CN114108944A - 具破坏警示功能的非对称断面金属梁柱 - Google Patents

具破坏警示功能的非对称断面金属梁柱 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具破坏警示功能的非对称断面金属梁柱，包括一本体，其本体断面的断面形状定义一中性轴，且定义受有纯弯矩负荷时的压力区和拉力区，本体各点在弹性范围内对中性轴呈线性关系。本体断面的断面形状依中性轴呈两边不对称，而本体在最大弯矩处本体断面的所述压力区的断面模数大于所述拉力区的断面模数。当本体断面在压力区所受应力达弹性极限后降伏而进入塑性变形前，拉力区所受应力先超过弹性极限而先降伏而进入塑性变形，通过拉力区进入塑性变形阶段而起到压力区可能发生压剪破坏的警示作用，借此构成本发明。

Description

具破坏警示功能的非对称断面金属梁柱
技术领域
本发明是关于一种梁构件，尤指一种具破坏警示功能的非对称断面金属 梁柱。
背景技术
依据中国台湾建筑技术规则的规定，有关混凝土结构设计规范，其订定 钢筋混凝土梁构件(RC梁)的拉力钢筋比不得大于0.75倍的平衡钢筋比，或 是受压混凝土极限应变达0.003时的拉力筋应变为大于或等于0.005，其目 的在于梁构件受有负荷时，可确保拉力钢筋的降伏先于混凝土压力的破坏， 也就确保拉力破坏控制。
然而，依照现今钢构大楼所用的钢梁构件，可分为双对称断面(H型钢、 I型钢、口型钢)或是单对称断面(C型钢或槽型钢)，若仅受弯矩，则本体断 面依中性轴呈现受压与受拉面积相等的情形；若本体断面为对称，则本体断 面的中性轴即中心轴，但若受弯矩时同时受轴压力，则中性轴往拉力区偏移， 中性轴与压力区的边缘距离增加，因此压力区的断面模数变小，致使压力区 的承载能力下降，导致梁构件在压力区比拉力区更早达到破坏的临界点，因 此梁构件如为对称断面，有可能因此而发生无警示式瞬间破坏。
至于业界现有金属梁柱选用的实务作法，至少存在以下缺陷：
1.关于钢筋混凝土楼版(RC DECK)，其对钢本体断面模数有相当大的影 响。以对称断面而言，压、拉力区受弯矩与轴压力而达到临界负荷时，是以 压力区先降伏，但业界对钢筋混凝土楼版对钢本体断面模数的影响通常忽略 不计，导致大梁柱端的拉力区断面模数大于压力区及/或压力区先临界破坏 而不知。
2.此外，现有业界也将梁轴力(即梁构件受有负荷下所生的压力)忽略， 而以两端固定(Fixed End)的钢骨大梁来说，其受有负荷时会产生所谓轴压 力，因而使压力区先达弹性极限而不知。
3.并且，有钢筋混凝土版的悬臂钢梁，也因版梁结合，而使拉力区断面 模数大于压力区断面模数。
然而，上述业界现有金属梁柱选用的作法，包括对钢筋混凝土楼版对钢 本体断面模数的影响忽略、将梁轴力忽略，以及筋混凝土版的悬臂钢梁因版 梁结合而使拉力区断面模数大于压力区断面模数的实际情形，都有可能使梁 在压力区先达到弹性极限而先于拉力区降伏，故而瞬间发生压剪破坏，导致 严重的后果。
因此，如何解决并导正现有梁构件的上述问题及缺陷，即为本发明改良 的主要重点所在。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种具破坏警示功能的非对称断面金属梁 柱，在于本体断面采用非对称断面配置，使拉力区先达到弹性极限而先于压 力区降伏而进入塑性变形，而可通过拉力区的塑性变形而起到压力区可能发 生压剪破坏的警示功能。
