特殊處理梁柱接頭之鋼骨結構耐震性能探討
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(2) 目 表 圖 摘. 次. ﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍ II ﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍ III ﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍ IV. 次 次 要. 第一章 緒論.............................................................................................................................. 1 第一節. 研究緣起與背景................................................................................................ 1. 第二節. 研究內容............................................................................................................ 1. 第三節. 研究方法............................................................................................................ 2. 第四節. 預期成果............................................................................................................ 2. 第二章 相關法規中對於鋼骨結構梁柱接頭的規定.............................................................. 3 第一節. 建築技術規則構造篇........................................................................................ 3. 第二節. 鋼結構容許應力設計法規範及鋼結構極限設計法規範................................ 3. 第三節. 建築物耐震之性能目標.................................................................................... 4. 第四節. FEMA-350 有關梁柱接頭的規定 .................................................................... 6. 第三章 各類梁柱接頭設計條件.............................................................................................. 8 第一節. 梁柱接頭性能評估需決定塑鉸的彎矩............................................................ 8. 第二節. 決定塑鉸位置的剪力........................................................................................ 9. 第三節. 決定每一臨界斷面的強度需求........................................................................ 9. 第四節. 降伏彎矩.......................................................................................................... 10. 第五節. 具有專利的梁柱接頭...................................................................................... 11. 第四章 梁柱接頭塑鉸形成機制探討.................................................................................... 13 第一節. 有關構件塑鉸形成的模擬.............................................................................. 13. 第二節. 模型建立.......................................................................................................... 14. 第五章 實測過程.................................................................................................................... 16 第一節. 傳統梁柱接頭.................................................................................................. 16. 第二節. 切削式梁柱接頭.............................................................................................. 20. II.
(3) 第三節. 具有支撐桿件的梁柱接頭.............................................................................. 21. 第六章 梁柱接頭塑性轉角分析............................................................................................ 32 第一節. 梁柱接頭塑鉸對梁桿件撓曲之影響.............................................................. 32. 第二節. 塑性轉角之比較.............................................................................................. 32. 第七章 結論及建議................................................................................................................ 35 第一節. 結論.................................................................................................................. 35. 第二節. 建議.................................................................................................................. 35. 參 考 文 獻............................................................................................................................ 36. III.
(4) 表 次 表一、 完全束制接頭鋼造抗彎構架之構材模擬參數與性能水準要求.............. 5 表二、傳統梁柱接頭側推步驟、位移及基底剪力（彎矩容量未減弱）.......... 18 表三、傳統梁柱接頭側推步驟、位移及基底剪力（彎矩容量減弱）.............. 19 表四、切削式梁柱接頭側推步驟、位移、基底剪力及預期發生塑鉸位置之狀態 .......................................................................................................................... 23 表五、具有支撐桿件構架側推分析，側推步驟、位移、基底剪力及預期發生塑 鉸位置之狀態.................................................................................................. 27 表六、具有支撐桿件構架（支撐桿件為 300x90 槽鋼）側推步驟、位移、基底 剪力及預期發生塑鉸位置之狀態.................................................................. 29 表七、具有支撐桿件構架（支撐桿件為 380x100 槽鋼）側推步驟、位移、基底 剪力及預期發生塑鉸位置之狀態.................................................................. 30. IV.
(5) 圖 次 圖一、. 結構耐震性能設計之性能層級................................................................ 4. 圖二、. 構架塑鉸離開接合面之變形.................................................................... 7. 圖三、. 塑角的形成的位置.................................................................................... 8. 圖四、. 塑鉸位置剪力計算範例............................................................................ 9. 圖五、. 計算臨界斷面的強度需求...................................................................... 10. 圖六、. 添加側版梁柱接頭（摘自 FEMA350）................................................ 12. 圖七、. 腹板開槽梁柱接頭（摘自 FEMA350）................................................ 12. 圖八、. ATC-40 模擬塑鉸的方法 ........................................................................ 13. 圖九、. SAP2000 預設鋼結構 P-M-M 塑鉸性質 ................................................ 14. 圖十、. SAP2000 預設性能標示........................................................................... 15. 圖十一、 構架側推變形形狀 ............................................................................... 16 圖十二、 傳統梁柱接頭構架側推圖.................................................................... 17 圖十三、 切削式梁柱接頭切削尺寸.................................................................... 21 圖十四、 具有支撐之梁柱接頭桿件撓曲型式及彎矩......................................... 24 圖十五、 具有支撐桿件之梁柱接頭.................................................................... 25 圖十六、 具有支撐桿件構架彎矩........................................................................ 26 圖十七、 各種梁柱接頭構架側推圖.................................................................... 31 圖十八、 塑鉸長度及撓曲模式............................................................................ 33. V.
(6) 摘. 要. 關鍵字： 樑柱接頭、脆性破壞、韌性、塑性轉角 近幾年發生的地震災害中包括美國 1994 年北嶺地震及日本 1995 年神 戶地震鋼骨結構樑柱接頭大量破壞，究其原因，桿件接合處往往是結構最 脆弱處，但銲接施工品質比較難以控制。結構承受地震時，應力又集中在 桿件接合處，由於連結之柱變形，使得設計上應僅承受撓曲應力的樑翼版 又需承受甚強的剪應力，而因銲道強度不足或熱影響，產生脆性破壞。 鋼骨結構解決傳統樑柱接頭韌性不足的方法，目前通常有兩類。一 為加勁式樑柱接頭，藉提高樑柱接頭處的彎矩強度，以使塑性鉸的發生位 置外移至加勁構件外側；另一為減弱式樑柱接頭，藉減少部分樑翼版之斷 面，使塑性鉸發生於此強度減弱區。 本研究探討現有特殊處理之梁柱接頭設計，針對特殊處理之梁柱接 頭，探討桿件抗彎矩能力，及應力達到塑性時之行為，其中包括桿件之塑 性轉角及發生位置之探討。並探討採用特殊處理之梁柱接頭之分析方法， 檢查設計的強度、位移的方式。. VI.
(7) ABSTRACT Key Word: beam-to-column connections, brittle fractures, ductility, plastic hinge It is found in earthquake disasters happening in recent years that a structure at joints of members thereof or in the vicinities of the joints occurs phenomena of brittle fractures. For instance, beam-to-column connections of the steel structure are damaged seriously in earthquakes of Northridge, U.S. in 1994 and Kobe, Japan in 1995. It is found out from investigation of these two earthquakes that joints of members are weakest points of a structure and the quality of welding job is hard to be controlled. When the structure is subjected to an earthquake, stress concentrates at the joints of the members and it results in connected columns being deformed such that flanges of the beams are subjected to extremely strong shear forces in addition to being subjected to original designed flexural stress. Thus, it generates the brittle fractures, which are caused by inadequate strength of welding or effect of heat due to welding. In order to avoid brittle fractures, a principle of structural design is applied and the principle is featured in that uniform material stress at a spot of maximum bending moment can be obtained during load increasing on a member. In this way, the member yields after the stress exceeding elastic strain zone and the yielding location is an area instead of a spot so that ductility of the member can be increased and the area is called plastic hinge. In this paper, the special Beam-Column connections were investigated. Concentrated on moment resistant capability and the behavior of member such as the position of plastic hinge and its capability when stress pass yield point. A method had been developed to analyze the progress of plastic hinge.. VII.
