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研究生： 張權
Chyuan - Jhang
論文名稱： 低降伏強度鋼鋼板剪力牆系統之耐震行為
Seismic Behavior of Low Yield Point Steel Shear Wall System
指導教授： 陳生金
Sheng-Jin Chen
口試委員: 陳舜田
none
陳正誠
none
許協隆
none
陳誠直
none
呂東苗
none
邱耀正
none
學位類別： 博士
Doctor
系所名稱： 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 200
中文關鍵詞： 低降伏強度鋼 、剪力挫屈 、張力場 、二力桿模型 、鋼板剪力牆 、耐震設計
外文關鍵詞： low yield point steel, shear buckling, tension field action, two force strip model, steel plate shear wall, seismic design
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    • 本研究乃探討低降伏鋼板剪力牆之結構行為，進行系列之分析與實驗工作探討此系統之勁度、強度、變形能力與消能能力。首先研究此類剪力鋼板之基本剪力挫屈行為，其實驗結果與分析值甚為吻合。其次採用H型鋼作為剪力鋼板之邊界構材，並探討其梁柱接合採彎矩接合與剪力接合之差異，發現所有試體皆具有甚為優異之耐震消能能力。再則探討此類系統在多層構架中之耐震行為，並證實此系統不論採彎矩接合或剪力接合皆可達到6%以上之樓層側位角且仍可保持穩定狀態，本研究又以帶狀二力帶狀桿分析模型進行試體結構之彈性與非彈性分析，其結果亦與實驗甚為吻合。最後再經由比較不同結構系統之彈性與非彈性結構行為，以探討低降伏鋼板剪力牆整體結構系統設計之應用。依據本文之研究結果，提出此低降伏強度鋼鋼板剪力牆系統之設計方法建議。

    This research is aimed at studying the structural behavior of low yielding point (LYP) steel shear wall system. A series of analytical and experimental studies were carried out to examine the stiffness, strength, deformation, and energy dissipation of the LYP steel shear wall system. The first series of study is to examine the shear buckling of the LYP steel shear panels. The experimental results agree with that from analytical study very well. The second series of experimental work is to study the behavior of the LYP steel shear wall with H-beams and H-columns as its boundary elements. Both moment connections and shear connections were studied. Good energy dissipation capacities were obtained for all specimens. The third part of this study is the seismic behavior of multi-story shear wall system. Excellent deformation capacities were obtained from both rigid frame-shear wall system and simple frame-shear wall system. The story drift angle can be as high as 6% and still maintains stable characteristics. A two-force strip model was also proposed to simulate the LYP shear wall for the elastic and inelastic behavior. Good correlations were found between experimental and analytical studies. Furthermore, applications of LYP shear wall system in the building design were examined by comparing the elastic and inelastic behavior of different structural systems. Based on these research findings, guild lines for the design of LYP steel shear wall systems were proposed.

    目錄 壹、緒論 -------------------------------------------------------------- 1-1 1-1 前言 ----------------------------------------------------- 1-1 1-2 文獻回顧 ----------------------------------------------------- 1-4 1-3 研究方法與內容 -------------------------------------------- 1-11 貳、低降伏鋼板剪力牆之結構行為探討 ----------------------------------- 2-1 2-1 前言 ----------------------------------------------------- 2-1 2-2 低降伏鋼板剪力牆之承載機制與強度分析 ------------------2-3 2-3 低降伏鋼板剪力挫屈行為 ---------------------------2-7 2-4 雙向帶狀二力桿模型理論 ---------------------------2-9 2-5 ANSYS有限元素模型分析 ------------------------------------2-11 2-6 低降伏鋼板剪力牆之設計 ---------------------------2-11 參、低降伏鋼板材料性質與剪力挫屈試驗 ---------------------------3-1 3-1 前言 ------------------------------------------------------3-1 3-2 