本发明的一项实施例提供一种具破坏警示功能的非对称断面金属梁柱， 包括一为梁或柱的本体，其本体具有一本体断面，本体断面的断面形状定义 一中性轴，本体断面定义受有纯弯矩负荷时的一压力区和一拉力区，所述本 体各点在弹性范围内对中性轴呈线性关系，所述本体断面的断面形状依中性 轴呈两边不对称，所述本体在最大弯矩处本体断面的所述压力区的断面模数 大于所述拉力区的断面模数，当压力区的应力达弹性极限而降伏前，拉力区 的应力先超过弹性极限而先降伏，以拉力区先降伏而塑性变形而起到压力区 可能发生压剪破坏的警示作用。
进一步的，所述该本体断面的断面形状依该中性轴呈不对称的两边，宽 度相同而厚度为一边较厚且另一边较薄，以较厚的一边为所述压力区而具较 大的断面模数，且以较薄的一边为所述拉力区而具较小的断面模数。
或者，所述该本体断面的断面形状依该中性轴呈不对称的两边，厚度相 同而宽度为一边较宽且另一边较窄，以较宽的一边为所述压力区而具较大的 断面模数，且以较窄的一边为所述拉力区而具较小的断面模数。
进一步的，所述本体为横梁而受多个支承的支撑以承受负荷。
进一步的，该本体为连续梁，其由多个梁段以端对端续接所构成。
进一步的，所述本体为均质材质的钢梁和铝梁的其中之一。
进一步的，所述本体断面呈H型。
进一步的，所述本体断面呈口型
进一步的，所述本体断面呈C型。借此，因本发明的本体断面设计是其 断面形状依定义的中性轴呈两边不对称，使本体在最大弯矩处本体断面的压 力区的断面模数大于拉力区的断面模数，因此当本体承受负荷时，拉力区即 已达弹性极限而降伏后开始进入塑性变形，通过拉力区进入塑性变形阶段而 可对压力区在压剪破坏前起到警示作用，以利于争取人员疏散或结构补强等 紧急处置的时间。
附图说明
图1a为本发明实施例的一金属梁的支撑及均布负荷重示意图；
图1b为图1a的金属梁受均布载重的弯矩图；
图2a为本发明实施例的H型非对称本体断面的金属梁示意图，图中本 体断面为宽度相同，而在中性轴两边的厚度不同；
图2b为本发明实施例的口型非对称本体断面的金属梁示意图，图中本 体断面为宽度相同，而在中性轴两边的厚度不同；
图2c为本发明实施例的C型非对称本体断面的金属梁示意图，图中本 体断面为宽度相同，而在中性轴两边的厚度不同；
图3a为本发明实施例的另一H型非对称本体断面的金属梁示意图，图 中本体断面为厚度相同，而在中性轴两边的宽度不同；
图3b为本发明实施例的另一口型非对称本体断面的金属梁示意图，图 中本体断面为厚度相同，而在中性轴两边的宽度不同；
图3c为本发明实施例的另一C型非对称本体断面的金属梁示意图，图 中本体断面为厚度相同，而在中性轴两边的宽度不同；
图4a为现有H型对称本体断面的金属梁的剖视图，图中比例未按实际 规格而仅为示意；
图4b为本发明实施例的H型非对称本体断面的金属梁的剖视图，图中 比例未按实际规格而仅为示意；
图4c为本发明实施例的另一H型非对称本体断面的金属梁的剖视图， 图中比例未按实际规格而仅为示意；
图5为现有H型对称本体断面的金属梁连结楼版的示意图；
图6a为本发明实施例的另一金属梁的支撑及均布负荷重示意图；
图6b为图6a的金属梁受均布载重的弯矩图。
附图标记说明
10：本体；11：翼板；20：支承；30：剪力钉；40：支承；D：楼版； NA：中性轴；L：高度；W：宽度；t：腹板厚度；T、T1、T2：翼板厚度；A～E： 区间。
具体实施方式
为便于说明本发明于上述发明内容一栏中所表示的中心思想，现以具体 实施例表达。实施例中各种不同物件按适于列举说明的比例，而非按实际元 件的比例予以绘制，合先叙明。
