Seismic Behavior of Post-tensioned Steel Beam to Column Connection with Friction Devices

含摩擦型消能裝置預力梁柱接頭結合預力鋼腱與摩擦消能元件之特性，藉由鋼腱之初始預力提供梁柱接頭自行復位之能力，而利用梁腹摩擦消能裝置提供梁柱接頭遲滯消能之機制，因此整體預力式建築結構系統在受震時可具有自行復位、殘餘變位小及遲滯消能之能力。本研究探討含摩擦型消能裝置預力梁柱接頭的特性及其力學行為，利用四組螺栓接合進行摩擦消能裝置拉伸試驗，及四組實尺寸梁柱接頭試驗，探討相關試驗規劃、分析與試驗結果。本研究之主要結論為：(1)摩擦消能裝置拉伸試驗得知由銅跟鋼所組成的摩擦介面有穩定之遲滯行為，全新的摩擦介面起初摩擦力較小，隨著摩擦次數增加而逐漸增大，並趨近於定值，試驗顯示摩擦係數約為0.34；(2)由於摩擦機制產生之遲滯迴圈近乎矩形，因此相關之試驗結果證實預力梁柱接頭能設計解壓彎矩強度提高至0.6倍鋼梁標稱彎矩強度，且解壓彎矩不會似採金屬降伏型消能裝置之預力梁柱接頭，不會因消能配件殘餘應力之影響而造成解壓彎矩下降；(3)本研究所提之理論方法能夠準確預測含摩擦型消能裝置之預力梁柱接頭行為。Post-tensioned (PT) steel beam to column connection constructed with friction devices (FDs) combines the characteristics of pre-stressed strands and frictional energy dissipating devices. Thus, the post-tensioned system possesses re-centering capability from the pre-stressed strands while dissipating seismic energy in the beam web friction devices. This paper first derives the force-deformation relationships of the post-tensioned steel beam to column connection constructed with bolted web friction devices. The paper then describes the test program conducted in the National Center for Research on Earthquake Engineering on four bolted friction devices and four full-scale PT beam-to-column moment connection subassemblies. Tests confirm that (1) hysteretic behavior of four bolted friction devices is very stable, and the friction coefficient between the steel plate and the brass shim is about 0.34, (2) the proposed force-deformation relationships accurately predict the experimental responses of the PT connections under cyclically increasing deformations up to a peak beam rotation of 0.05 radians, (3) the PT connection using the FDs can be designed with a higher decompression moment than those using other type of metallic yielding energy-dissipating devices, (4) the decompression moments do not degrade as beam cyclic deformations increase. The paper concludes with the design recommendations for self-centering moment connections using friction devices.第一章 緒論 ................................................... 01 1.1 引言 ................................................... 01 1.2 文獻回顧................................................ 01 1.3 研究動機與目的 ......................................... 03 1.4 研究內容 ............................................... 03 第二章 預力梁柱接頭之基本特性和力學行為 ....................... 05 2.1前言 ................................................... 05 2.2預力梁柱接頭之基本特性 ................................. 05 2.3預力梁柱接頭之力學行為 ................................. 07 2.3.1梁端彎矩與梁柱介面旋轉角關係 ...................... 07 2.3.2預力梁柱接頭勁度 .................................. 09 第三章 實尺寸預力鋼骨梁柱接頭試驗計劃 ......................... 14 3.1前言 ................................................... 14 3.2摩擦消能裝置拉伸試驗 ................................... 14 3.3螺栓預張力控制方式 ..................................... 16 3.4梁柱接頭試體設計 ....................................... 17 3.4.1設計試體之基本邏輯................................. 17 3.4.1.1 H型鋼梁 .................................... 17 3.4.1.2 H型鋼柱之梁柱交會區 ........................ 19 3.4.1.3預力鋼腱 .................................... 19 3.4.1.4摩擦消能裝置 ................................ 20 3.4.1.5梁腹板開孔 .................................. 