談鋼結構高樓梁柱接頭韌性設計

陳正平 技師

一、前言

現行建築物耐震設計規範的精神係在於發生中、小度地震下結構體保持在彈性限度內，以使建築物在地震過後結構體沒有損壞，免除建築物在中小地震後修復或補強的麻煩。於設計地震力作用下，若仍限制建築物須保持在彈性限度範圍內，則造價較高，不符合經濟效益原則。因此耐震設計規範將設計地震力折減，並規定建築物藉由梁之端部產生塑性轉角，來消耗所折減掉之地震能量，以降低建築物所受之地震反應，結構物在設計時須符合耐震韌性設計之規定。

二、耐震之韌性設計簡介

因為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，因此建築物應依耐震韌性設計之規定設計之，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主要須檢核之項目如下。

1、鋼材方面

修訂中之『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接時，因銲接所產生之入熱量甚高，冷卻過程於銲接熱影響區之範圍有可能產生銲接脆裂及層狀撕裂現象。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，且柱板厚超過40mm時規定應採用CNS 13812 SN 400C或SN 490C之鋼板」(筆者建議有使用電熱熔渣銲之柱板，均採用SN C系列之鋼板)。

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(含柱内横隔板與柱)接合處之撓曲強度：

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

b、補強式梁柱接頭：梁翼與柱板接合處所需之撓曲強度M_u，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M_u為梁塑鉸區產生塑性彎矩M_p時所對應之梁端彎矩。

(3)梁之設計剪力強度：梁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、θ_p=1.1(R-1.0) θ_E

其中

θ_p=塑性轉角。

R=結構系統韌性容量。

θ_E=在設計地震力E作用下之最大層間變位角。

(5)梁柱接頭區腹板剪強度(得以疊合板補強)。

以上為達到耐震之韌性需求所需檢核之項目中「塑性轉角需求」與「接頭型式」及「鋼材材質」等三項間有密切的關係，其間存有互補的特性，但修訂中之『鋼結構設計規範』對此一特性並未加以利用，而僅就每一項來訂規範。因此除過於嚴苛外，亦會造成浪費。為減輕此一缺憾，玆就三要項的意義說明如後，並提出改善建議。　

2.1梁柱接頭塑性轉角之耐震意義

結構物抵抗地震力之模式係以其強度與韌性來抵抗地震力，在強震作用下抗彎矩構架首先用強度來抵抗地震力，俟地表加速度逐漸增大，結構桿件受力便由彈性行為逐漸進入降伏狀態，繼而進入塑性行為，然後以本身的塑性變形能力來消散地震能量，當靭性用盡後結構物就會破壞，此時對應之地表加速度即為結構物之耐震能力。

以韌性立體抗彎矩構架之大梁桿件而言，當某一梁端之梁柱接頭開始進入塑性鉸行為後，此時該構架即產生力量重新分配現象來持續消散地震能量。已產生塑性鉸之梁柱接頭則必須賴其穩定的變形能力來消散地震能量，其超出極限彎矩後的變形能力可視為構件之殘存靭性。當梁柱接頭產生塑鉸後，其殘存靭性越佳，塑性鉸就越容易消散能量，構架也越能順利完成力量重新分配工作，直到全部梁柱接頭之靭性用盡為止。

結構物靭性的評估方式通常係以遲滯迴圈之大小來評估，而遲滯迴圈所代表的意義即為構件承受反覆載重下，其變形能力與載重變化之關係曲線，藉由反覆載重下之遲滯迴圈曲線之變化情形，構件之彈性及塑性行為便可凊楚地顯示出來。依據「功」的定義，描述載重-位移關係之遲滯迴圈曲線的累積面積即為結構桿件所能吸收之能量。然而為了簡化遲滯迴圈所代表之韌性能力的意義，通常係以塑性轉動角作為辨識基準，遲滯迴圈數目的多寡會影響到塑性轉動角的大小。

塑性轉動角之物理意義可定義為梁跨中央反曲點之總變形量，扣除梁跨中央反曲點之彈性變形量，再除以梁跨中央反曲點至梁端塑性鉸間之距離，所得之角轉動量即稱為「塑性轉動角」。

2.2 改良式梁柱韌性接頭之耐震意義

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。台灣科技大學陳生金教授之實驗資料指出，為使鋼結構梁柱接頭之塑性轉角能夠達到3%弧度，以符合耐震之韌性需求就必須將接頭型式加以改良。

梁柱接頭之塑性鉸若發生於梁柱交界面將會使柱板在接合部之厚度方向承受到極大之應變量，且在銲道及其熱影響區亦會有較大之應變能力需求，但因柱板之厚度方向和銲道及其熱影響區之塑性變形能力均不足，以致容易發生脆性斷裂現象，因此現行鋼結構設計規範要求須採用改良式接頭，將塑性鉸位置移開梁柱交界面以符合耐震設計規範之要求。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。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，但仍有下列缺點不易獲得改善：