低降伏鋼板之材料性質與拉力試片試驗 ---------------------------3-1 3-3 低降伏鋼板剪力牆挫屈試驗 ------------------------------------3-2 3-3-1 試驗規劃 ------------------------------------------------------3-2 3-3-2 試體剪力挫屈強度及非彈性側推強度評估 ------------------3-3 3-3-3 試驗結果分析與討論 ------------------------------------3-6 3-4 低降伏鋼板剪力反復荷重分析 ------------------------------------3-10 3-4-1 有限元素分析模型建立 ------------------------------------3-10 3-4-2 分析結果討論 ---------------------------------------------3-10 肆、單層低降伏鋼板剪力牆試驗與分析 ---------------------------4-1 4-1 前言 ------------------------------------------------------4-1 4-2 試驗規劃 ------------------------------------------------------4-1 4-3 試體低降伏鋼板剪力挫屈與側推強度分析 ------------------4-3 4-4 試驗過程與破壞情況概述 ---------------------------4-4 4-5 試驗與分析之結果討論 ------------------------------------4-6 4-5-1 實驗結果討論 ------------------------------------------ 4-7 4-5-2 分析結果討論 ------------------------------------------ 4-12 伍、多層低降伏鋼板剪力牆試驗與分析 --------------------- 5-1 5-1 前言 -----------------------------------------------------5-1 5-2 試驗規劃 -----------------------------------------------------5-2 5-3 試體LYP鋼板剪力挫屈與側推強度分析 --------------------------5-3 5-4 試驗過程與破壞情況概述 --------------------------5-4 5-5 試驗與分析之結果討論 ----------------------------------- 5-5 5-5-1 實驗結果討論 ------------------------------------------ 5-5 5-5-2 分析結果討論 ------------------------------------------ 5-8 陸、低降伏鋼板剪力牆系統設計例 -------------------------------- 6-1 6-1 前言 ------------------------------------------------------6-1 6-2 結構設計與分析------------------------------------------------ 6-3 6-3 非線性靜力分析與耐震評估 --------------------------------- 6-5 6-4 耐震性能比較與討論 ----------------------------------- 6-7 柒、結論與建議 ---------------------------------------------------- 7-1 參考文獻 -------------------------------------------------------------- R-1 圖索引 圖1.1 低降伏鋼板剪力牆系統示意圖 -------------------------- 1-14 圖2.1 板梁承載機制：(a)純剪行為 (b)剪力挫屈後 (c)斜張力場模式 ------------------------------------------------------------------------- 2-14 圖2.2 低降伏鋼板剪力牆承載機制示意圖 --------------------- 2-14 圖2.3 LYP-100鋼與A572 Gr.50 鋼之應力-應變關係曲線---- 2-15 圖2.4 加勁低降伏鋼剪力牆示意圖 ------------------------------- 2-16 圖2.5 剪力挫屈發生點示意圖 ------------------------------------- 2-16 圖2.6 Kulak教授所發展之帶狀桿模型 -------------------------- 2-17 圖2.7 帶狀二力桿之塑性行為特性 ------------------------------- 2-17 圖2.8 本研究雙向帶狀二力桿模型示意圖 --------------------- 2-18 圖2.9. 本研究帶狀二力桿分析之側推曲線與遲滯迴圈圖例--- 2-18 圖2.10 ANSYS試體模型圖 ------------------------------------- 2-19 圖2.11 SAP2000試體模型圖 ------------------------------------- 2-20 圖3.1 低降伏鋼與一般結構用鋼的應力應變關係曲線 --------- 3-13 圖3.2 低降伏鋼之割線勁度及切線勁度與軸拉應力的關係 -- 3-14 圖3.3 低降伏鋼拉力試片斷裂之照片 -------------------------- 3-14 圖3.4 剪力挫屈試驗試體設計圖 ------------------------------- 3-15 圖3.5 試體裝置架設照片 ------------------------------------------ 3-16 圖3.6 位移計架設照片 ------------------------------------------ 3-17 圖3.7 LYP鋼塑性折減係數與材料應變之關係 ---------------- 3-18 圖3.8 試體剪力挫屈強度發生點之分析 -------------------------- 3-18 圖3.9 雙向帶狀二力桿模型分析4組試體之靜力側推曲線 -- 3-19 圖3.10 第1組試體的破壞照片 ------------------------------------- 3-20 圖3.11 第2組試體的破壞照片 ------------------------------------- 3-20 圖3.12 第3組試體的破壞照片 ------------------------------------- 3-21 圖3.13 第4組試體的破壞照片 ------------------------------------- 3-21 