22 3.4.2設計結果 .......................................... 23 3.4.2.1設計流程 .................................... 23 3.4.2.2設計結果 .................................... 24 3.4.2.3設計結果預測分析 ............................ 26 3.5試體組裝過程 ........................................... 27 3.6試驗裝置與設備 ......................................... 28 3.6.1加載系統與歷時 ................................... 28 3.6.2量測儀器 ......................................... 28 第四章 試驗結果與討論 ......................................... 30 4.1摩擦消能裝置拉伸試驗 ................................... 30 4.1.1試體 SF ........................................... 30 4.1.2試體 SB ........................................... 31 4.1.3試體 CB ........................................... 31 4.1.4試體 CF ........................................... 32 4.2摩擦消能裝置拉伸試驗結果討論 ........................... 32 4.3梁柱接頭試驗 ........................................... 32 4.3.1試體4B20S ........................................ 32 4.3.2試體4B20 ......................................... 33 4.3.3試體6B20 ......................................... 34 4.3.4試體4F22 ......................................... 34 4.3.5試體BWFD ....................................... 35 4.4試驗結果討論與分析比較 ................................. 36 4.4.1試驗4B20S與4B20結果討論......................... 36 4.4.2試驗6B20與4F22結果討論 ......................... 37 4.4.3試驗BWFD結果討論 ............................... 38 4.4.4試驗結果與理論分析之比較 .......................... 38 4.4.4.1梁端於負向旋轉角時梁端力量比較 .............. 38 4.4.4.2尖鋒梁端施載與解壓彎矩強度 .................. 39 4.4.4.3預力梁柱接頭勁度 ............................ 40 4.4.4.4摩擦力與預力彎矩貢獻量 ...................... 40 4.4.4.5消能面積 .................................... 40 4.4.5試體局部反應 ...................................... 41 4.4.5.1梁腹板靠近摩擦消能裝置處加勁................. 41 4.4.5.2梁端變位各分量關係 .......................... 41 4.4.5.3鋼腱張力 .................................... 42 4.4.5.4梁翼加勁蓋板 ................................ 43 第五章含摩擦型消能裝置預力梁柱接合構架設計與分析討論 .......... 44 5.1前言 ................................................... 44 5.2預力梁柱接合之分析模型 ................................. 44 5.3預力梁柱接合構架設計方法討論 ........................... 45 5.4預力梁柱接合構架分析討論 ............................... 48 第六章 結論與建議 ............................................. 49 6.1結論 ................................................... 49 6.1建議 ................................................... 49 參考文獻 ...................................................... 51 表3.1試驗計劃 ................................................ 54 表3.2材料強度一覽表 .......................................... 54 表3.3(a)預力鋼腱尺寸及材料性質 ................................ 55 表3.3(b)實際初始預力 .......................................... 55 表4.1(a)梁端位移角0.04弧度時正負向梁端施載試驗量測值 .......... 56 表4.1(b)梁端位移角0.04弧度時正負向梁端施載考慮鋼梁自重修正 .... 56 表4.2每一遲滯迴圈最大梁端施載一覽表(4B20S、4B20) ............ 57 表4.3每一遲滯迴圈最大梁端施載一覽表(6B20、4F22) ............. 57 表4.4解壓彎矩強度試驗與分析值比較 ............................ 58 表4.5各層間位移角之解壓彎矩強度 .............................. 58 表4.6預力梁柱接頭勁度一覽表 .................................. 58 表5.1含摩擦型與含金屬降伏型消能裝置預力接頭行為比較 .......... 59 表5.2構架梁柱尺寸 ............................................ 59 表5.3預力梁柱接頭設計結果 .................................... 60 圖2.1預力梁柱接頭接合區型式圖 ................................. 