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研究生： 高華聰
Hua-Tsung Kao
論文名稱： 低降伏鋼板剪力牆之等效斜撐模式研究
Equivanlent Strut Element Modeling for Low-Yield-Steel Plate Shear Wall
指導教授： 鄭蘩
Van Jeng
口試委員: 黃慶東
none
陳瑞華
none
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年： 2009
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 188
中文關鍵詞： 剪力牆 、等效斜撐 、非線性側推分析 、動力分析
外文關鍵詞： shear wall, equivalent strut element, pushover analysis, dynamic analysis
相關次數： 點閱：205  下載：3 
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    • 摘 要
    鋼板剪力牆為結構物抵抗地震力作用之重要結構元件，因此仔細的分析和設計鋼板剪力牆將有效地加強結構物之抗震能力；在研究或分析上，使用”雙向帶狀二力桿”模擬鋼板剪力牆，但由於45度傾斜角的限制，在建模上較困難且分析耗時，因此本研究欲發展一簡化之模擬方法＂對角線等效二力桿＂來模擬鋼板剪力牆。
    分析的方法是使用結構分析軟體SAP2000和PISA兩套程式進行非線性靜力分析和非線性動力分析，分別探討使用雙向帶狀45度角的二力桿模擬方式和僅以兩根對角線之等效斜撐模擬方式兩者在非線性靜力分析下和非線性動力分析下結果之差異性，說明兩種鋼板剪力牆模擬方式之優缺點以及使用上要注意的地方。
    主要之研究成果如下：
    1. 不論是使用雙向帶狀二力桿或者使用對角線等效二力桿方式皆可準確模擬鋼板剪力牆之力學行為。
    2. 本研究所歸納出之對角線等效二力桿寬度回歸公式可快速計算出所需要使用之二力桿寬度。
    3. 十五層樓之鋼板剪力牆結構系統在兩種模擬方式之分析下得到吻合的結果。
    4. 本研究所假設之二力桿非線性行為可合理的模擬實際情況。

    Abstract

    Steel shear wall has been applied as the essential element for seismic resistant design of building. The two-way belt-type two force element model has been used to simulate the shear wall in the previous studys, however, the complexity of modeling and excess computation effort make the proposed simplified diagonal effective two force element model much more desirable.

    This study implements nonlinear static and dynamic analysis on the shear wall structures by SAP2000 and PISA. The belt-type model and proposed diagonal elements are both used to simulate the shear wall and the results are compared to the previous experiments with good match. Also a fifteen story shear wall structure is used to verify that the proposed model work accurately for whole structures.

    The results are:
    1. Both models for shear wall work satisfactorily.
    2. The proposed diagonal model work effectively comparing to the belt-type model.
    3. The proposed diagonal model work for whole shear wall structures too.

