鋼骨鋼筋混凝土深梁剪力傳遞行為研究

(1)

行政院國家科學委員會補助研究計畫成果報告

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※ ※

※ 鋼骨鋼筋混凝土深梁及短柱抗剪行為之研究 ※

※ ※

※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※

計畫類別：個別型計畫整合型計畫計畫編號：NSC89-2211-E-011-060

執行期間：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日計畫主持人：陳正誠教授

共同主持人：陳正誠教授

本成果報告包括以下應繳交之附件：

赴國外出差或研習心得報告一份赴大陸地區出差或研習心得報告一份

出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份國際合作研究計畫國外研究報告一份

執行單位：國立台灣科技大學營建工程系

中華民國九十年十月五日

(2)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

鋼骨鋼筋混凝土深梁及短柱抗剪行為之研究 Shear Behavior of Steel Reinfor ced Concr ete

Deep Beams and Shor t Columns 計畫編號：NSC89-2211-E-011-060 執行期間：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日主持人：陳正誠台灣科技大學營建系教授

一、中文摘要

本研究在探討鋼骨鋼筋混凝土（ Steel Reinforced Concrete，SRC）深梁及短柱之剪力行為，包括剪力傳遞機制及強度評估方法。共進行 13 支深梁試體及 13 支短柱試體之剪力試驗，其中深梁與短柱試體分別 2 根為鋼筋混凝土試體、11 根為鋼骨鋼筋混凝土試體。試體測試，深梁主要採用簡支梁之雙點載重方式，

短柱採用簡支單點集中載重方式。深梁試驗參數的規劃主要包括腹板深度之變化、腹板厚度之變化、鋼骨表面絕緣之變化以及鋼骨端部錨定之變化；短柱試驗參數主要包括翼板面積變化、橫向鋼骨深度變化、橫向鋼骨腹板及橫隔板位置之影響。剪力強度的預測採用美國 ACI 318-99 與 AISC-LRFD 強度疊加、日本 AIJ-SRC 規範疊加法及軟化壓拉桿模型三種方法進行分析。試驗結果顯示，所有試體破壞模式皆為對角線上近載重點處混凝土擠碎之對角壓力破壞。三種分析方法中，以軟化壓拉桿模型最佳。

二、研究動機、目的

國內 SRC 建築已經日益普遍使用，但無論美、日或我國對 SRC 剪力設計之想法與作法仍相當分歧。探討其原因，主要在於 SRC 剪力傳遞機制之瞭解仍然不清楚，故對於剪力強度的評估，係排除結構之合成效應而採用簡單的疊加方式。本研究透過實驗的方式及解析模型建立，探討 SRC 短柱剪力傳遞機制。

三、試驗計畫 3-1 試驗規劃

本研究共規劃了26根試體，其中深梁與短柱試體分別各為13根，為了評估SRC的剪力強度，因此將試體設計為剪力破壞的模式。

1.試驗參數：

a.深梁試體：

深梁主要探討參數為腹板深度、腹板厚度、鋼骨表面絕緣處理及型鋼端部錨定情況；

b.短柱試體：

短柱試體依照鋼骨翼板的寬度、橫向鋼

骨的深度及是否有橫隔板等而有不同的組

合。

(3)

2.材料性質：

試體均採用 SD42（ f y =412 MPa）之高拉力強度鋼筋，型鋼採用 ASTM A36（ F y =246 MPa），混凝土採用普通強度 27.5 MPa 之混凝土。

3.試體澆置及測試方式：

試體的澆置方式，在深梁試體採用平躺澆置，而短柱試體採用直立方式澆置。

實驗的裝置係將兩個基座放置在強力樓版上，然後將試體橫放置在基座上，採用 600 噸萬能試驗機（MTS）加載測試，深梁測試方式採用簡支雙點加載，而短柱採用單點偏心加載的方式進行試驗。

