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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:余虹霖
研究生(外文):Hung-Lin Yu
論文名稱:具雙向束制塑性鉸之鋼管混凝土柱承載行為
論文名稱(外文):Seismic Behavior of Concrete-filled Steel Tubes with Restrained Plastic Hinge Zones
指導教授:許協隆許協隆引用關係
指導教授(外文):Hsieh-Lung Hsu
學位類別:碩士
校院名稱:國立中央大學
系所名稱:土木工程研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:116
中文關鍵詞:鋼管混凝土塑性鉸耐震行為
外文關鍵詞:Concrete-filled steel tubesPlastic hingeSeismic behavior
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摘 要
鋼管混凝土結構承受地震力作用時,常因局部挫屈發生而減低構件之承載力,因此如何避免局部挫屈為此類構件設計的重要考量。而矩形鋼管混凝土柱的局部挫屈模式為兩相對鋼板發生向外之相對位移,若能在局部挫屈區域進行有效控制,使鋼板上具有抑制向外的束制力,以延緩局部挫屈的發生,並減緩構件強度衰減速率,將可有效提昇構件效能。
本研究應用繫桿束制鋼板塑性鉸相對位移之發生,並以ABAQUS有限元素分析軟體模擬加勁鋼管構件受力情形,作為規劃實驗繫桿配置之參考。由方形鋼管混凝土柱同時承受固定軸力與反覆側向載重作用下之強度、勁度、韌性與消能行為,探討此束制方式對局部挫屈與構件破壞模式的影響。
研究結果顯示,繫桿加勁可提供鋼管有效束制力,延後初始挫屈之發生,對構材極限強度與勁度衰減影響不大,但對後挫屈強度則有明顯提升。繫桿加勁對韌性與能量消散方面亦皆有所助益,其中在高軸力作用下,雙層加勁在寬厚比較小之構件,對韌性與消能能力提升最佳,對寬厚比較大之構件,則以單層加勁提升效果較顯著。
ABSTRACT
Major concern in concrete-filled tube (CFT) design is to avoid premature local buckling so that member performance can be sustained. Post-buckling performance of CFT members under lateral load is governed by the deterioration rate of tube plates at plastic hinge region. Therefore, study of method to reduce plate deformation and to increase energy dissipation capacity during post-buckling stages is essential to the seismic performance of such design.
This study is focused on the performance improvement of CFT members by applying pairs of tie rods to restrain relative plate deformations after members are locally buckled. Placements of tie rods were determined by the results from analytical simulations.
Test results show that the tie rods effectively restrained the development of plate deformation and delayed the occurrence of local buckling. It is found from comparisons that member strength and stiffness were not influenced by the application of tie rods. It is also confirmed from test results that energy dissipation capacities of members with tie rods were significantly enhanced.
目 錄
目錄 ……………………………………………………………………Ⅰ
表目錄 …………………………………………………………………Ⅳ
圖目錄 …………………………………………………………………Ⅴ
照片目錄 ………………………………………………………………Ⅸ
第一章緒論
1-1前言 …………………………………………………………1
1-2研究動機與目的 ……………………………………………2
1-3研究方法與範圍 ……………………………………………3
第二章文獻回顧
2-1國內外相關研究 ……………………………………………4
2-2鋼管混凝土相關設計規範 …………………………………6
2-2-1美國AISC-LRFD規範 ………………………………………6
2-2-2美國ACI規範 ………………………………………………8