(8) 第一章 緒論 第一節 研究緣起與背景 近幾年發生的地震災害中包括美國 1994 年北嶺地震及日本 1995 年神 戶地震鋼骨結構樑柱接頭大量破壞，究其原因，桿件接合處往往是結構最 脆弱處，但銲接施工品質比較難以控制。結構承受地震時，應力又集中在 桿件接合處，由於連結之柱變形，使得設計上應僅承受撓曲應力的樑翼版 又需承受甚強的剪應力，而因銲道強度不足或熱影響，產生脆性破壞。 對於避免脆性破壞的發生，結構設計的原則為當桿件載重增加，造 成最大彎矩處，材料應力平均，如此在應力超過彈性應變區而降服，範圍 不是集中在一處而為一區域，增加桿件的韌性，此區域稱之為塑性鉸。鋼 骨結構解決傳統樑柱接頭韌性不足的方法，目前通常有兩類。一為加勁式 樑柱接頭，藉提高樑柱接頭處的彎矩強度，以使塑性鉸的發生位置外移至 加勁構件外側；另一為減弱式樑柱接頭，藉減少部分樑翼版之斷面，使塑 性鉸發生於此強度減弱區。加勁式樑柱接頭並不能改善應力集中在接頭的 問題，銲接品質控制的問題也未能改善。減弱式樑柱接頭造成桿件斷面減 少，因此需要用到更大斷面的桿件。減弱式梁柱接頭的特色在於減少部分 梁翼板之斷面，使塑性鉸發生於預期之位置，FEMA 351 所列減弱式梁柱接 頭包括有下列各種型式：等斷面平行切削式梁柱接頭，漸變斷面切削式梁 柱接頭，弧形切削式梁柱接頭，以及鑽孔式梁柱接頭。 本研究探討現有特殊處理之梁柱接頭設計，針對特殊處理之梁柱接 頭，探討桿件抗彎矩能力，及應力達到塑性時之行為，其中包括桿件之塑 性轉角及發生位置之探討。並探討採用特殊處理之梁柱接頭之分析方法， 檢查設計的強度、位移的方式。. 第二節 研究內容 1. 文獻蒐集範圍包括相關研究、規範探討： y 鋼骨結構在非彈性狀態下之行為 y 現有建築法規對於鋼骨結構韌性及接頭的規定 1.
(9) y 相關規範對於梁柱接頭在地震力下結構行為的模擬方法 y 梁柱接頭設計步驟及細部規定 2. 建立模型，以相關規範設計一單跨構架，接頭分別為傳統及特殊處理梁 柱接頭，探討： y 鋼骨結構採用特殊處理接頭之規定 y 鋼骨結構特殊處理接頭桿件之設計 3. 以側推分析探討： y 鋼骨結構傳統及特殊處理梁柱接頭桿件塑鉸形成機制 y 桿件之塑性行為探討及塑性轉角求取方法. 第三節 研究方法 從相關法規中蒐集鋼骨結構梁柱接頭接合細則的規定，設計標準、 規範及其建議基準值。分析鋼結構桿件承受彎矩，梁柱接頭塑性轉角容量， 探討以分析決定梁柱接頭塑性轉角的方法。 應用相關規範之設計規定建立單跨模型，以模型模擬接頭在構架承 受側向力時，接頭型式分別採用傳統梁柱接頭、切削式梁柱接頭及特殊梁 柱接頭，探討塑鉸形成機制。以 SAP2000 軟體分析構架側推過程中，梁桿 件中預設的塑鉸發生位置材料達到之性能點連帶變化。. 第四節 預期成果 1. 發展一套評估特殊處理之梁柱接頭在地震力作用下，分析彎矩及轉角相 對應關係的方法。 2. 驗證梁柱接頭特殊處理之鋼骨結構之耐震性能。 3. 研究成果可轉為性能設計程序之實質文件，將可納入未來規範或實務 中。也可構成設計及分析之技術基礎，將對於新建、既有建築及建築補 強均可採用。. 2.
(10) 第二章 相關法規中對於鋼骨結構梁柱接頭的規定. 第一節 建築技術規則構造篇 建築技術規則構造篇第一章第五節耐震設計規定： 「建築構造物在中 度地震時應保持在彈性限度內。但在大地震時得容許產生塑性變形，其韌 性需求不得超過容許韌性容量。」就梁桿件而言，從北嶺地震發現鋼骨結 構傳統梁柱接頭發生脆性破壞，顯示過去認為傳統梁柱接頭有良好韌性容 量，需要修正。. 第二節 鋼結構容許應力設計法規範及鋼結構極限設計法規範 鋼結構設計規範對於接合細則規定： a.梁柱接頭所需塑性轉角（θP）應以下述三規定之一決定之： 1)0.03 弧度。 2)非線性動力分析所得之最大塑性轉角加上 0.005 弧度。 3)θP=1.1(R-1.0) θE 其中 R = 結構系統韌性容量 θE = 在設計地震力 E 作用下之最大層間變位角 b.梁柱接頭所能提供的塑性轉角應以下列方式之一決定之： 1)反復載重試驗 2)過去所進行過的破壞試驗 3)梁翼版不超過 45mm，可以分析或計算經公正之第三者審查。 塑性轉角係顯示梁柱接頭韌性容量的主要指標，本研究將以靜力分 析探討設計計算梁柱接頭塑性轉角的方法。. 3.
(11) 第三節 建築物耐震之性能目標 結構分析係基於結構基本原則包括：平衡、穩定、形狀相容及材料 特性。在建築技術規則建築構造篇規定建築構造須依業經公認通用之設計 方法，予以合理分析，並依所規定之需要強度設計之。而建築物構造各構 材之強度，須能承受靜載重與活載重，並使各部構材之有效強度，不低於 建築構造編所規定之設計需要強度。除垂直載重外，須設計能以承受風力 或地震力或其他橫力。此種規定實為功能性之聲明，唯就性能法規的完整 架構而言，尚缺性能規定。現代結構規範對於結構性能規定在最不利的載 重組合包括可能導致漸進倒塌之載重組合，結構保持安全與使用在可接受 層級，結構耐震性能設計之性能層級如圖一。 建築性能層級. 地表加速度層級. 操作性. 立即使用. 生命安全. 接近破壞. 經常發 生地震 50%50yr 設計地 震. 最大地 震2%50yr. 圖一、 結構耐震性能設計之性能層級 在建築物耐震性能設計法之性能目標與相關項目研究中，訂定完全 束制接頭鋼造抗彎構架之構材模擬參數與性能水準要求如表一：. 4.
(12) 表一、 完全束制接頭鋼造抗彎構架之構材模擬參數與性能水準要求 模擬參數. 性能水準要求 殘餘強. ∆ / ∆y. 梁構材. b 52 < 2t f Fye. b 92 > 2t f Fye. d. 度比. e. 次要構材. 主要構材 ∆ / ∆ y. ∆ / ∆y. c. EL. LS. CP. LS. CP. 7. 10. 0.6. 1. 5. 7. 7. 10. 3.5. 5.0. 0.2. 1. 2.5. 3.5. 3.5. 4.5. 7. 10. 0.6. 1. 5. 7. 7. 10. 3.0. 5.0. 0.2. 1. 2.5. 3.0. 3. 4. 52 b 92 ≤ < Fye 2t f Fye 線性內插求值 柱構材 對 P / Pye < 0.2. b 52 < 2t f Fye b 92 > 2t f Fye 52 b 92 ≤ < Fye 2t f Fye 線性內插求值 柱構材 對 0.2 ≤ P / Pye < 0.5. 0.072(1- 0.10(1-1. 0.2. 0.0. 1.7P/Pye) .7P/Pye). 0.042(1- 0.060(11.7P/Pye) 1.7P/Pye). b 52 < 2t f Fye. 5. 0.019. 0.031.