3-2 試體設計與製作

全部的試體均製作成長度為1600mm，深梁斷面尺寸為450mm×550mm之矩形柱，而短柱斷面尺寸為550mm×550mm之矩形柱。試體除了純鋼筋混凝土斷面外，根據型鋼斷面可分為兩大類，第一類主要為單一H型鋼所組成的 SRC斷面，如圖1所示；而第二類則雙H型鋼

（Cross H，）所組成的SRC斷面，

如圖2。

深梁試體主要為第一類之SRC斷面，而短柱試體包含上述兩類。因此設計出26根試體。試體編號及尺寸如表1、表2所示。

3-3 試驗裝置

整個裝置可概分為支承系統、量測系統及施力系統三部分。深梁與短柱試驗裝置最大不同在於施力方式。深梁試體其試驗施力方式採用簡支雙點載重的方式施載，其剪力跨徑為 460mm，如圖3所示；而短柱試體則採用簡支單點加載方式進行施載，剪力跨徑為550mm，

如圖4所示。

四、試驗結果

1.深梁試體：

由圖5之的載重位移圖，可以明顯的看出，當載重到達最大值 P _max ^{時，其混凝土梁強}

度就劇烈的衰減，呈現剪力破壞的常見脆性載重-位移曲線。在圖5，SRC梁的載重-位移圖

中，我們清楚的可以看的出來，當達最大加載強度時，並不像RC梁一樣強度都是急遽的下降，而是呈現較不具脆性之強度的衰減模式。

2.短柱試體：

觀察 13 根試體的載重--位移曲線，如圖 6

所示，純 RC 柱之載重位移曲線顯示一脆性之

抗剪行為。亦即在試體達最大載重值 P _max ^出現

前，其載重位移仍為線性關係，但在 P _max ^出現

後，其強度就迅速下降。與純 RC 柱比較，單 H 型鋼 SRC 柱之脆性行為就較不明顯。其於

P max 出現前就已有軟化之非線性行為，而在

P max 出現後，其強度之遞減就較緩慢。對雙 H 型鋼 SRC 而言，其載重位移曲線最不具有脆性，甚至可說稍具有韌性。亦即在 P _max ^出現前

後，其載重位移曲線均有明顯之降伏平台。

五、分析與討論

在剪力強度的預測上，主要使用三種方法來進行，第一種主要使用美國 ACI 318-99 計算混凝土強度及美國 AISC-LRFD 計算鋼骨強度之疊加法；第二種主要使用日本 AIJ-SRC 規範計算 SRC 剪力強度，稱之為 AIJ-SRC 剪力強度疊加法；最後一種為使用軟化壓拉桿模式( Softened Strut-and-Tie Model；SST Model ) 分析剪力強度，稱之為 SST 分析法。而前兩種方法主要為強度疊加的方式，未具有合成效應的行為，最後一種 SST 分析法主要考慮合成效應之行為來分析剪力強度。

綜合ACI 318-99與AISC-LRFD剪力強度疊加法、日本AIJ-SRC及SST三種剪力強度預測方法，三種評估剪力強度方法都安全無虞，

但精度評估還是以SST變異性最小。深梁與短柱試體分析結果如圖7、圖8所示。

六、結論與建議

1.綜合 13 根試體之試驗結果，破壞的型式均

位於對角線近載重點處，型鋼外緣混凝土擠碎之破壞，可定義為抗剪之對角壓力破壞。

2.載重位移曲線顯示 RC 短柱斷面在混凝土擠

碎立即決定強度之脆性破壞模式，破壞後並

沒有韌性可言；單 H 型鋼斷面之 SRC 短柱

(4)

為型鋼外圍混凝土擠碎，強度還會有些許提昇，強度發生後，強度並沒有立即下降迅速；雙 H 型鋼斷面之 SRC 短柱為橫向鋼骨翼板外圍之混凝土擠碎，強度還會提昇，並且在強度發生前後會有降伏平台出現。因此 SRC 剪力破壞具有非脆性行為而和型鋼所佔之橫向尺寸有關（例如：縱向鋼骨之翼板寬度和橫向鋼骨之腹板深度）。型鋼內緣受束制之混凝土之剪力應變硬化有限，約 10%~20%，所以第一點結論之破壞決定控制強度。

