低降伏鋼剪力鋼板耐震行為探討(II)

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行政院國家科學委員專題研究計畫成果報告

低降伏鋼剪力鋼板耐震行為探討(二)

Seismic Resistance Characteristics of Low Yield Strength Steel Panel (II)

計畫編號：NSC-90-2211-E011-030 執行期限：90/08/01~91/07/31

主持人：陳生金 國立台灣科技大學營建系教授

關鍵詞：低降伏強度鋼，高延展性， 剪力消能裝置， 應變硬化，耐震間柱，

一、摘要

近年來，利用低降伏強度鋼具有低降伏強 度、高延展性、低降伏比的特性，已開發出低降 伏強度鋼剪力消能裝置。本研究首先進行一系列 之不同速率之拉伸與剪力試驗，試驗結果發現其 降伏強度、極限強度及降伏比，皆有隨應變率增 加而增大的趨勢，此外，試驗中亦發現鋼鐵之材 料剪力行為有較明顯的應變硬化現象。利用剪力 試驗結果，估算出剪力消能裝置之應變硬化發展 率。

本研究並將低降伏強度鋼剪力消能裝置結 合耐震間柱方式與抗彎構架系統之主梁接合，成 為耐震間柱構架系統，經進行系列單層構架系統 之反覆載重結構試驗研究中可知，此耐震間柱除 增加構架之勁度外，並能確保有效降伏與穩定遲 滯消能能力，提昇構架之強度及韌性。

二、緣由與目的

鋼板剪力牆隨著低降伏強度鋼板開發（其降 伏強度約為 A36 鋼材的 1/3，伸長率約為 58﹪

﹪） ，可利用其低降伏強度、高延

展性的特性，取代原來鋼板剪力牆使用一般結構 鋼材之剪力鋼板，使得鋼板剪力牆的應用有了更 好的選擇。而亦可利用低降伏鋼的低降伏強度、

高延展性的特性，並在低降伏強度鋼板剪力鋼板 上，予以配置適當的加勁鋼板，製成低降伏強度 鋼板剪力消能裝置（Low -yield -point steel Energy Absorption Device），其基本原理如同 鋼板剪力牆，亦受剪力控制，所不同的是剪力牆

必須完全分佈於梁柱跨距間，而剪力消能裝置類 似阻尼器可以與耐震間柱或斜撐結合，故亦可將 其 視 為 被 動 能 量 消 散 系 統 （ passive energy dissipation system）之金屬消能元件（金屬阻 尼器），因其除了足夠的勁度與強度外，也具有 足夠的韌性和穩定的遲滯消能行為，使得地震輸 入能量能夠經由其低降伏剪力鋼板的消能裝置 有效地消能，達到耐震消能能力，故在功能設計 法裡，可將低降伏強度鋼剪力消能裝置歸類為耐 震 消 能 系 統 （ the seismic dissipation system） 。

目前，日本已有使用低降伏強度鋼剪力牆之 實際工程案例，國內近年來，亦進行許多的相關 研究，目前也已利用低降伏鋼開發出低降伏強度 鋼剪力消能裝置，其所承受的外力以剪力為主，

藉由剪力所造成的變形以消散地震能量，然而，

由於鋼材之物性試驗乃以簡單拉伸為主，目前對 於材料之剪力物性行為目前並不清楚，因而對於 剪 力 消能 裝置 之強 度及行 為 發展 不易 直接 估 計，再者，低降伏強度鋼之降伏強度易隨應變速 率而改變，因此本研究首先旨在探討低降伏鋼在 承受剪力時之材料行為及應變率之影響，並將實 驗之結果應用於估計前人所設計的試體中，比較 其試驗結果。

如上所述，以功能設計法之設計理念，可將

低降伏強度鋼剪力消能裝置作為耐震消能系統

設計，本研究擬應用其與耐震間柱結合，再和抗

彎構架系統（主結構系統）之主梁接合，成為耐

震間柱構架系統（Ductile Vierendeel Frame 或

2 簡稱 DVF） ，進行不同梁柱之勁度及高強度(HT690 鋼材)、A36 鋼材構架等系列單層構架系統之反復 載重結構試驗，以探討含有低降伏強度鋼剪力消 能裝置之耐震間柱構架系統之耐震特性，希望能 對此種耐震間柱構架系統之耐震特性，有更明確 暸解，以提供工程界結構設計實務之參考。

三、低降伏強度鋼之材料特性

1. 概述

低降伏強度鋼為近年來新開發出的鋼鐵材 料，其降伏強度約只有一般鋼材之 1/3，然而卻 極具延展性且降伏比只有 0.31，然而，其降伏強 度易隨應變速率之不同而改變，故為瞭解應變速 率對材料性質之關係，本研究在於拉伸試驗部 份，試驗之加載速率分別以 10 ㎜/min、30 ㎜ /min、50 ㎜/min、60 ㎜/min、82.5 ㎜/min、100

