钢梁与包覆RC箱型钢柱之梁柱接头耐震性能研究

本研究进行两组“大尺寸梁柱接头”之反复载重试验,以探讨其力学行为与耐震性能。本研究之试体采用钢梁与“受钢筋混凝土包覆之箱型钢柱（简称包覆箱型钢柱或SRC柱）”接合之梁柱接头。此种钢梁与SRC柱接合之构造的主要特点,在于利用SRC柱之劲度、防火与抗压强度方面的长处,又可以发挥钢梁在韧性与施工便捷方面之优点。本研究之试体均符合“强柱弱梁”之原则且梁柱接头区之标称剪力强度均大于该区之需求剪力强度,试体之断面配置均符合台湾SRC设计规范之要求。本研究探讨之重点包含：（1）此种新型梁柱接头之钢梁塑性铰的发展情肜,（2）梁柱接头区混凝土之开裂状况,（3）配置剪力钉对梁柱接头韧性之影响。实验结果显示,由于SRC柱内之箱型钢管断面在X与Y向各有两片腹板,故可以提供梁柱接头区充分的剪力强度,并可抑制接头区的剪力变形,使接头区之混凝土保持良好状态,并无明显开裂之情形,进而确保插入SRC柱的钢梁受到接头区之钢筋混凝土有效的束制,使得钢梁的塑性铰可以远离焊道,最终在SRC柱之混凝土面外约15cm处发展出稳定且充分的塑性变形。换言之,SRC柱接头区的钢筋混凝土具有保护钢骨梁柱接头焊道的功能,该区的钢筋混凝上成功的将钢梁的塑性铰逼离焊道,使钢梁在SRC柱混凝土面外形成良好的塑性铰。本研究之梁柱接头试体在反复载重作用下,可以发展出稳定且饱满的迟滞循环（Hysteretic Loop）。两组接头试体之钢梁塑性转角（Plastic Rotation Angle）达到5．4%和6．0%rad,梁柱接头之层间变位角（Interstory Drift Angle）达到6．2％与6．7％rad,显示此两组梁柱接头均具有优良的塑性变形能力,超过AISC Seismic Provisions（2002）所订4％rad层问变位角之要求。本研究依据有限的试验结果初步证实,在适当设计下,此种型式的梁柱接头将可以发挥良好的耐震性能。     

削切钢盖板梁柱接头设计与耐震行为

本研究的目的为提出新式的梁柱接头以避免在工地现场进行梁柱接头全渗透焊接,同时亦控制塑性变形发生在一简单、可修复的装置(削切盖板)而非钢梁。削切盖板(RFP)以焊接或栓接方式固定于钢管混凝土(CFT)柱,以螺栓或填角焊与梁翼板接合,四组全尺寸削切盖板梁柱接头试体试验结果显示:(1)削切盖板梁柱接头在反复载重作用下均可超越0.04弧度的位移角,而使梁的塑性弯矩强度得以发挥;(2)塑性变形发生在削切盖板而非钢梁上,进而避免钢梁的挫屈;(3)利用有限元素分析程序ABAQUS可预测试体接头的反复载重行为,并证明削切盖板梁柱接头的弹性挠曲劲度与盖板梁柱接头相似,满足刚性接头的劲度要求;(4)削切盖板的非弹性挫屈强度可藉由本研究提出的非线性回归分析模型预测。     

钢结构梁柱梁翼内侧加劲板补强接头耐震试验及有限元素分析

本研究主要探讨钢结构梁柱补强接头之耐震行为,补强接头的主要方式是采取避免破坏既存建筑物楼板且不会减低楼层净高度要求下,在钢梁翼板内侧与箱形柱间焊加劲板增加梁端近柱面之弯矩强度。为证明此补强接头之耐震行为,共进行六组大尺寸之梁柱接头试验,其中一组为传统未补强之梁柱接头,另外五组为梁翼内侧加劲板补强接头,未补强之梁柱接头及一组补强接头之梁柱焊接工作于1996年前工地现场完成后,于2006年由既存34层大楼切除后运至实验室进行试验,另四组梁柱补强接头之焊接工作均于2006年在实验室内完成。补强接头试体加劲板与梁翼及柱板接合均采用全渗透焊接,梁上下翼板之背垫板均未移除,亦未与柱面进行填角焊接。二组补强接头试体在实验时的韧性行为极佳,试体在历经第一次反复载重测试至超越美国规范AISC(2005)规定之4%弧度层间侧位移角的要求下,并未发生梁柱接头焊道断裂及强度递减的情形。因此将此二组试体分别进行第二次AISC(2005)反复载重测试,在历经第二次反复载重测试至4%弧度的层间侧位移角时,发生较明显之梁挫屈及强度递减,但梁柱界面焊道未断裂。而另外三组补强接头因梁翼板内侧加劲板所提供的劲度及强度不足,与未补强之梁柱接头试体同样在未能达到AISC(2005)所订定之4%弧度层间侧位移角前而发生破坏。本研究并利用非线性有限元素分析程序ABAQUS(2003)仿真梁柱接头试体,以进一步了解梁翼板内侧加劲板传递梁弯矩的贡献,和可能发生接头破坏的区域。根据实验及有限元素分析结果提出设计方法及范例供工程师补强既有钢结构梁柱接头参考。     