2-2-3日本AIJ-SRC設計規範 ……………………………………9
2-2-4我國鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說研究 ………10
第三章理論分析與有限元素模擬
3-1板元素挫屈應力推導 ……………………………………12
3-1-1板元之基本假設 …………………………………………12
3-1-2臨界挫屈載重推導 ………………………………………12
3-1-3挫屈係數推導 ……………………………………………15
3-1-4繫桿與鋼板之勁度比 ……………………………………15
3-2有限元素模型之建立 ……………………………………17
3-2-1元素模型與網格之建立 …………………………………17
3-2-2模擬之基本假設 …………………………………………18
3-2-3材料性質之建立 …………………………………………18
3-2-4邊界束制與加載方式之建立 ……………………………19
3-2-5模擬誤差 …………………………………………………19
3-2-6模擬結果之探討 …………………………………………20
第四章實驗規劃
4-1研究參數 …………………………………………………22
4-2試體編號說明 ……………………………………………22
4-3試體配置與製作 …………………………………………23
4-4實驗設備 …………………………………………………25
第五章實驗觀察與分析
5-1實驗觀察 …………………………………………………27
5-1-1寬厚比45系列 ……………………………………………27
5-1-2寬厚比60系列 ……………………………………………29
5-1-3寬厚比85系列 ……………………………………………32
5-1-4觀察探討 …………………………………………………35
5-2斷面性質分析 ……………………………………………35
5-3極限強度分析 ……………………………………………37
5-4勁度衰減分析 ……………………………………………39
5-5韌性比分析 ………………………………………………40
5-6能量消散分析 ……………………………………………42
第六章結論與建議
6-1結論 ………………………………………………………44
6-2建議 ………………………………………………………45
參考文獻 ………………………………………………………………46
表 ………………………………………………………………………51
圖 ………………………………………………………………………65
照片 …………………………………………………………………108
表 目 錄
表 (3-1) 繫桿與鋼板之勁度比………………………………………51
表 (3-2) 模型之材料性質………………………………………51
表 (3-3) 模型之繫桿配置………………………………………52
表 (4-1) 試體尺寸配置 ……………………………………53
表 (4-2) 試體鋼材性質 ……………………………………54
表 (4-3) 繫桿規格 …………………………………………………54
表 (4-4) 試體繫桿配置表………………………………………55
表 (4-5) 混凝土抗壓強度………………………………………56
表 (4-6) 位移控制加載表………………………………………56
表 (5-1) 45系列之實驗觀察………………………………………57
表 (5-2) 60系列之實驗觀察………………………………………58
表 (5-3) 85系列之實驗觀察………………………………………59
表 (5-4) 試體之降伏與極限值………………………………………60
表 (5-5) 實驗與理論之EI值………………………………………61
表 (5-6) 實驗與理論之極限彎矩比較 …………………………62
表 (5-7) 位移韌性比與能量韌性比 …………………………63
表 (5-8) 累積能量消散………………………………………64
圖 目 錄
圖 (3-1.1) 板元素受壓變形示意圖……………………………65
圖 (3-1.2) 單位板寬之勁度模擬……………………………65
圖 (3-2.1) 節點元素 ………………………………………66
圖 (3-2.2) 鋼管模型尺寸 ………………………………………66
圖 (3-2.3) 鋼管模型之應力-應變關係圖 ………………67
圖 (3-2.4) 模擬鋼管模型之力量-位移圖 ………………67
圖 (3-2.5) 未加勁鋼管模型之變形側視圖 ………………68
圖 (3-2.6) 雙層加勁鋼管模型圖 ……………………………………69
圖 (3-2.7) 45系列-軸力0.1Pn鋼管模型之變形側視圖 ……69
圖 (3-2.8) 45系列-軸力0.3Pn鋼管模型之變形側視圖 ……70
圖 (3-2.9) 60系列-軸力0.3Pn鋼管模型之變形側視圖 ……70
圖 (3-2.10) 85系列-軸力0.3Pn鋼管模型之變形側視圖 ……71
圖 (3-2.11) 45系列軸力0.1Pn鋼管模型之力量-位移圖 …………71
圖 (3-2.12) 45系列軸力0.3Pn鋼管模型之力量-位移圖 …………72
圖 (3-2.13) 60系列軸力0.3Pn鋼管模型之力量-位移圖 …………72
圖 (3-2.14) 85系列軸力0.3Pn鋼管模型之力量-位移圖 …………73
圖 (4-1) 試體示意圖…………………………………………74
圖 (4-2) 試體尺寸圖…………………………………………74
圖 (4-3) 單層繫桿配置圖…………………………………………75
