TWI769969B

TWI769969B - 鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構

Info

Publication number: TWI769969B
Application number: TW111104637A
Authority: TW
Inventors: 林敏郎; 翁元滔
Original assignee: 財團法人國家實驗研究院
Priority date: 2022-02-08
Filing date: 2022-02-08
Publication date: 2022-07-01
Also published as: TW202332822A

Abstract

本發明係關於一種鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構，包括一主柱體；一鋼梁，具有一腹板、至少一翼板、至少一圍繞空間、以及一連接端，該連接端與該主柱體連接，該腹板及所述翼板圍繞定義所述圍繞空間；至少一第一隔絕區域，位於該圍繞空間，並靠近該連接端；以及一混凝土澆灌體，包覆該主柱體、以及至少部分之該鋼梁，該混凝土澆灌體不填充於該第一隔絕區域。

Description

鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構

本發明係關於一種鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構，特別是一種用於建物構體的鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構。

目前使用鋼骨鋼筋混凝土結構建築的數量逐漸增加，在以往的地震損害中，常發現梁與柱的接合處發生損壞的機率最高，而梁與柱接合處損壞容易導致建物構體的倒塌，因而對於生命造成威脅。因此為了增加建物構體中梁與柱接合處的韌性，通常會在鋼梁結構進行補強或加工，將塑性變形發展區域移開梁柱的接合處，而近年來所發展的切削式鋼梁的耐震方法是利用減少鋼梁的翼板寬度，以降低此區的彎矩強度，使得此區域先行降伏，產生塑性變形來消散地震能量，藉此達到優異的耐震行為。

另外，於建物構體中的傳統鋼梁結構，在進行防火處理時，通常需要進行噴砂等防火披覆的處理，而此類防火處理方法往往成本昂貴，且對於施工者的健康有害，故近年來，業界發展出了一種利用混凝土作為鋼梁結構的防火披覆材料，此方法利用混凝土包覆鋼梁結構，可降低防火材料披覆的費用，環保且施工快速，經包覆的鋼梁結構又適合與各種型式的外牆相連接，有利於後續施工作業，故此工法被廣泛地利用。

然而，依照此法所建構的鋼梁結構中，於原本作為消能梁的翼板經切削所構成的塑性變形區同樣經混凝土包覆，因此，該塑性變形區的韌性容量可能不足或容易產生不良的破壞機制，進而影響於地震發生時的消能能力。

因此，目前亟需一種新穎的鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構，透過隔絕鋼梁以及混凝土，以降低混凝土對於鋼梁的束制，提升其變形發展能力，避免產生非預期的破壞模式以確保建物構體的耐震特性。

本發明一主要目的在於提供一種鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構，包括：一主柱體；一鋼梁，具有一腹板、至少一翼板、至少一圍繞空間、以及一連接端，該連接端與該主柱體連接，該腹板及所述翼板圍繞定義所述圍繞空間；至少一第一隔絕區域，位於該圍繞空間，並靠近該連接端；以及一混凝土澆灌體包覆該主柱體、以及至少部分之該鋼梁；其中，該混凝土澆灌體不填充所述第一隔絕區域。

於一實施態樣中，該第一隔絕區域為鏤空且不被該混凝土澆灌體包覆。

於一實施態樣中，該鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構更包括一第一填充材料，設置於該第一隔絕區域，該混凝土澆灌體包覆該第一填充材料。

於一實施態樣中，該鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構更包括一第二隔絕區域，位於該翼板的外表面上，並對應該第一隔絕區域，該第二隔絕區域為鏤空且不被該混凝土澆灌體包覆。

於一實施態樣中，該鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構更包括一第二填充材料，設置於該第二隔絕區域，該混凝土澆灌體包覆該第二填充材料。

於一實施態樣中，該第一填充材料及該第二填充材料係各自為一多孔材料或一彈性材料所構成。

於一實施態樣中，該多孔性材料係至少一選自由發泡材、泡棉、及保麗龍所構成之群組，該彈性材料係至少一選自由橡膠、及塑膠所組成之群組。

於一實施態樣中，該鋼梁為一H型鋼梁、一L形鋼梁、一ㄇ型鋼梁、或一矩形鋼梁。

於一實施態樣中，該鋼梁為該H型鋼梁。

於一實施態樣中，該鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構更包括複數個鋼筋，所述鋼筋圍繞該鋼梁以及該主柱體，並埋設於該混凝土包覆體中。

於一實施態樣中，該鋼梁中靠近該連接端的該腹板或所述翼板上具有一消能結構。

於一實施態樣中，該消能結構係指該腹板或所述翼板中至少一者經削切方法而裁切有一切削部。

本發明所提供的鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構主要提出於鄰近鋼梁與柱之間交接的位置設置一第一隔絕區域以及一第二隔絕區域不澆灌混凝土，或者以填充材料進行充填以隔絕包覆的混凝土，藉此減低混凝土對於鋼骨的束制，以提昇鋼骨的變形能力，確保其消能效果，避免於地震來臨時產生非預期的破壞模式。

