電熱熔渣銲道及梁翼板偏心對SM570M-CHW鋼梁柱接頭耐震性能影響

Seismic performance of SM570M-CHW steel beam-to-column joints with eccentricity among electroslag welding, diaphragm and beam flange alignment

10.6342/NTU201701544

覃志光

鋼箱型柱 ； 電熱熔渣銲 ； 鋼材斷裂預測模型 ； 鋼梁柱接頭 ； SM570M-CHW高強度鋼 ； steel box column ； electro-slag welding ； fracture prediction model ； steel beam-to-column connection ； SM570M-CHW steel

國立臺灣大學土木工程學系學位論文

2017年

碩士

蔡克銓

繁體中文

國內外建築高度愈來愈高，高強度鋼的使用有一直增加的趨勢。而SN系列鋼材之最高標稱拉力強度僅有490MPa，因此本研究採用SM570M-CHW鋼延續鄭元良等人(2011)及吳忠哲(2016)進行高強度鋼之梁柱接頭子結構試驗，稱為ESW元件拉伸試驗。因箱型柱以柱內橫隔板傳遞梁翼板之力量，其銲接法常採用效率較高之電熱熔渣銲接(Electro-Slag Welding, ESW)。若因為剪力板銲接位置產生誤差，或箱型柱兩側之梁深不同且差異不大，使柱內橫隔板只能放置一片於兩梁翼高程之間，均造成梁翼及柱內橫隔板高程不同，梁彎矩將使電熱熔渣銲道接柱翼處產生應力集中，若電熱熔渣銲亦有偏心，則會增加ESW接柱翼處之破壞的可能。本研究利用Kanvinde與Deierlein在2004年所提的破壞預測模型，探討SM570M-CHW鋼柱在相同材料梁翼及ESW有偏心的情況下之破壞行為。 先用有限元素模型探討以ESW元件模擬梁柱接頭的可行性後，本研究使用SM570M-CHW高強度鋼製造以Box500×500×28mm接200×28mm之梁翼板組成的ESW元件試體。透過超音波檢測(UT)判斷ESW偏心方向並變化梁翼板偏心，以探討偏心情況下梁柱接頭ESW附近的耐震行為，並使用前述之破壞預測模型對ESW元件模型進行破壞時機預測並與實驗結果比對。實驗及分析結果證明，當柱翼板與梁翼板厚度相同時，梁翼若與柱內橫隔板在不同高程上的垂直偏心量超過一個柱翼板厚度，會使ESW接柱翼處產生無預警之脆性破壞。 本研究為了探討柱翼板厚度變化對ESW接柱翼處破壞的影響，以梁翼板、橫隔板及柱翼板皆為28mm之分析模型是否產生破壞為基準，進行柱翼板厚度改變且梁翼偏心隨柱翼板厚度變化的破壞預測分析，結果顯示柱翼板變厚確實可延後ESW接柱翼處之破壞時機，且本研究建議梁翼與橫隔板高程不宜有偏心量超過四分之三個柱翼板厚度，以避免ESW接柱翼處之脆性破壞。

Tall buildings are getting taller and taller in the mega cities all over the globe. The need of using SM570M-CHW high-strength steel for building constructions in Taiwan is increasing. In order to transfer the beam moment, diaphragms at the beam flange elevations are often welded into the built-up box column using the electro-slag welding (ESW). However, the elevations of the diaphragm, the ESW and the beam flange may not be perfectly aligned. This could be caused by the fabrication error or the slight difference of the depths of two beams framing into the column. The misalignment in beam flange and diaphragm, with or without the eccentricity of ESW, may lead to the brittle fracture due to stress concentrations near the ESW to column flange heat affected zone (HAZ). This study uses the damage prediction model proposed by Kanvinde and Deierlein to investigate the damage potential of ESW component specimens using SM570M-CHW steel with the eccentricity between the beam flange and the ESW. The Abaqus model analysis results are compared with the experiment observations. The ESW component was constructed from a SM570M-CHW steel 500×500×28mm box column with 200×28mm beam flanges. The ESW eccentricity was measured using ultrasonic tests (UT), specimens with various eccentricities between the beam flange and the diaphragm were constructed. The damage prediction models are applied to predict the critical strength and displacement of the ESW components test results. Experiment and analysis results suggest that the eccentricity between the beam and the diaphragm must be no greater than three fourth of the column flange thickness in order to prevent the brittle fracture at the HAZ. The analytical results with varying column thickness indicate that increasing the column flange thickness reduces the abovementioned fracture potential effectively.

