翼型鋼柱與鋼梁加勁式接頭耐震行為

國 立 交 通 大 學

土木工程學系碩士班

碩 士 論 文

翼型鋼柱與鋼梁加勁式接頭耐震行為

Seismic Performance of Steel Wide Flange

Column-to-Beam Connections Using Internal Flange

Stiffeners

研究生：羅盛威

指導教授：劉俊秀博士 周中哲 博士

翼型鋼柱與鋼梁加勁式接頭耐震行為

Seismic Performance of Steel Wide Flange Column-to-Beam

Connections Using Internal Flange Stiffeners

研究生: 羅盛威 Student : Sheng-Wei Lo 指導教授: 劉俊秀 博士 Advisor : Dr. Gin-Show Liou 周中哲 博士 Dr. Chung-Che Chou

國立交通大學 土木工程學系碩士班

碩士論文

A Thesis

Submitted to Department of Civil Engineering National Chiao Tung University

In Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of Science

in

Civil Engineering January 2012

Hsinchu, Taiwan, Republic of China 中華民國一百零一年一月

翼型鋼柱與鋼梁加勁式接頭耐震行為

研究生:羅盛威 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

本研究主要探討翼型鋼柱與鋼梁接合之梁翼內側加勁板接頭耐震行 為，共進行四組實尺寸之梁柱接頭試驗，試體之鋼梁翼板與翼型柱採全滲 透焊道接合，梁腹板則與柱剪力板以摩阻型螺栓接合。四組試體中，其中 一組為傳統梁柱接頭，另外三組為梁翼內側加勁板補強接頭，其參數變化 分別為加勁板厚度、加勁板形狀以及鋼梁材質的改變，此三組補強接頭於 試驗後其韌性行為良好，滿足AISC(2005)耐震設計規範所要求的位移歷時 至4% 弧 度 層 間 側 位 移 角 。 本 研 究 並 利 用 非 線 性 有 限 元 素 分 析 程 式 ABAQUS(2003)模擬接頭試驗結果，並運用各項參數來探討接頭在地震力 作用下可能之破壞位置。

Seismic Performance of Steel Wide Flange Column-to-Beam

Connections Using Internal Flange Stiffeners

Student : Sheng-Wei Lo Advisor : Dr. Gin-Show Liou Dr. Chung-Che Chou

Department of Civil Engineering National Chiao Tung University

Abstract

The research presents test and finite element analysis results of steel wide flange column-to-beam connections using internal flange stiffeners (IFS). Four full-scale moment connections were tested. All specimens had bolted web connection and welded beam-to-column flange using complete joint penetration welds. One specimen without internal flange stiffeners was tested as a benchmark. Three rehabilitated moment connections had different shape stiffeners and beam material. All rehabilitated moment connections showed excellent performance under the AISC (2005) seismic loads in excess of 4% drift. All specimens were also modeled using the computer program ABAQUS (2003) for the correlation study.

誌謝

論文經過多年的時間終於完成，首先必須感謝的就是我的指導教授-周中哲博士。在研究所期間經歷了兩年徹底的放空，我開始認真思考人生 的意義，許多價值觀變得與以前大不相同，我開始相信這些改變對我將來 是有幫助的，因此我走出了人生的低潮，謝謝周老師始終沒有放棄我，並 鼓勵我繼續完成這本論文。 同時，還要感謝俊翰學長於研究所期間的熱心幫忙，以及我的同窗鈞 棋於作實驗時的陪伴與協助。而206研究室的所有成員，學長俊翰、昇陽、 浩然及同學鈞棋、家福，每一個人都是我的開心果，與你們朝夕相處的日 子是一段難忘又開心的回憶。 最後我要謝謝我的家人及鼓勵我的親友，尤其是我的爸媽，這段時間 你們辛苦了，總是在我身邊支援我的一切，真的很感謝你們。

目錄

中文摘要... I 英文摘要... II 誌謝...III 目錄...IV 表目錄...VI 圖目錄... VII 照片目錄...XIII 第一章 緒論...1 1.1 前言...1 1.2 文獻回顧...1 1.2.1 梁翼板削切之減弱式接頭...1 1.2.2 蓋板補強之梁柱接頭...2 1.2.3 梁翼內側加勁板補強之梁柱接頭...2 1.3 研究動機...3 1.4 研究目的...3 1.5 研究內容...4 第二章 鋼造梁柱梁翼內側加勁板接頭試體設計...5 2.1 前言...5 2.2 IFS接頭試體設計...5 2.3 梁柱交會區之韌性設計...7 2.4 梁柱梁翼內側補強接頭試體...9 2.4.1 材料性質...9 2.4.2 強柱弱梁比...9 2.4.3 加勁板尺寸...10 2.4.4 梁柱接頭接合細節...12 2.4.5 梁柱交會區疊合板厚度...13 2.4.6 疊合板接合細節...15 2.5 試體試驗構架及載重歷時...16 2.5.1 油壓制動器...16 2.5.2 資料擷取系統...16 2.5.3 試驗載重歷時...17 2.6 試體量測規劃...17 第三章 IFS補強前後之梁柱接頭試體實驗結果與分析...20 3.1 前言...20

3.3 試體UR試驗結果 ...20 3.3.1 試驗現象觀察...21 3.3.2 整體反應...23 3.3.3 局部反應...24 3.4 試體IFS1 試驗結果...25 3.4.1 試驗現象觀察...25 3.4.1.1 第一次試驗現象觀察...25 3.4.1.2 第二次試驗現象觀察...27 3.4.2 整體反應...28 3.4.3 局部反應...29 3.5 試體IFS2 試驗結果...31 3.5.1 試驗現象觀察...31 3.5.1.1 第一次試驗現象觀察...31 3.5.1.2 第二次試驗現象觀察...33 3.5.2 整體反應...35 3.5.3 局部反應...36 3.6 試體IFS3 試驗結果...38 3.6.1 試驗現象觀察...38 3.6.1.1 第一次試驗現象觀察...38 3.6.1.2 第二次試驗現象觀察...40 3.6.2 整體反應...42 3.6.3 局部反應...43 3.7 試體IFS試驗結果比較...45 3.7.1 實驗現象比較...45 3.7.2 整體反應比較...46 3.7.3 局部反應比較...47 第四章 有限元素分析...50 4.1 前言...50 4.2 試體有限元素模型建立...50 4.3 各試體分析結果...51 4.3.1 梁端彎矩與位移關係及彈性勁度比較...52 4.3.2 局部行為比較...52 4.3.3 參數比較...53 第五章 結論與建議...58 5.1 結論...58 5.2 建議...59 參考文獻...60 附件 A...240

表目錄

表2.1 各梁柱接頭試體鋼材材料性質...61 表2.2 各試體梁柱接頭之尺寸及強柱弱梁比...61 表2.3 試驗前補強接頭之設計值...62 表2.4 各試體剪力板螺栓數量...62 表2.5 各試體梁柱交會區強度及剪力強度比...62 表3.1 各試體破壞模式與梁端最大塑性轉角...63 表3.2 各試體梁翼與腹板最大挫屈幅度與位置

( )

mm ...63 表3.3 試體各部位情形綜合比較...64 表3.4 各試體之彎矩強度...64 表3.5 各IFS試體於各層間側位移角之梁彎矩強度需求比α ...65 表3.6 各IFS試體之加勁板降伏範圍...66 表3.7 試驗後補強接頭之實際值...66 表4.1 A572Gr.50鋼材之ABAQUS硬化參數輸入指令...67 表4.2 A36鋼材之ABAQUS硬化參數輸入指令...67 表4.3 TEST與ABAQUS之彎矩及彈性勁度比較表...68

圖目錄

圖1.1 Lee和Uang (2005)之翼板削切式梁柱接頭 ...69 圖1.2 Whittaker和Kim (2002)之蓋板補強式梁柱接頭 ...69 圖1.3 Chou和Jao（2007）之箱型鋼柱與鋼梁接合之IFS補強接頭 ...70 圖2.1 梁柱梁翼內側加勁板補強接頭彎矩強度與需求(矩形IFS) ...71 圖2.2 梁翼內側加勁板受力方式

(

TopStiffener

)

...71 圖2.3 梁柱梁翼內側加勁板補強接頭彎矩強度與需求(三角形IFS) ...72 圖2.4 實驗構架示意圖...73 圖2.5 實驗載重歷時...73 圖2.6 試體UR之梁柱接頭接合細節...74 圖2.7 試體IFS1 之梁柱接頭接合細節...75 圖2.8 試體IFS2 之梁柱接頭接合細節...75 圖2.9 試體IFS3 之梁柱接頭接合細節...76 圖2.10 試體編號UR及IFS1-2 之疊合板接合細節...77 圖2.11 試體編號IFS3 之疊合板接合細節...78 圖2.12 試體UR應變記與位移計配置...79 圖2.13 試體IFS1 應變記與位移計配置...80 圖2.14 試體IFS2-3 應變記與位移計配置 ...81 圖2.15 梁柱交會區變形量測...82 圖2.16 梁柱交會區剪力變形...82 圖2.17 梁柱交會區剪力變形示意圖 (剛體旋轉前)...83 圖2.18 梁柱交會區剪力變形示意圖 (剛體旋轉後)...83

圖3.1 各試體彎矩與梁端位移關係圖...84 圖3.2 各試體彎矩與柱轉角分量關係圖

(

1_stTest

)

...84 圖3.3 各試體彎矩與交會區剪力變形關係圖

(

1_stTest

)

...85 圖3.4 各試體梁端位移分量之比較

(

1_stTest

)

