國 立 交 通 大 學
土 木 工 程 學 系
博 士 論 文
預力預鑄自行復位
預力預鑄自行復位
預力預鑄自行復位
預力預鑄自行復位建築
建築
建築構架
建築
構架
構架
構架
設計與
設計與
設計與
設計與耐震
耐震
耐震
耐震性能
性能
性能
性能
Seismic Design and Performance of
Post-tensioned Self-centering Buildings
研 究 生：陳 俊 翰
指導教授：劉俊秀 博士
周中哲 博士
預力預鑄自行復位建築構架設計與耐震性能
Seismic Design and Performance of
Post-tensioned Self-centering Buildings
研 究 生：陳俊翰 Student：J. H.Chen 指導教授：劉俊秀 博士 Advisor：Dr. G. S. Liou 周中哲 博士 Dr. C. C. Chou
國立交通大學
土木工程學系
博士論文
A ThesisSubmitted to Department of Civil Engineering National Chiao Tung University
in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of
Doctor of Philosophy in
Civil Engineering
August 2011
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
預力預鑄自行復位建築構架設計與耐震性能
研究生：陳俊翰 指導教授：劉俊秀博士、周中哲博士 國立交通大學土木工程學系摘要
摘要
摘要
摘要
預力預鑄自復位構架是利用後拉預力工法提供梁與柱或柱與基礎結合 時所需的預力，此種形式的抗彎矩構架已發展成為可替代傳統抗彎構架的 新建築結構，在以往的研究中不乏針對預力梁柱接頭的研究。本研究建議 梁柱及柱底接頭均採預力接合以避免接頭區產生殘餘變形，且樓板僅與預 力構架單跨接合傳遞地震產生的樓層側力，以避免樓板對預力構架產生束 制效應，此外針對預力界面開合造成柱對梁產生的束制效應，提出以柱整 體變形之撓曲勁度計算柱束制對梁產生的軸向壓力增量，並提出預力預鑄 自行復位構架的設計方法及設計流程。 當預力抗彎構架中柱的數量為兩支以上時，梁柱界面因開合效應產生 的間隙會受到柱的束制，進而影響梁軸力的變化。本研究提出以預力建築 構架中每一樓層開合效應對柱產生的變形，計算柱的撓曲勁度及梁軸向壓 力的方法。由三層樓預力建築構架的電腦模型分析中顯示為了符合柱的整 體變形，一樓處梁軸向壓力會較鋼腱拉力大，但在二樓與三樓處會較小。 由三層樓兩跨建築物中擷取兩跨一樓的構架試體進行試驗，以驗證本方法 的準確性；試驗中梁翼加勁板的細節在考慮柱頂無束制與柱頂為鉸接的情 形下，發現梁軸力較鋼腱拉力分別增加 2 %與 60 %，此結果指出若二樓層 處柱假設為鉸接時，柱會提供過大的束制行為造成高估預力構架中梁軸力，因此，假設柱在樓層中為鉸接的方式，並不適用於預測柱在預力建築 構架整體側向變形時產生的撓曲勁度及軸力。 本研究建議一種樓板的接合細節，使得樓板在與預力構架接合時可提 供滑動行為，並降低樓板限制預力構架伸展時產生的束制效應，並以縮尺 兩跨一層樓的預力構架試體進行震動台地震測試。結構體包含一組預力構 架(PT Frame)及兩組承重構架(Gravitational Frame)，其中兩承重構架是由鋼 梁、鋼柱與鉸支承以鉸接方式接合，僅提供垂直向重力支撐，並分別平行 放置預力構架的兩側，樓板與承重構架間以剪力釘固接，但僅與預力構架 一跨的鋼梁以剪力釘接合，為使樓板能在預力構架上產生滑動，在樓板梁 與預力構架間提供滑動支承，並分別以 1994 年北嶺地震(CNP196)與 1999 年集集地震(TCU074)對縮尺構架試體的耐震性能進行測試。在樓板無損害 的情況下，預力構架的側向位移與承重構架的側向位移相似，且都擁有自 行復位的能力。構架試體在加載 1999 年最大地表加速度 1830 gal 的集集地 震時，構架的最大側位移角為 7.2%，可觀察到梁下翼板靠近柱面承壓處產 生挫屈，並造成柱與梁上初始預力分別下降 50%與 21%，但構架試體的殘 餘變形量僅約 0.01%。 為驗證依照本研究建議之設計方法設計之預力預鑄構架能符合設計規 範要求，分別以 5 個地震共 15 組測站之地表加速度測試預力預鑄構架，同 時，比較在相同的梁柱尺寸下，不同柱底及梁柱接頭的構架在地震反應下 的結果，並針對各樓層的位移、殘餘變形、加速度及消釋能量進行比較， 以判別各式構架的優劣情形。
Seismic Design and Performance of
Post-tensioned Self-centering Buildings
Student：Jun-Hen Chen Advisor：Dr. G. S. Liou Dr. C. C. Chou
Department of Civil Engineering National Chiao Tung University
ABSTRACT
The first generation for the post-tensioned (PT) self-centering (SC) system, which incorporates the PT technology to beam-to-column connections, exhibits good seismic performance with small residual deformations except for the first floor. Instead of using the fixed column base, the column PT to the base affects the seismic performance of frames, especially for residual deformations. A primary design procedure used for SC system was roughly described in this study.
Cyclic tests on post-tensioned (PT) beam-to-column connections have demonstrated self-centering capabilities with gap opening, closing at the beam-to-column interface. Gaps, however, between beam-to-column interfaces in a real PT self-centering frame with more than one column are constrained by the columns, which causes beam compression force different from the applied PT force. This study presents an analytical method for evaluating column bending stiffness and beam compression force by modeling column deformation according to gap-openings at all stories. The predicted compression forces in the beams are validated by a cyclic analysis of a three-story PT frame, which is modeled with numerous axial springs in connections to capture the gap-opening behavior of the frame, and by cyclic tests of a full-scale, two-bay by first-story
PT frame, which represents a substructure of the three-story PT frame. The proposed method shows that compared to the beam strand tensile force, the beam compression force is increased at the 1st story but is decreased at the 2nd and 3rd stories due to column deformation compatibility. The PT frame tests demonstrate that the proposed method reasonably predicts beam compression force and strand force. Test results also show that beam compression force is 2% and 60% larger than the beam strand force with respect to a minor restraint and a pin-supported boundary condition, respectively, at the tops of the columns. This indicates that assuming a pin-supported boundary condition at the upper story column can cause inaccurate estimation of column bending stiffness and beam compression force.
This study proposes slab details, which allow for sliding of the slab and minimize restraints on the expansion of the PT frame. A composite slab is rigidly connected to the beams in only one bay of the PT frame. A sliding device is provided between the floor beams and the PT beams in other bays, where sliding of the slab is allowed. Several shake table tests were conducted on a reduced-scale, two-by-two bay one-story specimen model, which was composed of one PT frame and two gravitational frames. The scaled specimen model was excited by the 1994 Northridge and 1999 Chi-Chi earthquakes to examine its seismic performance. A PT frame and gravitational frames possessed the self-centering capability throughout the tests, responding in phase with minor differences in peak drifts due to the expansion of the PT frame. When the specimen was excited by the 1999 Chi-Chi earthquake with a peak ground acceleration of 1830 gal, the maximum interstory drift was 7.2%. Buckling of the beam bottom flange was observed near the compression toe, and the initial post-tensioning force decreased 50% and 22% in the columns and beams, respectively. However, the specimen remained operable and its residual drift was 0.01%.
A three-dimensional analytical model with rotational springs in the PT connection and PT column base was introduced to capture shake table test results of the frame subassembly. The same modeling approach was adopted to one MRF and three SC frames to study the effects of column base on the seismic response of frames under the design based and maximum considered earthquakes. The monotonic, cyclic pushover, and time-history analyses were conducted for these frames. Analytical results showed that (1) the residual drift of the first floor could be significantly minimized by using the PT column base but the maximum interstory drift in the SC frame increased with decreasing fixity at the column base, (2) the largest maximum interstory drifts of the SC frames were larger than those of the MRF due to the low-to-medium structural period and high yield strength, and (3) the SC frame with the PT column base effectively decreased column restraining forces to the first floor compared to that with the fixed column base.