圖 (4-4) 雙層繫桿配置圖…………………………………………76
圖 (4-5) 應變計黏貼位置圖 ………………………………………77
圖 (4-6) 加載位移歷時圖…………………………………………78
圖 (4-7) 實驗設備側視圖…………………………………………79
圖 (5-1.1) 試體U45-1之力量-位移圖 ……………………………80
圖 (5-1.2) 試體S45-1之力量-位移圖 ……………………………80
圖 (5-1.3) 試體D45-1之力量-位移圖 ……………………………81
圖 (5-1.4) 試體U45-3之力量-位移圖 ……………………………81
圖 (5-1.5) 試體S45-3之力量-位移圖 ……………………………82
圖 (5-1.6) 試體D45-3之力量-位移圖 ……………………………82
圖 (5-1.7) 試體U60-1之力量-位移圖 ……………………………83
圖 (5-1.8) 試體S60-1之力量-位移圖 ……………………………83
圖 (5-1.9) 試體D60-1之力量-位移圖 ……………………………84
圖 (5-1.10) 試體U60-3之力量-位移圖 ……………………………84
圖 (5-1.11) 試體S60-3之力量-位移圖 ……………………………85
圖 (5-1.12) 試體D60-3之力量-位移圖 ……………………………85
圖 (5-1.13) 試體U85-1之力量-位移圖 ……………………………86
圖 (5-1.14) 試體S85-1之力量-位移圖 …………………………86
圖 (5-1.15) 試體D85-1之力量-位移圖 ……………………………87
圖 (5-1.16) 試體U85-3之力量-位移圖 ……………………………87
圖 (5-1.17) 試體S85-3之力量-位移圖 …………………………88
圖 (5-1.18) 試體D85-3之力量-位移圖 ……………………………88
圖 (5-1.19) 繫桿受力之應變圖 ……………………………………89
圖 (5-1.20) 初始挫屈之鋼板應變圖 …………………………………89
圖 (5-3.1) 45系列-軸力0.1Pn之強度包絡線…………………90
圖 (5-3.2) 45系列-軸力0.3Pn之強度包絡線…………………90
圖 (5-3.3) 60系列-軸力0.1Pn之強度包絡線…………………91
圖 (5-3.4) 60系列-軸力0.3Pn之強度包絡線 …………………91
圖 (5-3.5) 85系列-軸力0.1Pn之強度包絡線…………………92
圖 (5-3.6) 85系列-軸力0.3Pn之強度包絡線…………………92
圖 (5-3.7) 三線性模擬之關係曲線 ……………………………93
圖 (5-3.8) 45系列之強度衰減率 ……………………………93
圖 (5-3.9) 60系列之強度衰減率 ……………………………94
圖 (5-3.10) 85系列之強度衰減率 ……………………………94
圖 (5-3.11) Pu/Py之統計圖…………………………………………95
圖 (5-4.1) 45系列-軸力0.1Pn之勁度衰減…………………96
圖 (5-4.2) 45系列-軸力0.3Pn之勁度衰減…………………96
圖 (5-4.3) 60系列-軸力0.1Pn之勁度衰減…………………97
圖 (5-4.4) 60系列-軸力0.3Pn之勁度衰減…………………97
圖 (5-4.5) 85系列-軸力0.1Pn之勁度衰減…………………98
圖 (5-4.6) 85系列-軸力0.3Pn之勁度衰減…………………98
圖 (5-5.1) 45系列之位移韌性比 ……………………………99
圖 (5-5.2) 45系列之能量韌性比 ……………………………99
圖 (5-5.3) 60系列之位移韌性比……………………………100
圖 (5-5.4) 60系列之能量韌性比……………………………100
圖 (5-5.5) 85系列之位移韌性比……………………………101
圖 (5-5.6) 85系列之能量韌性比……………………………101
圖 (5-6.1) 45系列0.1Pn之強度-累積能量圖 ………………102
圖 (5-6.2) 45系列0.3Pn之強度-累積能量圖 ………………102
圖 (5-6.3) 60系列0.1Pn之強度-累積能量圖 ………………103
圖 (5-6.4) 60系列0.3Pn之強度-累積能量圖 ………………103
圖 (5-6.5) 85系列0.1Pn之強度-累積能量圖 ………………104
圖 (5-6.6) 85系列0.3Pn之強度-累積能量圖 ………………104
圖 (5-6.7) 45系列之能量消散比較圖……………………………105
圖 (5-6.8) 60系列之能量消散比較圖……………………………105
圖 (5-6.9) 85系列之能量消散比較圖……………………………106
圖 (5-6.10) 軸力0.1Pn之能量消散比較圖 ………………107
圖 (5-6.11) 軸力0.3Pn之能量消散比較圖 ………………107
照 片 目 錄
照片 [4-1] 以半滲透焊結合冷彎鋼板……………………………108
照片 [4-2] 繫桿樣式 ………………………………………108
照片 [4-3] 鋼管開孔與埋置套管……………………………109
照片 [4-4] 埋置鋼棒 ………………………………………109
照片 [4-5] 澆置混凝土 ………………………………………110
照片 [5-1] 45系列-軸力0.1Pn之挫屈情形 ………………111
照片 [5-2] 45系列-軸力0.3Pn之挫屈情形 ………………112
