TWI499707B - 一種面外變形束制之接合結構 - Google Patents

Description

一種面外變形束制之接合結構

本創作係與一種可強化橋樑、建築物之接合結構有關，尤指可增加鋼板抗挫屈強度之至少一束制構件，其係設置在用於一桁架或斜撐構架之一角板(接合板)的側面，以避免該角板發生面外變形而產生挫屈。

角板(gusset plate)或稱為接合板，係設置在弦材或樑、柱構件之間，並與桁架腹桿或二力構件連接以傳遞載重，因此可被應用在各種橋樑和建築物之中。一般角板大多係以鋼板製成，再根據需求在鋼板上鍍鋅或塗裝，而由於鍍鋅後的鋼板保護角板避免生鏽的能力較佳，所以大部份鍍鋅的鋼板係被使用在戶外；偶爾，角板會以銅或是鋁材質來製作，但僅限於應用在無需太大支撐力的小型結構上，同時銅或是鋁由於其等之材質特性，因此很常被使用在戶外的結構。

請參閱第一A圖，其係為習用角板應用於斜撐構架之示意圖，其中一角板A2係與一柱結構A3及一樑結構A4連接，而一斜撐A1係連接於該角板A2上，並形成習用斜撐結構的一部份；該角板A2係位於該柱結構A3、該樑結構A4及該斜撐A1的結合位置，進而可提供力量傳遞的功 能，一般來說，該力量越大，角板A2的尺寸就要越大；該習用結構可被應用於橋樑、建築物之中，其中橋樑會因自身重量、車輛載重或地震而產生變形與振動，此時，在各構件內便會產生內力。如第一A圖中，當該斜撐A1承受壓力F作用時，其係透過角板A2而與相鄰桿件達到力量平衡，此時，該角板A2會依據載重與勁度來分配應力，且由於受到幾何形狀不連續的影響，該應力分布並不均勻；另外，該習用結構還可被應用於含斜撐之建築物中，當地震發生時，該建築物會因地表加速度搖晃而引致側向載重，此時，斜撐係在傳遞地震力最直接的路徑上，因而成為抗震主要的關鍵，其中角板A2就是將載重傳入與傳出斜撐的關鍵元件。

經由上述說明，應可清楚地瞭解目前習用斜撐結構之組成元件與其結構，並可知該角板A2可在習用斜撐構架間傳遞應力，然而，該角板A2在承受較大壓力時會發生挫屈變形而影響強度，請同時參考第一B圖，其係為在習用斜撐結構內產生應力時，角板發生挫屈之示意圖，其中，當習用斜撐結構內產生應力時，該角板A2可能會承受一壓力F，而使得該角板A2發生變形而挫屈，且該角板A2的強度與勁度將會隨著變形量增加而下降，並造成該角板A2之拉、壓強度與韌性不對稱的現象，進而影響到橋樑或是建築物的耐震行為與結構安全。

現今，研究人員一直亟欲突破技術，以避免角板過早發生挫屈，因此研發出加勁板的輔助結構。請參考第一C圖，其係為將加勁板設置於角板側邊之示意圖，其中二習用加勁板A5係被焊接在該角板A2之二側邊，以增加該角板A2的強度、勁度。然而，由過去的國內、外試驗結果顯示，加勁板A5雖可以避免該角板A2之自由邊發生局部挫屈，但仍然會發生整體面外變形、挫屈等情況，且習用的加勁板A5因為係與該角板A2焊接在一起，加勁板本身也會分配到載重，而直接妨礙該角板A2面外轉動與拉力變形能力，進而於載重、變形較大時自應力集中處造成撕裂。有鑑於習用斜撐結構中角板的應用仍具有許多缺點與不足，本案之發明人極力加以研究創作，終於研發完成本發明之一種面外變形束制之接合結構。

本創作之主要目的，在於提供一種面外變形束制之接合結構，係提供一種束制構件，設置在角板或二力構件之側面或側邊，並與弦材或樑、柱構件連接，如此，該束制構件可避免該角板或二力構件端點產生不預期的面外變形，提高該角板的抗挫屈能力，以使得建築物能夠被強化，以符合安全與可靠之設計目標。