请参阅图1a至图6b所示，本发明提供一种具破坏警示功能的非对称断 面金属梁柱。如图1a所示，包括一本体10，此本体10于本实施例中为横梁， 其受有多个支承20的支撑以承负荷，并产生多个呈正、负弯矩的区间。于 一较佳实施例中，本体10为连续梁，其由多个梁段(图中未示)以端对端续 接所构成，但本发明的本体10并不以连续梁为限，本体10也可为整段无续 接的一梁体。所述本体10于本实施例中以均质材质的钢梁为实施例，但在不同实施例中也可为其他均质材质的金属，例如铝梁。前述本体10不以所 述横梁为限，其可为柱，例如具纵向支撑性的边柱。
本发明所述本体10具有一本体断面，所述本体断面的断面形状依一定 义的中性轴NA呈两边不对称，而为非对称断面，此本体断面定义受有纯弯 矩负荷时的一压力区和一拉力区，本体断面各点在弹性范围内对中性轴NA 呈线性关系。所述本体10在最大弯矩处的本体断面，压力区的断面模数大 于拉力区的断面模数，当压力区所受应力达弹性极限(Elastic Limit)而降 伏(Yield)前，拉力区所受应力先超过弹性极限后降伏而进入塑性变形，以 拉力区进入塑性变形阶段而起到压力区在拉力达弹性极限后延展变形而可 能发生压剪破坏的警示作用。所述弹性极限，是指金属梁柱在降伏前的可受 应力的临界限度(拉力及压力相同)，即应力超过弹性极限时，金属梁柱开始 降伏而进入塑性变形。
所述本体10，优选地可为H型钢梁、口型钢梁或C型钢梁(如图2a～图 3c所示)，所述本体断面的断面形状依中性轴NA呈不对称的两边。于一实施 例中，本体断面的宽度相同，但厚度为一边较厚且另一边较薄(如图2a～图 2c所示)，以较厚的一边为最大弯矩处压力区而具较大的断面模数，且以较 薄的一边为最大弯矩处拉力区而具较小的断面模数。本发明的本体10，并不 以前述厚度的差异为局限，例如在另一实施例中，本体断面厚度相同，但宽 度为一边较宽且另一边较窄(如图3a～图3c所示)，此时以较宽的一边为所 述压力区而具较大的断面模数，且以较窄的一边为所述拉力区而具较小的断 面模数。
举例而言，有一断面形状依中性轴NA为两边对称的H形金属钢梁，其 本体断面的规格为H400L*200W*7t*11T(如图4a所示，其中L为高度；W为 宽度；t为腹板厚度；T为上、下翼板厚度)，以及一断面形状依中性轴NA 呈不对称的两边的H形金属钢梁(如图4b所示)，其本体断面的规格为 H400L*200W*7t*12T1/10T2(T1视为最大弯矩处压力区；T2视为最大弯矩处 拉力区)，以及另一断面形状依中性轴NA呈不对称的两边的H形金属钢梁(如 图4c所示)，其本体断面的规格为H400L*200W*7t*15T1/7T2，此三个H形金 属钢梁的断面积、单位重、惯性矩Ix、断面模数Sx，以及断面模数Sx比值 如下表1所示：
表1
Figure BDA0002649048670000071
如表1所示，模型1、2、3的断面积都为70.46cm2，而单位重都为 56.1kgf/m，其中模型1的断面模数(Sx)为990cm3，比值为100％。比照模型2， 在断面积、单位重的条件不变的情况下，仅就本体断面的规格修改上、下翼 版11的厚度依中性轴NA呈两边不对称，即上、下翼版11的厚度分别改为 10mm及12mm，此时模型2的断面模数在厚度为12mm的翼版11侧(即压力区) 提高至1039cm3而相对模型1提升5％，同时断面模数在厚度为10mm的翼版 11侧(即拉力区)降低至937cm3而相对模型1减少5％；再比照模型3，同样 就本体断面的规格修改上、下翼板11的厚度依中性轴NA呈两边不对称，即 上、下翼板11的厚度分别改为7mm及15mm，此时模型3的断面模数在厚度 为15mm的翼板11侧(即压力区)提高至1158cm3而相对模型1提升17％，同 时断面模数在厚度为7mm的翼版11侧(即拉力区)降低至761cm3而相对模型 1减少23％。