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建築研究簡訊第102期 《業務報導》

冷沖壓成型(BCP)方鋼管柱撓曲耐震性能試驗簡介

 

國內兩家知名鋼鐵製造廠商為確認合作製造之BCP鋼管柱撓曲耐震性能(其中「BC」是Box Column的縮寫,「P」代表壓製成型),於本所材料實驗中心大型力學實驗室以反力牆及油壓致動器相關試驗場地設備進行受軸力下側向反覆載重客製化試驗。BCP鋼管柱主要為將鋼板透過冷彎製程,將鋼板彎成ㄇ字型,再將2個ㄇ字型鋼板以潛弧銲接合成鋼管柱,其斷面如圖1所示。

圖1. BCP鋼管柱斷面圖

本案BCP鋼管柱鋼板材質為SN490B,斷面為600 mm´600 mm,使用25 mm及32 mm共2種厚度,每支試體包含鋼管柱1支及鋼梁2支,搭配外橫隔板及內橫隔板2種接合方式,共計4支試體,各試體尺寸列表如表1。

 

表1.BCP鋼管柱試體尺寸列表

試體編號

鋼管柱 (mm)

橫隔板型式

鋼梁 (mm)

R32-I

BCP600×600×32

內藏式橫隔板

600×350×40×40

R32-E

BCP600×600×32

外橫隔板

600×350×40×40

R25-I

BCP600×600×25

內藏式橫隔板

600×350×28×40

R25-E

BCP600×600×25

外橫隔板

600×350×28×40

 

 

本案使用本所材料實驗中心大型力學實驗室L型反力牆及強力地板系統之軸力構架,搭配1支600噸油壓致動器及2支200噸油壓致動器,出力需求為軸力超過400噸(以600噸油壓致動器模擬),側力將近400噸(以2支200噸油壓致動器模擬),試體裝置及其架設如圖2所示,試體兩端之梁上方各以兩組Box400´200´22´22壓梁,透過以油壓千斤頂施加90噸預力之直徑45 mm鋼棒固定於強力地板(厚度1.2 m),束制其上下移動,兩端外側再各以一鋼基座(同樣以預力鋼棒固定於強力地板),當做抵抗側力之支撐,以束制試體減少滑移。取標稱軸向強度的15%做為試體軸壓力, 故厚度25 mm之試體係施加328.5 噸軸力,厚度32 mm之試體係施加429 噸軸力,再將2支200 噸油壓致動器平行設置,以螺桿及特殊接頭連接2支200 噸油壓致動器與柱端,可達成同時側推之試驗需求,2支200 噸油壓致動器均以固定座、大型螺桿及鋼棒,與反力牆(厚度1.5 m)鎖固連接。

 

圖2.試驗佈置照片

 

本次試驗施加之側向載重歷程為依據美國鋼結構協會(American Institute of Steel Construction,簡稱AISC)於2010年規範之位移歷程,係層間位移角0.375 %、0.5 %及0.75 % rad皆為進行6個迴圈,層間位移角1 % rad為進行4個迴圈,層間位移角1.5 %、2 %、3 %、4 %、5 %、6 %及7 % rad皆為進行2個迴圈,最後層間位移角8 % rad則為進行反覆疲勞載重,直至試體強度下降低於最大強度之75 %時,停止試驗。

本案試體之量測儀器架設,包含位移計、角度計、測微計及應變計。位移計部分係使用拉線式位移計,架設於2支200噸油壓致動器合力中心線與BCP柱試體外表面交會處,用於量測2支200噸油壓致動器造成之柱試體上部側向位移;特殊接頭及其中1支200噸油壓致動器上方,各放置一組角度計,以修正200噸油壓致動器所得之有效力量數據,另於梁柱接頭處放置1支角度計,利用轉角修正位移計所測得之位移;測微計安裝於兩側反力座旁,用以檢測試體是否滑移,並修正試體位移;BCP鋼管銲道距離梁翼板高度3公分的位置,兩側設置單向應變計,以監測鋼材的降伏行為,未連接鋼梁之兩側柱面於相同高度亦設置單向應變計,以觀測柱試體斷面於試驗過程中是否保持平面。

本案試驗順利、圓滿完成,厚度25 mm及32 mm各2組試體,極限轉角容量皆達4 % rad,4組試體皆符合國內鋼結構極限設計法規範及解說之耐震要求。設備使用單位對本所材料實驗中心人員能力及檢測服務均給予支持及肯定。