鋼管混凝土結構螺栓式接頭耐震行為之有限元素分析研究

傳統梁柱接頭抗彎變形能力不足,接頭破壞常發生在梁端銲道。螺栓式梁柱接頭是為工廠銲接、工地栓接,可避免工地銲接之品質問題。螺栓式梁柱接頭並於梁端加銲翼翅擴板(wing plate),以提升梁端彎矩強度之容量,使塑性鉸遠離銲道。前人實驗已經驗證螺栓式梁柱接頭耐震能力優良,只要設計恰當即可符合國內外耐震接頭之要求。試驗的試體是有限的,使用數值分析若可準確模擬試驗結果,則可做更多參數變化。故本文採用ABAQUS有限元素分析程式分析翼翅擴板、端板及翼板間加勁板對螺栓式梁柱接頭之影響,以及分析整個接頭之耐震行為。經由收斂性分析配合 “Riks” 分析程序(本文先經由收斂性分析得到所建立有限元素模型的合理性,再以靜力分析模擬試體在反覆載重下之耐震行為,可得到挫屈前的包絡線,最後則利用單調遞增之靜力分析模擬出挫屈後耐震行為,可得到與實驗結果相近似的力與位移包絡線。分析結果證明,只要翼翅擴板的長度與寬度符合本文所修正之設計公式,翼翅擴板可有效使梁端塑鉸遠離銲道;只要端板厚度符合AISC-LRFD提出之計算公式,搭配三角加勁板,可有效防止端板因彎撬現象之發生而破壞;在梁端塑鉸處加銲翼板間加勁板,可有效延緩局部挫屈塑鉸發生的時機,亦即延後最大強度的發生時機,進而增加整體接頭的韌性。對矩形鋼管混凝土單向螺栓式接頭而言,分析也證明矩形鋼管寬厚比之設計能改變主要之消能構件,寬厚比較小者,鋼管厚度較大,可由鋼梁來消能;寬厚比較大者,鋼管厚度較小,可由交會區來消能;若符合臨界寬厚比,則可由鋼梁與交會區共同消能。對矩形鋼管混凝土雙向螺栓式接頭而言,分析證明雙向螺栓預力可大大提升交會區之強度及勁度,因此皆由鋼梁來消能;分析也證明圓形鋼管混凝土螺栓式梁柱接頭之適用性;並證明只要設計得宜,螺栓式接頭確為優良耐震接頭。

作者:黃國倫