照片 [5-3] 60系列-軸力0.1Pn之挫屈情形 ………………113
照片 [5-4] 60系列-軸力0.3Pn之挫屈情形 ………………114
照片 [5-5] 85系列-軸力0.1Pn之挫屈情形 ………………115
照片 [5-6] 85系列-軸力0.3Pn之挫屈情形 ………………116
參 考 文 獻
【1】 Architectural Institute of Japan (1987) ,AIJ Standards for Structural Calculation of Steel Reinforced Concrete Structures, Tokyo, Japan.
【2】 American Institute of Steel Construction (1994), Manual of Steel Construction-Load and Resistance Factor Design, Second Edition, Chicago, IL.
【3】 American Concrete Institute (1995), Building Code Requirements for Reinforced Concrete and Commentary, ACI 318-95, Detroit, Michigan.
【4】 ABAQUS/Standard User’s Manual;Version 5.8 (1998). Hibbitt, Karlsson and Sorenson, Inc., Pawtucket, R.I.
【5】 Ge, H.B. and Usami, T.(1992) “Strength of concrete-filled thin-walled steel box columns: Experiment” Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.118, No.11, pp.3036-3054.
【6】 Usami, T. and Ge, H.B.(1994) “Ductility of concrete filled steel box columns under cyclic loading” Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.120, No.7, pp.2021-2040.
【7】 Ricles, J.M., Sause, R. and Lu, L.W.(2000) “Seismic behavior of high strength square CFT beam-columns” Composite and Hybrid Structures, pp.547-556,USA.
【8】 Usami, T. and Ge, H.B.(2000) “Ductility of Thin-Walled Steel Box Stub-Columns” Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.126, No.11, pp.1304-1311.
【9】 Boyd, P.F., Cofer, W.F., and McLean, D.I.(1995) “Seismic Performance of Steel-Encased Concrete Columns under Flexural Loading” ACI Structural Journal, Vol.92, No.3, pp.355-364.
【10】Furlong, R.W.(1967) “Strength of Steel-Encased Concrete Beam Columns” Journal of Structural Division, ASCE, Vol.93, ST5, pp.113-124.
【11】Ivan M. Viest, Joseph P. Colaco, Richard W. Furlong, Lawrence G. Griffis, Roberto T. Leon, Loring A. Wyllie, Jr. (1997) ,Composite Construction Design for Buildings, McGraw-Hill, New York, ASCE.
【12】Jerome F. Hajjar and Aleksandr Molodan (1998) “A distributed plasticity model for cyclic analysis of concrete-filled steel tube beam-columns and composite frames” Engineering Structures, Vol.20, Nos 4-6, pp.398-412.
【13】Brian Uy, (2000) “Strength of Concrete Filled Steel Box Columns Incorporating Local Buckling” Journal of Structural Engineering, Vol.126, No.3,pp.341-352.
【14】Mohammad Shams and M. Ala Saadeghvaziri (1997) “State of the Art of Concrete-Filled Steel Tubular Columns” ACI Structural Journal, V.94, No.5, pp.558-571.