㎜/min 六組速率進行之，藉由改變其加載速率以 觀察之。

鋼結構設計中所需應用到之剪力降伏強度 參數，一般乃以 von Mises 降伏準則為依據，利 用拉伸試驗中所得之材料參數加以轉換而得。然 而，關於鋼材之剪力行為方面，吾人若仔細觀察 剪力消能裝置實驗之遲滯曲線，即可發現其應變 硬化之現象非常明顯，且降伏剪力與極限剪力間 存有相當大的差異，此種現象與一般鋼材之抗拉 行為迥然不同。而因剪力消能裝置其所受的力量 主要為剪力，在設計時若將拉伸試驗中所得之材 料參數直接引用於估計其剪力強度，可能會產生 極大的誤差，基於以上之原因，乃再進行剪力實 驗，希冀能對其剪力行為能有明確的瞭解，以提 高設計時之準確性及經濟性，此外，為觀察應變 速率對剪力行為的影響，本試驗之試體乃採厚度 為 16mm 之低降伏強度鋼板所製成，其形式如圖 3-1 所示，分別以 1 ㎜/min、5 ㎜/min、10 ㎜/min、

25 ㎜/min、50 ㎜/min、300 ㎜/min 六種不同加 載速率進行之。

本研究使用有限元素分析軟體 Ansys5.6，藉

由有限元素之分析所得之趨勢以與試驗結果做 一比對。剪力試驗之試片 model 建立如圖 3-2 所 示。

2. 研究結果

（1）低降伏強度鋼拉伸試驗結果如表 3-1 所示，

由表中可見應變之速率越快，低降伏強度鋼 之降伏強度有相對增高的趨勢，其同速率下 極限應力增加率均較降伏應力增加率小。降 伏比 YR 值介於 0.3-0.4。

（2）低降伏強度鋼剪力試驗結果如表 3-2 所示，

結果亦顯示，應變之速率越快，低降伏強度 鋼之剪力降伏強度有相對增高的趨勢，極限 剪應力增加率均較降伏應力增加率較小。

（3）剪力降伏比值介於 0.1－0.17，約為拉伸試 驗降伏比之 1/3，由此現象可反應低降伏強 度鋼其剪力行為之應變硬化現象比拉伸行 為更為明顯。此外，拉伸試驗與剪力試驗之 降伏比，皆有隨應變率變快而增大之趨勢，

此乃顯示極限應力隨應變率增加之比例小 於降伏應力。

（4）若由降伏比越小顯示材料之塑性變形較易 擴散之觀點，可推得材料之剪力行為有較好 的消能行為；此外，由此也可觀察出剪力行 為與拉伸行為的不同，故計算剪力消能裝置 之強度時，若採拉伸試驗之材料參數以估算 之，將可能嚴重低估應變硬化現象所發展的 強度，而使其結果過於保守。

（5）應變硬化發展率可能會隨剪力消能裝置之 深厚比（d/t

） 、高寬比及施工的品質等因素 而改變。此外，對邊界鋼板做變斷面切削處 理，更可提高材料應變硬化發展的效能，經 過目前之估計，其值約在於 0.56～0.63 之 間。

四、低降伏強度鋼剪力消能裝置之耐震應用 1. 概述

低降伏強度鋼板剪力消能裝置可視為被動

能量散系統之金屬消能元件（金屬阻尼器），因

3 其除了足夠的勁度與強度外，也具有足夠的韌性 和穩定的遲滯消能行為，使得地震輸入能量能夠 經 由 其低 降伏 剪力 鋼板的 消 能裝 置有 效地 消 能，達到耐震消能能力，故在功能設計法裡，可 將低降伏強度鋼剪力消能裝置歸類為耐震消能 系統（the seismic dissipation system） 。 本研究擬應用低降伏強度鋼剪力消能裝置 與耐震間柱結合，再和抗彎構架系統（主結構系 統 ） 之 主 梁 接 合 ， 成 為 耐 震 間 柱 構 架 系 統

（Ductile Vierendeel Frame 或簡稱 DVF） ，進 行系列單層構架系統之反覆載重結構試驗，其目 的在探討含有低降伏強度鋼剪力消能裝置之耐 震間柱對整個構架系統之整個抗震行為上的影 響。其研究之主題如下：

（1）含低降伏強度鋼剪力消能裝置之耐震間柱 構架系統之耐震特性。

（2）DVF 系統中，不同勁度之抗彎構架之結構耐 震行為差異比較。

（3）DVF 系統中，傳統鋼材(A36)與高強度鋼材 (HT690)之抗彎構架結構耐震行為差異比 較。

（4）DVF 系統中，高強度鋼材(HT690)之抗彎構 架的耐震間柱構架系統（高性能耐震間柱構 架或簡稱 HP-DVF）之耐震特性。

2. 研究結果

本研究之試體如圖 4-1，各試體尺寸如表 4-1 所 示，主要試驗結果如圖 4-2、圖 4-3、圖 4-4、圖 4-5、圖 4-6、圖 4-7。以下為研究之發現:

（1）各試體之旋轉角達 2.5﹪以上，證實含低降 伏強度鋼剪力消能裝置之耐震間柱構架系 統之耐震性能佳。

（2）構架勁度較高者，其低降伏強度鋼剪力消 能裝置達到降伏時，其降伏載重較大。

（3）高強度鋼材之構架，其在低降伏強度鋼剪 力消能裝置產生很大塑性變形時，仍能保 持彈性狀態，有效滿足功能設計法之要

求，經抽換消能裝置後，整體系統耐震能 力可恢復與原來相同，節省修理成本。

（4）高性能耐震間柱構架系統(HP-DVF)可確保低 降伏強度鋼剪力消能裝置能有效降伏與穩定 高遲滯消能能力，提昇構架之強度及韌性，

為極佳之耐震系統。

五、結語

六、參考文獻

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Chen, S.J. and Yen, C.J. (2000)“Application of Steel Shear Panel Type Energy Dissipation Device Made of Low Yielding Point Steel”, Structural Engineering, Vol.

15, No. 1

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Kitamura. H., T. Teramoto, H. Kihara, S. Torii, M. Iwata, K.

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Point Steel Energy Absorption Device”, Master Thesis,

National Taiwan University of Science and Technology

Miyama, T.，K. Tanaka and L. Meng（1995） “A Practical

Application of Low-Yield-Point Steel Damper to High Rise

Buildings”, Application of High-Rise Buildings with Low

Yield Strength Steel Wall”，Symposium on a New Direction

in Seismic Design, p287-290, Tokyo, Japan

4 表 3-1 拉伸試驗之材料性質

加載速率 降伏應力 極限應力 降伏比 伸長率

(mm/min) (kgf/cm

) (kgf/cm

) (ó

/ó

) ﹪ 10 903.9 2605.2 0.3470 55.53 30 961.2 2658.9 0.3615 52.25 50 972.5 2688 0.3618 54.33 60 1007.5 2677.8 0.3762 56.21 82.5 1011.3 2669.7 0.3788 50.29 100 1025.1 2693.6 0.3806 52.35 表 3-2 剪力試驗之材料性質

加載速率 降伏剪應力 極限剪應力 降伏比 YR (mm/min) （kgf/cm

） （kgf/cm

) τ

/ô

1 366.82 3486.14 0.1052 5 369.95 3561.81 0.1039 10 372.40 3247.96 0.1147 25 466.63 3837.64 0.1216 50 647.28 3965.04 0.1632 300 658.15 3973.71 0.1656

圖 3-1 剪力試片詳圖 圖 3-2 有限元素分析所建 立之模型

圖 3-3 有限元素法分析與剪力實驗結果之比較

表 4-1 FSC 系列試體斷面基本性質歐.鋼材種類 柱斷面尺寸（mm）梁斷面尺寸（mm）

試體

編號 A(Cm

) Ix(Cm

) A(Cm

) Ix(Cm

) 使用 鋼材

BOX180×180×16 H300×180×12×16 FSC-1

105 4750 89.76 13550

A36 鋼

BOX160×160×13 H250×130×9×13 FSC-2

76.44 2755 53.96 5594

HT690 鋼 H200×200×8×12 H250×125×6×9 FSC-3

63.53 4716 37.66 4052

A36 H 型鋼 H194×150×6×9 H250×125×6×9

FSC-4

39.01 2690 37.66 4052

A36 H 型鋼

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

0 5 10 15 20 25 30

位移(mm)

軸力（kgf)

分析 實驗

D - D

D

D

H-300X300X10X15

H-700X300X14X23

圖4-1 FSC系列試體示意圖

(LEAD試體) 300cm

150cm

-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000

-30 -20 -10 0 10 20 30

drift angle (1/1000)

載重(KN)

圖4-2 FSC2 試體之載重與位移遲滯曲線圖 圖4-3 FSC4試體之構架載重與位移遲滯曲線圖

-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000

-30 -20 -10 0 10 20 30

dr ift angle (1/1000)

載重(KN)

-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000

-140 -120 -100 -80 -60-40 -20 0 20 40 60 80 100120 140

載重(KN)

圖4-4 FSC2試體之載重與剪力消能裝置位移遲滯曲線圖 drift angle(1/1000)

圖4-5 FSC4試體之剪力消能裝置載重與位移遲滯曲線圖

-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000

-140 -120 -100-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 drift angle (1/1000)

載重(KN)

-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

載重(KN)

FSC1 FSC2 FSC3 FSC4

dr ift angle （ 1/1000 ) 圖4-6 FSC 系列試體之軀幹曲線 (Skeleton cur ve)

-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000

-140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140

載重(KN)

FSC3 FSC4 FSC2 FSC1

圖4-7 FSC 系列試體之載重與剪力消能裝置 軀幹曲線 dr ift angle （1/1000 )