含薄型挫屈束制支撐構架耐震行為研究

挫屈束制支撐(BRB)為近幾年來被廣為使用結構制震系統,經過多年的研究與推廣,市面上有各種各樣不同的斷面型式,然而為提高可使用的樓地板面積,如何降低斜撐的厚度也就越來越有研究的必要。傳統大型圍束單元的BRB較無法符合此要求,薄型化與輕量化BRB的需求可能會越來越高;當斜撐之圍束單元往薄型化發展時,其束制能力就顯得重要。支撐之整體撓曲挫屈必須防止之外,但是局部挫屈亦須避免;薄型化BRB的設計方式與力學行為,為本研究探討重點。 本研究包含: (1)研發全鋼薄型挫屈束制支撐,並透過構件試驗施加反覆載重測試其反應,並探討其力學行為。(2)研發三種不同形式之薄型BRB,包括利用矩形鋼管內灌入水泥砂漿做為圍束單元,並透過實尺寸三層樓構架試驗對其中一種薄型BRB進行測試。(3)以擬動態實驗方式進行構架試驗,在實驗前後利用PISA3D和OpenSEES非線性結構分析軟體,對實驗結果進行預測與模擬。(4)透過含薄型BRB之構架與構件單元試驗結果,探討薄型BRB核心板之高模態挫屈行為,以及其所引致之局部挫屈破壞模式,並利用ABAQUS有限元素分析軟體之3D solid元素和雙線性材料,建立數值模型模擬實驗反應,提出局部挫屈之檢覈方式。 由四組構件試體試驗結果得知全鋼薄型BRB可以達到薄型化與輕量化的需求,除了端部的圍束條件需要被改善之外,圍束單元可以適時發揮束制效果。實尺寸三層樓構架施以10/50地震歷時之擬動態試驗中,一樓其中一組薄型BRB於試驗中發生局部挫屈後斷裂;其他五組試體表現良好,每層兩支BRB在構架中足以承受約七成以上的樓層剪力,可以消散大部分地震所帶來的能量;發生破壞的斜撐為局部挫屈破壞。透過ABAQUS有限元素軟體分析或是利用雙模數理論(double modulus theory)皆可以適當預測核心段的高模態挫屈波長,本研究結果顯示BRB核心段於極大的軸壓應變下,高模態挫屈波長約為15至20倍的核心板厚;藉由此挫屈波長與脫層單元厚度的幾何關係可推導出圍束單元於BRB於最大軸壓力下所受到的側向接觸力,此與圍束鋼管所受到的側向力與水泥砂漿厚度有關,本研究提出圍束鋼管的設計方法,以防止發生局部挫屈發生。

作者:林保均