鋼結構(steelwork) / CON4334
詳解例題

2024 AQ1:必答樓面鋼樑(steel beam)設計及理論

展開教學步驟旁的「動畫解說(Animation lab)」,觀看圖解或逐步讀取原式。模型為示意,原題答案完整保留。

中英術語對照(Terminology)

想先看簡單圖解?可展開難點旁的「淺白解說(Simple explanation)」。這些補充不會取代原有完整推導。

完成 40 分必答題。樓板(slab)180mm,混凝土單位重(unit weight) 24.5kNm3,飾面 0.4kNm2,外加荷載(imposed load) 4.5kNm2B1 為 356×127×39 UB,B2 為 406×140×46 UB,全部 S355。g=10ms2 計入自重(self-weight)鋼樑(steel beam)為簡支、有完全側向約束(lateral restraint),並承托脆性(brittleness)飾面。

原始來源:Pastpaper/23ENGTY004.pdf — 第 2 頁標為已知(given)的值來自題目或圖;查表(lookup)值來自指定表格;計算(calculated)值由以下步驟求得;假設(assumptions)均會明確說明。

讀圖並整理已知資料(given data)

輸入資料類型準確來源位置
已知樓板(slab)資料題目段落:180mm 厚、單位重(unit weight) 24.5、飾面 0.4、外加荷載(imposed load) 4.5
已知支承/跨度(span)Figure AQ1 的尺寸鏈及柱符號;配合原裁圖旁的解釋閱讀。
計得寬度內部 B1 分擔荷載(tributary load)寬度 2.52+2.52=2.5m
查表(table lookup)自重(self-weight)Data File 第 9 頁給 B1 質量 39.1kgm;B2 質量 46kgm。標稱截面名稱內的質量可能已取整。
方法適用性題目明確指定樓板(slab)提供完全側向約束(lateral restraint);沒有假定組合截面增強作用。

計算前:辨認題型與選擇策略

這類必答題反覆考同一條解題次序:樓板(slab)面荷載(area load) → 樑分擔線荷載(line load) → 傳到承托樑的反力(reaction) → 截面分類(section classification) → 抗剪/抗彎 → 只計外加荷載(imposed load)的撓度(deflection)須按實際平面方向作答;單看 B1/B2 名稱不能知道樑跨向。

(a)(i) 樓板(slab)設計面荷載(area load)——原卷 4 分

淺白解說(Simple explanation):為何先分開恆載與外加荷載?

像兩個購物籃,各自乘不同系數後才加起來。

為何先分開恆載與外加荷載? — 像兩個購物籃,各自乘不同系數後才加起來。
自編教學示意圖(Teaching sketch)・非按比例・可按圖放大。題目尺寸一律以原題圖為準。
  1. 自重及永久飾面放入恆載(Dead load, G)籃。
  2. 指定使用荷載放入外加荷載(Imposed load, Q)籃。
  3. 本課程所述重力極限組合(ULS):1.4G+1.6Q

注意(Remember):這個 ULS 組合不是外加荷載撓度(Imposed-load deflection)的計算荷載。

相關概念與完整方法(Full method)

樓板厚度:180mm=0.18m混凝土恆載:0.18×24.5=4.41kNm2gk=4.41+0.4=4.81kNm2qk=4.5kNm2極限面荷載:1.4×4.81+1.6×4.5=13.934kNm2

混凝土單位重(unit weight)kNm3,乘以米為單位的樓板(slab)厚度(thickness),才得到 kNm2面荷載(area load)還不是樑線荷載(line load)下一步須加入分擔荷載(tributary load)寬度。

動畫解說(Animation lab)從特徵荷載到設計荷載(Load factors)1 個概念 · 1 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. G 是永久荷載,Q 是外加荷載;面荷載與線荷載的單位也不同。
  2. 本示意使用課程重力組合 原文其他荷載組合仍使用各自的係數。
  3. 示意取 調整 Q,觀察兩種荷載各自的貢獻。
  4. 不可直接把此極限狀態(ULS)總荷載代入撓度公式;須遵從指定的正常使用狀態(SLS)荷載。

