁柱尺寸 ... 171 表5.3.8 十五層樓 SMF-SC 構架(R=3.2)原型建築物之梁柱尺寸 ... 171 表5.3.9 本節 SMF-SC 構架之各極限狀態定義 ... 174

(9)

V

圖次

圖2.1 扇形銲接孔之施工... 14 圖3.1 鋼耐震間柱結構系統設計流程圖... 62 圖3.2 鋼耐震間柱應用於鋼構造與鋼骨鋼筋混凝土構造結構示意... 63 圖3.3 彎矩(端部)降伏型鋼耐震間柱桿件構造示意與實際應用案例照片 ... 64 圖3.4 剪力(中間部)降伏型鋼耐震間柱桿件構造示意與實際應用案例照片 ... 65 圖3.5 耐震間柱桿件於樓層內之淨高

H

_SC示意圖 ... 71 圖3.6 標稱彎矩強度與無支撐長度之關係圖... 71 圖3.7 含鋼耐震間柱 SMF 中理想之韌性行為與塑鉸發生位置示意圖... 74 圖3.8 含鋼耐震間柱 SMF 中邊界梁之彎矩分布示意圖... 75 圖3.9 構架中鋼耐震間柱與邊界梁接合處之受力關係自由體圖... 76 圖3.10 含耐震間柱構架邊界梁極限軸力估算方法示意圖... 78 圖3.11 耐震間柱與邊界梁交會區(a)自由體圖，與(b)需求剪力計算示意圖 ... 79 圖3.12 耐震間柱與邊界梁交會區疊合板配置型式... 81 圖3.13 耐震間柱與邊界梁交會區增加疊合板方式:(a)延伸式疊合板，(b) 設置於連續板間之疊合板... 82 圖3.14 耐震間柱與邊界梁交會區同時配置疊合板與加勁板方式示意圖... 82 圖3.15 耐震間柱與 BH 型鋼邊界梁接合焊接細節示意 ... 85 圖3.16 剪力降伏型間柱桿件保護區示意圖... 86 圖3.17 耐震間柱與 BH 型鋼邊界梁接合焊接細節示意 ... 89 圖3.18 耐震間柱與邊界梁交會區側向支撐位置... 90 圖5.1.1 三層樓 SMF-SC 構架原型建築物之結構平面與立面圖 ... 107 圖5.1.2 SMF 與 SMF-SC 構架解析模型示意圖 ... 110 圖5.1.3 鋼耐震間柱解析模型示意圖... 110 圖5.1.4 三層樓 SMF 與 SMF-SC 構架靜態側推分析結果 ... 111 圖5.1.5 三層樓原型建築物各等級地震反應譜... 113 圖5.1.6 三層樓 SMF 與 SMF-SC 構架動態分析中樓層位移反應 ... 114 圖5.1.7 三層樓 SMF 與 SMF-SC 構架動態分析中樓層剪力反應 ... 115 圖5.1.8 三層樓 SMF 與 SMF-SC 構架動態分析中樓層加速度反應 ... 115 圖5.1.9 三層樓 SMF 與 SMF-SC 構架動態分析中樓層殘餘位移反應 ... 116

(10)

圖5.1.10 三層樓 SMF 與 SMF-SC 構架動態分析中塑絞發生機率 ... 117 圖5.1.11 三層樓 SMF 與 SMF-SC 構架各極限狀態之易損性曲線 ... 118 圖5.1.12 九層樓 SMF-SC 構架原型建築物之結構平面與立面圖 ... 119 圖5.1.13 九層樓 SMF 與 SMF-SC 構架靜態側推分析結果 ... 122 圖5.1.14 九層樓原型建築物各等級地震反應譜... 123 圖5.1.15 九層樓 SMF 與 SMF-SC 構架動態分析中樓層位移反應 ... 125 圖5.1.16 九層樓 SMF 與 SMF-SC 構架動態分析中樓層剪力反應 ... 125 圖5.1.17 九層樓 SMF 與 SMF-SC 構架動態分析中樓層加速度反應 ... 126 圖5.1.18 九層樓 SMF 與 SMF-SC 構架動態分析中樓層殘餘位移反應 ... 126 圖5.1.19 九層樓 SMF 與 SMF-SC 構架動態分析中塑絞發生機率 ... 127 圖5.1.20 九層樓 SMF 與 SMF-SC 構架各極限狀態之易損性曲線 ... 127 圖5.1.21 二十層樓 SMF-SC 構架原型建築物之結構平面與立面圖 ... 128 圖5.1.22 二十層樓 SMF 與 SMF-SC 構架靜態側推分析結果 ... 131 圖5.1.23 二十層樓原型建築物各等級地震反應譜... 132 圖5.1.24 二十層樓 SMF 與 SMF-SC 構架動態分析中樓層位移反應 ... 133 圖5.1.25 二十層樓 SMF 與 SMF-SC 構架動態分析中樓層剪力反應 ... 134 圖5.1.26 二十層樓 SMF 與 SMF-SC 構架動態分析中樓層加速度反應 ... 134 圖5.1.27 二十層樓 SMF 與 SMF-SC 構架動態分析中殘餘位移反應 ... 135 圖5.1.28 二十層樓 SMF 與 SMF-SC 構架動態分析中塑絞發生機率 ... 136 圖5.1.29 二十層樓 SMF 與 SMF-SC 構架各極限狀態之易損性曲線 ... 137 圖5.2.1 五層樓 SMF-SC 構架原型建築物之結構平面圖與立面圖 ... 139 圖5.2.2 五層樓 SMF-SC 構架原型建築物 3D 立面圖 ... 140 圖5.2.3 十五層樓 SMF-SC 構架原型建築物之結構平面圖與立面圖 ... 142 圖5.2.4 十五層樓 SMF-SC 構架原型建築物 3D 立面圖 ... 143

(11)

VII 圖5.2.12 15 樓 SMF-SC 構架中軸力釋放位置對其軸力之影響之二 ... 154 圖5.2.13 SMF-SC 構架中耐震間柱軸力參數分析中樓層位置變數定義 ... 155 圖5.2.14 軸力釋放點(a)下方與(b)上方樓層間柱軸力分析估算值準確度 ... 159 圖5.2.15 SMF-SC 構架中耐震間柱軸力參數分析中間柱跨內位置變數定義 .... 160 圖5.2.16 考量跨內位置軸力釋放點(a)下方與(b)上方樓層間柱軸力分析估算值精準度... 166 圖5.3.1 (a)五層樓與(b)十五層樓原型建築物於 DBE 地震等級之加速度反應譜 ... 173 圖5.3.2 (a)SLE，(b)DBE 及(c)MCE 等級地震下五層樓 SMF-SC 構架之量化耐震性能... 175 圖5.3.3 (a)SLE，(b)DBE 及(c)MCE 等級地震下十五層樓 SMF-SC 構架之量化耐震性能... 175 圖5.3.4 建築物構架設計中 R 值與 Cd值關係示意 ... 177 圖5.3.5 (a)五層樓與(b)十五層樓原型建築物之 Cd/R 比值結果 ... 177

(12)

(13)