100,200:鋼梁接合結構

1:主柱體

2:鋼梁

21:腹板

22:翼板

23:圍繞空間

24:連接端

25:消能結構

251:切削部

3:第一隔絕區域

4:第二隔絕區域

5:鋼筋

6:混凝土澆灌體

7:第一填充材料

8:第二填充材料

圖1A係本發明之第一實施態樣之鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構的部分立體示意圖；圖1B係本發明之第一實施態樣之鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構的部分立體示意圖；圖2A係本發明之第二實施態樣之鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構的立體示意圖；圖2B係本發明第二實施態樣之鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構的部分立體示意圖；圖2C係本發明第二實施態樣之鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構的部分立體示意圖；圖3係本發明第二實施態樣之鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構的剖面示意圖；圖4係本發明實施例1及比較例1的翼板切削部的型態示意圖；圖5係本發明比較例1的鋼梁接合結構的剖面示意圖；圖6係本發明一測試例中的位移漸增式歷程示意圖；圖7係本發明實施例1的破壞模式示意圖；以及圖8係本發明比較例1的破壞模式示意圖。

請同時參照圖1A及圖1B，其係根據本發明之第一實施態樣所繪示之鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構100的示意圖，圖1A所繪示的是該鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構100尚未包覆混凝土時的部分立體示意圖，包括一主柱體1、一鋼梁2、兩個第一隔絕區域3、兩個第二隔絕區域4、以及複數個鋼筋5，而圖1B所繪示的是於一混凝土澆灌體6包覆圖1A所示的結構時，該鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構100的立體示意圖。

於本實施態樣中，該主柱體1為一H型鋼。然而於其他實施態樣中，可依設計而使用本領域中其他可作為主柱體的鋼材，例如可為一四角型鋼管。

於本實施態樣中，該鋼梁2為一H型鋼，具有一腹板21、兩個翼板22、兩個圍繞空間23、一連接端24、以及一消能結構25，該鋼梁2係藉由該連接端24而與該主柱體1連接，而該鋼梁2與該主柱體1的連接方式可為本領域中習知的任一種連接方式，可視設計而選用，所述圍繞空間23係由該腹板21以及所述翼板22所圍繞而定義，由於本實施態樣的鋼梁2為H型鋼，故所述圍繞空間23的數量為2，而於其他實施態樣中，舉例而言，若使用的鋼梁為L型鋼，則其腹板21及翼板22所圍繞定義的圍繞空間數量為1。然而於其他實施態樣中，該鋼梁2可依需求及設計而選用L形鋼梁、ㄇ型鋼梁、或矩形鋼梁，無特別的限制。該消能結構25設置於靠近該連接端24的該腹板21或所述翼板22上，於本實施態樣中，該消能結構25係指每一所述翼板22經削切方法而裁切有兩個對稱的切削部251，所述切削部251的切削形狀及其寬度可依所需的塑性變形能力以及強度等需求而設計，並無特別的限制。而在其他實施態樣中，該消能結構25可為本領域中習知的其他設置於鋼梁上的消能結構。

所述第一隔絕區域3分別位於該腹板21兩側的所述圍繞空間23，並靠近該連接端24，而所述第二隔絕區域4則位於該翼板22的外表面，對應所述第一隔絕區域3並同樣靠近該連接端24。

所述鋼筋5圍繞該鋼梁2以及該主柱體1，以作為該混凝土澆灌體6的骨架，所述鋼筋5的圍繞方式可依照本領域常見的方法，其數量以及圍繞的方法並無特別限制。

該混凝土澆灌體6係以所述鋼筋5為骨架，進而包覆該主柱體1、以及部分的該鋼梁2，所述第一隔絕區域3及所述第二隔絕區域4為鏤空不被該混凝土澆灌體6包覆。

上述實施態樣的鋼梁接合結構中，由於所述第一隔絕區域3以及所述第二隔絕區域4處皆不被該混凝土澆灌體6所包覆，因此，鋼梁2上的該消能結構25的消能能力不會被該混凝土澆灌體6所束制。