由此可见，所述本体断面用于临界点载重方向固定的结构(例如 建筑用梁、边柱)，在断面模数相对较大的一侧可提高承载能力，而在断面 模数相对较小的一侧若为拉力状态，则在超过弹性极限后降伏而延展变形破 坏前，能发挥压剪破坏的警示作用。
如前述图1a所示，为本体10有四个支承20所支撑的实施例，其中两 个支承20分别位在本体10的两端，另外地两个支承20则等距支撑于本体 10的两端之间，以形成等距三跨连续梁而有三跨度段。假设本体10每跨度 段为10公尺，当受有2300kgf/m的均布负荷，可通过结构分析软体(例如 SAP2000)计算出本体10的均布负荷数据，并绘制成图1b的弯矩图，此弯矩 图有五个区间，包括区间A、区间B、区间C、区间D、区间E，其中区间A、 区间C和区间E等跨度段呈现正弯矩，另外地中间支承20两处的区间B、区 间D呈现负弯矩。若此本体10的本体断面选用前述H400L*200W*7t*11T的 规格，则其在压力区和拉力区的应力比值如表2所示，以区间A、区间B以 及区间C进行说明，所承受的应力都在弹性极限的安全范围。
表2
Figure BDA0002649048670000081
承上，若将本体10的均布负荷增加至2500kgf/m(均布负荷的增幅约略 为10％)，而以本体断面同样选用前述H400L*200W*7t*11T的规格而言，其在 压力区和拉力区的应力比值如表3所示，包括压力区及拉力区于区间B所承 受的应力都已超过弹性极限的安全范围内，明显属于超限使用情形，有可能 无预警地发生瞬间压剪破坏。
表3
Figure BDA0002649048670000082
Figure BDA0002649048670000091
同样是在本体10的均布负荷为2500kgf/m的超限使用的情况下，若本 体10的本体断面改选用前述H400L*200W*7t*12T1/10T2的规格，并以12mm 厚的翼板11在下，10mm厚的翼板11在上，则区间A、区间B以及区间C的 压力区与拉力区的应力比值如表4所示(正弯矩是以上为压力而以下为拉力； 负弯矩则以上为拉力而以下为压力)。由于所选用的本体10本体断面为依中 性轴NA而呈两边不对称的非对称断面，而在区间B的压力区的应力比值为-0.962，因此所承受的应力仍在弹性极限的安全范围内；反观区间B的拉力 区的应力比值已达-1.067，已先于压力区超过弹性极限后降伏而开始发生延 展与塑性变形的破坏，使在压力区的应力比值小于1时，拉力区的应力比值 已大于1而发生塑性变形的延展性拉力破坏，借此拉力区的塑性变形，起到 压力区可能无预警发生瞬间压剪破坏的警示作用。
表4
应力比值 区间A 区间B 区间C
压力区 0.800 -0.962 0.267
拉力区 0.722 -1.067 0.241
若前述的本体10有楼版D于在上的翼板11铺设并以剪力钉30固定， 若剪力钉30密度与强度充分，楼版D通过剪力钉30与本体10连为似T型 的一体梁(如图5所示)，此时本体10于支承40间的跨度段正弯矩而以压力 区在上、拉力区在下，因在上的翼版11受楼版D约束，使压力区的断面模 数增加而提高了承载能力；如依结构模式而言，可依材料力学表现出弯矩关 系式(如式1)，且如图6a所示，其中两边支承40(也以端点A、B表示)与跨 度中间都为临界点(端点A、B为特征临界点)；又如图6b所示，MA与MB都为 负弯矩，Mmax为正弯矩。
