Research on Numerical Simulation and Analysis on CFT Beam-to-column Connection with X-shaped Dampers

當地震發生時，結構物將吸收地震能量，而損壞後的傳統梁柱接頭往往無法修復，因此發展出預力系統式接頭。安裝可更換式X字型消能鋼板，利用預力接頭介面開啟之機制，藉以消散地震能量，確保主結構不受破壞，並使得接頭可在地震過後更換消能器加以修復，便能增加結構物的使用年限。 本研究乃接續上年度之研究，上年度研究做了三支試體的實驗，本年度做了一支試體，此試體有考慮經過最佳化之可更換式X字型消能器與增設樓板，而由實驗結果指出，有增設樓板的試體消能面積並沒有比無樓板的試體消能面積還多，原因可能為增設樓板使得鋼梁更為剛性，導致鋼梁消能能力降低。 本研究利用數值模擬方式分析實驗試體，畢竟實驗所花費的時間與金錢都是相當龐大的，如能利用所建立之模型來取代實驗，必然節省相當多的資源與時間，也可供之後的設計者作為參考之用。本研究所使用之軟體為ABAQUS，模擬步驟大致上分為四大階段來進行，第一階段只模擬H型鋼樑，第二階段將預力鋼腱加入模型中模擬，第三階段再將X字型消能器加入模型中模擬，第四階段再將剛性柱加入於模型中模擬，鋼梁勁度誤差僅在2%內，模擬效果不錯，預力鋼腱力量誤差在10%內，模擬效果還可以接受，介面開啟與消能器降伏時機之模擬結果也蠻吻合真實情形，整體遲滯迴圈部分，因受到鋼腱模擬結果的影響，導致致動器端剪力之分析值較理論值低，消能面積模擬結果也不如預期。誌謝 III 摘要 V 目錄 VI 表目錄 VIII 圖目錄 IX 照片目錄 XIII 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機與目的 2 1.3 研究方法與內容 3 第二章 預力系統之力學行為 4 2.1 力學模型推導 4 2.1.1 CFT柱勁度 4 2.1.2 H型鋼梁勁度 7 2.1.3 梁柱交會區勁度 8 2.1.4 最佳化之X字型消能器勁度 10 2.1.5 鋼腱勁度 13 2.2 變形分離 15 2.2.1 CFT柱所貢獻之梁中央位移量 15 2.2.2 梁柱交會區所貢獻之梁中央位移量 16 2.2.3 梁柱介面開啟所貢獻之梁中央位移量 16 2.2.4 H型鋼梁所貢獻之梁中央位移量 17 2.3 整體行為 17 第三章 試體規劃與實驗結果 21 3.1 試體規劃 21 3.1.1 試體命名 21 3.1.2 CFT柱 21 3.1.3 H型鋼梁 22 3.1.4 X字型消能器 23 3.1.5 樓板 24 3.1.6 預力系統 25 3.1.7 量測儀器與安裝位置 26 3.1.8 實驗遲滯迴圈之預測 27 3.2 實驗紀錄與結果 27 3.2.1 試體BCSh30t20之實驗紀錄 28 3.2.2 各試體之實驗結果 29 3.2.3 各試體之比較分析 30 第四章 數值模擬與分析 33 4.1 數值分析軟體 33 4.1.1 ABAQUS軟體之簡介 33 4.1.2 元素性質 33 4.2 分析結果 34 4.2.1 H型鋼梁之模擬 34 4.2.2 預力鋼腱之模擬 35 4.2.3 X字型消能器之模擬 37 4.2.4 CFT柱之模擬 38 第五章 結論 41 5.1 結論 41 5.2 建議 42 參考文獻 43 附錄一 應變計詳細位置圖 131 附錄二 實驗試體設計圖 137 附錄三 BCSh30t20算例 163 附錄四 驗證理論值計算書 17