本發明的第二實施態樣係如圖2A至圖2C所示，該鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構200同樣包括一主柱體1、一鋼梁2、兩個第一隔絕區域3、兩個第二隔絕區域4、複數個鋼筋5、以及一混凝土澆灌體6，其中，該主柱體1、該鋼梁2、所述第一隔絕區域3、所述第二隔絕區域4皆與上述實施例相同，故不在此贅述，而本實施例更包括兩個第一填充材料7、以及兩個第二填充材料8。其中，圖2A繪示了尚未綁上所述鋼筋5以及尚未設置該混凝土澆灌體6的鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構200，所述第一填充材料7係分別設置於該第一隔絕區域3，而所述第二填充材料8係分別設置於該第二隔絕區域4；圖2B繪示了將所述鋼筋5圍繞至該鋼梁2以及該主柱體1的態樣，與第一實施態樣不同，本實施態樣的鋼筋5圍繞該鋼梁2的整體，包括其所述第一隔絕區域3以及所述第二隔絕區域4，即圍繞所述第一填充材料7及所述第二填充材料8的外部；而圖2C繪示了本實施態樣中，該混凝土澆灌體6包覆了該主柱體1、該鋼梁2、所述第一填充材料7以及所述第二填充材料8，使得該鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構200的外觀為整體經該混凝土澆灌體6所包覆。所述第一填充材料7與所述第二填充材料8為保麗龍所構成，而於其他實施態樣中，其可選用常見的多孔性材料或彈性材料，例如可為發泡材、泡棉、保麗龍、橡膠、或塑膠等材料，只要其強度不會對於鋼梁造成束制效果，同時發揮隔絕作用使得包覆的混凝土澆灌體6不會接觸到消能結構25即可使用。

再者，由於所述第一隔絕區域3以及所述第二隔絕區域4中分別設置了所述第一填充材料7以及所述第二填充材料8，該混凝土澆灌體6並未接觸到該鋼梁2上的所述消能結構25。

然而於其他實施態樣中，所述第二隔絕區域4可不設置第二填充材料8，因此，在此實施態樣中，該混凝土澆灌體6可填充至所述第二隔絕區域4，並接觸該鋼梁2的所述翼板22的外表面。

[試體設計及強度測試]

本實施態樣提供了一系列T型梁柱接頭結構試體，利用梁承受一反覆載重下，模擬實際建物構體在地震下引起之反覆作用力特性，觀察梁柱接頭彎曲行為。首先，實施例1及比較例1的試體配置如下，兩組試體之鋼材皆採用SN490B，鋼梁尺寸為BH 750x400x12x32mm，包覆混凝土後的尺寸為950x600mm，而鋼柱部分為BOX 700x700x28mm，包覆混凝土後的尺寸為900x900mm。各組試體鋼梁中下部的翼板配置剪力釘，間距為200mm。

詳細而言，圖4繪示了實施例1的翼板切削部的型態，其中w1為36mm，w2為61mm，w3為400mm，d1為375mm，d2為671mm，且實施例1中，其第一隔絕區域中設置了由保麗龍所製成的填充材料，而混凝土包覆於該填充材料的外部。

比較例1的翼板切削部的型態與實施例1相同，同如圖4所繪示，然而，比較例1的試體中，其如圖5所繪示，混凝土澆灌體6包覆了主柱體1以及鋼梁2。

本強度測試的配置係將柱體直立並放置於西側方位，並在柱下方設置鋼支撐椅配合試驗用油壓千斤頂高度，柱下方鋼支撐與柱底之間採用螺栓固定，而鋼支撐與強力地板中間加設墊片並用螺桿施加預力固定，另外柱上下兩端與反力牆之間同樣採用螺桿將電片及鋼支撐與試體間施加預力作固定。而鋼梁尾端部分(離柱心3350mm)與兩隻油壓千斤頂用螺栓加以固定，當中油壓千斤頂與強力地板間同樣加設墊片並用螺桿施加預力作固定，以模擬梁柱接頭承受反覆載重下之行為。

載重施加採用位移漸增式歷程，其中層間位移角(drift ratio)與迴圈周次(cycle)，皆參照AISC規範對於梁柱接頭受反覆載重下之設定，層間位移角與迴圈周次對應為0.375%、0.5%、0.75%須施作6個迴圈，1.0%施作4個迴圈，其加載歷時係如圖6所繪示。

以上測試的結果如下，實施例1及比較例1的破壞模式分別如圖7及圖8所示，經由比較圖7及圖8可觀察到，比較例1中鋼梁被撕裂破壞的模式已被有效避免。

藉由以上試驗可得知，在實施例1於第一隔絕區域以填充材料填充，以隔絕混凝土包覆的鋼梁接合結構中，其鋼梁的切削部能再次減弱以確保切削部變形能更有效發展，且於發生變形時有足夠空間而不會被混凝土束制住，而消能面積亦提升41%，顯示於鋼梁的第一隔絕區域不澆灌混凝土可增加鋼梁接合結構的韌性以及消能能力。

綜上所述，本發明之鋼骨外包覆混凝土型梁構件的鋼梁接合結構，其主要於鋼梁與主柱體接合處所設置的消能裝置可更有效地發展，確保消能裝置的強度可確實地減弱，不因混凝土澆灌體的填充而被束制住，因此，消能裝置於產生變形時能有足夠空間可以變形，其韌性以及消能能力皆可被提升。

上述的實施例僅用來例舉本發明的實施態樣，以及闡釋本發明的技術特徵，並非用來限制本發明的保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成的改變或均等性的安排均屬於本發明所主張的範圍，本發明的權利保護範圍應以申請專利範圍為準。

100:鋼梁接合結構