(13) 92 b > 2t f Fye. 1.7. 2.0. 0.2. 1. 1.5. 1.7. a. b. c. 0.04. 0.06. 0.80. 0.0. 0.025. 0.2. 0.0. 0.035-0. 0.035-0.. 1.7. 2.0. b 52 92 ≤ < Fye 2t f Fye 線性內插求值. 梁柱腹板交會區. EL. LS. CP. 0.04. LS. CP. 0.04. 0.06. 0.017. 0.025. 0.010. 0.013. 接合 梁柱腹板交會區未降 伏. 0.043-0. 0.043-0. 0009db. 0009db. 0.009 0.017 0.40 0.0 資料摘自建築物耐震性能設計法之性能目標研究 與相關項目研究 EL:彈性極限階段 LS:生命安全無慮 CP:建物不致崩塌 梁柱腹板交會區降伏. 0008db. 0008db. 0.005. 0.007. 第四節 FEMA-350 有關梁柱接頭的規定 FEMA-350 提供採用抗彎矩構架新建建築物設計施工的設計標準、規 範及其建議基準值。對於梁柱接頭特殊處理之設計程序： y 選擇結構系統及形狀 y 選擇初步的尺寸及性能分析 y 選擇接頭型式 y 考慮接頭效應、修正分析 y 確認桿件尺寸 y 完成接頭設計 與傳統設計程序比較，主要的不同為第 4 步第 6 步，過去的方法除 了在梁柱交會區效應外，並未考量接頭形式效應。當進一步探討，新式接 頭形狀將分析結果有重大影響。尤有進者，梁柱接頭設計在以前通常採用 「慣用接頭」而不太花功夫。FEMA-350 規定「構架應以比例繪出詳圖」 ，構 6.
(14) 架中特定位置經由彈性變形及塑鉸的發展結合，得到需要的層間變位角。 此點與過去的設計方法大相逕庭，過去假設塑鉸就發生在接合面上，修正 的方法如圖二，經由彈性變位及在預設位置發展的塑鉸提供需要的層間變 位角。 各種接頭型式的塑鉸位置已記載於預先審查(Prequalified)資料中，當 塑鉸位置求得，必須決定塑鉸將發展的最大彎矩以決定其應力，而完成設 計。. 構架未 變形前 h. 構架變形 後形狀. 塑性鉸 偏移角Θ. Ｌ′ Ｌ. 圖二、 構架塑鉸離開接合面之變形. 7.
(15) 第三章 各類梁柱接頭設計條件 結構耐震分析應能依據規範規定的地表加速度及載重基準，決定力 及位移分佈。分析至少應完成規範規定的側向載重方法或反應譜方法。. 第一節 梁柱接頭性能評估需決定塑鉸的彎矩. 梁深度—ｄ. 圖三顯示切削斷面及加勁式接頭塑鉸形成的位置。 “Sh” 塑性 鉸. “Sh” 加勁式接 頭. Ｌ′. 粱切削斷 面 L. 圖三、 塑角的形成的位置 FEMA350 建議塑鉸位置 Sh 為： Mpr = CprRyZeFy 其中 Mpr 為塑鉸彎矩峰值 Cpr 為計算接頭強度峰值係數，包括應變硬化、局部束縛、補強及其 他接頭條件。 Ry 為 1997 AISC 耐震設計規範之係數 Ze 為塑鉸位置有效塑性斷面模數 Fy 為桿件材料降伏強度 Fu 為桿件材料抗張強度 8.
(16) 對於塑鉸位置不在梁中段，對於經由試驗確認的降伏機制，考慮降 伏桿件材料之差異塑鉸強度應加以計算。FEMA350 也列出對於預先審查的 接頭，決定各種動作機制降伏強度的計算方法。. 第二節 決定塑鉸位置的剪力 塑鉸位置的剪力應考慮作用於梁桿件的垂直載重由靜力方法決定， 梁桿件介於塑鉸之間的自由圖是一項求得各塑鉸位置剪力有用的工具。 FEMA350 提供補強式梁柱接頭塑鉸位置剪力計算範例如圖四。 L/2 塑鉸. P. 加勁式接 頭 Sh. Ｌ′. L. P. VA W. Mpr. Mpr. A. Ｌ′. VP. 對於A點之彎矩總和為0 Vp =. Mpr+Mpr+PL`/2+WL`2/2 L`. 圖四、 塑鉸位置剪力計算範例. 第三節 決定每一臨界斷面的強度需求 設計接頭的程序以構成完整接頭包括不同版厚、螺栓及銲接接合， 需要決定每一臨界斷面的剪力及彎矩強度需求。需求可以用自由圖計算介 於臨界斷面及塑鉸的部分接頭。 FEMA350 提供補強式梁柱接頭兩處臨界斷 面計算步驟如圖五。每一不同的接頭其臨界斷面會有差異，通過梁翼版及 9.
(17) 柱連接位置的垂直面通常界定是至少要列入的臨界斷面，第二個臨界斷面 位於柱之中心線。計算此位置的彎矩以核算「強柱弱梁」及「梁柱交會區」 剪力狀況。其他臨界斷面因接頭型式而須分別考量。. 塑鉸. 塑鉸. Mf. Mpr. Mc. Mpr. VP. x. dc Mf = Mpr + Vpx. x+dc/2. VP. Mc = Mpr + Vp(x+dc/2). 臨界斷面位於柱面. 臨界斷面位於柱中心線. 圖五、 計算臨界斷面的強度需求. 第四節 降伏彎矩 FEMA350 對於一些已預審之接頭設計程序要求與柱接合位置為開始 形成塑鉸處彎矩 Myf 可由下式決定： Myf = CyMf 其中：. Cy =. 1 Z C be pr S b. Cpr = 接頭最大強度係數 Sb = 梁位於塑鉸區域之彈性斷面模數 Zbe =梁位於塑鉸區域之有效塑性斷面模數 10.
(18) 第五節 具有專利的梁柱接頭 有幾種專利的梁柱接頭並未列入 FEMA350 預審接頭，但是已經過相 關單位評估認為可用於特定工程或一般應用。 1.添加側版梁柱接頭 添加側版梁柱接頭（Side Plate）如圖六所示，柱翼版表面與梁端並未 接觸，消除梁柱接頭軸應力集中。柱與梁藉由兩邊超過梁深的平行側版結 合，側版增加了勁度並減少梁柱交會區變形。當尺度需要時，上下翼版可 添加蓋版。 此接頭已經過加州大學 Charles Lee Powell 結構實驗室作全尺寸反復 載重試驗，此外猶他大學也作了非線性分析之單獨驗證。 對此接頭系統所作單獨審查有：ICBO 評估服務機構以其鋼構架接頭 系統品質評估服務基準(ICBO ES Acceptance Criteria for Qualification of Steel Moment Frame Connection SystemsAC 129-R1-0797)，以及洛杉磯市工程研究組。 2.腹板開槽梁柱接頭 腹板開槽梁柱接頭（Slotted Web Connection）如圖七所示，此接頭形似 北嶺地震前常用之現場銲接－螺栓接合梁柱抗彎矩構架接頭。從地震後調 查接頭損壞、破裂模式、審查測試文件及作原型試驗（Protocol Test） ，SEAOC 之結論為：北嶺地震前之接頭有基本之缺失，不應再用於新建耐震彎矩構 架建築物。隨後對北嶺地震前接頭作的有限元素分析及 ATC24 測試資料顯 示，水平方向橫過且涵括整個梁翼版及與柱接合的銲接部分發生鉅大應力 及應變梯度。鉅大應力梯度造成撬起彎矩作用於梁翼版，導致梁翼版及銲 接開裂以、柱翼版掀起及接頭破壞。研究同時顯示北嶺地震前之接頭大部 分的構件（通常為 50﹪） ，垂直的梁剪力及所有梁彎矩係由梁翼版或銲接所 承擔。 此接頭之特色為：1. 將接頭區域之梁翼版與梁腹版分開 2.將梁腹版 銲在柱翼版上，分布於現場銲接－螺栓接合接頭之力、應力及應變有大幅 改變。在梁翼版或銲接部分垂直的梁剪力，從 50﹪減少至 3﹪。. 11.
