梁柱接头之力学行为.PDF

第二章 梁柱接頭之力學行為 2.1 概述 耐震設計的觀念是當建築結構物遭遇中低程度之地震力作用 時，期望結構具有充分的強度與勁度，使結構 物能保持在彈性範圍 內；而在發生強烈地震侵襲下，允許結構物產生非彈性變形來消量， 以確保結構之安全。 傳統鋼骨抗彎構架之梁柱接頭方式為梁腹板與剪力板採螺栓接 合，梁翼板以全滲透銲接方式銲於柱翼板上。在遭受地震力作用時， 根據其彎矩梯度分佈，於梁柱接面處有最大彎矩；翼板之撓曲應力經 由柱翼板傳入柱腹板，而剪力則經由梁腹、螺栓及剪力板傳遞至柱。 當地震力作用時，構架將於梁柱交會區產生塑性變形，以消散地震能 量。 因為梁柱交接面為幾何形狀不連續處，有應力集中現象，亦是梁 翼全滲透銲之熱影響區，產生母材脆化與存在殘留應力，這些因素導 致梁柱接頭的破壞，進而影響鋼骨抗彎構架之韌性消能能力。所以梁 柱接頭是否能穩定消能，實為韌性抗彎構架設計重點。 2.2 梁柱接頭文獻回顧 自從 1994 年洛杉磯北嶺地震後，國內外對於梁柱接頭之韌性研 究已有一段時間，許多改良式接頭是利用塑性變形發生於鋼梁上，並 使塑鉸產生位置遠離梁柱交接面，進而達到韌性消能目的。改良式接 頭可分為減弱式與補強式兩類，減弱式接頭形式有：等斷面平行切削 式 (Plumier 1997) 、漸變斷面切削式 (Chen et al. 1996) 、圓弧切削式 3 (Engelhardt et al. 1998)與鑽孔式接頭(林昆德 1996) ；補強式接頭形式 有：蓋板 (Engelhardt and Sabol 1998) 、肋版(Anderson and Duan 1998 ； Chen et al. 2005) 、水平翅板(Ting et al. 1991)及托架 (Lee et al. 2003) 。 2.2.1 減弱式接頭 切削式接頭 切削式接頭是藉由減少部分梁翼板之斷面，降低切削處之彎矩強 度，使該處最先達到降伏狀態產生塑鉸於預期之位置。Plumier (1997) 提出等斷面平行切削方式，此切削方式會在切削區內某一點先降伏然 後產生塑鉸，但是塑性消能範圍較小所 以這種切削型式效果有限。 Chen et al. (1996)研究高韌性梁柱接頭，考慮梁彎矩梯度分佈降 低切削區之彎矩容量，以確保降伏發生於此預選區；並採用漸變斷面 的切削方式，使得切削區段內產生整體性的降伏，增加整體結構非彈 性變形的能力，而達到大範圍降伏消能的效果。由實驗結果得知，漸 變斷面切削可達 4%弧度以上之塑性轉角，切削接頭之勁度比無切削 接頭約減少了 3% ，顯示此切削式接頭能提供良好之韌性能力。但由 於梁翼的切削亦降低梁翼的勁度，增加梁腹挫屈及側向扭轉挫屈的可 能性。 鑽孔式接頭 鑽孔式梁柱接頭設計原理與切削式接頭相同，是在梁翼適當位置 處以鑽孔方式減少梁斷面，差異在於切削是連續的而鑽孔是分散的。 陳嘉有 (1995)研究韌性鋼骨梁柱接頭行為，其中三組試體探討鑽孔 對接頭韌性的影響，分別以孔徑、孔數與間距作為設計參數來探討接 4 頭之韌性。結果顯示鑽孔式接頭之塑性轉角能 力比傳統接頭提高約 1.5倍，具有較佳的韌性能力；雙排孔應較單排孔間距擴大，如此可 減低梁翼應力集中現象。鑽孔式接頭之應力傳遞複雜，且鑽孔量、鑽 孔位置與孔徑大小對梁柱接頭強度與韌性之影響，仍須做進一步研究 與探討。 林昆德 (1996) 對抗彎鋼骨梁柱接頭行為的研究進行十二組實尺 寸試驗，其中兩組以 A36 鋼材的鑽孔型接頭；六組是採 A572 Gr. 50 鋼材，以鑽孔並搭配腹板銲接或肋板加勁的方式進行試驗。結果顯示 鑽孔型接頭之韌性消能能力並不穩定，且梁柱接面銲道之應力仍非常 高，但藉由配合其它接合細節是可以改善應力集中降低破壞發生的可 能性。 2.2.2 補強式接頭 蓋板補強式接頭 蓋板補強是利用鋼板加銲於梁柱交接處之梁上下翼板，藉由增加 翼板厚度提升接頭處之彎矩容量，使塑鉸遠離 柱面於蓋板補強外發 生。林新益 (1989)研究箱型柱接 I型梁街頭之強度與韌性，實驗證明 梯形蓋板在梁柱接合處之翼板兩側有高應力集中，且