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研究生: 康欣愉
Kang, Sin-Yu
論文名稱: 梁腹橫向開孔鋼梁柱接頭耐震與耐火行為研究
Seismic and fire behavior of a steel beam-to-column connection with two stadium-shaped openings in the beam web
指導教授: 賴啟銘
Lai, Chi-Ming
共同指導教授: 張惠雲
Chang, Heui-Yung
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2022
畢業學年度: 110
語文別: 中文
論文頁數: 196
中文關鍵詞: 鋼梁柱接頭減弱式接頭梁腹板開孔耐震性能耐火性能開孔參數設計
外文關鍵詞: steel beam-to-column connection, beam web-openings, fire behavior, seismic testing, finite element analysis
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  • 本研究針對國內常用之H形鋼梁接箱型鋼柱接頭,透過實尺寸接頭耐震試驗與有限元素分析,探討梁腹開雙條孔對接頭受震與受火行為的影響。結果顯示,雙長條開孔減弱式接頭經反覆載重試驗到最大層間變位角4%兩個迴圈完成時,柱面彎矩強度仍可超過其鋼梁標稱塑性彎矩強度之80%,符合目前鋼結構設計規範之耐震設計要求。此外,梁腹開孔減弱式設計也提供接頭較好的塑性行為發展空間,使塑鉸發生在梁腹開孔位置、遠離柱面,故接頭進入塑性階段後柱面銲道附近上下翼板應力分佈較為均勻,避免應力集中所致破壞問題。有限元素分析進一步顯示,無論梁腹開孔與否,高溫下接頭破壞潛勢最高的位置是在柱面銲道外側梁下翼板。高溫800oC作用下,梁腹無開孔傳統式鋼梁柱接頭受熱在柱面附近變形被嚴重束制而產生應力集中,此大幅地提高接頭破壞潛勢且相關影響恐不亞於受震反覆加載。另一方面,梁腹開孔減弱式設計則提供空間緩解了接頭受熱變形的影響,因而有效地降低高溫破壞的可能。

    This study evaluates the effects of beam-web openings on the seismic and fire behaviors of steel beam-to-column connections by full-scale cyclic loading tests and finite element analyses. Two stadium-shaped openings were designed and adopted in the beam web of a SN490B steel H-beam-to-box-column. The test results show that when subjected to cyclic loading with a drift ratio of 4% , the connection can sustain more than 80% of the nominal plastic bending moment of the steel beam. The connection performance met the seismic requirement of the AISC specification. In addition, the beam web-openings provided a space for the connection to develop better plastic behavior, removing the plastic hinge away from the column face, reducing the stress in the adjacent beam flanges. The results of finite element analyses further indicate that, high temperature may cause stress concentration in the bottom flanges of the connections without and with beam web-openings. For the conventional connection without beam-web openings, the 800 oC high temperature can greatly increase the potential of fracture, just like the seismic testing. On the other hand, the beam-web openings can provid a space to alleviate the high temperature stress, and thus can effectively reduce the possibility of connection fracture.