(19) 圖六、 添加側版梁柱接頭（摘自 FEMA350）. 圖七、 腹板開槽梁柱接頭（摘自 FEMA350）. 12.
(20) 第四章 梁柱接頭塑鉸形成機制探討 梁柱接頭在非彈性反應下之模式可以用一簡單的自由體圖形作分 析，在 ATC-402 對鋼筋混凝土梁桿件作塑鉸形成之分析。一般而言，鋼筋混 凝土梁桿件彎矩強度沿跨度而異，從而影響非彈性反應之發展。塑鉸形成 機制可檢視單一桿件而得知。圖八所示，以一般方法可求得梁桿件彎矩強 度（虛線表示） 。最初假設塑鉸位在桿件兩端，因此塑性彎矩容量指定於桿 件兩端。當繪出靜力彎矩圖時，在跨度中發現彎矩超過其容量，如圖八 b 所示，因此修正塑鉸發生位置如圖八 c。. E. E. G. a 梁跨及載重. G = 自重. 梁 柱. E. E. E=. 地震載重 塑鉸位置. b 最初假設. c 修正塑鉸. 圖八、 ATC-40 模擬塑鉸的方法. 第一節 有關構件塑鉸形成的模擬 ATC-40 或 FEMA273/274 中皆針對結構物之整體性能水準(如層間變位 角)及構材之性能水準(梁柱之塑性轉角)給予定量及定性之描述與規定。針對 梁柱接頭所關注的結構局部反應，ATC-40 提出建立模型規則(Modeling Rules)，對於桿件除了提出勁度、強度及變位限制，規定柱梁及接合應能反 應變位之控制及破壞模式。梁可以發展彎矩、剪力非彈性反應，其方式為 作出梁桿件承受重力及側向力自由體圖，起初設定塑鉸位置在兩端，另外 13.
(21) 作出桿件彈性抗彎矩強度（ATC-40 探討標的為鋼筋混凝土結構，因此桿件 抗彎矩強度沿桿件因配筋而不同） ，當桿件彎矩超過抗彎矩強度，模型將修 正為把發生彎矩超過抗彎矩強度的位置設為塑鉸。 FEMA273/274 提供四種耐震設計分析程序，線性靜力程序(LSP)、線性 動態程序(LDP)、非線性靜力程序(NSP)及非線性動態程序(NDP)。並提出一個 近似的正規化力－位移曲線作為鋼結構抗彎構架及斜撐構架桿件分析之 用，此一曲線容許修正加上假設 3%彈性斜度的應變硬化。. 第二節 模型建立 本研究以一單跨構架採用不同的梁柱接合方式，探討其在受到側向 力時，結構的行為，評估接合方式對結構性能的影響。包括預期發生塑鉸 的情況、構架位移與側向力的關係以及構架的破壞機制。模擬構架跨距 9.35 公尺高 7 公尺，柱腳為固定端(Fixed Ended)，柱桿件採用 500x500 箱型柱 3.2cm 鋼板，梁桿件採用 488x300H 型鋼施以側向力於構架上梁柱接合處，利用 SAP2000 有限元素接構分析軟體以側推方式比較構架採用三種梁柱接頭，1. 一般梁柱接頭 2.切削式梁柱接頭 3.具有支撐桿件的梁柱接頭，梁桿件形成塑 鉸的模式。SAP2000 側推分析可設定構架桿件塑鉸位置，再設定側推位移目 標，本例採用 50cm，從側推過程中，觀察塑鉸形成的模式。SAP2000 對於 鋼結構抗彎矩塑鉸已內建資料，如圖九。 C B. My. D. Θy. 張力. A. 壓力. E. Θy My. 圖九、 SAP2000 預設鋼結構 P-M-M 塑鉸性質 預設之塑鉸性質為： 14.
(22) B 點及 C 點斜度取 3﹪的應力硬化 構件在彈性範圍之轉角係依 FEMA 273 之公式求得，其中有關梁桿件 為 θy =. ZFyel b 6EI b. Fye 為材料預期降伏強度，lb 為桿件長度，C 點及 D 點係基於 FEMA-273 表 5.4 其條件為 b 2t f. 136. <. F ye. (S.I.制). P-M-M 曲線為對於 M3（主要彎矩）且認定與軸方向彎矩的定義相關 的彎矩曲線相同。經由彎矩轉換為轉角，求得側推後之位移。對於不同性 能點 SAP2000 預設標示如圖十包括：A、B、IO、LS、CP、C、D、E。其中性 能基準（塑性位移除以比例係數）IO、LS、CP 分別為 2、4、6。. C. 側向載重. B. A. IO. LS. CP D. 側向位移 圖十、 SAP2000 預設性能標示. 15. E.
(23) 第五章 實測過程 第一節 傳統梁柱接頭 構架側推結果可以變形形狀顯示(Display-Show Deformed Shape)如圖十 一，彎矩容量未減弱時，側推至梁端性能點達到 C 點（力-位移曲線突降點） ， 側推力急速降低，緊接著柱桿件也超過 C 性能點，構架崩塌突然發生，與 結構強柱弱梁的原則並不相符。另外從過去地震鋼骨結構樑柱接頭破壞的 現象，判斷樑柱接頭其可能在材料未達極限應力時即已構成脆性破壞，因 此將預設的 P-M-M 值調整，降低塑鉸塑性彎矩容量，構架側推力在未達原 先值，在接合處性能點 C 即已發生，而距離柱破壞仍有一段位移量。另外 值得注意的是，當梁桿件兩端性能點均超過 E，構架基底剪力以相同比率升 高，構架抵抗側推力完全倚靠構架柱，直到柱性能值均超過 E，而結構崩塌。. 圖十一、. 構架側推變形形狀. SAP2000 可將側推之基底剪力與層間位移圖繪出，也可將其數值資料 讀出側推步驟、位移、基底剪力及預期發生塑鉸位置之狀態如表二，再作 處理。另外考量傳統梁柱接頭在地震時梁桿件兩端未能達到預期韌性（視 接頭處理情形而定） ，因此將彎矩容量減弱，再作構架側推分析，側推步驟、 16.
(24) 位移、基底剪力及預期發生塑鉸位置之狀態如表三。分別比較傳統梁柱接 頭梁桿件兩端彎矩容量未減弱及減弱之側推結果，將擷取之數值資料以 Excel 套裝軟體繪出構架側推變形形狀（如圖十二） 。 130. 基底剪力 1000Kg. 110 90 70 50 30 10 -10 0. 10. 20. 30. 層間位移. cm. 40 50 彎矩容量未減弱 彎矩容量減弱. 圖十二、. 傳統梁柱接頭構架側推圖. 17.
