鋼骨與混凝土複合構造之行為研究---子計畫：鋼骨混凝土構架與斜撐構材之接合研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

CFT 柱與斜撐構材接合處混凝土之承壓強度及行為 Behavior of CFT-to-Br acing Connections under Axial

Compr ession

計畫編號：NSC-90-2625-Z-011-002 執行期間：90 年 8 月 1 日至 91 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

本研究內容為 CFT(鋼管混凝土)柱與 斜撐構材接合處混凝土之承壓行為，共進 行十七支試體的載重試驗，其中包含十六 支裝置接合板的鋼管混凝土柱及一支純鋼 管混凝土柱，探討外力經由斜撐構材導入 接合板時，對 CFT 柱與接合板底部混凝土 之承壓行為的影響並了解其破壞的模式。

試驗參數主要包括接合板的板厚、接合板 的形式（有無開孔）及不同加載方式對於 試體強度的影響。採用 LRFD 設計規範中 基礎混凝土承壓強度的計算方式進行分 析，試驗結果顯示，在本實驗試體尺寸範 圍內，各試體降伏強度大小差異不大，接 合板板厚只需 12 mm 就足以將由斜撐構 材所導入的外力傳遞至 CFT 柱，直到整個 CFT 柱到達極限降伏強度為止。

關鍵字：鋼管混凝土、接合板、斜撐構材 ABSTRACT

The main objective of this paper is to investigate the behavior of the gusset plate type of CFT-to-Bracing connections .A total of seventeen specimens, including sixteen CFT-to-Bracing connections and one concrete filled tube column, were tested to failure. The main variables of the

experiment study were: the thickness of the gusset plate, holes cut out of the gusset plate and type of loading. Test results show that the gusset plate type connections possess very good behavior. And this type of connections is quite easy to fabricate and quite economical. In the range showed 12 mm-thick gusset plates are able to develop the full capacity of the CFT-to-Bracing connection.

Key words: CFT, gusset plate, bracing member

1、前言

鋼管混凝土(Concrete Filled Tube)，藉 由鋼管內充填充混凝土，將鋼材高強度與 高韌性的優點與混凝土高承載力之特性相 結合，成為兼具韌性與勁度的結構桿件。

從力學行為上來看，混凝土因外圍鋼管的 圍束作用，相對地增加混凝土的抗壓強 度，而鋼管也因混凝土的存在，減少鋼管 向內挫屈的可能性，而從施工的便利性來 看，鋼管可充當混凝土的模板，省去傳統 上製作模板的步驟。

現今、CFT 柱與斜撐構材接合處的接頭形 式，共分成單邊斜撐或單邊斜撐接梁和雙 邊斜撐接梁三種，如圖一所示，將接合板

（gusset plate）穿入鋼管混凝土柱內作為 鋼管混凝土柱與斜撐構材之間的傳遞橋 樑，而構材與接合板之間可直接利用螺栓

進行接合，綜觀整體的接合方式，不論從 施工性及經濟性上來看，均具有其良好的 特性。在 CFT 的相關文獻中，對於 CFT 柱與斜撐構材接合處混凝土之承壓強度及 行為，仍有許多的疑點尚待釐清﹑例如：

受力時﹑斜撐經由接合板（gusset plate）

將力量傳遞至 CFT 柱時接合板處混凝土 與鋼管的力學傳遞行為如何？及隨著接合 板厚度的改變對於 CFT 柱破壞機制的影 響，再者鋼管與混凝土之間的接合應力等 等 ‧‧皆須再做進一步的探討。CFT 發展 至今，對於梁和柱桿件的力學行為已有相 當程度的文獻可供參考，然而對於 CFT 梁 柱接頭行為的部分則不多，而在一般的耐 震結構系統中，梁柱接頭一直是各方研究 的重點，故釐清 CFT 梁柱接頭內部受力行 為，對未來 CFT 結構系統的推廣將有其直 接的幫助。

二、試驗計畫

2-1 試體之設計與製作

在一般的 CFT 斜撐系統當中，接合板 主要負責 CFT 柱與斜撐構材之間力量傳 遞的工作，受力狀況如圖二所示，由斜撐 構材所導入接合板的外力，其水平分量可 相互抵消，故對 CFT 柱來說，外力的來源 除了來自上部樓層的軸力 Pa，還有來自斜 撐構材所導入接合板的垂直力 Pg。本實驗 進行六個系列，共十七座含 CFT 柱試體的 載重試驗，如表一所示，P12 系列（三座）、 P24 系列（四座）、P36 系列（三座）、PH24 系列（三座）及 PH36 系列（三座）試體 之長度皆為 1590mm，斷面尺寸為 265mm ψ厚度 7mm 之鋼管，並在鋼管中段部分 予以開槽，以便設置不同種類的接合板。