IX

摘要

關鍵字: 鋼構造建築物、耐震間柱、設計準則、耐震性能評估台灣自 1999 年發生九二一地震以來，國內建築法規對建築結構耐震能力之要求與等級不斷提升，帶動國內地震工程領域與其相關產業之蓬勃發展，以及推動國內耐震建築普及化之發展，喚醒社會大眾對建築結構安全問題之關注與防災意識。國內包含中高層與超高層新建建築物結構中，大多選擇以配置減震材料設備之方式，以有效率提升建築結構之結構效率，及達到設計所要求之耐震能力。近幾年來，可明顯觀察到，此類結構系統中選擇採用鋼耐震間柱設計之新建案例已逐年增加，且已有相當程度之普及性。其主要原因包括:(1)於建築方面，對建築物內部空間利用之衝擊性小，可充分配合建築空間之需求彈性安排配置之位置;(2)於結構方面，可有效率提升結構之總體勁度與強度，有效改善抗彎矩構架系統中常有的結構勁度不足問題;(3)透過耐震間柱遲滯消能行為，進一步提升建築結構之整體耐震性能。然而，目前國內工程業界尚無針對此採用鋼耐震間柱之建築結構系統的明確設計準則與方法，可供相關設計單位作為依循。基於上述原因，本研究旨在建立與研擬一套適用於採用鋼耐震間柱設計之建築結構系統的設計方法與準則，用以確保鋼耐震間柱於建築結構中得以發揮其預期之耐震性能與韌性，配合進行非線性靜態側推分析(Pushover analysis)與非線性動態歷時分析 (Nonlinear time history analysis)，評估採用鋼耐震間柱設計之建築結構系統之耐震性能與動態行為特性，並提供相關之簡易評估方法。

相關研究內容與要項之步驟如下所列： 1. 蒐集國內外相關研究文獻及設計法規。 2. 初步擬訂鋼耐震間柱結構系統之設計準則。

(14)

3. 建立具代表性之低矮、中高與超高層鋼耐震間柱原型建築物。 4. 以非線性動力分析方法進行鋼耐震間柱原型建築物之耐震性能評估與相關設計參數之驗證。 5. 修訂及最佳化採用鋼耐震間柱設計之建築結構系統之設計準則。 6. 結合非線性動態分析與靜態側推分析結果，提供簡易耐震性能評估方法。 7. 舉辦相關執業技師訪談與專家座談，彙整多元專業意見。

(15)

IX

Abstract

Keywords: steel structures，stub columns，design guideline，seismic performance evaluation

In recent years, large earthquakes tend to occur frequently around the world. It also happens in Taiwan since 921 earthquakes, which caused serious damage and even collapse of many buildings, especially in the regions near faults. The general public began to pay more attention to structural safety and seismic-loads resisting capability of the building. The displacement-dependent damper devices can be used to not only effectively improve the overall strength and stiffness of the structure, but also enhance the structural damping to achieve high seismic performance due to its features such as stable force-deformation behavior and large energy dissipation. In recent years, stub-column dampers have gradually been used in the Taiwan practice. However, the design method and seismic performance of the structural systems with stub-column dampers are still uncertain, and insufficient or uncertain seismic performance of the stub-column damper structural systems will lead to a potential social risk of the structural safety. The research is aiming to establish the design guideline for the steel structural systems containing stub column dampers and perform a series of seismic performance evaluations for the considered systems.

The major research contents of this project are as follow：

(1) Collect relevant research literatures and design specifications in Taiwan and other countries.

(2) Establish the preliminary seismic design guidelines for the steel structural system containing stub-columns.

(3) Establish a series of representative prototype buildings, including low-, med- and high-rise building structures.

(4) Use nonlinear time history analysis method to evaluate the seismic performance of the prototype buildings with tub-columns and verify the roles of each design parameters of the building structures.

(5) Revise and optimize the seismic design guidelines for the steel structural system containing stub-columns upon the analytical results and additionally collected literature.

(6) Establish simplified approaches to evluate the seismic performance of the prototype buildings the upon the analytical results of nonlinear dynamic analysis and static push-over analysis of the buildings.

(16)

(7) Organize specific meetings and symposium among both of academic and practical experts to collect all professional experiences and comments.

(17)

1

第一章緒論

第一節

研究背景、目的與範圍

壹、研究背景 台灣自 1999 年發生九二一地震以來，國內建築法規對建築結構耐震能力之要求等級不斷提升，帶動國內地震工程領域與其相關產業之蓬勃發展，同時促進國內耐震建築普及化之發展，喚醒社會大眾對建築結構安全問題之關注與防災意識。而於國內包含中高層與超高層新建建築物結構中，大多選擇以配置減震材料設備之方式，以有效率提升建築結構之結構效率，及達到設計所要求之耐震能力。近年來，可明顯觀察到，此類建築結構系統中選擇採用鋼耐震間柱設計之案例逐年增加，且已具有相當程度之普及性。當中主要可能原因包括: (1)於建築方面，對建築物內部空間利用之衝擊性小，可充分配合建築空間之需求，以無需增加柱基與柱位情況下，彈性安排間柱配置位置。 (2)於結構方面，可有效率提升結構之總體勁度與強度，有效改善抗彎矩構架系統中因跨度過長情況時導致之結構勁度不足問題。 (3)可透過耐震間柱桿件本身之韌性遲滯行為，增加建築結構之額外結構阻尼以提升建築結構之整體耐震性能。然而，目前國內工程業界尚無針對採用鋼耐震間柱設計建築結構系統之明確設計準則與方法，國內結構專業技師常擾於設計上無統一標準可作為依循，因此在設計上時常產生使用設計參數與設計細部之模糊地帶與不確定性。國內當前急需一套針對採用鋼耐震間柱之建築結構系統的設計方法與準則，用以有效檢視與確保鋼耐震間柱於建築結構系統中確能有效提升建築結構耐震性能及確保建築結構安全。

(18)

貳、研究目的

本研究之目的旨在建立與研擬一套適用於國內之採用鋼耐震間柱之建築結構系統的設計方法與準則，用以統一且具體化國內採用鋼耐震間柱建築結構系統之設計方法與步驟，且確保國內鋼耐震間柱於建築結構系統中可穩定發揮其預期之耐震性能與韌性。本研究同時將進行一系列非線性靜力分析(Pushover analysis) 與非線性動力歷時分析(Nonlinear time history analysis)研究，用以量化與評估採用鋼耐震間柱之建築結構系統之耐震性能提升效能與其動態行為特性，進而彙整非線性動力歷時分析結果歸納對應之簡易型性能評估方法。 參、研究範圍 1. 本研究之研究對象旨針對一般採用鋼耐震間柱桿件之建築結構系統，透過彙整國內外現有相關之設計規範與標準及本研究之相關分析結果，擬訂國內採用鋼耐震間柱建築結構系統之設計準則與方法步驟。 2. 本研究探討之鋼耐震間柱桿件即於中小地震下透過增加結構勁度方式達到抗震減震之功能，而於較大地震下利用鋼材降伏後產生之遲滯行為達到消散地震輸入能量之功能。其他採用間柱型式配置之消能桿件的建築結構，並非本研究之適用對象。 3. 本研究所討論之採用鋼耐震間柱建築結構系統，即指配置有鋼耐震間柱桿件

(19)

3

類別，而於所研擬之設計準則中各設計與檢核項目即依此兩類別分別作闡述與說明。

(20)

(21)

5

第二章文獻回顧

第一節國內現行鋼結構與耐震設計相關規範

壹、鋼構造建築物鋼結構設計技術規範-鋼結構極限設計法規範及解說(內政 部營建署，2010) 1. 耐震設計適用材質[第 3.1.2 節、第 3.1.3 節] 依據規範之規定，鋼結構耐震設計所使用之鋼材與焊材，應符合下列檢驗程序與方法，及所列之材料標準。 (1) 鋼材檢驗：未列於規範中之鋼材應依CNS 2608「鋼料之檢驗通則」及相關之國家檢驗測試標準，或政府主管單位認可之國際通行檢驗標準檢驗測試，確認符合其原標示之標準，且證明達到本規範之設計標準者方可使用。 (2) 鋼材品質證明：鋼結構所使用之各項材料，應由原生產廠家出具品質證明書，或公正檢驗機構之檢驗報告，文件內應備有具體之數據及明確之陳述，足以證明該項材料符合所指定之材料標準。無廠家產品檢驗合格證明書之非整批零星鋼料或成品鋼料，依每5 公噸及其不足 5 公噸部分或依每一群、每種尺寸均須分別各作一組試驗。各項材料如因特殊情況，必須使用同等規格品時，除須經證明其材質及加工性均符合原規定外，並經原設計者簽認許可，方可採用。如對鋼材的品質有疑義時，應抽樣檢驗，其結果應符合國家標準的規定和原設計之要求。 (3) 耐震設計用鋼材：其材料規格應符合下列規格：

