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传统抗弯构架之梁柱接头梁腹板以螺栓接合而梁翼板以全渗透焊接于柱,在北岭及阪神地震的侵袭下,梁柱接头处发生严重脆性破坏。本研究针对钢梁连接H型钢柱之接头,以扩大接头处梁翼板宽度之改良方式,改善扇形开孔处与梁翼全渗透焊道之应力集中现象。藉由参数研究确立各设计参数,制作六组实尺寸试体进行试验。试验结果显示,扩翼式梁柱接头试体可降低梁柱接头处发生脆性破坏之可能,而皆可产生塑性铰,提供优良且稳定之弯矩强度及韧性能力。

本文主要阐述台湾第一部钢骨钢筋混凝土构造(SteelReinforcedConcrete,SRC)设计规范之发展过程与重点内容,包括SRC构造之建筑与力学特色、SRC构造之设计理念、SRC构造之强度计算方法、耐震设计与SRC梁柱接头之设计细则等。台湾“SRC构造设计规范”可以适用于由钢梁或包覆型SRC梁、包覆型SRC柱或钢管混凝土柱(CFT)共同组成之SRC建筑构造。过去多年以来,由于台湾的建筑设计规范并未明订SRC构造设计之规定,使得工程师在进行SRC构造设计时缺乏一套依循的标准。所幸在“内政部”建筑研究所推动之下,台湾SRC构造设计规范草案终于在2003年底经过“内政部”建筑技术审议委员会审查通过。“内政部”于2004年1月16日公布修正建筑法规中之“建筑技术规则”,增列“第七章:钢骨钢筋混凝土构造”,由第496条至520条明订SRC构造设计之相关规定。随后并公布“钢骨钢筋混凝土构造设计规范与解说”自2004年7月1日起正式施行。从此以后,台湾从事SRC构造设计之业者与相关审查机构将可以有明确的设计规范可以依循。由于台湾的钢骨构造(S)与钢筋混凝土构造(RC)设计规范主要是参考美国AISC及ACI规范而订定,为了使S、RC及SRC三种构造的设计规范能够具有一贯性,因此台湾“SRC构造设计规范”的研拟过程亦朝着结合AISC与ACI规范的方向进行。为了彰显SRC构造之设计理念,本文提出一个称为“SRC优生学”的新观念,并比喻说:“一个经过适当设计的SRC构造,就像是S构造与RC构造结婚生下来的‘优生宝宝’。”这正是一个成功的SRC构造设计所欲达成的目标。换言之,一个细心设计的SRC构造,不但可以享受到S构造与RC构造的优点,更可以利用这两种构造“互相截长补短”,达到更安全与更经济的双赢目标。

本研究以试验与理论方式,探讨圆形钢管混凝土柱与H型钢粱交会区之钢管径厚比与接头型式等对力量传递、破坏模式及韧性行为之影响。实验方面,设计五个试体,共四种接头型式,以梁翼与隔板的接合方式不同、有无内隔板及接头区径厚比为变化参数,于梁端施以反复载重来观察梁拄接头的力变形行为。经由理论分析与实验结果比较可发现,由Fukumoto与本文提出之新理论模式来预测交会区的行为,其结果都在合理范围内。

相对于传统SRC梁接SRC柱的梁柱接头而言,本研究采用钢梁接SRC柱之接头型式,尝试利用SRC柱在劲度与抗压强度之优点,并避开SRC梁在施工上的不便,初步进行了两组大尺寸试体之反复载重试验,以探讨此种型式接头之耐震行为。实验结果显示,由于两组试体之钢梁与钢柱之弯矩强度比并未满足强柱弱梁的规定(但SRC柱整体之抗弯强度仍大于钢梁之强度),因此其反复载重位移曲线并不如满足强柱弱梁的纯钢构接头饱满,而在非弹性阶段出现较明显劲度衰减的现象;但由于SRC柱接头区的混凝土对钢柱提供了良好的围束,使得试体极限强度仍可稳定发展,且两支试体之最大层间变位角均超过5％弧度

本研究进行两组“大尺寸梁柱接头”之反复载重试验,以探讨其力学行为与耐震性能。本研究之试体采用钢梁与“受钢筋混凝土包覆之箱型钢柱（简称包覆箱型钢柱或SRC柱）”接合之梁柱接头。此种钢梁与SRC柱接合之构造的主要特点,在于利用SRC柱之劲度、防火与抗压强度方面的长处,又可以发挥钢梁在韧性与施工便捷方面之优点。本研究之试体均符合“强柱弱梁”之原则且梁柱接头区之标称剪力强度均大于该区之需求剪力强度,试体之断面配置均符合台湾SRC设计规范之要求。本研究探讨之重点包含:（1）此种新型梁柱接头之钢梁塑性铰的发展情形,（2）梁柱接头区混凝土之开裂状况,（3）配置剪力钉对梁柱接头韧性之影响。实验结果显示,由于SRC柱内之箱型钢管断面在X与Y向各有两片腹板,故可以提供梁柱接头区充分的剪力强度,并可抑制接头区的剪力变形,使接头区之混凝土保持良好状态,并无明显开裂之情形,进而确保插入SRC柱的钢梁受到接头区之钢筋混凝土有效的束制,使得钢梁的塑性铰可以远离焊道,最终在SRC柱之混凝土面外约15cm处发展出稳定且充分的塑性变形。换言之,SRC柱接头区的钢筋混凝土具有保护钢骨梁柱接头焊道的功能,该区的钢筋混凝土成功的将钢梁的塑性铰逼离焊道,使钢梁在SRC柱混凝土面外形成良好的塑性铰。本研究之梁柱接头试体在反复载重作用下,可以发展出稳定且饱满的迟滞循环（Hysteretic Loop）。两组接头试体之钢梁塑性转角（Plastic Rotation Angle）达到5.4%和6.0%rad,梁柱接头之层间变位角（InterstoryDrift Angle）达到6.2%与6.7%rad,显示此两组梁柱接头均具有优良的塑性变形能力,超过AISC SeismicProvisions（2002）所订4%rad层间变位角之要求。本研究依据有限的试验结果初步证实,在适当设计下,此种型式的梁柱接头将可以发挥良好的耐震性能。

扇形焊接开孔为进行梁翼板全渗透开槽焊接时所需之工作孔。然而,实尺寸梁柱接头试验证实,传统梁腹板锁螺栓及梁翼板全渗透焊接之钢构造梁柱接头,常于扇形开孔处发生突然性之脆性破坏。本研究采用非线性有限元素分析方法,探讨扇形焊接开孔于钢骨梁柱接头耐震行为上之影响,包括扇形开孔几何形状对接头区力学行为之影响。分析结果显示,平顺接至梁翼板之扇形开孔能将最大塑性应变之发生位置移离扇形开孔根部,减少因几何形状不连续所造成之应力集中现象,降低局部区域之韧性需求;无扇形开孔之梁柱接头可避免有扇形开孔之缺陷,大幅的改善梁柱接头之韧性行为。