...85 圖3.5 試體UR彎矩與上翼板沿梁縱向之應變關係...86 圖3.6 試體UR彎矩與下翼板沿梁縱向之應變關係...87 圖3.7 試體UR梁翼板縱向應變分佈圖...88 圖3.8 試體UR彎矩與上翼板沿梁橫向之應變關係...89 圖3.9 試體UR彎矩與下翼板沿梁橫向之應變關係...90 圖3.10 試體UR梁翼板橫向應變分佈圖...91 圖3.11 試體IFS1 彎矩與上翼板沿梁縱向之應變關係...92 圖3.12 試體IFS1 彎矩與下翼板沿梁縱向之應變關係...93 圖3.13 試體IFS1 梁翼板縱向應變分佈圖...94 圖3.14 試體IFS1 彎矩與上翼板沿梁橫向之應變關係...95 圖3.15 試體IFS1 彎矩與下翼板沿梁橫向之應變關係...96 圖3.16 試體IFS1 梁翼板橫向應變分佈圖...97 圖3.17 試體IFS1 彎矩與加勁板應變關係...98 圖3.18 試體IFS1 彎矩與加勁板應變關係 (續) ...99 圖3.19 試體IFS1 加勁板應變分佈...100 圖3.20 試體IFS1 加勁板應力分佈...101 圖3.21 試體IFS2 彎矩與上翼板沿梁縱向之應變關係...102 圖3.22 試體IFS2 彎矩與下翼板沿梁縱向之應變關係...103

圖3.23 試體IFS2 梁翼板縱向應變分佈圖...104 圖3.24 試體IFS2 彎矩與上翼板沿梁橫向之應變關係...105 圖3.25 試體IFS2 彎矩與下翼板沿梁橫向之應變關係...106 圖3.26 試體IFS2 梁翼板橫向應變分佈圖...107 圖3.27 試體IFS2 彎矩與加勁板應變關係...108 圖3.28 試體IFS2 彎矩與加勁板應變關係 (續) ...109 圖3.29 試體IFS2 加勁板應變分佈...110 圖3.30 試體IFS2 加勁板應力分佈... 111 圖3.31 試體IFS3 彎矩與上翼板沿梁縱向之應變關係...112 圖3.32 試體IFS3 彎矩與下翼板沿梁縱向之應變關係...113 圖3.33 試體IFS3 梁翼板縱向應變分佈圖...114 圖3.34 試體IFS3 彎矩與上翼板沿梁橫向之應變關係...115 圖3.35 試體IFS3 彎矩與下翼板沿梁橫向之應變關係...116 圖3.36 試體IFS3 梁翼板橫向應變分佈圖...117 圖3.37 試體IFS3 彎矩與加勁板應變關係...118 圖3.38 試體IFS3 彎矩與加勁板應變關係 (續) ...119 圖3.39 試體IFS3 加勁板應變分佈...120 圖3.40 試體IFS3 加勁板應力分佈...121 圖3.41 各試體彎矩與位移關係包絡線圖比較...122 圖3.42 各試體梁柱界面縱向應變比較

(

NegativeBending

)

...123 圖3.43 各試體梁柱界面縱向應變比較

(

PositiveBending

)

...124

圖3.45 各IFS試體梁柱界面縱向應變比較

(

PositiveBending

)

...126

圖3.46 各IFS試體梁柱界面縱向應變比較

(

NegativeBending

)

...127

圖3.47 各IFS試體梁柱界面縱向應變比較

(

PositiveBending

)

...128

圖3.48 各試體梁柱界面橫向應變比較

(

NegativeBending

)

...129 圖3.49 各試體梁柱界面橫向應變比較

(

PositiveBending

)

...130 圖3.50 各IFS試體加勁板應變比較...131 圖3.51 各IFS試體加勁板應力比較...132 圖3.52 各IFS試體加勁板提供之彎矩...133 圖3.53 各IFS試體加勁板提供之塑性彎矩 Mps比例...133

)

圖3.54 各IFS試體加勁板提供的彎矩佔整體彎矩的比例...134 圖4.1 試體UR之結構模型網格分佈...135 圖4.2 試體IFS1 之結構模型網格分佈...135 圖4.3 試體IFS2 之結構模型網格分佈...136 圖4.4 各試體剪力板螺栓之模擬

(

Part ...136 圖4.5 梁柱接頭區之焊道及扇形開口模擬情形...137 圖4.6 試體IFS1 加勁板與梁及柱接合之模擬情形...138 圖4.7 試體IFS2 加勁板與梁及柱接合之模擬情形...139 圖4.8 焊道單向加載之應力應變圖...140 圖4.9 試體編號UR及IFS1-3 之梁端彎矩與位移關係比較圖...140 圖4.10 試體編號UR及IFS1-3 之梁上翼板應變比較圖...141 圖4.11 試體編號UR及IFS1-3 之梁下翼板應變比較圖 ...141

圖4.12 試體IFS1 之加勁板應變比較圖

(

Negative Bending

)

...142

圖4.13 試體IFS1 之加勁板應變比較圖

(

PositiveBending

)

...142

圖4.14 試體IFS2 之加勁板應變比較圖

(

Negative Bending

)

...143

圖4.15 試體IFS2 之加勁板應變比較圖

(

PositiveBending

)

...143

圖4.16 試體IFS3 之加勁板應變比較圖

(

Negative Bending

)

...144

圖4.17 試體IFS3 之加勁板應變比較圖

(

PositiveBending

)

...144

圖4.18 試體IFS1 之加勁板ABAQUS應力分佈圖

(

Negative Bending

)

...145

圖4.19 試體IFS1 之加勁板ABAQUS應力分佈圖

(

PositiveBending

)

...145

圖4.20 試體IFS2 之加勁板ABAQUS應力分佈圖

(

Negative Bending

)

...146

圖4.21 試體IFS2 之加勁板ABAQUS應力分佈圖

(

PositiveBending

)

...146

圖4.22 試體IFS3 之加勁板ABAQUS應力分佈圖

(

Negative Bending

)

...147

圖4.23 試體IFS3 之加勁板ABAQUS應力分佈圖

(

PositiveBending

)

...147

比 圖4.24 各IFS加勁板於分析結果中所提供之彎矩...148 圖4.25 各IFS加勁板於分析結果中所提供之 Mps 例...148 圖4.26 各IFS加勁板於分析結果中所提供之彎矩佔整體總彎矩的比例...149 圖4.27 試體UR分析模型之各項參數分佈圖

(

θ =−3.0%Drift

)

...150 圖4.28 試體UR分析模型之各項參數分佈圖

(

θ = +3.0%Drift

)

...151 圖4.29 試體IFS1 分析模型之各項參數分佈圖

(

θ =−3.0%Drift

)

...152

圖4.30 試體IFS1 分析模型之各項參數分佈圖

(

θ = +3.0%Drift

)

...153 圖4.31 試體IFS2 分析模型之各項參數分佈圖

(

θ =−3.0%Drift

)

...154 圖4.32 試體IFS2 分析模型之各項參數分佈圖

(

θ = +3.0%Drift

)

...155 圖4.33 試體IFS3 分析模型之各項參數分佈圖

(

θ =−3.0%Drift

)

...156 圖4.34 試體IFS3 分析模型之各項參數分佈圖

(

θ = +3.0%Drift

)

...157 圖4.35 模型UR及IFS於各位置之破裂參數RI比較圖

(

θ =−3.0%Drift

)

...158 圖4.36 模型UR及IFS於各位置之破裂參數RI比較圖

(

θ =−4.0%Drift

)

...159 圖4.37 模型UR及IFS於各位置之破裂參數RI綜合比較圖 ...160

圖4.38 各模型於柱翼板LineD1位置處之柱向應變

(

NegativeBending

)

...161

圖4.39 各模型於柱翼板LineD2位置處之柱向應變

(

PositiveBending

)

...162

圖4.40 模型UR於柱翼板LineE位置處之柱向應變...163 圖4.41 模型IFS1 於柱翼板LineE位置處之柱向應變...164 圖4.42 模型IFS2 於柱翼板LineE位置處之柱向應變...165 圖4.43 模型IFS3 於柱翼板LineE位置處之柱向應變...166 圖4.44 各模型於柱翼板LineD位置處之柱向應變比較...167 圖4.45 各模型於柱翼板LineE位置處之柱向應變比較...168

照片目錄

照片2.1 試體 UR 梁翼板與柱板焊接情形...169 照片2.2 試體 IFS3 加勁板與梁翼板及柱板焊接情形...169 照片3.1 試體 UR 梁翼板 UT 檢測...170 照片3.2 試體 IFS2 交會區橫隔板焊道 UT 檢測 ...170 照片3.3 試體 UR 試驗前全景 ...171 照片3.4 試體 UR 梁上翼板輕微降伏 (θ =−0.75%弧度) ...171 照片3.5 試體 UR 梁腹板於近剪力板處降伏 (θ =+0.75%)...172 照片3.6 試體 UR 梁下翼板降伏 (θ =+1%弧度)...172 照片3.7 試體 UR 下翼板內側降伏 (θ =+1%弧度)...173 照片3.8 試體 UR 梁腹板於扇形開口處降伏 (θ =+1%弧度)...173 照片3.9 試體 UR 柱板位於梁下翼板焊道外側處降伏 (θ =+1%弧度)...174 照片3.10 試體 UR 梁下翼板降伏範圍擴大 (θ =+1.5%弧度)...174 照片3.11 試體 UR 梁下翼板內側及腹板降伏擴大 (θ =+1.5%弧度) ...175 照片3.12 試體 UR 梁上翼板與柱板接合之焊道產生裂縫 (θ =−2%弧度)...175 照片3.13 試體 UR 梁下翼板降伏情形 (θ =+2%弧度) ...176 照片3.14 試體 UR 梁下翼板與柱板接合之焊道產生裂縫(θ =+2%弧度)...176 照片3.15 試體 UR 梁上翼板降伏範圍持續擴大 (θ =−3%弧度) ...177 照片3.16 試體 UR 梁腹板與剪力板產生相對位移 (θ =−3%弧度) ...177 照片3.17 試體 UR 梁下翼板降伏情形 (θ =+3%弧度) ...178 照片3.18 試體 UR 尚未發生任何挫屈情形 (θ =+3%弧度)...178 照片3.19 試體 UR 上翼板左側與焊道交界處裂縫(θ =−4%弧度第一圈) ...179 照片3.20 試體 UR 上翼板右側與焊道交界處裂縫(θ =−4%弧度第一圈) ...179 照片3.21 試體 UR 梁上翼板於扇形開口處產生凹陷(θ =−4%弧度第一圈) ...180 照片3.22 試體 UR 上翼板與腹板於扇形開口處開裂(θ =−4%弧度第一圈) ...180 照片3.23 試體 UR 下翼板與腹板於扇形開口處開裂(θ =+4%弧度第一圈) ...181 照片3.24 試體 UR 下翼板左側與焊道交界處裂縫(θ =+4%弧度第一圈) ...181 照片3.25 試體 UR 下翼板右側與焊道交界處裂縫 (θ =+4%弧度第一圈) ...182 照片3.26 試體 UR 梁上翼板完全斷裂 (θ =−4%弧度第二圈時) ...182 照片3.27 試體 UR 最大位移角全景 (θ =+4%弧度) ...183

