鋼結構梁-柱接頭之梁端剪力栓接接合板設計(見照片1),在大部分文獻所提供之設計例,未考慮螺栓組之重心與柱面銲道間之偏心距離所產生之偏心彎矩?是否不需考慮?這個問題,常在工程師及技師間常有爭議,莫衷一是。認為須考慮「螺栓組之重心與柱面銲道間之偏心距離所產生之偏心彎矩」者,所持理由為:力系平衡所必需;而不認為須考慮的人,則大多以文獻資料未說明需考慮,但又提不出合理解釋。筆者認為應否考慮,均應以力系平衡系統之合理性,作為判斷是否須考慮的決定準則。

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照片1 翼板銲接腹板栓接之梁-柱接頭。

依據力學原理,任何剪力傳遞過程,除了剪力作用重心與抵抗力之重心成一直線外,均或多或少會伴隨產生偏心彎矩。此偏心彎矩必須有適當的平衡機制,否則會產生旋轉現象。

另依據現行「公路橋梁設計規範」第九章(鋼結構),第9.1.16節2.項(3)(腹板續接)規定:「一般而言,腹板續接板及其接頭,應分擔剪力、在續接點因偏心剪力產生之彎矩,及部分假設由腹板分擔之彎矩,腹板應以兩側對稱之鋼板續接;實務上,腹板續接板應儘可能延伸接近翼板間之全梁深。......接頭設計須考慮偏心載重,依據9.3.19節1.項(3)計算,藉由螺栓剪力及螺栓孔承壓力發展之強度,應足以承受偏心載重設計力。

此外,最低條件下,接頭受偏心載重時,腹板以高強度螺栓續接,應在下列最具控制性之組合(most critical combination)條件下,不致發生滑動:(1)超載設計剪力Vwo(2)超載剪力偏心作用所產生設計彎矩Mvo(3) 超載設計彎矩Mwo,作用於腹板深度中間假設由腹板分擔抵抗之彎矩(4)對於中性軸不在腹板深度中間之斷面,應另加考慮超載下之水平設計合力Hwo作用於腹板深度中間,如下:......。在「容許應力設計法」中,腹板續接板及其接頭,至少應以續接處由設計剪力偏心產生之腹板設計彎矩Mv設計之,......」。

由力量平衡原理及現行「公路橋梁設計規範」之相關規範之規定觀之,由剪力傳遞過程所產生之偏心彎矩,設計時必須納入設計考量已甚為明確。在結構設計審查會議時,亦常有設計者以:以往設計均未考慮,或梁-柱接頭試驗均未發生剪力連接板破壞的情況等理由,拒絕檢核「螺栓組之重心與柱面銲道間之偏心距離所產生之偏心彎矩」。但該等設計案例未發生失敗現象,很可能是實際經歷之地震等級尚未達設計地震力,或已用到安全係數而不自知,或實驗試體並非針對剪力連接板設計,而致剪力連接板之接合強度存有:(1) 設計之超額強度;(2) 系統之超額強度;及(3) 材料之超額強度存在,或柱之軸力未導入試體而有遺漏等因素未考慮周全。

況且每個梁-柱接頭試體的腹板高度不同,所承受之剪力大小值亦不同,柱板之厚度亦不同,其所配置的螺栓行數與列數亦會有不同,剪力連接板系統所能承受之偏心扭矩亦不同,因此以少數的試體經試驗合格,也只能代表該等試體合格,並不能代表用於所有的梁-柱接頭均可不須考慮「螺栓組之重心與柱面銲道間之偏心距離所產生之偏心彎矩」。所以不宜以過去的案例未見失敗、或試體經試驗合格,作為不須考慮「剪力傳遞過程所產生之偏心彎矩」的理由。高雄美濃地震導致台南維冠金龍大樓倒塌,造成105人死亡之案例,該大樓倒塌前已使用16年,若在使用15年時,是否也可講使用了15年都沒有失敗,就是安全的結構嗎?

新版「鋼結構極限設計法規範及解說」草案,第14.2.4節(接合)規定:「螺栓與銲道不得共同承擔接合中的同一分力。」,當摩阻型螺栓與銲道共用時,地震反復載重作用與非線性變形需求下,摩阻型螺栓可能已經超出滑動的強度界限。如果滑動面上的銲道無法提供足夠的變形能力,則銲道必須有足夠強度承擔所有載重。因此將來梁-柱接頭承受剪力之螺栓數量,很可能會再增加,剪力傳遞過程所產生之偏心彎矩亦會隨之增加,因此剪力接合産生失敗的機率亦會再提高。

在梁-柱剛性接頭之情況下,剪力傳遞過程中,螺栓組之重心與柱面銲道間之偏心距離所產生之偏心彎矩,是否可全部由剪力連接板與柱板間之銲道承受呢?筆者認為柱板之面外勁度及面外強度均不大,研判應無法承受全部偏心彎矩。須由柱板之面外勁度,承受一部分偏心彎矩,剪力連接板上螺栓組之抗扭矩強度,承受其餘部分之偏心彎矩。二者間之分配比例須依柱板厚度、螺栓組之勁度、梁之高度等因素個別評估。因柱板可承受之面外彎矩能力較小且難估計,又在鋼箱型柱承受高軸力下,對柱板挫屈強度之影響程度如何?是否會造成柱板在對應梁上翼板之柱橫隔板下緣之面外剪力集中,而產生剪斷現象,其影響程度如何,甚為複雜。當然將全部偏心彎矩給螺栓組承受,是較保守的做法,但恐又會增加螺栓數量及加大偏心彎矩。

另外剪力連接板與柱板間之銲道,因同時承受剪力與拉力,因此建議採用全滲透開槽銲,或可達剪力連接板全拉力強度之雙邊塡角銲,或部分滲透開槽外側塡角銲補強銲接。但雙邊塡角銲,或部分滲透開槽外側塡角銲補強銲接方式,剪力連接板之銲道尺寸會突出柱面以外,導致常會與接入梁之腹板衝突而無法安裝。若要使接入梁可以安裝,便要加大梁腹板端部與柱面間之間隙,但這樣會使得剪力連接板上之螺栓組的偏心距更加大,因此須以全強度之開槽銲作為優先選擇。

結語

由力系平衡原理及現行「公路橋梁設計規範」之相關規範之規定觀之,由剪力傳遞過程所產生之偏心彎矩,設計時必須納入設計考量已甚為明確。若不納入設計考量,除可能發生剪力連接板系統失敗外,亦可能因剪力連接板系統因承受偏心彎矩,所產生之轉動量過大,致原本只用來承受面內拉力之上、下翼板,會因剪力連接板系統轉動變形,致額外承受面外剪力,而提早產生銲道開裂之破壞模式。

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