3.分析結果顯示，ACI 318-99 與 AISC-LRFD 剪力強度疊加法和日本 AIJ-SRC 規範疊加法均未考慮合成效應，故無法充分反應結構行為，軟化壓拉桿模型能夠考慮合成效應，

故能較清楚反應參數變化之行為。在強度的預測以軟化壓拉桿預測最為準確，且變異係數最小精度最佳。

4.SST 模型之特點：

(a) 因為忠實反應混凝土抗剪之對角壓力破壞，故 f _c ′ 降低時，SRC 梁之抗剪強度迅速下降。

(b) 因為有考慮合成效應作用，故對鋼骨之配置細節有所要求，合成效應源自縱向鋼骨所佔桿件全深之比例，並非剪力釘之施力。

(c) SRC 短柱剪力傳遞屬於不連續區域，其有應力集中之現象，亦稱為受擾動區域

（Disturbed region; D-region），因此本研究建議之解析模型亦可應用於 SRC 桿件 D- region 剪力強度之評估，例如深梁、梁柱接頭。

八、參考文獻

1.陳佑任，『鋼骨鋼筋混凝土深梁抗剪行為之研究』，碩士論文，國立台灣科技大學營建工程系(2001)。

2.林庚達，『鋼骨鋼筋混凝土短柱抗剪行為之研究』，碩士論文，國立台灣科技大學營建工程系(2001)。

九、圖表

1600 b

d

bf

tw

d

tf

圖 1 深梁試體示意圖

550

bf

d

hd

hb

t_w

htw

1600 D1

D2

圖 2 短柱試體示意圖

600T MTS

載重分配梁

460 460

圖 3 深梁試體試驗裝置

LVDT

600 ton

MTS

基座 Dial Gage

100mm Loa ding Pla te

萬能試驗機基座

550 825

混凝土澆置方向

圖 4 短柱試體試驗裝置

P （ k N ）

δ （ m m ）

0 10 20 30 0 10 20 30

0 1000 2000 3000 4000 5000

B-RC-1 B-H2

圖 5 深梁試體載重位移曲線

C-RC-1 2000

4000 6000

C-CH33C C-H2F3

0 20 40 60

0 20 40 0 20 40

DISPLACEMENT (mm)

LOAD (kN)

圖 6 短柱試體載重位移曲線

(5)

0 1 2 3 4

SST n test

V V

,

AIJ n test

V V

_,

AISC ACI n test

V V

_,

V te st / V ca l B- RC- 1 B- RC- 2 B- H 1 B- H 2W 3

B- H 2W 2

B- H 2- N A

B- H 4- IS

B- H 3- IS

B- H 2- IS

B- H 1- IS

B- H 4

B- H 3

B- H 2

圖 7 深梁剪力強度預測比值之比較

SST n test

V V

_,

AIJ n test

V V

_,

AISC ACI n test

V V

_,

0 1 2 3 4

V te st / V ca l C -R C -1 C -R C -2 C -H 2 F 1 C -H 2 F 2 C -H 2 F 3 C -H 2 D C -C H 1 3 C -C H 2 3 C -C H 3 3 C C -C H 3 3 A C -C H 3 3 B C -C H 3 3 P C -C H 3 3 -D

圖 8 短柱剪力強度預測比值之比較

表 1 深梁試體斷面尺寸 試體鋼骨斷面

編號

d b

_f

t

_w

t

_f

A

_w

= d× t

_w

B-RC -- -- -- -- --

B-H1 450 200 9 14 4050

B-H2 390 200 10 16 3900

B-H3 300 200 (10+3)* 15 3900

B-H4 200 200 (8+12)* 12 4000

B-H1-IS 450 200 9 14 4050

B-H2-IS 390 200 10 16 3900

B-H3-IS 300 200 (10+3)* 15 3900 B-H4-IS 200 200 (8+12)* 12 4000 B-H2W2 390 200 (10+5)* 16 5850 B-H2W3 390 200 (10+10)* 16 7800