Publication：：：：
Journal Paper：：： ：
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中文摘要 中文摘要 中文摘要 中文摘要……….………ⅠⅠⅠⅠ 英 英 英 英文摘要文摘要文摘要文摘要……….………ⅢⅢⅢⅢ 作品 作品 作品 作品………ⅥⅥⅥⅥ 目錄 目錄 目錄 目錄……….………ⅨⅨⅨⅨ 表目錄 表目錄 表目錄 表目錄………XXXXⅡⅡⅡⅡ 圖目錄 圖目錄 圖目錄 圖目錄………XXXXⅢⅢⅢⅢ 照片 照片 照片 照片目錄目錄目錄………X目錄 XXXⅥⅥⅥⅥ 第一章 第一章第一章 第一章 緒論緒論 ...1緒論緒論 1.1 前言與文獻回顧前言與文獻回顧前言與文獻回顧前言與文獻回顧 ...1 1.2 研究動機研究動機研究動機研究動機...3 1.3 研究方法研究方法研究方法研究方法...6 第二章 第二章第二章 第二章 預力預鑄自復位構架設計預力預鑄自復位構架設計 ...8預力預鑄自復位構架設計預力預鑄自復位構架設計 2.1 前言前言前言前言...8 2.2 預力接頭行為介紹預力接頭行為介紹預力接頭行為介紹預力接頭行為介紹 ...9 2.3 樓層側力傳遞機制與梁軸力的變化樓層側力傳遞機制與梁軸力的變化樓層側力傳遞機制與梁軸力的變化樓層側力傳遞機制與梁軸力的變化 ... 11 2.3.1 梁軸力變化梁軸力變化梁軸力變化梁軸力變化 ... 11 2.4 柱束制力的評估柱束制力的評估柱束制力的評估柱束制力的評估 ...13 2.4.1 考慮柱的整體側向變形求柱的撓曲勁度考慮柱的整體側向變形求柱的撓曲勁度考慮柱的整體側向變形求柱的撓曲勁度考慮柱的整體側向變形求柱的撓曲勁度 ...13 2.4.2 梁軸力預測梁軸力預測梁軸力預測梁軸力預測 ...14 2.5 預力自復位構架設計預力自復位構架設計預力自復位構架設計預力自復位構架設計 ...16 2.5.1 設計層級設計層級設計層級設計層級 ...16 2.5.2 預力構架設計流程預力構架設計流程預力構架設計流程預力構架設計流程 ...17 2.5.3 載重與地震側力載重與地震側力載重與地震側力載重與地震側力(步驟步驟步驟步驟 1)...20 2.5.4 預力梁柱與鋼腱設計預力梁柱與鋼腱設計預力梁柱與鋼腱設計預力梁柱與鋼腱設計(步驟步驟步驟步驟 2、、、、3 與與與與 4)...222.5.5 挫屈束制削切鋼板挫屈束制削切鋼板挫屈束制削切鋼板挫屈束制削切鋼板(步驟步驟步驟步驟 5)...23 2.5.6 梁軸力與彎矩梁軸力與彎矩梁軸力與彎矩梁軸力與彎矩(步驟步驟步驟步驟 6)...24 2.5.7 滑動支承與樓板設計滑動支承與樓板設計滑動支承與樓板設計滑動支承與樓板設計(步驟步驟步驟步驟 7)...24 2.5.8 軸力與彎矩互制下應力檢核軸力與彎矩互制下應力檢核軸力與彎矩互制下應力檢核軸力與彎矩互制下應力檢核(步驟步驟步驟步驟 9)...25 2.5.9 極限應變檢核極限應變檢核極限應變檢核極限應變檢核(步驟步驟步驟步驟 10)...26 2.6 建立自復位構架的電腦分析模型與側推分析建立自復位構架的電腦分析模型與側推分析建立自復位構架的電腦分析模型與側推分析建立自復位構架的電腦分析模型與側推分析 ...27 2.6.1 梁柱接頭與柱底界面之旋轉彈簧梁柱接頭與柱底界面之旋轉彈簧梁柱接頭與柱底界面之旋轉彈簧梁柱接頭與柱底界面之旋轉彈簧 ...27 2.6.2 預力構架之側推分析預力構架之側推分析預力構架之側推分析預力構架之側推分析 ...29 2.7 承重構架設計承重構架設計承重構架設計承重構架設計 ...29 第三章 第三章第三章 第三章 含樓板之預力接頭試驗及預力自復位構架試驗含樓板之預力接頭試驗及預力自復位構架試驗 ...31含樓板之預力接頭試驗及預力自復位構架試驗含樓板之預力接頭試驗及預力自復位構架試驗 3.1 前言前言前言前言...31 3.2 含部分連續樓板之梁柱接頭試驗含部分連續樓板之梁柱接頭試驗含部分連續樓板之梁柱接頭試驗含部分連續樓板之梁柱接頭試驗 ...31 3.3 預力構架試驗預力構架試驗預力構架試驗預力構架試驗 ...34 3.4 三層樓預力自復位構架模型分析三層樓預力自復位構架模型分析三層樓預力自復位構架模型分析三層樓預力自復位構架模型分析(AS 模型模型模型模型) ...36 3.5 三層樓預力自復位構架模型分析三層樓預力自復位構架模型分析三層樓預力自復位構架模型分析三層樓預力自復位構架模型分析(旋轉彈簧模型旋轉彈簧模型旋轉彈簧模型旋轉彈簧模型) ...37 3.5.1 未含束制效應之旋轉彈簧模型未含束制效應之旋轉彈簧模型未含束制效應之旋轉彈簧模型未含束制效應之旋轉彈簧模型 ...37 3.5.2 考慮最大變形之柱束制力的評估考慮最大變形之柱束制力的評估考慮最大變形之柱束制力的評估考慮最大變形之柱束制力的評估 ...38 3.5.3 考慮柱的整體側向變形之柱束制力評估考慮柱的整體側向變形之柱束制力評估考慮柱的整體側向變形之柱束制力評估考慮柱的整體側向變形之柱束制力評估 ...39 3.5.4 含柱束制效應之旋轉彈簧模型含柱束制效應之旋轉彈簧模型含柱束制效應之旋轉彈簧模型含柱束制效應之旋轉彈簧模型 ...40 3.6 兩跨一層樓預力構架試驗兩跨一層樓預力構架試驗兩跨一層樓預力構架試驗兩跨一層樓預力構架試驗 ...41 3.6.1 試驗構架試驗構架試驗構架試驗構架 ...41 3.6.2 試驗加載試驗加載試驗加載試驗加載 ...42 3.6.3 試驗結果試驗結果試驗結果試驗結果 ...43 3.6.4 梁軸向壓力梁軸向壓力梁軸向壓力梁軸向壓力 ...45 3.6.5 電腦模型分析電腦模型分析電腦模型分析電腦模型分析 ...46
3.7 單跨剛性桁架傳力機制單跨剛性桁架傳力機制單跨剛性桁架傳力機制單跨剛性桁架傳力機制 ...47 3.8 小結小結小結小結...52 第四章 第四章第四章 第四章 預力構架試體之震動台試驗預力構架試體之震動台試驗 ...56預力構架試體之震動台試驗預力構架試體之震動台試驗 4.1 前言前言前言前言...56 4.2 預力構架設計預力構架設計預力構架設計預力構架設計 ...57 4.3 縮尺試體與實驗規劃縮尺試體與實驗規劃縮尺試體與實驗規劃縮尺試體與實驗規劃 ...57 4.4 試試試試驗結果驗結果驗結果驗結果...59 4.4.1 整體反應整體反應整體反應整體反應 ...59 4.4.2 預力構架的伸展預力構架的伸展預力構架的伸展預力構架的伸展 ...61 4.4.3 梁軸力與柱剪力梁軸力與柱剪力梁軸力與柱剪力梁軸力與柱剪力 ...62 4.5 小結小結小結小結 ...64 第五章 第五章第五章 第五章 預力構架試體地震反應模擬與耐震分析預力構架試體地震反應模擬與耐震分析 ...66預力構架試體地震反應模擬與耐震分析預力構架試體地震反應模擬與耐震分析 5.1 前言前言前言前言...66 5.2 預力構架與縮尺試體構架預力構架與縮尺試體構架預力構架與縮尺試體構架預力構架與縮尺試體構架 ...66 5.3 地震載重下縮尺預力構架試體模型的行為地震載重下縮尺預力構架試體模型的行為地震載重下縮尺預力構架試體模型的行為地震載重下縮尺預力構架試體模型的行為 ...70 5.4 四組三層四組三層四組三層四組三層樓抗彎構架之細節樓抗彎構架之細節樓抗彎構架之細節樓抗彎構架之細節 ...71 5.5 四組構架之反覆側推分析四組構架之反覆側推分析四組構架之反覆側推分析四組構架之反覆側推分析 ...73 5.6 四組構架的地震反應四組構架的地震反應四組構架的地震反應四組構架的地震反應 ...75 5.7 結論結論結論結論...79 第六章 第六章第六章 第六章 總結與建議總結與建議 ...80總結與建議總結與建議 6.1 總結總結總結總結...80 6.2 建議建議建議建議...83 參考文獻 參考文獻參考文獻 參考文獻 ...84 符號說明 符號說明 符號說明 符號說明………88