照片3.28 試體 IFS1 第一次試驗前全景...183 照片3.29 試體 IFS1 下翼板降伏 (θ =−0.75%弧度)...184 照片3.30 試體 IFS1 梁腹板於近剪力板處降伏 (θ =+0.75%弧度)...184 照片3.31 試體 IFS1 背側之柱板於上橫隔板處降伏(θ 0.75%弧度結束時) ...185 = 照片3.32 試體 IFS1 背側之柱板於下橫隔板處降伏(θ 0.75%弧度結束時) ...185 = 照片3.33 試體 IFS1 梁腹板降伏範圍擴大 (θ =+1%弧度)...186 照片3.34 試體 IFS1 梁下翼板降伏擴大(θ =−1.5%弧度)...186 照片3.35 試體 IFS1 梁下翼板內側降伏擴大 (θ =−1.5%弧度)...187 照片3.36 試體 IFS1 梁上翼板出現降伏 (θ =+1.5%弧度)...187 照片3.37 試體 IFS1 梁上翼板降伏擴大 (θ =−2%弧度)...188 照片3.38 試體 IFS1 加勁板及交會區保持彈性 (θ =+2%弧度)...188 照片3.39 試體 IFS1 梁上翼板降伏擴大 (θ =−3%弧度)...189 照片3.40 試體 IFS1 梁下翼板降伏擴大(θ =+3%弧度)...189 照片3.41 試體 IFS1 梁上翼板降伏擴大 (θ =−4%弧度)...190 照片3.42 試體 IFS1 背側柱板於上橫隔板處降伏情形 (θ =−4%弧度)...190 照片3.43 試體 IFS1 右側加勁板端部與上翼母材產生裂縫 (θ =+4%弧度)...191 照片3.44 試體 IFS1 梁腹板產生輕微挫屈 (θ =+4%弧度)...191 照片3.45 試體 IFS1 梁上翼板產生輕微挫屈 (θ 4%弧度結束時) ...192 = 照片3.46 試體 IFS1 第一次試驗結束前全景 (θ =+4%弧度)...192 照片3.47 試體 IFS1 第二次試驗前加勁板與梁接合之裂縫修補...193 照片3.48 試體 IFS1 第二次試驗前全景...193 照片3.49 試體 IFS1 上翼板焊道處開裂約10mm (θ 2%弧度結束) ...194 = 照片3.50 試體 IFS1 梁上翼板挫屈情形 (θ 4%弧度結束) ...194 = 照片3.51 試體 IFS1 加勁板端部與下翼板接合處開裂 (θ 4%弧度結束) ...195 = 照片3.52 試體 IFS1 柱翼板與加勁板端部接合處開裂 (θ 5%弧度結束) ...195 = 照片3.53 試體 IFS1 梁上翼板局部挫屈情形 (θ 5%弧度結束) ...196 = 照片3.54 試體 IFS1 梁整體側向扭轉挫屈情形 (θ 5%弧度結束) ...196 = 照片3.55 試體 IFS1 最大位移角之全景 (θ =+5%弧度)...197 照片3.56 試體 IFS2 第一次試驗前全景...197 照片3.57 試體 IFS2 梁下翼板出現降伏(θ =−0.5%弧度)...198 照片3.58 試體 IFS2 背側之柱板於上下橫隔板高度處降伏(θ =−0.5%弧度)...198

照片3.59 試體 IFS2 梁上翼板內側出現降伏(θ =−0.5%弧度)...199 照片3.60 試體 IFS2 梁上翼板降伏範圍擴大(θ =−2%弧度)...199 照片3.61 試體 IFS2 梁腹板降伏範圍擴大 (θ =−2%弧度)...200 照片3.62 試體 IFS2 扇形開口處附近出現降伏 (θ =−2%弧度)...200 照片3.63 試體 IFS2 梁下翼板降伏範圍擴大 (θ =−2%弧度)...201 照片3.64 試體 IFS2 梁腹板與剪力板出現相對位移 (θ =−3%弧度)...201 照片3.65 試體 IFS2 左側下方加勁板出現降伏 (θ =−3%弧度)...202 照片3.66 試體 IFS2 上翼板焊道附近之柱板出現降伏 (θ =+3%弧度)...202 照片3.67 試體 IFS2 柱翼板產生輕微之變形 (θ =+3%弧度)...203 照片3.68 試體 IFS2 加勁板後方之柱板內側降伏 (θ =+3%弧度)...203 照片3.69 試體 IFS2 加勁板降伏情形 (θ =−4%弧度)...204 照片3.70 試體 IFS2 上翼板之降伏情形 (θ =−4%弧度)...204 照片3.71 試體 IFS2 下翼板之降伏情形 (θ =+4%弧度)...205 照片3.72 試體 IFS2 加勁板端部與翼板接合處開裂 (θ 4%弧度結束) ...205 = 照片3.73 試體 IFS2 第一次試驗結束前全景 (θ =+4%弧度)...206 照片3.74 試體 IFS2 第二次試驗前加勁板與梁接合之裂縫修補...206 照片3.75 試體 IFS2 第二次試驗時梁上翼板焊道產生裂痕 (θ =−1%弧度)...207 照片3.76 試體 IFS2 柱板產生輕微變形 (θ =−4%弧度)...207 照片3.77 試體 IFS2 梁下翼板焊道產生裂縫 (θ 4%弧度結束) ...208 = 照片3.78 試體 IFS2 加勁板端部產生5mm挫屈 (θ =−5%弧度第一圈)...208 照片3.79 試體 IFS2 梁腹板於塑鉸處產生7mm挫屈 (θ =−5%弧度第一圈)...209 照片3.80 試體 IFS2 梁下翼板產生側向扭轉挫屈 (θ =−5%弧度第一圈)...209 照片3.81 試體 IFS2 加勁板端部產生20mm裂縫 (θ =−5%弧度第一圈)...210 照片3.82 試體 IFS2 梁上翼板母材斷裂 (θ =−5%弧度第二圈)...210 照片3.83 試體 IFS2 梁上翼板斷裂亦造成柱板開裂 (θ =−5%弧度第二圈)...211 照片3.84 試體 IFS2 最大位移角之全景 (θ =+5%弧度)...211 照片3.85 試體 IFS3 第一次試驗前全景...212 照片3.86 試體 IFS3 梁上翼板輕微降伏 (θ 0.375%弧度結束) ...212 = 照片3.87 試體 IFS3 梁下翼板輕微降伏 (θ 0.375%弧度結束) ...213 = 照片3.88 試體 IFS3 梁下翼板內側降伏 (θ 0.375%弧度結束) ...213 = 照片3.89 試體 IFS3 梁下翼板內側降伏範圍增加 (θ 0.5%弧度結束) ...214 =

照片3.90 試體 IFS3 梁下翼板降伏範圍增加 (θ 0.5%弧度結束) ...214 = 照片3.91 試體 IFS3 加勁板出現輕微降伏 (θ 0.5%弧度結束) ...215 = 照片3.92 試體 IFS3 梁下翼板內側降伏範圍增加 (θ =−1.5%弧度)...215 照片3.93 試體 IFS3 梁上翼板降伏範圍增加 (θ =−2%弧度)...216 照片3.94 試體 IFS3 梁下翼板降伏範圍增加 (θ =−2%弧度)...216 照片3.95 試體 IFS3 梁腹板塑鉸處出現降伏 (θ =−2%弧度)...217 照片3.96 試體 IFS3 交會區柱板內側出現降伏 (θ =+2%弧度)...217 照片3.97 試體 IFS3 梁上翼板降伏情形 (θ =−3%弧度)...218 照片3.98 試體 IFS3 梁塑鉸處降伏嚴重 (θ =−3%弧度)...218 照片3.100 試體 IFS3 交會區疊合板出現輕微降伏 (θ =+3%弧度)...219 照片3.101 試體 IFS3 梁上翼板降伏情形 (θ =−4%弧度)...220 照片3.102 試體 IFS3 梁腹板於塑鉸處產生2mm挫屈 (θ =−4%弧度)...220 照片3.103 試體 IFS3 梁下翼板產生輕微側向扭轉挫屈 (θ =−4%弧度)...221 照片3.104 試體 IFS3 梁上翼於加勁板端部產生2mm挫屈 (θ =+4%弧度)...221 照片3.105 試體 IFS3 交會區疊合板降伏情形 (θ 4%弧度結束) ...222 = 照片3.106 試體 IFS3 加勁板降伏情形 (θ 4%弧度結束) ...222 = 照片3.107 試體 IFS3 第一次試驗結束前全景 (θ =+4%弧度)...223 照片3.108 試體 IFS3 第二次試驗前全景...223 照片3.109 試體 IFS3 梁翼和柱板接合之焊道出現小裂痕 (θ =−1%弧度)...224 照片3.110 試體 IFS3 梁翼和加勁板接合之焊道出現小裂痕(θ =−1%弧度)...224 照片3.111 試體 IFS3 加勁板焊道端部出現小裂痕 (θ =−1.5%弧度) ...225 照片3.112 試體 IFS3 梁腹板於塑鉸處產生3mm挫屈 (θ =−3%弧度)...225 照片3.113 試體 IFS3 加勁板焊道端部出現小裂痕 (θ =−3%弧度)...226 照片3.114 試體 IFS3 加勁板焊道端部出現小裂痕 (θ =−3%弧度)...226 照片3.115 試體 IFS3 加勁板焊道端部出現小裂痕 (θ =−3%弧度)...227 照片3.116 試體 IFS3 梁腹板於塑鉸處產生8mm挫屈 (θ =−4%弧度)...227 照片3.117 試體 IFS3 梁下翼板產生10mm撓曲變形 (θ =−4%弧度) ...228 照片3.118 試體 IFS3 梁下翼板產生側向扭轉挫屈10mm (θ =−4%弧度) ...228 照片3.119 試體 IFS3 梁上翼於加勁板端部產生3mm挫屈 (θ =+4%弧度)...229 照片3.120 試體 IFS3 交會區疊合板降伏情形 (θ =+4%弧度)...229 照片3.121 試體 IFS3 加勁板焊道端部裂痕達30mm (θ =+4%弧度)...230

