鋼結構大樓韌性接頭之探討(上)

 

前言

       鋼結構大樓之韌性問題,在1994年美國北嶺地震前後數年曾被廣泛研究與討論。遠在1980年代,國內陸續興建許多高層建築時,學術界已從事許多接頭之研究與試驗。如榮總大樓(23F,1984)、宏總大樓(42F,1989)年與新光人壽總公司大樓(50F,1990)等。其中,榮總大樓採用八掛加勁之工法,宏總大樓為翼板擴張工法,而新光大樓則為蓋板加強工法。當時大部分之梁柱接頭均採用梁端加強方式設計,梁柱接頭轉角能力以0.015弧度為目標。此外,採用傳統梁柱結合方式之大樓亦不在少數,如台電大樓(26F)、國泰人壽大樓(26F)、高雄領航大樓(27F),台北國貿大樓(34F)、台中傑聯資訊(30F)、台中世貿雙星(37F)、高雄寶成(37F)、東帝士金融(35F)、擎天雙星(33F)、霖園大樓(41F)、漢來大樓(42F)、長谷大樓(50F)及東帝士國際大樓(85F)等,均在集集地震(1999)之前所興建【1】。在1990年代,國內也從事鋼梁端部減弱的研究,試驗的結果韌性良好,遂有部分大樓採用梁翼減弱之設計,如台北金融大樓(101F)等。

美國加州北嶺地震之影響

1994年美國加州發生北嶺地震後,許多鋼結構之梁柱接頭發生非預期之脆性破壞,特別是梁柱接頭之介面,因為該處受力之彎矩應力最大,銲道與扇孔斷裂甚多,部分梁柱接頭之塑性變形角度不及0.015弧度。美國聯邦緊急管理委員會(FEMA)參考美國加州結構工程聯合團隊(SAC)之調查報告後,作出3項具體之結論與建議。

1.梁柱接頭之電銲品質不佳必須設法提昇

2.梁柱接頭可採用加強方式改善其韌性

3.梁柱接頭可採用減弱方式改善其韌性

FEMA於發表報告後並陸續調查研究,於2000年公開認證部分之韌性接頭方式(Prequalified Joint Connections)。5年之後,美國鋼結構協會(AISC)亦分別以385-05與385-09s公佈認證之韌性接頭方式。

規範之塑性轉角規定

目前國內鋼結構設計規範有關耐震設計規定,梁柱接頭所需之塑性轉角(θp)須以下述三種方法之一決定之。

1. 0.03弧度。

2.非線性動力分析所得之最大塑性轉角加上0.005弧度。

3.θP = 1.1(R–1.0)θE。

       其中: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。

若第(3)式之R與θE如分別以4.8與0.005弧度計算,則塑性轉角成為0.0209弧度。

傳統接合工法與電銲品質探討

 多層建築之梁柱接頭,多半採用腹板栓接而翼板銲接之傳統接合工法。腹板之上、下端均切割四分之一圓弧之扇形孔,其半徑為35mm。上端之扇孔可放置扁鋼防止銲漿滴漏,下端之扇孔作為銲道接續之穿梭。至於梁翼之電銲則為全滲透銲接(C.P.)。其示意圖如圖1所示。

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圖1梁柱之傳統式接頭

早期美國之工地電銲習慣採用包藥電銲方法(FCAW)。由於該法之助熔劑用量甚少,對銲接品質確實有不良影響,無怪乎北嶺地震之震害嚴重。近期之FCAW已採用雙重助熔之方式,電銲品質提昇不少。

日本於1995年之阪神地震也曾發生部分鋼結構建築之接頭裂損,但日本工程界對梁柱接頭的改善研究,不如美國北嶺地震之熱衷,乃因日本早期的工地電銲以SMAW為主,並不流行FCAW,且日式的工地接頭並不在柱面,而是遠離柱面一段距離,以閃開應力最大之位置。況且日本的箱型柱內之釣魚銲以ESW為主,其電銲品質也比美式之EGW穩定,震害影響不如美國嚴重。

傳統工法之改善

 傳統式之腹板扇孔於受力時,容易產生局部應力集中之現象,導致扇孔處常常率先破壞。FEMA 350曾建議將扇孔作適度之改善,如圖2所示。

 

 

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    圖2 FEMA 350建議之扇孔改善  

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圖3 傳統之梁柱接頭

圖2之細部加工要領須,FEMA 353建議各部尺寸如下。

a:按照AWS D1.1之電銲程序開槽。

b:採用tf或 0.5英吋之較大值(+0.5tf;-0.25tf)。

c:採用0.75tf ~1.0tf(±0.25英吋),但不得小於0.75英吋。

d:半徑最小值為3/8英吋(+無限;-0)。

e:3倍tf(±0.5英吋)。

傳統式接頭之扇孔經改善後,學術研究之最大塑性轉角為0.0225~0.0316弧度。採用傳統式接頭設計時,背墊板與起弧板等亦應妥善設置,以避免該處之局部應力集中現象。圖3為傳統接頭興建之鋼結構建築。

美國AISC 358-05與 358-09s之認證接頭,其第8章為鋼梁翼板與腹板均採用銲接方法之Welded Unreinforced Flange-Welded web moment connection,簡稱WUF-W,扇孔之加工則係參考前述FEMA 350之建議,其型式如圖4所示。WUF-W工法適用於SMF與IMF系統,其使用條件之限制除了材質斷面與強度須符合AISC 358之規定外,其相關尺度為:1/4”≦a≦1/2”;b≧1”;c=30°±10°;d≧2”;1/2”≦e≦1”。

 

 

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圖4 AISC認證之接頭改善工法(WUF-W)

加強工法探討

 有關梁柱介面補強工法之探討,成果最具體者包括蓋板工法、擴翼工法、肋板工法、側板工法與加強端板等,分述如下。

一、蓋板工法

 梁端之蓋板補強工法有三角板、梯形板與矩形板加強等。其中梯形與矩形板之蓋板補強方法,FEMA 267與FEMA 350均有類似建議。針對箱型柱之斷面,國內之試驗研究曾用9組試體,其中2組試驗時於橫隔板之電渣銲接破壞,其餘7組之塑性轉角介於0.0249~0.0478弧度,韌性效果良好。圖5為可供參考之梯形板加強方式,其中0.35d≦a≦0.7d,b≦0.3bf,設計時除應符合規範外,亦應注意梁翼與柱面寬度不宜相差懸殊,特別是電渣銲的品質管控與驗證益形重要。圖6為梯形板補強實例。

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圖5梯形板補強方式  

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圖6梯形板補強實例

【參考文獻】

1.  陳純森(2012)。鋼結構工程實務(第四版)。科技圖書公司。

2.  謝依平(2012年)。高層建築鋼結構韌性構架梁柱接頭之調查與研究。國立成功大學建築研究所碩士論文,陳純森指導。

 

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