(25) 表二、傳統梁柱接頭側推步驟、位移及基底剪力（彎矩容量未減弱） SAP2000 v7.40 File: FRAMEB5X Kgf-cm Units. PAGE 1. 11/11/04 19:05:34. 內政部建築研究所. PUSHOVER. CURVE. Pushover Case PUSH2 Step Disp. Base Force A-B B-IO IO-LS LS-CP CP-C. C-D. D-E. >E TOTAL. 0. 0.0000. 0.0000. 6. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 1. 5.0000. 67361.8750. 6. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 2. 5.7150. 76994.3125. 4. 2. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 3. 8.3988. 98291.9531. 3. 3. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 4. 8.5524. 98940.5313. 2. 4. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 5 13.5524 101705.7500. 2. 4. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 6 18.5524 104470.9688. 2. 0. 4. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 7 23.5524 107236.1953. 2. 0. 4. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 8 28.5524 110001.4297. 2. 0. 4. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 9 33.5524 112766.6641. 2. 0. 4. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 10 38.5524 115531.9063. 2. 0. 0. 4. 0. 0. 0. 0. 6. 11 41.6741 117258.3516. 2. 0. 0. 2. 0. 2. 0. 0. 6. 12 41.6739. 47548.9297. 2. 0. 0. 2. 0. 0. 2. 0. 6. 13 43.7402. 52624.9219. 2. 0. 0. 2. 0. 0. 1. 1. 6. 14 43.7404. 34743.1484. 2. 0. 0. 2. 0. 0. 1. 1. 6. 15 43.8091. 35286.5117. 2. 0. 0. 2. 0. 0. 1. 1. 6. 16 43.8963. 35500.7773. 2. 0. 0. 2. 0. 0. 0. 2. 6. 17 43.8968. 17936.8848. 2. 0. 0. 2. 0. 0. 0. 2. 6. 18 47.2710. 26226.3242. 2. 0. 0. 2. 0. 0. 0. 2. 6. 19 49.9990. 26510.9063. 2. 0. 0. 2. 0. 0. 0. 2. 6. 18.
(26) 表三、傳統梁柱接頭側推步驟、位移及基底剪力（彎矩容量減弱） SAP2000 v7.40 File: FRAMEB5Y Kgf-cm Units PAGE 1 11/12/04 15:02:01. 內政部建築研究所. PUSHOVER. CURVE. Pushover Case PUSH2 Step Disp. Base Force. A-B B-IO IO-LS LS-CP CP-C. C-D. D-E. >E TOTAL. 0. 0.0000. 0.0000. 6. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 1. 5.0000. 67361.8750. 6. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 2. 5.7150. 76994.3125. 4. 2. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 3. 8.3828. 98543.5547. 3. 3. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 4. 8.5362. 99207.0547. 2. 4. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 5 13.5362 102313.5547. 2. 4. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 6 18.5362 105420.0547. 2. 0. 4. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 7 23.5362 108526.5703. 2. 0. 4. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 8 28.5362 111633.0938. 2. 0. 4. 0. 0. 0. 0. 0. 6. 9 30.2303 112685.6563. 2. 0. 2. 0. 0. 2. 0. 0. 6. 10 30.2301. 79743.1953. 2. 0. 2. 0. 0. 0. 2. 0. 6. 11 31.5856. 90190.8203. 2. 0. 2. 0. 0. 0. 2. 0. 6. 12 33.3667. 90978.6016. 2. 0. 2. 0. 0. 0. 0. 2. 6. 13 33.3672. 84394.4688. 2. 0. 2. 0. 0. 0. 0. 2. 6. 14 33.6378. 86479.9219. 2. 0. 2. 0. 0. 0. 0. 2. 6. 15 38.6378. 88694.6250. 2. 0. 0. 2. 0. 0. 0. 2. 6. 16 43.2693. 90746.1016. 2. 0. 0. 0. 0. 2. 0. 2. 6. 17 43.2698. 30212.5000. 2. 0. 0. 0. 0. 0. 2. 2. 6. 18 45.0890. 30212.5059. 2. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 4. 6. 19 45.0895. -244.7678. 2. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 4. 6. 20 49.9993. -244.7519. 2. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 4. 6. 19.
(27) 第二節 切削式梁柱接頭 切削式梁柱接頭藉減少部分樑翼版之斷面，使塑性鉸發生於此強度 減弱區。依 FEMA 350 切削方式設計切削式梁柱接頭如圖十三： 設計步驟為： 決定梁翼板切削長度及位置 a≒ (0.5 to 0.75)bf a = 0.65 bf = 30x0.65 = 19.5， 用 20cm b ≒ (0.65 to 0.85) b = 0.75db = 0.75x50 = 37.5， 用 38cm 決定梁翼板切削深度 c 設 c = 0.20 bf = 0.2x30 = 6cm 計算 ZRBS 桿件切削後之截面模數 Sx = 1814 cm3 ，Zx= 2085 cm3 計算 Mf， 設 Cpr = 1.15 (FEMA 350 Sec. 3.2.6, Fig 3-4) 可能塑鉸彎矩 Mpr =CprRyZbFy 接頭強度折減係數 Cpr =(Fy+Fu)/2Fy Cpr =1.15, Ry= 1.1（依據 AISC1997）, Zb= Zx =2085 cm3, 由於桿件上無載重， Mf = Mpr =CprRy Zx Fy = 69.66TonM 依照上述計算設計桿件，構架側推結果其數值資料讀出側推步驟、 位移、基底剪力及預期發生塑鉸位置之狀態如表四，以變形形狀顯示，第 20.
(28) 一步側推切削處斷面即降伏(B-IO)，而且降伏點從接近梁柱接合處的最大切 削處開始降伏，第二步側推時離梁柱接合處較遠的最大切削處也開始降伏 (B-IO)，原先降伏處抗彎矩強度極劇下降(C-D)。第三步側推起，接近梁柱接 合處的最大切削處性能值已超過 E，離梁柱接合處較遠的最大切削處性能保 持在 IO-LS，顯示側向力全由柱承擔。. 柱. 梁 Radius=(4c2+b2)/8c. a. C 彎矩容量 L. b c. 需求彎矩 Lp 圖十三、. L 切削式梁柱接頭切削尺寸. 第三節 具有支撐桿件的梁柱接頭 此梁柱接頭已取得我國發明專利，其概要係在結構抗彎矩接合附 近，支撐桿件之一端依附於被支撐桿件（通常為梁桿件） ，另一端與被支撐 桿件共同以抗彎矩接合與連結桿件（通常為柱桿件）結合，形成構架。當 結構承受載重，被支撐桿件因受彎矩產生撓曲，在受到支撐桿件的支撐後， 支撐桿件及被支撐桿件彼此產生相對的作用力，第十四 a 圖所示自被支撐 21.
(29) 桿件端點 A、B 作之桿件撓曲線之切線，撓曲線自切線之偏移量為被支撐桿 件在支撐處之位移。第十四 b 圖所示為支撐桿件抵抗被支撐桿件撓曲，支 撐桿件撓曲線形式及支撐桿件所受作用力之反作用力之方向。第十四 c 圖 示支撐桿件抵抗被支撐桿件位移，形成被支撐桿件之彎矩在接合處與支撐 點之間轉折，被支撐桿件在梁柱接合處彎矩為 M，此時支撐桿件承受的彎 矩為 Ms；支撐桿件加上支撐桿件彎矩達到 M+Ms。 圖十五示 H 型鋼梁桿件兩端兩側空間各有一對槽型鋼支撐桿件 (C-250x90)連結被支撐桿件（梁桿件 H-500x300） ，支撐桿件一端與柱作抗彎矩 接合，另一端在支撐位置與被支撐桿件接觸。構架承受彎矩時，被支撐桿 件撓曲，受到支撐桿件抵抗被支撐桿件撓曲作用，被支撐桿件在梁柱接合 面彎矩因而減少。. 22.