照片3.122 試體 IFS3 梁腹板於塑鉸處產生15mm挫屈 (θ =−5%弧度) ...230 照片3.123 試體 IFS3 梁下翼於加勁板端部產生10mm挫屈 (θ =−5%弧度) ...231 照片3.124 試體 IFS3 梁下翼板產生側向扭轉挫屈15mm (θ =−5%弧度) ...231 照片3.125 試體 IFS3 梁上翼於加勁板端部產生8mm挫屈 (θ =+5%弧度)...232 照片3.126 試體 IFS3 梁下翼和柱板接合之焊道出現小裂痕 (θ =+5%弧度)...232 照片3.127 試體 IFS3 加勁板降伏情形 (θ =−6%弧度)...233 照片3.128 試體 IFS3 梁柱焊道裂痕情形 (θ =−6%弧度)...233 照片3.129 試體 IFS3 梁柱焊道裂痕情形 (θ =−6%弧度)...234 照片3.130 試體 IFS3 加勁板焊道端部開裂情形 (θ =−6%弧度)...234 照片3.131 試體 IFS3 梁腹板於塑鉸處產生30mm挫屈 (θ =−6%弧度)...235 照片3.132 試體 IFS3 梁下翼於加勁板端部產生50mm挫屈 (θ =−6%弧度)...235 照片3.133 試體 IFS3 梁上翼板側向扭轉挫屈情形 (θ =+6%弧度第一圈)...236 照片3.134 試體 IFS3 交會區柱翼板內側降伏情形 (θ =+6%弧度第一圈)...236 照片3.135 試體 IFS3 上橫隔板上方內側柱板降伏 (θ =+6%弧度第一圈)...237 照片3.136 試體 IFS3 梁下翼板焊道和柱板交界斷裂(θ =+6%弧度第二圈)...237 照片3.137 試體 IFS3 梁下翼板焊道和柱板交界斷裂(θ =+6%弧度第二圈)...238 照片3.138 試體 IFS3 梁下翼板焊道和柱板交界斷裂(θ =+6%弧度第二圈)...238 照片3.139 試體 IFS3 交會區疊合板降伏情形 (θ =+6%弧度第二圈)...239 照片3.140 試體 IFS3 最大位移角全景 (θ =−6%弧度)...239

第一章 緒論

1.1 前言

由於美國北嶺與日本阪神分別於 1996 及 1995 年發生規模強大之地 震，造成許多傳統韌性鋼骨梁柱接頭產生非預期之脆性破壞，其破壞形式 如梁翼與柱板焊道接合處破裂、柱板之層裂或撕裂破壞等。因此學者們曾 提出避免於工地現場使用全滲透焊接之梁柱接頭來預防梁柱間之焊道破 裂以及鋼梁在大變形下發生挫屈，並達到AISC 對接頭韌性之要求。此外， 為了降低梁柱介面焊道應力並使梁塑性變形遠離梁柱接頭區，國內外學者 亦提出許多改良式接頭，主要可分為減弱式及補強式兩種。減弱式接頭主 要在梁翼板進行削切，藉以降低梁柱介面之彎矩強度。補強式接頭則在梁 近柱面外進行加勁補強，以確保梁柱介面能保持彈性。

1.2 文獻回顧

1.2.1 梁翼板削切之減弱式接頭

Lee和Uang (2005)共製作 8 組減弱式梁柱接頭，其中一組試體如圖 1.1所示，藉由梁翼板削切以降低接頭近柱面之彎矩強度，其設計細節為 假設塑鉸發生於翼板削切範圍中心處，並以此處梁達1.1 時投影至柱 面之彎矩強度 作為設計需求，且調整試體之梁翼板削切尺寸以使得柱 面之彎矩強度 等於 0.9 ，其中 為梁斷面未削切時被預期之塑性彎 矩強度。各試體的參數變化主要分為梁腹板與剪力板其接合形式(螺栓或 p RBS M _, f M f M M_p M_p

焊道接合)不同以及梁柱交會區強度改變的影響。試驗結果顯示當試體之 梁腹板與剪力板以焊道接合時，梁柱交會區強度無論為中等或高強度，梁 柱接頭皆能發揮良好之韌性能力，而當試體之梁腹板與剪力板以螺栓接合 時，則發生過早的脆性破壞於梁翼板扇形開口處，乃因為梁腹板與剪力板 的相對滑動導致應力集中於此位置。

1.2.2 蓋板補強之梁柱接頭

Whittaker和Kim (2002)共製作 10 組蓋板梁柱接頭試體(圖 1.2)，其中 5 組試體為梁翼板、蓋板與柱採全滲透焊接合，另外 5 組試體僅蓋板與柱 採全滲透焊接合，梁翼板與柱之間並無任何接合，而接頭試體設計細節為 假設梁塑鉸發生於距蓋板端部14 位置，且以此處梁達 1.1M_p 投影至 柱面之彎矩強度作為設計需求，其中Mp 梁之實際塑性彎矩強度，而蓋 板斷面積之選定為使近柱面之蓋板，在最大彎矩強度發生時仍保持在彈性 範圍。試驗結果顯示10 組試體均有良好之韌性行為，且於蓋板端部之梁 翼板與腹板均出現局部挫屈現象。 之 時 為

1.2.3 梁翼內側加勁板補強之梁柱接頭

Chou和Jao (2007)共製作 6 組實尺寸之梁柱接頭，採用箱型柱與鋼梁 翼板以全滲透焊接接合，梁腹板則與剪力板栓接接合，其中一組為傳統梁 柱接頭、五組為梁翼內側加勁板補強接頭(圖 1.3)，其補強接頭設計細節 亦假設梁塑鉸位置發生於距加勁板端部1 4梁深之位置。試驗結果顯示兩

組IFS補強接頭其韌性行為良好，並藉由有限元素模型分析可得知加勁板 於4%弧度層間側位移角時可傳遞 36%的梁端彎矩至柱，另外三組IFS補強 接頭則因加勁板所提供之勁度及強度不足而無法達到AISC規範所訂定之 層間側位移角。

1.3 研究動機

為了補強已興建完成之老舊鋼結構建築，許多國內外學者所研究的補 強式梁柱接頭，皆在梁之上下翼板外側焊接不同形式之鋼板，往往造成施 工上的困難，並且得將現有結構物之樓板拆除才可進行。因此，為了解決 此問題，本研究以梁翼內側增加垂直加勁板的方式，藉以提升鋼骨梁柱接 頭之韌性消能行為，並由鋼柱型式的不同探討梁彎矩力量傳遞上的影響。

1.4 研究目的

此梁翼內側加勁板為首次應用於鋼梁與 H 型柱接合之梁柱接頭，因 此是否能夠達到AISC(2005)耐震設計規範所要求之 4%弧度層間側位移角 而不發生梁翼與柱板焊道兩側之破壞乃所要觀察之重點，並且探討此加勁 補強下之力學行為是否影響加勁板的彎矩貢獻，另外配合不同的梁彎矩強 度需求比以及梁翼板材質的改變，觀察鋼梁在受彎矩作用下之行為以及破 壞模式。另外，依據試驗結果，可進一步修正原本設計之假設，如塑鉸彎 矩強度、梁翼板塑鉸產生位置是否準確以及彎矩容量與彎矩需求之比值。 最後，藉由非線性有限元素分析軟體ABAQUS(2003)，建立準確的分析結

果並與實驗相互比較，來預測試體可能之破壞模式。

1.5 研究內容

本研究內容共分為五個章節，除本章外，第二章介紹鋼造梁柱梁翼內 側加勁板接頭試體設計及試驗規劃與量测，第三章敘述四組試體實驗結果 與分析比較，第四章介紹試體有限元素模型的建立並得到分析結果與實驗 相互比較，第五章為結論與建議。

第二章 鋼造梁柱梁翼內側加勁板接頭試體設計

2.1 前言

本研究根據往例，鋼梁與箱型柱接合之梁翼內側加勁板補強接頭，已 有成功案例且韌性行為極佳，滿足AISC(2005)耐震設計規範所規定的位移 歷時至 4%弧度層間側位移角下，未發生梁柱界面焊道破壞，因此將此補 強方式應用於鋼梁與H 型柱接合之梁柱接頭。2.2 節為 IFS 補強接頭試體 設計，2.3 節為梁柱交會區之韌性設計，2.4 節介紹梁翼內側補強前後之梁 柱接頭試體其強柱弱梁比、材料性質、加勁板與交會區疊合板尺寸及接合 細節，2.5 節介紹試體試驗構架及載重歷時，2.6 節介紹各試體量測規劃。

2.2 IFS 接頭試體設計

本研究乃參考過去研究(周中哲及饒智凱 2008,Chou and Jao 2010)所

提出的設計方法，於傳統鋼結構梁柱接頭之梁上下翼板內側，腹板之相對 邊各放置一片加勁鋼板(圖 2.1)，增加梁柱接合處的勁度與強度，避免梁 柱接頭區之破壞，設計步驟如下: 1. 根據以往的試驗結果，接頭塑鉸區域發生在離加勁板端部d_b 4之位 置，計算此處梁彎矩強度MPH:

