接合板插入鋼管式接頭設計例及解說(一)

一、前言

由於圓形、方形及矩形鋼管斷面之效果,相較於角鋼、T型鋼或H型鋼,均較為經濟有效,因此鋼管經常用來作為鋼結構之斜撐桿件,這些桿件可能會承受拉力或壓力載重,通常非耐震結構之斜撐桿件,所承受之力量往往小於鋼管的降伏強度,尤其是細長型受壓斜撐桿件之受壓強度,通常會小於鋼管的降伏強度,而鋼管斜撐桿件端部與結構構架間之接頭較不易施作,其強度至少必須足以傳遞斜撐所承受之軸力,甚至以高於或等於斜撐之全斷面強度為佳,以備施工工法改變而致斜撐所承受之軸力亦隨施工過程變化或提高。例如,大跨度剛接門形桁架之接頭強度,原設計以全跨架設臨時支撐之安裝工法所發生之實際力量來設計接頭,但施工單位改為屋頂桁架於地面組裝再整體吊升工法,而施工單位僅檢核吊升過程產生之應力,未檢核其接頭強度是否足以承受施工工法改變所產生之力量,此時可能在吊裝過程,或使用階段,發生接頭強度不足而破壞倒塌的事件。

鋼管斜撐桿件端部接頭型式主要可分成三種,第一種為端部T型接頭,此種T型可以是CT型鋼或鋼板組合T型鋼,T型鋼翼板與鋼管端部採連續全周銲道,而T型鋼腹板與結構構架間則是以單排或多排螺栓連接。第二種為接合板插入鋼管端部槽縫並銲接之螺栓接頭型式,此種型式接合板突出的部分,類似端部T型接頭之腹板。第三種亦為接合板插入鋼管端部槽縫並銲接,但與結構構架間採銲接之接頭型式。

二、 接合板插入鋼管端部接頭之設計要點

鋼管端部供接合板插入之槽縫寬度應比接合板的厚度大,以方便組裝施工。依照AWS D1.1規定,當鋼管與接合板間之縫隙未超過2 mm時可不必增加銲道尺寸,否則必須增加銲道尺寸,所增加之銲道尺寸必須與間隙大小相同。為了避免造成接合板產生銲蝕,AISC建議銲道不要在接合板端部處(鋼管槽縫底部)進行回銲,但應注意接合板端部處之淨斷面積減少的問題,極限狀態可能為有效淨斷面積斷裂控制。此外,當鋼管與接合板採用現場銲接時,鋼管槽縫長度通常會加長以便組裝施工。接合板寬度必須大於鋼管寬度,以利施作填角銲道。

在桿件設計時必須考慮桿件之強度,在接頭設計時至少須考慮之極限狀態有:

1. 鋼管之全斷面積降伏強度(拉力桿件)

2. 鋼管之有效淨斷面積斷裂強度(拉力桿件)

3. 接合板之全斷面積降伏強度(拉力桿件、壓力桿件)

4. 接合板之有效淨斷面積斷裂強度(拉力桿件)

5. 銲道接合之剪力強度(拉力及壓力桿件)

6. 接合板之塊狀剪力破壞強度(拉力桿件)

7. 接合板之螺栓接合強度(拉力及壓力桿件)

8. 接合板之挫屈強度(壓力桿件)

AISC規範隱含銲道長度應不小於H或D,其中H為矩形鋼管平行於接合板之斷面高度(通常使用矩形斷面之長邊),D為圓形鋼管之外徑。AISC 360-16中表D3.1所示之剪力遲滯係數U並無較短銲道的相關規定,如同鋼板以縱向銲道傳遞拉力載重之情況,並未針對較短縱向銲道規定U值。

三、設計例:接合板嵌入式螺栓接頭

圖1所示接合板嵌入式螺栓接頭承受拉力載重,該接頭採用接合板嵌入CHS。CHS端部管壁上下槽縫位於斷面中心線上,槽縫寬度比接合板厚度大2 mm。使用4顆直徑22 mm之CNS F8T承壓型接合螺栓(假設螺紋通過剪力面)及CNS E49XX(kgf/mm2)系列銲材。求該接頭所能承擔之最大設計拉力強度。

1112-3-1

圖1 CHS採用接合板嵌入式螺栓接頭

材料性質:

CNS STK 490;CHS 139.7×6

Fy=3.2 tf/cm2Fu=5.0 tf/cm2

接合板

CNS SN400YB;Fyp=2.5 tf/cm2Fup=4.1 tf/cm2

構件幾何性質:

CHS 139.7x6 ;D=14.0 cm

標稱壁厚=0.6 cm

標稱斷面積=25.2 cm2

設計壁厚t=0.6×0.93=0.56 cm

設計斷面積A=25.2×0.93=23.4 cm2

接合板:tb=1.0 cm

【題解】

1. 圓形鋼管之全斷面積降伏強度 (1112-3-3=0.90)

依據「鋼結構極限設計法規範及解說」第六章

 

PnFy Ag Fy 3.2tf/cm2AgA23.4 cm2

1112-3-3Rn,T1112-3-3Pn,T1112-3-3Fy Ag

=0.90(3.2 tf/cm2)( 23.4 cm2)=67.4 tf

2.圓形鋼管之有效淨斷面積斷裂強度(1112-3-3=0.75)

依據「鋼結構極限設計法規範及解說」第六章及表4.3-1

 

PnFu AeFu5.0tf/cm2AeAnU

 

AnA2(tb0.20 cm)t

=23.4 cm2-2(1.0 cm+0.2 cm)(0.56 cm)=22.1 cm2

D=14.0 cm≦1112-3-5=15.0 cm<1.3D=18.2 cm

U=1-1112-3-6/1112-3-5

=1-(D/π)/=0.703
1112-3-3Rn,T
1112-3-3Pn,T1112-3-3Fu Ae

 =0.75(5.0 tf/cm2)( 22.1 cm2)(0.703)=58.3 tf

3.接合板之全斷面積降伏強度(1112-3-3=0.90)

依據「鋼結構極限設計法規範及解說」第十一章

Rn=Fy Ag ;Fy=Fyp=2.5 tf/cm2

Ag=W tb=(18.0 cm)(1.0 cm)=18.0 cm2

1112-3-3Rn,T1112-3-3Fyp Ag=0.90(2.5 tf/cm2)( 18.0 cm2)=40.5 tf

4.接合板之有效淨斷面積斷裂強度(1112-3-3=0.75)

依據「鋼結構極限設計法規範及解說」第十一章

Rn=FuAe ;Fu=Fup=4.1 tf/cm2

Ae=An U ,U=1.0(「鋼結構極限設計法規範及解說」表4.3-1)

=Ag-2 (db+0.4 cm)tb=18.0 cm2-2 (2.2 cm+0.4 cm)(1.0 cm)=12.8 cm2

1112-3-3Rn,T1112-3-3Fup Ae=0.75(4.1 tf/cm2)( 12.8 cm2)=39.4 tf

5.銲道接合之剪力強度

依據「鋼結構極限設計法規範及解說」第十一章

下圖所示,編號2母材斷裂強度通常大於編號1。故本小題僅檢核編號1及編號3。

(a) 銲道強度(1112-3-3=0.75)

由於填角銲道根部縫隙未超過2.0 mm,有效銲道尺寸不須折減,所以weff=w=0.5 cm。

Rn=FnwAwe

Fnw=0.6FEXX=0.60(4.9 tf/cm2)=2.94tf/cm2

Awe=4×銲道長度×(w/ )=4(15.0cm)(0.5cm/1.414)=21.2 cm2

1112-3-3Rn,T1112-3-3Fnw Awe=0.75(2.94 tf/cm2)( 21.2 cm2)=46.7 tf

(b) 圓形鋼管母材剪力降伏強度(1112-3-3=1.00)

Rn=0.60FyAgv;Fy=3.2 tf/cm2

Awe=4×銲道長度×t=4(15.0cm)(0.56cm)=33.6cm2

1112-3-3Rn,T 0.60FyAgv=1.00(0.60)(3.2 tf/cm2)( 33.6 cm2)=64.5 tf

(c) 圓形鋼管母材剪力斷裂強度(1112-3-3=0.75)

Rn=0.60FuAnv;Fu=5.0 tf/cm2

Anv=Agv=33.6cm2

1112-3-3Rn,T 0.60FuAnv=0.75(0.60)(5.0tf/cm2)( 33.6 cm2)=75.6 tf

Rn,T=min{(a),(b),(c)}=46.7 tf

 1112-3-7

 

1112-3-8 

1112-3-9

 

1112-3-10{

1112-3-11

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】

 



【版權重要說明】:本網站內容係由該著作權人或團體同意下轉載、或由該作者或會員自行創作上載發表之沒有違反著作權之圖稿內容,一切內容僅代表該個人意見,並非本網站之立場,本站不負任何法律責任;若讀者認為文章或評論有侵權不妥之處,請與聯絡我們,將儘速協同處理;同時未經本網站同意請勿任意轉載內容,我們也將保留一切法律追訴權利。