(22)

a) CNS 13812 建築結構用軋鋼料： SN400A、SN400B、SN400C、SN490B、SN490C。 b) CNS 2947 銲接結構用軋鋼料： SM400A、SM400B、SM400C、SM490A、SM490B、SM490C、 SM490YA、SM490YB、SM520B、SM520C、SM570。 c) CNS 4269 銲接結構用耐候性熱軋鋼料：

SMA400AW 、SMA400BW 、SMA400CW 、SMA400AP 、 SMA400CP 、SMA490AW、SMA490CW、SMA490AP、 SMA490BP、SMA490CP。 d) CNS 4435 一般結構用碳鋼鋼管： STK 290、STK 400、STK 490、STK 500、STK 540。 (4) 耐震設計用銲材：使用遮護金屬電弧銲接、潛弧銲接、氣體遮護金屬電弧銲接、包藥銲線電弧銲接等銲接方法之全滲透銲接，其相稱銲材於-29℃時至少具有 27 焦耳之衝擊韌性值，其中，銲接材料之選用，應以符合下列國家標(CNS) 為原則，但因部分銲接材料尚未訂定國家標準，考慮目前及未來可能之需求，規範規定使用者得以選用符合美國銲接協會(American Welding Society, AWS)或日本工業規格(Japanese Industrial Standards, JIS)規定之銲

(23)

7 λpd，但未超過表 2.1 之λp者。半結實斷面係指任一受壓肢之寬厚比超過λp，但未超過表 2.1 之λr者。細長肢材斷面係指若斷面受壓肢之寬厚比超過λr者。凡肢材僅單邊支撐，且其自由邊與壓應力作用方向平行者，稱為無加勁肢，其寬度決定如下： (1) W、H、I 或 T 型鋼構材之翼板，寬度 b 取標稱全寬度之半。 (2) 角鋼肢及槽鋼和 Z 型鋼之翼板，寬度 b 取標稱全寬度。 (3) 鋼板寬度 b 取自由邊到第一道螺栓線或銲道之距離。 (4) T 型鋼之腹板深度 d 取標稱全深度。 凡肢材在平行壓應力作用方向之兩側邊均被支撐者稱為加勁肢，其寬度之決定如下： (1) 熱軋型鋼或銲接組合斷面之腹板深度 h 為兩翼板間之淨深度。 (2) 組合斷面之翼板或隔板，寬度 b 取兩相鄰螺栓線之距離或銲道之距離。 (3) 熱軋或冷彎矩形結構鋼管之翼板，寬度 b 取兩腹板間凈距減去每一邊內側之角隅半徑，假如角隅半徑不知時，寬度可取斷面全寬度減去3 倍板厚度。 (4) 圓形結構鋼管，直徑 D 取鋼管之外徑標稱直徑。 (5) 銲接箱型斷面寬度 b 取全寬減去兩邊板厚。

(24)

(25)

9 對稱或雙軸對稱H 型鋼梁桿件受強軸彎曲，且當側向無支撐段長度 Lb≦Lp時，如式(2.1)所示，梁之標稱撓曲強度 Mn可採用此梁之塑性彎矩強度Mp。 yf y p

F

r

L



80

(2.1) 其中 Lb為壓力翼板有抗側向位移支撐或橫斷面有抗扭轉之支撐時，其支撐點間之距離。而ry為梁對弱軸之迴轉半徑，cm。Fyf為梁翼板之標稱降伏應力，tf/cm2。而當側向無支撐段長度Lp<Lb≦Lr時，如式(2.2)所示，梁之標稱撓曲強度 Mn，如式(2.3)所示。 1 2 2

1

y r L L

r X

L

X F

F



 

_(2.2)





b p n b p p r p r p L L M C M M M M L L      































(2.3) 其中X1、X2，如式(2.4)及(2.5)所示。而𝐶_𝑏 = 1.75 + 1.05(𝑀₁⁄𝑀₂) + 0.3(𝑀₁⁄𝑀₂)2 ≤ 2.3，構材側向無支撐段兩端彎矩小者為𝑀₁，大者為𝑀₂且𝑀₁⁄𝑀₂在雙曲率彎曲時為正值，單曲率彎曲時為負值。當側向無支撐段內任一點之彎矩大於或等於𝑀₂ 時，其 𝐶_𝑏值取 1.0 。若為側向無支撐之懸臂梁時，其 𝐶_𝑏值亦為 1.0 。而側向扭轉挫屈彎矩𝑀_𝑟 = 𝐹_𝐿𝑆_𝑥，Sx為對強軸之彈性斷面模數，cm3。E 為鋼材之彈 性模數，tf/cm2_；_{G 為鋼材之彈性剪力模數，tf/cm}2_。_I y為對弱軸之慣性矩，cm4； Cw為斷面翹曲常數，cm6。𝐹_𝐿 = (𝐹_𝑦𝑓− 𝐹_𝑟)或 Fyw取最小值，tf/cm2。Fyf為翼板之降伏應力，tf/cm2_。_F yw為腹板之降伏應力，tf/cm2。Fr為翼板之殘留壓應力，對於熱軋型鋼其值可設為0.7tf/cm2_{，對於銲接型鋼其值可設為}_{1.16 tf/cm}2_。

(26)

1

2

x

EGJA

X

S





(2.4) 2 2

4

w x y

C

S

X

I

GJ







_

_





(2.5) 而當結實斷面之梁受強軸彎曲，且在塑性鉸處壓力緣之側向無支撐段長度 Lb大於 Lr時，梁之標稱撓曲強度 Mn，可採用此梁之臨界彈性側向扭轉挫屈彎矩 Mcr ≦Mp，如式(2.6)所示。 2 cr b y y w b b

E

M

C

EI GJ

I C

L











_{ }

_





(2.6) 4. 一般撓曲桿件之設計-非彈性分析之側向無支撐段長度[第 7.2.4 節] 而當結實斷面之梁受強軸彎曲且在塑性鉸處壓力緣之側向無支撐段長度 Lb 小於Lpd時(如式 2.7 所示)，允許梁達到塑性彎矩並可有充分之旋轉角。 y yf pd

r

F

M

L



250 

150 (

1 2

)

(2.7) 其中M1與M2分別為梁桿件中側向無支撐段端部之較小與較大彎矩，tf-cm。M1/M2 當雙曲率彎曲時其值為正，當單曲率彎曲時其值為負。

(27)

11 力挫屈係數，= 5+5/(a/h)2_，_{a 為橫向加勁板間淨距， h 為梁桿件腹板深度，其於} 熱軋型鋼為兩翼板間扣除二倍角隅半徑後之淨距；於銲接組合斷面為翼板間淨距；於螺栓組合斷面為最近螺栓線間之距離。有使用加勁板又 a/h 大於 3.0 或 a/h 大 於 [260/(

h

t

_w )]2_時 v k 取5.0，而未使用加勁板時

k

_v統一取5.0。而F_yw、

t

_w與

A

_w 分別為梁桿件腹板標稱降伏強度、板厚與斷面積。 w yw n F A V 0.6 (2.8)





0.6 50 / / n yw w v yw w V  F A k F h t (2.9)





2 1860 / v n w w k V A h t  _(2.10) 6. 一般撓曲桿件之橫向加勁板[第 7.4 節] 當

h

t

_w



110 /

F

_yw 或當考慮係數化載重下結構分析計算所得之V_u值小上述

k

_v= 5 時所得之



_v

V

_n時，可不使用橫向加勁板。若於腹板剪力強度計算時考慮橫向加勁板之作用，對於通過雙加勁板腹板中心軸之慣性矩或對於單加勁板於腹板面之慣性矩不得小於

at

_w

j

其中j，如式(2.11)所示。

5 .