(a)(ii) 驗證 B1 內力——原卷 3 分

分擔荷載寬度:2.52+2.52=2.5mB1 自重:39.1kgm×10ms21,000=0.391kNm恆載線荷載:4.81×2.5+0.391=12.416000kNm外加線荷載:4.5×2.5=11.25kNm極限線荷載:w=1.4×12.416000+1.6×11.25=35.382400kNm每端反力:R=wL2=35.382400×72=123.838400kNVmax=R=123.838400kN剪力 V(x)=Rwxx=3.5m 處為零。Mmax=wL28=35.382400×728=216.717200kN·m

39kgm 是標稱名稱;準確截面表(section tables)質量為 39.1kgm須說明所用慣例並貫徹使用。B1 的豎向支承間距為 7m,樓板(slab)分擔寬度(tributary width) 2.5m 並不是樑跨度(span)

取至小數一位:V=123.8kNM=216.7kN·m,符合試卷 123.8216.7這些是原卷印刷的目標值,不是官方完整解答(solution)

動畫解說(Animation lab)追蹤樓面荷載(3D load path)4 個概念 · 3 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 樓面承受 的面荷載;標示的樓面帶由一條次樑承擔。
  2. 面荷載乘分擔寬度(tributary width):本示意
  3. 主樑在接駁位置承受次樑反力;該反力不會自動變成全跨均布荷載。
  4. 反力沿鋼柱傳至基礎;同一承載面積只計一次。

(a)(iii) 驗證 B2 內力——原卷 5 分

淺白解說(Simple explanation):樓板荷載怎樣走到樑?(Load path)

每條樑收集屬於自己的那條樓板帶所承受的荷載。

樓板荷載怎樣走到樑?(Load path) — 每條樑收集屬於自己的那條樓板帶所承受的荷載。
自編教學示意圖(Teaching sketch)・非按比例・可按圖放大。題目尺寸一律以原題圖為準。
  1. 按平面圖找分擔寬度(Tributary width)。
  2. 面荷載(Area load)× 分擔寬度 = 線荷載(Line load)。
  3. 支承另一條樑時,接收的是該樑的端反力(End reaction)。

注意(Remember):端反力形成集中荷載(Point load),不能直接當作均佈荷載(UDL)。

相關概念與完整方法(Full method)

每條 B2 在中點承受一個 B1 端反力,P=123.838400kN。B2 自重:46×101,000=0.46kNmB2 極限均布荷載:w=1.4×0.46=0.644kNm跨度:L=2.5+2.5=5m每端反力:R=P2+wL2=123.8384002+0.644×52=63.529200kNVmax=63.529200kNMmax=PL4+wL28=123.838400×54+0.644×528=156.810500kN·m

傳來的 P 已乘荷載系數,不要再乘一次。此處 B2 全跨均布荷載(uniformly distributed load, UDL)只有本身自重(self-weight):單向樓板(slab)荷載經 B1 傳來,或到達已有支承的端節點,不可任意沿 B2 攤開。

取至小數一位:V=63.5kNM=156.8kN·m,符合試卷 63.5156.8其後驗算(check)保留未取整內力。

動畫解說(Animation lab)追蹤樓面荷載(3D load path)4 個概念 · 3 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 樓面承受 的面荷載;標示的樓面帶由一條次樑承擔。
  2. 面荷載乘分擔寬度(tributary width):本示意
  3. 主樑在接駁位置承受次樑反力;該反力不會自動變成全跨均布荷載。
  4. 反力沿鋼柱傳至基礎;同一承載面積只計一次。

(a)(iv) 兩種截面分類(section classification)——原卷 4 分

淺白解說(Simple explanation):薄板會先起皺(Local buckling)

整根鋼構件尚未發揮預期承載力,薄板部分可能已先起皺。

薄板會先起皺(Local buckling) — 整根鋼構件尚未發揮預期承載力,薄板部分可能已先起皺。
自編教學示意圖(Teaching sketch)・非按比例・可按圖放大。題目尺寸一律以原題圖為準。
  1. 分別按定義算翼緣(Flange)及腹板(Web)的寬厚比。
  2. 把各比值與適用截面類別(Section class)界限比較。
  3. 較不利板件決定整個截面的類別。

