台灣之光-「高韌性梁柱接頭」專利期屆滿 向發明人陳生金教授致敬

前言

「梁翼梯形高韌性梁柱接頭」是國立台灣科技大學陳生金教授執行「行政院國家科學委員會」研究計畫所研究發展之成果,並由「行政院國家科學委員會」獲得台灣、美國、日本及歐盟等國際性專利。自從「梯形切削減弱式高韌性梁柱接頭」發明問世後,雖然甚多相關研究如雨後春筍般展開,但至今仍無出其右者,且「梯形切削減弱式高韌性梁柱接頭」至今仍為鋼結構韌性剛構架梁柱接頭之主流,陳教授的發明專利期已於民國103年5月屆滿,筆者特撰文推祟並藉以表達敬意。

現行鋼結構建築物耐震設計規範的基本精神係在於當輕度及中度地震力作用下,結構體保持在彈性限度內沒有損壞,或保持在可修復補強的範圍內;在設計地震力作用下,則維持在可修復之程度。若規範規定在設計地震力作用下仍限制建築物須保持在彈性限度範圍內,則造價較高,不符合經濟效益。因此,將設計地震力作適度的折減,並規定由梁之端部產生塑性轉角,來消耗所折減掉之大部分地震能量,降低建築物之地震反應。因此現行設計規範規定結構物須符合耐震韌性設計之規定,亦即「梁柱接頭須具足夠之塑性轉角能力」、「梁柱接頭區剪力檢核」、「強柱弱梁檢核」,以及「構材端達塑鉸之剪力檢核」。

鑒於耐震設計規範已考慮建築物之韌性容量而將設計地震力折減,因此設計時應使其能達到預期之韌性容量。目前『鋼結構設計規範』對「韌性立體抗彎矩構架」有關耐震之韌性需求有下列規定:

1、 鋼材方面

『鋼結構設計規範』對箱型柱之鋼材,考慮到柱內橫隔板須採用電熱熔渣銲或電熱氣體電弧銲來銲接梁-柱接頭之橫隔板,以及梁翼板與柱板作全滲透開槽銲等位置,因銲接所產生之入熱量甚高,銲接熱影響區之範圍有可能產生衝擊韌性降低及層狀撕裂現象。因此規定「箱型柱之鋼材應使用符合CNS 13812 SN 400B/C或SN 490B/C之鋼板,且柱板厚大於或等於40mm時規定應採用CNS 13812 SN 400C或SN 490C之鋼板」。

2、 梁-柱接頭方面

(1)梁、柱彎矩強度比

梁、柱構架須以降伏發生在梁端為設計原則,以確保強柱弱梁之結構行為。

(2)梁、柱接合處之撓曲強度

a.傳統翼板全滲透開槽銲,腹板栓接或銲接之接頭:須達到梁標稱塑性彎矩強度Mp。

b.補強式梁-柱接頭:接合處所需之撓曲強度Mu,為梁臨界斷面產生塑性鉸時,所對應之梁端彎矩。

c.減弱式接頭:梁、柱接合處所需之撓曲強度Mu為梁標稱塑性彎矩Mp。

(3)梁、柱接合處之設計剪力強度:接合處之剪力強度須能抵抗由載重組合1.2D+0.5L,並加上梁臨界斷面處產生該斷面之塑性彎矩所造成之剪力。

(4)梁、柱接合處「塑性轉角」變形需求以下列方法之一決定之。

a.0.03弧度。

b.非線性動力分析所得之最大塑性轉角加上0.005弧度。

c.θp =1.1(R-1.0) θE

其中:

θp =塑性轉角;

R =結構系統韌性容量;

θE =在設計地震力E作用下之最大層間變位角。

梁若採用擴翼或採蓋板可使梁在與柱交界面處強度增加,並使臨界斷面往外移以避開梁翼板與柱間之全滲透開槽銲道。惟補強式接頭只有一臨界斷面,塑性鉸區較短,韌性發展受限,且柱內橫隔板厚度須配合補強後之梁翼板厚度增大,繼而增加電熱熔渣銲之入熱量。設計時,通常將補強處之彎矩強度Mp保持在Mu之1.2倍以上,讓梁柱交界面保持在較低應力狀態。擴板長度(即梁柱交界面至臨界斷面之距離)之決定應使翼板應力傳遞平順,其力量傳遞之角度需小於1/2.5。擴翼後之翼板,其寬厚比應符合結實斷面(≦λpd)之要求。