    誌謝 i 中文摘要 ii Extended Abstract iii 目錄 x 表目錄 xv 圖目錄 xvii 符號表 xxv 第一章 緒論 - 1 - 1.1 研究背景 - 1 - 1.2 研究目的 - 2 - 1.3 研究方法 - 3 - 1.4 論文內容 - 4 - 第二章 規範與文獻回顧 - 5 - 2.1 減弱式接頭設計原理 - 5 - 2.2 腹板開孔梁柱接頭參數 - 6 - 2.2.1 圓形開孔 - 7 - 2.2.2 單長條開孔 - 12 - 2.2.3 雙長條開孔 - 15 - 2.2.4 不同腹板開孔形式之行為差異比較 - 19 - 2.3 減弱式梁柱接頭耐火行為文獻回顧 - 20 - 2.3.1 耐火試驗相關規範 - 20 - 2.3.2 鋼梁於不同基準下之耐火性能判定 - 27 - 2.3.3 鋼梁柱韌性耐震接頭之耐火行能研究 - 27 - 2.3.4 鋼梁柱接頭高溫載重行為研究 - 29 - 2.3.5 WBSFPHC火害後耐震行為研究 - 30 - 2.3.6 抗彎矩構架高溫結構行為 - 32 - 2.3.7 抗彎矩構架之鋼梁受火行為 - 34 - 2.3.8 受束制之鋼梁受火行為 - 36 - 2.4 小結 - 37 - 第三章 接頭試驗與結果分析 - 39 - 3.1 序節 - 39 - 3.2 實尺寸鋼梁柱接頭試驗 - 39 - 3.2.1 接頭細節 - 39 - 3.2.2 試驗裝置 - 41 - 3.3 試驗程序 - 42 - 3.4 試驗結果 - 44 - 3.4.1 試體行為 - 44 - 3.5 試驗分析 - 50 - 3.5.1 試體破壞模式 - 50 - 3.5.2 變形能力 - 50 - 3.5.3 鋼梁柱接頭細節規範 - 51 - 3.5.4 試驗遲滯迴圈結果 - 52 - 3.5.5 彎矩強度 - 55 - 3.5.6 接頭區應變分布 - 58 - 3.6 小結 - 66 - 第四章 接頭耐震行為模擬及試驗比對 - 67 - 4.1 有限元素分析介紹 - 67 - 4.1.1 假設與前提 - 67 - 4.1.2 接頭試體尺寸 - 67 - 4.1.3 材料模型參數 - 68 - 4.1.4 網格與邊界條件設定 - 70 - 4.1.5 模型接觸設定 - 73 - 4.1.6 扇形開孔之型式 - 75 - 4.2 模型網格誤差評估 - 76 - 4.3 行為指標 - 77 - 4.3.1 von Mises應力 - 77 - 4.3.2 等效塑性應變指數 - 78 - 4.3.3 應力三軸度 - 78 - 4.3.4 破壞指數 - 79 - 4.3.5 層間變位角 - 79 - 4.3.6 破壞指數比較位置與位移歷程選取 - 79 - 4.4 耐震行為之模擬方法 - 80 - 4.4.1 模型分析流程 - 80 - 4.4.2 非線性結構分析 - 81 - 4.4.3 非線性挫屈分析 - 82 - 4.5 耐震行為試驗分析與有限元素分析結果比較 - 83 - 4.5.1 彎矩-層間變位角曲線 - 83 - 4.5.2 von Mises應力分佈 - 84 - 4.5.3 等效塑性應變分佈 - 85 - 4.5.4 分析結果之行為指標 - 86 - 4.6 小結 - 88 - 第五章 無開孔與腹板開孔之耐震行為比較 - 89 - 5.1 序節 - 89 - 5.2 破壞模式 - 90 - 5.3 彎矩-層間變位角曲線 - 92 - 5.4 von Mises應力分佈 - 93 - 5.5 等效塑性應變分佈 - 95 - 5.6 分析結果之行為指標 - 97 - 5.7 小結 - 99 - 第六章 接頭區耐火行為模擬分析 - 101 - 6.1 序節 - 101 - 6.2 高溫下耐火行為之持溫分析 - 101 - 6.2.1 分析模式 - 101 - 6.2.2 方法驗證-傳統式接頭 - 105 - 6.2.3 延伸分析-梁腹開孔接頭 - 110 - 6.3 高溫下耐火行為之升溫分析 - 114 - 6.3.1 分析模式 - 114 - 6.3.2 升溫分析結果 - 117 - 6.3.3 結構自重與靜載重差異 - 125 - 6.4 梁腹開孔有無影響 - 126 - 6.5 小結 - 132 - 第七章 有限元素分析之腹板開孔參數研究 - 133 - 7.1 設計參數介紹 - 133 - 7.1.1 預期塑性鉸產生位置(Sc) - 133 - 7.1.2 開孔中心線距離翼板之距離(i) - 134 - 7.1.3 開孔總長度(b) - 134 - 7.2 分析模型參數規劃 - 135 - 7.2.1 基本假設 - 135 - 7.2.2 模型尺寸 - 135 - 7.2.3 材料性質與模型網格 - 135 - 7.2.4 邊界條件與位移歷程 - 135 - 7.2.5 行為指標 - 136 - 7.2.6 破壞指數比較位置與位移歷程選取 - 136 - 7.3 設計檢核 - 137 - 7.3.1 彎矩強度檢核 - 137 - 7.3.2 剪力強度檢核 - 139 - 7.4 開孔位置參數之影響 - 141 - 7.4.1 彎矩-層間變位角曲線 - 141 - 7.4.2 von Mises應力分佈 - 145 - 7.4.3 等效塑性應變分佈 - 149 - 7.4.4 局部挫屈行為 - 153 - 7.4.5 行為指標 - 158 - 7.5 開孔尺寸參數之影響 - 161 - 7.5.1 彎矩-層間變位角曲線 - 161 - 7.5.2 von Mises應力分佈 - 165 - 7.5.3 等效塑性應變分佈 - 170 - 7.5.4 局部挫屈行為 - 174 - 7.5.5 行為指標 - 175 - 7.6 小結 - 180 - 7.6.1 參數研究分析結論 - 180 - 7.6.2 雙長條開孔設計流程 - 181 - 第八章 結論與建議 - 187 - 8.1 結論 - 187 - 8.2 建議 - 188 - 參考文獻 - 190 - 附錄一 - 192 -

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