承受軸力鋼管T型端板接頭設計例

陳正平  技師

一、前言

圓形、方形及矩形鋼管，經常用來作為鋼結構之斜撐桿件，這些桿件主要是用來承受軸向力，而斜撐桿件端部與結構構架之接頭強度，至少必須足以傳遞斜撐所承受之軸力。通常非韌性構架之斜撐桿件，常會受到桿件之挫屈強度所控制，因而所承受之軸力多小於鋼管的降伏強度。例如，細長型受壓斜撐桿件之受壓強度，即會受到挫屈強度所控制，而致接頭所需傳遞之力量會小於鋼管的降伏強度。

鋼管斜撐桿件端部接頭型式，可簡化歸納成下列三種主要類型，第一種類型為鋼板組合而成之T型端板接頭，如照片1及2所示，此種T型端板接頭可以是熱軋H型鋼裁切成之CT型鋼，或是鋼板銲接組合而成之T型鋼。T型鋼翼板與鋼管端部採連續全周填角銲道，而T型鋼腹板與結構構架上之接合板間，則是以單排或多排螺栓接合；第二種類型為接合板插入鋼管端部管壁上之槽縫並銲接，再以螺栓與結構構架上之接合板連接之接頭，如照片3所示。此種接合板插入式接頭，接合板突出的部分類似鋼管端部T型接頭之腹板；第三種為接合板揷入鋼管端部管壁上之槽縫並銲接，接合板再以銲接與結構構架接合之接頭。

照片1  圓形鋼管端板接頭		照片2  箱型鋼管端板接頭
照片3  圓形鋼管接合板插入鋼管式接頭

矩形及方形鋼管若使用雙邊側板式接頭，採用兩塊側邊接合板來提高接頭強度。此種增加接合板數量的方式，可以有效減少剪力遲滯效應的影響，但是組裝上較單片接合板揷入鋼管式接頭困難，此外，接合板與鋼管間需要採用單斜喇叭型開槽銲道。

鋼管端部之續接，可以採用端板(封板)式對接接頭，來達到全斷面降伏強度。端板與鋼管間採全周銲道，承受拉力之螺栓均勻分布在端板周圍，並須有足夠的數量及較小的螺栓間距，使螺栓拉力可均勻傳遞至鋼管外周，以避免剪力遲滯效應的發生。在壓力載重下，力量透過鋼管周邊處之端板直接承壓均勻傳遞。

二、方形鋼管端部採用T型端板接頭設計例

本計算例係參考AISC Steel Design Guide 24“Hollow Structural Section Connections“，第五章中之方形鋼管端部採用T型端板接頭設計例，惟因該設計例諸多不合力學原理之處，筆者藉此加以修改及解說。

圖1中所示之方形鋼管端部採用T型端板接頭，分別承受軸向拉力及壓力載重，該接頭採用鋼板組合T型鋼，且採用與T型鋼腹板相同厚度之接合板。使用4顆直徑24 mm之CNS F10T承壓型接合螺栓，假設剪力面通過螺紋，及CNS E49XX（kgf/mm²）或AWS E70XX（kip/in²）系列銲材。分別求該接頭所能承擔之最大設計拉力強度及設計壓力強度。

材料性質：

方形鋼管200×100×6：CNS STKR 490 (F_y＝3.3 tf/cm²；F_u＝5.0 tf/cm²)

組合T型鋼之翼板及腹板、接合板：CNS SN400YB；(F_yp＝2.5 tf/cm²；F_up＝4.1 tf/cm²)

構件幾何性質：方形鋼管200×100×6：

H＝20 cm；B＝10 cm；標稱壁厚＝0.6 cm；標稱斷面積＝33.6 cm²

設計壁厚t＝0.6 × 0.93＝0.56 cm

設計斷面積A＝33.6 × 0.93 ＝31.2 cm²

組合T型鋼之翼板厚度：t_p＝2.0 cm

組合T型鋼之腹板及接合板厚度：t_b＝t_s＝1.6 cm

【解答】：

1. 鋼管管壁局部降伏對應之軸向強度（＝1.00）

承載寬檢核：方形或矩形鋼管經由端板傳遞載重之方式，可依局部降伏及局部壓皺極限狀態計算其強度。集中力消散可假設為從承壓寛度二端，各以2.5：1的斜率分散傳遞(Wardenier et al.，1991；Kitipornchai 及Traves，1989)。根據上述假設，檢核局部降伏時鋼板之有效承壓長度為(5t_p＋t_b)。若(5t_p＋t_b)小於管寬B，則只有二側管壁寛度內之(5t_p＋t_b)長度為有效承壓長度；若(5t_p＋t_b)≧B，且矩形鋼管斷面之四管壁均被涵蓋在內時，此時依AISC 360-16第K章之規定，為四管壁全周為有效承壓長度；惟考量當(5t_p＋t_b)＝B之臨界尺寸時，其有效承壓長度可能會有數倍的差距，殊不合理，依端板厚度及其勁度觀之，並無法使方形鋼管四周均達降伏極限狀態。因此本例改用Eurocode 之建議：若(5t_p＋t_b)≧B，且矩形鋼管斷面之四管壁均被涵蓋在內時，僅能取有效承壓長度＝2(7t_p＋t_b＋2w)，較合乎力學原理。

討論：本例因接合板存有偏心彎矩，致KL/r項對T型鋼腹板之挫屈強度影響不大，但若在T型鋼腹板上單側增設加勁板，則L可自最後一顆螺栓中心起算，且接合板之偏心距亦可保守減半，因此可明顯提升接合板之挫屈強度，因此建議採於T型鋼腹板上單側增設加勁板，可提高接頭之整體效益。

三、結語

本例AISC Steel Design Guide 24第五章中之方形鋼管端部採用T型端板接頭設計例中採K＝1.2，惟筆者認為連接端梁柱端，為梁柱交會之接頭區，其構架或桁架之面外勁度，隨桿件斷面之形狀而改變，並非可達彎矩固定端之程度，而大部分情況是偏向鉸接，且斜撑桿件在整體構架分析模型中，其端部一般係設定為鉸接，因此實際K值會介於0.65至2.1間。鑒於斜撐接合板一旦發生挫屈，會導致整體構架或桁架倒塌，其重要性是在整體結構成敗的關鍵位置，且考量接頭之邊界條件，應與結構分析模型所假設之邊界條件一致，筆者認為K值應取2為適當。另筆者所查閱之文獻資料亦指出，斜撑構架實體試驗結果與K取2之分析結果一致。因此筆者建議本題T型鋼腹板及接合板之挫屈強度之計算中，T型鋼腹板及接合板之K值，均應保守改取2。又若於T型鋼腹板單側增設加勁板，除可降底有效長度外，亦可減少接合板之偏心距，因而可大輻提高接頭之整體效益。