陳清泉臺灣大學：土木工程學研究所鄭夷翔chan, il-shungil-shungchan2007-11-252018-07-092007-11-252018-07-092006http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/50305摘要 針對含開腹桁式構件之鋼構架應用於大跨度建築，本文旨在探討其耐震之抵抗能力，及研究提高開腹鋼構架之抗震能力。先就該型構架模式所產生的破壞模式加以檢討，並與一般實腹H型鋼構架之耐震能力作比較，探討兩者所產生的抗震差異，進而改善所產出的破壞機制，以達提升其耐震能力之目標。 本文主要內容乃在利用勁度分析程式及配合擬彈性分析法，進行非線性分析與比較不同型式相同跨距實例下之耐震能力。及含開腹桁式構件與H 型鋼構件之多層鋼構架之耐震能力，並與側推分析（pushover Analysis）之結果做比較。傳統非線性分析的計算較為繁複，較不易廣泛的應用，本文嘗試利用現有的線彈性分析程式，以進行非線性系統的分析，期能簡化並節省時間與資源。 經研究之後得知，含開腹桁式構件之鋼構架自重較輕，但樑深較大，可以承受較大的載重，因此可以節省材料達到經濟的效果，所以單位造價比一般鋼構架低，若能改善其耐震能力，則依理可作為主要抗彎構架，為擴大其應用於高層建築構造尚需要作深入的探討與研究。ABSTRACT The object of this paper is to investigate the aseismic capacity of the steel rigid frame with truss type open web members by Pseudo-elastic method. Firstly, the moment curvature curve of member section have been established. Secondly, the structure will be analyzed linearly by adopting SAP2000 software, also the member force are carried out. After structure behavior into nonlinear state keep using Pseudo-elastic method, and transfer the energy which exceeding the elastic range into plastic energy. Then the nonlinear response of the frame can be simulated out. Finally, ultimate lateral force, ultimate drift, ductility and collapsed ground acceleration can be determined which are the index of estimating the structure aseismic capacity. The studies are carried out comparition for aseismic capacities between steel frames with open web members and frames with H-shape members. The study results show that steel rigid frame with open web members may be adopted in long span multiple-story under well controlled in material capacity under construction and well design in sub member arrangement for improving aseismic capacity.目錄 第一章 導論…………………………………………………....1 1.1 前言...................................................................................................1 1.2 文獻回顧...........................................................................................2 1.3 研究動機與目的...............................................................................7 1.4 研究內容...........................................................................................9 第二章 開腹鋼構件之耐震要求與設計方法..............................11 2.1 開腹構件簡介.................................................................................11 2.2 開腹桁式構件之鋼構架力學行為.................................................12 2.2.1軸應力………………..................................................................13 2.2.2 撓曲應力....................................................................................14 2.2.3剪應力…………………………….............................................15 2.3 鋼構件之降伏彎矩及塑性彎矩........................................ 