注意(Remember):彎曲(Bending)與均勻受壓(Uniform compression)的界限不同。

相關概念與完整方法(Full method)

查表(table lookup):Data File 第 9–10 頁,準確選取 356×127×39 UB 列。第 9 頁列尺寸,第 10 頁列截面性質(section properties)D 是總高;d 是兩根部圓角(root radius)之間的腹板淨高(clear web depth),不是截面名稱的標稱尺寸。

截面性質(section properties)查表(table lookup)值/換算
尺寸D=353.4、腹板(web) t=6.6、翼緣(flange) T=10.7、根部 r=10.2、淨高 d=311.6,全部以 mm 計。
局部寬厚比(width-to-thickness ratio)bT=5.89dt=47.2
強軸(major axis)截面性質(section properties)Ix=10170cm4=1.017×108mm4Zx=576cm3Sx=659cm3
LTB 所需性質ry=2.68cm=26.8mmu=0.871;扭轉指數 x=35.2
S355,翼緣 T=10.7mm,故 py=355Nmm2ε=275355=0.880141翼緣:bT=5.89<9ε=7.921268彎曲腹板:dt=47.2<80ε=70.411267兩者均為 Class 1,故 βW=1,可採塑性抗彎。dt=47.2<70ε=61.609858按課程限值,不必另作剪切屈曲計算。

查表(table lookup):Data File 第 9–10 頁,準確選取 406×140×46 UB 列。第 9 頁列尺寸,第 10 頁列截面性質(section properties)D 是總深度;d 是兩角根圓角之間的腹板(web)淨深度,不是型鋼標稱尺寸。

截面性質(section properties)查表(table lookup)值/換算
尺寸D=403.2、腹板(web) t=6.8、翼緣(flange) T=11.2、角根半徑 r=10.2、淨深 d=360.4,單位全為 mm
局部寬厚比(width-to-thickness ratio)bT=6.35dt=53
強軸(major axis)截面性質(section properties)Ix=15690cm4=1.569×108mm4Zx=778cm3Sx=888cm3
LTB 所需性質ry=3.03cm=30.3mmu=0.871;扭轉指數 x=38.9
S355,翼緣 T=11.2mm,所以 py=355Nmm2ε=275355=0.880141翼緣:bT=6.35<9ε=7.921268受彎腹板:dt=53<80ε=70.411267兩者均屬 Class 1,所以 βW=1,可用塑性彎矩承載力。dt=53<70ε=61.609858按課程限值,不須計算剪切屈曲。

兩條樑均屬 Class 1,不需 Class 4 有效截面性質(section properties)計算。試卷已給樓板(slab)完全側向約束(lateral restraint),所以這些樓面樑不必驗算(check) LTB;仍須驗算局部抗剪/抗彎及撓度(deflection)

動畫解說(Animation lab)薄板為何局部屈曲(Section class)1 個概念 · 28 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 翼緣外伸部分與腹板的寬度、厚度及邊界支承不同。
  2. 較薄板件可能先局部起皺,早於整條構件失穩。
  3. 第 1 類可提供塑性轉動,第 2 類可達塑性承載力,第 3 類達彈性承載力,第 4 類須用有效截面性質。
  4. 依原表限值及應力分布驗算所有相關受壓板件,再取較不利類別;圖中變形為定性示意。

(a)(v) B1 是否足夠——原卷 10 分

淺白解說(Simple explanation):一邊壓、一邊拉(Bending)

彎曲使截面兩側做相反工作:一側被壓短,另一側被拉長。

一邊壓、一邊拉(Bending) — 彎曲使截面兩側做相反工作:一側被壓短,另一側被拉長。
自編教學示意圖(Teaching sketch)・非按比例・可按圖放大。題目尺寸一律以原題圖為準。
  1. 先按實際荷載及支承求彎矩(Moment)。
  2. 按截面類別選適用抗彎承載力(Moment resistance)公式。
  3. 檢查同一位置的共同作用剪力(Coexistent shear)會否改變公式。