式1：
Figure BDA0002649048670000101
然而，本体10在支承40处负弯矩而以拉力区在上、压力区在下，在上 的翼版11同样受楼版D约束，反造成拉力区的断面模数增加而提高了承载 能力，而在支承40处变成压力区先超过弹性极限而破坏。由此可知，当本 体10与楼版D结合时，对于本体10增加了拉力区的断面模数而提高承载能 力，造成压力区先超过弹性极限而塑性变形破坏，对楼版结构设计时的安全 性影响甚大，但依目前建筑业界惯行的结构分析设计方式，是将楼版与本体10的结合视为无贡献而忽略不计，因而可能在超限使用时发生压力区瞬间破 坏的危险发生。
试举一例，假设有一本体10仅两端有前述的支承40，而两支承40间为 跨度段，支承40处为支承段，本体10的本体断面选用前述 H400L*200W*7t*11T的规格，且本体10的均布负荷为3000kgf/m，本体10 在上的翼板11并如前述有楼版D铺设并以剪力钉30固定，此时若将均布负 荷增至3300kgf/m而超限使用，如表5所示可发现，支承段的拉力区因断面 模数增加而提高承载能力，导致应力比值未超过弹性极限，反倒是支承段的 压力区应力比值已超过弹性极限而破坏。(表5中，σ表示为断面最大应力； fy表示为金属材料的降伏应力，假设为2500kgf/cm2；S压、S拉表示为压、 拉力区的断面模数，下列表6、7、8亦同)
表5
Figure BDA0002649048670000111
同样是将均布负荷增至3300kgf/m而超限使用的情况下，本体10的本 体断面改选用H400L*200W*7t*14T1/8T2非对称断面的规格，此时如表6所 示，虽支承段的拉力区因断面模数增加而提高承载能力，但通过本体10的 本体断面的断面形状依中性轴NA呈两边不对称，而可调整连有楼版D的本 体10在压力区的断面模数仍可大于拉力区的断面模数，致使支承段的压力 区的应力比值在超限使用时仍不会超过弹性极限，而是支承段的拉力区的应 力比值先超过弹性极限后降伏而进入塑性变形破坏，以同样能起到压力区可 能无预警发生瞬间压剪破坏的警示作用。
表6
Figure BDA0002649048670000112
Figure BDA0002649048670000121
又例如均布负荷为2750kgf/m而未超限使用的情况，本体10在上的翼 板11同样有楼版D铺设并以剪力钉30固定，依现有业界惯例的结构分析(忽 略楼版D贡献)，将选用RH400L*200W*7t*11T以上规格，所呈现的应力比值 如表7所示：
表7
Figure BDA0002649048670000122
综上，若在相同条件下改采本发明的非对称断面金属梁柱，并应符合实 际而加计楼版D的贡献，此时本体10的本体断面可降低规格而选用 H380L*190W*7t*14T1/8T2非对称断面的规格，并如表8所示，压力区及拉力 区的应力比值都在弹性范围内(应力比值≤1)，且在有楼版D时，支承段的 压力区断面模数高于拉力区而仍有较高的承载能力，而即使有超限使用的情 况下，支承段的拉力区的应力比值先超过弹性极限后降伏而进入塑性变形破 坏，不但能起到压力区可能无预警发生瞬间压剪破坏的警示作用，且因规格 降低而减少单位重(单位重相对于H400L*200W*7t*11T的规格减少了6.4％)， 而在符合结构安全的前提下，也可节省本体10的材料成本。
表8