(30) 表四、切削式梁柱接頭側推步驟、位移、基底剪力及預期發生塑鉸位置 之狀態 SAP2000 v7.40 File: FRAMED5Y Kgf-cm Units. PAGE 1. 11/11/04 19:06:54. 內政部建築研究所. PUSHOVER. CURVE. Pushover Case PUSH2 Step Displ. Base Force A-B B-IO IO-LS LS-CP CP-C. C-D. D-E. >E TOTAL. 0. 0.0000. 0.0000. 8. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 8. 1. 4.5830. 60255.7031. 6. 2. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 8. 2. 6.4476. 79465.9141. 4. 0. 2. 0. 0. 2. 0. 0. 8. 3. 6.4481. 49553.4180. 4. 0. 2. 0. 0. 0. 0. 2. 8. 4. 9.8263. 75588.4922. 3. 1. 2. 0. 0. 0. 0. 2. 8. 5. 9.9467. 76076.5000. 2. 2. 2. 0. 0. 0. 0. 2. 8. 6 14.9467. 78292.1406. 2. 2. 2. 0. 0. 0. 0. 2. 8. 7 19.9467. 80507.7891. 2. 0. 4. 0. 0. 0. 0. 2. 8. 8 24.9467. 82723.4297. 2. 0. 4. 0. 0. 0. 0. 2. 8. 9 29.9467. 84939.0781. 2. 0. 4. 0. 0. 0. 0. 2. 8. 10 34.9467. 87154.7188. 2. 0. 4. 0. 0. 0. 0. 2. 8. 11 39.9467. 89370.3672. 2. 0. 2. 2. 0. 0. 0. 2. 8. 12 43.3247. 90867.2422. 2. 0. 2. 0. 0. 2. 0. 2. 8. 13 43.3252. 30331.8223. 2. 0. 2. 0. 0. 0. 2. 2. 8. 14 45.1423. 30331.8652. 2. 0. 2. 0. 0. 0. 0. 4. 8. 15 45.1428. -125.4461. 2. 0. 2. 0. 0. 0. 0. 4. 8. 16 50.0000. -125.3346. 2. 0. 2. 0. 0. 0. 0. 4. 8. 23.
(31) 切線偏移 d1. 切線. 桿件撓曲線. 反作用力. A M. 反作用力. M. B 切線偏移. 切線. A 梁桿件撓曲. 切線偏移. 切線. 支撐桿件. 反作用力 A. Ms. Ms. B. 切線偏移 d2 支撐桿件. 反作用力 切線. B 支撐桿件撓曲. Ms M. M. 支撐位置 L2. L1. Ms. C 梁桿件支撐位置及端點彎矩相同 圖十四、. 具有支撐之梁柱接頭桿件撓曲型式及彎矩 24.
(32) -500x500x32 加勁箍. 支撐塊. C-250x90x11x14.5 H-500x300x11x18. 圖十五、. 具有支撐桿件之梁柱接頭. 假設因支撐作用使被支撐桿件從支撐位置至梁柱接合面的彎矩相等，而 此段桿件為等彎矩，其條件可用下述方式求得： 被支撐桿件之切線偏距 d1 = 支撐桿件之切線偏距 d2 d1 = (M‧L12)/(2E‧I1) d2 = (Ms‧L12)/(3E‧I2) I1 為被支撐桿件之慣性距 I2 為被支撐桿件之慣性距 I2 =. 2MsI 3M. 1. Ms M L1 L2 從等比關係 Ms M = L1 L 2. I2 =. 2L1I1 3L 2. 支撐長度取梁長度十分之一 I2 =. I1 = 11825cm 4 6. 11825/2=5913cm4. 25.
(33) 查手冊槽鋼 HxB 250x90mm t1=11mm t2=14.5mm, Ix=4680 cm4, Sx=374cm3, 因此 L1 調整為 L1=(3x4680x2) L2/2=87.56cm, 取 90cm，支撐位置為 115cm 以上述桿件設計構架，當構架頂點承受側向力，彎矩如圖十六，顯示支 撐桿件發揮作用，使被支撐桿件兩端自支撐處至梁柱接合面彎矩趨於一致。. 圖十六、. 具有支撐桿件構架彎矩. 從構架側推過程變形形狀觀察，其側推分析，側推步驟、位移、基底剪 力及預期發生塑鉸位置之狀態如表五，側推第二步時，梁桿件兩端先達到 B-IO 性能點，側推第三步時梁桿件兩端達到 B-IO 性能點，而支撐位置達到 IO-LS 性能點。側推第四步時狀態不變。側推第五步時，梁桿件兩端達到 LS-CP 性能點，而支撐位置達到 C-D 性能點，抗彎矩強度急遽下降。側推 第六步時，一處支撐位置超過性能點 E。然而梁桿件抗彎矩尚未完全用盡， 從側推第七步至側推第十一步梁桿件及支撐桿件設定塑鉸仍朝彎矩轉角較 大的性能點變化，直到梁桿件兩端超過性能點 E。 不同斷面支撐桿件的影響 前例決定支撐位置時，選取較計算結果大的整數值，從側推結果發現梁 桿件兩端先達到 B-IO 性能點，也就是支撐桿件 I 值比可造成梁桿件兩端及 支撐處同時達到 My 的桿件 I 值小。因此另外採用支撐桿件 I 值較大的兩種 26.
(34) 表五、具有支撐桿件構架側推分析，側推步驟、位移、基底剪力及預期發 生塑鉸位置之狀態 SAP2000 v7.40 File: FRAMEC5Y Kgf-cm Units PAGE 1 11/11/04 19:04:28. 內政部建築研究所. PUSHOVER. CURVE. Pushover Case PUSH2 Step Displ. Base Force A-B B-IO IO-LS LS-CP CP-C. C-D. D-E >E TOTAL. 0. 0.0000. 0.0000. 10. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 10. 1. 5.0000. 68803.7734. 10. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 10. 2. 6.8094. 93702.9688. 8. 2. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 10. 3. 7.9524 105436.6016. 5. 5. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 10. 4. 8.1039 106262.6953. 4. 6. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 10. 5 13.2529 113047.7813. 2. 4. 2. 1. 0. 1. 0. 0. 10. 6 13.2609. 82513.8516. 2. 4. 2. 1. 0. 0. 0. 1. 10. 7 13.7539. 87501.4375. 2. 4. 2. 1. 0. 0. 0. 1. 10. 8 15.1991. 95196.0156. 2. 4. 2. 1. 0. 0. 0. 1. 10. 9 15.7442. 96048.7422. 2. 4. 2. 1. 0. 0. 0. 1. 10. 10 15.8898. 96191.0547. 2. 3. 3. 0. 0. 1. 0. 1. 10. 11 15.9150. 70683.2734. 2. 3. 3. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 12 16.1459. 72453.5859. 2. 3. 3. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 13 17.7761. 79013.3594. 2. 2. 4. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 14 22.7761. 81110.7422. 2. 2. 4. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 15 27.7761. 83190.9766. 2. 2. 4. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 16 32.7761. 85281.9922. 2. 2. 4. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 17 37.7761. 87369.8203. 2. 2. 2. 2. 0. 0. 0. 2. 10. 18 42.7761. 89454.4531. 2. 2. 2. 2. 0. 0. 0. 2. 10. 19 43.4030. 89715.4297. 2. 2. 2. 0. 0. 2. 0. 2. 10. 20 43.4035. 29248.8809. 2. 2. 2. 0. 0. 0. 2. 2. 10. 21 45.2195. 29234.1133. 2. 2. 2. 0. 0. 0. 0. 4. 10. 22 45.2200. -1223.5642. 2. 2. 2. 0. 0. 0. 0. 4. 10. 23 50.0322. -1220.8591. 2. 2. 2. 0. 0. 0. 0. 4. 10. 27.