圖3.14 剪力挫屈試驗之面外變形量與載重關係圖 ----------- 3-22 圖3.15 剪力挫屈試驗之載重與層間位移角關係圖 ----------- 3-22 圖3.16 剪力挫屈應力與LYP鋼板寬厚比關係 ---------------- 3-23 圖3.17 張力場應力發展與LYP鋼板寬厚比關係 ----------- 3-23 圖3.18 第1組試體側推強度-位移角關係曲線分析值與實驗值比較 ------------------------------------------------------------------------- 3-24 圖3.19 第2組試體側推強度-位移角關係曲線分析值與實驗值比較 ------------------------------------------------------------------------- 3-24 圖3.20 第3組試體側推強度-位移角關係曲線分析值與實驗值比較 ------------------------------------------------------------------------- 3-25 圖3.21 第4組試體側推強度-位移角關係曲線分析值與實驗值比較 ------------------------------------------------------------------------- 3-25 圖3.22 LYP鋼板反復剪力荷重分析有限元素模型示意圖 ------------------------------------------------------------------------- 3-26 圖3.23 ANSYS分析寬厚比=75之LYP鋼板單位厚度遲滯迴圈 ------------------------------------------------------------------------- 3-27 圖3.24 ANSYS分析寬厚比=100之LYP鋼板單位厚度遲滯迴圈 ------------------------------------------------------------------------- 3-27 圖3.25 ANSYS分析寬厚比=150之LYP鋼板單位厚度遲滯迴圈 ------------------------------------------------------------------------- 3-28 圖3.26 ANSYS分析寬厚比=200之LYP鋼板單位厚度遲滯迴圈 ------------------------------------------------------------------------- 3-28 圖3.27 ANSYS分析寬厚比=250之LYP鋼板單位厚度遲滯迴圈 ------------------------------------------------------------------------- 3-29 圖3.28 ANSYS分析寬厚比=300之LYP鋼板單位厚度遲滯迴圈 ------------------------------------------------------------------------- 3-29 圖3.29 ANSYS分析寬厚比=300之A36鋼板單位厚度遲滯迴圈 ------------------------------------------------------------------------- 3-30 圖3.30 LYP鋼板反復剪力荷重分析累積能量與層間位移角關係圖 ------------------------------------------------------------------------- 3-30 圖4.1. 試體取樣示意圖 --------------------------------------------- 4-23 圖4.2 第1、2組試體設計圖 ------------------------------------- 4-24 圖4.3 第3、4、5組試體設計圖 ------------------------------- 4-25 圖4.4 試體架設完成之照片 ------------------------------------- 4-26 圖4.5 試體裝置架設圖 ----------------------------------------------- 4-26 圖4.6 試體之加載歷時圖 ------------------------------------------ 4-27 圖4.7 低降伏鋼板剪力牆剪力挫屈發生點分析 ---------------- 4-27 圖4.8 第1組試體遲滯迴圈 ------------------------------------- 4-28 圖4.9 第2組試體遲滯迴圈 ------------------------------------- 4-28 圖4.10 第3組試體遲滯迴圈 ------------------------------------- 4-29 圖4.11 第4組試體遲滯迴圈 ------------------------------------- 4-29 圖4.12 第5組試體遲滯迴圈 ------------------------------------- 4-30 圖4.13 第1組試體破壞照片 ------------------------------------- 4-30 圖4.14 第2組試體破壞照片 ------------------------------------- 4-31 圖4.15 第3組試體破壞照片 ------------------------------------- 4-31 圖4.16 第4組試體破壞照片 ------------------------------------- 4-32 圖4.17 第5組試體破壞照片 ------------------------------------- 4-32 圖4.18 第1、2組試體之勁度變化 ------------------------------- 4-33 圖4.19 第3、4、5組試體之勁度變化 -------------------------- 4-33 圖4.20 第1組試體載重與各部位構件應變量之關係曲線 -- - 4-34 圖4.21 第3組試體載重與各部位構件應變量之關係曲線 --- 4-34 圖4.22 第1、2組試體遲滯迴圈骨架圖 -------------------------- 4-35 圖4.23 第3、4、5組試體遲滯迴圈骨架圖 --------------------- 4-35 圖4.24 第1、2組試體累積能量與層間位移角關係圖 ------ 4-36 圖4.25 第3、4、5組試體累積能量與層間位移角關係圖 --- 4-36 圖4.26 第五組試體層間位移角與低降伏鋼板面外變形之關係 4-37 圖4.27 第1組試體Von Mises 應力分佈 --------------------- 4-37 圖4.28 第1組試體XY平面剪應力分佈 --------------------- 4-38 圖4.29 第1組試體最大主應力分佈 -------------------------- 4-38 圖4.30 第2組試體Von Mises 應力分佈 --------------------- 4-39 圖4.31 第2組試體XY平面剪應力分佈 --------------------- 4-39 圖4.32 第2組試體最大主應力分佈 -------------------------- 4-40 圖4.33 第3組試體Von Mises 應力分佈 --------------------- 4-40 圖4.34 第3組試體XY平面剪應力分佈 --------------------- 4-41 圖4.35 第3組試體最大主應力分佈 -------------------------- 4-41 圖4.36 第4組試體Von Mises 應力分佈 --------------------- 4-42 圖4.37 第4組試體XY平面剪應力分佈 --------------------- 4-42 圖4.38 第4組試體最大主應力分佈 -------------------------- 4-43 圖4.39 第5組試體Von Mises 應力分佈 --------------------- 4-43 圖4.40 第5組試體XY平面剪應力分佈 --------------------- 4-44 圖4.41 第5組試體最大主應力分佈 -------------------------- 4-44 圖4.42 剪力鋼板應變硬化影響分析之各模型應力應變曲線 - 4-45 圖4.43 剪力鋼板應變硬化對邊界構材梁端應變之影響 ------ 4-45 圖4.44 剪力鋼板應變硬化對LYP剪力鋼板應變之影響 ------ 4-46 圖4.45 剪力鋼板應變硬化對邊界構材柱端應變之影響 ------ 4-46 圖4.46 剪力鋼板應變硬化對LYP剪力鋼板面外變形量之影響 4-47 圖4.47 剪力鋼板應變硬化對試體側推強度之影響 ----------- 4-47 圖4.48 剪力鋼板應變硬化對各構件降伏位移角之影響 ------ 4-48 圖4.49 ANSYS分析探討LYP鋼板應變硬化的影響各模型Von Mises應力分佈 -------------------------------------------------------------- 4-51 圖4.50 ANSYS分析探討LYP鋼板寬厚比影響之各模型剪力鋼板拉壓主應力變化與層間位移角關係曲線 ------------------------------- 4-52 圖4.51 ANSYS模型分析與極限側推強度公式之張力場應力發展比較 ------------------------------------------------------------------------- 4-53 圖5.1 高樓結構地震受力示意圖 ------------------------------- 5-13 圖5.2 試體取樣式意圖 ----------------------------------------------- 5-13 圖5.3 試體抗彎接頭與鉸接接頭之細部圖 --------------------- 5-14 圖5.4 試體尺寸詳圖 ----------------------------------------------- 5-15 圖5.5 試體裝置架設圖 ----------------------------------------------- 5-16 圖5.6 試體架設完成之照片 ------------------------------------- 5-17 圖5.7 試體剪力挫屈強度發生點 ------------------------------- 5-18 圖5.8 多層構架試體之加載歷時圖 ------------------------------- 5-18 圖5.9 第1組試體0.005 rad. ------------------------------------- 5-19 圖5.10 第1組試體0.0075 rad. ------------------------------------- 5-19 圖5.11 第1組試體0.01 rad. ------------------------------------- 5-19 圖5.12 第1組試體0.015 rad. ------------------------------------- 5-19 圖5.13 第1組試體0.02 rad. ------------------------------------- 5-20 圖5.14 第1組試體0.03 rad. ------------------------------------- 5-20 圖5.15 第1組試體0.04 rad. ------------------------------------- 5-20 圖5.16 第1組試體0.05 rad. ------------------------------------- 5-20 圖5.17 第1組抗彎接頭構架低降伏鋼剪力牆試體極限狀態破壞照片 ------------------------------------------------------------------------- 5-21 圖5.18 第1組鋼板剪力牆試體於層間位移角0.03 rad.彎矩接頭翼板銲接溶透不足而斷裂 ----------------------------------------------- 5-22 圖5.19 第2組試體0.005 rad. ------------------------------------- 5-23 圖5.20 第2組試體0.0075 rad. ------------------------------------- 5-23 圖5.21 第2組試體0.01 rad. ------------------------------------- 5-23 圖5.22 第2組試體0.015 rad. ------------------------------------- 5-23 圖5.23 第2組試體0.02 rad. ------------------------------------- 5-24 圖5.24 第2組試體0.03 rad. ------------------------------------- 5-24 圖5.25 第2組試體0.04 rad. ------------------------------------- 5-24 圖5.26 第2組試體0.05 rad. ------------------------------------- 5-24 圖5.27 第2組鉸接接頭構架低降伏鋼剪力牆試體極限狀態破壞照片 ------------------------------------------------------------------------- 5-25 圖5.28 韌性抗彎接頭構架低降伏鋼剪力牆試體遲滯迴圈與雙向帶狀二力桿模型側推曲線 ----------------------------------------------- 5-26 圖5.29 