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中心技術報告

NCREE-2020-008

時間 2020-07-15
標題 國家地震工程研究中心辦公大樓二至七樓新建服務核樓板與既有鋼筋混凝土結構接合分析與設計
作者 [林昱成] [林冠泓] [蔡克銓] [莊明介] [林瑞良] [蔡青宜] [吳安傑]
摘要 國家地震工程研究中心既有之六層辦公大樓,自2019年底展開增擴建工程,預定於2020年十一月完工。本文主要探討二樓至七樓服務核樓板及鋼梁與既有 RC 結構接合處的設計與施工,為避免化學錨栓破壞 RC 梁柱交會區內部鋼筋,在接合處之鋼梁端下方新增一直托架與 RC 柱面上的 T型鋼件連接作為原接合設計。接合雖足以傳遞垂向剪力,設計地震作用所產生之梁軸力及層間位移作用下,梁軸力與接頭偏心造成額外彎矩,恐會對接合處錨栓造成過大拉力導致破壞。因此為進行一系列分析,採用13層 RC 與鋼構混合結構模型進行非線性動力歷時分析,採雙質心雙剛性樓板的 PISA3D 模型,得到二至七樓服務核與既有 RC 結構交界處之單一梁端最大軸力以及最大層間位移角,分別為165噸以及 1% 弧度。以上述力量和變形為設計需求,不考慮樓板協助抵抗此合力下,進行八組含原接合形式及七組補強方案 Abaqus 有限元素模型分析。接頭錨栓採只受拉之線性彈簧,另以只受壓線性彈簧為接頭端鋼板抵靠於 RC 面之邊界條件。以同步方式在梁端反曲點 3800mm 處施加軸拉 1.5mm 與面內向上 40mm 之位移控制組合,模擬設計地震下之設計需求。分析結果顯示原接合之直托架腹板產生明顯剪力降伏;此外多顆錨栓最大受力已超過 24mm HILTI 錨栓之極限強度20噸;並觀察到錨栓受力不均情形。在補強設計方案中以有或無斜托架與封板多種組合,比較結果後可知新增斜托架使鋼梁勁度提高,間接使錨栓總拉力以及梁端反曲點水平總力提高約20%;新增封板能使錨栓最大受力降低 30% 以上,且封板傳力使錨栓受力分佈均勻的效果顯著。本文藉由梁接頭與應力分析結果,在封板角落切除200×200mm應力很低之三角形區塊。本研究建議以雙腹側角鋼加勁及直托架封板切角式為最佳方案,除能夠符合設計需求外,可使梁發展出韌性較好之撓曲塑鉸,並提供未來檢視的開孔。PISA3D模型在新舊交界處之6DOF節點勁度設定為100tf/mm,經上述有限元素模型驗證後屬合理;交界處梁端強軸旋轉邊界條件應更改為固接。
關鍵字 耐震設計、接頭補強、化學錨栓、有限元素模型分析、結構動力歷時分析
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