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表 表 表 表 2.1 載重需求載重需求載重需求載重需求...94 表 表 表 表 2.2 預力構架設計需求預力構架設計需求預力構架設計需求預力構架設計需求...95 表 表 表 表 2.3α
值關係值關係值關係值關係 ...96 表 表 表 表 2.4 承重構架承重構架承重構架承重構架...96 表 表 表 表 2.5 樓板尺寸樓板尺寸樓板尺寸樓板尺寸...96 表 表 表 表 3.1 預力接頭設計參數預力接頭設計參數預力接頭設計參數預力接頭設計參數...97 表 表 表 表 3.2 預力構架預力構架預力構架預力構架...98 表 表 表 表 3.3 預力柱撓曲勁度預力柱撓曲勁度預力柱撓曲勁度預力柱撓曲勁度...99 表 表 表 表 3.4 梁軸向壓力增量與鋼腱內力比較梁軸向壓力增量與鋼腱內力比較梁軸向壓力增量與鋼腱內力比較梁軸向壓力增量與鋼腱內力比較 (4% drift)...99 表 表 表 表 3.5 梁柱試驗前初始預力梁柱試驗前初始預力梁柱試驗前初始預力梁柱試驗前初始預力...99 表 表 表 表 4.1 縮尺試體斷面性質縮尺試體斷面性質縮尺試體斷面性質縮尺試體斷面性質...100 表 表 表 表 4.2 測試計劃測試計劃測試計劃測試計劃...101 表 表 表 表 4.3 剪力分配關係剪力分配關係剪力分配關係剪力分配關係...101圖目錄
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圖 圖 圖 圖 1.1 焊接型接頭與預力接頭焊接型接頭與預力接頭焊接型接頭與預力接頭焊接型接頭與預力接頭 ...105 圖 圖 圖 圖 1.2 先前學者建議之樓板接合方式先前學者建議之樓板接合方式先前學者建議之樓板接合方式先前學者建議之樓板接合方式 ...106 圖 圖 圖 圖 1.3 部分接合之樓板系統部分接合之樓板系統部分接合之樓板系統部分接合之樓板系統...107 圖 圖 圖 圖 1.4 含滑動支承之剛性跨系統含滑動支承之剛性跨系統含滑動支承之剛性跨系統含滑動支承之剛性跨系統(剛性桁架剛性桁架剛性桁架剛性桁架)...108 圖 圖 圖 圖 1.5 含滑動支承之剛性跨系統含滑動支承之剛性跨系統含滑動支承之剛性跨系統含滑動支承之剛性跨系統(複合樓板複合樓板複合樓板複合樓板)...109 圖 圖 圖 圖 2.1 先前學者建議之設計理念先前學者建議之設計理念先前學者建議之設計理念先前學者建議之設計理念 ...110 圖 圖 圖 圖 2.2 預力構架接合細節預力構架接合細節預力構架接合細節預力構架接合細節... 111 圖 圖 圖 圖 2.3 梁與柱及柱與基礎之自復位行為梁與柱及柱與基礎之自復位行為梁與柱及柱與基礎之自復位行為梁與柱及柱與基礎之自復位行為 ...112 圖 圖 圖 圖 2.4 挫屈束制鋼板力量與彎矩挫屈束制鋼板力量與彎矩挫屈束制鋼板力量與彎矩挫屈束制鋼板力量與彎矩 ...113 圖 圖 圖 圖 2.5 梁與柱及柱與基礎之自復位行為梁與柱及柱與基礎之自復位行為梁與柱及柱與基礎之自復位行為梁與柱及柱與基礎之自復位行為 ...114 圖 圖 圖 圖 2.6 預力預鑄構架變形與梁軸力分佈預力預鑄構架變形與梁軸力分佈預力預鑄構架變形與梁軸力分佈預力預鑄構架變形與梁軸力分佈 ...115 圖 圖 圖 圖 2.7 柱與梁之自由體圖柱與梁之自由體圖柱與梁之自由體圖柱與梁之自由體圖...116 圖 圖 圖 圖 2.8 梁彎矩分佈梁彎矩分佈梁彎矩分佈梁彎矩分佈...117 圖 圖 圖 圖 2.9 兩跨預力構架之伸展行為兩跨預力構架之伸展行為兩跨預力構架之伸展行為兩跨預力構架之伸展行為 ...118 圖 圖 圖 圖 2.10 三層樓預力構架與外側柱變形行為三層樓預力構架與外側柱變形行為三層樓預力構架與外側柱變形行為 ...119 三層樓預力構架與外側柱變形行為 圖 圖 圖 圖 2.11 柱自由體圖柱自由體圖柱自由體圖...120 柱自由體圖 圖 圖 圖 圖 2.12 預力構架設計流程預力構架設計流程預力構架設計流程...120 預力構架設計流程 圖 圖 圖 圖 2.13 鐵氟龍板的正向力與位移關係鐵氟龍板的正向力與位移關係鐵氟龍板的正向力與位移關係 ...121 鐵氟龍板的正向力與位移關係 圖 圖 圖 圖 2.14 梁斷面軸力與彎矩平衡關係梁斷面軸力與彎矩平衡關係梁斷面軸力與彎矩平衡關係 ...121 梁斷面軸力與彎矩平衡關係 圖 圖 圖 圖 2.15 預力構架電腦模型預力構架電腦模型預力構架電腦模型...122 預力構架電腦模型 圖 圖 圖 圖 2.16 預力構架非線性側推分析預力構架非線性側推分析預力構架非線性側推分析 ...123 預力構架非線性側推分析 圖 圖 圖 圖 2.17 承重構架有效載重示意圖承重構架有效載重示意圖承重構架有效載重示意圖 ...123 承重構架有效載重示意圖 圖 圖 圖 圖 3.1 試體試體試體試體 1 與試體與試體與試體與試體 2...124 圖 圖 圖 圖 3.2 試體試體試體試體 4...125圖 圖 圖 圖 3.3 接頭整體反應接頭整體反應接頭整體反應接頭整體反應...126 圖 圖 圖 圖 3.4 試驗現象觀察試驗現象觀察試驗現象觀察試驗現象觀察...127 圖 圖 圖 圖 3.5 局部反應局部反應局部反應局部反應...128 圖 圖 圖 圖 3.6 原始三層樓預力建築物原始三層樓預力建築物原始三層樓預力建築物原始三層樓預力建築物 ...129 圖 圖 圖 圖 3.7 構架模擬分析與接頭模擬細節構架模擬分析與接頭模擬細節構架模擬分析與接頭模擬細節構架模擬分析與接頭模擬細節 ...129 圖 圖 圖 圖 3.8 三層樓預力構架反應三層樓預力構架反應三層樓預力構架反應三層樓預力構架反應...130 圖 圖 圖 圖 3.9 梁上鋼腱拉力與軸壓力梁上鋼腱拉力與軸壓力梁上鋼腱拉力與軸壓力梁上鋼腱拉力與軸壓力 ...131 圖 圖 圖 圖 3.10 旋轉彈簧電腦模型旋轉彈簧電腦模型旋轉彈簧電腦模型...132 旋轉彈簧電腦模型 圖 圖 圖 圖 3.11 