B-H2-NA 390 200 10 16 3900

註：1. * 代表腹板加銲鋼板之實際厚度；

2. 編號 IS 代表鋼骨表面絕緣處理；

3. 編號 NA 代表鋼骨端部不銲接錨定。

表 2 短柱試體編號與鋼骨尺寸 鋼骨斷面

縱向鋼骨 橫向鋼骨 試體

編號

d b

_f

t

_w

t

_f _h

d

_h

b

_f _h

t

_w _h

t

_f

C-RC-1 --- --- --- --- --- --- --- --- C-RC-2 --- --- --- --- --- --- --- --- C-H2F1 422 100 10 32 --- --- --- --- C-H2F2 422 150 10 32 --- --- --- --- C-H2F3 390 200 10 16 --- --- --- --- C-H2D 390 200 10 16 --- --- --- --- C-CH13 390 100 10 16 390 200 10 16 C-CH23 390 150 10 16 390 200 10 16 C-CH33A 390 200 10 16 390 200 10 16 C-CH33B 390 200 10 16 200 200 10 16 C-CH33C 390 200 10 16 300 200 10 16 C-CH33P 390 200 10 16 390 200 0 16 C-CH33-D 390 200 10 16 390 200 10 16

鋼骨鋼筋混凝土深梁剪力傳遞行為研究

行政院國家科學委員會補助研究計畫成果報告

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※ 鋼骨鋼筋混凝土深梁及短柱抗剪行為之研究 ※

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計畫類別： 個別型計畫 整合型計畫 計畫編號：NSC89-2211-E-011-060

執行期間：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日 計畫主持人：陳正誠 教授

共同主持人：陳正誠 教授

本成果報告包括以下應繳交之附件：

赴國外出差或研習心得報告一份 赴大陸地區出差或研習心得報告一份

出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份 國際合作研究計畫國外研究報告一份

執行單位：國立台灣科技大學營建工程系

中 華 民 國 九十 年 十 月 五 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

鋼骨鋼筋混凝土深梁及短柱抗剪行為之研究 Shear Behavior of Steel Reinfor ced Concr ete

Deep Beams and Shor t Columns 計畫編號：NSC89-2211-E-011-060 執行期間：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日 主持人：陳正誠 台灣科技大學營建系 教授

一、中文摘要

二、研究動機、目的

三、試驗計畫 3-1 試驗規劃

本研究共規劃了26根試體，其中深梁與短柱 試體分別各為13根，為了評估SRC的剪力強 度，因此將試體設計為剪力破壞的模式。

深梁主要探討參數為腹板深度、腹板厚 度、鋼骨表面絕緣處理及型鋼端部錨定情況；

短柱試體依照鋼骨翼板的寬度、橫向鋼

骨的深度及是否有橫隔板等 而有不同的組

合。

試體均採用 SD42（ f y =412 MPa）之高拉 力強度鋼筋，型鋼採用 ASTM A36（ F y =246 MPa） ，混凝土採用普通強度 27.5 MPa 之混凝 土。

試體的澆置方式，在深梁試體採用平躺 澆置，而短柱試體採用直立方式澆置。

實驗的裝置係將兩個基座放置在強力樓 版上，然後將試體橫放置在基座上，採用 600 噸萬能試驗機（MTS）加載測試，深梁測試方 式採用簡支雙點加載，而短柱採用單點偏心加 載的方式進行試驗。