0

2 )

/

(

5 .

2







h

a

j

(2.11) 非承壓式之中間加勁板無須與張力翼板連結。連結於腹板之中間加勁板，其銲道終止端距腹板與翼板銲趾上緣之距離不得小於 4 倍亦不得大於 6 倍腹板厚度，若使用單側之橫向加勁矩形板於抵抗向上之扭曲作用時，其應連接於壓力翼板。除非翼板是由角鋼組合而成，否則當側向支撐與一側或二側加勁板連結時，加勁板應與壓力翼板連結，且此側向支撐應可傳遞整體翼板應力之 1%以上。橫

(28)

向加勁板與大梁腹板以螺栓連接時，其間距不得大於 30cm 若用斷續填角銲時，則其跳銲間之淨距不得大於腹板厚度之16 倍，也不得大於 25cm。 7. 對稱構材承受彎矩及軸力之作用[第 8.2 節] 受軸向壓力與彎矩共同作用之構材，應符合以下組合應力之規定：

1.0

1

my by a mx bx a a _a bx _by ex ey

C

f

C

f

F

f

_f

F















_



_





_

_



_





_

_

(2.12)

1.0

0.6

by a bx y bx by

f

F



F



F



(2.13) 當

f

_a

/

F 

_a

0.15

時，可以公式(2.14)取代公式(2.12)與(2.13)：

1.0

by a bx a bx by

f

F



F



F



(2.14) 其中上述公式中之下標 x、y 表示構材彎曲之方向，fa為依計算求得作用於構材之軸應力，Fa為構材僅受壓力時之容許軸壓應力，fb為依計算求得作用於構材之彎曲應力，Fb為構材僅受彎矩時之容許彎曲應力，其中





2 2

12

23

e b b

F

 



E

KL r

為尤拉(Euler) 挫屈應力除以安全係數 23/12，其中，Lb及rb為構材挫屈平面之未支撐長度與斷面迴轉半徑。

(29)

13 M1/M2之比為正值；當構材成單曲率彎曲時，M1/M2枝筆為負值。 (3) 含斜撐構架之受壓構材，若在構材彎曲平面兩端點間受橫向力作用時， Cm之值可依合理分析方法決定之或依以下之規定： a) 構材在所考慮彎曲平面之端點受束制者，Cm = 0.85。 b) 構材在所考慮彎曲平面之兩端點未束制者，Cm = 1.0。 8. 承受衝擊或反復荷重之彎矩接合設計[第 10.1.3 節] 受束制之梁、大梁和受束制桁架之端部接合，應依其接合處之勁度所計得彎矩與剪力之合成效應設計之。承受衝擊或振動之接合部，應使用銲接或摩阻型高強度螺栓設計之。因特殊需要而不容許螺栓滑動，或因承受反復荷重之接合部，亦應使用銲接或摩阻型高強度螺栓設計之。 9. 梁翼板切除與扇形銲接孔[第 10.7.3 節] 所有扇形銲接孔之長度須能使得銲接處離預定銲道趾部之距不大於開孔之 1.5 倍。扇形銲接孔之高度應足夠容納與鄰接板間之銲材且提供墊板之空隙。圖 2.1 所示為幾種可行方法。梁翼板切除與扇形銲接孔採熱切割時表面應加以磨平以消除其刻痕或尖銳之凹角。對於巨型型鋼及厚度超過 50mm 之組合型鋼，並應使用磁粉探傷或滲透液探傷法檢驗之。若扇形銲接孔或梁翼板切除之彎曲轉變段以預先鑽孔或鋸孔，則不需再磨平。

(30)

圖 2.1 扇形銲接孔之施工 10. 耐震設計-放大設計地震力[第 13.3 節] 結構分析時除須檢核各種載重組合外，若其他條文規定需再考慮放大地震力 𝐸′之情況時，使用 E' =1.4FuE，其中，E 為地震力，Fu為結構系統地震力折減係數，其值不必超過 2.5。若使用放大地震力時其載重組合如下： 1.2D+0.5L±1.0 𝐸′ (2.15) 0.9D±1.0 𝐸′ (2.16) 對於停車場、供公眾使用之集會堂以及活載重超過 0.5 tf/m2 者，式(2.15)中 L 之 載重係數應使用 1.0。又使用 E'時不需同時考慮正交方向地震力之影響。

(31)

15 (1) 設計撓曲強度 Mu 梁柱接合處之撓曲強度須依下述個別規定之一決定之；惟若梁柱接合之作用非用來抵抗彎矩，且接合之變形能力可容許桿件在放大變位（含 地震力之載重組合計算所得之變位乘以係數 1.4Fu ）下仍能維持接合之原有功能，則梁柱接合之撓曲強度可不須滿足下述要求。 a) 梁柱接合處所需之撓曲強度 Mu為下列二者中之較小者；此外銲接時採用之銲條除應與母材相稱外且至少應在 CNS3506 級以上。 i)梁標稱塑性彎矩 Mp。 ii)梁柱腹板交會區標稱剪力強度所對應之梁端彎矩。 b) 補強式接頭 梁柱接合處所需之撓曲強度 Mu為梁臨界斷面產生塑性鉸時對應之梁端彎矩,惟計算該彎矩時應考慮臨界斷面部位實際鋼材材質之變異性及鋼材應變硬化之影響；此外銲接時採用之銲條除應與母材相稱外且至少應在 CNS3506 級以上。 c) 減弱式接頭 梁柱接合處所需之撓曲強度 Mu為梁標稱塑性彎矩 Mp；此外銲接時採用之銲條除應與母材相稱外且至少應在 CNS3506 級以上。 (2) 設計剪力強度 接合處之剪力強度須能抵抗由載重組合 1.2D＋0.5L 而得，並加上梁 臨界斷面處產生該斷面之塑性彎矩所造成之剪力。但所需之剪力強度不

(32)

須超過由載重組合式 1.2D＋0.5L±1.0 E 所得之剪力。 (3) 塑性之轉角要求 a) 梁柱接頭所需塑性轉角( θ p)應以下述三規定之一決定之： i) 0.03 弧度。 ii)非線性動力分析所得之最大塑性轉角加上 0.005 弧度。 iii) θ p = 1.1(R −1.0) θ E 其中 R 為結構系統韌性容量。 θ E為在設計地震力 E 作用下之最大 層間變位角。 b) 梁柱接頭所能提供之塑性轉角應以下列方式之一決定之： i)反復載重試驗，最大塑性轉角以彎矩試驗強度之 90%值所對應之最大轉角為基準。 ii)若未進行結構試驗，則設計者應提供一可信之証明，說明其設計之柱、梁桿件、側向支撐條件及接頭細部與過去所進行過之破壞試驗不僅在設計方式上相同，且其採用之材料、銲接方法、尺寸、銲接孔形式、施工方法、施工流程皆與過去所做的結構試驗情況類似，而其最大梁翼板厚不大於 1.25 倍過去所試驗之梁翼板厚，且其梁翼板之塑性模數與全斷面塑性模數之比值不小於過去所試驗之梁。

(33)

17 (4) 銲接細則：梁柱接頭全滲透銲接之銲接程序應與結構試驗所採用之方法相同，而其銲接導銲板應於完成後切除磨平並符合表面粗糙度之標準。惟銲接背襯板無需切除，以免傷及柱板。 12. 耐震設計-韌性抗彎矩構架-梁柱腹板交會區設計 [第 13.6.2 節] (1) 梁柱腹板交會區剪力強度梁柱腹板交會區必須具有足夠之剪力強度，以抵抗載重組合所造成梁彎矩引致之剪力，但不得小於該接合處連結於柱翼板之梁總設計撓曲強度(∑Mp)所對應之剪力。梁柱接頭區之設計剪力強度 Vn可依下列公式決定之： p c y n

.