【15】Priestley M. J. N., and Park R.(1987), “Strength and Ductility of Concrete Bridge Columns Under Seismic Loading” ACI Structural Journal, V.84, No.1, pp.61-76.
【16】Kitada T. (1998) “Ultimate strength and ductility of state-of-the-art concrete-filled steel bridge piers in Japan” Engineering Structures, Vol.20, Nos.4-6, pp.347-354.
【17】Uy B., Bradford M. A. (1996) “Elastic local buckling of steel plates in composite steel-concrete members” Engineering Structures, Vol.18, No.3, pp.193-200.
【18】Yoshiaki Goto, Qingyun Wang, and Makoto Obata (1998) “FEM Analysis for Hysteretic Behavior of Thin-Walled Columns” Journal of Structural Engineering, Vol.124, No.11, pp.1290-1301.
【19】Ge HB, Gao SB, Usami T. “Stiffened steel box columns. Part 1: Cyclic behaviour” Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 2000; 29: 1691-1706.
【20】Ge HB, Gao SB, Usami T. “Stiffened steel box columns. Part 2: Cyclic behaviour” Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 2000; 29: 1707-1722.
【21】Chajes, A., “Principles of Structural Stability Theory” Prentice-Hall, Inc. New Jersey, U.S.A., 1974.
【22】Minoru Wakabayashi, Design of Earthquake-Resistant Buildings, McGraw-Hill,Inc. 1986
【23】翁正強、廖慧明、張荻薇、陳誠直,「鋼骨鋼筋混凝土構造設計規範與解說研究」,內政部建築研究所專題計劃研究成果報告,民國八十六年六月。
【24】黃建銘、林欽仁,「非線性有限元素法ANSYS於鋼管混凝土柱之應用(上)、(下)」,現代營建,民國八十三年十一月、十二月。
【25】陳誠直、翁正強、林義閔、李健銘,「鋼骨鋼筋混凝土柱及梁柱構材之強度與耐震行為研究(一)、(二)」,1999、2000。
【26】許協隆、莊佳霖,「應用可潰式內支撐之中空鋼柱行為」,國立中央大學土木工程研究所,碩士論文,民國八十六年六月。
【27】許協隆、鄭立輝,「局部填注之中空雙鋼管混凝土複合構件韌性行為研究」,國立中央大學土木工程研究所碩士論文,民國八十七年六月。
【28】許協隆、李君達,「反覆載重下加勁式雙鋼管混凝土構件行為研究」,國立中央大學土木工程研究所碩士論文,民國八十八年七月。
【29】蔡克銓、劉季宇、黃炯憲、葉勇凱,「加勁鋼管混凝土柱受軸壓與彎矩之行為研究」,國立臺灣大學土木工程研究所碩士論文,民國八十九年六月。
【30】林草英、邱聖榮,「鋼管混凝土承受軸心載重或雙軸向偏心載重之結構行為」,國立台灣工業技術學院工程技術研究所碩士論文,民國八十一年七月。
【31】林草英、陳璽字,「鋼管混凝土柱單向偏心載重之結構行為」,國立台灣工業技術學院工程技術研究所碩士論文,民國八十一年七月。
【32】韓林海,鋼管混凝土結構,科學出版社,2000。
【33】許協隆、張棟樑,「局部面加勁之中空鋼柱承載行為研究」,國立中央大學土木工程研究所碩士論文,民國八十七年六月。
【34】胡宣德、吳明憲,「加勁鋼管混凝土構材受軸力行為之數值分析」,國立成功大學土木工程研究所碩士論文,民國八十九年六月。
【35】翁正強、顏聖益,「鋼骨鋼筋混凝土(SRC)樑柱設計強度之研究」,土木工程技術第四期,民國八十五年三月。
【36】建築物之耐震設計規範及解說,內政部營建署,民國八十六年七月。
【37】公路橋樑耐震設計規範之補充研究,交通部台灣區國道新建工程局,民國八十六年四月。
【38】黃炯憲、鍾立來、葉勇凱、葉錦勳、盧煉元、劉季宇,「鋼管混凝土構材研究之回顧」,國家地震工程研究中心,CREE-98-012,1998。
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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