“鋼管側撐挫屈束制斜撐”的設計與施工方法

陳正平技師

 前言

鋼斜撐不論用於鋼結構之斜撐構架或鋼筋混凝土構架之耐震補強，均屬經濟有效的元件，鋼斜撐在地震力之作用下，在結構物來回擺動時會承受反復軸力，而傳統之鋼斜撐在受壓挫屈後，其抗壓強度會大幅降低，甚至造成結構物倒塌，為保有安全性必須加大鋼斜撐斷面以符合安全需求。現行「建築物耐震設計規範」對於採用鋼造特殊同心斜撐之構架，對斜撐構材之設計作了嚴格之規定；若採用挫屈束制斜撐（Buckling Restrained Brace 或BRB）又稱韌性斜撐，在地震力作用下產生拉力與壓力之情況，均可發揮相同的遲滯迴圈效果，耗能性能優越。

挫屈束制斜撐依束制的方式，大致可分為由鋼管側撐與用混凝土核心側撐之無黏結挫屈束制斜撐。圖1所示幾種比較具代表性的挫屈束制斜撐中，( a ）~（c）及( f ）係使用脫黏結材料的無黏結斜撐，其餘的各種斜撐中，沒有使用任何的脫黏結材料，而是在主受力斜撐元件和挫屈束制元件之間預留一定的間隙，以使主受力元件可以自由伸縮。因(k)型之鋼管側撐「挫屈束制斜撐」具設計簡單、施工簡便及造價便宜等優點，本文針對(k)型鋼管側撐「挫屈束制斜撐」作介紹。

鋼管側撐「挫屈束制斜撐」之構造

一、挫屈束制斜撐之組成

鋼管側撐挫屈束制斜撐(下稱“鋼管側撐BRB”)由主受力元件與側撐元件組成，如圖2所示。鋼管側撐挫屈束制斜撐之軸力係由主受力元件承擔，側撐元件則提供主受力元件側向支撐，防止主受力元件受壓挫屈。由於主受力元件在軸壓力下不會挫屈，因此主受力元件之消能容量可充分發揮。

二、主受力元件

主受力元件可使用各種結構用鋼材，國內常用之ASTM A36、CNS SM400、CNS SN400B、ASTM A572 Grade 50、CNS SM490、CNS SN490B、CNS SM 570以及低降伏（LYP）等鋼材，皆可用來製作主受力元件。所使用鋼材的強度越高，構材之強度就越高，低降伏鋼材之降伏強度約1.0 tf/cm²，其伸長率可達50~60%，主受力元件若使用低降伏鋼材，則須較大之斷面積方可達相同之強度，此外採用低降伏鋼材亦可增加BRB之消能容量，不但可作為「斜撐構材」亦可作為「阻尼器」使用。為確保主受力元件端部接合處不產生破壞，一般採用端部斷面比中間段斷面大（如圖2）。

三、側撐元件

鋼管側撐元件主要在提供主受力元件側向支撐，因此須具有足夠之撓曲勁度與強度。較適合的側撐元件有鋼管斷面（圖3）及鋼管混凝土斷面（圖4）。主受力元件在承受軸壓力時會縮短，鋼管側撐元件具有不會壓迫到主受力元件端部斷面變大處之優點(見圖5所示)。

配合十字形主受力元件，鋼管側撐元件由4支鋼管及4片連接板組合而成(如圖3所示)，此種桿件即稱為鋼管側撐BRB，鋼管間即留有主受力元件自由伸縮之空間，不須另外進行內部預留變形間隙。

鋼側撐BRB之遲滯行為

鋼管側撐BRB之試驗結果顯示，不論主受力元件使用何種結構用鋼材，鋼管側撐BRB皆有良好之遲滯行為與高疲勞耐力之特性，主受力元件之壓力強度與拉力強度的比值在最大位移時，介於1.05與1.07之間，差異相當小。鋼管側撐BRB之耐震壽命甚長，在建築物的生命週期內，絕大部分的結構物沒有更換BRB之需要。

結論

鋼管側撐之「挫屈束制斜撐」無須填充混凝土，故不會有灌不滿或澆置混凝土時，混凝土可能衝擊可壓縮性材料而使其移位，或因自重造成撓度而減少挫屈強度的疑慮，製作完成後內部預留空間位置是否正確，無法以簡單的方法檢查等問題。至於主受力元件與側撐元件間之防蝕處理，若使用於室內，只要塗裝鋅粉底漆防蝕即可；若使用於室外可採熱浸鍍鋅方式防蝕，因鋼側撐及主受力元件為使用一般結構用鋼，熱浸鍍鋅溫度大約為500℃左右， 並不會有金相改變及鋼材脆化的問題。主受力元件及側撐元件間不必使用任何特殊的可滑動材質，亦不會有側撐元件撞及主受力元件端部擴大處的問題。「挫屈束制斜撐」設計簡單，製作容易，耐震性能優越，是目前效益最佳之斜撐系統。惟使用前應先確認是否有專利問題，以免觸法。 

【參考資料】

[1]陳正誠〔2008〕。鋼側撐BRB之設計與測試。中華民國鋼結構協會會刊。

[2]謝強、超亮〔2008〕。屈曲約束支撐的研究進展及其應用。同濟大學建築工程系。

[3]蔡克銓、翁元滔、翁崇興、黃彥智〔2002〕。含挫屈束制斜撐鋼構架之耐震性能評估方法研究。結構工程，18（2）。