預力預力預力接頭彎矩與層間側位移角關係預力接頭彎矩與層間側位移角關係接頭彎矩與層間側位移角關係...132 接頭彎矩與層間側位移角關係 圖 圖 圖 圖 3.12 構架內部梁柱接頭彎矩與層間側位移角關係構架內部梁柱接頭彎矩與層間側位移角關係構架內部梁柱接頭彎矩與層間側位移角關係 ...133 構架內部梁柱接頭彎矩與層間側位移角關係 圖 圖 圖 圖 3.13 預力預力預力柱細節預力柱細節柱細節柱細節...134 圖 圖 圖 圖 3.14 梁柱接頭細節梁柱接頭細節梁柱接頭細節...134 梁柱接頭細節 圖 圖 圖 圖 3.15 測試構架測試構架測試構架(unit：測試構架 ：：：mm) ...135 圖 圖 圖 圖 3.16 預力構架試驗之遲滯反應預力構架試驗之遲滯反應預力構架試驗之遲滯反應 ...136 預力構架試驗之遲滯反應 圖 圖 圖 圖 3.17 油壓制動器與構架的撐開量油壓制動器與構架的撐開量油壓制動器與構架的撐開量 ...137 油壓制動器與構架的撐開量 圖 圖 圖 圖 3.18 柱變形與層間側位移角關係柱變形與層間側位移角關係柱變形與層間側位移角關係 ...138 柱變形與層間側位移角關係 圖 圖 圖 圖 3.19 挫屈束制削切鋼板之最大拉應變與層間側位移角關係挫屈束制削切鋼板之最大拉應變與層間側位移角關係挫屈束制削切鋼板之最大拉應變與層間側位移角關係 (第一次試挫屈束制削切鋼板之最大拉應變與層間側位移角關係 第一次試第一次試第一次試 驗 驗 驗 驗) ...138 圖 圖 圖 圖 3.20 鋼腱預力鋼腱預力鋼腱預力變化鋼腱預力變化變化變化...139 圖 圖 圖 圖 3.21 柱柱柱 CC 底部界面縫隙柱 底部界面縫隙底部界面縫隙...140 底部界面縫隙 圖 圖 圖 圖 3.22 預力界面剛體旋轉角預力界面剛體旋轉角預力界面剛體旋轉角(1st Test)...140 預力界面剛體旋轉角 圖 圖 圖 圖 3.23 一一一層樓預力構架與外柱變形一層樓預力構架與外柱變形層樓預力構架與外柱變形 ...141 層樓預力構架與外柱變形 圖 圖 圖 圖 3.24 第一次試驗模擬比較第一次試驗模擬比較第一次試驗模擬比較 ...142 第一次試驗模擬比較 圖 圖 圖 圖 3.25 第三次與第四次試驗比較第三次與第四次試驗比較第三次與第四次試驗比較 ...143 第三次與第四次試驗比較 圖 圖 圖 圖 3.26 含剛性桁架之預力構架試體含剛性桁架之預力構架試體含剛性桁架之預力構架試體(單位含剛性桁架之預力構架試體 單位單位單位：：：：mm) ...144
圖 圖 圖 圖 3.27 構架試體細節構架試體細節構架試體細節構架試體細節(單位單位單位單位：：：mm) ...145 ： 圖 圖 圖 圖 3.28 構架變形關係與自由體圖構架變形關係與自由體圖構架變形關係與自由體圖 ...146 構架變形關係與自由體圖 圖 圖 圖 圖 3.29 預力構架試驗反應預力構架試驗反應預力構架試驗反應預力構架試驗反應...147 圖 圖 圖 圖 3.30 柱剪力柱剪力柱剪力柱剪力...148 圖 圖 圖 圖 3.31 梁軸力比較梁軸力比較梁軸力比較梁軸力比較...149 圖 圖 圖 圖 3.32 梁應變圖梁應變圖梁應變圖梁應變圖...150 圖 圖 圖 圖 4.1 試體規劃試體規劃試體規劃試體規劃...151 圖 圖 圖 圖 4.2 測量儀器規劃測量儀器規劃測量儀器規劃測量儀器規劃...152 圖 圖 圖 圖 4.3 反應譜分析反應譜分析反應譜分析反應譜分析...153 圖 圖 圖 圖 4.4 試體樓層側位移角反應試體樓層側位移角反應試體樓層側位移角反應試體樓層側位移角反應 ...154 圖 圖 圖 圖 4.5 最大變形反應與最大加速度關係最大變形反應與最大加速度關係最大變形反應與最大加速度關係最大變形反應與最大加速度關係 ...155 圖 圖 圖 圖 4.6 預預預預力變化與相關反應力變化與相關反應力變化與相關反應力變化與相關反應...155 圖 圖 圖 圖 4.7 預力構架的位移歷時反應預力構架的位移歷時反應預力構架的位移歷時反應預力構架的位移歷時反應(phase II)...155 圖 圖 圖 圖 4.8 預力構架試體勁度預力構架試體勁度預力構架試體勁度預力構架試體勁度...156 圖 圖 圖 圖 4.9 預力構架與承重構架位移歷時反應預力構架與承重構架位移歷時反應預力構架與承重構架位移歷時反應預力構架與承重構架位移歷時反應 ...156 圖 圖 圖 圖 4.10 預力構架伸展行為之歷時反應預力構架伸展行為之歷時反應預力構架伸展行為之歷時反應 ...157 預力構架伸展行為之歷時反應 圖 圖 圖 圖 4.11 震動台試體之柱自由體圖震動台試體之柱自由體圖震動台試體之柱自由體圖震動台試體之柱自由體圖...158 圖 圖 圖 圖 4.12 震動台式體之梁自由體圖震動台式體之梁自由體圖震動台式體之梁自由體圖 ...158 震動台式體之梁自由體圖 圖 圖 圖
圖 4.13 梁軸力與應變梁軸力與應變梁軸力與應變 (TCU074, 6th Test Phase II)...159 梁軸力與應變 圖 圖 圖 圖 4.14 梁下翼板內側應變比較梁下翼板內側應變比較梁下翼板內側應變比較 ...160 梁下翼板內側應變比較 圖 圖 圖 圖 4.15 挫屈束制削切鋼板的消能行為挫屈束制削切鋼板的消能行為挫屈束制削切鋼板的消能行為 ...160 挫屈束制削切鋼板的消能行為
照片
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照片 照片 照片 照片 2. 1 鐵氟龍板試驗鐵氟龍板試驗鐵氟龍板試驗...171 鐵氟龍板試驗 照片 照片 照片 照片 3. 1 梁挫屈梁挫屈梁挫屈 (試體梁挫屈 試體試體試體 1)，，，，3%側位移角側位移角側位移角...171 側位移角 照片 照片 照片 照片 3. 2 樓板開裂樓板開裂樓板開裂 (試體樓板開裂 試體試體試體 2)，，，，3%側位移角側位移角側位移角...172 側位移角 照片 照片 照片 照片 3. 3 梁挫屈梁挫屈梁挫屈 (試體梁挫屈 試體試體試體 2)，，，，4%側位移角側位移角側位移角...172 側位移角 照片 照片 照片 照片 3. 4 樓板開裂樓板開裂樓板開裂 (試體樓板開裂 試體試體試體 4)，，，，3%側位移角側位移角側位移角...173 側位移角 照片 照片 照片 照片 3. 5 基礎定位基礎定位基礎定位...173 基礎定位 照片 照片 照片 照片 3. 6 柱的組立柱的組立柱的組立...174 柱的組立 照片 照片 照片 照片 3. 7 安裝鋼梁安裝鋼梁安裝鋼梁安裝鋼梁...175 照片 照片 照片 照片 3. 8 施加預力連接梁柱施加預力連接梁柱施加預力連接梁柱...175 施加預力連接梁柱 照片 照片 照片 照片 3. 9 梁翼撓曲破壞梁翼撓曲破壞梁翼撓曲破壞 (第一次試驗梁翼撓曲破壞 第一次試驗第一次試驗第一次試驗) ...175 照片 照片 照片 照片 3. 10 垂直加勁板垂直加勁板垂直加勁板 (第一次試驗垂直加勁板 第一次試驗第一次試驗第一次試驗) ...176 照片 照片 照片 照片 3. 