61 圖2.2預力梁柱接頭之理想化遲滯行為 ............................. 62 圖2.2(a)預力鋼腱於梁柱交界面之彎矩貢獻量 ....................... 62 圖2.2(b)摩擦型消能裝置於梁柱交界面之彎矩貢獻量 ................. 62 圖2.2(c)預力梁柱接頭梁柱交界面之彎矩相對轉角圖 ................. 62 圖2.3(a)預力系統典型（旗狀）遲滯行為 ........................... 63 圖2.3(b)旗狀和雙線性遲滯迴圈之比較 ............................. 63 圖2.4預力梁柱接頭梁柱交界面自由體圖 ........................... 64 圖2.5預力接頭彎矩與層間位移角關係圖 ........................... 64 圖2.6預力梁柱接頭初始受力示意圖 ............................... 65 圖3.1鋼與鋼摩擦介面及鋼與銅摩擦介面遲滯消能行為[Popov et al.1992] .66 圖3.2摩擦消能裝置遲滯消能行為[Petty 1999] ....................... 66 圖3.3摩擦消能裝置拉伸試驗試體圖 ............................... 67 圖3.3(a)試體SF及SB ........................................... 67 圖3.3(b)試體CF及CB .......................................... 67 圖3.4螺栓應變計埋設圖 ......................................... 68 圖3.5螺栓受拉與螺栓應變計關係圖 ............................... 68 圖3.6預力梁柱接頭試體受力圖 ................................... 69 圖3.7預力梁柱接頭中鋼柱之自由體圖 ............................. 69 圖3.8螺栓數量、螺栓尺寸及力臂長三個參數可選用對應值關系圖 ..... 70 圖3.9螺栓在梁旋轉時之相對路徑 ................................. 71 圖3.10試體BWFD4B20S ........................................ 72 圖3.11試體BWFD4B20 ......................................... 73 圖3.12試體BWFD6B20 ......................................... 74 圖3.13試體BWFD4F22 ......................................... 75 圖3.14預力樑柱接頭行為分析預測圖 .............................. 76 圖3.15梁柱接頭加載配置圖 ...................................... 77 圖3.16標準加載歷時 ............................................ 77 圖3.17試體4B20S與4B20應變計規劃圖 .......................... 78 圖3.18試體6B20與4F22應變計規劃圖 ........................... 79 圖3.19量測儀器規劃圖 .......................................... 80 圖4.1試體SF與SB試驗結果 .................................... 81 圖4.1(a)試體SF位移歷時 ........................................ 81 圖4.1(b)試體SF力量反應 ....................................... 81 圖4.1(c)試體SF力量與位移關係 .................................. 81 圖4.1(d)試體SB位移歷時 ....................................... 81 圖4.1(e)試體SB力量反應 ....................................... 81 圖4.1(f)試體SB力量與位移關係 .................................. 81 圖4.2試體SF力量與位移關係圖 .................................. 82 圖4.2(a)全反應 ................................................. 82 圖4.2(b)前24圈 ................................................ 82 圖4.2(c)25到42圈 ............................................. 82 圖4.3試體CF與CB試驗結果 .................................... 83 圖4.3(a)試體CF位移歷時 ........................................ 83 圖4.3(b)試體CF力量反應 ....................................... 83 圖4.3(c)試體CF力量與位移關係 .................................. 83 圖4.3(d)試體CB位移歷時 ....................................... 83 圖4.3(e)試體CB力量反應 ....................................... 83 圖4.3(f)試體CB力量與位移關係 .................................. 83 圖4.4各組試驗螺栓應變歷時 ..................................... 84 圖4.5試驗4B20S梁端受力與梁端轉角關係圖 ...................... 85 圖4.6試驗4B20_Test1梁端受力與梁端轉角關係圖 .................. 85 圖4.7試驗4B20_Test2梁端受力與梁端轉角關係圖 .................. 86 圖4.8試驗4B20 Test1與Test2結果比較 ........................... 86 圖4.9試驗4B20S與4B20結果比較 ............................... 87 圖4.10試驗6B20梁端受力與梁端轉角關係圖 ...................... 87 圖4.11試驗4F22_Test1梁端受力與梁端轉角關係圖 ................. 88 圖4.12試驗4F22_Test2梁端受力與梁端轉角關係圖 ................. 