Figure BDA0002649048670000123
Figure BDA0002649048670000131
由上述的说明不难发现本发明的特点，在于：
1.本发明的本体10在受有临界负荷时，因本发明的本体断面设计其断 面形状依定义的中性轴NA呈两边不对称，使本体10在最大弯矩处本体断面 的压力区的断面模数大于拉力区的断面模数，因此当本体10承受负荷时， 拉力区即已达弹性极限而降伏后进入塑性变形，借此对压力区可在压剪破坏 前起到警示作用，以利于争取人员疏散或结构补强等紧急处置的时间。
2.现有业界对钢筋混凝土楼版对钢本体断面模数的影响通常忽略不计、 或将梁轴力(即梁构件受有负荷下所生的压力)忽略导致大梁柱端的拉力区 断面模数大于压力区及/或压力区先临界破坏而不知的问题，以及楼版D的 悬臂钢梁因版梁结合而使拉力区的断面模数大于压力区的断面模数的问题， 可通过本发明本体10的本体断面以非对称断面设计加以克服，借此将现有 业界的前述有疑虑的施作工法予以导正。
3.本发明本体10的本体断面以非对称断面的设计，在以拉力区达弹性 极限后降伏而进入塑性变形，以对压力区可在压剪破坏前起到警示作用的 外，并可通过本体断面的规格降低而减少单位重，因此在符合结构安全的前 提下，也可节省本体10的材料成本。
以上所举实施例仅用以说明本发明而已，非用以限制本发明的范围。举 凡不违本发明精神所从事的种种修改或变化，都属本发明权利要求保护的范 畴。

Claims (9)

1.一种具破坏警示功能的非对称断面金属梁柱，其特征在于：包括一为梁或柱的本体，该本体具有一本体断面，该本体断面的断面形状定义一中性轴，且该本体断面定义受有纯弯矩负荷时的一压力区和一拉力区，所述本体各点在弹性范围内对该中性轴呈线性关系，所述本体断面的断面形状依该中性轴呈两边不对称，所述本体在最大弯矩处的本体断面的所述压力区的断面模数大于所述拉力区的断面模数，当该压力区所受应力达弹性极限而降伏前，该拉力区所受应力先达到弹性极限后降伏而进入塑性变形，以该拉力区进入塑性变形而起到该压力区可能发生压剪破坏的警示作用。
2.如权利要求1所述的具破坏警示功能的非对称断面金属梁柱，其特征在于：所述该本体断面的断面形状依该中性轴呈不对称的两边，宽度相同而厚度为一边较厚且另一边较薄，以较厚的一边为所述压力区而具较大的断面模数，且以较薄的一边为所述拉力区而具较小的断面模数。
3.如权利要求1所述的具破坏警示功能的非对称断面金属梁柱，其特征在于：所述该本体断面的断面形状依该中性轴呈不对称的两边，厚度相同而宽度为一边较宽且另一边较窄，以较宽的一边为所述压力区而具较大的断面模数，且以较窄的一边为所述拉力区而具较小的断面模数。
4.如权利要求1所述的具破坏警示功能的非对称断面金属梁柱，其特征在于：所述本体为横梁而受多个支承的支撑以承受负荷。
5.如权利要求4所述的具破坏警示功能的非对称断面金属梁柱，其特征在于：该本体为连续梁，其由多个梁段以端对端续接构成。
6.如权利要求1所述的具破坏警示功能的非对称断面金属梁柱，其特征在于：所述本体为均质材质的钢梁和铝梁的其中之一。
7.如权利要求1所述的具破坏警示功能的非对称断面金属梁柱，其特征在于：所述本体断面呈H型。
8.如权利要求1所述的具破坏警示功能的非对称断面金属梁柱，其特征在于：所述本体断面呈口型。
9.如权利要求1所述的具破坏警示功能的非对称断面金属梁柱，其特征在于：所述本体断面呈C型。
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