11 包覆鋼板與柱面分離包覆鋼板與柱面分離包覆鋼板與柱面分離(第一次試驗包覆鋼板與柱面分離 第一次試驗第一次試驗) ...176 第一次試驗 照片 照片 照片 照片 3. 12 挫屈束制削切鋼板斷裂挫屈束制削切鋼板斷裂挫屈束制削切鋼板斷裂(第一次試驗挫屈束制削切鋼板斷裂 第一次試驗第一次試驗第一次試驗)...177 照片 照片 照片 照片 3. 13 預力構架變形預力構架變形預力構架變形(第一次試驗預力構架變形 第一次試驗第一次試驗第一次試驗 4%) ...177 照片 照片 照片 照片 3. 14 RFP 局部挫屈局部挫屈局部挫屈(第二次試驗局部挫屈 第二次試驗第二次試驗第二次試驗-4%) ...178 照片 照片 照片 照片 3. 15 梁柱界面分離梁柱界面分離梁柱界面分離 (第三次試驗梁柱界面分離 第三次試驗第三次試驗第三次試驗) ...178 照片 照片 照片 照片 3. 16 左梁與右梁高程差左梁與右梁高程差左梁與右梁高程差...179 左梁與右梁高程差 照片 照片 照片 照片 3. 17 柱些許開裂柱些許開裂柱些許開裂 (第四次試驗柱些許開裂 第四次試驗第四次試驗第四次試驗) ...179 照片 照片 照片 照片 3. 18 梁降伏梁降伏梁降伏 (第四次試驗後梁降伏 第四次試驗後第四次試驗後第四次試驗後) ...180 照片 照片 照片 照片 4.1 滑動支承滑動支承滑動支承滑動支承...180 照片 照片 照片 照片 4.2 鉸支承鉸支承鉸支承鉸支承...181 照片 照片 照片 照片 4. 3 柱底滑動柱底滑動柱底滑動...181 柱底滑動 照片 照片 照片 照片 4. 4 梁腹板降伏梁腹板降伏梁腹板降伏 (第梁腹板降伏 第第第 1 階段第階段第階段第階段第 7 次試驗次試驗次試驗次試驗)...182 照片 照片 照片 照片 4. 5 試體變形試體變形試體變形 (第試體變形 第第第 2 階段第階段第階段第階段第 8 次試驗次試驗次試驗次試驗)...182照片 照片 照片
第一章
第一章
第一章
第一章 緒論
緒論
緒論
緒論
1.1 前言與前言與前言與前言與文獻回顧文獻回顧文獻回顧文獻回顧 自 1994 年美國北嶺地震及 1999 年台灣集集地震以來，國內外學者致 力於改良耐震結構建築或研究新型工法，其中預力預鑄自行復位構架建築 已逐漸發展成為傳統焊接型抗彎構架(MRF)的替代方法。以往在中度或強 烈地震作用下，焊接型抗彎構架在梁端及柱底處會產生塑性行為，並造成 大量的殘餘變形[圖 1.1(a)]，而預力預鑄自行復位皆頭可藉由梁柱界面的 開合行為，在產生大量的層間側位移角時梁仍可保持彈性，並以裝置在梁 柱接頭處的消能裝置提供地震能量的消釋[圖 1.1(b)]，其中大部分的塑性 行為被限制發生在消能裝置上，因此地震過後，結構物的修復或替換消能 裝置的費用，均較替換挫屈梁的焊接型抗彎構架低且較易替換，並由施加 預力的鋼材提供接頭自行復位的能力。 學者 Ricles 等人 (2001)首先證實在相同地震歷時作用下，構架中使用 預力梁柱接頭可達到傳統梁柱焊接接合抗彎構架同樣的抗震能力。許多學 者分別使用降伏或摩擦式消能裝置對預力自行復位梁柱接頭進行測試(Christopoulos et al. 2002, Ricles et al. 2002, Rojas et al. 2005, Chou et al. 2006, Tsai et al. 2008, Chou et al. 2008, Chou and Lai 2009, Chou et al. 2009,
周中哲等人 2006, 周中哲及陳俊翰 2007)，此接頭的旗幟型遲滯行為是結 合預力構件與遲滯消能構件，可確保預力構架在達大變形後，可回復至近 乎初始位置。 為了瞭解自復位構架的耐震行為，學者 Ricles 等人(2001)分別以焊接 型接頭與預力接頭設計六樓六跨的抗彎構架，在相同的地震載重歷時作用 下，在最大層間側位移角及殘餘變形量的歷時反應中顯示，含預力接頭之 抗彎構架的耐震能力較含焊接型接頭的抗彎構架好。在學者 Kim and Christopoulos (2008b)中，則以三跨六層樓的抗彎構架，分別設計含焊接型
接頭與含預力接頭之抗彎構架，並比較兩構架的耐震行為，分析的結果顯 示自復位構架的最大層間側位移角與含焊接型接頭的抗彎構架近似或較 小，且自復位構架除一樓處會產生些許殘餘變形，其餘樓層幾乎無殘餘變 形。另外，由預力預鑄混凝土柱的試驗與分析研究中，亦證明此種預力柱 具有自行復位的能力，並不亞於傳統柱的抗震行為(Chou and Chen 2006，
Chou and Hsu 2008，周中哲等人 2006，周中哲及許智堡 2008，周中哲等
人 2009)。
儘管近期的研究指出預力梁柱接頭擁有良好的抗震的性能，學者
Christopoulos (2002a)、Garlock (2002,2007)與 Kim 及 Christopoulos(2008)
分別指出在預力房屋構架系統中，藉由梁柱界面的開合效應可避免接頭處 產生塑性行為，但樓層中柱與樓板會束制預力構架的伸展行為，因此梁的 軸壓力會受到柱與樓板束制而限制構架伸展產生的影響。在柱束制方面， 學者 Christopoulos 等人(2002a)及 Kim and Christopoulos (2008b)中，指出 柱束制效應對梁軸力的影響，並假設柱在上下側樓層處為鉸支承，即某樓 層產生高層間側位移角時，其上側與下側樓層幾乎無位移產生，此為柱束 制效應的極限行為，用以計算柱束制在最嚴重的情況下產生的反應。 在樓板方面，傳統複合式樓板以剪力釘與梁固接，因此當梁柱界面分 離時，樓板會束制梁柱界面的開合行為，若混凝土樓板提供的束制力較 強，不產生明顯的破壞則會對預力梁柱接頭產生很大的束制力，並破壞預 力接頭自行復位的能力(Chou et al. 2005)；學者 Collins 與 Filiatrault (2003) 的研究中，證實當鋼浪板的走向在與預力構架呈垂直時，樓板對預力接頭 的影響不明顯，但為減少樓板在鋼浪板與預力構架平行時產生的束制效 應，學者 Garlock 等人(2002, 2007)提出利用連接梁傳遞樓板的慣性力至預 力構架中[圖 1.2(a)]，且令連接梁產生足夠的撓曲變形，以配合預力構架 產生的伸展變形。Garlock 等人(2006)及 Kim (2007) 改採用僅以單一的剛