(

y b yn

)

pb PH M R Z M =β⋅ =β⋅ ⋅ ⋅σ

(2-1)

而M_pb為位於塑鉸處之梁塑性彎矩。β 為塑鉸處之應變硬化係數，本實

IFS)，故β值設計時採用先前IFS試體試驗後所得之平均值 1.36。 為 材料變異係數，由於設計時尚未得知材料之強度，故可依照FEMA 350 之規定，A36 之變異係數 為 1.5，A572 Gr.50 之變異係數 則為1.1， 而本實驗所有鋼材之拉力試片值及材料變異係數 列於 y R y R Ry y R 表2.1。 為位 於塑鉸處之梁塑性模數， b Z yn σ 則為梁之標稱降伏應力。 2. 初步假設加勁板長度Ls，建議Ls需大於等於梁翼板寬度(Ls ≥bf )，並將 塑鉸處之極限彎矩強度MPH投影至柱面，得柱面彎矩需求Mdem如下式: PH b b dem M e L L ⋅ − = M

(2-2)

4 b s d L e= +

(2-3)

其中(2-2)式之 為油壓制動器中心至柱面之距離，Lb (2-3)式之 為塑鉸位 置距柱面之長度( e 圖 2.1)， 為梁深。 db 3. 求含梁翼內側加勁板之梁柱接頭提供之彎矩強度Mcap: ps pb cap M M M = +

(

b f

)

y yn s s yn b yZ d t R d t R σ 1 2 σ 2 1 2 2 _⎟⎟⋅ − ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + =

(2-4)

其中 為加勁板所提供之塑性彎矩， 為梁翼板之厚度， 為加勁板 之深度， 為加勁板之厚度。 ps M t_f d_s s t 4. 計算梁柱接頭補強後梁彎矩強度需求比α 值，建議α 值大於1.05 : = >1.05 dem cap M M α

_(2-5)

將(2-4)式代入(2-5)式中展開得:

(

b f

)

y yn pb dem s s R t d M M t d σ α ⋅ ⋅ − ⋅ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⋅ ⋅ − ⋅ = ⋅ 2 1 2 1 2 2

(2-6)

即可求得適合之ds及 。 ts 5. 檢核第二步假設，目的在於當梁翼板傳遞力量至梁翼內側加勁板時， 由於加勁板受力側與梁翼相接處，承受一剪力PSI如圖 2.2所示，因此須 確保加勁板之剪力強度Vs大於加勁板達全塑性應力分佈狀態時之剪力 sI P ，而得:

(

yn

)

s s sI yn s s s t L P t d V _⎟⎟⋅ ⋅ ⋅ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = ≥ ⋅ ⋅ = σ 1 σ 2 1 2 6 . 0 9 . 0

_(2-7)

s s d L ≥0.77

(2-8)

若步驟2 所假設之 不符合Ls (2-8)式，則重複步驟 2 並重新假設 。 Ls

2.3 梁柱交會區之韌性設計

本研究試體梁柱交會區乃根據 AISC(2005)之規定，將疊合板各焊接 於柱腹板左右兩側，梁柱交會區腹板總厚度 分別由柱腹板厚度 及疊 合板厚度 所組成，: total t t_wc d t ttotal =twc+td

(2-9)

根據國外學者 Uang 等人(2005)提出梁柱交會區之設計剪力強度可由 以下兩式獲得:

(

)

(

)

⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + = total c b cf cf total c yc p t d d t b t d F V 2 3 1 6 . 0 75 . 0

(2-10)

(

)

⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + = total c b cf cf total c yc p t d d t b t d F V 2 3 1 6 . 0

_(2-11)

其中 為柱之標稱降伏強度(345 MPa)， 為柱翼板寬度， 為柱翼板厚 度，其中 yc F bcf tcf (2-11)式乃採納AISC(2002)耐震設計規範所提出梁柱交會區之設 計剪力強度，考慮到除了梁之外梁柱交會區亦能提供塑性之變形，其交會 區剪應變可達到4 倍降伏剪應變(Krawinkler 1978)，故定義為中等強度梁 柱交會區(Medium PZ)，而(2-10)式則為AISC(1997)耐震設計規範所提出 梁柱交會區之設計剪力強度，其中包含強度折減係數φ值為0.75，因為梁 被預期為產生主要之塑性變形能力，故根據此式所得的梁柱交會區定義為 高強度梁柱交會區(Strong PZ)。高強度的梁柱交會區由於非線性行為集中 發生於梁塑鉸區域，因此容易造成梁嚴重挫屈及永久變形，而軟弱的梁柱 交會區則牽涉到柱翼板的扭曲使得梁與柱板接合之焊道發生潛在之破 壞。因此，為了設計出適當的梁柱交會區可在剪力降伏後仍有穩定之消能 特性，Uang等人(2005)依據(2-11)式提出一適當範圍，當塑鉸處梁塑性彎 矩投影至柱心之剪力強度 除以梁柱交會區腹板總厚度所提供之剪力 強度 ，其剪力強度比 p IFS V _, p V VIFS,p Vp介於 0.7-0.9 時(Balanced PZ)，如下式: 0.7≤ , ≤0.9 p p IFS V V

(2-12)

梁柱交會區可輕易地提供 0.01 rad 之塑性旋轉能力並且消散 30-40%的總 能量，當此剪力強度比VIFS,p Vp愈小表示交會區的強度愈強，其中塑鉸處 梁塑性彎矩投影至柱心之剪力強度VIFS,p計算式如下: _⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − × ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − + × ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = c b b c b b p IFS p IFS H d e L d L d M V _, , 2 1

(2-13)

其中MIFS,p為(2-1)式中梁位於塑鉸處之塑性彎矩Mpb。

2.4 梁柱梁翼內側補強接頭試體

本研究梁柱接頭試體共四組，其中一組為未加勁之傳統梁柱接頭，試 體編號UR，而以梁翼內側加勁板(IFS)為補強方式之試體共三組，試體編 號為IFS1-3，四組試體之柱及梁皆為相同尺寸，分別為柱H428×407×20×35 及梁H702×254×16×28，而柱高H以及油壓制動器中心至柱中心之距離 ( 圖2.4)均為 4000 mm，各試體所對應之加勁板尺寸如表 2.2所示。

2.4.1 材料性質

本實驗試體主要之材料分別有鋼梁、鋼柱、加勁板及疊合板(Double Plate)。其中試體UR及IFS1-2 其鋼梁均採用A36 之材料性質，另外為了探 討當鋼梁材質不同所造成的影響，故增加一組試體IFS3 其鋼梁為A572 Gr.50 之材料性質。而鋼柱、加勁板及疊合板皆採A572 Gr.50 之材料性質， 此外，為了解所有試體各部位組成材料之強度，以提高未來利用有限元素 分析軟體(ABAQUS 2003)模擬之準確性，本研究將各材料之拉伸試驗結果 列於表2.1。

2.4.2 強柱弱梁比

依據AISC(2005)耐震設計規範，強柱弱梁比之計算公式如下: 0 . 1 * * ≥

∑

∑

pb pc M M

(2-14)

其中

∑

為連接於梁柱接頭處柱在接頭交接面之標稱強度總合，計算如 下所示: * pc M

(

)

∑

Mpc =

∑

Zc RyFyc −Puc Ag *

(2-15)

其中 為柱斷面塑性模數， 為柱鋼材之標稱降伏強度， 為所需之柱 向受壓力， 為柱全斷面積。因本研究並未在柱上施加軸向受壓載重，所 以在計算 時忽略 之影響， c Z Fyc Puc g A

∑

* pc M Puc

∑

* pb M 為連接於梁柱接頭處梁在接頭交 接面之標稱彎矩強度總合且等同於(2-2)式之 。依照上述之公式可計算 各試體之強柱弱梁比，如 dem M 表2.2所示。

2.4.3 加勁板尺寸

本研究於設計加勁板尺寸時，試體於塑鉸處之應變硬化係數β，參考 周中哲及饒智凱(2008)所建議之值為 1.36，且為了避免梁柱梁翼焊道的破 壞，試體IFS1 及IFS3 亦參考建議之梁彎矩強度需求比α 值

(

)

，而試體 IFS2 為了與試體IFS1 作為對照，限制其梁彎矩強度需求比 05 . 1 ≥ α值為 0.98 小 於 1(表 2.3)。其中試體IFS1 至IFS3 其加勁板長度 及深度 均分別假設 為300 mm及 308 mm。根據 2.2 節加勁板設計步驟可得: s L d_s 試體 IFS1 1. 計算塑鉸處極限彎矩強度MPH: 試體於塑鉸處之應變硬化係數β，採用周中哲及饒智凱(2008)所建議之 值為1.36。依照(2-1)式可得梁位於塑鉸處之塑性彎矩M_pb，其中(2-1)式 之σyn由 為 由 於試驗前尚未得知鋼梁(材料性質A36)之強度，故假設為標稱