此外、為決定試體測試時所需施加的軸力

P

a大小，故在試驗的規劃上，以一純鋼管

混凝土柱（S 試體）的降伏強度為基準，

依據其降伏強度的三分之一及三分之二，

做為施加軸力 Pa的標準。材料強度部分，

礙於萬能試驗機（MTS）的容量限制，故 選擇降伏強度為 2.4

t cm 無縫鋼管(JIS

/ ² G3456 STPT370)，而混凝土方面，亦選擇 抗壓強度較低的混凝土（0.28 t/cm²）。 2.2 試驗裝置及試驗方法

位移計（LVDT）方面，除 S 試體之外，

其餘試體接合板下方至一倍鋼管直徑處中 間各設置一個位移計，量測鋼管的相對變 形量，而在 S 試體方面，同樣為了量測鋼 管的相對變形量，在中間段左右兩邊各設 置一個位移計，詳見圖三。在應變計方面，

接合板下方左右兩邊的單軸應變計主要量 測鋼管之局部應變，距離鋼管底部 0.75 倍 鋼管直徑處設置 4 片三軸應變計，量測鋼 管所承受的應力。而在試體 S 方面只在中 間部分設置 4 片三軸應變計，量測鋼管所 承受的應力，亦可換算出鋼管及混凝土所 承受的力量、詳見圖三。

三.試驗結果

3-1 載重-位移曲線

圖四為試體的載重位移曲線，觀察各 試體之位移載重曲線關係圖，可發現改變 接合板的厚度，對於整個 CFT 柱區域的勁 度及強度影響並不大，除了 P36 系列試體 在降伏之後強度有明顯下降的趨勢外，其 餘系列的試體均有很明顯的降伏平台產 生。同理，P36 系列與 PH24 系列試體的 承壓面積雖相同，但承壓形式不同，實驗 結果顯示，承壓形式的改變仍對整個 CFT 柱區域的勁度及強度影響並不大。表二為 各試體之降伏強度及勁度，可以很明顯的 看出各試體的降伏強度相差不大，各系列 之間降伏強度大小的變化也沒有一定的規

則性。將各試體的極限降伏強度 Pu除以由 實際材料的標稱強度所求的 Pn，其比值平 均約為 1.1 左右。而從各試體之局部勁度 大小來看，各個系列試體勁度（K0.75Pu）， 隨著軸力的增加，CFT 柱的勁度也有逐漸 升高的趨勢。

3-2 試體承壓行為

對 CFT 柱接合板下方的鋼管而言，

鋼管除了要承受軸力 Pa 及 Pg 的作用之 外，尚需抵抗混凝土因受壓而產生的側向 壓力，故當接合板下方的鋼管降伏之後，

無法再對混凝土提供額外的圍束效應時，

此時試體就可能開始產生承壓破壞，故在 判斷試體產生承壓破壞的時機上，我們可 以利用材料力學裡材料在彈性範圍中其浦 松比（ν）約略維持定值的原理，分別將 四個三軸應變計的

ε

_h除以

ε ，繪出載重 P

_v 與

_{ε ε}

_{h v}之關係曲線。在判定上、當

_{ε ε}

_{h v}的 比值出現明顯變化的趨勢時，即代表鋼管 已發生降伏，而從試驗結果中可知最早開 始降伏的三軸應變計大部分位於試體的東 面及西面，因此我們將東面及西面三軸應 變計比值加以平均並與載重 P 繪製關係曲 線圖，將

_{ε ε}

_{h v}比值發生明顯變化時所對應 的載重，當成試體開始產生承壓破壞時所 對應的理論載重，在各試體的位移載重曲 線上標記出先前所求得的理論破壞載重，

如圖四所示，可以很明顯的看出載重在超 過試體的理論破壞載重之後，在勁度上有 明顯變化的趨勢。

四、結論與建議 4-1 結論

本試驗主要研究 CFT 柱與斜撐構材 接合處混凝土之承壓強度及行為，分五系 列共十七組試體，依實驗結果整理成結論 如下：

1. 在本文研究範圍內，接合板型 CFT—

斜撐構材接合的行為良好，施工容易且 經濟性佳，具有良好的發展潛力。

2. 在本文試體之範圍內，從試體強度上來 看，接合板板厚只需 12 mm 就足以將 由斜撐構材所導入的外力傳遞至 CFT 柱，直到整個 CFT 柱到達極限降伏強 度為止，而接合板開孔，對於試體強度 的影響也不大，另外，比較各試體局部 區域勁度大小，接合板越厚，試體局部 區域的勁度也相對的增加，但接合板開 孔對於試體局部區域勁度的影響仍不 大。

3. 由試體的位移載重曲線來看，P12 系列 及 P24 系列的試體在降伏之後，強度 並無明顯的下降，而 P36 系列、PH24 系列及 PH36 系列試體在降伏之後，強 度 則 有 明 顯 的 下 降 的 趨 勢 ， 尤 其 以 P36-67 試體強度下降最為明顯。

4. 對試體而言，軸力

P

a的大小，會影響 試體到達降伏時所需施加的垂直力 Pg

的大小，實驗結果顯示，軸力 Pa越大，

所需施加的垂直力 Pg相對的減少。而 同一系列的試體，其試體 Pa與 Pg的總 和，相差並不大，由此可見不同形式的 加載方式並不會對試體的降伏強度大 小產生影響，主要還是以由構材的強度 為準。

五、參考文獻

1. AISC, Manual of Steel Construction-Load &

Resistance Factor Design, American Institute of Steel Construction, Inc, (2001).