性跨，取代原本以全跨傳遞樓板慣性力的方式，此傳遞系統改變了以往傳 統抗彎構架的傳遞方式，唯對柱剪力的分配、界面開合反應以及梁軸力變 化的影響尚需驗證[圖 1.2(b)]。學者 Kim and Christopoulos (2008)則建議以 沿著樓板邊界的接合細節配合梁柱界面間的開合效應[圖 1.2(c)]。更近期 的研究中，學者 Chou et al. (2008)的實驗研究指出只要連續之複合樓板中 的鋼承板沿著柱心線分開，預力接頭仍可自行復位僅產生小的殘餘變位， 且在設計考量下負方向的接頭彎矩可由樓板內的鋼筋提供。學者 Chou et al. (2008)亦證實擁有一個可沿著梁柱接頭介面自由分離之不連續樓板的 預力接頭，其行為近似於純預力接頭的反覆加載行為。 另外，學者 Garlock (2007)提出預力構架的設計步驟，其設計理念認 為預力構架於設計地震層級(DBE)下，預力構架中僅允許消能裝置產生降 伏行為以提供地震能量的消釋，在最大地震層級(MCE)中則允許梁產生降 伏，但不允許挫屈行為發生且提出在超越最大地震層級時，預力梁柱接頭 中破壞的順序，避免結構物倒塌。學者 Kim and Christopoulos (2008b)提出 不同的看法，參照抗彎構架的設計方式，建議在設計地震層級中梁產生塑 角提供預力梁柱接頭的韌性行為，避免預力梁柱接頭所承受的外力持續增 加造成瞬間崩塌的情況。
1.2 研究動機研究動機研究動機研究動機
有鑒於國內並無關於預力自復位抗彎構架的設計方法，而國外現行的 耐震設計規範已認可學者 Garlock et al. (2007)與 Christopoulos et al. (2008) 提出以特殊抗彎構架(SMRF)的設計方式為基礎之預力抗彎構架設計方 法，且兩者設計方法均針對梁柱採預力接頭，而柱底為固接之自復位抗彎 構架，儘管此種構架已能有效減少焊接型抗彎構架中梁柱接頭產生的塑性 變形，構架的一樓處仍會產生永久的殘餘變形。本論文中提出梁柱接頭與
柱底界面均採預力方式接合之自復位構架的設計方式，以消除構架一樓處 產生的殘餘變形，並符合耐震設計的需求。
自復位構架建築物在梁柱界面分離時，構架的伸展行為會造成柱產生 撓曲變形，同時對梁提供束制的效應，在鋼腱內力隨著梁柱界面分離角度 增加的同時，柱對梁提供的束制力亦增加。學者 Christopoulos 等人(2002a) 及 Kim and Christopoulos (2008b)指出柱束制效應與梁柱界面開合的關 係，並假設柱在上下側樓層處為鉸支承，即某樓層產生高層間側位移角 時，其上側與下側樓層幾乎無位移產生，此為柱束制效應的極限行為，用 以計算柱束制在最嚴重的情況下產生的反應；另外，進行二跨一層樓縮小 尺寸的預力構架試驗，構架中利用剛性桿件連結三個柱，並將上下兩端接 合處作成鉸接，以模擬柱在上、下樓層的反曲點，此鉸接的方式並無法反 應出柱受每一樓層開合效應產生的的整體變形，因此試驗所得柱的撓曲勁 度並不適用於真實構架中柱的反應，會超估梁的軸向壓力。因此本研究提 出以柱在符合各樓層界面分離量而產生的整體變形，並配合學者 Kim and Christopoulos(2008b)樓層水平向內力平衡的關係，來計算柱撓曲勁度與柱 束制產生之梁軸力的分析方法，並利用數個彈簧模擬含柱束制效應下預力 梁柱接頭反覆載重行為，進而提出有效模擬預力構架中梁軸力的方法。 針對樓板中鋼浪板走向與構架平行時造成的樓板束制問題，本論文提 出三種不同的樓板接合形式，第一種形式採用與傳統抗彎構架相同的樓 板，但改用含無握裹段的縱向鋼筋及沿柱中心處不連續的鋼浪板，以減少 對預力接頭的束制[圖 1.3(a)]，所有的預力梁與樓板均以剪力釘固接[圖 1.3 (b)與(c)]，與預力梁垂直的樓板梁為簡支梁，並利用剪力釘與樓板固接[圖 1.3 (d)]，但在沿柱中心線處均不使用剪力連接裝置[圖 1.3 (e)]以減少沿柱 中心線上梁的影響，此設計細節是期望在小層間側位移角時，能降低樓板 的開裂現象，且允許樓板在大層間側位移角下產生分離。第二種及第三種
型式均參考學者 Garlock 等人(2006)與 King (2007)的建議採用單一剛性 跨，但分別使用桁架結構(圖 1.4)與複合梁(圖 1.5)傳遞樓層慣性力，由於 樓板與桁架結構為剛性接合且僅放置在預力梁上[圖 1.4 (b)-(d)]，因此可預 期在沿著 A 線上的其他跨上需產生滑動行為，如圖 1.4 (e)與(f)所示，在預 力構架兩側與預力構架呈垂直的樓板梁下，設置滑動支承以提供相對的位 移，另外在預力構架柱 CL 與柱 CR 外側與其外側跨接合時，在剪力板上 使用長槽開孔，以提供預力構架與外跨梁產生的相對位移[圖 1.4 (e)與 (g)]；而以複合梁傳遞樓層慣性力的樓板[圖 1.5(a)]，以剪力釘與自復位構 架中梁 BL 固接[圖 1.5(b)-(d)]，並僅放置在梁 BR 上[圖 1.5(e)]，與第二種 樓板相同，在自復位構架的柱及梁 BR 兩側與樓板梁接合處設置滑動支承 [圖 1.5(a)、(c)與(e)]，並在外柱 CL 及 CR 與外側跨連接的剪力板上開長槽 孔，以提供自復位構架不受到樓板的束至，並可沿著 A 線產生伸展行為。 後兩種樓板為了確保自復位構架與承重構架間平滑地滑動，將鐵氟龍板裝 置在允許樓板滑動處之樓板梁下方，此二種樓板不同於先前研究中之樓 板，但與傳統抗彎構架的設計方式相似，並不需要沿柱中心線切開，且亦 可消除對預力接頭產生的束制行為。
此 外 學 者 Ricles 等 人 (2001) 、 Garlock 等 人 (2007) 與 Kim and
Christopoulos (2008)已由數值分析方式模擬自復位構架載在地震下的耐震 行為，其中梁與柱採預力鋼腱接合且柱底為固接，經由多個地震紀錄的載 重歷時分析，證實預力自行復位抗彎構架能符合特殊抗彎構架(SMRF)的 耐震設計需求，最大的層間側位移角與殘餘側位移角反應均較傳統焊接型 抗彎構架佳或者近似，但由於柱底採用固接的方式，在大變形下柱底仍會 產生殘餘變形。為消除柱底因大變位造成永久的變形，本論文提出柱底亦 使用預力接合的自復位預力抗彎構架，同時藉由側推分析、反覆側推分析 及動力歷時分析評估焊接型抗彎構架與自復位構架在設計地震層級(DBE)
與最大地層級(MCE)中的耐震需求，並比較使用不同柱底接合方式之自復 位構架與焊接型構架，最大樓層側位移角、最大殘餘變形、消能能量、產 生的影響。 1.3 研究研究研究研究方法方法方法方法 本論文針對目前預力預鑄自復位構架發展中遭遇的問題進行研究，研 究主旨分為四個部份： (a)梁與柱及柱與基礎均採預力接合之自復位構架的設計方法：
參考學者 Garlock 等人(2007)及 Kim and Christopoulos (2008b)中建議 之設計方法，建立梁柱接頭及柱與基礎接合均採預力預鑄方式接合之 自復位抗彎構架的設計方法與設計細節，其中包含鋼腱、鋼棒、挫屈 束制消能鋼板、梁軸力與樓板的設計方式。
(b)建議自復位構架設計中，如何評估柱束制效應對梁產生的影響：
有鑒於學者 Christopoulos 等人 (2002)與 Kim and Christopoulos (2008b) 中建議之柱束制效應計算，是考量柱在梁柱界面分離量作用下，假設 與上、下側樓層接合處為鉸支承，此為考慮柱束制效應最嚴重之情 形，本論文建議考慮柱的整體撓曲的變形行為，評估柱束制效應對梁 產生的軸力，研究方式為(1)設計三層樓預力自行復位構架系統，(2) 進行預力自行復位構架的反覆側推分析求柱束制對梁軸力的影響，(3) 利用預力柱的側向變形估計柱對梁的束制效應與梁軸力，及(4)實尺寸 一層二跨的預力構架反覆載重試驗及分析評估。 (c)建議三種樓板的接合型式，以減少樓板對構架產生的束制行為： 傳統樓板以剪力釘與抗彎構架全跨的梁接合，此連續的樓板會限制自 復位構架中梁柱界面的分離行為，建議(1)第一種樓板在沿柱中心線處 採用不連續的鋼浪板，減少樓板的束制力，並以梁柱接頭試驗測試可
