鋼結構構材栓接續接板塊狀剪力設計探討

 

鋼梁、鋼柱等構材以高強度螺栓續接時,其續接板須檢核各種可能發生之破壞模式,其中,在檢核塊狀剪力撕裂破壞模式時,圖1(c)所示位於接合螺栓所包絡區域之二外側塊狀剪力撕裂模式,亦為可能發生的破壞模式之一,且除須檢核受張之破壞模式外,亦須檢核受壓及受剪之破壞模式。若可能發生之破壞模式為明顯不會控制設計結果者,設計者得以槪算說明方式取代詳細檢核工作。鋼構件接頭之續接板須檢核之破壞模式彙整說明如下:

1. 受張破壞模式檢核項目如下:
(1)接合螺栓所包絡之塊狀剪力撕裂模式(見圖1b)。
(2)接合螺栓所包絡區域二外側之塊狀剪力撕裂模式(見圖1c)。
(3)作用於有效斷面積之容許張應力不得大於0.5Fu (見圖1d)。
(4)作用於以30˚擴散角在通過最後一排螺栓之斷面上,所含蓋之斷面積上之最大張應力不得大於0.6Fy (見圖1e)。
 以圖1所示H型鋼腹板栓接續接板之情況為例,項目(1)至(3)與塊狀剪力撕裂有關,雖均須檢核,惟以容許應力設計法而言,因為塊狀剪力撕裂在張力有效斷面上之容許張應力為0.5Fu,剪力有效斷面上之容許剪應力為0.3 Fu,由圖1之幾何尺寸關係可明顯看出(1)至(3)項中,項目(3)之臨界斷面積最小,會控制設計。故本例只須檢核(3)及(4)項即可符合受張情況之安全需求。

2. 受壓破壞模式檢核項目如下:

(1) 受壓破壞模式檢核以30˚擴散角在通過最後一排螺栓之斷面上所含蓋之斷面積上,所產生之最大壓應力不得大於0.6 Fy (見圖2)。
(2) 最內側螺栓間續接板無支撐長度間之挫屈強度檢核(見圖3及圖4)。
3. 受剪破壞模式(見圖5所示)檢核項目如下:

(1)接合螺栓所包絡之塊狀剪力撕裂模式(見圖5a)。
(2) 作用於有效斷面積之容許剪應力不得大於0.3Fu (見圖5b)。
(3) 作用於全斷面積之容許張應力不得大於0.4Fy (見圖5c)。
(4) 構材接合面二側螺栓組重心間距所產生之偏心二次彎矩。
【計算例】

以圖1所示H型鋼單側腹板續接板以ASD(容許應力設計法)為例作檢核,腹板續接板(t=10mm)承受軸力=16.5 tf 之張力或壓力,及剪力=3.0 tf;

 接合板 t=10mm, Fy=2.5 tf /cm2 ,Fu=4.1 tf /cm2;

 高強度螺栓M20 ASTM A325。

 (1) 張力之情況
  由塊狀剪力撕裂塊之剪力邊淨長與張力邊淨長之關係如下:
  2 (4 + 6)×(0.3Fu/0.5Fu)= 12 cm > (3.2× 2 cm)
故通過續接板橫斷面之有效斷面積之容許張應力控制設計。
(a)作用於有效斷面積之容許張力
(3.2 × 2 + 6 ) - 2 (2 + 0.15 ) = 8.1 cm2
8.1×0.5Fu =16.6 tf > 16.5 tf (O.K.) (控制 )
(b)作用於以30˚擴散角在通過最後一排螺栓之斷面上,所含蓋之斷面積之容許張力
(3.2 × 2 + 6 ) × 0.6 Fy= 18.6 tf > 16.5 tf( O.K.)
(2) 壓力之情況
作用於以30˚擴散角在通過最後一排螺栓之斷面上,所含蓋之斷面積之容許壓應力
= 16.5 tf /(1 x 12.4) = 1.33 tf /cm2 < (0.6Fy=1.5 tf /.cm2)。
挫屈檢核 KL∕r =0.65(7x2+0.5)/0.3 t = 31.4
Fa = 1.38 tf /cm2 > 1.33 tf/cm2 (O.K.)
(3) 剪力之情況
塊狀剪力破壞模式 = [4 + 6-1.5 (2 + 0.15 )] ×1×0.5Fu + [3.2 + 6-1.5 (2 + 0.15 )] ×1×0.3Fu
= 13.89+8.67=22.6tf >3 tf( O.K.)
作用於有效淨斷面積之容許剪應力=[12.4-2 (2 + 0.15 )] ×1×0.3Fu
= 9.96 tf >3 tf( O.K.)
作用於全斷面積之容許剪應力=12.4×1×0.4Fy
= 12.4 tf>3 tf (O.K.)
(4)構材接合面二側螺栓組重心間距所產生之偏心二次彎矩,假設70%作用於一側,則
M=3 tf (7x2+0.5+6) x0.7 = 61.5 tf-cm
σ= 61.5 tf-cm ÷〔1 cm ×(12.4 cm)2/6〕=2.4 tf>(0.6 Fy= 1.5 tf) (N.G.)
建議改用二側各一片(t=10mm)腹板續接板。
〔結論〕

鋼結構栓接接合之續接板,設計時除須檢核各種可能的破壞模式外,在規劃續接板及螺栓尺寸時,更須考量螺栓鎖固之施工空間及螺栓之間距、邊距、承壓強度等之規定,且須使螺栓及續接板可發揮最大效益。螺栓之配置以單排排滿構材全深為原則(見圖6),並採對稱規則配置,以免產生額外之偏心彎矩或扭力。梁、柱於接合處以避免承受繞構材縱軸之扭力為原則,若有繞構材縱軸之扭力時,更須考量接合方式對扭力抵抗效率折減之問題。另外,高強度螺栓因須以預張力鎖緊,故無鬆脫之疑慮,亦不須以隔根交互改變方向穿進螺栓孔之方式鎖固。

栓接接合板受壓時有產生挫屈的可能,故接合面二側螺栓間之間距應儘可能減小,以免發生圖3所示之挫屈模式,若有挫屈疑慮時須增大續接板厚度。

【參考資料】

[1] 營建署 (1998) “鋼結構容許應力設計法設計規範及解說”,內政部87.10.29.台(87)內營字第8773121號函頒佈。
[2] 中華民國結構工程學會 (2003) “鋼結構容許應力設計法設計手冊”, (CSSE 91-05)。
[3] AISC (1986) “Manual of Steel Construction ”,Allowable Stress Design,9 th Edition,American Institute of Steel Construction. Inc.

圖2 壓力擴散模式

圖3 續接板挫屈模式

圖1 續接板張力破壞模式[2]

 

圖5 續接板剪力破壞模式

圖4 續接板無支撐長度過長之情況

圖6 續接板螺栓配置示意圖

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