    目錄 I 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2文獻回顧 2 1.3研究內容簡介 5 第二章 低降伏鋼板剪力牆系統之模擬 7 2.1簡介 7 2.2鋼板剪力牆之力學行為模擬 7 2.3雙向帶狀二力桿之非線性行為模擬 9 2.4雙向帶狀二力桿之實際試體模擬 10 2.4.1文獻【5】之三組鋼板剪力牆試體介紹 10 2.4.2雙向帶狀二力桿之寬度計算方式 11 2.4.3樑與雙向帶狀二力桿之塑性行為設定 13 2.5與文獻【5】之實驗結果比對 16 2.5.1非線性靜力分析結果比對 16 2.5.2反覆荷重結果比對（一） 19 2.5.3反覆荷重結果比對（二） 22 2.6總結 23 第三章 對角線等效二力桿簡化模型之建立 25 3.1簡介 25 3.2對角線等效二力桿簡化模型模擬鋼板剪力牆系統 25 3.2.1對角線等效二力桿 25 3.2.2對角線等效二力桿與雙向帶狀二力桿之差異 27 3.3對角線等效二力桿之寬度計算方式 29 3.3.1對角線等效二力桿寬度調整之意義 29 3.3.2對角線等效二力桿寬度公式之決定 32 3.3.4等效二力桿之放大係數之決定 35 3.4實際鋼板剪牆之模擬以及與文獻【5】中試驗結果比對 39 3.4.1三組模擬試體之簡介 39 3.4.2三組模擬試體之等效二力桿寬度之決定以及配置方式 40 3.4.3非線性靜力分析比對 42 3.4.4反覆荷重分析比對(一) 44 3.4.4反覆荷重分析比對(二) 45 3.5總結 48 第四章 鋼板剪力牆結構系統之側推分析與動力分析 49 4.1簡介 49 4.2實際鋼板剪力牆系統之介紹與模擬 49 4.2.1 十五層樓鋼板剪力牆之樑柱尺寸 49 4.2.2 十五層樓鋼板剪力牆之鋼板模擬 50 4.2.3 十五層樓鋼板剪力牆之非線性行為配置 51 4.3 十五層樓之鋼板剪力牆系統之非線性側推分析 53 4.3.1 樓層質量配置與初步模態分析 53 4.3.2 側推分析側向力之分佈 54 4.3.3 兩種鋼板剪力牆模形之側推曲線比較 55 4.4 十五層樓之鋼板剪力牆系統之非線性動力分析 58 4.4.1 分析方法簡介 58 4.4.2 樓層位移結果比較 61 4.4.3 樓層層間轉角結果比較 63 4.4.4 剪力包絡線結果比較 65 4.5 與文獻【6】所使用之二力桿非線性行為之結果比較 66 4.5.1 側推分析之結果比較 67 4.5.2 非線性動力分析結果比較 69 4.6 總結 69 第五章 結論與建議 71 5.1結論 71 5.2建議 72 參考文獻 74 表目錄 表2.1文獻【5】之三組試體斷面尺寸一欄表(單位mm) 76 表2.2三組試體帶狀二力桿尺寸一欄表(單位mm) 76 表2.3三組試體實驗數據與程式模擬數據一欄表 76 表2.4三組試體之反覆加載歷時位移控制量一欄表(單位mm) 77 表3.1 13組模型使用雙向帶狀二力桿模擬之二力桿寬度一欄表(mm) 77 表3.2 對角線等效二力桿模擬二力桿寬度、二力桿放大係數一欄 78 表3.3 13組模型之側推分析比較 79 表3.4 三組實驗試體模擬所需之等效二力桿寬度一欄表(mm) 79 表3.5 不同模擬方法之側推曲線極值對照表(tf) 79 表4.1 15層樓鋼板剪力牆系統之樑柱鋼板斷面尺寸一欄表 80 表4.2 15層樓鋼板剪力牆系統兩種模擬方式之前三模態之週期(sec) 80 表4.3 15層樓鋼板剪力牆系統之側推力計算表格(tf) 81 表4.4 誤差一欄表(％) 81 圖目錄 圖1.1帶狀桿模型（strip model） 82 圖1.2雙向帶狀二力桿模型 82 圖2.1鋼板剪力牆中之微小硬力塊應力狀態 83 圖2.2 鋼板產生面外挫屈後的應力狀態 83 圖2.3帶狀二力桿應力應變曲線 84 圖2.4文獻【5】中第一組鋼板剪力牆試體示意圖 85 圖2.5文獻【5】中第二組鋼板剪力牆試體示意圖 86 圖2.6文獻【5】中第三組鋼板剪力牆試體示意圖 87 圖2.7第一組試體之SAP2000模型 88 圖2.8第二組試體之SAP2000模型 89 圖2.9第三組試體之SAP2000模型 90 圖2.10切割數為一份之雙向帶狀二力桿模型示意圖 91 圖2.11雙向帶狀二力桿寬度決定示意圖 91 圖2.12切割數為二份之雙向帶狀二力桿模型示意圖 91 圖2.13長方形區域之雙向二力桿模型示意圖 92 