行性(圖 1.3)；(2)第二種樓板形式則利用剛性桁架僅連接自復位構架 中一跨梁提供地震力的傳遞，其中樓板僅放置在自復位構架的梁上， 可產生相對的位移，並利用含低摩擦係數之鐵氟龍板的滑動支承，做 為自復位構架與樓板梁接合的界面，以確保構架伸展時可產生相對位 移，文中將利用兩跨一層樓的構架試體，測試僅依靠單一跨梁傳遞地 震側力時對自復位構架的變形、柱剪力的分配、各界面的分離轉角及 梁中軸力的變化影響(圖 1.4)；(3)第三種樓板含有同樣的滑動支承以 提供樓板與自復位構架間的滑動，但取代剛性桁架改以自復位構架中 單一跨的複合梁做為傳遞樓層地震側力的媒介，文中建立一個三維兩 跨一樓的縮尺自復位構架試體，以 17 次地震加載歷時測試此樓板細 節是否能有效傳遞由樓板產生的樓層地震力至預力構架中，且預力構 架能否不受到樓板的束制自由伸展，其次為自復位構架與承重構架在 地震下的反應，以及自復位構架中梁軸力的變化。 (d)柱底採預力方式接合之自復位構架與其他構架的耐震行為比較： 不同於其他學者的建議，本文採用梁與柱及柱與基礎皆採用預力方式 接合之自復位構架，以減少一樓處的殘餘變形，為比較不同柱底接合 方式之構架的耐震行為，先利用縮尺自復位構架試體的數值分析模 型，模擬縮尺試體在地震載重下的行為，以驗證電腦模型的可靠性， 再建立四組三層樓包含焊接型與自復位抗彎構架，以側推分析、反覆 側推分析以及動力歷時分析，比較不同接合方式的構架，在設計地震 層級(DBE)與最大地震層級(MCE)下的耐震性能，並利用 15 組地震進 行動力分析。
第二章
第二章
第二章
第二章 預力
預力
預力
預力預鑄
預鑄
預鑄
預鑄自復位
自復位
自復位構架
自復位
構架
構架設計
構架
設計
設計
設計
2.1 前言前言前言前言 國內目前尚無關於自復位建築構架的相關規範，而國外現行的耐震設 計規範已認可學者 Garlock et al. (2007)與 Kim and Christopoulos et al. (2008) 提出的設計方法(圖 2.1)，其中學者 Garlock et al. (2007)提出在設計地震層 級(DBE Level)地震作用下，自復位構架僅消能裝置進入非線性行為，以提 供地震能量消釋，其餘梁、柱及其他構件均保持彈性，以確保結構物的使 用性，在最大地震層級(MCE Level)之下，梁、柱構件允許產生降伏以提 供更多地震能量消釋，在超過最大地震層級(MCE Level)後，提供回復行 為的預力構件仍需保持彈性，梁亦不得發生挫屈行為，以確保結構物不會 倒塌[圖 2.1(a)]。而學者 Kim and Christopoulos et al. (2008)則參考特殊抗彎 構架(SMRF)的設計方式，在自復位構架達設計地震層級後(DBE Level)， 為避免梁柱接頭處強度持續上升，造成結構物產生瞬間崩塌，設計梁在此 時產生塑鉸，以增加自復位接頭的韌性能力 [圖 2.1(b)]。 有別於兩位學者提出的預力自復位構架接合形式，本論文建議除梁柱 接 頭 採 預 力 鋼 腱 接 合 外 [圖 2.2(a)]， 柱 底 與 基 礎 亦 採 用 預 力 接 合 [圖 2.2(b)]，且裝置學者 Chou et al. (2006, 2008)中建議的挫屈束制削切鋼板 (RFP)，以增加接頭的消能行為，並結合兩位學者建議的設計方式提出建 議之預力預鑄自復位構架的設計方法，在本章節中將詳述預力自行復位抗 彎構架的相關設計細節，並以三層樓預力自行復位抗彎構架建築物為例配 合說明。2.2 節為預力接頭行為介紹，2.3 節為柱束制力的評估，2.4 節為 樓層側力傳遞機制與柱剪力的分配，2.5 節為預力自復位構架的設計流 程，2.6 節為建立自復位構架的電腦分析模型與側推分析。2.2 預力接頭行為介紹預力接頭行為介紹預力接頭行為介紹預力接頭行為介紹 預力接頭的特性在於利用界面開合的效應取代焊接型接頭產生的塑 鉸行為，因此梁與柱間並無焊接，如圖 2.2(a)所示梁與柱是利用高拉力鋼 腱(strands)穿過柱心，並提供初始接合梁柱的預力 Tin，並在接頭的上側與 下側裝置挫屈束制削切鋼板(RFP)，增加接頭的消能行為，梁柱接頭的自 由體圖如圖 2.3(a)所示，梁柱界面分離後會產生分離轉角θg，造成預力鋼 腱伸長，依據 Chou et al. (2008)可以總鋼腱內力 TST作用在梁中心線上簡化 計算，且假設界面分離後中性軸作用在梁翼板與腹板交界處；梁柱界面分 離時，鋼腱內力為初始預力 Tin，此時梁在柱面處的彎矩稱為分離彎矩 Md,b： Md,b =Md,ST +Md,R =Tindcc +TR
( )
2dr (2.1) 其中 Md,ST為初始預力提供的彎矩貢獻，Md,R為消能鋼板提供的彎矩貢獻， dcc為梁中心處與中性軸的距離，2dr為兩側消能鋼板中心的間距，TR為受 拉側消能鋼板未達降伏的軸力，且假設受拉側與受壓側削能鋼板的軸力相 同；如圖 2.4 所示可積分計算長度 LR範圍內消能鋼板的應變，可得鋼板在 達降伏與極限強度時，軸力與位移關係，而消能鋼板提供的彎矩，可假設 以承壓點(Compression toe)為支點，乘以力臂求得。當梁柱界面分離後， 假設上側與下側消能鋼板同時達降伏，此時梁端降伏彎矩 My,b為： My,b =Md,ST +My,R ≅Tindcc +Ty,R( )
2dr (2.2) 其中 My,R為消能鋼板達降伏時提供的彎矩貢獻，Ty,R為消能鋼板的軸向降 伏強度；此外，由於鋼腱於消能鋼板降伏時產生的增量很小，可近似於鋼 腱提供的分離彎矩。在消能鋼板均降伏後，梁端柱面處彎矩 Mb為： Mb =MST +MR =TSTdcc +TR(
dr +dcc)
+CR(
dr −dcc)
(2.3) 其中 MST為鋼腱內力 TST提供的彎矩貢獻，其中包含初始預力 Tin及鋼腱內 力增量∆TST，CR為受壓側消能鋼板的軸力；此時受壓側與受拉側之消能鋼 板提供的軸向力並不相同。而鋼腱內力 TST可由界面分離轉角θg造成的鋼腱伸長量計算： ST ST ST ST b b ST ST ST cc g sp in ST in ST E A A E A E A E L d N T T T T + − θ + = ∆ + = 2 1 (2.4) 其中 Nsp為預力構架的跨數，AST為鋼腱面積，LST為鋼腱長度， EST為鋼 腱的彈性模數，Ab為梁面積，Eb為梁的彈性模數。結合鋼腱與消能鋼板產 生的自復位接頭行為如圖 2.5(a)所示，為一旗幟型行為。 同理在預力柱中可得相似的情況，圖 2.2(b)為預力柱的接合細節，在 基礎內部錨碇可轉動式螺帽，再利用高拉力鋼棒錨碇於柱頂並提供接合的 初始預力 Tin，並於平行於自復位抗彎構架兩側裝置挫屈束制削切鋼板提 供消能能力，由圖 2.3(b)柱底界面的自由體圖中可計算柱底界面的分離彎 矩 Md,c為： R