F

d

t

V



0

6

(2.17) 其中 tp為梁柱接頭交會區柱腹板總厚度，包括箱型柱兩腹板或Ｈ型柱含 腹部疊合板時之總厚度。dc為柱斷面深度。Fy為柱腹板與疊合板之標稱降伏強度。 (2) 梁柱腹板交會區厚度 tz tz須符合下式之要求：

90

z z z

w

d

t





_(2.18) 其中 dz為梁柱腹板交會區柱連續板間之淨深度。wz為梁柱腹板交會區柱 翼板間之淨寬度。上述 tz不包含疊合板之厚度；若疊合板以足夠之塞銲 接合至柱腹板，以防止疊合板或腹板之挫屈，則 tz可包含疊合板之厚度。

(34)

(3) 梁與Ｈ型柱接頭區腹部疊合板之銲接疊合板須緊靠柱腹板，且疊合板除上下端需有足夠強度之銲接外，尚須使用滲透銲與柱之翼板相接，以發揮疊合板之剪力強度。 13. 耐震設計-韌性抗彎矩構架-梁斷面限制[第 13.6.3 節] (1) 翼板之寬厚比（bf/2tf）與腹板之深厚比（hc/tw）不得大於規定之 λpd值。 (2) 產生塑性鉸之區域，梁斷面形狀不得有不利於梁韌性發展之變化。 (3) 梁翼板之塑性模數應大於全斷面塑性模數的 70%以上。 14. 耐震設計-韌性抗彎矩構架-Ｈ型柱翼板間之連續板[第 13.6.4 節] 當柱翼板局部標稱拉力強度 Rn小於 1.8 Fybbf tbf 時應設置連續板。連續板應 以銲接固定於柱之翼板及腹板或疊合板。其中，Fyb 為梁翼板之標稱降伏應力， bf與 tbf分別為梁翼板之寬度與板厚。 15. 耐震設計-韌性抗彎矩構架-梁柱彎矩強度比 [第 13.6.5 節] 任何梁柱接頭應滿足下式：

25 .

1 )

/

(

Z







yb b g uc yc c

F

Z

A

P

F

(2.19)

(35)

19 a) 多層結構頂層之柱。 b) 各柱設計剪力總值應低於該樓層設計之 20%，且各軸線於平面尺寸 1/10 的範圍內，此類柱之設計剪力總值不超過該軸線範圍內總設計剪力之33%。 (2) 在某一樓層中之柱，其樓層之側向剪力強度較上一樓層者大百分之五十以上時。 16. 耐震設計-韌性抗彎矩構架-梁柱接頭處之側向束制[第 13.6.6 節] (1) 若柱在接頭區以外保持彈性，則柱翼板之側向支撐僅須設置於梁柱接頭與梁上翼板同高處。但在下列各情況成立時，才可假設柱在接頭區以外在彈性範圍內： a) 柱強度符合式(2.19)。 b) 柱在 1.2PD+0.5PL±1.4FuPE_cP_n之載重組合下仍然保持彈性。 (2) 若柱接頭區以外無法如上述情形保持彈性，則需符合下列規定： a) 柱翼板在與梁上下翼板同高處均須設置側向支撐。 b) 上述側向支撐須能抵抗梁翼板強度(Fybf tf)之 2%。 c) 柱翼板之側向支撐可直接或間接由柱腹板或梁翼板提供之。 17. 非側向束制接頭[第 13.6.6 節] 包含梁柱接頭之柱，若接頭在垂直於抗震構架平面方向無側向支撐，則在計算該柱在垂直於抗震構架平面方向之挫屈強度時，應取相鄰側向支撐間之距離為柱高，且除符合 8.1 節之要求外，尚須滿足下列規定： (1) 柱之設計力為垂直載重加上下述二項之較小者：

(36)

a) 1.4Fu倍的地震力。 b) 對應於梁或梁柱腹板交會區設計強度 1.25 倍之地震力。 (2) 柱設計強度之計算應假設柱為兩端鉸接。 (3) 柱之 L/r 小於 60。 (4) 柱在垂直於抗震構架平面方向之設計彎矩應包括支撐設計力所引致之彎矩加上柱在該方向位移所引起之Ｐ-△效應。 18. 耐震設計-韌性抗彎矩構架-梁之側向支撐 [第 13.6.7 節] 梁之上下翼板均須設置足夠之直接或間接側向支撐。側向支撐之間距應滿足 7.2.4 節之規定且不得超過 170ry/Fy。其中 ry為梁弱軸之迴轉半徑(cm)，Fy為梁鋼 材標稱降伏強度(tf/cm2)。上述側向支撐須能抵抗梁翼板強度(Fybf tf)之 2%，此外梁承受集中載重處若會產塑性鉸則亦需設置側向支撐。

(37)

21 貳、鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說(內政部營建署，2011) 1. 受彎矩作用之構材-設計彎矩強度-強度疊加法 [第 5.4.1 節] 包覆型鋼骨鋼筋混凝土梁之設計彎矩強度_bM_n得採用「強度疊加法」計算如下： n ns nrc b

M

bs

M

brc

M











(2.20) 其中



_bs 0.9，鋼骨部分之彎矩強度折減係數，



_brc 0.9，鋼筋混凝土部分之彎矩強度折減係數，

M

_ns為鋼骨部分之標稱彎矩強度，其值為 ZFys，Z 為鋼骨之塑性斷面模數，Fys 為鋼骨之規定降伏應力，Mnrc 為鋼筋混凝土部分之標稱彎矩強度，依內政部所定之「混凝土結構設計規範」之相關規定計算。 2. 受軸壓力與彎矩共同作用之構材[第 7.3 節] (1) 軸力與彎矩之分配鋼骨鋼筋混凝土構材中之鋼骨部分與鋼筋混凝土部分，應共同分擔由組合載重所引致之需要軸力 Pu與需要彎矩 Mu，即： u us urc

P



P



P

(2.21) u us urc

M



M



M

(2.22) 其中 Pu為由組合載重引致作用於鋼骨鋼筋混凝土構材之需要受壓強度， Mu為由組合載重引致作用於鋼骨鋼筋混凝土構材之需要彎矩強度(含 P-Δ效應)，依[第 7.4 節]之規定分別對 x 軸或 y 軸計算，Pus為鋼骨部分之需要受壓強度，可依鋼骨與鋼筋混凝土之相對剛度以下式決定之：

(38)

0.55

s s us u s s c c

E A

P

E A







_

_







(2.23) 其中 Mus為鋼骨部分之需要彎矩強度，可依鋼骨與鋼筋混凝土之相對剛度以下式分別對x 軸或 y 軸決定之：

0.35

s s us u s s c g

E I

M

E I







_

_











(2.24) Pus為鋼筋混凝土部分之需要受壓強度，可依鋼骨與鋼筋混凝土之相對剛度以下式決定之:

0.55

c c urc u s s c c

E A

P

E A







_

_







(2.25) Murc 為鋼筋混凝土部分之需要彎矩強度，可依鋼骨與鋼筋混凝土之相對剛度以下式分別對x 軸或 y 軸決定之：

0.35

c g urc u s s c g

E I

M

E I







_

_











(2.26) 其中Es、Ec分別為鋼骨與混凝土之彈性模數，As、Ac分別為鋼骨部分與混凝土部分之斷面積，Is、Ig分別為鋼骨部分之慣性矩與鋼骨鋼筋混凝土全斷面積之慣性矩。

