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研究生: 張雨晶
Yu-Jing Zhang
論文名稱: 銲接對 BCP 柱與高強度箱型柱之韌性發展影響
The Effect of Welding on Ductility Performance of BCP Columns and High-strength Material Box Columns
指導教授: 陳正誠
Cheng-Cheng Chen
口試委員: 梁宇宸
Yu-Chen Liang
蕭博謙
Po-Chien Hsiao
楊子青
Tzu-Ching Yang
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: 2020
畢業學年度: 108
語文別: 中文
論文頁數: 228
中文關鍵詞: BCP 鋼管柱電熱熔渣銲箱型柱銲接熱影響區內藏試橫隔板工法外橫隔板工法
外文關鍵詞: BCP column, Electro slag welding(ESW), Box colum, Heat-affected zone, Internal diaphragm system, External diaphragm system
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  • 本研究包括兩個主題,分別為「冷作與銲接對窄幅鋼板 BCP 柱耐震性能之影響」及「高入熱量銲接對 SM570 鋼板梁柱接頭韌性之影響」,其摘要分段敘述如後。
    BCP 鋼管(Cold Press-Formed Steel Tube,BCP)柱在冷作成形過程中柱板角隅段所累積之塑性應變,及外橫隔板工法於柱板角隅段的銲接,皆會影響 BCP柱之韌性。為了印證窄幅鋼板 BCP 柱應用於耐震結構之可行性,本研究以板厚28mm 及 32 mm 之 SN490B 窄幅鋼板製成 BCP 鋼管,搭配內藏式橫隔板工法及外橫隔板工法,完成 2 座全尺寸梁-柱子結構試體之反復載重試驗,測試窄幅鋼板 BCP 柱之耐震性能。實驗結果顯示:(1)內橫隔板試體滿足耐震需求;外橫隔板試體在韌性方面未達耐震需求。(2)BCP 柱之角隅段柱板位於梁柱接頭高應力區時,對銲道外觀幾何形狀頗為敏感。(3)建議外橫隔板與 BCP 柱之全滲透銲道,以一道腳長 10 mm 以下之塡角銲收尾,或將銲趾以研磨的方式處理至
    平順,避免應力集中之影響。(4)鋼板母材之衝擊韌性,亦可能影響使用外橫隔板工法 BCP 柱之耐震性能,惟本研究之試驗試體有限,無法對此課題提供明確之結論。
    連接箱型柱與內橫隔板之電熱熔渣銲(Electro Slag Welding,ESW),對箱型柱之柱板材質及韌性造成影響。日本 JFE 建立橫隔板應力比與柱板熱影響區所需 CVN 值(Charpy-V Notch Impact Energy,CVN Value)的關係,其中橫隔板應力比為橫隔板應力與柱板降伏應力之比值。本研究針對中鋼公司之 SM570M-CHW 鋼板,製作一系列結構試體進行反復載重試驗,測試在常用 ESW 銲接程序下,應力比在 0.75 附近時,SM570M-CHW 鋼板的適用性。另一方面,內橫隔板四邊均使用ESW 銲接之施工方式,可以節省人力及時間,然而卻使箱型柱角隅處有多道的高入熱量銲接通過,可能造成鋼板材質劇烈改變,其適用性應加以測試。整個研究共包括 6 座梁-柱子結構試體進行結構試驗,以及 2 座箱型柱試體進行銲後材質試驗。本研究負責梁-柱子結構試體之試驗部分,根據橫隔板應力比之分析與
    結構試驗結果顯示:(1)本試驗所使用之鋼板材料,在橫隔板應力比小於等於0.78的情況下,梁柱接頭可以發揮耐震所需之韌性;(2)針對內橫隔板 ESW 銲接施工之建議如下:ESW 銲道 2 側熔幅能夠各超出橫隔板厚度 2 mm 為佳;其次任 1側不得小於橫隔板厚度範圍,且 2 側熔幅加總至少需大於 4 mm。符合上述要求者,可採用融幅寬度=4 mm 計算橫隔板應力比(3)採用 SM570M-CHW 鋼板之箱型柱,其內橫隔板採 4 邊 ESW 銲接時,銲後角隅處鋼板之性能足以滿足耐震需求;(4)以背襯填板保持ESW 銲道尺寸同時降低橫隔板厚度 5 mm,試體之韌性仍然可以達到耐震所需。