注意(Remember):要用該位置的剪力,不是隨意套用另一位置的最大剪力。

相關概念與完整方法(Full method)

Av=tD=6.6×353.4=2332.44mm2Vc=pyAv3=355×2332.443×1,000=478.055376kNVmax=123.838400kN<Vc抗剪通過。0.6Vc=286.833226kN>Vmax即使峰值剪力亦屬低剪力,故全樑均可採低剪力抗彎式。Mc=min(pySx,1.2pyZx)=min(355×6591,000,1.2×355×5761,000)=min(233.945,245.376)=233.945kN·m|M|max=216.717200kN·m抗彎通過。
B1 外加線荷載:q=4.5×2.5=11.25kNm=11.25NmmL=7,000mmE=205,000Nmm2Ix=10,170×104mm4δB1=5qL4384EI=5×11.25×7,0004384×205,000×10,170×104=16.869750mm脆性飾面限值:7,000360=19.444444mm16.869750<19.444444,通過。
動畫解說(Animation lab)觀察腹板剪力(Shear resistance)4 個概念 · 2 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 內部剪力使切口兩側保持垂直平衡。
  2. 課程常見工字截面主要由腹板提供剪切面積,但須採指定定義。
  3. 較薄腹板可能需要先按另一剪切屈曲程序驗算,不能直接沿用簡式。
  4. 在課程適用條件下使用 應先把 N 換成 kN,再與設計剪力比較。

(a)(vi) B2 是否足夠——原卷 10 分

淺白解說(Simple explanation):樑下垂多少?(Deflection)

強度問會否破壞;撓度問移動了多遠。

樑下垂多少?(Deflection) — 強度問會否破壞;撓度問移動了多遠。
自編教學示意圖(Teaching sketch)・非按比例・可按圖放大。題目尺寸一律以原題圖為準。
  1. 用題目指定的正常使用荷載(Serviceability load case)。
  2. 選符合支承及荷載位置的撓度公式。
  3. 荷載、長度、E 和 I 的單位要互相配合。

注意(Remember):最大撓度(Maximum deflection)不一定在跨中(Midspan)。

相關概念與完整方法(Full method)

Av=tD=6.8×403.2=2741.76mm2Vc=pyAv3=355×2741.763×1,000=561.949335kNVmax=63.529200kN<Vc抗剪通過。0.6Vc=337.169601kN>Vmax即使峰值剪力亦屬低剪力,故全樑均可採低剪力抗彎式。Mc=min(pySx,1.2pyZx)=min(355×8881,000,1.2×355×7781,000)=min(315.24,331.428)=315.24kN·m|M|max=156.810500kN·m抗彎通過。
B1 傳給 B2、只計外加荷載的反力:Pq=(4.5×2.5)×72=39.375kNL=5,000mmIx=15,690×104mm4δB2=PL348EI=39375×5,000348×205,000×15,690×104=3.187958mm脆性飾面限值:5,000360=13.888889mm3.187958<13.888889,通過。
動畫解說(Animation lab)觀察腹板剪力(Shear resistance)4 個概念 · 2 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 內部剪力使切口兩側保持垂直平衡。
  2. 課程常見工字截面主要由腹板提供剪切面積,但須採指定定義。
  3. 較薄腹板可能需要先按另一剪切屈曲程序驗算,不能直接沿用簡式。
  4. 在課程適用條件下使用 應先把 N 換成 kN,再與設計剪力比較。