3-2 試體設計與製作

（Cross H， ）所組成的SRC斷面，

深梁試體主要為第一類之SRC斷面，而短柱試 體包含上述兩類。因此設計出26根試體。試體 編號及尺寸如表1、表2所示。

3-3 試驗裝置

如圖4所示。

四、試驗結果

由圖5之的載重位移圖，可以明顯的看 出，當載重到達最大值 P max 時，其混凝土梁強

度就劇烈的衰減，呈現剪力破壞的常見脆性載 重-位移曲線。在圖5，SRC梁的載重-位移圖

中，我們清楚的可以看的出來，當達最大加載 強度時，並不像RC梁一樣強度都是急遽的下 降，而是呈現較不具脆性之強度的衰減模式。

觀察 13 根試體的載重--位移曲線，如圖 6

抗剪行為。亦即在試體達最大載重值 P max 出現

前，其載重位移仍為線性關係，但在 P max 出現

後，其強度就迅速下降。與純 RC 柱比較，單 H 型鋼 SRC 柱之脆性行為就較不明顯。其於

P max 出現前就已有軟化之非線性行為，而在

P max 出現後，其強度之遞減就較緩慢。對雙 H 型鋼 SRC 而言，其載重位移曲線最不具有脆 性，甚至可說稍具有韌性。亦即在 P max 出現前

後，其載重位移曲線均有明顯之降伏平台。

五、分析與討論

綜合ACI 318-99與AISC-LRFD剪力強度 疊加法、日本AIJ-SRC及SST三種剪力強度預 測方法，三種評估剪力強度方法都安全無虞，

但精度評估還是以SST變異性最小。深梁與短 柱試體分析結果如圖7、圖8所示。

六、結論與建議

位於對角線近載重點處，型鋼外緣混凝土擠 碎之破壞，可定義為抗剪之對角壓力破壞。

2.載重位移曲線顯示 RC 短柱斷面在混凝土擠

碎立即決定強度之脆性破壞模式，破壞後並

沒有韌性可言；單 H 型鋼斷面之 SRC 短柱

3.分析結果顯示，ACI 318-99 與 AISC-LRFD 剪力強度疊加法和日本 AIJ-SRC 規範疊加 法均未考慮合成效應，故無法充分反應結構 行為，軟化壓拉桿模型能夠考慮合成效應，

故能較清楚反應參數變化之行為。在強度的 預測以軟化壓拉桿預測最為準確，且變異係 數最小精度最佳。

4.SST 模型之特點：

(a) 因為忠實反應混凝土抗剪之對角壓力破 壞，故 f c ′ 降低時，SRC 梁之抗剪強度 迅速下降。

(b) 因為有考慮合成效應作用，故對鋼骨之配 置細節有所要求，合成效應源自縱向鋼骨 所佔桿件全深之比例，並非剪力釘之施 力。

(c) SRC 短柱剪力傳遞屬於不連續區域，其有 應 力 集 中 之 現 象 ， 亦 稱 為 受 擾 動 區 域

（Disturbed region; D-region） ，因此本研究 建議之解析模型亦可應用於 SRC 桿件 D- region 剪力強度之評估，例如深梁、梁柱 接頭。

八、參考文獻

1.陳佑任， 『鋼骨鋼筋混凝土深梁抗剪行為之 研究』，碩士論文，國立台灣科技大學營建 工程系(2001)。

2.林庚達， 『鋼骨鋼筋混凝土短柱抗剪行為之 研究』，碩士論文，國立台灣科技大學營建 工程系(2001)。

九、圖表

LVDT

基 座 Dial Gage

萬 能 試 驗 機 基 座

混 凝 土澆 置 方 向

P （ k N ）

δ （ m m ）

0 10 20 30 0 10 20 30

0 1000 2000 3000 4000 5000

B-RC-1 B-H2

C-RC-1 2000

4000 6000

C-CH33C C-H2F3

0 20 40 60

0 20 40 0 20 40

0 1 2 3 4

V V

計畫類別：個別型計畫整合型計畫計畫編號：NSC89-2211-E-011-060

執行期間：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日計畫主持人：陳正誠教授

共同主持人：陳正誠教授

赴國外出差或研習心得報告一份赴大陸地區出差或研習心得報告一份

出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份國際合作研究計畫國外研究報告一份

中華民國九十年十月五日

Deep Beams and Shor t Columns 計畫編號：NSC89-2211-E-011-060 執行期間：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日主持人：陳正誠台灣科技大學營建系教授