    The main topics of this study are: 1. The effect of cold work and welding on seismic performance of (Cold Press-Formed Steel Tube) BCP column fabricated by using hot rolled flat steel. 2. The effect of high heat-input welding on ductile performance of beam-column joints with SM570 steel.
    The ductility of BCP column decreases due to the cold word and welding. In order to use BCP column in building structures, the ductility of BCP column fabricated by using hot rolled flat steel were examined by structural experiments.There are two thickness of SN490B steel plate and two types of beam-column connection, which are the internal-diaphragm system and the external-diaphragm system, were used in two specimens. The experimental results showed that:(1) The internal-diaphragm system specimen satisfied the seismic requirements, however, the external-diaphragm system specimen didn’t satisfy the seismic requirements in terms of ductility; (2) The steel at the corners of BCP column sections experienced significant plastic strain during BCP fabrication, as a result, a unfavorable weld profile is likely to cause premature cracks, which leads to premature failure of the column; (3) The CVN value of the steel plate used is 0C/152J, it is speculated that steel plates with a higher CVN value can improve the ductility of the column.
    The electro slag welding(ESW), which is used as the welding procedure to connect the box column and inner diaphragm, affects the material properties and ductile behaviors of the box column. It is suggested by JFE Steel Corporation that the ductility of beam-column joint is affected by the nominal diaphragm stress ratio and the critical CVN value of the heat affected zone by ESW. In this study,experiments, including 6 beam-to-column subassamblages under cyclic loading and a series of steel CVN tests, were carried out to investigate the applicability of CSC SM570M-CHW steel for box column.The experimental results show that: (1) The CSC SM570M-CHW steel plate used in this study can result in statisfacory ductility when diaphragm stress ratio is no greater than 0.78; (2)It is recommended that the fusion line at each sides of the ESW extend beyond diaphragm plate thickness by 2 mm for pratical practice; (3) The use of four-side ESW for diaphragm didn’t show any adverse effect on ductility development of the beam-column joints; (4) By reducing the diaphragm by 5 mm while keep the ESW weld size the same, the beam-column specimen can hold about the same ductility.

    論文摘要 I ABSTRACT III 誌謝 V 目錄 VII 表目錄 XI 圖目錄 XIII 第 1 章 緒言 1 第 2 章 冷作與銲接對窄幅鋼板 BCP 柱耐震性能之影響 1 2.1 前言 1 2.1.1 研究緣起與背景 1 2.1.2 BCP 之製造與銲接規定 3 2.1.3 研究目的與方法 6 2.2 試驗計畫 7 2.2.1 試體規劃 7 2.2.2 試體設計 8 2.2.3 試體製作 8 2.2.4 材料實測機械性質 11 2.2.5 試驗裝置及測計配置 12 2.2.6 載重歷程 13 2.3 試驗結果與討論 14 2.3.1 試體整體行為 14 2.3.1.1 內橫隔板試體(R28-I) 14 2.3.1.2 外橫隔板試體 (R32-E) 15 2.3.2 試體強度16 2.3.3 塑性轉角容量 18 2.3.4 應變計行為 19 2.3.5 R32-E 脆性破壞可能原因分析 21 2.4 小結 24 第 3 章 高入熱量銲接對 SM570M 鋼板梁柱接頭韌性之影響 25 3.1 前言 25 3.1.1 研究緣起與背景 25 3.1.2 橫隔板標稱應力與關鍵 CVN 值 28 3.1.3 橫隔板應力比之參數探討 31 3.1.4 研究目的與方法 34 3.2 試驗計畫 35 3.2.1 試體規劃 35 3.2.1.1 梁-柱子結構試體 35 3.2.1.2 箱型柱試體 38 3.2.2 試體設計 38 3.2.3 試體製作 41 3.2.4 材料實測機械性質 42 3.2.5 試驗裝置及測計配置 42 3.2.6 載重歷程 43 3.3 試驗結果與討論 44 3.3.1 試體整體行為 44 3.3.1.1 C 系列 44 3.3.1.2 E 系列 46 3.3.2 試體強度 47 3.3.3 塑性轉角容量 48 3.3.4 橫隔板應力比適用性評估 48 3.3.5 箱型柱內橫隔板採 4 邊 ESW 銲接可行性評估 49 3.4 小結 51 第 4 章 結論與建議 53 4.1 冷作與銲接對窄幅鋼板 BCP 柱耐震性能之影響 53 4.2 高入熱量銲接對 SM570M 鋼板梁柱接頭韌性之影響 54

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