實尺寸兩層特殊同心斜撐鋼構架試驗與分析研究

特殊同心斜撐構架藉由斜撐構件受拉降伏與受壓挫屈兩種力學特性,來抵抗側力與消散外力所輸入之能量。本研究為一國際合作計畫,由美國華盛頓大學西雅圖分校團隊先進行試體設計,而實驗則在國家地震工程研究中心測試。研究動機是希望透過實驗觀察,瞭解特殊同心斜撐構架之受力反應,並建立ABAQUS有限元素分析模型來研究特殊同心斜撐構架之結構行為。目的是希望建立一套有限元素分析程序,以供後續實驗與分析參考。 本研究之試體為一實尺寸兩層特殊同心斜撐鋼構架,試體高度為6.66公尺,寬度為6.7公尺,斜撐排列之幾何形狀為X型。試驗總共進行三次,使用相同梁柱構架,替換不同形式之斜撐與接合板。HSS-8t與HSS-2t兩次試驗之斜撐斷面皆為HSS125x125x9鋼管,但採用不同方式設計接合板。WF-8t試驗則是使用斷面為H175x175x7.5x11作斜撐構件,而接合板設計方式與HSS-8t相同。本研究分別建立三次試驗之有限元素分析模型,進行各試體之反覆側推分析。文中將詳細介紹分析模型之材料、分析元素、邊界條件、初始缺陷與施力方式。 由試驗結果顯示此種同心斜撐系統的確能提供良好的消能能力,頂層位移角容量接近正負3%弧度,而X型配置之斜撐挫屈行為會互相牽動,所有斜撐皆發生挫屈,不會產生弱層現象。結構變形與破壞集中於斜撐與接合板,斜撐最大面外變形可達40cm,但並未對梁柱造成明顯破壞,為一可用之抗側力系統。由有限元素分析結果顯示分析模型可以準確分析特殊同心斜撐構架之斜撐後挫屈行為,對於斜撐挫屈、接合板凹折與斜撐局部挫屈行為皆可模擬。將斜撐與梁柱構架承擔之基底剪力分離後,發現在頂層側位移角小於0.28%弧度之前,斜撐可承擔90%以上之基底剪力,而當頂層位移角大於2%弧度後,斜撐承受之基底剪力約為60%,顯示特殊同心斜撐構架主要仍由斜撐承擔大部分之側力。

作者:蔡青宜