本研究共規劃了26根試體，其中深梁與短柱試體分別各為13根，為了評估SRC的剪力強度，因此將試體設計為剪力破壞的模式。

深梁主要探討參數為腹板深度、腹板厚度、鋼骨表面絕緣處理及型鋼端部錨定情況；

骨的深度及是否有橫隔板等而有不同的組

試體均採用 SD42（ f y =412 MPa）之高拉力強度鋼筋，型鋼採用 ASTM A36（ F y =246 MPa），混凝土採用普通強度 27.5 MPa 之混凝土。

試體的澆置方式，在深梁試體採用平躺澆置，而短柱試體採用直立方式澆置。

實驗的裝置係將兩個基座放置在強力樓版上，然後將試體橫放置在基座上，採用 600 噸萬能試驗機（MTS）加載測試，深梁測試方式採用簡支雙點加載，而短柱採用單點偏心加載的方式進行試驗。

（Cross H，）所組成的SRC斷面，

深梁試體主要為第一類之SRC斷面，而短柱試體包含上述兩類。因此設計出26根試體。試體編號及尺寸如表1、表2所示。

由圖5之的載重位移圖，可以明顯的看出，當載重到達最大值 P _max ^{時，其混凝土梁強}

度就劇烈的衰減，呈現剪力破壞的常見脆性載重-位移曲線。在圖5，SRC梁的載重-位移圖

中，我們清楚的可以看的出來，當達最大加載強度時，並不像RC梁一樣強度都是急遽的下降，而是呈現較不具脆性之強度的衰減模式。

抗剪行為。亦即在試體達最大載重值 P _max ^出現

前，其載重位移仍為線性關係，但在 P _max ^出現

P max 出現後，其強度之遞減就較緩慢。對雙 H 型鋼 SRC 而言，其載重位移曲線最不具有脆性，甚至可說稍具有韌性。亦即在 P _max ^出現前

綜合ACI 318-99與AISC-LRFD剪力強度疊加法、日本AIJ-SRC及SST三種剪力強度預測方法，三種評估剪力強度方法都安全無虞，

但精度評估還是以SST變異性最小。深梁與短柱試體分析結果如圖7、圖8所示。

位於對角線近載重點處，型鋼外緣混凝土擠碎之破壞，可定義為抗剪之對角壓力破壞。

3.分析結果顯示，ACI 318-99 與 AISC-LRFD 剪力強度疊加法和日本 AIJ-SRC 規範疊加法均未考慮合成效應，故無法充分反應結構行為，軟化壓拉桿模型能夠考慮合成效應，

故能較清楚反應參數變化之行為。在強度的預測以軟化壓拉桿預測最為準確，且變異係數最小精度最佳。

(a) 因為忠實反應混凝土抗剪之對角壓力破壞，故 f _c ′ 降低時，SRC 梁之抗剪強度迅速下降。

(b) 因為有考慮合成效應作用，故對鋼骨之配置細節有所要求，合成效應源自縱向鋼骨所佔桿件全深之比例，並非剪力釘之施力。

(c) SRC 短柱剪力傳遞屬於不連續區域，其有應力集中之現象，亦稱為受擾動區域

（Disturbed region; D-region），因此本研究建議之解析模型亦可應用於 SRC 桿件 D- region 剪力強度之評估，例如深梁、梁柱接頭。

1.陳佑任，『鋼骨鋼筋混凝土深梁抗剪行為之研究』，碩士論文，國立台灣科技大學營建工程系(2001)。

2.林庚達，『鋼骨鋼筋混凝土短柱抗剪行為之研究』，碩士論文，國立台灣科技大學營建工程系(2001)。

基座 Dial Gage

萬能試驗機基座

混凝土澆置方向

＃＝ 1 or 2 代表測試之順序 2. 單 H 型鋼系列：C-H＃□

＃＝代表使用 H 390 × 300 × 200 × 16 之型鋼

＃1 ＝代表縱向鋼骨斷面尺寸關係

＃2 ＝代表橫向鋼骨斷面尺寸關係

□ ＝代表橫向鋼骨腹板深度變化