強度36 ksi (248 MPa)，且依照FEMA 350 之規定，A36 鋼材之變異係

2. 求柱面彎矩需求Mdem: 將試體之MPH與假設之Ls值代入(2-2)式及(2-3)式中可得試體之 ，而 將計算出的 值列於 dem M dem M 表2.3所示。 3. 求加入加勁板之梁柱接頭所能提供之彎矩容量Mcap: 試體之加勁板厚度 為ts 25 mm，並將試體之 、 代入ds ts (2-4)式中，其中 加勁板之強度(材料性質為A572 Gr.50)尚未由拉伸試驗得知，故σyn假 設為加勁板之標稱降伏強度50 ksi (345 MPa)，且依照FEMA 350 之規 定，A572 Gr.50 鋼材之變異係數Ry為1.1，最後由(2-4)式可得加勁板所 提供之塑性彎矩Mps，並將Mps與Mpb相加即可求得Mcap，如表2.3所示。 4. 計算各試體之梁彎矩強度需求比α 值: 將步驟2 及 3 所得之Mdem及Mcap代入(2-5)式中，可得試體之梁彎矩強度 需求比α值如表2.3所示。 5. 檢核第二步假設之Ls: 將試體假設之Ls及由(2-8)式所計算出之 列於Ls 表2.3中，由表中可看出 此試體滿足(2-8)式之需求。 試體 IFS2 本試體IFS2 其加勁板長度 及深度d 與試體IFS1 相同，僅減少加勁 板厚度( s L _s 表 2.2)及改變加勁板形狀由矩形變為三角形。而減少加勁板厚度 的目的是為了觀察當梁彎矩強度需求比α 值小於1(表 2.3)的情況下，鋼梁 與H型柱接合之梁柱接頭是否依然具有不錯的消能行為，並且藉由實驗前

下，仍有部分區塊保持彈性，因此將加勁板切削後改為三角形以增加焊接 時之便利性，希望藉由此試體可看出，當加勁板樣式較為不保守時，此梁 翼內側加勁板補強方式，是否能使梁柱接頭有極佳之韌性行為並超過 AISC所要求之 4%層間側位移角。依據 2.2 節加勁板設計步驟，將計算所 得之彎矩Mpb、MPH、Mps、Mdem及Mcap列於表 2.3。 試體 IFS3 本研究之梁翼內側加勁板補強方式在先前的IFS試體試驗從未使用過 材料性質為A572Gr.50 之鋼梁，因此令梁彎矩強度需求比α 值保守地大於 1.05(表 2.3及圖 2.3)，由於試驗前尚未得知鋼梁及加勁板之強度，故假設

為標稱強度50 ksi(345 MPa)，且依照FEMA 350 之規定，A572.Gr50 鋼材

之變異係數Ry為 1，而加勁板長度Ls及深度ds與試體IFS1 及IFS2 相同， 其加勁板尺寸與試體IFS2 相較之下，僅改變加勁板厚度( 1. 表2.2)，加勁板 形狀與試體IFS2 維持不變(圖 2.8及圖 2.9)。 希望藉由此試體可看出，即使鋼梁材料性質為A572.Gr50，此梁翼內 側加勁板補強方式，亦能使梁柱接頭有極佳之韌性行為並達到AISC所要 求之 4%弧度之層間側位移角。依據 2.2 節加勁板設計步驟，將計算所得 之彎矩Mpb、MPH、Mps、Mdem及Mcap列於表 2.3。

2.4.4 梁柱接頭接合細節

加勁補強試體IFS1 與IFS2 之梁柱接頭接合細節均與未加勁之傳統梁 柱接頭UR相同，其接合細節如圖 2.6所示。而試體IFS3 由於鋼梁材質為

A572 Gr.50，所提供之梁端側力較大，故於設計剪力板尺寸時稍作修正， 如圖 2.9所示，各組梁柱接頭試體其剪力板與腹板採摩擦型螺栓栓接，其 剪力板螺栓數量計算公式如下： s b m str 1.13 T N N R φ μ φ⋅ = ⋅

_(2-16)

其中，μ為鋼板接合面之滑動係數（採用0.33）、 為螺栓最小預拉力、 為接頭之螺栓總數、 為可能滑動面總數、 m T N_b s N φ為強度折減係數（標準孔採 用 1.0），且摩擦型螺栓其抗滑強度φ⋅Rstr應大於或等於其需求強度（即預 期之梁端側力），即可求出所需之螺栓數量，如表 2.4所示。 三組補強梁柱接頭試體其加勁板與柱翼板接合位置皆在梁翼邊(圖 2.7)，且加勁板長度及深度均相同，試體IFS2 及IFS3 僅加勁板厚度和形狀 與試體IFS1 不同，其加勁板形狀削切與焊接細節如圖 2.8所示。所有試體 其梁翼與柱板接合方式，以及加勁板與梁翼及柱板接合方式均採全滲透開 槽焊，且梁與柱焊接時(照片2.1)所採用之焊條為ER70S-G，照片 2.2則為 加勁板與梁翼板及柱板接合時之情形。

2.4.5 梁柱交會區疊合板厚度

由於試體 UR 及試體 IFS1-2 其鋼梁材料性質皆為 A36 之鋼材，參數 變化分別為有無加勁板補強、梁彎矩強度需求比與加勁板形狀的改變，而 試體IFS3 相較於前組 IFS2 試體，其參數變化分別有鋼梁材質及梁彎矩強 度需求比的改變，由0.98 增加到 1.1，為了探討其影響，故將此四組試體 其梁柱交會區之疊合板(Doubler PL-1)厚度固定，以便使交會區得到相同

會區之韌性設計，梁柱交會區疊合板厚度 計算步驟如下: td 試體 UR 及試體 IFS1-2 1. 計算梁柱交會區之設計剪力強度Vp: 將假設之疊合板厚度 代入td (2-9)式以求得梁柱交會區總腹板厚度 ， 為了令交會區及梁能同時產生降伏，因此梁柱交會區之設計剪力強度 於計算時採用 total t p V (2-11)式不考慮強度折減係數φ

(

0.75

)

的存在並將所求 得之總腹板厚度ttotal代入(2-11)式，其中 為柱之標稱降伏強度(345 MPa)，即可求得交會區之設計剪力強度 ，列於 yc F p V 表2.5(a)。 2. 計算塑鉸處梁塑性彎矩投影至柱心之剪力強度VIFS,p: 藉由(2-1)式所求得梁位於塑鉸處之塑性彎矩M_pb(表 2.3)，即M_IFS,p代入 (2-13)式得到投影至柱心之剪力強度VIFS,p，列於表 2.5(a)。 3. 計算梁柱交會區位於柱心處之剪力強度比VIFS,p Vp 並檢核: 將 上 述 步 驟 所 求 得 之VIFS,p 除 以Vp 即 可 求 得 各 試 體 之 剪 力 強 度 比 p p IFS V V _, ，且剪力強度比VIFS p Vp 須符合Uang等學者(2005)所提出之適當 範圍介於0.7-0.9 屬於中等梁柱交會區(Balanced PZ)，否則重新假設疊 合板厚度td，並將各數值列於 , 表2.5(a)。 試體 IFS3 由於試體IFS1 及試體IFS2 於第一次試驗進行至 4%弧度層間側位移 角下時，梁柱交會區之疊合板未發生預期之剪力降伏現象，且第二次試驗 在彎矩強度未遞減的情況下進行至 5%弧度層間側位移角時，交會區依然 未出現任何降伏現象，故於試驗後進行鋼材拉伸試驗，發現梁翼板與梁腹

板實際強度比預期標稱強度低，且梁柱交會區之柱腹板與疊合板(Doubler PL-1)實際強度則比預期標稱降伏強度高，因此根據各試體鋼材實際強度

(表 2.1)計算而得之梁柱交會區剪力強度比，如表 2.5(b)所示，可判定試

體IFS1 及試體IFS2 實際上為高強度梁柱交會區，而非原預期如表 2.5(a) 所示之中等梁柱交會區。 試體IFS3 其觀察重點在鋼梁材質(A572 Gr.50)改變的情況下，此補強 方式是否可以達到AISC(2005) 耐震設計規範所規定 4%弧度層間側位移 角。因此試體IFS3 在其梁翼板鋼材材質較強的情況下，為了避免各IFS試 體梁柱交會區強度不一致所造成的影響，故試體IFS3 於設計交會區強度 時，依據鋼材標稱強度之計算再增加16 mm厚之疊合板(Doubler PL-2)， 並依照與前二組IFS試體相同之設計步驟，其交會區剪力強度比VIFS,p Vp 為 高強度梁柱交會區，如 0.60 屬於 表2.5(a)所示。

2.4.6 疊合板接合細節

試體 UR 及試體 IFS1-2 由 2.4.5 節得到此三組試體需要之疊合板厚度 為 24mm，將其分為 兩片各為12mm厚，並依照AISC(2005)耐震設計規範將疊合板焊接於梁柱 交會區柱腹板之兩側，疊合板上下緣各延伸出梁柱交會區柱連續板十公分 並以填角焊焊於柱腹板，而疊合板左右緣則以全滲透焊焊接於柱翼板，並 於疊合板中央配置四個塞孔焊來預防過早的局部挫屈，且使疊合板與柱腹 板緊密貼合，緊接著再將連續板以全滲透焊與柱翼板及疊合板焊接接合， d t

2.10所示。 試體 IFS3 為了令剪力強度比VIFS,p Vp 與試體IFS1 相近，此試體仍需要增加 16mm厚之疊合板(Doubler PL-2)，且亦將其分為兩片各 8mm厚，並於交 會區內以全滲透焊與柱連續板及柱翼板焊接接合，而疊合板中央亦配置四 個塞孔焊與1 號疊合板(Doubler PL-1)緊密接合，此試體梁柱交會區疊合 板接合細節如圖2.11所示。

2.5 試體試驗構架及載重歷時

本試驗於國家地震工程研究中心實驗室進行，實驗構架示意如圖 2.4 所示，試驗所採用的施力系統及資料擷取系統描述如下:

2.5.1 油壓制動器

本試驗梁柱接頭試體共四組，其中三組試體 UR 及 IFS1-2 因鋼梁材 質為A36(36 ksi)，故採用一組 MTS 油壓制動器，其最大輸出力量為+1500

kN 及-961 kN。而試體 IFS3 鋼梁材質為 A572 Gr.50(50ksi)，故採用二組

MTS 油壓制動器，單組最大輸出力量為±961 kN，以提供實驗載重所需之

側位移。四組試體衝程皆設定為±240 mm，且試驗進行時之加載速率為

1.25 mm/sec，同時將油壓制動器所輸出之力量及位移，以每秒得到 1 筆數 據之速率傳遞至資料擷取系統。

本試驗所使用的資料擷取系統為 THS-1100 高速資料擷取收集紀錄

盒，每秒鐘約可以收集 1000 組數據，配合可接收 50 組數據線的高速

SHW-50D 切 換 器 ， 與 擷 取 資 料 軟 體 Visual Log-Static Measurement Software，可接收各種量測儀器所傳回的數據資料，而本試驗所裝置的量 測儀器約有100 組左右。