為了實現上述目的，本發明係提供一種面外變形束制之接合結構，係可被使用於一建築結構，包括：至少一建 築構件；一第一角板(gusset plate)，係與該建築構件連接，而至少一二力構件則相對於該建築構件與該第一角板連接；及至少一束制構件，係設置在該第一角板或二力構件之側面，並與該建築構件連接；其中，該建築構件可為桁架(truss)構件、弦材(chord)、樑構件或柱構件，而該二力構件可為桁架腹桿或斜撐(Brace)構件。

其中，該束制構件係設置於該第一角板上產生側向位移並設定需要束制之位置，以增加該第一角板之抗挫屈強度，而該產生側向位移之位置係以該第一角板之挫屈模態(buckling modes)所決定，同時，該第一角板之挫屈模態還決定該束制構件之第一面之幾何形狀與設置位置。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種面外變形束制之接合結構，以下將配合圖式來詳盡說明本發明之較佳實施例。

請參考第二A圖及第二B圖，其等係為本發明的接合結構之第一實施例的示意圖。本發明的一種面外變形束制之接合結構，係可被使用於一建築結構，其包括：一建築構件11；一第一角板21，具有至少一側面211，並與該建築構件11連接，而一二力構件12則係相對於該建築構件11而與該第一角板21連接；及一束制構件31，其係設置在該第一角板21之該側面211上方，並與該建築構件11 連接；其中，該建築構件11可為桁架(truss)構件、弦材(chord)、樑構件或柱構件，該二力構件12則可為桁架腹桿或斜撐(Brace)構件，而該束制構件31之材質係較佳地為鋼材。

請參考第二C圖及第二D圖，其係依照第二A圖及第二B圖中剖面線L，來分別示範二種本發明束制構件與角板的連接態樣之示意圖，其中在第二C圖中，該束制構件31是以鉚接的方式來與該第一角板21連接，而在第二D圖中，該束制構件31則是以螺栓的方式來與該第一角板21連接；另外，再請參考第二E圖，其係依照第二D圖中剖面線L’，來示意螺栓穿越束制構件之態樣，其中該束制構件31係具有孔洞以供螺栓穿越，且孔洞與螺栓間係具有間隙G；當該第一角板21受力後，螺栓可在間隙G的容許範圍內移動，藉此該束制構件31不會與該第一角板21一同壓縮或拉伸。

請參考第二F圖及第二G圖，其等係為依照第二A圖及第二B圖中剖面線L，來分別例示另外二種本發明的束制構件與角板的連接態樣之示意圖，其中在第二F圖中，該束制構件31與該第一角板21之間可保持微小的間隙，而無需使用鉚釘或螺栓等連接元件，甚至該束制構件31亦可直接接觸該第一角板21；此外，在特別的情況下，該束制構件31係還可以焊接的方式與該第一角板21連接，如第二G圖所示，該第一角板21上係具有焊道。

請參考第二H圖，其係為依照第二A圖及第二B圖中之剖面線L，來例示另一種本發明之束制構件與角板的連接態樣，另外，請參考第二I圖，其係為第二H圖的俯視圖，其中該第一角板21係具有二突出肢材，而該束制構件31係設置於該二突出肢材之間，並與該第一角板21之間保持微小的間隙。

請參考第二J圖至第二L圖，其等係為依照第二A圖及第二B圖中之剖面線L，來分別例示三種本發明之束制構件與建築構件的連接態樣之示意圖，其中第二J圖中，該束制構件31係直接以焊接的方式連接於該建築構件11上，在第二K圖中，該束制構件31則係以鉚接的方式連接於該建築構件11，而在第二L圖中，該束制構件31則係以螺栓的方式與該建築構件11連接，本發明所提供之連接方式係以提供側向支撐連結為原則，因此，上述之連接方式實僅為本發明之實施例，並非用以限制本發明之專利範圍。

請參考第三A圖及第三B圖，其等係為本發明的接合結構之第二實施例的示意圖，其中第三B圖係依照第三A圖中之剖面線L，來例示第二實施例於側視之態樣，在第二實施例中，二建築構件11係與該第一角板21連接，該第一角板21則與該二力構件12連接，四個束制構件31A係分別設置在該第一角板21之二側面，並且各別具有一第 一面311A及一第二面312A；該第一面311A係設置於該第一角板21上需要控制側向位移之位置，以增加該第一角板21之抗挫屈強度；其中，會產生側向位移之位置係依照該第一角板21之挫屈模態(buckling modes)來決定，同時，該挫屈模態還可決定該第一面311A的形狀及尺寸；該挫屈模態係用於定義出該第一角板21之面外(out of plane)變形的點、線、面範圍，因此，該束制構件31A可依照需要被控制的範圍，來決定其之幾何形狀及設置的位置；該第二面312A，係與該第一面相鄰，並可以藉由鉚接、焊接、螺栓或連接板等方式，而連接於該建築構件11；其中，上述該二建築構件11係分別為樑構件及柱構件。