钢构造梁扩翼接头之耐震行为

传统抗弯构架之梁柱接头梁腹板以螺栓接合而梁翼板以全渗透焊接于柱,在北岭及阪神地震的侵袭下,梁柱接头处发生严重脆性破坏。本研究针对钢梁连接H型钢柱之接头,以扩大接头处梁翼板宽度之改良方式,改善扇形开孔处与梁翼全渗透焊道之应力集中现象。藉由参数研究确立各设计参数,制作六组实尺寸试体进行试验。试验结果显示,扩翼式梁柱接头试体可降低梁柱接头处发生脆性破坏之可能,而皆可产生塑性铰,提供优良且稳定之弯矩强度及韧性能力。     

圆形钢管混凝土梁柱接头之耐震行为

本研究以试验与理论方式，探讨圆形钢管混凝土柱与H型钢梁交会区之钢管径厚比与接头型式等对力量传递、破坏模式及韧性行为之影响。实验方面，设计五个试体，共四种接头型式，以梁翼与隔板的接合方式不同、有无内隔板及接头区径厚比为变化参数，于梁端施以反复载重来观察梁柱接头的力变形行为。经由理论分析与实验结果比较可发现，由Fulku-moto与本提出之新理论模式来预测交会区的行为，其结果都在合理范围内。     

框架结构局部柱铰整体屈服机制的控制

框架结构局部柱铰整体屈服机制允许中柱的柱端和边柱的梁端屈服,要求边柱强度更高以避免发生层间破坏。该屈服机制的强柱弱梁条件不在于使每个节点都满足强柱弱梁的条件,而从结构整体出发要求满足基于层间柱梁强度比的强柱弱梁条件,使节点的强柱弱梁条件得以放松。基于梁铰屈服机制和部分柱铰屈服机制分别设计2组6层框架结构,利用ABAQUS有限元分析软件建立实体模型,采用Pushover方法进行推覆分析,对比不同屈服机制的层间位移角响应及构件塑性铰分布响应。结果表明,层间柱梁强度比对屈服机制的形成有重要影响,具有部分柱铰的框架结构在地震作用下的安全性不低于只允许出现梁铰的框架结构。     

SRC柱-RC梁组合件抗震性能试验研究

进行了4个1/2比例SRC柱-RC梁组合件的低周反复加载试验,研究不同强节点系数的SRC柱-RC梁节点在各受力阶段的抗震性能、变形组成和合理的节点构造形式。试验结果表明,试件的破坏形态和变形组成与强节点系数有关,所采用的节点连接构造合理。基于试验数据和局部-整体变形关系,探讨了各受力阶段SRC柱-RC梁组合件的弯曲变形、节点核心区剪切变形、纵向钢筋在节点区的滑移变形等组成部分在组合件整体变形中所占比例及其变化规律。分析结果表明,梁变形所产生的侧移在强柱弱梁型SRC柱-RC梁组合件总侧移中所占比例最大,核心区剪切变形所占比例随强节点系数的减小而增大。通过对各受力阶段破坏特征描述和相应特征参数试验结果的分析,提出了强柱弱梁型SRC柱-RC梁框架结构满足运行、基本运行、可修和避免倒塌等四个抗震性能水平的位移角限值分别为1/500、1/150、1/75和1/30。研究成果可供SRC柱-RC梁组合结构地震反应分析和工程应用参考。     

典型钢梁与箱型柱采用梁翼切削或梁翼加盖板抗弯接头的破坏模式

本文主要介绍二十二组钢梁与箱型柱抗弯接头试体的耐震行为与破坏模式,其中十七组试体采用梁翼切削(reduced beam section,RBS)式接头,另五组以梁翼加盖板的补强(enlarged beam section,EBS)式接头,所有试体均为梁腹栓接、梁翼焊接(BWWF)的现场施作接头。试验结果显示,七组梁翼切削试体及三组梁翼加盖板试体具有4%弧度层间位移角或3%塑性转角以上的变形能力,此十组试体的平均梁塑铰应变硬化系数为1.22。由试体破坏形式归纳,造成梁柱接头变形能力不足的破坏模式包括:梁翼板全渗透焊道断裂、梁翼板于梁腹扇形开孔尖端附近断裂、梁翼切削段内断裂、柱内横隔板与柱板间焊道破坏、及柱板冷(氢)裂五类。探讨此试体破坏原因发现,在六组钢梁与柱内横隔板电溶渣焊焊道侧接合的试体中,三组试体破坏发生于电溶渣焊与柱板接合界面附近,破坏机率高达50%,此现象应值得钢构业重视。本研究成果也发现,高达55%试体未满足台湾钢结构设计规范3%塑性转角或美国AISC耐震特别规定4%层间位移角的变形需求,此显示钢梁与箱型柱采用梁翼切削或加盖板抗弯接头的设计、施工与检测技术有相当大的改善空间。     