改良式梁-柱接頭型式

由1994年元月美國南加州洛杉磯西北方之北嶺地震中,所出現之鋼結構接頭破壞模式,已證實傳統之梁翼板銲接,腹板鎖高強度螺栓之抗彎矩接頭,無法可靠地提供所需之塑性轉角。近年來針對此項缺失所研發出來之改良式接頭型式主要可分為二大類,一為梁端加勁或加強之補強式接頭;另一為在接近梁端之塑鉸區切削減弱之減弱式接頭(見照片1所示)。補強式接頭最常採用之型式為蓋板補強式接頭,其塑性轉角由文獻資料顯示雖勉強可以達到0.03弧度之需求[1],但仍有下列缺點不易獲得改善。

1.蓋板增加梁翼之全滲透開槽銲之厚度,會增加銲接入熱量及熱影響區之範圍,容易產生材質脆化現象,及柱翼板容易產生層狀撕裂現象。

2.以蓋板增厚後之梁翼板厚度與箱形柱內橫隔板厚度差異過大,致橫隔板厚度不足且產生應力集中現象及柱板偏心彎矩。

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照片1 減弱式梁柱接頭[楊廈森]

最經濟有效之梁翼減弱式梁-柱接頭,首推台灣科技大學陳生金教授所研發之梯形漸變斷面切削減弱式梁-柱接頭(見照片1所示)。鋼結構梁-柱接頭之設計應符合鋼結構設計規範「塑性轉角」之基本韌性要求,而梁翼切削減弱式梁-柱接頭為最容易滿足「塑性轉角」需求之梁-柱接頭型式,因此,已廣泛使用於包括101大樓在內之國內外之鋼結構高樓結構中。常見之梁翼切削減弱式梁-柱韌性接頭有「梯形切削」與「圓弧切削」二種主要型式,二者均屬非等斷面之切削型式,但事實上其結構行為及消能效果仍有很大的差異。梯形切削係依據梁設計彎矩梯度切削而成,可依「塑性轉角」需求改變梯形切削段之長度,可明確地規劃出一擴大之塑性鉸區域,其消能效果甚佳,故梯形切削高韌性梁-柱接頭為目前已知之最佳韌性梁-柱接頭型式。

「圓弧切削」型式減弱式梁-柱接頭為達到足夠的塑性轉角變形量,其整體之切削區之斷面常產生過度切削致其強度大幅下降。亦影響其塑性消能之能力。另外,鋼梁之抗側向扭轉挫屈之勁度主要係來自於翼板之面內勁度,而圓弧切削會形成過度切削,且易引致鋼梁整體側向扭轉挫屈之發生。因此圓弧切削接頭之韌性及安全性常出現不足之現象,因而大幅降低其結構安全性。

梁翼梯形切削之力學原理

在評估梁-柱接頭之強度需求時,因一般鋼梁皆以標準型鋼斷面設計,因此梁斷面強度應大於需求強度,縱使梁翼依彎矩需求切削減弱5~10%,其強度仍可接近原設計強度之安全需求。減弱式梁-柱接頭之設計,其強度最多僅能依設計值折減約5~10%,超過此值應進行詳細分析,以免嚴重降低接頭處梁之強度。雖然在採用梁翼切削式接頭時,一般係在預選之塑性區將梁斷面提供之需求強度折減約5%~10%,以強制於預選區先產生降伏,而梁翼切削後所提供之強度仍可符合設計安全需求。

梁翼切削減弱式梁-柱接頭在設計時可簡化為依據地震彎矩強度需求,並依梁-柱接頭之韌性需求,決定切削之彎矩折減量及塑性目標區之長度,並將目標區鋼梁之翼板切削,以達成不同之塑性變形能力。一般可採目標區之設計強度等於 90%~95%之彎矩強度需求量,以強制使塑性消能區域發生於預先選定之位置。

鋼板之切割甚為容易,可用樣板採半自動切割即可(見照片2),亦可採自動切割機切割。且凹角弧形切割轉換區與鋼材拉力試片之基本切削型式相同,此亦是避免切割區產生疲勞斷裂之方法;凸角則無須設置弧形切割轉換區。

鋼梁翼板之切削量若太大,除可能造成梁強度太低,致無法滿足實際強度需求外,亦將降低結構之勁度,而另一問題則因梁之抗側向扭轉勁度主要來自於梁之翼板的面內勁度,翼板切削量太大將造成斷面之過低,及降低梁之側向扭轉挫屈強度。國內現行耐震規範規定梁斷面之不應小於70%,在切削區因屬變斷面,因此其並非定值,但在最小斷面處仍建議應維持在65%以上,以免影響其整體之塑性變形能力,也因此若對於須進行切削之梁斷面,其建議選用75%以上之型鋼斷面,以提供足夠之切削容忍度;若無法避免時則可採加大梁之設計斷面再行切削之方式,或增設側撐位置,以提昇其側向扭轉挫屈之強度。