請參考第四A圖至第四C圖，其等係為本發明的接合結構之第三實施例的示意圖，其中，第四B圖及第四C圖係依照第四A圖中之剖面線L，來例示第三實施例的側視之態樣，本發明的第三實施例係與第二實施例相同，二建築構件11係與該第一角板21連接，該第一角板21則與該二力構件12連接，此外，第三實施例係還提供二束制構件31B，該束制構件31B包含：一角板容置槽311B，其可容置該第一角板21，並束制第一角板21側向變形，以增加該第一角板21之抗挫屈強度；以及二構件連接端312B，當該第一角板21容置於該角板容置槽311B時，該二構件連接端312B係與該第一建築構件11連接。

接續上述，如第四B圖所示，當該第一角板21容置於該角板容置槽311B時，該第一角板21相對之二側面係可與該角板容置槽311B保持間隙；或者，如第四C圖所示，其係例示該第一角板21係以螺栓的方式連接於該角板容置槽311B的情況，當該第一角板21容置於該角板容置槽311B時，該第一角板21相對之二側面，係可以鉚接方式連接於該角板容置槽311B上；這邊所提供的連接方式僅為本發明之實施例，並非用以限制本發明之專利範圍，其它像是焊接、螺栓、突出肢材或插槽等等也是可被用來實施的方式。

請參考第五A圖至第五C圖，係本發明接合結構之第四實施例之示意圖，其中，第五B圖及第五C圖係依照第五A圖中剖面線L，來例示第四實施例的側視之態樣，本發明的第四實施例基本元件係與第二實施例相同，惟第四實施例係更提供一繫件32，當二束制構件31係設置在該第一角板21之一側面時，該繫件32係與該二束制構件31連接；另外，本發明係提供二種繫件之態樣，在第五B圖中，二繫件32A係為鋼板，其係與二束制構件31連接，而在第五C圖中，二繫件32B係為螺桿，其等係穿越二束制構件31而使得該二束制構件31連接在一起。

請參考第六A圖，其係為本發明的接合結構之第五實施例的示意圖。在結構設計中，同一個接點具有二個以上 的二力構件是很普遍的，第五實施例即是示範該第一角板21可與二個二力構件12連接的情況，該束制構件31係設置在該第一角板21上的適當位置，並與該建築構件11連接；請參考第六B圖及第六C圖，其等係為本發明接合結構之第六實施例之示意圖，其中第六C圖係為依照第六B圖中剖面線L，來例示第六實施例的側視之態樣，其中一第二角板22係與該第一角板21連接，並設置在一建築構件11上，該束制構件31則設置在該第一角板21上的適當位置上。

請參考第七A圖至第七N圖，其等係為本發明的束制構件之斷面形狀示意圖，本發明係提供至少十五種束制構件之實施態樣，其中，該束制構件31係可為L形、I形、H形、U形、T形、C形、圓形或是方形，而從第七A圖至第七E圖則依序示範束制構件31的形狀為I形、圓形、L形、T形及U形的情況，而第七F圖及第七G圖則分別示範束制構件31的形狀為中空的方形及中空的圓形；在第七H圖中，束制構件31係具有溝槽以容置該第一角板21；此外如第七I圖所示，在本發明中，依照結構設計的需求，束制構件還可置放在二力構件12之側邊，以同時為第一角板21與二力構件12提供側向支撐，該二力構件12係C形，並接合在該第一角板21之側面，I形的束制構件31則設置於該二力構件12之一側；或者，如第七J圖中所示，以π 形的束制構件31亦可被設置於該二力構件12之一側，而束制構件31的方向並不限於與二力構件平行；另外，更可如第七K圖所示，以C形的束制構件31來設置於C形的二力構件12之側面；第七L圖至第七O圖則說明束制構件31的形狀及位置，係可依照結構設計的需求來調整。