(39)

23 鋼骨鋼筋混凝土構材中之鋼骨部分在受到軸力 Pus與彎矩 Mus共同作用下，應符合以下之強度檢核規定﹕ i)當

P

_us



0.2 

_{cs ns}

P

時：

1.0

2

uys us uxs cs ns bs nxs bs nys

M

P

M

P

M



       





(2.27) ii)當

P

_us

0.2 

_{cs ns}

P

時： 8 9

1.0

uys us uxs cs ns bs nxs bs nys

M

P

M

P

M



       





(2.28) 其中



_cs為鋼骨部分之軸力強度折減係數， bs



為鋼骨部分之彎矩強度折減係數，Pus為鋼骨部分之需要受壓強度，Pns為鋼骨部分僅受軸力時之標稱受壓強度，Muxs、Muys為對 x 軸或 y 軸彎曲時鋼骨部分之需要彎矩強度，Mnxs、Mnys為對 x 軸或 y 軸彎曲時鋼骨部分之標稱彎矩強度。 b) 鋼筋混凝土部分之強度檢核 鋼骨鋼筋混凝土構材中之鋼筋混凝土部分受到軸力 Purc與彎矩 Murc 共同作用下，其設計強度應符合內政部所定之「混凝土結構設計規範」之相關規定，其中鋼筋混凝土部分所受到之軸力Purc與彎矩Murc應分別依式(2.25)與(2.26)決定之。 c) 軸力與彎矩之重新分配當上述步驟(a)與(b)之強度檢核均能滿足，表示鋼骨鋼筋混凝土構材之強度符合設計要求。若上述步驟(a)與(b)之強度檢核均不能滿足時，則表示構材強度不足，應予重新設計。

(40)

若鋼骨鋼筋混凝土構材中之鋼骨部分或鋼筋混凝土部分，其中之一不能滿足強度檢核之要求時，則可依以下方式重新分配鋼骨與鋼筋混凝土所需分擔之軸力與彎矩，然後再重覆上述步驟(a)與(b)之強度檢核。軸力與彎矩重新分配之方式如下：

/

us us

P



P



且

P

_urc



P

_u 

P

_us (2.29)

/

us us

M



M



且

M

_urc



M

_u

M

_us (2.30) 其中



為軸力與彎矩重新分配係數，其值為依公式(2.27) 前三項或(2.28) 式前三項相加之和，

P

_us、

P

_urc為重新分配後，鋼骨部分與鋼筋混凝土部分所分擔之需要受壓強度，用以取代

P

_us與

P

_urc，

M

_us、M_urc為重新分配後，鋼骨部分與鋼筋混凝土部分所分擔之需要彎矩強度，用以取代M_us 與

M

_urc (分別對 x 軸或 y 軸計算)。 3. 受軸拉力與彎矩共同作用之構材[第 7.5 節] 具雙對稱或單對稱斷面之鋼骨鋼筋混凝土構材承受軸拉力與彎矩共同作用時，須滿足[第 7.2 節]與[第 7.3 節]之相關規定。惟其中： Pu = 需要軸拉力強度，Pn = 標稱軸拉力強度，構材受拉時不計混凝土之拉 力強度，Mu = 需要彎矩強度，構材受拉時不考慮 P-Δ效應，鋼骨部分受軸拉力作用下之強度折減係數



_ts 0.9，鋼筋混凝土部分受軸拉力作用下之強度

(41)

25 (1) 鋼骨部分：







ns C_{ns B}



0.6 M M 



(2.31) (2) 鋼骨部分：







nrc C_{nrc B}



0.6 M M 



(2.32) 採用鋼梁與鋼骨鋼筋混凝土柱接合時，在接合處之鋼梁與鋼骨鋼筋混凝土柱中之鋼骨，其撓曲強度比應符合以下之規定：







ns C_{ns B}



1.0 M M 



(2.33) 惟若經分析顯示鋼梁之應力可由梁柱接頭平順傳遞至鋼骨鋼筋混凝土柱者，可採用下式取代式(2.33)之規定：







ns C_{ns B}



0.7 M M 



(2.34) 其中



_ns



C

M



為梁柱接合處所有柱中鋼骨部分之標稱彎矩強度之總和，



M

ns



_B



為梁柱接合處所有梁中鋼骨部分之標稱彎矩強度之總和，



M

_{nrc C}





為梁柱接合處所有柱中鋼筋混凝土部分之標稱彎矩強度之總和，



M

nrc



_B



為梁柱接合處所有梁中鋼筋混凝土部分之標稱彎矩強度之總和。 5. 耐震設計-梁之剪力強度[第 9.5.2 節] 鋼骨鋼筋混凝土梁之鋼骨部分及鋼筋混凝土部分之設計剪力強度應分別滿足以下之要求：

(42)



/



vs ns

V

M

ns

M

pr

V

u





(2.35)



/



nrc vrc

V

M

prc

M

pr

V

u





(2.36) 其中



_{vs ns}

V

為鋼骨部分之設計剪力強度，



_vs＝0.9，

V

_ns應依[第 5.5.1 節]之規定計算，



_{vrc nrc}

V

為鋼筋混凝土部分之設計剪力強度，



_vrc＝0.75，

V

_nrc應 依[第 5.5.2 節]之規定計算，Mns為鋼骨部分之標稱彎矩強度，其值依[第 5.4 節]之規定計算，Mpr 為鋼骨鋼筋混凝土構材兩端交接面之可能彎矩強度 Mpr=Mns+Mprc，Mprc為鋼筋混凝土部分之可能彎矩強度，計算時拉力鋼筋之 降伏應力 Fyr應以 1.25Fyr取代之，Vu為鋼骨鋼筋混凝土梁之需要剪力，應依以下規定計算：



pr1 pr2



/

n



/ 2



u

M

L

W

V





_





_



(2.37) 其中 W 為作用於梁上之總垂直載重﹔Ln為梁之淨跨距﹔Mpr1 與 Mpr2 為鋼骨鋼筋混凝土梁兩端交接面之可能彎矩強度。 6. 耐震設計-柱之彎矩強度[第 9.6.1 節] 鋼骨鋼筋混凝土構造中，在梁柱接合處之梁與柱中之鋼骨或鋼筋混凝土，其撓曲強度應符合[第 8.4.2 節]之規定。鋼骨鋼筋混凝土構造中，各梁柱接頭應滿足下述強柱弱梁之檢核要求，

(43)

27 方向之側力作用下，由各種載重組合之軸力作用下計算所得之最小彎矩強度， B M



為鋼骨鋼筋混凝土構架中，連接於梁柱接頭處各梁在接頭交接面之標稱彎矩強度之總和。梁彎矩強度和之方向應與柱彎矩強度和之方向相反，且作用於所考慮構架立面內梁之兩方向彎矩(順、逆鐘方向)均應考慮於式(2.37) 之中。 7. 耐震設計-接頭區之剪力強度[第 9.7.1 節] (1) 鋼骨鋼筋混凝土梁柱接頭區之設計剪力強度



_{v n}

V

應不小於本節所規定 之需要剪力強度 Vu。 (2) 鋼骨鋼筋混凝土梁柱接頭區之需要剪力強度 Vu應依以下規定計算：









1.25

_yr _rt _rb _ns

/

_b _f _T u

F

A

M

d

t

V





_









_



(2.39) 其中 Fyr為鋼骨鋼筋混凝土梁主筋之規定降伏應力，Art為鋼骨鋼筋混凝 土梁中受拉主筋之斷面積，Arb為鋼骨鋼筋混凝土梁中受壓主筋之斷面積， Mns 為鋼骨鋼筋混凝土梁中鋼骨部分之標稱彎矩強度，db 為鋼梁斷面之 深度，tf 為鋼梁斷面翼板之厚度，VT 為作用於鋼骨鋼筋混凝土柱上下兩端交接面之水平剪力。 (3) 鋼骨鋼筋混凝土梁柱接頭區之設計剪力強度