鉸接接頭構架低降伏鋼剪力牆試體遲滯迴圈與雙向帶狀二力桿模型側推曲線 ---------------------------------------------------- 5-26 圖5.30 三層構架試體勁度衰減 ------------------------------------- 5-27 圖5.31 三層構架試體累積能量 ------------------------------------- 5-27 圖5.32 韌性抗彎接頭構架試體低降伏鋼剪力牆面外變形 --- 5-28 圖5.33 鉸接接頭構架試體低降伏鋼剪力牆面外變形 ------ 5-28 圖5.34 抗彎構架試體SAP2000模型分析塑性鉸破壞次序 -- 5-29 圖6.1 SMRF、LYP-SPSW、SCBF系統之模型結構 ------------ 6-19 圖6.2 結構系統設計例塑鉸分析示意圖 ---------------------- 6-20 圖6.3 SMRF、LYP-SPSW、SCBF系統頂層側位移與基底剪力關係 -------------------------------------------------------------------------- 6-21 圖6.4 容量震譜法分析簡介圖 ------------------------------------- 6-21 圖6.5 SMRF構架一倍 設計反應譜功能點 ---------------- 6-22 圖6.6 SMRF構架二倍 設計反應譜功能點 ---------------- 6-22 圖6.7 SPSW(邊界梁柱為抗彎接頭)構架一倍 設計反應譜功能點 ------------------------------------------------------------------------- 6-23 圖6.8 SPSW(邊界梁柱為抗彎接頭)構架二倍 設計反應譜功能點 ------------------------------------------------------------------------- 6-23 圖6.9 SPSW(邊界梁柱為簡支接頭)構架一倍 設計反應譜功能點 ------------------------------------------------------------------------- 6-24 圖6.10 SPSW(邊界梁柱為簡支接頭)構架二倍 設計反應譜功能點 ------------------------------------------------------------------------- 6-24 圖6.11 SCBF構架一倍 設計反應譜功能點 ---------------- 6-25 圖6.12 SCBF構架二倍 設計反應譜功能點 ---------------- 6-25 圖6.13 SPSW(邊界梁柱為抗彎接頭)系統各部構件之頂層側位移與基底剪力關係 -------------------------------------------------------------- 6-26 圖6.14 各系統構架彈性設計地震力作用時各樓層側位移與層間位移角 ------------------------------------------------------------------------- 6-26 圖6.15 各系統構架恰達降伏時各樓層側位移與層間位移角--- 6-27 圖6.16 各系統構架一倍 設計反應譜功能點之各樓層側位移與層間位移角 --------------------------------------------------------------- 6-27 圖6.17 各系統構架二倍 設計反應譜功能點之各樓層側位移與層間位移角 --------------------------------------------------------------- 6-28 圖6.18 各系統構架達極限強度時各樓層側位移與層間位移角-- 6-28 表索引 表3.1 LYP鋼材材料性質 ------------------------------------------ 3-12 表3.2 剪力挫屈試驗強度計算值與實驗值比較表 ----------- 3-12 表3.3 剪力挫屈試驗張力場應力計算 -------------------------- 3-12 表3.4 LYP鋼板剪力反復荷重ANSYS分析累積能量 ------ 3-13 表4.1 單層低降伏鋼板剪力牆試體鋼材材料性質 ---------- 4-20 表4.2 單層低降伏鋼板剪力牆試體 ------------------------------- 4-20 表4.3 單層低降伏鋼板剪力牆試驗與分析結果 ---------------- 4-21 表4.4 運用ANSYS分析驗證試體低降伏鋼板剪力挫屈強度之計算 ------------------------------------------------------------------------- 4-21 表4.5 ANSYS分析探討LYP鋼板寬厚比影響之各模型分析極限強度與極限側推公式(式2.2)計算值列表比較 --------------------- 4-22 表5.1 構架斷面基本性質 ------------------------------------------ 5-11 表5.2 試體之強度、勁度及累積能量比較 --------------------- 5-11 表5.3 試體極限狀態之實驗與分析結果比較 ---------------- 5-12 表6.1 現行建築物耐震設計規範台北盆地設計反應譜 ------ 6-12 表6.2 結構週期與設計地震力計算列表 --------------------------- 6-12 表6.3 韌性抗彎矩構架系統(SMRF)構架斷面 ----------------- 6-13 表6.4 低降伏鋼板剪力牆系統(LYP-SPSW)構架斷面 ------- 6-14 表6.5 特殊同心斜撐系統(SCBF)構架斷面 ---------------------- 6-15 表6.6 SMRF、SPSW、SCBF系統之各狀態頂層側位移與基底剪力 -------------------------------------------------------------------------- 6-16 表6.7 SMRF、SPSW、SCBF系統之桿件斷面性質與用鋼量比較 -------------------------------------------------------------------------- 6-17

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    【34】 Jeffrey Berman and Michel Bruneau, “Experiment Investigation of Light-Gauge Steel Plate Shear Walls”, Journal of Structural Engineering, ASCE, Feb 2005.

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