16 2.3.1箱型斷面彎矩特性......................................................................16 2.3.2 H型斷面彎矩特性......................................................................18 2.4 開腹桁式構件設計.........................................................................20 2.4.1 容許應力設計法與檢驗............................................................22 2.4.2 極限強度應力設計法與檢驗....................................................23 2.4.3 開腹桁式構件容許剪應力........................................................24 2.5 開腹桁式構件之慣性矩.................................................................25 第三章 開腹鋼構架力學反應與安全評估..................................29 3.1 構架破壞機制.................................................................................29 3.2結構非彈性靜力分析......................................................................31 3.3 鋼構架安全評估.............................................................................33 第四章 開腹構件耐震能力之擬彈性法分析..............................35 4.1 構架非線性行為分析理論….........................................................35 4.2 構架分析基本假設.........................................................................35 4.3 構件雙線性行為下之能量轉換.....................................................36 4.4 擬彈性法之功能等值原理.............................................................38 4.5非線性行為擬彈性分析法之推演..................................................40 第五章 開腹鋼構架耐震能力實例分析……………………..45 5.1單層單跨開腹鋼構架.......................................................................45 5.1.1建築結構概述..............................................................................45 5.1.2結構材料性質..............................................................................45 5.1.3樑柱構件性質計算......................................................................46 5.1.4設計載重......................................................................................46 5.2單層開腹鋼構架逐步改進實例.......................................................50 5.2.1未加入斜撐之開腹桁式鋼構架實例一......................................50 5.2.2加入雙組對稱斜撐之開腹鋼構架實例二..................................51 5.2.3加入四組對稱斜撐之開腹鋼構架實例三..................................51 5.2.4加入六組對稱斜撐之開腹鋼構架實例四..................................52 5.2.5開腹桁式鋼構架之比較..............................................................52 5.3單層開腹鋼構架與H型鋼構架之耐震能力比較..........................53 5.3.1 單層開腹鋼構架之耐震能力分析............................................53 5.3.2 H型單層鋼構架耐震能力分析一...........................................54 5.3.3 H型單層鋼構架耐震能力分析二.......................................... 56 5.3.4 H型單層鋼構架耐震能力分析三...........................................57 5.3.5 改良單層開腹鋼構架之耐震能力分析....................................58 5.3.6 各鋼構架耐震能力分析與比較................................................59 5.3.7 各鋼構架擬彈性法分析與比較................................................60 5.4 多層之鋼構架耐震能力分析比較.................................................60 5.4.1 單跨雙層之鋼構架耐震能力比較............................................60 5.4.2 單跨三層之鋼構架耐震能力比較............................................65 第六章 結論與建議...........................................................................71 6.1 結論.................................................................................................71 6.2 建議.................................................................................................72 參考文獻................................................................................................73 附表…………………………………………………………………….77 附圖…………………………………………………………………….84 附圖目錄 圖1.1 上下弦水平之開腹桁式梁…………………………………...