鋼結構大樓韌性接頭之探討（下）

陳純森 技師

二、擴翼工法

擴翼工法在國內研究之歷史最早，於1990年已有擴翼工法之學術研究報告，效果良好，惟當時之轉角需求目標為0.015弧度。因擴翼不但能舒緩梁翼與柱面之寬度差異，尚可提昇梁端之抗彎強度，力學行為一舉兩得。擴翼工法之方式有三角形擴翼、梯形擴翼與弧形擴翼等。國內之研究成果均證明擴翼工法有良好之韌性效果，其塑性轉角自0.026弧度至0.048弧度不等。弧形擴翼工法建議如圖7左圖所示，其中a=0.6b_f~0.8b_f，b=0.3d~0.45d，b_f為梁翼寬，d為梁深，b範圍為平滑曲線或大約1：3斜度之直線，擴翼寬度c之計算可依據梁柱介面處擴翼梁斷面之塑性彎矩能力與該處地震彎矩需求比值之1.2倍以上，惟設計時仍應符合規範。圖7右圖為梯形擴翼工法曾經試驗之試體規格，正、負向之塑性轉角分別為0.0281與0.0285弧度。

圖7漸變擴翼補強工法

三、肋板工法

肋板加強工法為FEMA 267所提議項目之一。國內有關肋板加強之學術研究報告，共計試驗11個試體，除其中有2個試體之塑性轉角未達0.0209弧度外，其餘之塑性轉角介於0.0319弧度至0.0453弧度。肋板的上、下扇孔可閃開箱型柱內電渣銲之熱影響區，亦可分散電渣銲部位之應力。可供參考之肋板加強方式如圖8所示， a取80mm與b/3之大值，b取200mm與d/3之大值，d為梁深，c的計算依據肋板延長段末端處，梁斷面塑性彎矩能力與該處地震彎矩需求比值之1.1倍以上。於肋板延長斷面，e的計算以梁斷面塑性彎矩能力增加5%計算之，可採用e=g。f的計算依據梁柱介面處，含肋板梁斷面之塑性彎矩能力與該處地震彎矩需求比值之1.1倍以上，如考慮樓板之影響可採用f≦125mm，其弧形漸變段之半徑，可取r=b。

圖8肋板加強方式		圖9側板加強工法

四、側板工法

1995年FEMA 267曾經提議在鋼梁端部，採用側面之垂直加勁板，以改善北嶺地震損害之建築物。側板補強之方法使梁端之斷面行同箱型鋼梁，可造就鋼梁端部的剛性與穩定，讓鋼梁端部之結實程度更佳。國內的研究報告曾經參考FEMA構想，將已安裝完工8年有餘之高雄某34樓超高層鋼構建築，取樣作側板加強試驗，得到優良之韌性效果。側板加強之方式建議如圖9所示，圖中a≧0.46h，t≧0.65t_f。a為加勁板寬度，h為鋼梁凈深，t為加勁板厚度，t_f為鋼梁翼板厚度。採用側板加強工法時須考慮其防火被覆之施工要領。

五、端板加強工法

美國AISC 358-05認證之耐震工法，其中第6章為鋼梁端板之加強工法，適用於特殊抗彎構架（SMF）與中等抗彎構架（IMF）。但不包括直接與混凝土樓板接觸之SMF系統認證。該認證共包括三種端板之加強方式，即四顆螺栓未加勁端板（Four-bolt Un-stiffened，4E），四顆螺栓具備加勁端板（Four-bolt Stiffened，4ES）與八顆螺栓具備加勁端板（Eight-bolt Stiffened，8ES）。如以第二種之4ES為例如圖10所示。除了材質、斷面與強度須符合AISC 358之規定外，其加勁板與橫隔板缺口之尺度AISC規定如下。

1.加勁板

     其中：t_s：加勁板厚度； t_bw：鋼梁腹板厚度。

           F_yb：鋼梁降伏應力；F_ys：加勁板降伏應力。

2.橫隔板缺口

     其中：k_w：翼板外緣至腹板趾部尺度；

       k_f：腹板中心線至翼板趾部尺度。

     如果缺口採用弧形，則半徑須≧0.5”。

圖10端板加強4ES工法

減弱工法探討

所謂減弱工法，係設法在臨近柱面附近設置較脆弱之梁斷面，誘導地震發生時由脆弱斷面先降伏，利用降伏塑鉸產生應力重新分配與消能機制，進而發揮韌性效果。減弱工法包括翼板圓弧切削、翼板梯形切削、翼板漸變切削與翼板鑽孔工法等，其示意圖如圖11所示。

圖11翼板減弱工法

一、圓弧切削法

1996年國內已有翼板圓弧切削之學術研究報告，其試驗於1999年更為成熟，塑性轉角介於0.0273~0.0310弧度。圓弧切削與梯形切削意義較為接近，FEMA 350之認證接頭曾包括梁翼梯形切削之減弱工法。AISC 358-05並曾公佈梁翼圓弧切削的減弱工法認證，其示意如圖12所示。有關圓弧之切削，AISC 358另規定：0.5b_f≦a≦0.75b_f ；0.65d_b≦b≦0.85d_b；0.1b_f≦c≦0.25b_f，R=(4c²+b²)/8c，b_f為梁翼寬度； d_b為鋼梁深度，R為弧形半徑。有關橫隔板之缺口尺度則與端板加強工法相同，其他細部參考AISC 358-05及AISC 358-09s之規定。

圖12圓弧切削減弱工法		圖13漸變切削工法

二、漸變切削法

此種工法係考量地震作用所衍生之鋼梁彎矩圖形，將切削曲線比擬彎矩曲線，以符合彎矩愈大斷面愈強之原則，國內於1993年已有漸變切削法之研究報告。其各試體之可靠塑性轉角為0.0235~0.0479弧度，接頭之處理如圖13所示，圖14為實際完成之漸變切削減弱工法實例。

圖14 漸變切削減弱工法

翼板切削減弱工法於1994年美國北嶺地震後，SAC曾經發表有關鋼結構耐震接頭之改善提議，其中SAC-95第七章7.9.6節介紹鋼梁斷面之減弱工法，曾將翼板切削之工法比喻為「狗骨頭」（dog-bone）工法，稱讚此種工法屬於經濟型之作法，並引述台灣1995年（Chen and Yeh-1995）之漸變切削研究。SAC團隊對於梁翼減弱工法未考慮混凝土樓板及其載重對受壓翼板的影響，作某種程度的意見保留。之後，國內於1997亦曾經研究樓板效應之影響，至2000年之FEMA 350第三章3.5.5節所認證的梁翼減弱工法，曾包含梯形切削減弱工法搭配扇孔改良。惟至2005年AISC認證之358-05第五章梁翼減弱工法，乃至於AISC 358-09s的增補版，則僅包括梁翼之圓弧切削工法與搭配扇孔改良。顯見SAC、FEMA與AISC等團體對於梁翼減弱工法之樓板細節仍然十分謹慎。

結語

有關大樓鋼結構之韌性接頭方法頗多，相關試驗研究報告與論述亦相當充分，本文不及備載，設計人如須採用時可洽相關之研究團隊，或參考文獻【2】的彙總。惟建築物之整體韌性並非單一接頭之試驗得以概括，且整棟建築之各層樓板對於建築結構韌性影響之研究調查亦尚待加強。有關電銲品質的管控與入熱量之影響，結構工程領域之研究調查仍然十分匱乏。設計人除了應注意接頭之方法外，亦應對鋼料材質、結構系統與電銲工法作完善充分之考量。

【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。