鋼管混凝土柱形狀因素於扭轉韌性行為研究

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陳逸瑋(Yi-We Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

鋼管混凝土柱形狀因素於扭轉韌性行為研究

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摘要(中)

對於單柱系統，多維㆞震力㆘容易產生彎矩及扭矩組合載重，減
低構件強度與韌性。於耐震設計㆗，鋼管混凝土柱於為㆒良好的複合
構件型式，藉由包覆鋼管提昇混凝土強度並減緩混凝土開裂後強度之
衰減，但兩種材料間之交互作用相當複雜，因此本研究針對其斷面形
式、材料組成比例進行探討以期掌握最佳之斷面配置。
研究㆗定義㆒斷面形狀因子f，為極限彎矩強度與降伏彎矩強度
之比值，並針對㆕種不同形狀之鋼管混凝土柱進行㆒系列實驗，探討
構件材料、尺寸等效應外形狀因素與複合構件強度、勁度、韌性行為
之影響。研究結果顯示，所定義之形狀因子對構件降伏後結構行為有
㆒定程度代表性。在偏心載重㆘，斷面形狀因子愈大其勁度衰減愈
緩，強度及位移韌性衰減愈大，能量消散能力損失愈多。於扭轉行為
㆗，形狀因子愈大軸力於扭轉強度、非彈性勁度衰減之減緩貢獻愈大。

摘要(英)

Concrete-filled tubes (CFT) are suitable structural forms for
earthquake-resistant designs. The infilled concrete provides effective
compressive strength and lateral support to the steel tube so that tube
local buckling can be delayed and member ductility can be achieved. It
has been found in previous study on steel-concrete composite behavior
that the performance of member under combined loading, particularly
coupled with torsion, is affected by the sectional configurations.
Therefore, study on the effect of sectional geometry on the seismic
performance of CFT members is also essential.
This study is focused on the experimental investigation of
relationship between member performance and the section’s shape factor.
Test results show that the stiffness deterioration rates increase when the
sections’ shape factors decrease. It is also found that the losses in strength
and energy dissipation capacity for members subjected to loading
combined with torsion are more significant when the sections’ shape
factors increase

關鍵字(中)

★ 鋼管混凝土
★ 形狀

關鍵字(英)