2. Roeder, C. W., Chmielowski, R., and Brown,

C.B., “ Shear Connector Requirements for

Embedded Steel Sections,” Submitted to Journal

of Structural Engineering, ASCE, 1999.

單邊斜撐

接合板 斜撐

梁

CFT柱

單邊斜撐接梁 雙邊斜撐接梁

圖一 CFT 柱與斜撐構材接合處之接頭形式

由斜撐導入 的外力P_g CFT柱

Pg水平分力 軸力P_a

P_g垂直分力

圖二 CFT 接頭力量傳遞自由體圖

圖三 試體應變計及位移計位置圖

圖四 試體載重位移曲線關係圖

表一 試體實驗參數及尺寸

試體 編號

P

a

/P

u

(%)

接合 板厚 t

(mm)

接合板 開孔

承壓面 積 A

_b

cm

²

S 100 --- --- 0

P12-00 0 12 --- 30.36

P12-33 33 12 --- 30.36

P12-67 67 12 --- 30.36

P24-00 0 24 --- 60.72

P24-33 33 24 --- 60.72

P24-67 67 24 --- 60.72

P24-100 100 24 --- 60.72

P36-00 0 36 --- 91.08

P36-33 33 36 --- 91.08

P36-67 67 36 --- 91.08

PH24-00 0 24 2-64mmψ

ö

91.92

PH24-33 33 24 2-64mmψ 91.92

PH24-67 67 24 2-64mmψ 91.92

PH36-00 0 36 3-85mmψ 182.88

PH36-33 33 36 3-85mmψ 182.88

PH36-67 67 36 3-85mmψ 182.88

表二 試體極限降伏強度及勁度

試體 編號

Pu

(ton) Pn

(ton) u n

P P

0.75Pu

(ton) δPu

(mm) δ0.75Pu

(mm) KPu

mm ton

K0.75

mm ton

S 395 355 1.11 296 0.98 0.35 403.1 845.7

P12-00 377 355 1.06 283 3.97 1.32 95.0 214.4

P12-33 385 355 1.08 288 3.41 0.78 112.9 369.2

P12-67 391 355 1.10 293 2.75 0.74 142.2 395.9

P24-00 382 355 1.08 287 2.74 0.81 139.4 354.3

P24-33 392 355 1.10 294 3.25 0.79 120.6 372.2

P24-67 398 355 1.12 299 6.63 0.68 60.0 439.7

P24-100 389 355 1.11 292 2.81 0.51 138.4 572.5

P36-00 394 355 1.11 296 3.04 0.80 129.6 370.0

P36-33 422 355 1.19 316 2.75 0.80 153.5 395.0

P36-67 407 355 1.15 305 2.43 0.70 167.5 435.7

PH24-00 393 355 1.11 295 3.43 0.86 115.0 343.0

PH24-33 399 355 1.12 300 3.76 0.87 106.1 344.8

PH24-67 408 355 1.15 306 2.22 0.68 183.8 450.0

PH36-00 383 355 1.08 287 2.92 0.95 131.2 302.1

PH36-33 411 355 1.16 308 2.96 0.77 138.9 400.0

PH36-67 410 355 1.15 308 2.83 0.68 144.9 452.9

Section A-A

Section B-B

A A

B B 200320

530 265 :單軸應變計

:三軸應變計

Section C-C :三軸應變計

C C

795 265265265

P12-00 P12-33 P12-67

P24-00 P24-33 P24-67

P36-00 P36-33 P36-67

PH24-00 PH24-33 PH24-67

PH36-00 PH36-33 PH36-67 P24-100

S 載重P (t)

LVDT位移 (mm)

0 100 200 300 400

0 100 200 300 400

0 100 200 300 400

0 100 200 300 400

0 10

0 100 200 300 400

0 10 0 10 20

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※

※ 鋼骨與混凝土複合構造之行為研究—子計畫 ※

※ 鋼骨混凝土構架與斜撐構材之接合研究 ※

※ ※

※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※

計畫類別：□個別型計畫 整合型計畫 計畫編號：NSC 90－2625－Z－011－022－

執行期間： 90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日 計畫主持人：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書一份

執行單位：

中 華 民 國 九十一 年 七 月 二十六 日