_v

V

_n應為鋼骨部分與鋼筋混凝土部分剪力強度之和。即 v n

V

vs ns

V

vrc nrc

V











(2.39) 其中



_{vs ns}

V

與



_{vrc nrc}

V

分別為鋼骨與鋼筋混凝土部分在梁柱接頭區之設

(44)

計剪力強度，其值應依以下規定計算： a) 鋼骨部分：鋼骨鋼筋混凝土柱中鋼骨部分之梁柱接頭區設計剪力強度



_{vs ns}

V

應依內政部所定之「鋼結構極限設計法規範及解說」相關規定決定之。 b) 鋼筋混凝土部分：常重混凝土接頭區之設計剪力強度為



_{vrc nrc}

V

，



_vrc＝0.75，且標稱剪力強度

V

_nrc不得大於下列所示之值： i)圍束接頭：

 

1 2

5.3

s ys c j n u nrc A F f A P

V

       



(2.40) ii)接頭三面或兩對面受圍束：

 

1 2

4.0 V

       



(2.41) iii)其他：

 

1 2

3.2 V

       



(2.42)

(45)

29

有效受剪面積 Aj之深度為沿剪力方向接頭之深度﹔Aj之寬度依上述

第(1)款計算，惟不得大於接頭處垂直於剪力方向柱寬之一半。上述之梁被視為對梁柱接頭具有圍束作用者，該梁之寬度至少為柱寬之 3/4，而圍束接頭係指接頭之四面均受梁圍束。

(46)

參、建築物耐震設計規範及解說(內政部營建署，2011) 1. 被動消能設計基本原則[第 10.1.2 節] 消能建築之設計基本原則為：對所有消能建築，要求在中小度地震下須完全保持彈性，且非結構元件無明顯損壞；在設計地震下，消能系統能正常發揮功能， 而原結構體可容許產生降伏，但使用之韌性不得超過其容許韌性容量 Ra。在最大考量地震下，消能系統仍能正常發揮功能，而原結構體容許產生降伏，但使用之 韌性不得高於規定之韌性容量 R。相較於由最大考量地震計算所得之最大值，消 能元件應能承受更大之位移（及速度，對速度型元件而言），位移（及速度）容量之增加與消能系統所提供的贅餘程度有關。 (1) 建築物之某一樓層於其主軸方向若提供 4 組以上之消能元件，且在樓層剛心之兩側配置 2 組以上時，則所有消能元件須能承受經由最大考量地震計算出之最大總位移的 1.3 倍。惟速度型元件至少另須能承受經由最大考量地震計算出最大總速度的 1.3 倍所對應之力。 (2) 建築物之某一樓層於其主軸方向若提供少於 4 組之消能元件，或在樓層剛心之兩側配置少於 2 組時，則所有消能元件須能承受經由最大考量地震計算出之最大總位移之 2.0 倍。惟速度型元件至少另須能承受經由最大考量地震計算出之最大總速度的 2.0 倍所對應之力。在前述第一項或第二項所述之規定下，位於消能元件間傳遞作用力之桿件與接頭須適當

(47)

31 算之樓層需求剪力的比值，必須介於所有樓層比值平均值的 80% 至 120% 之間。樓層最大層剪力之計算應包含所有結構體、非結構體及消能元件的貢獻。 (2) 每一樓層在考慮方向上由所有消能元件所提供之最大層剪力不得超過構架本身的 50%，此所謂層剪力乃基於設計地震下計算而得。計算消能元件的最大層剪力時，必須考慮其老化與環境效應。為考量消能元件提供的能量消散阻尼，由計算所得之擬靜力應藉由阻尼修正因子予以折減。有效阻尼比依下式計算： k j Dj i Fi eff

W





4 









_(2.43) 其中，



為構架系統之固有阻尼比，除依規定修正外，其值設定為 0.05。 Dj W 為第 j 個位移型消能元件以樓板位移為基準完成一個完整循環所做 的功，

W

_Fi該樓層主構架所消能之非線性遲滯能，

W

_k則為構架之最大應變能，可由下式計算：





i i i k

F

u

W

2

1

(2.44) 其中，

F

_i與

u

_i分別為第 i 層的慣性力與位移。 3. 結構系統韌性容量[第 1.7 節]

(48)

表 2.2 結構系統韌性容量 R 基本結構系統抵抗地震力結構系統敘述 R 高度限制（m）抗彎矩構架系統 1.特殊抗彎矩構架 (1)鋼造 (2)鋼筋混凝土造 (3)鋼骨鋼筋混凝土造 4.8 4.8 4.8 不限不限不限 4. 線性動力分析[第 10.3.2 節] 除非另有規定外，否則遵照本標準有關線性動力分析之規定辦理。當結構主振態於各主軸方向之有效阻尼低於臨界阻尼之 30% 時，可採用線性動力分析的振態反應譜疊加法。擬以線性動力分析方法進行結合位移型消能元件之結構分析時，應符合前述項目 2 的條件限制。為能利用振態反應譜疊加法進行分析，基於 5%結構阻尼的反應譜必須修正以考慮由位移型消能元件提供的阻尼。5%阻尼的加速度反應譜必須藉由振態相依之阻尼修正因子(

B

_S或

B

₁)，針對該振態週期附近之結構週期範圍予以折減。值得注意的是，各振態的阻尼修正因子均不相同。各振態的阻尼修正因子必須藉由該振態之有效阻尼，而各振態之有效阻尼比則可利用與前述項

(49)

33 5. 非線性動力分析方法[第 10.4 節] 消能建築之動力分析若以非線性歷時分析法進行時，非線性歷時分析時須以消能元件之遲滯模式為之。所輸入之地震記錄，至少取三個與設計反應譜相符之水平地震記錄，其應能確切反映工址設計地震(或最大考量地震)之地震規模、斷 層距離與震源效應。針對任一個水平地震紀錄，其 5%阻尼反應譜於 0.2TeD(TeM) 至 1.5TeD(TeM)週期範圍內任一點之譜加速度值不得低於設計(最大考量)譜加速度值之 90%及於此週期範圍內之平均值不得低於設計(最大考量)譜加速度值之平 均值，其中 TeD(TeM)為消能建物於設計地震(最大考量地震)下之有效振動週期。 6. 容許層間相對側向位移角[第 10.4.2 節] 消能建築須按其消能元件之有效阻尼比，計算出中小度地震之設計地震力，並檢核其在中小度地震作用下，各樓層層間相對側向位移角不得超過 0.005，計算位移時應計及平移與扭轉位移。

(50)

第二節

國外現行鋼結構與耐震設計相關規範

壹、美國ASCE 7-16 建築物結構最小設計力與相關標準(美國土木工程師協 會，2016) 1. 建築物結構設計地震力規定表 2.3 常用抗震建築物結構之設計參數抵抗地震力結構系統 R Ω0 Cd 結構系統高度限制耐震設計等級 B C D E F 鋼韌性抗彎矩構架系統鋼骨鋼筋混凝土韌性抗彎矩構架系統含韌性抗彎構架之二元結構系統: 1. 韌性同心斜撐構架系統 2. 混凝土剪力牆構架系統 3. 挫曲束制支撐構架系統 8 8 7 7 8 3 3 2.5 2.5 2.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 NL NL NL NLNL NL NL NL NLNL NL NL NL NLNL NL NL NL NLNL NL NL NL NLNL

(51)