(35) 槽鋼，1. HxB 300x90mm, t1=12mm, t2=16mm, Ix=7870cm4 2. HxB 380x100mm, t1=10.5mm, t2=16mm, Ix=14500cm4，測試斷面強度對於塑 角形成機制的影響。 支撐桿件換成 300x90 槽鋼後，側推分析結果側推步驟、位移、基底剪 力及預期發生塑鉸位置之狀態如表六，顯示在側推第二步時，仍然是梁桿 件兩端先達到 B-IO 性能點，側推第三步時梁桿件兩端及兩處支撐位置均達 到 B-IO 性能點。直至側推第五步時，兩處支撐位置分別達到 C-D 及 LS-CP 性能點，側推第六步時，一處支撐位置性能點超過 E。 支撐桿件換成 380x100 槽鋼，側推分析結果側推步驟、位移、基底剪力 及預期發生塑鉸位置之狀態如表七，側推第二步時，梁桿件兩端及一處支 撐位置達到 B-IO 性能點，側推第三步時，一處支撐位置達到 IO-LS 性能點。 同樣側推第六步時，一處支撐位置性能點超過 E。構架以 300x90 槽鋼或 380x100 槽鋼除了一處支撐位置較早達到 B-IO 性能點，其形成塑鉸機制大 致相同；而側推過程中，顯示一旦梁桿件支撐位置彎矩超過 My，其塑鉸發 展性能點迅速超過 E，而兩端與柱接合位置皆僅達到 LS-CP 性能點。此結 果與支撐桿件採用 250x90mm 槽鋼相比，原設計支撐位置性能點超過 E 時， 兩端與柱接合位置也達到 D-E 性能點，亦即塑鉸發展較完整。 另外，以 250x90mm 槽鋼作支撐桿件，側推至第十步時，支撐桿件與柱 接合處性能點方進入 B-IO；以 300x90mm 槽鋼作支撐桿件，側推至第五步 時，支撐桿件與柱接合處性能點進入 B-IO；以 380x100 槽鋼作支撐桿件， 側推至被支撐桿件支撐位置性能點超過 E 時，支撐桿件與柱接合處性能點 仍保持在彈性範圍內。. 28.
(36) 表六、具有支撐桿件構架（支撐桿件為 300x90 槽鋼）側推步驟、位移、基 底剪力及預期發生塑鉸位置之狀態 SAP2000 v7.40 File: FRAMEC5Y115C3090 Kgf-cm Units PAGE 1 11/21/04 11:38:08. 內政部建築研究所. PUSHOVER. CURVE. Pushover Case PUSH2 Step. Displ. Base Force A-B B-IO IO-LS LS-CP CP-C. C-D. D-E. >E. TOTAL. 0. 0.0000. 0.0000. 10. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 10. 1. 5.0000. 68803.7734. 10. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 10. 2. 6.8094. 93702.9688. 8. 2. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 10. 3. 7.9524. 105436.6016. 5. 5. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 10. 4. 8.1039. 106262.6953. 4. 6. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 10. 5 13.2529. 113047.7813. 2. 4. 2. 1. 0. 1. 0. 0. 10. 6 13.2609. 82513.8516. 2. 4. 2. 1. 0. 0. 0. 1. 10. 7 13.7539. 87501.4375. 2. 4. 2. 1. 0. 0. 0. 1. 10. 8 15.1991. 95196.0156. 2. 4. 2. 1. 0. 0. 0. 1. 10. 9 15.7442. 96048.7422. 2. 4. 2. 1. 0. 0. 0. 1. 10. 10 15.8898. 96191.0547. 2. 3. 3. 0. 0. 1. 0. 1. 10. 11 15.9150. 70683.2734. 2. 3. 3. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 12 16.1459. 72453.5859. 2. 3. 3. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 13 17.7761. 79013.3594. 2. 2. 4. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 14 22.7761. 81110.7422. 2. 2. 4. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 15 27.7761. 83190.9766. 2. 2. 4. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 16 32.7761. 85281.9922. 2. 2. 4. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 17 37.7761. 87369.8203. 2. 2. 2. 2. 0. 0. 0. 2. 10. 18 42.7761. 89454.4531. 2. 2. 2. 2. 0. 0. 0. 2. 10. 19 43.4030. 89715.4297. 2. 2. 2. 0. 0. 2. 0. 2. 10. 20 43.4035. 29248.8809. 2. 2. 2. 0. 0. 0. 2. 2. 10. 21 45.2195. 29234.1133. 2. 2. 2. 0. 0. 0. 0. 4. 10. 22 45.2200. -1223.5642. 2. 2. 2. 0. 0. 0. 0. 4. 10. 23 50.0322. -1220.8591. 2. 2. 2. 0. 0. 0. 0. 4. 10. 29.
(37) 表七、具有支撐桿件構架（支撐桿件為 380x100 槽鋼）側推步驟、位移、 基底剪力及預期發生塑鉸位置之狀態 SAP2000 v7.40 File: FRAMEC5Y115STRONG Kgf-cm Units PAGE 1 11/19/04 20:23:59. 內政部建築研究所. PUSHOVER. CURVE. Pushover Case PUSH2 Step. Displ. Base Force 0.0000. A-B B-IO IO-LS LS-CP CP-C C-D 10. 0. 0. 0. 0. >E. 0. 0. TOTAL. 0. 0.0000. 1. 5.0000. 69047.2578. 10. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 10. 2. 6.9537. 96027.4375. 7. 3. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 10. 3. 7.9371. 105708.0781. 5. 4. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 10. 4. 8.0865. 106529.7188. 4. 4. 2. 0. 0. 0. 0. 0. 10. 5 12.4514. 112605.3984. 4. 2. 2. 1. 0. 1. 0. 0. 10. 6 12.4603. 82117.9297. 4. 2. 2. 1. 0. 0. 0. 1. 10. 7 12.9544. 87122.6953. 4. 2. 2. 1. 0. 0. 0. 1. 10. 8 14.3914. 94782.8672. 4. 2. 2. 1. 0. 0. 0. 1. 10. 9 14.9561. 95669.2031. 4. 2. 2. 1. 0. 0. 0. 1. 10. 10 15.1636. 95872.2188. 4. 2. 2. 0. 0. 1. 0. 1. 10. 11 15.1890. 70367.1719. 4. 2. 2. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 12 15.4196. 72135.7969. 4. 2. 2. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 13 17.0498. 78695.7031. 4. 2. 2. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 14 22.0498. 80793.5156. 4. 0. 4. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 15 27.0498. 82874.1797. 4. 0. 4. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 16 32.0498. 84965.6250. 4. 0. 4. 0. 0. 0. 0. 2. 10. 17 37.0498. 87053.8828. 4. 0. 2. 2. 0. 0. 0. 2. 10. 18 42.0498. 89138.9531. 4. 0. 2. 2. 0. 0. 0. 2. 10. 19 43.4038. 89702.7188. 4. 0. 2. 0. 0. 2. 0. 2. 10. 20 43.4043. 29236.0254. 4. 0. 2. 0. 0. 0. 2. 2. 10. 21 45.2202. 29221.2422. 4. 0. 2. 0. 0. 0. 0. 4. 10. 22 45.2207. -1236.4176. 4. 0. 2. 0. 0. 0. 0. 4. 10. 23 50.0332. -1233.7545. 4. 0. 2. 0. 0. 0. 0. 4. 10. 30. 0. D-E. 10.