( )
r c in R d bar d c d T d d T M M M 2 2 , , , = + = + (2.5) 其中 Md,bar為鋼棒初始預力提供的彎矩貢獻，dc為柱寬。同理假設兩側消 能鋼板同時降伏時，柱底降伏彎矩 My,c為： yR( )
r c in R y bar d c y T d d T M M M 2 2 , , , , = + = + (2.6) 在柱底界面分離後，柱底界面分離轉角造成鋼棒伸長產生內力增量∆Tbar， 則柱底彎矩 Mc與鋼棒內力 Tbar為： 2 2 2 R R R c R c bar R bar c t C t d T d T M M M + + + = + = (2.7) bar bar bar bar col col bar bar bar c g in bar in bar E A A E A E A E L d T T T T + − θ + = ∆ + = 1 2 (2.8)其中 Mbar為鋼棒內力提供的彎矩貢獻，dc為柱寬，Ecol為柱的彈性模數，
Acol為柱斷面積，Abar為鋼棒面積，Lbar為鋼棒長度，Ebar則為鋼棒的彈性
2.3 樓層側力傳遞機制與樓層側力傳遞機制與樓層側力傳遞機制與樓層側力傳遞機制與梁軸力梁軸力梁軸力梁軸力的的的變化的變化變化 變化 2.3.1 梁軸力變化梁軸力變化梁軸力變化 梁軸力變化 前一章節提到樓板會對自復位構架的開合行為產生束制效應，因此本 論文中提出三種可適用於預力自復位構架中的樓板，包含局部連續且與自 復位構架全跨梁固接的樓板(圖 1.3)，以及利用剛性桁架或複合梁與自復位 構架單跨接合之樓板(圖 1.4 與圖 1.5)；已知結構設計中樓板與抗彎構架全 跨固接時，樓層側力 Fx傳遞至柱中，是以外柱剪力為內柱剪力的 1/2 進行 分配，本文假設在以單跨傳遞樓層側力之樓板形式中，樓層側力亦以相同 的分配比例傳遞，後續的行為探討均以第三種樓板為例(圖 1.5)。 預力梁柱接頭在大變形下，界面會產生分離量∆b[=θg (db-tf)]，圖 2.6(a) 為預力預鑄構架在地震作用下的變形示意圖，當承重構架變形為∆d 時，預 力構架受到梁柱界面開合量∆b 的影響產生伸展行為，且梁在受力情況下會 產生壓縮量 δb，則樓層中預力構架的跨距由原本的 Lc增加至 Lc+∆b-δb，在 此開合量下鋼腱會伸長並對梁提供軸力增量∆TST，同時在柱底跨距不變的 情況下構架伸展會造成柱產生撓曲變形，並對梁產生束制力∆Fcc；此外樓 層重量在加速度作用下產生樓層慣性力(Fx)，且作用在梁 BL 上，如圖 2.7(a) 預力自復位構架自由體圖所示，並由先前假設樓層側力 Fx傳遞至中間柱 CC 為外側柱 CL 與柱 CR 的兩倍，依外側柱 CL 之水平力平衡關係[圖 2.7 (b)] 可求得梁 BL 左側梁軸力為：
[
(
)
]
(
)
4 4 4 , , , , x b in Rll Rll u x l x l cc u cc ST in bll F F T C T V V F F T T F − ∆ + = − + − − ∆ + ∆ + ∆ + = (2.9) 其中∆Fb為梁軸力增量，包含鋼腱伸長量所造成的軸力增量(∆TST)，上面樓 層(∆Fcc,u)與下面樓層(∆Fcc,l)的柱束制力增量；Vx,l與 Vx,u分別為樓層下側與 上側之剪力，TRll與 CRll則分別為消能鋼板產生之拉力與壓力，其中假設消能鋼板產生的拉力與壓力相同方向相反。利用圖 2.7 (c)梁 BL 之自由體 圖中水平力平衡關係可得梁 BL 右端之梁軸力 Fblr為：
(
) (
)
4 3 x b in Rlr Rlr Rll Rll x bll blr F F T C T T C F F F + ∆ + = − + − + + = (2.10) 其中 TRlr與 CRlr分別為柱 CC 左面上側與下側消能鋼板產生的水平力。由於 梁 BR 上與樓板間並未採用任何剪力連結裝置傳遞樓層側力，因此梁 BR 內 的軸力分布為常數(即 Fbrl=Fbrr)，並可由柱 CC 水平向力平衡計算[圖 2.7 (b)]：(
) (
)
4 2 2 , , x b in Rrl Rrl Rlr Rlr u x l x blr brl F F T C T T C V V F F + ∆ + = − + − + − − = (2.11) 其中 TRrl與 CRrl分別為柱 CC 右面上側與下側消能鋼板產生的水平力；圖 2.6(b)顯示疊加各分力後，梁軸力的分佈情形，在正方向作用下梁 BL 右側 會產生最大軸力，梁 BL 左側最小，在反方向作用下則相反[圖 2.6(c)]。此 外，利用 x 處梁斷面的自由體，取彎矩平衡可計算梁 BL 上，沿 x 方向上 彎矩 Mbl的變化(圖 2.8)，其中梁端彎矩分別為：(
)
(
)
(
)
(
Rrr Rrr)
r cc brr brr r Rrl Rrl cc brl brl r Rlr Rlr cc blr blr r Rll Rll cc bll bll d C T d F M d C T d F M d C T d F M d C T d F M + + = + + = + + = + + = (2.12) 其中 TRrr與 CRrr分別為柱 CR 左面上側與下側消能鋼板產生的水平力。圖 中假設樓層側力為均勻加載，且虛線表示梁可提供的降伏撓曲強度，Mry 為含梁翼加勁板降伏時的撓曲強度，Mcy 為考慮複合梁降伏時的撓曲強 度，Mny則為梁的降伏撓曲強度，此變化是依據梁翼加勁板的長度與斷面 積決定。2.4 柱束制力的評估柱束制力的評估柱束制力的評估柱束制力的評估 2.4.1 考慮柱的整體側向變形求柱的撓曲勁度考慮柱的整體側向變形求柱的撓曲勁度考慮柱的整體側向變形求柱的撓曲勁度 考慮柱的整體側向變形求柱的撓曲勁度 在梁柱界面分離前並無柱束制效應產生，柱束制效應是由梁柱界面分 離導致預力構架伸展所造成[圖 2.6(a)]，圖 2.9 顯示三層樓的預力構架在側 向載重下的變形情形，預力構架系統在受到柱束制效應的情形下，在梁柱 接頭介面產生分離時，柱面與梁會產生間隙(各樓層的間隙均稱為∆b)，造 成柱與柱間距增加，鋼腱伸長造成預力增加，也使梁在受軸向力而壓縮， 並造成外側柱 CL 與柱 CR 產生撓曲變形。 如圖 2.9 所示梁的軸力沿著跨數對中間柱呈對稱分佈，梁上軸力的增 量包含鋼腱與柱束制效應[Christopoulos et al. (2002)，Kim and Christopoulos
(2009)]，在最外跨的梁軸力增量∆Fb,1為： δ − ∆ + δ − ∆ = δ = ∆ ∑ ∑ = = n i i b b c n i i b b ST b b b K K n K n F 1 , 1 , 1 , 1 , 2 (2.13) 則第 m 跨的梁軸力∆Fb,m包含初始預力 Tin、鋼腱內力增量∆TST與外側跨產 生的梁軸力為： ( ) δ − ∆ + − + ∆ = δ = ∆