(1) 蓋板增加梁翼之全滲透銲厚度，大幅增加銲接量及銲接熱影響區之範圍，容易產生脆性斷裂現象。

(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，而產生應力集中現象及柱板偏心彎矩。

因此最經濟有效之改良式梁柱接頭首推切削減弱式高韌性梁柱接頭，減弱式接頭又分為梯形漸變斷面切削方式及圓弧形切削方式二種。

漸變斷面切削式梁柱接頭之耐震原理係令塑鉸產生在離開梁柱交界面之特定區段，並依據彎矩梯度(可視情況怱略垂直載重之影響)之變化來減少該區段梁翼之寬度，以使該區段先行降伏而產生塑性區段消散大量能量。此種接頭型式將塑性區域移離梁柱交界面可避免銲接熱影響區產生脆性破壞，並由實尺寸結構振動台動力試驗證實可提供4%以上之塑性轉角。切削減弱式高韌性梁柱接頭，其目標區切削後所提供之彎矩強度建議採需求強度之85~90%，其切割完成後切割面必須磨平。梯形切削法之經濟效益明顯較高，且因為可以減少不必要之切削位置，因而可降低施工費用。以切削方式減弱梁端又可避免多餘之銲接瑕疵顧慮。梯形切削法之優缺點如下：

1、消能效果：為一段長約0.5h~0.8h。

2、火焰切削：以NC切削或以導軌引導一切完成。

3、梁端彎矩強度，依彎矩梯度削弱約10％；且起始點離柱面約15至20公分，依實體試驗結果不須檢核。

4、切削量：切削量依彎矩梯度保持在85~90％間，翼板切削寬度之比例對矩跨梁較大，對長跨梁較小，故不影響垂直載重狀況下之安全性。

5、穩定性：切削量較小，下翼板較無側向挫屈顧慮。

6、勁度影響：約2.5~3.7％。

7、切削位置：消能效果佳，塑角位置不須全部產生，故只須切削先達到塑角之位置。   

2.3 建築結構用軋鋼料SN系列鋼材特性之耐震意義

鋼材在銲接過程中，於高束制接合位置很容易產生層狀撕裂現象(Lamellar　tearing)，及梁柱接頭在承受地震反覆應力後，於銲接熱影響區內、外均易發生脆性撕裂現象，以及柱續接處易發生受拉斷裂等情形，為避免發生這些現象必須提高鋼結構之可銲性、韌性及耐震性。日本於1994年首先制定『建築結構用鋼』SN系列鋼材之JIS G3136 - 94標準，供作建築結構用鋼料。國內亦參考制定『CNS 13812　G3262建築結構用軋鋼料』標準，此種鋼材在品質要求上較SS及SM系列之鋼材規定較為嚴謹。

茲將SN鋼材之特性介紹如下：

2.3.1 SN系列鋼材在機械性質方面有下列特性

(1) 降伏強度

降伏強度之上、下限的規定可以控制鋼材降伏強度的變異性。鋼材降伏強度的變異性過大時會導致如下的顧慮：（a）強柱弱梁的設計理念無法落實；（b）三維構架在非彈性階段可能產生額外的地震偏心力或扭矩；（c）容量設計的理念無法落實。

 (2)降伏比

鋼材之降伏比為實測降伏強度與實測抗拉強度之比值。鋼材降伏比較低可使梁柱接頭的塑性鉸區範圍擴增，這樣除可減少應力集中現象外，亦可增加塑性轉角容量，提升梁柱接頭之延展性及消能容量。日本JIS　SN系列規定降伏比不得大於0.8；美國ASTM A992建築結構用鋼則規定降伏比不得大於0.85。另一個影響梁柱接頭延展性及消能容量的重要因素為梁柱接頭型式，美國對梁柱接頭型式有明確的規定（例如：切削式或補強式梁柱接頭），故鋼材降伏比採用比SN系列鋼材稍微寬鬆的規定(不得大於0.85)。

(3)衝擊值

Charpy衝擊值越高表示產生相同斷裂面所需的能量越高，Charpy衝擊值越高就越不容易產生不穩定的裂縫成長（或稱脆性斷裂），因此對銲接瑕疵的容忍度也較高。Charpy衝擊值受測試時的溫度及加載速率（loading rate）的影響很大，測試時的溫度越低、加載速率越高Charpy衝擊值越小。一般應視結構體在使用情況下之最低溫度來規定Charpy衝擊試驗的溫度，但是Charpy衝擊試驗的加載速率遠高於結構體受力時之加載速率，因此Charpy衝擊試驗的溫度可以稍加提升，補償加載速率不同所造成的差異。以日本為例，日本的最低氣溫低於攝氏零度不少，但是日本規範卻規定鋼材Charpy衝擊試驗的測試溫度為攝氏零度。國內絕大部分的結構物使用的最低溫度約在攝氏10度，因此Charpy衝擊試驗的溫度可以比攝氏10度高，但是目前中國國家標準（CNS）直接引用日本的規定，並未針對國內的實際情況調整，故偏保守。