钢梁-钢筋混凝土柱连接节点试验研究

介绍了三个钢梁-钢筋混凝土柱连接节点在梁端往复加载的试验。试验结果表明,采用的梁贯通型连接具有良好的抗震性能,能够实现“强柱弱梁”、“强核芯弱构件”的抗震概念设计要求;提出了钢梁-钢筋混凝土柱连接设计建议。     

未补强焊接梁柱接头之应用于箱形柱

探讨钢结构特殊弯矩构架梁柱接头的耐震行为,梁柱接头采用未补强焊接梁柱接头,特点在于厚梁翼板、箱形柱断面、且焊接扇形孔采用美国AWS的建议,以盼能提供良好的韧性行为。以试验方法进行两组实尺寸试体的试验,梁柱子结构承受反复载重。试验结果显示,两组试体皆可达4%弧度层间变位角,梁发展塑性弯矩强度;破坏肇因于梁翼全渗透焊道裂缝造成的撕裂。研究成果提供预审合格梁柱接头更广泛的实务应用。     

宽肢组合异形柱-钢梁节点抗震性能试验研究

为研究适用于高层钢结构住宅体系的组合异形柱框架结构的翼缘加强型节点的抗震性能,设计了两种不同构造形式的足尺节点试件,即格构式宽肢组合异形柱节点和实腹式宽肢组合异形柱节点,并进行拟静力试验,研究了该类节点的破坏形态、滞回性能、承载能力、梁端转角、延性及耗能能力。试验结果表明：2个节点最终均在加强件端部发生了翼缘开裂而破坏;节点的受弯承载力是梁端全截面塑性承载力的1.10~1.13倍;钢梁转角是梁端总转角的主要组成部分,节点区转角只占梁端总转角的1.0%~1.8%,柱变形转角占9.2%~13.0%;节点的位移延性系数约为2.33~2.38,黏滞阻尼系数约为0.264~0.267。此外,2个节点的承载能力基本相当,格构式宽肢组合异形柱节点的抗震性能指标相对实腹式宽肢组合异形柱节点较好;但与传统翼缘加强型节点相比,其延性和耗能能力略有降低。     

高强度钢框架梁柱节点低周疲劳断裂性能试验研究

高强度钢结构节点的低周疲劳断裂性能是影响其抗震性能的关键因素,对于高强度钢结构的抗震设计及其在抗震区的推广应用至关重要。为研究受强震作用高强度钢结构节点的低周疲劳断裂性能,完成了4个高强钢框架栓-焊混接梁柱节点足尺试件的低周疲劳往复加载试验,包括2种不同的焊接孔形式和4种焊接工艺,测得各试件的断裂失效模态及承载性能。基于试验结果,分析了焊接工艺细节及焊接孔形式、钢材强度对高强钢框架梁柱节点断裂性能的影响,研究了这类节点的断裂失效机制。结果表明：当采用有效的构造改进措施,且翼缘焊缝质量得以保证时,高强度钢框架梁柱节点破坏前能承受较大的塑性变形,断裂性能良好。     

Experimental study on bending behavior and seismic performance of hybrid composite beam with new shape

With the increasing construction of high-rise and long-span buildings, composite structure systems have been increasingly studied in various fields. This study presents and evaluates a new concept hybrid composite beam, using monotonic and cyclic tests. 6 bending specimens and 2 beam-to-column connection specimens of the new concept hybrid composite beam were fabricated for bending and seismic performance testing. The bending behavior test results showed that the capacity of the beam stably increased in proportion to the depth of beams and the thickness of steel plates. Also, sufficient maximum moment was secured compared to nominal moment. The seismic performance test results showed that the maximum moment was above the plastic moment, and the connection was intermediate moment frame.     

Cyclic testing of steel column-tree moment connections with weakened beam splices

Traditionally, the beam splice assemblies of column-tree connections are designed according to the full-strength design principle. Actually, the beam splice is set up at a certain distance from the column face, thus the plastic moment capacity of the beam splice does not need to be greater than the plastic moment capacity of the beam. This paper experimentally presents the effects of the weakened beam splice on the seismic performance of column-tree steel moment connections. Cyclic tests of two column-tree connection specimens with weakened beam splices and one specimen following the full-strength design principle were conducted to verify their inelastic behavior and failure modes. The test results showed that the moment resisting capacity of the column-tree connection specimens with weakened beam splices did not obviously decrease. Also, their energy dissipation capacity was better than that of the specimen following the full-strength design principle.     