35 貳、美國AISC 360-16 鋼結構設計規範(美國鋼結構協會，2016) 1. 一般撓曲桿件之撓曲強度設計[第 F1 節] 梁之設計撓曲強度為



_b

M

_n，其中Mn為標稱撓曲強度，



_b= 0.90。對於單軸對稱或雙軸對稱I 型梁桿件受強軸彎曲，且當側向無支撐段長度 Lb≦Lp時，可避免梁桿件之側向扭轉挫曲，Lp之計算如式(2.45)所示，因此梁之標稱撓曲強度 Mn 可採用此梁之塑性彎矩強度Mp。 y y p

F

E

r

L



1.76

_(2.45) 其中ry為梁對弱軸之迴轉半徑。 2. 一般撓曲桿件不考慮張力場效應之剪力強度設計[第 G2.1 節] 梁桿件腹板之設計剪力強度為



_v

V

_n ，其中



_v＝1.0。標稱剪力強度應以 1 6 0 yw w v n . F A C V  計算。其中F_yw與

A

_w分別為梁桿件腹板標稱降伏強度與斷面積。而

C

_v₁值須以下面方式決定: (1) 熱軋 H 型鋼之腹板

h

t

_w



2 .

24 E

F

_yw 時，

C

_v₁值可取1.0。 (2) 其他組合型 H 型鋼與槽型鋼之腹板 a)

h

t

w



1.10 k

v

E

F

yw 時

C

v1= 1.0 (2.46) b)

h

t

w



1.10 k

v

E

F

yw w y v v

t

h

F

E

k

.

C

₁



1

10

_(2.47)

(52)

其中，k_v為腹板剪力挫屈係數，= 5+5/(a/h)2，a 為橫向加勁板間淨距，h 為梁 桿件腹板深度，其於熱軋型鋼為兩翼板間扣除二倍角隅半徑後之淨距；於銲接組合斷面為翼板間淨距。a/h 大於 3.0 時k_v取5.34，未使用加勁板時k_v統一取5.34。 3. 一般撓曲桿件之橫向加勁板[第 G2.3 節] 當

h

t

_w



2.46 E

F

_yw 或當考慮係數化載重下結構分析計算所得之V_u值小於上述

k

_v= 5.34 時所得之



_v

V

_n時，可不使用橫向加勁板。而所採用之加勁板的斷面寬厚比

 

b

t

_st須不大於

0 .

56 E

F

_yst。其中，Fyst為加勁板之標稱降伏應力。非承壓式之中間加勁板無須與張力翼板連結。連結於腹板之中間加勁板，其銲道終止端距腹板與翼板銲趾上緣之距離不得小於 4 倍亦不得大於 6 倍腹板厚度，若使用單側之橫向加勁矩形板於抵抗向上之扭曲作用時，其應連接於壓力翼板。除非翼板是由角鋼組合而成，否則當側向支撐與一側或二側加勁板連結時，加勁板應與壓力翼板連結，且此側向支撐應可傳遞整體翼板應力之 1%以上。

(53)

37

參、美國 AISC 341-16 鋼結構耐震設計規範(美國鋼結構協會，2016)

1. 耐震設計用鋼材[第 A3.1 節]

依據美國規範耐震特別規定第 A3 節規定，耐震設計適用之鋼材與銲材應符合下列規定。用於地震力抵抗系統(seismic force resisting system, SFRS)之結構鋼材除下列規定者外，應滿足美國規範 A3.1 節之要求。特殊抗彎構架(SMF)構件之規定最小降伏應力不得超過 50 ksi (345 MPa)，以發展預期之非線性行為。但經試驗或其他合理標準決定之適當材料，則允許超過此規定最小降伏應力限制。此外，特殊抗彎構架(SMF)之柱構件，其結構鋼材之規定最小降伏應力不超過 65 ksi (450 MPa)。地震力抵抗系統之結構鋼材應符合下列任一 ASTM 材料規範規定： (1) A36/A36M (2) A53/A53M (3) A500/A500M(Gr.B 或 C) (4) A501 (5) A529/A529M (6) A572/A572M[Gr.42(290)、50(345)或 55(380)] (7) A588/A588M (8) A913/A913M[Gr.50(345)、60(415)或 65(450)] (9) A992/A992M (10) A1011/A1011M HSLAS Gr.55(380) (11) A1043/A1043M 用於柱底板之結構鋼材應符合前述鋼材或 ASTM A283/A283M Gr. D 鋼材規定之一。

(54)

2. 預期材料強度[第 A3.2 節] 美國規範耐震特別規定中規定所要求之元件(構件或構件接合)需求強度，應 由構件或相接構件的預期降伏應力 RyFy決定之。Fy為用於構件鋼材之規定最小 降伏應力，Ry為此材料預期降伏應力與規定最小降伏應力 Fy之比值。在決定此 需求強度之相同構件中，當需要決定極限狀態之標稱強度 Rn時，允許分別使用 預期降伏應力 RyFy與預期拉力強度 RtFu代替 Fy與 Fu。Fu為規定最小拉力強度， Rt為此材料預期拉力強度與規定最小拉力強度 Fu之比值。 表 2.4 列出不同鋼材與鋼筋之 Ry與 Rt值。若由使用近似尺寸與來源之材料， 允許採用依據對該特定鋼材之 ASTM 試驗要求進行試驗所得之其他 Ry 與 Rt值。

(55)

39 表 2.4 鋼材之 Ry與 Rt值適用材料 Ry Rt 熱軋型鋼與鋼棒：  ASTM A36/A36M  ASTM A1043/A1043M Gr.36(250)  ASTM A992/A992M  ASTM A572/A572M Gr.50(345)或 55(380)  ASTM A913/A913M Gr.50(345)，60(415)，65(450)，70(485)  ASTM A588/A588M  ASTM A1043/A1043M Gr.50(345)  ASTM A529 Gr.50(345)  ASTM A529 Gr.55(380) 1.5 1.3 1.1 1.1 1.1 1.1 1.2 1.2 1.1 1.2 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.2 1.2 結構中空斷面型鋼(HSS)：

 ASTM A500/A500M Gr.B、A501/A501M

 ASTM A500/A500M Gr.C  ASTM A53/A53M  ASTM A1085/A1085M 1.4 1.3 1.6 1.25 1.3 1.2 1.2 1.15 鋼板：  ASTM A36/A36M  ASTM A1043/A1043M Gr.36(250)

 ASTM A1011/A1011M HSLAS Gr.55(380)

 ASTM A572/A572M Gr.42(290)

 ASTM A572/A572M Gr.50(345)，Gr.55(380)、A588/A588M

 ASTM A1043/A1043M Gr.50(345) 1.3 1.3 1.1 1.3 1.1 1.2 1.2 1.1 1.1 1.0 1.2 1.1 3. 斷面寬厚比限制[第 D1.1 節] 依據美國規範耐震特別規定第 D1.1 節規定，地震力抵抗系統中抗彎構架、斜撐構架與剪力牆的構件，應遵守美國規範與本節的規定。在設計地震力下，預

(56)

期產生非線性變形之地震力抵抗系統特定構件，為下述所指之中等韌性構件或高韌性構件。中等韌性或高韌性的鋼構件斷面，其翼板與腹板的接合應連續。對於指定為中等韌性構件者，其受壓肢材寬厚比不得超過表 2.5 中之𝜆md值。對於指

定為高韌性構件者，其受壓肢材寬厚比不得超過表 2.5 中之𝜆hd值。

鋼耐震間柱結構系統設計準則與性能評估方法研擬

耐

震

間

柱

結

構

系

統

設

計

準

則

與

性

能

評

估

方

法

研

擬

內

政

部

建

築

研

究

所

協

同

研

究

資

料

蒐

集

分

析

報

告

(1

09

年

度

)