在進行切削之主要目標區設計時,加大切削區之長度可增加其變形能力,但設計者應了解梁-柱接頭設計之原理,過量之切削將導致整體強度及勁度下降,不符設計規範對強度需求。在設計上若需較大之變形量則以加大切削區之長度為宜,由圖1(a)及2(b)亦可得知加大降伏區之長度可增加其消能量,此因塑性變形量與等應力之目標切削區長度成正比,但其強度則不致降低太多。亦即加大切削區長度可直接且有效的增大其塑性變形量。

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圖1 高韌性梁柱接頭之設計

(a) 接頭區之地震力彎矩變化;(b)建議之切削方式;(c) 切削設計之參數;(d)切削區可提供一擴大之塑性區。

梁翼切削梁-柱接頭安全性評估

高韌性梁-柱接頭之設計應依圖1(a)之彎矩梯度,並採圖1(b)之切削型式為之,以符合結構力學之基本原理,如此方能確保梁柱-接頭之韌性消能能力及結構強度之安全性,同時為避免轉換區所產生之應力集中現象,凹角之切削形式則應採用圖1(c)之平順轉換切削型式。

一個良好之接頭設計除應具足夠之強度、塑性變形能力外,其破壞模式亦應具一致性且均勻分佈之力學行為。除此之外,亦常見設計者誤認為接頭之強度可由結構試驗之強度作為接受之標準,事實上如前所述,接頭試驗之目的乃在於驗證其變形能力,不在於驗證其強度。規範所規定之接頭強度為,而變形能力則規定須採結構破壞試驗之值。再者,我國及美國之鋼結構設計規範有關鋼梁設計之塑性變形能力皆以塑性彎矩之標稱值為設計基準,不得再加入應變硬化係數或依實驗數值作為設計基準。在鋼梁設計規範之訂定中,亦已考量材料實際強度較標稱強度為高之統計資料,及實際試驗強度亦可能高於標稱強度之現象,且此等變異已考量於極限設計法之強度變異及其安全指標上。設計者不可再考量鋼梁材料之超額強度,以免原設定之安全指標不足。

結語

1.梁翼梯形切削減弱式高韌性梁-柱接頭之設置數量及位置,可依結構分析決定,如在非彈性分析下,對於仍維持在彈性狀態之梁-柱接頭,因其塑性需求量甚低,故無需進行切削,亦可依簡化之彈性設計地震力放大後,若梁-柱接頭仍在彈性範圍則無需進行切削。如此可以減少不必要之切削位置,降低施工費用,故採用梯形切削法提高梁-柱接頭韌性之經濟效益明顯較高。

2.切削對梁-柱接頭勁度之影響僅3~5%,且一般僅須對韌性需求較高之接頭進行切削即可,因此其對整體之勁度影響可忽略。

3.由以上探討可知,梁翼圓弧形切削梁-柱接頭之安全性,在地震力作用下,僅能於近圓弧之中央處之小區域產生塑性鉸,且因過度切削致其所對應梁-柱交界面之強度僅為原設計之62%~78%,亦即設計地震力已降低為中震區甚或弱震區之設計地震力。尤其是跨度較大之梁,其強度折減量更大,甚至在長期載重下之安全係數已不足,且易產生局部挫屈或側向扭轉挫屈等破壞現象。因此一個良好之梁-柱接頭之設計,除應具足夠之強度、塑性變形能力外,其整體安全性亦應具均勻及一致性。

4.「梁翼梯形切削法之減弱式梁-柱接頭」製作簡易造價低廉,消能效果顯著,尤其是不妨礙鋼結構立體靭性剛構架之原有機能,亦可用於提高立體靭性剛構架耐震能力之結構補強,實為目前已知之解決梁-柱剛構架韌性問題之最佳方案。

5.本文除對發明人陳生金教授對國家的貢獻表達敬意外,亦周知各界行政院國家科學委員會之梁翼梯形切削減弱式高韌性梁-柱接頭專利期間已屆滿,工程界對台灣之光-「梯形切削減弱式梁柱接頭」宜多加利用。

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照片2 翼板切削導引模具

參考文獻

[1] 陳生金(2009)。鋼結構行為與設計。科技圖書。
[2] 陳生金(2003)。鋼結構設計—極限設計法與容許應力設計法。科技圖書。

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