請參閱第八A圖至第八C圖，其等係為本發明之束制構件的實施態樣之示意圖，其中，第八A圖係對應於第七C圖，束制構件31之形狀為L形，並且係設置在該第一角板21側面，而第八B圖則係對應第七H圖，束制構件31具有溝槽以容置該第一角板21；在第八C圖中，該第一角板21係同時具有二種束制構件31，其等包括有第八A圖中L形的束制構件31，以及第八B圖中具有溝槽的束制構件31。

請參閱第九A圖，其係為角板在未設置習用加勁板、角板設置習用加勁板，以及角板設置本發明的束制構件時的單向載重結果比較圖，該結果係經由有限元素分析(finite element analysis,FEA)來進行，其中角板在未設置習用加勁板時的最大承受壓力為1025千牛頓(kN)，而角板在設置習用加勁板時的最大承受壓力為1135千牛頓(kN)，當角板在設置本發明之束制構件時的最大承受壓力，則可達到1678千牛頓(kN)，其等的相對比值為1：1.1：1.63，由此可知本發明所提供的束制構件係能增加角板的承受壓力。

本技術同時採用試驗方式來驗證，請參閱第九B圖，其係為角板在未設置習用加勁板、角板設置習用加勁板，以及角板設置本發明之束制構件時，於反復載重試驗結果下之強度位移包絡線比較圖，其中角板在未設置習用加勁板時的最大承受壓力為1084千牛頓(kN)，而角板在設置習用加勁板時的最大承受壓力為1144千牛頓(kN)，當角板在設置本發明之束制構件時的最大承受壓力，則可達到1604千牛頓(kN)，其等之相對比值為1：1.06：1.48，由此可知本發明所提供的束制構件，在反復載重的情況下，仍能增加角板的承受壓力，且效果比習用加勁板更好。

請參閱第十圖，其係為本發明的接合結構強化建築物之方法流程圖，其中本發明接合結構強化建築物之方法，係包含下列步驟：步驟(101)一角板係被設置在一建築構件上，步驟(102)一二力構件係被連接於該角板，及步驟(103)將至少一束制構件設置在該角板之側邊，並連接於該建築構件；其中，在步驟(103)中，該束制構件係可以藉由繫件、焊接、螺栓、保留間隙、金屬接觸等方式設置在該建築構件側面，而該建築構件係包括弦材，樑構件及柱構件；此外，束制構件係設置於該角板會產生側向位移之位置。

如此，上述已經完整且清楚地揭露本發明之一種面外變形束制之接合結構之可行實施例，並且，經由上述，吾人係可得知，本發明之一種面外變形束制之接合結構所提 供的束制構件，係設置在角板或二力構件之側面，並與樑構件及柱構件連接，因此，相較於習用加勁板，本發明的束制構件可以束制該角板或二力構件端點產生側向變形，以提供角板較佳的抗壓與面外轉動強度，又不致於影響角板受拉力與轉動變形能力，進而使得應用本發明接合結構的建築物及橋樑能夠被強化，而更加穩固安全。