88 圖4.13試驗4F22 Test1與Test2結果比較 .......................... 89 圖4.14試驗BWFD梁端受力與梁端轉角關係圖 ..................... 89 圖4.15試驗4B20S分析與試驗值比較 ............................. 90 圖4.16試驗4B20分析與試驗值比較 .............................. 90 圖4.17試驗6B20分析與試驗值比較 .............................. 91 圖4.18試驗4F22分析與試驗值比較 .............................. 91 圖4.19試驗BWFD東側梁分析與試驗值比較 ....................... 92 圖4.20試驗BWFD西側梁分析與試驗值比較 ....................... 92 圖4.21摩擦力貢獻彎矩與預力貢獻彎矩試驗與分析比較 .............. 93 圖4.22遲滯消能能力試驗與分析預測比較圖 ........................ 94 圖4.23梁腹板靠近摩擦消能裝置處應變計位置圖 .................... 94 圖4.24試體4B20S與4B20梁腹板靠近消能裝置處之應變圖 .......... 95 圖4.24(a)垂直向應變 ............................................ 95 圖4.24(b)水平向應變 ............................................ 95 圖4.24(c)剪應變 ................................................ 95 圖4.24(d)垂直向應變 ............................................ 95 圖4.24(e)水平向應變 ............................................ 95 圖4.24(f)剪應變 ................................................ 95 圖4.25梁端變位各分量關係 ...................................... 96 圖4.26鋼腱力量與梁端轉角關係圖 ................................ 97 圖4.27梁翼板靠近加勁蓋板末端應變圖 ............................ 98 圖4.28梁翼板外側應變計沿梁身分布關係 .......................... 99 圖5.1含摩擦型與含金屬降伏型消能裝置預力接頭行為比較 ........... 100 圖5.2預力彈簧模型示意圖[莊勝智和蔡克銓 2004] ................... 101 圖5.3建築物構架立面圖[Ricles et al. 2001] .......................... 101 圖5.4彈簧模型法(PISA3D)跟纖維元素法之預力構架分析比較 ......... 102 圖5.5建築物結構圖[Garlock 2002] ................................. 103 圖5.5(a)平面圖 ................................................. 103 圖5.5(b)立面圖 ................................................. 103 圖5.6梁柱構件尺寸立面分布圖[Garlock 2002] ....................... 104 照片3.1摩擦消能裝置拉伸試驗試體(尚未鎖螺栓) ................... 105 照片3.2 Belleville Washer ......................................... 105 照片3.3摩擦消能裝置拉伸試驗裝置情形 ........................... 106 照片3.4摩擦消能裝置拉伸試驗試體 ............................... 106 照片3.5梁腹板開孔情形 ......................................... 107 照片3.6消能夾板其中一片先焊接於柱翼板 ......................... 107 照片3.7再放銅板於其上方 ....................................... 108 照片3.8將鋼梁放置定位 ......................................... 108 照片3.9再焊接另一片消能夾板並鎖上螺栓 ......................... 109 照片3.10試體組裝完成全景 ...................................... 109 照片3.11梁腹加勁與未加勁情形 .................................. 110 照片3.12摩擦消能裝置與梁腹接合情形 ............................ 110 照片4.1試體4B20S(左側梁)與4B20(右側梁) ...................... 111 照片4.2鋼腱卡到柱翼板開孔之情形 (4B20S,θ = 0.015) .............. 111 照片4.3梁腹板靠近柱面與摩擦消能裝置處降伏(4B20S,θ = 0.03) ...... 112 照片4.4梁腹板磨耗情形 ......................................... 112 照片4.5試驗結束銅板磨耗情形 ................................... 113 照片4.6試體4B20S卡到梁腹板之螺栓 ............................ 113 照片4.7試體4B20未卡到梁腹板之螺栓 ........................... 114 照片4.8試體6B20(左側梁)與4F22(右側梁) ....................... 114 照片4.9梁翼板靠近加勁蓋板末端降伏掉漆(4F22,θ = 0.04) ............ 115 照片4.10梁翼加勁蓋板靠近柱端受壓降伏(4F22,θ = 0.04) ............. 115 照片4.11梁翼板內側降伏(4F22,θ = 0.05) ........................... 116 照片4.12柱底與鉸支承因螺栓拉力不足出現縫隙(BWFD,θ = 0.02) ..... 116 照片4.13東側梁向下滑移(BWFD,θ = 0.02) ......................... 117 照片4.14柱翼板內側與連續板出現降伏(BWFD,θ = 0.03) ............. 117 照片4.15梁翼板靠近加勁蓋板末端降伏(BWFD,θ = 0.04) ............. 118 照片4.16柱翼板降伏(BWFD,θ = 0.04) ............................. 11