★ concrete filled steel tube
★ shape

論文目次

目錄……………………………………………………………………Ⅰ
表目錄…………………………………………………………………Ⅳ
圖目錄…………………………………………………………………Ⅴ
照片目錄………………………………………………………………Ⅷ
第㆒章緒論…………………………………………………1
1-1 前言………………………………………………………1
1-2 研究動機與目的…………………………………………1
1-3 研究方向與內容…………………………………………2
第㆓章文獻回顧……………………………………………4
2-1 相關研究…………………………………………………4
2-2 鋼管混凝土設計規範……………………………………5
2-2-1 日本AIJ 設計規範…………………………………5
2-2-2 美國AISC-LRFD 設計規範…………………………7
2-2-3 美國ACI 設計規範…………………………………9
第㆔章理論闡述……………………………………………10
3-1 封閉薄壁管扭轉強度…………………………………10
3-2 鋼管極限扭轉強度……………………………………10
3-3 混凝土極限扭轉強度與開裂扭轉強度推估…………11
3-4 鋼管混凝土構件EI 值估算……………………………13
第㆕章實驗規劃與流程……………………………………15
4-1 實驗規劃………………………………………………15
4-1-1 研究參數…………………………………………15
4-1-2 試體編號說明……………………………………16
4-1-3 試體製作…………………………………………17
4-1-4 實驗週邊設備……………………………………17
4-2 實驗方法與流程………………………………………18
第五章實驗觀察與分析……………………………………20
5-1 實驗觀察………………………………………………20
5-1-1 加載模式MP 系列………………………………….20
5-1-2 加載模式MTP 系列…………………………………21
5-1-3 加載模式T 系列……………………………………23
5-1-4 加載模式TP、TP…………………………………25
5-2 實驗觀察探討…………………………………………27
5-3 實驗結果分析…………………………………………28
5-3-1 鋼管混凝土柱極限扭轉強度推估………………28
5-3-2 構件形狀因素……………………………………29
5-3-3 構件等效勁度……………………………………30
5-3-4 強度衰減分析……………………………………31
5-3-5 勁度衰減分析……………………………………32
5-3-6 韌性比分析………………………………………32
5-3-7 能量消散分析……………………………………34
第六章結論與建議…………………………………………35
6-1 結論……………………………………………………35
6-2 建議……………………………………………………36
參考文獻………………………………………………………37
附表……………………………………………………………………40
附圖……………………………………………………………………47
照片……………………………………………………………………77
表4.1 試體斷面性質與極限強度……………………………………40
表4.2 混凝土材料強度………………………………………………41
表4.3 鋼管材料強度…………………………………………………41
表4.4 位移加載歷時…………………………………………………42
表5.1 實驗與理論極限扭矩強度比較………………………………43
表5.2 試體斷面形狀因子……………………………………………43
表5.3 試體等效彈性勁度值( )eq EI ……………………………………44
表5.4 等效彈性扭矩勁度( )eq GJ ……………………………………44
表5.5 試體受撓之降伏與極限強度…………………………………45
表5.6 試體受扭之降伏與極限強度…………………………………45
表5.7 偏心載重位移韌性……………………………………………46
表5.8 扭矩-軸向載重㆘扭轉角位移比……………………………46
圖3.1 平面應力元素主應力…………………………………………47
圖3.2 鋼材最大剪力強度-軸向應力關係圖………………………47
圖3.3 混凝土斜面撓曲示意圖………………………………………48
圖4.1 試體斷面尺寸(t=4.5 ㎜)……………………………………48
圖4.2 方形、圓形試體配置圖………………………………………49
圖4.3 側向載重試驗配置圖…………………………………………50
圖4.4 純扭載重實驗配置圖…………………………………………51
圖4.5 扭矩軸力實驗配置圖…………………………………………52
圖4.6 ㆔軸載重實驗配置圖…………………………………………53
圖5.1 試體C-MP 荷重–位移關係圖………………………………54
圖5.2 試體S-MP 荷重–位移關係圖………………………………54
圖5.3 試體R1-MP 荷重–位移關係圖………………………………55
圖5.4 試體R2-MP 荷重–位移關係圖………………………………55
圖5.5 試體C-MTP 荷重–位移關係圖………………………………56
圖5.6 試體S-MTP 荷重–位移關係圖………………………………56
圖5.7 試體R1-MTP 荷重–位移關係圖………………………………57
圖5.8 試體R2-MTP 荷重–位移關係圖………………………………57
圖5.9 試體C-T-S 荷重–位移關係圖………………………………58
圖5.10 試體C-T 荷重–位移關係圖…………………………………58
圖5.11 試體C-TP 荷重–位移關係圖………………………………59
圖5.12 試體C-TP 荷重–位移關係圖………………………………59
圖5.13 試體S-T-S 荷重–位移關係圖……………………………60
圖5.14 試體S-T 荷重–位移關係圖………………………………60
圖5.15 試體S-TP 荷重–位移關係圖………………………………61
圖5.16 試體S-TP 荷重–位移關係圖………………………………61
圖5.17 試體R1-T-S 荷重–位移關係圖……………………………62
圖5.18 試體R1-T 荷重–位移關係圖………………………………62
圖5.19 試體R1-TP 荷重–位移關係圖……………………………63
圖5.20 試體R1-T P 荷重–位移關係圖……………………………63
圖5.21 試體R2-T-S 荷重–位移關係圖……………………………64
圖5.22 試體R2-T 荷重–位移關係圖………………………………64
圖5.23 試體R2-TP 荷重–位移關係圖……………………………65
圖5.24 試體R2-T P 荷重–位移關係圖……………………………65
圖5.25 C 系列試體扭轉強度包絡線………………………………66
圖5.26 S 系列試體扭轉強度包絡線………………………………66
圖5.27 R1 系列試體扭轉強度包絡線………………………………67
圖5.28 R2 系列試體扭轉強度包絡線………………………………67
圖5.29 C 系列試體撓曲強度包絡線………………………………68
圖5.30 S 系列試體彎矩強度包絡線………………………………68
圖5.31 R1 系列試體彎矩強度包絡線………………………………69
圖5.32 R2 系列試體撓曲彎矩強度包絡線…………………………69
圖5.33 鋼管混凝土柱斷面扭矩分配圖……………………………70
圖5.34 偏心載重㆘等效彈性勁度折減量-斷面性質關係圖………70
圖5.35 彎矩-扭矩組合載重㆘撓曲強度折減關係圖………………71
圖5.36 偏心載重彎矩強度折減量-斷面性質關係圖………………71
圖5.37 C 系列試體正規化扭矩勁度與位移關係圖………………72
圖5.38 S 系列試體正規化扭矩勁度與位移關係圖………………72
圖5.39 R1 系列試體正規化扭矩勁度與位移關係圖………………73
圖5.40 R2 系列試體正規化扭矩勁度與位移關係圖………………73
圖5.41 軸力-扭矩強度關係圖………………………………………74
圖5.42 位移韌性-斷面性質關係圖…………………………………74
圖5.43 扭轉角比- y u T T 關係圖……………………………………75
圖5.44 構件扭轉累積消能能量圖…………………………………76
圖5.45 構件撓曲累積消能能量圖…………………………………77
圖5.46 偏心載重累積消散能量-斷面性質關係圖…………………77
照片1 試體端板剪力釘………………………………………………78
照片2 試體灌漿養護…………………………………………………78
照片3 試體C-MP、S-MP、R1-MP、R2-MP 破壞情形……………………79
照片4 試體C-MTP、S-MTP、R1-MTP、R2-MTP 破壞情形………………79
照片5 試體S-TP、R1-TPP 破壞情形…………………………………80
照片6 試體S-TP、R1-TP 破壞情形…………………………………80
照片7 試體鋼管挫屈情形……………………………………………81
照片8 鋼管與混凝土接合面情形……………………………………81
照片9 鋼管挫屈混凝土開裂情(S-T P )……………………………82