…84 圖1.2 屋頂傾斜開腹構桁式梁………………………………………...84 圖1.3 頂面和底下弦傾斜之開腹桁式梁……………………………...85 圖1.4 底下弦水平，頂面弦彎曲開腹桁式梁……………………..….85 圖1.5 開腹桁式構件梁樓板系統(一)………………………………....86 圖1.6 開腹桁式構件梁樓板系統(二)………………………………....86 圖1.7 開腹桁式構件梁樓板系統(三)…………………………………87 圖1.8含開腹桁式構件之鋼構架……………………………………....87 圖2.1桿件斷面之變形圖……………………………………………....88 圖2.2桿件斷面之曲率圖………………………………………………88 圖2.3雙線性彎矩與曲率關係圖…………………………………...….89 圖2.4箱型斷面尺寸及應力圖…………………………………………89 圖2.5箱型斷面全斷面應力降服………………………………………90 圖2.6斷面完全降伏而且中性軸於腹鈑上……………………………90 圖2.7斷面完全降伏且中性軸位於翼鈑上……………...…….………91 圖2.8含開腹桁式粱之鋼構架之受力自由體圖………………………91 圖2.9 含開腹桁式粱之鋼構架韌性特殊中間段示意圖…………...…92 圖2.10管路通過開腹構件梁中間特殊段之示意圖………………..…92 圖2.11管路通過特殊中間段以外之開腹粱示意圖………………..…93 圖2.12 含開腹桁式粱之鋼構架之破壞機構式意圖………………….93 圖3.1鋼構架地震力呈倒三角形分佈…………………………………94 圖3.2鋼構架位移-變位關係曲線……………………………………..94 圖3.3韌性行為與脆性行為之比較……………………………………95 圖3.4層地震力與側位移之關係圖…………………………………....95 圖4.1桿件彎矩與曲率關係圖………………………………………....96 圖4.2結構內能與外功之關係…………………………………………97 圖4.3擬彈性法與非線性轉換示意圖……………………………..….98 圖4.4擬彈性法與非線性轉換示意圖(情況一)……………………….99 圖4.5擬彈性法與非線性轉換示意圖(情況二)……………………...100 圖5.1 單層大跨度開腹桁式構件鋼構架圖……………………….…101 圖5.2 單層大跨度開腹桁式鋼構架平面圖……………………….....101 圖5.3 開腹桁式鋼構架載重圖……………………………………….102 圖5.4 開腹桁式鋼構架降伏載重應力比圖………………………….102 圖5.5 開腹桁式鋼構架載重-位移圖………………………………...103 圖5.6 開腹桁式鋼構架加入雙組對稱斜撐載重圖……………….…103 圖5.7 開腹桁式鋼構架加入雙組對稱斜撐載重-位移圖…………...104 圖5.8 開腹桁式鋼構架加入四組對稱斜撐載重圖…………………104 圖5.9 開腹桁式鋼構架加入四組對稱斜撐載重-位移圖…………...105 圖5.10 開腹桁式鋼構架加入六組對稱斜撐載重圖……………...…105 圖5.11 開腹桁式鋼構架加入六組對稱斜撐載重-位移圖……….....106 圖5.12 開腹桁式鋼構架加入不同斜撐載重-位移比較圖……….....106 圖5.13 鋼構架降伏側力載重圖………………………………….107 圖5.14 鋼構架降伏側力應力比圖…………………………….....107 圖5.15 鋼構架基底剪力與頂層側移關係圖 …………………...108 圖5.16 鋼構架降伏側力載重圖………………………………….108 圖5.17 鋼構架降伏側力應力比圖…………………………….....109 圖5.18 鋼構架基底剪力與頂層側移關係圖………………….....109 圖5.19 鋼構架降伏側力載重圖…………………………….…...110 圖5.20 鋼構架降伏側力應力比圖…………………………..…..110 圖5.21 鋼構架基底剪力與頂層側移關係圖…………………....111 圖5.22 鋼構架降伏側力載重圖……………………………….…111 圖5.23 鋼構架降伏側力應力比圖…………………………….…112 圖5.24 鋼構架基底剪力與頂層側移關係圖………………….…112 圖5.25 鋼構架降伏側力載重圖…………………………………113 圖5.26 鋼構架降伏側力降伏側力應力比圖…………………....113 圖5.27 鋼構架基底剪力與頂層側移關係圖…………………....114 圖5.28 鋼構架之擬彈性法分析圖…………………………….…114 圖5.29 鋼構架之擬彈性法分析圖…………………………….....115 圖5.30 鋼構架之擬彈性法分析圖……………………………....115 圖5.31 鋼構架之擬彈性法分析圖……………………………….116 圖5.32 單跨雙層開腹桁式鋼構架降伏側力載重圖……………...…117 圖5.33 單跨雙層開腹桁式鋼構架降伏側力應力比圖……………...118 圖5.34 單跨雙層開腹桁式鋼構架基底剪力與頂層側移關係圖…...119 圖5.35 單跨雙層H型鋼構架降伏側力載重圖……………………..119 圖5.36 單跨雙層H型鋼構架降伏側力應力比圖…………………..120 圖5.37 單跨雙層H型鋼構架基底剪力與頂層側移關係圖………..121 圖5.38 單跨雙層開腹桁式鋼構架之擬彈性法分析圖……………...121 圖5.39 單跨雙層H型鋼構架之擬彈性法分析圖…………………..122 圖5.40 單跨三層開腹桁式鋼構架降伏側力載重圖………………...123 圖5.41 單跨三層開腹桁式鋼構架降伏側力應力比圖…………..….124 圖5.42 單跨三層開腹桁式鋼構架基底剪力與頂層側移關係圖…...125 圖5.43 單跨三層H型鋼構架降伏側力載重圖……………………..126 圖5.44 單跨三層H型鋼構架降伏側力應力比圖…………………..127 圖5.45 單跨三層H型鋼構架基底剪力與頂層側移關係圖………..128 圖5.46 單跨三層開腹桁式鋼構架之擬彈性法分析圖……………...129 圖5.47 單跨三層H型鋼構架之擬彈性法分析圖…………………..130 圖5.48 單層鋼構架之耐震性質分析圖……………………………...130 附表目錄 表2.1 降伏彎矩及塑性彎矩…………………………………………..75 表5.1開腹桁式鋼構架載重-位移表…………………………………..76 表5.2 開腹桁式鋼構架加入雙組對稱斜撐載重-位移表…………….76 表5.3 開腹桁式鋼構架加入四組對稱斜撐載重-位移表………….…77 表5.4 開腹桁式鋼構架加入六組對稱斜撐載重-位移表………….....78 表5.5各鋼構架耐震能力分析比較表………………………………...79 表5.6單跨雙層鋼構架之耐震能力分析比較表………………………80 表5.7單跨三層鋼構架之耐震能力分析比較表………………………81en-US開腹構架open webthesis