(b) 畫並命名四種熱軋(hot-rolled)截面——原卷 4 分

Ch 1 第 4 頁原截面草圖。本題辨認 UB、UC、槽鋼及角鋼輪廓。
Ch 1 第 4 頁原截面草圖。本題辨認 UB、UC、槽鋼(channel section)及角鋼(angle section)輪廓。原圖(source diagram)英文名稱對照:Universal Beam=通用樑(universal beam, UB);Universal Column=通用柱(universal column, UC);Channel=槽鋼;Equal/Unequal Angle=等邊/不等邊角鋼;Structural Tee cut from UB=由 UB 切出的結構 T 形;Circular/Square/Rectangular Hollow Section=圓形/正方形/矩形空心截面。圖上尺寸標記的可選取對照(保留原圖範圍,不是本題設計輸入):UB D×B203×133914×419;UC D×B152×152356×406;槽鋼 D×B76×38432×102;等邊角鋼 A×A25×25250×250;不等邊角鋼 A×B40×25200×150;T 形 B×A133×102305×457;圓形空心 D21.3457;正方形空心 D×D20×20400×400;矩形空心 D×B50×30450×250。尺寸箭嘴各自指出總高、總寬或角鋼邊長;不可按圖形比例補量其他尺寸。開啟原尺寸圖片
名稱應畫及標示的形狀
通用樑(Universal beam,UB)I 形輪廓,一般較深、翼緣(flange)較窄;包括腹板(web)及兩個翼緣。
通用柱(Universal column,UC)H/I 形輪廓,翼緣(flange)較寬,寬度與高度較接近;清楚標名,以別於 UB。
槽鋼(channel)C/U 形輪廓,一塊腹板(web)及位於同一側的兩個翼緣(flange)
角鋼(angle)L 形輪廓,兩邊互相垂直;指明等邊或不等邊角鋼(angle section)

畫容易辨認的截面輪廓,旁邊寫名稱。把同一 I 形旋轉不能算另一種截面類型。題目只要求名稱及草圖,不必作數值承載力(resistance)設計。

動畫解說(Animation lab)截面幾何與軸向(Section properties)1 個概念

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 翼緣(flange)是兩塊寬板,腹板(web)把它們連起來;旋轉模型可看清位置。
  2. 同一截面沿兩個主軸的剛度及承載力不同。
  3. I 控制彈性彎曲; 是彈性截面模數;塑性模數 S 由塑性應力區塊求得。
  4. 名義截面標記不等於所有實際尺寸;須同時核對表列、軸向及單位。

精簡考試答案(exam answer)

結果B1B2
極限自重(self-weight)/樓面線荷載(line load)模型w=35.382400kNmP=123.838400kNw=0.644kNm
最大剪力(shear force)123.838400kN63.529200kN
最大彎矩(maximum bending moment)216.717200kN·m156.810500kN·m
截面類別(section class)11
外加荷載(imposed load)撓度(deflection)/限值16.86975019.444444mm3.18795813.888889mm
題目要求的適用性結論通過通過

樓板(slab) gk=4.81qk=4.5、極限面荷載(area load) 13.934kNm2最後 4 分部分採上方理論解釋。精簡考試答案(exam answer)仍須列單位、塑性(plasticity)上限及正常使用荷載(service load)的選擇。

應避免的錯誤

  • 不要把樓板(slab)跨間寬度當成承托樑跨度(span)
  • 不要把傳來的反力(reaction)重複乘荷載系數。
  • 只計外加荷載(imposed load)的撓度(deflection)式,不要用設計荷載(design load)
  • 不要混淆 Icm4)、Zcm3)及 Scm3)。
  • 抗彎通過,不代表撓度(deflection)也通過。

處理陌生變式的程序

  1. 標出樓板(slab)跨向箭嘴、支承點及構件跨度(span)
  2. 分別求恆載(dead load)/外加面荷載(area load)及線荷載(line load)
  3. 每條被支承樑的反力(reaction)只傳遞一次。
  4. 求承載能力極限狀態(ULS)內力,並按每個準確截面分類(section classification)
  5. 先驗算(check)抗剪/低剪力(low shear)抗彎,再驗算只計外加荷載(imposed load)的撓度(deflection)
  6. 最後明確寫通過/不通過,並回答簡答理論部分。

獨立自我測試

自己試做。自編變式:只把外加面荷載(area load)增加 20%兩條樑的撓度(deflection)驗算(check)有甚麼變化?

顯示答案及解釋

只計外加荷載(imposed load)的撓度(deflection)1.2:B1 變為 20.243700mm,B2 變為 3.825549mm分別比較 19.44444413.888889mm,至少一條超出限值。強度內力須按 1.4G+1.6×1.2Q 重算;恆載(dead load)不變,所以不能全部直接乘 1.2