參考文獻

參考文獻
【1】Architectural Institute of Japan, AIJ Standards for
Structural Calculation of steel Reinforced Concrete
【2】American Institute of Steel Construction, Manual of Steel
Construction-Load and Resistance Factor Design,1994
【3】ABAQUS/Standar User’s Manual；Version5.8,
Hibbitt,Karlsson and Sorenson, Inc., Pawtucket, R.I, 1998
【4】Advanced Mechanics of Materials Fifth Edition, Arthur P.
Boresi, Richard J. Schmidt and Omar M. Sidebottom, 1993
【5】Chris G. Karayannis “Smeard Crack Analysis for Plain
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2000, Vol. 126，No. 6, pp. 638-645
【6】Chris G. Karayannis and Constantin. Chalioris
“Experimental Validation of Smear Analysis for Plain
Concrete in Torsion” Journal of structural Engineering,
2000, Vol. 126，No. 6, pp. 638-645
【7】Atef H. Bakhsh, Faisal F. Wafa and Ali A. Akhtaruzzaman
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【8】B.Foure, N. Ghabrial and Y. Hanna “Cracking and Failure
of Concrete Subjected to Compression and Torsion”
Engineering Fracture Mechanics, 1990, Vol. 35, No. 4/5, pp.
807-817
【9】Charles W. Roeder, Brad Cameron and Colin B. Brown
“Composite Action in Concrete Filled Tubes” Journal of
Structural Engineering, 1990, Vol. 125, No. 5, pp 477-484
【10】Charles W. Roeder, Brad Cameron “COMPOSITE ACTION IN
CONCRETE FILLED TUBES” Journal of Structural Engineering,
1999,No.5,pp 477-484
【11】胡宣德、吳明憲，“加勁鋼管混凝土構材受軸力行為之數值分
析”，國立成功大學土木工程研究所碩士論文，民國八十九年六月。
【12】許協隆、王志倫，“扭矩影響㆘之鋼骨鋼筋混凝土混凝土構
件行為”，國立㆗央大學土木工程研究所碩士論文，民國八十五年
六月。
【13】許協隆、謝宗成，“函斜拉鋼筋之鋼骨鋼筋混凝土撓曲扭轉行
為研究”，國立㆗央大學土木工程研究所碩士論文，民國九十年十
㆓月。
【14】許協隆、梁禮麟，“㆗空鋼骨鋼筋混凝土扭轉撓曲行為研究”，
國立㆗央大學土木工程研究所碩士論文，民國八十五年六月。
【15】鄭錦銅、林衍宏，“圓形鋼管混凝土梁柱接頭之剪力傳遞行
為”，高雄第㆒科技大學營建工程系研究所碩士論文，民國八十九
年六月。

指導教授

許協隆(Hsieh-Lung Hsu)

審核日期

2002-7-18

推文