鋼結構大樓韌性接頭之探討（上）

陳純森 技師

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（θ_p）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.θ_P = 1.1（R–1.0）θ_E。

      其中：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。

若第（3）式之R與θ_E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。

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。

圖2 FEMA 350建議之扇孔改善		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t_f或 0.5英吋之較大值（+0.5t_f；-0.25t_f）。

c：採用0.75t_f ~1.0t_f（±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t_f（±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”。

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≦0.3b_f，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。

圖5梯形板補強方式		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。