(38) 130. 基底剪力. 1000Kg. 110 90 70 50 30 10 -10 0. 10. 20. 30. 層間位移. cm. 40. 50 具支撐桿件接頭 傳統接頭 切削桿件接頭. 圖十七、. 各種梁柱接頭構架側推圖. 因此如果期望梁桿件支撐位置及兩端與柱接合位置在劇烈地震情況 下，塑鉸發展一致，可採用斷面 I 值較小的支撐桿件。例如以支撐處及梁柱 接合處彎矩超過 My 計算撓曲一致的支撐桿件，如果期望支撐桿件持續保持 彈性，可以使用斷面較大桿件，並在支撐塊位置墊入彈性材料（被支撐桿 件的撓曲＝支撐桿件的撓曲＋彈性材料變形） ，設計時端看其性能著眼而決 定採用方式。. 31.
(39) 第六章 梁柱接頭塑性轉角分析 第一節 梁柱接頭塑鉸對梁桿件撓曲之影響 結構耐震設計基本假設為撓曲構件在部分斷面已達塑性彎矩 MP 的情況 下，仍具有塑性變形容量，如果結構桿件不具備塑性變形容量，自開始降 伏起逐步延伸塑鉸區域的機制即不能發展。本研究再以懸臂梁分析梁柱接 頭塑性轉角，圖十八所示為一懸臂梁端點（右端）承受一集中載重 P，彎矩 為自右至左等斜率增加，當固定端（左端）彎矩達到 MP，塑性分布於附近 一段桿件，長度為 LP。如彎矩為線性變化，LP 長度可以相似三角形求得， 鋼結構寬翼版梁一般可取自最大彎矩至反曲點之 10%。為當材料的撓度 y， 撓角θ及曲率 φ 的關係已知，部分塑性構件撓曲形狀即可計算。桿件之曲率 為： d 2 y dθ = =φ dx 2 dx. 上式在非彈性區域仍然成立。以計算方式求得梁柱接頭產生的塑性轉 角，需要從實際非線性彎矩－撓度關係圖獲得桿件所有位置的轉角資料。. 第二節 塑性轉角之比較 從桿件最大彎矩達到 MP，端點位移可以比較其在塑性狀態下之行為，桿 件端點位移為桿件承受彎矩其曲率對桿件之積分： 一般桿件端點位移（塑性轉角θp1） ∆ TIP = ∫ φxdx = ∫. L − Lp. 0. L MX dx + ∫ xφdx (L- Lp) EI. 前式積分第一部份為桿件彈性部分造成端點位移，第二部份為桿件塑性部 分造成端點位移。 具有支撐桿件端點位移（塑性轉角θp2） ∆ TIP = ∫ φxdx = ∫. L − LQ. 0. L MX dx + ∫ xφdx (L- LQ ) EI. 同樣係分別由彈性區段及塑性區段桿件曲率所造成。. 32.
(40) 一般桿件 My位置 L Lp 具有支撐桿件. MP My. 一般桿件 P 彎矩圖. Φ. Φ極值 具有支撐桿件 一般桿件 MpEI MyEI. θp1 θp2. X. 塑性 轉角 θp1. 支撐位置 LQ. 具有支撐 桿件ΔTIP. Δ 另外彈 性變形 圖十八、. 一般桿件 ΔTIP. 塑鉸長度及撓曲模式. 33.
(41) 以面積距方法表示，桿件端點位移為φ 值所圍的面積乘以面積重心至端點 的距離。比較之下，具有支撐桿件之接頭塑性轉角造成之端點位移遠大於傳 統接頭，反應其具有良好韌性性能。 塑鉸之轉角容量近似值為 θ P = (φU − φY )l P. 34.
(42) 第七章 結論及建議 第一節 結論 為提升結構耐震性能，改善梁柱接頭之構造，結構設計除了要符合既有 基本原則外，因梁柱接頭之間的差異，對於細部的考量也有所不同。 本研究以 SAP2000 有限元素分析程式之側推法探討鋼結構不同梁柱接頭 單跨構架塑鉸形成機制，發現此方法有助於研判在逐步側推過程中，塑鉸的 發展包括各個階段塑鉸所處的性能點。 當一般梁柱接頭未作特殊處理時, 構架梁桿件兩端達到力-位移曲線突 降點，柱桿件隨即達到力-位移曲線突降點，顯示其破壞為突然發生。如果 將梁桿件兩端構架塑鉸性能資料修改，降低彎矩及轉角降伏數值，從側推 結果可以研判構架在突然崩塌前，梁桿件會先產生力-位移曲線突降。顯示 構架部分桿件先降伏，再位移一段，分兩階段破壞。 切削斷面梁柱接頭構架側推時，梁桿件塑鉸得以較早形成。但其反應的 最大基底剪力降低，顯示其抵抗側推強度或許降低。 具有支撐桿件的梁柱接頭構架側推時，梁桿件無論就彈性狀態或塑性狀 態，從懸臂梁端點受力撓曲度可以比較桿件之韌性。本研究以 Bruneau (1998) 真實塑鉸長度及撓曲模式發展計算懸臂梁端點施以側向力位移量，發現具有 支撐桿件的梁柱接頭因塑鉸造成的懸臂梁端點位移遠大於傳統梁柱接頭。 推斷此方法，可供作為評估梁柱接頭塑性轉角之用。. 第二節 建議 建議一 進行各類型梁柱接頭驗證研究：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：具有反力牆實驗設施之大學土木系所、地震中心 本研究係以單跨構架模擬特殊梁柱接頭在結構中承受彎矩之行為，後續 驗證研究建議包括：1.應用 ATC-40 或 FEMA273/274 之模擬方法，對採用特 殊梁柱接頭多層鋼結構進行線性及非線性靜、動力分析，並可採用本研究所 35.
(43) 用的方法，以側推逐步觀察塑鉸形成機制，以確定塑鉸性能在構架中產生。 2.對於具有支撐桿件的梁柱接頭進行梁柱接頭反復加載實驗，觀察接頭局部受 力變形行為（包括梁桿件及支撐桿件與柱接合位置、梁桿件與支撐桿件在支 撐位置） ，以驗證接頭塑鉸形成的機制。 建議二 進行有關梁柱接頭塑性轉角與結構物之整體耐震性能相關性之探討： 立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：大學土木系所、地震中心 梁柱接頭性能為結構之性能水準之重要指標，目前對於結構物之整體性 能水準（如層間變位角）及構材之性能水準（梁柱接頭之塑性轉角）給予 定性及定量之描述與規定，採用 ATC-40 及 FEMA273/274 規範，而有關梁 柱接頭設計及細部檢核驗算，須參考 FEMA350。而以 FEMA350 之規定所 作之梁柱接頭設計，如何轉化為整體性能水準，亦即梁柱之塑性轉角與整 體結構之層間變位角在地震力作用下之相互關係值得深入研究。以期使結 構的結果，耐震性能水準得以充分掌握。 後記：本文為內政部建築研究所九十三年度自辦研究計畫成果，文責自負。 參 考 文 獻 中文部分： 1. 內政部營建署，鋼構造建築物鋼結構設計技術規範。 2. 內政部建築研究所研究報告，建築物耐震規範示範例之研擬及規範條文之研修，民 國 91 年(2002)。. 3. 內政部建築研究所研究報告，建築物耐震設計規範及解說修訂之研究，民國 89 年 (2000)。 4. 內政部建築研究所研究報告，建築物耐震性能設計法之性能目標與相關項目之研 究，民國 91 年(2002)。. 英文部分 36.
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