前言

鋼管結構接頭設計規範,是美國鋼結構設計規範(AISC 360-16)中的第K章,國內現行「鋼結構設計規範」、及新版「鋼結構設計規範」草案等,仍未納入規範中,但國內鋼結構建築物使用鋼管的案例越來越多(見圖1至3),若不提供可行之設計方法供工程師設計參考,恐易產生結構安全疑慮。

中空斷面(Hollow Structural Section,簡稱鋼管或HSS)及採全滲透銲接組合之等厚度箱型斷面,可分為圓形HSS(Circular Hollow Section,簡稱CHS)及矩形HSS(Rectangular Hollow Section,簡稱RHS)。在AISC 360-16設計規範第J章(DESIGN OF
CONNECTIONS),提供了各種接頭之設計方法,而第K章(ADDITIONAL REQUIREMENTS FOR HSS AND BOX-SECTION CONNECTIONS),則提供了鋼管結構接頭強度檢核及設計方法之特別規定,內容共分為下列5節:K1節:HSS接頭之一般規定與參數定義;K2節:HSS承受集中載重;K3節:HSS-HSS桁架接頭;K4節:HSS-HSS抗彎接頭;K5節:接合板及支桿與RHS間之銲道。

AISC 360-16第K章,適用於中空斷面與等厚度箱型斷面之接頭強度計算,其中箱型斷面於接頭區,組合銲道必須為全滲透銲道,以確保箱型斷面於不同接頭型式、幾何條件與載重條件下,各肢材於各種破壞模式下,都能儘量發展出第K章之接頭強度。符合第K章規定之箱型斷面,其接頭於各種破壞模式之行為與中空斷面類似。各桿件之接頭區長度,係由各桿件所有可能之接頭破壞模式的最大影響範圍所決定。前述破壞模式針對RHS桁架接頭與RHS抗彎接頭,可參考Wardenier(1982)。通常接頭區可保守定義為接合面外一倍桿件寬度的範圍。

本章各部分設計公式均附有適用範圍的限制,該適用範圍係反映所引用試驗資料的試驗樣材所驗證之條件範圍。其中部分極限狀態於適用範圍內,因不控制設計強度而未予檢核。例如符合使用範圍限制的接頭,其強度不受局部挫屈破壞模式控制,因此不必檢核此破壞模式。當使用超過本章表列限制範圍之接頭,原先被忽略的極限狀態即須納入設計考量,而設計者必須考慮個別接頭力學特性,將所有可能的潛在破壞模式後進行合理分析與檢核或設計。

K2及K3節適用於支桿與弦桿中心線位於相同平面的條件,其他如多平面接頭、支桿端扁平化接頭、雙弦桿接頭、支桿中心線退縮錯位等情況,可參考IIW( 1989)、CIDECT (Wardenier et al., 1991;Packer et al., 1992)、CISC (Packer and Henderson, 1997;Marshall, 192; AWS, 2015)或其他經驗證之設計指針或試驗資料。

AISC第K章之接頭強度計算,係假設主桿件在接頭的兩端,保有足夠的端部距離,接合板或支桿與弦桿連接,弦桿之端部距離不在規定之適用範圍內時,可以採用端部設置端板加勁、或折減強度的方式處理。強度折減的比例未必與端部距離呈線性變化,可保守以計得之強度折減50%,估算弦桿端未加勁時的接頭強度。承受載重的接合板或支桿必須具有足夠的側向束制。

筆者特將AISC 360-16第K章,「中空及及箱型斷面接頭之特別規定(ADDITIONAL REQUIREMENTS FOR HSS AND BOX  CONNECTIONS)」之鋼管銲接接頭的典型破壞模式,介紹供工程師設計參考,提供檢核極限狀態的基本概念,了解HSS接頭之行為,並據以延伸應用。不當之處尚請工程先進不吝指正。

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圖1 鋼管傘形結構

 

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圖2 鋼管大巨蛋結構

 

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圖3 鋼管膜結構

鋼管銲接接頭的主要極限狀態破壞模式

1.管壁塑性化

這種破壞模式特別常見於鋼管結構接頭,發生管壁塑性化係由於HSS管壁的面外勁度較小,接合面在承受支桿傳遞而來之橫向載重下,會產生較大之面外變形。當主桿為方形鋼管時,主桿接合面就像是一塊承受橫向載重並且由兩側側壁所支撐的平板,其行為較不受其餘三面管壁之影響。方形鋼管接合面的塑性化是具間隙K型與N型接頭中,當支桿寬度對主桿寬度比屬於小到中的範圍時,最常見的破壞模式。在具間隙K型接頭的案例中,壓力支桿與拉力支桿在主桿接合面上發展出一個「推-拉」機制,通常會造成接合面的大變形。當主桿為圓形鋼管時,主桿的塑性化會造成整個主桿斷面的變形(見圖4)。