1. [2] ANSI/AISC 341-05 (2005) “Seismic provisions for structural steel buildings- including supplement No .1” American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
   連結：
2. [3] ANSI/AISC 360-05 (2005) “Specification for Structural Steel Building.” American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
   連結：
3. [5] JISF (2015) “High Performance Steels For Bridge Construction.” The Japan Iron and Steel Federation.
   連結：
4. [7] Kanvinde, A.M. and Deierlein, G.G. (2006) “Void Growth Model and Stress Modified Critical Strain Model to Predict Ductile Fracture in Structural Steels.” Journal of Engineering Mechanics, ASCE/June 2006/1907.
   連結：
5. [8] Lee D. and Shin S. (2015) “Specimen Test of Large-Heat-Input Fusion Welding Method for Use of SM570TMCP.” Advances in Materials Science and Engineering, Volume 2015, Article ID 264798, 13 pages.
   連結：
6. [11] Tsai K.C., Lin K.C., Juang S.J., Li C.H., and Lin C.H. (2015), “Research and Practice on Seismic Design of Welded Steel Beam-to-Box Column Moment Connections in Taiwan.” Proceedings, The Third Announcement of Symposium on Future of Development of Seismic Design, Hong Kong, February 13, 2015.
   連結：
7. [14] 林克強、莊勝智、李昭賢、林志翰 (2015)，「鋼骨箱型柱與內橫隔板T形電熱熔渣銲道接合品質研究」，結構工程第三十卷第二期，第23~38頁。
   連結：
8. [16] 林克強、莊勝智 (2010)，「箱型柱與梁翼加蓋板補強抗彎接頭之韌性行為與設計方法」，結構工程第二十五卷第二期，第75~92頁。
   連結：
9. [24] 吳忠哲 (2016)，「鋼梁接箱型柱之內橫隔斷裂試驗與有限元素模型分析」，國立台灣大學土木工程學系，碩士論文，蔡克銓教授指導。
   連結：
10. [1] AWS D1.1-1992 (1992) “Structural Welding Code.” American Welding Society.
11. [4] Chen C.C., Lai C.L., and Lin K.C. (2009) “Finite Element Analysis of Electro-Slag Welding for Diaphragms in Steel Box Column.” Proceedings, The Eleventh Taiwan-Korea-Japan Joint Seminar on Earthquake Engineering for Building.
12. [6] Kanvinde, A.M. and Deierlein, G.G. (2004) “Micromechanical Simulation of Earthquake-Induced Fracture in Steel Structures.” Report No. BLUME-145, Stanford, California: The John A. Blume Earthquake Engineering Center, July.
13. [9] Shafer B.W., Ojdrovic R.P., Zarghamee M.S. (2000) “Triaxiality and Fracture of Steel Moment Connections.” Journal of Structural Engineering, ASCE/October 2000/1131.
14. [10] Song Y.H., Ishii T., Harada Y., and Morita K. (2011) “Study on fracture behavior of electro-slag welded joints in beam-to-built-up box column connection.” Proceedings, The 6th International Symposium on Steel Structures, November 3-5, 2011, Seoul, Korea.
15. [12] 彭朋畿、姬俊守、程彥嘉 (2013)，「非破壞檢測技術應用於鋼結構銲接品質之管理」，鋼結構工程第四十八期。
16. [13] 內政部營建署 (2007)，「鋼結構建築物鋼結構設計技術規範-鋼結構極限設計規範與解說」。
17. [15] 林克強、莊勝智、李昭賢、林志翰 (2014)，「鋼骨箱型柱內橫隔板電熱熔渣銲檢測方法與製作細節建議」，第八屆海峽兩岸及香港鋼結構技術交流會，2014年11月6-7日。
18. [17] 賴建霖 (2007)，「鋼骨箱型柱內橫隔板電熱熔渣銲接之有限元素分析」，國立交通大學土木工程學系，碩士論文，陳誠直教授指導。
19. [18] 梁宇宸 (2012)，「電熱熔渣銲接對箱型柱柱板性能之影響」，國立臺灣科技大學營建工程系，博士論文，陳正誠教授指導。
20. [19] 鄭元良、李台光、蔡克銓、汪家銘、林克強、莊勝智 (2011)，「鋼骨梁柱接頭橫隔板耐震性能研究」，國家地震工程研究中心，內政部建築研究所委託研究報告。
21. [20] 陳生金、陳映舊、Tran. Minh (2012)，「高性能鋼建築結構耐震性能研究研究成果報告」，國立臺灣科技大學營建工程系，行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告。
22. [21] 陳正平 (2012)，「鋼梁接頭扇形孔之設計與施工介紹」，技師報No.804.，第8頁。
23. [22] 陳正偉 (2008)，「電熱熔渣銲接應用於ASTM A992建築結構用鋼之研究」，國立台灣科技大學機械工程系，碩士論文，吳翼貽教授指導，蔡顯榮教授共同指導。
24. [23] 文超、胡曉萍、李自鋼、金學軍 (2008)，「高性能建築用鋼的開發展望」，熱加工工藝第37卷第22期。
25. [25] 吳家慶 (2005)，「削切蓋板鋼骨梁柱接頭之耐震行為研究」，國立交通大學土木工程學系，碩士論文，周中哲教授指導。