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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國一○○年六月二十五日

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文字記者:許素梅

“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 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 A36CNS SM400CNS SN400BASTM A572 Grade 50CNS SM490CNS SN490BCNS 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(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(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1.051.07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,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,182)。

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