圖2.14樑之非線性行為 92 圖2.15 H244x175x7x11塑性行為設定值選單(ton-mm) 93 圖2.16 H250x150x9x14塑性行為設定值選單(ton-mm) 94 圖2.17 H250x125x6x9塑性行為設定值選單(ton-mm) 95 圖2.18【5】LPY100鋼材以及A572 Gr.50鋼材之應力應變曲線 96 圖2.19【5】不同厚度之LYP-100鋼板之應力應變曲線 96 圖2.20本研究所定義之帶狀二力桿應力應變非線性曲線 97 圖2.21雙向帶狀二力桿應力應變曲線設定選單(ton-m) 98 圖2.22試體一之非線性塑鉸配置圖 99 圖2.23試體二非線性塑鉸配置圖 100 圖2.24試體三非線性塑鉸配置圖 101 圖2.25-1文獻【5】中試體一之側推力與層間轉角關係圖 102 圖2.25-2試體一之力量與層間轉角關係圖（本研究模擬） 102 圖2.26-1文獻【5】中試體二之側推力與層間轉角關係圖 103 圖2.26-2試體二之力量與層間轉角關係圖（本研究模擬） 103 圖2.27-1文獻【5】中試體三之側推力與層間轉角關係圖 104 圖2.27-2試體三之力量與層間轉角關係圖（本研究模擬） 104 圖2.28 試體一於SAP2000建模實體圖（一） 105 圖2.29 試體一於SAP2000建模實體圖（二） 106 圖2.30 試體一於不同二力桿寬度之側推曲線 107 圖2.31 反負荷重加載歷時圖【5】 107 圖2.32 試體一之塑鉸發展情況 108 圖2.33 試體二之塑鉸發展情況 109 圖2.34 試體三之塑鉸發展情況 110 圖2.35-1 文獻【5】中試體一之側推力與層間轉角關係圖 111 圖2.35-2 試體一之反覆荷重分析遲滯迴圈行為曲線（本研究模擬） 111 圖2.36-1 文獻【5】中試體二之側推力與層間轉角關係圖 112 圖2.36-2 試體二之反覆荷重分析遲滯迴圈行為曲線（本研究模擬） 112 圖2.37-1 文獻【5】中試體三之側推力與層間轉角關係圖 113 圖2.37-2 試體三之反覆荷重分析遲滯迴圈行為曲線（本研究模擬） 113 圖2.38 試體一之反覆荷重分析塑鉸示意圖（本研究模擬） 114 圖2.39 試體二之反覆荷重分析塑鉸示意圖（本研究模擬） 115 圖2.40 試體三之反覆荷重分析塑鉸示意圖（本研究模擬） 115 圖3.1 本研究提出之對角線方向的等效二力桿簡化模型 116 圖3.2 雙向帶狀二力桿模擬長方形區域之鋼板剪力牆 116 圖3.3 對角線等效二力桿模擬長方形區域之鋼板剪力牆 117 圖3.4 非正方形區域鋼板剪力牆對角線傾斜角度應力塊示意圖 117 圖3.5 600x400mm樑柱二力桿模型示意圖 118 圖3.6 600x400mm鋼板剪力牆使用雙向帶狀二力桿模擬示意圖 118 圖3.7 600x400mm鋼板剪力牆使用對角線等效二力桿模擬示意圖 119 圖3.8 600x400mm鋼板剪力牆對角線等效二力桿寬度示意圖 119 圖3.9 600x400mm鋼板剪力牆等效二力桿之不同寬度下的側推曲線 120 圖3.10 800x400mm鋼板剪力牆等效二力桿之不同寬度下的側推曲線 120 圖3.11-1 1000x450mm鋼板剪力牆使用雙向帶狀二力桿模擬 121 圖3.11-2 1000x450mm鋼板剪力牆使用對角線等效二力桿模擬 121 圖3.11-3 800x300mm鋼板剪力牆使用雙向帶狀二力桿模擬 122 圖3.11-4 800x300mm鋼板剪力牆使用對角線等效二力桿模擬 122 圖3.12 1000x450mm模型兩種模擬方式之側推曲線 123 圖3.13 800x300mm模型兩種模擬方式之側推曲線 123 圖3.14 高寬比與放大係數對照示意圖 124 圖3.15 高寬比與二力桿寬度對照示意圖 124 圖3.16 高寬比大於0.4之放大係數示意圖 125 圖3.17 高寬比小於0.4之放大係數示意圖 125 圖3.18 高寬比大於0.4之t/H值示意圖 126 圖3.19 高寬比小於0.4之放大係數示意圖 126 圖3.20 試體一使用對角線等效二力桿方式模擬示意圖 127 圖3.21 試體二使用對角線等效二力桿方式模擬示意圖 128 圖3.22 試體三使用對角線等效二力桿方式模擬示意圖 128 圖3.23 試體一兩種模擬方式之側推曲線 129 圖3.24 試體二兩種模擬方式之側推曲線 129 