一般情況為達到鋼材具韌性、抗疲勞性，以及阻止裂縫急速延伸的能力，鋼材在試驗溫度為0^oC情况下之衝擊值，須在27J(焦耳)(2.8kgf-m)以上。

(4)厚度方向斷面縮率

厚度方向斷面縮率指的是拉伸試片在受力下產生頸縮而斷裂後，斷裂面的斷面積縮率。斷面縮率越高表示鋼材厚度方向的延展性或韌性越高，鋼板在厚度方向之韌性通常小於平行軋延方向或垂直軋延方向，若厚度方向之韌性不足時，亦容易產生銲接層狀撕裂現象。另梁柱接頭區柱翼板與梁翼板交接處，柱翼板在厚度方向承受由梁塑性鉸區傳遞過來的應力，此應力可能超過梁翼板的降伏強度而進入應變硬化階段。此外柱構材還要另外承受本身的軸向力以及彎矩，因此柱翼板在與梁翼板的交接處有很嚴重的應力集中現象，其中又以柱翼板厚度方向的應力最大。為調節這種局部區域的應力集中現象並避免導致脆性斷裂或層狀撕裂，柱翼板厚度方向需要具有良好的延展性或韌性。

2.3.2 SN系列鋼材在化學性質方面有下列特性

(1)碳當量

若要使用經濟而方便的銲接方法進行鋼結構的銲接，母材的碳當量必須受到限制，碳當量主要在反應鋼材銲接後的冷裂敏感性，母材碳當量過高容易在銲接後的熱影響區產生組織密緻的麻田散鐵，麻田散鐵會阻擋氫在鋼材內的行動並進而聚集構成裂縫，造成銲接缺陷。此種裂縫一般在銲道溫度下降至氣溫後才被發現，因此稱為冷裂；又這種裂縫肇因於氫的聚集，因此又稱為氫裂。SN鋼材在B級及C級均有規定碳當量值或以銲接冷裂敏感指數)替代碳當量值，用以確保鋼材之可銲性。

(2) 磷、硫值

磷、硫含量對鋼材材質影響很大，磷在鋼中有常溫脆性，但磷有增加鋼之耐腐蝕性作用。硫與鐵化合成FeS，受熱易熔，故會增加鋼之熱脆性。通常結構用鋼材對磷、硫的規定均較嚴格，因而磷、硫的容許含量甚低，對碳當量值的影響甚小，因此碳當量的計算公式通常忽略磷及硫。SN鋼材B級及C級鋼材對磷硫之含量規定甚為嚴格。

2.3.3 尺寸容許公差

影響H型鋼斷面性能較大之翼板，其厚度之容許公差下限值SN系列鋼材之規定趨向嚴格化，以防止翼板厚度不足之量太大而影響結構安全。

2.3.4 SN鋼材之應用原則

SN鋼材之選用原則建議

(1)SN400A:適用於小梁、懸臂梁、桁架等彈性設計構材，或以螺栓接合之耐震需求較小之構材。亦可以CNS SM系列或ASTM A36或A572等較便宜之鋼材替代。

(2)SN400B∕SN490B:B級鋼材有較嚴格的品質規格之規定，適用於柱、大梁、斜撐等銲接接合構材，且需有良好之銲接性及韌性需求較高之構材，建議所使用鋼材之最大板厚不宜大於40mm。

(3)SN400C∕SN490C:C級鋼材除加強銲接性及韌性外，尚考慮板厚方向特性及鋼材內部性質均勻性。適用於除具有B級之韌性需求外，對於會產生大銲接入熱量，且在板厚方向會產生高度束制，而有產生層狀撕裂現象疑慮之構材。

三、 韌性三要項互補性探討

為確保鋼結構之安全性，除須依結構鋼材的物理性質及化學性質、最小抗拉強度、降伏強度上下限、降伏比上限、延展性、衝擊韌性、厚度方向韌性、最大碳當量規定，及尺寸公差需求等，來選用適用的鋼材，以滿足梁柱接合界面韌性的需求。雖然目前商用鋼材中首推CNS 13812 SN C系列為最佳之耐震設計用鋼材，但欲滿足韌性的需求亦可從結構系統的選用，及梁柱接頭之塑性轉角轉動能力、銲接程序及施工方法等之來著手，可降低梁柱接合界面韌性的需求，同樣可使整體結構行為符合規範之韌性需求。若以「漸變斷面切削法之減弱式梁柱接頭」再塔配銲接程序及施工方法等之控管，則接頭型式已將塑性區域移離梁柱交界面，柱翼板在與梁翼板的交接處，柱翼板厚度方向的應力集中現象已獲大幅改善，可避免電熱熔渣銲接熱影響區產生脆性斷裂或層狀撕裂現象。

至於修訂中之『鋼結構設計規範』對箱型柱之鋼材是否一定須使用符合CNS 13812 SN400B/C或SN490B/C？尤其是板厚超過40mm時是否一定應符合SN400C或SN490C？這個問題對補強式梁柱接頭及有使用電熱熔渣銲接而言，答案顯然是肯定的。

四、結語

　由以上之探討可知「漸變斷面切削法之減弱式梁柱接頭」，其塑性轉角量可有效超越規範之需求，另「漸變斷面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動線機能，亦可用於提高立體靭性剛構架耐震能力之結構補強，實為解決剛構架韌性問題之最佳方案。