2.5.3 試驗載重歷時

油壓制動器載重加載歷時如圖 2.5所示，試驗過程中造成上翼板受 壓，而下翼板受拉時定義為正方向，且梁端之位移除以梁端距柱中心之距 離(4000 mm)，定義為正層間側位移角，反之，上翼板受拉且下翼板受壓 時為負方向，對應負層間側位移角，當達到每個新階段的最大正負層間側 位移角時，將實驗暫停並進行觀察與紀錄。

2.6 試體量測規劃

本研究為了瞭解梁柱接頭在反覆載重下的細部行為，四組試體其應變 計與位移計的設置如圖2.12至圖 2.14所示，由於傳統未補強梁柱接頭其破 壞多來自梁翼與柱板接合之焊道發生斷裂，故於梁翼近柱面60 mm處設置 五個應變計，以便觀察試體於補強前後粱翼軸向應變的變化。實驗所採用 的量測儀器分為: (1) 單向應變計(以S為標示)，量測梁柱接頭區之梁翼板 應變及加勁板應變。(2) 三向應變計(以R為標示)，量測加勁板及梁柱交 會區的剪應變。(3) 位移計(以L為標示)，量測梁、柱及梁柱交會區之變 位，因此於柱板上、梁柱腹板交會區設置四個位移計。

油壓制動器施以側力後所產生的梁端總位移δtotal是由四種不同的變 形分量所組成的(Uang and Bonded ,1996):依序為梁柱交會區剪力變形所

致的梁端位移δpz、柱撓曲變形所致的梁端位移δc、梁本身的彈性變形及 梁產生塑鉸之後分別引起的梁端位移δbe和δbp，其關係式為: bp be c pz total δ δ δ δ δ = + + +

_(2-17)

1. 梁柱交會區因剪力變形所造成之側向位移δpz: 假設當梁端正層間側位移角產生時，必然造成上翼板受壓且下翼板受 拉之情形，反之亦然，進而梁柱交會區得到一剪應變γ 如圖 2.16所示， 其量測方式可藉由裝設在梁柱交會區的兩組位移計L₃、L₄

(

π Gage

)

所求 得: ) ( 2 4 3 2 2 δ δ γ = + ⋅ − ab b a

_(2-18)

其中δ₃及δ₄為交會區對角線之相對位移， 與 分別則為交會區之長與 深。但真正實驗進行時，必須考慮柱的兩端為固定不動之鉸接，因此 a b 圖 2.17所示之試體，將作一剛體旋轉如圖 2.18，進而藉由γ 可 得梁柱交 會區所造成之側向位移: 求 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ₊ − = 2 c b b b pz d L H d L γ γ δ

_(2-19)

其中 為油壓制動器中心至柱面之距離(3786 mm)、 及 分別為梁及 柱深、 b L d_b d_c H則為柱高(4000 mm)。 2. 柱因撓曲變形所致的梁端位移δc:

(

)

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − − = H d d b b c 1 2 1 δ γ δ θ

_(2-20)

c θ 為柱的變形轉角，其中δ₁及δ₂(圖 2.15)為架設在柱板上之兩組拉線式 位移計 、L₁ L₂(圖2.12)所量測之位移變化量，利用柱的變形轉角可求 得柱因撓曲變形所致的梁端位移δc: ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ₊ = 2 c b c c d L θ δ

_(2-21)

3. 梁本身的彈性變形及梁產生塑鉸之後分別引起的梁端位移δbe和δbp: 梁彈性變形所致之梁端位移分量δ_be，可由材料力學中當懸臂梁梁端受 一側力時，會產生一側向位移，如下式: ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = L L EI FL b be 3 3 δ

_(2-22)

其中 為油壓制動器所提供之側力、F E為梁之彈性模數、I 為梁之慣性 矩。最後，當梁塑鉸產生時所致梁端位移分量可由下式所求得: be c pz total bp δ δ δ δ δ = − − −

_(2-23)

第三章 IFS 補強前後之梁柱接頭試體實驗結果與分

析

3.1 前言

本研究梁柱接頭試體共四組，其中一組為未加勁之傳統梁柱接頭，試 體編號UR，而以梁翼內側加勁板(IFS)為補強方式之試體共三組，試體編 號為IFS1-3，每組補強試體均由鋼柱，鋼梁以及加勁板、交會區疊合板組 合而成，且鋼柱採用 H 型柱、鋼梁為 I 型梁。3.2 節介紹試體之製作，3.3 節介紹試體UR 試驗結果與分析，3.4 節介紹試體 IFS1 試驗結果與分析， 3.5 節介紹試體 IFS2 試驗結果與分析，3.6 節介紹試體 IFS3 試驗結果與分 析，3.7 節為試體 IFS 試驗結果與分析比較。

3.2 各試體製作

本研究四組試體均由鴻舜鋼鐵廠負責製作，編號IFS1 之試體運送至 國家地震工程研究中心實驗室前，已於鴻舜鋼鐵廠將鋼梁、鋼柱、加勁板 以及疊合板焊接組裝完成，而編號分別為UR、IFS2 及IFS3 之三組試體則 均於國震中心實驗室焊接組裝完成，各試體梁翼板與柱板及交會區橫隔板 焊道經UT檢測為可接受之接頭(照片 3.1及照片 3.2)。試體IFS1 於實驗結 束後將鋼梁切除並於另一側之柱翼板與試體UR之鋼梁焊接接合，故試體 UR所使用的柱與試體IFS1 相同，且試體IFS2 與試體IFS3 亦如此製作。

3.3.1 試驗現象觀察

試體UR試驗前之全景如照片 3.3所示，圖 3.1(a)為試體彎矩與梁端位 移關係圖，當達到實驗載重歷時(圖 2.5)中每個新階段的最大位移時，將 實驗暫停以進行觀察與紀錄，觀察重點在於梁上下翼板及腹板之降伏挫屈 情形、梁柱交會區疊合板及橫隔板的降伏情形，有關試驗過程中試體的行 為描述如下:

(1)

層間側位移角θ =±0.375%弧度至θ =±0.5%弧度: 降伏現象發生。

(2)

試體保持彈性，梁、柱及梁柱交會區均無發現任何 層間側位移角θ =±0.75%弧度: 位移角θ =−0.75%弧度時，梁上翼板受拉造成距柱面 60 mm處產生輕 微降伏(照片3.4)。位移角θ =+0.75%弧度時，梁腹板於剪力板下方之 接合處產生降伏(照片3.5) 層間側位移角 =± 。

(3)

θ 1%弧度: 位移角θ =−1%弧度時，梁上翼板之降伏範圍擴大至由柱面算起 250 mm處。位移角θ =+1%弧度時，梁下翼板受拉造成距柱面 300 mm範 圍內產生降伏(照片3.6

(4)

)，下翼板內側之降伏情況較為嚴重其範圍由柱 面算起至550 mm處(照片 3.7)，而梁腹板於扇形開口處產生輕微降伏 (照片3.8)，且柱板位於梁下翼板焊道外側處亦產生降伏(照片 3.9)。 層間側位移角θ =±1.5%弧度: 位移角θ =−1.5%弧度時，梁上翼板之降伏範圍擴大至由柱面算起 550 mm處。位移角θ =+1.5%弧度時，梁下翼板之降伏降伏範圍擴大(照片

3.10 ，且梁下翼) 板內側與腹板降伏範圍擴大至距柱面 1000 mm處(

(5)

照 片3.11)。 層間側位移角θ =±2%弧度: 位移角θ =−2%弧度時，梁上翼板之降伏範圍擴大至由柱面算起 1000 mm處，且上翼板與柱板接合之焊道其左右兩側均產生一微小裂縫(照 片3.12)。位移角θ =+2%弧度時，梁下翼板之降伏情況更加嚴重(照片 3.13)，且下翼板與柱板接合之焊道其右側產生一微小裂縫(照片 3.14)。 層間側位

(6)

移角θ =±3%弧度: 位移角θ =−3%弧度時，梁上翼板之降伏範圍持續擴大(照片 3.15)，且 梁腹板與剪力板產生明顯相對位移約 3 mm(照片 3.16)。位移角 + = θ 3%弧度時，梁下翼板嚴重降伏且範圍持續擴大(照片 3.17)，此時 並未發生任何挫屈情形( 試體

(7)

照片 3.18)。 層間側位移角θ =±4%弧度: 位移角θ =−4%弧度第一圈時，上翼板左右兩側與焊道交界處產生較大 之裂縫(照片3.19及照片3.20)，且梁上翼板於扇形開口處產生明顯凹 陷(照片 3.21)，以及上翼板與腹板於扇形開口處產生開裂(照片 3.22)。位移角θ =+4%弧度第一圈時，梁下翼板與腹板於扇形開口處 亦產生開裂(照片3. )，下翼板左右兩側與焊道交界處產生較大之裂23 縫(照片3.24及照片 3.25)。在往位移角θ =−4%弧度第二圈的過程中， 梁上翼板由右側處裂縫持續擴大延伸至扇形開口處再至左側翼板母材

完全斷裂(照片 3.26)，此時將油壓制動器之力量歸零後停止油壓制動 器的控制並結束實驗。實驗結束時發現梁上翼板完全斷裂，梁下翼板 僅出現大範圍降伏且翼板右側切角處與扇形開口處產生裂縫，梁柱交 會區始終保持彈性並無任何降伏情形，照片3.27為試體最大位移角之 全景。

.3.2 整體反應

係 梁端位移關係圖 3.1(a)所示，位移角

3

彎矩與梁端位移關 試體UR其彎矩與 θ =±0.5%弧度 前試體保持在彈性範圍內，位移角θ =−0.5%弧度時之最大彈性彎矩為 908 kN-m，位移角θ =+0.5%弧度時之最大彈性彎矩為 801 kN-m，將實驗 0.5% 弧度前之遲滯迴圈作線性回歸，可得實驗之彈性撓曲勁度為 172363 kN-m。當位移角超過θ =±0.5%弧度時，由於鋼梁未發生挫屈，所以彎矩 隨著實驗載重歷時的改變而不斷增加，行進至位移角θ =−4%弧度第一圈 時，達到最大之負彎矩為 2470 kN-m，接著至位移角θ =+4%弧度第一圈 時，達到最大之正彎矩為2430 kN-m。 彎矩與梁端位移分量 主要由梁、柱及梁柱交會區所貢獻，如 2.6 節各 位移 試體UR的整體轉角 計所量测的數據可分別計算出試體UR各梁端位移分量δpz、δc、δbe、 bp δ ，圖 3.2(a)為試體UR彎矩與柱轉角分量關係圖，柱所造成的最大轉角 為0.0029 rad， 約 圖3.3(a)為試體UR彎矩與交會區剪力變形關係圖，梁柱

交會區最大剪力變形約為0.0028 rad，且由圖 3.4(a)可知，梁端大部分的位 移主要是由梁本身的彈性變形及梁產生塑鉸之後分別引起的梁端位移δbe 和δbp所貢獻，柱及梁柱交會區所提供的位移分量δc及δpz則很小。

3.