圖3.25 試體三兩種模擬方式之側推曲線 130 圖3.26 試體一使用對角線等效二力桿模擬之側推分析塑鉸發展示意圖 131 圖3.27 試體二使用對角線等效二力桿模擬之側推分析塑鉸發展示意圖 132 圖3.28 試體三使用對角線等效二力桿模擬之側推分析塑鉸發展示意圖 133 圖3.29 試體一兩種模擬方法之反覆荷重分析遲滯迴圈行為曲線 134 圖3.30 試體二兩種模擬方法之反覆荷重分析遲滯迴圈行為曲線 134 圖3.31 試體三兩種模擬方法之反覆荷重分析遲滯迴圈行為曲線 135 圖3.32 試體三第二種對角線等校二力桿模擬反覆荷重遲滯行為圖 135 圖3.33 試體一對角線等效二力桿模型反覆荷重分析塑鉸發展示意圖 136 圖3.34 試體二對角線等效二力桿模型反覆荷重分析塑鉸發展示意圖 136 圖3.35 試體三對角線等效二力桿模型反覆荷重分析塑鉸發展示意圖 137 圖4.1 十五層鋼板剪力牆之雙向帶狀二力桿模擬示意圖 137 圖4.2 雙向帶狀二力桿模擬以及對角線等效二力桿模擬模型示意圖 138 圖4.3 H500x250x20x20之樑斷面非線性塑鉸設定選單 139 圖4.4 十五層樓鋼板剪力牆之第一模態變形 140 圖4.5 十五層樓鋼板剪力牆之第二模態變形 141 圖4.6 十五層樓鋼板剪力牆之第三模態變形(上下變化) 142 圖4.7 十五層樓鋼板剪力牆之側推分析側推力分布情況 143 圖4.8 十五層樓鋼板剪力牆之側推曲線 144 圖4.9 十五層樓鋼板剪力牆經側推分析後之塑鉸產生示意圖 145 圖4.10 ELcentro地震加速度歷時 146 圖4.11 sof地震加速度歷時 146 圖4.12 med地震加速度歷時 147 圖4.13 stf地震加速度歷時 147 圖4.14 雙向帶狀二力桿模型容量頻譜曲線 148 圖4.15 結構功能點(性能點)推求示意圖 148 圖4.16-1 ELcentro地震樓層位移圖(m) (實線為帶狀二力桿模型) 149 圖4.16-2 sof地震樓層位移圖(m) (實線為帶狀二力桿模型) 150 圖4.16-3 med地震樓層位移圖(m) (實線為帶狀二力桿模型) 151 圖4.16-4 stf地震樓層位移圖(m) (實線為帶狀二力桿模型) 152 圖4.17-1 ELcentro地震樓層層間轉角圖(%) (實線為帶狀二力桿模型) 153 圖4.17-2 sof地震樓層層間轉角圖(%) (實線為帶狀二力桿模型) 154 圖4.17-3 med地震樓層層間轉角圖(%) (實線為帶狀二力桿模型) 155 圖4.17-4 stf地震樓層層間轉角圖(%) (實線為帶狀二力桿模型) 156 圖4.18-1 ELcentro地震樓層剪力包絡線圖(tf) (實線為帶狀二力桿模型) 157 圖4.18-2 sof地震樓層剪力包絡線圖(tf) (實線為帶狀二力桿模型) 158 圖4.18-3 med地震樓層剪力包絡線圖(tf) (實線為帶狀二力桿模型) 159 圖4.18-4 stf地震樓層剪力包絡線圖(tf) (實線為帶狀二力桿模型) 160 圖4.19文獻【6】所使用的等效二力桿非線性行為設定選單 161 圖4.20 與文獻【6】之側推曲線比較圖 161 圖4.21-1 sof地震樓層位移圖(m)（文獻【6】模擬） 162 圖4.21-2 med地震樓層位移圖(m)（文獻【6】模擬） 163 圖4.21-3 stf地震樓層位移圖(m)（文獻【6】模擬） 164 圖4.22-1 sof地震樓層層間轉角圖(%)（文獻【6】模擬） 165 圖4.22-2 med地震樓層層間轉角圖(%)（文獻【6】模擬） 166 圖4.22-3 stf地震樓層層間轉角圖(%)（文獻【6】模擬） 167 圖4.23-1 sof地震樓層剪力包絡線圖(tf)（文獻【6】模擬） 168 圖4.23-2 med地震樓層剪力包絡線圖(tf)（文獻【6】模擬） 169 圖4.23-3 stf地震樓層剪力包絡線圖(tf)（文獻【6】模擬） 170

    參考文獻
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    【13】＂SAP2000入門與工程上之應用＂，李森枏，科技圖書。
    【14】”SAP2000結構設計實務”，李森枏，科技圖書。

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