 

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圖4 方形鋼管接合面的塑性化變形

主桿塑性化也發生在許多其他型式之鋼管接頭,包括承受軸向載重的T型、Y型與X型接頭;承受支桿彎矩載重的T型、Y型與X型接頭;以及支桿或接合板與鋼管之接頭。傳遞支桿軸向載重的縱向接合板與鋼管之接頭,鋼管特別容易受到塑性化影響。因此,這種極限狀態的接頭標稱強度,也應包含限制接頭變形所對應之強度。

2.弦桿降伏貫穿剪力降伏

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圖5 弦桿剪力降伏(貫穿剪力)破壞

3.載重分布不均勻導致之破壞行為

這種破壞模式發生於接入方形弦桿之橫向接合板或方形支桿的橫向壁板(統稱橫向元件)。這部分與前一個破壞模式中所述貫穿剪力有效寬度的概念相似,惟產生提早破壞的是橫向接合板或方形支桿的橫向壁板,故此處之有效寬度應用於橫向接合板、或方形支桿的橫向壁板本身,而非應用在弦桿上。在拉力作用下會發生橫向元件的局部降伏以及隨之而來的過早破壞,如圖6所示。在壓力作用下局部降伏,通常會造成橫向元件過早的局部挫屈,這也是方管重疊K型接合中最常見的破壞模式。因載重分布不均勻,導致橫向元件局部降伏的極限狀態,發生於多種方管接頭,包括支桿承受軸向載重的T型、Y型與X型接頭、具間隙與重疊K型接頭、支桿承受彎矩載重的T型與X型接頭,以及橫向接合板與方管接頭。橫向元件的有效寬度,有很大一部分取決於方管弦桿接合面之幾何尺寸,如果弦桿接合面又薄又寬(即高B/t比值)時,那麼有效寬度就會很低。相反地,又厚又窄的弦桿接合面(即低B/t比值)可以獲得較大的橫向元件有效寬度,但上限為橫向元件的實際寬度。這部分可凸顯使用厚實管壁之弦桿,可以提升方管接頭強度的設計準則。

 

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圖6 橫向接合板與方管弦桿接頭之拉力破壞

4.RHS之側壁破壞

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結語與設計重點建議

基於經濟性或美觀性之考量,一般在方管接頭設計時,儘可能不要設置額外的補強板件,此時必須在決定桿件尺寸時挑選適當的斷面,以避免後續接頭設計時造成困擾。

茲提供一些銲接鋼管接頭設計重點如下:

1.選擇管壁相對較厚的弦桿等主桿件

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2.選擇管壁相對較薄的支桿

支桿通常採用管壁相對較薄的斷面,使其容易達到接頭傳力檢核。不過支桿還是有其軸向強度的需求,因此要用外徑大一點的支桿。建議一個好的鋼管接頭設計是讓(支桿壁厚/弦桿壁厚)比值儘可能低一點,並讓(支桿寛度/弦桿寛度) 或(支桿直徑/弦桿直徑)比值儘可能高一點。如弦桿為方管時,支桿寬度宜小於弦桿斷面之接合面管壁之直線段長度。當(支桿寛度)<(弦桿寛度-6t)時,通常是可以適合支桿的填角銲尺寸施作,並可避免困難且昂貴的單斜喇叭形開槽銲(支桿寛度接近弦桿寛度時就會需要)。

3.儘可能使用具間隙K型接頭

在使用到K型(或N型)接頭的桁架結構時,雖然相較於具間隙K型接頭,重疊K型接頭通常在靜態載重(甚至疲勞載重)下,具有較佳的強度及勁度,但是仍建議使用具間隙K型接頭,因其在製作上比重疊K型接頭更簡單且經濟。這一點在圓管-圓管接頭上尤其明顯,因為支桿末端複雜的端口形狀以及桿件的組銲都較困難。

參考資料

1. A m e r i c a n I n s t i t u t e O f S t e e l Construction(2010).“Steel_Design Guide 24 hollow structural section connections”.

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