局部反應

R 在每一個位移角梁翼應變之變化 所以本研究在梁 下翼 翼板於近柱面6 cm處之縱向應變關係分別如 圖 3

3.3

為了解試體U ， 上 板配置許多應變計，目的在於了解未加勁梁柱接頭區，其距柱面 6 cm 處梁翼縱向應變所能承受之最大應變為何，以及梁翼板於橫向應變之分佈 以得到塑鉸產生之位置。 1. 鋼梁梁翼縱向應變分佈 試體UR其彎矩與梁上下 .5及圖 3.6所示，由圖中可發現梁上下翼板的應變均超過鋼材降伏應 變，且拉應變明顯大於壓應變，在梁端不斷的反覆載重作用力之下，迅速 地累積其殘餘拉應變，其中梁上翼板與扇形開口接合處於θ =−3.85%弧度 時(彎矩約為-2462 kN-m)發生頸縮現象(照片 3.21及照片 3.22 造成應 變計S12 失效，當位移角為負方向時(Negative Bending)，梁上下翼板縱向 應變之分佈如 )，故 圖3.7(a)所示，而位移角為正方向時(Positive Bending)，梁 上下翼板縱向應變之分佈如圖3.7(b)，由圖 3.7可看出破壞前之最大拉應變 發生在位移角θ =−4%弧度時(彎矩約為-2470 kN-m)，梁上翼板應變計S11 所測得之11.4%，約為 54 倍之梁翼降伏應變，且由圖 3.7(b)可看出梁翼板 拉應變與壓應變不對稱的關係，造成位移角θ =+4%弧度時，梁上翼板仍 殘留了負彎矩時所產生之拉應變。

2. 鋼梁梁翼橫向應變分佈 試體UR其彎矩與梁上下翼板於各位置之橫向應變關係分別如圖 3.8 及圖

.4 試體 IFS1 試驗結果

象觀察

照片3.28所示，圖 3.1(b)為試體彎矩與 梁端 3.9所示，由此二圖可看出近柱面 6 cm處之應變計S12 及S3 相較於其 它遠離柱面之應變計，具有明顯拉應變與壓應變不對稱之關係，因此容易 造成殘餘拉應變的累積，這就是為何傳統未補強梁柱接頭容易在此處發生 斷裂的原因。圖3.10為梁上下翼板橫向應變分佈情形，當翼板受拉時，其 最大拉應變發生於近柱面位置處，當翼板受壓時，各位置之壓應變均相當 接近。

3

3.4.1 試驗現象觀察

3.4.1.1 第一次試驗現

試體IFS1 第一次試驗前全景如 位移關係圖，當達到實驗載重歷時(圖 2.5)中每個新階段的最大位移 時，將實驗暫停以進行觀察與紀錄，觀察重點在於梁上下翼板及腹板之降 伏挫屈情形、加勁板、梁柱交會區疊合板及橫隔板的降伏情形，有關試驗 過程中試體的行為描述如下:

(1)

層間側位移角θ =±0.375%弧度至θ =±0.5%弧度: 降伏現象發生。

(2)

試體保持彈性，梁、柱及梁柱交會區均無發現任何 層間側位移角θ =±0.75%弧度: 位移角θ =−0.75%弧度時，梁下翼板受壓造成距柱面 300 mm範圍內

板 下 方 之 接 合 處 以 及 距 離 加 勁 板 端 部 40 mm處產生降伏(照片 3.30)。位移角θ =0.75%弧度結束時，由於梁翼板力量傳遞至柱內橫 隔板，故造成背側柱翼板受到撓曲並於上下橫隔板位置處產生降伏( 照片 3.31及照片 3.32)，且梁下翼板內側於加勁板範圍內亦產生輕微 降伏。 層間側位移

(3)

角θ =±1%弧度: 位移角θ =+1%弧度時，梁與腹板降伏範圍擴大至距柱面 725 mm處( 3)，

(4)

照片3.3 且下翼板內側降伏範圍增加。 層間側位移角θ =±1.5%弧度: 位移角θ =−1.5%弧度時，梁下翼板、梁腹板及梁下翼板內側之降伏 範圍擴大(照片 3.34及照片 3.35)。位移角θ =+1.5%弧度時，梁上翼 板於距柱面300 mm處出現輕微降伏(照片 3.36 。 層間側位移角 =± )

(5)

θ 2%弧度: 位移角θ =−2%弧度時，梁上翼板之降伏範圍擴大距柱面 150 mm處( 照片3.37)。位移角θ =+2%弧度結束時，梁翼板及腹板之降伏情況更 加嚴重，但加勁板及梁柱交會區依然保持彈性無降伏現象發生(照片 3.38)，且梁翼與柱板接合之焊道未發現細微之裂縫。 層間側位移角 =±

(6)

θ 3%弧度: 位移角θ =−3%弧度時，梁上翼板之降伏範圍持續擴大(照片 3.39)。 位移角θ =+3%弧度時，梁下翼板之降伏範圍持續擴大(照片 3.40) 層間側位移角 =±

(7)

θ 4%弧度:

位移角θ =−4%弧度時，照片 3.41及照片 3.42分別為第一次試驗結束 前梁上翼板及背側柱翼板之降伏情形。位移角θ =+4%弧度時，由於 梁上翼板受壓故於加勁板端部產生輕微裂縫(照片 3.43

.4.1.2 第二次試驗現象觀察

束後，由試驗觀察現象得知梁翼及梁腹 板挫 )並於加勁板 端部出現輕微挫屈(照片3.44及照片 3.45)，梁腹板於距離加勁板端部 175 mm處輕微挫屈幅度約為 2 mm(照片 3.45)，照片 3.46為試體第一 次試驗結束前最大位移角之全景，加勁板及梁柱交會區依然保持彈性 無降伏現象發生。

3

因試體IFS1 於第一次試驗結 屈現象均不明顯，因此將試體IFS1 進行第二次試驗，且由於第一次試 驗觀察到加勁板與梁接合之焊道端部有裂縫產生，所以在進行第二次試驗 前，將加勁板與梁翼接合之焊道裂縫先用焊液進行修補(照片 3.47)，本次 觀察重點在於梁上下翼板及腹板之挫屈情形，當達到每個新階段的層間側 位移角下之最大位移時，將實驗暫停以進行觀察與紀錄，照片3.48為試體 IFS1 第二次試驗前之全景。

(1)

層間側位移角θ =±0.375%弧度至θ =±1.5%弧度:

(2)

試體之降伏及挫屈情形與第一次試驗結束時相同。 層間側位移角θ =±2%弧度至θ =±3%弧度: 位移角θ =2%弧度結束時，梁翼板焊道與加勁板焊道交界處產生約 10 mm之微小裂縫(照片 3.49)。位移角θ =+3%弧度結束時，焊道裂縫情

(3)

層間側位移角θ =±4%弧度: 位移角θ =4%弧度結束時，梁上翼板於距柱面 120 cm範圍內產生側向 (

(4)

扭轉挫屈 照片3.50)，梁腹板於塑鉸處之挫屈幅度相較於第一次試驗 結束時由2 mm增加為 5 mm，且梁下翼板與加勁板端部之接合處開 裂(照片3.51)，柱翼板與加勁板端部接合處亦產生裂痕(照片 3.52)。 層間側位移角θ =±5%弧度: 位移角 5%弧度結束時，梁上翼板於塑鉸處之局部挫屈幅度相較於 加為40 mm(照片 3.53)，梁腹板於塑鉸 θ = 第一次試驗結束時由3 mm增 處之挫屈幅度則由位移角θ =4%弧度結束時之 5 mm增加為 35 mm， 此時試體已超過AISC(2005)耐震設計規範所規定的位移歷時至 4%弧 度層間側位移角，為避免破壞柱子影響下一組試體UR進行試驗，故 將油壓制動器之力量歸零後停止油壓制動器的控制並結束實驗，照片 3.54為梁翼最終之側向扭轉挫屈情形，其幅度約為 40 mm，照片 3.55 為試體第二次試驗結束前最大位移角之全景，加勁板及梁柱交會區依 然保持彈性無降伏現象發生。

3.4.2 整體反應

矩與梁端位移關係 矩與梁端位移關係如圖 3.1(b)所示，位移角 彎 試體IFS1 其彎 θ =±0.5% 範圍內，位移角θ =− 弧度前試體保持在彈性 0.5%弧度時之最大彈性彎矩 為961 kN-m，位移角θ =+0.5%弧度時之最大彈性彎矩為 899 kN 將實 驗之遲滯迴圈作線性回歸，可得實驗之彈性撓曲勁度為188428 kN-m，約 -m，