上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

A1‧‧‧斜撐

A2‧‧‧角板

A3‧‧‧柱結構

A4‧‧‧樑結構

A5‧‧‧加勁板

11‧‧‧建築構件

12‧‧‧二力構件

21‧‧‧第一角板

211‧‧‧側面

22‧‧‧第二角板

31、31A、31B‧‧‧束制構件

311A‧‧‧第一面

312A‧‧‧第二面

311B‧‧‧角板容置槽

312B‧‧‧構件連接端

32‧‧‧繫件

F‧‧‧壓力

G‧‧‧間隙

L、L’‧‧‧剖面線

步驟(101)至步驟(103)‧‧‧係本發明接合結構強化建築物之方法

第一A圖係習用角板應用於斜撐構架與桁架結構之示意圖；第一B圖係習用桁架結構內產生應力時，角板發生挫屈之示意圖；第一C圖係習用加勁板設置於角板側邊之示意圖；第二A圖及第二B圖係本發明接合結構之第一實施例之示意圖；第二C圖及第二D圖係依照第二A圖及第二B圖中剖面線L，來分別示範二種本發明束制構件與角板的連接態樣之示意圖；第二E圖係依照第二D圖中剖面線L’，來示意螺栓穿越束 制構件之態樣；第二F圖至第二H圖係依照第二A圖及第二B圖中剖面線L，來分別示範另外三種本發明束制構件與第一角板的連接態樣之示意圖；第二I圖係第二H圖的俯視圖；第二J圖至第二L圖係依照第二A圖及第二B圖中剖面線L，來分別示範三種本發明束制構件與建築構件的連接態樣之示意圖；第三A圖及第三B圖係本發明接合結構之第二實施例之示意圖；第四A圖至第四C圖係本發明接合結構之第三實施例之示意圖；第五A圖至第五C圖係本發明接合結構之第四實施例之示意圖；第六A圖係本發明接合結構之第五實施例之示意圖；第六B圖及第六C圖係本發明接合結構之第六實施例之示意圖；第七A圖至第七O圖係本發明束制構件之斷面形狀示意圖；第八A圖至第八C圖係本發明束制構件實施態樣之示意圖；第九A圖係角板在未設置習用加勁板、角板設置習用加勁 板以及角板設置本發明束制構件時的載重分析結果比較圖；第九B圖係角板在未設置習用加勁板、角板設置習用加勁板以及角板設置本發明束制構件時，反復載重試驗結果包絡線比較圖；及第十圖係本發明接合結構強化建築物之方法流程圖。

11‧‧‧建築構件

12‧‧‧二力構件

21‧‧‧第一角板

211‧‧‧側面

31‧‧‧束制構件

L‧‧‧剖面線

Claims (10)

1. 一種面外變形束制接合結構，係可被使用於一建築結構，包括：至少一建築構件；至少一二力構件；一第一角板，其係與該建築構件以及該二力構件連接，並具有至少一側面；以及至少一束制構件，其係設置在該第一角板之該側面上方，並與該建築構件連接；其中，該束制構件係至少具有：一第一面，係設置於該第一角板之上會產生側向位移並需要束制之位置，以增加該第一角板之抗挫屈強度；並且，該第一面之幾何形狀與設置位置係依據該第一角板之挫屈模態來決定；一第二面，係與該第一面相鄰，並連接於該建築構件。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一種面外變形束制接合結構，其中該建築構件係可為下列任一種構件：桁架構件、弦材、樑構件及柱構件。
3. 如申請專利範圍第1項所述之一種面外變形束制接合結構，其中，該第一面與該第一角板之間係保持有間隙。
4. 如申請專利範圍第1項所述之一種面外變形束制接合結構，更可包含：至少一第二角板，係同時與該第一角板及該建築構件連接；及一繫件，當二束制構件設置在該第一角板之二側時，該繫件係同時與該二束制構件連接。
5. 如申請專利範圍第1項所述之一種面外變形束制接合結構，該束制構件之斷面係可為下列任一種形狀：L形、I形、H形、U形、T形、C形、π形、圓形、方形或其組合。
6. 一種面外變形束制接合結構，係可被使用於一建築結構，包括：至少一建築構件；至少一二力構件；一第一角板，其係與該建築構件以及該二力構件連接，並具有至少一側面；以及至少一束制構件，其係設置在該第一角板之該側面上方，並與該建築構件連接；其中，該束制構件至少包括： 一角板容置槽，係容置該第一角板於其中，藉此覆蓋該第一角板上產生側向位移之位置，以增加該第一角板之抗挫屈強度；並且，所述的產生側向位移之位置係以該第一角板之挫屈模態所決定，同時該第一角板之挫屈模態還決定該束制構件之幾何形狀；及二構件連接端，其中，當該第一角板容置於該角板容置槽之時，該二構件連接端係連接於該建築構件。
7. 如申請專利範圍第6項所述之一種面外變形束制接合結構，其中，當該第一角板容置於該角板容置槽時，係可以下列任一種方式與該角板容置槽接觸：鉚接、焊接、螺栓及直接接觸。
8. 如申請專利範圍第6項所述之一種面外變形束制接合結構，其中，當該第一角板容置於該角板容置槽時，該第一角板相對之二側面係與該角板容置槽保持間隙。
9. 如申請專利範圍第6項所述之一種面外變形束制接合結構，更可包含：至少一第二角板，係同時與該第一角板及該建築構件連接；及 一繫件，係用以連接該束制構件。
10. 如申請專利範圍第6項所述之一種面外變形束制接合結構，該束制構件之斷面係可為下列任一種形狀：L形、I形、H形、U形、T形、C形、π形、圓形、方形或其組合。