Cyclic response characteristics of retrofitted moment resisting connections

Experimental studies were conducted in order to investigate the behavior of the weld in steel moment resisting connections. A total of forty seven reduced-scale subassembly model specimens were tested that represent welded moment resisting connections of the beam to box column. These specimens were used to study the following aspects in fabrication and retrofitting of moment resisting connections: Complete joint penetration (CJP) groove weld behavior, transversely loaded fillet weld behavior, grinding and rewelding influence on weld behavior, reinforcing of connection with T-stiffener and rib plates, strain rate effect on weld and material characteristics and electrode toughness effect on weld behavior. Following test result interpretations, five full-scale moment resisting connections of beam to box column were fabricated and tested. These models included one specimen fabricated with details of an outdated connection, two specimens with an improved CJP groove weld detail, and two specimens retrofitted by T-stiffeners. Each specimen was subjected to a standard quasi-static cyclic load pattern. Overall, the improved and retrofitted specimens performed well, achieving total (elastic plus plastic) story drift ratios of at least 4% radians in magnitude before experiencing 20% strength degradation.     

Internal flange stiffened moment connections with low-damage capability under seismic loading

This study presents the seismic performance of steel moment connections using internal flange stiffeners (IFSs) welded at the face of the wide-flange column and inner side of the beam flange. The objective is to develop a steel moment connection that can achieve good seismic performance with low-damage capability during a large earthquake loading and minimize the repair cost. Four large-scale moment connections were tested to validate the cyclic performance. One connection which represented a welded-unreinforced flange-bolted web connection failed before finishing cyclic tests at a drift of 4%. Three IFS moment connections showed excellent performance and low damage after experiencing the AISC seismic load twice up to the target drift of 4%, without strength reduction. The specimens were also modeled using the computer program ABAQUS to further verify the effectiveness of the IFS in transferring beam moment to the column and to investigate potential sources of connection failure.     

梁柱盖板连接的滞回性能研究

盖板加强式梁柱刚性连接节点是使塑性铰外移以提高节点塑性变形的一种改进形式。为了研究梁柱盖板连接的滞回性能,在考虑材料、几何和接触状态非线性基础上,采用三维实体单元对梁柱盖板连接进行了循环加载有限元模拟。设计了4组共12个试件,研究了节点域厚度、梁高、盖板长度及轴压比等参数对盖板连接滞回性能的影响。有限元分析结果表明:大部分节点表现出良好的延性,梁端位移超过80mm;节点域厚度越厚,连接的承载力和刚度越高;梁高越大,连接的延性越差,可能会发生强梁弱柱破坏;盖板长度对节点性能没有显著影响;轴压比越大,节点的强度、刚度和延性会显著降低。     

后张无黏结预应力干式连接梁柱节点抗震性能试验研究

为研究后张无黏结预应力干式装配梁柱节点在低周往复荷载作用下的抗震性能,对其进行了拟静力试验研究。试验中设计了2个常规现浇梁柱节点和4个装配式梁柱节点,包含中节点和边节点。对比分析了现浇节点和装配节点滞回性能、刚度、承载能力以及变形能力差异。试验结果表明：试验中设计的后张无黏结预应力装配式梁柱节点试件在初始刚度、承载能力、变形能力以及损伤控制等方面均优于传统的现浇节点试件,耗能能力略低;进一步研究了后穿耗能钢筋无黏结段位置对装配节点性能的影响,认为后穿耗能钢筋无黏结段设置在柱外时,装配节点呈现更高的耗能能力和变形能力;装配式节点预应力钢绞线在1/20大位移角下仍能保持弹性,梁柱接触面基本无摩擦滑移,该类装配式节点具有良好的整体性和安全性。     

《高层民用建筑钢结构技术规程》修订简述

JGJ 99-98《高层民用建筑钢结构技术规程》于1998年颁布实施至今已过去10多年,在这期间,人类遭受了多次特大地震灾害,也给土木工程工作者很多启示。这次《高层民用建筑钢结构技术规程》的修订,参考了国内外研究成果,着重对框架梁柱连接的形式和节点、构件的设计计算方法进行了修订及补充,内容包括：考虑塑性铰外移的加强型连接和骨式连接的构造及计算方法,高强螺栓群连接的设计,梁腹板与箱形柱连接时抗弯设计以及构件连接系数等规定。修订的《高层民用建筑钢结构技术规程》还补充或修订了高层建筑用钢板、无粘结耗能支撑、钢板剪力墙等抗震技术。参9