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 22.5+22.5=2.5m。 |
| 查表(table lookup)自重(self-weight) | Data File 第 9 頁給 B1 質量 39.1mkg;B2 質量 46mkg。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。
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。- 自重及永久飾面放入恆載(Dead load, G)籃。
- 指定使用荷載放入外加荷載(Imposed load, Q)籃。
- 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=4.41m2kNgk=4.41+0.4=4.81m2kNqk=4.5m2kN極限面荷載:1.4×4.81+1.6×4.5=13.934m2kN
混凝土單位重(unit weight)為 m3kN,乘以米為單位的樓板(slab)厚度(thickness),才得到 m2kN。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。
- 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。
- 本示意使用課程重力組合 1.4G+1.6Q;原文其他荷載組合仍使用各自的係數。
- 示意取 G=5m2kN;調整 Q,觀察兩種荷載各自的貢獻。
- 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:22.5+22.5=2.5mB1 自重:1,00039.1mkg×10s2m=0.391mkN恆載線荷載:4.81×2.5+0.391=12.416000mkN外加線荷載:4.5×2.5=11.25mkN極限線荷載:w=1.4×12.416000+1.6×11.25=35.382400mkN每端反力:R=2wL=235.382400×7=123.838400kNVmax=R=123.838400kN剪力 V(x)=R−wx 在 x=3.5m 處為零。Mmax=8wL2=835.382400×72=216.717200kN⋅m
39mkg 是標稱名稱;準確截面表(section tables)質量為 39.1mkg。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=123.8kN、M=216.7kN⋅m,符合試卷 123.8/216.7。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。
- 樓面承受 m2kN 的面荷載;標示的樓面帶由一條次樑承擔。
- 面荷載乘分擔寬度(tributary width):w=q×b。本示意 q=5m2kN。
- 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。
- 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。
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。- 按平面圖找分擔寬度(Tributary width)。
- 面荷載(Area load)× 分擔寬度 = 線荷載(Line load)。
- 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:1,00046×10=0.46mkNB2 極限均布荷載:w=1.4×0.46=0.644mkN跨度:L=2.5+2.5=5m每端反力:R=2P+2wL=2123.838400+20.644×5=63.529200kNVmax=63.529200kNMmax=4PL+8wL2=4123.838400×5+80.644×52=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=63.5kN、M=156.8kN⋅m,符合試卷 63.5/156.8。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。
- 樓面承受 m2kN 的面荷載;標示的樓面帶由一條次樑承擔。
- 面荷載乘分擔寬度(tributary width):w=q×b。本示意 q=5m2kN。
- 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。
- 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。
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。- 分別按定義算翼緣(Flange)及腹板(Web)的寬厚比。
- 把各比值與適用截面類別(Section class)界限比較。
- 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) | Tb=5.89;td=47.2。 |
| 強軸(major axis)截面性質(section properties) | Ix=10170cm4=1.017×108mm4;Zx=576cm3;Sx=659cm3。 |
| LTB 所需性質 | ry=2.68cm=26.8mm;u=0.871;扭轉指數 x=35.2。 |
S355,翼緣
T=10.7mm,故
py=355mm2N。
ε=355275=0.880141翼緣:
Tb=5.89<9ε=7.921268彎曲腹板:
td=47.2<80ε=70.411267兩者均為 Class 1,故
βW=1,可採塑性抗彎。
td=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) | Tb=6.35;td=53。 |
| 強軸(major axis)截面性質(section properties) | Ix=15690cm4=1.569×108mm4;Zx=778cm3;Sx=888cm3。 |
| LTB 所需性質 | ry=3.03cm=30.3mm;u=0.871;扭轉指數 x=38.9。 |
S355,翼緣
T=11.2mm,所以
py=355mm2N。
ε=355275=0.880141翼緣:
Tb=6.35<9ε=7.921268受彎腹板:
td=53<80ε=70.411267兩者均屬 Class 1,所以
βW=1,可用塑性彎矩承載力。
td=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。
- 翼緣外伸部分與腹板的寬度、厚度及邊界支承不同。
- 較薄板件可能先局部起皺,早於整條構件失穩。
- 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。
- 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。
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。- 先按實際荷載及支承求彎矩(Moment)。
- 按截面類別選適用抗彎承載力(Moment resistance)公式。
- 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=3pyAv=3×1,000355×2332.44=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(1,000355×659,1,0001.2×355×576)=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=11.25mkN=11.25mmNL=7,000mmE=205,000mm2NIx=10,170×104mm4δB1=384EI5qL4=384×205,000×10,170×1045×11.25×7,0004=16.869750mm脆性飾面限值:3607,000=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。
- 內部剪力使切口兩側保持垂直平衡。
- 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。
- 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。
- 在課程適用條件下使用 Vc=3pyAv;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。
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。- 用題目指定的正常使用荷載(Serviceability load case)。
- 選符合支承及荷載位置的撓度公式。
- 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=3pyAv=3×1,000355×2741.76=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(1,000355×888,1,0001.2×355×778)=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=2(4.5×2.5)×7=39.375kNL=5,000mmIx=15,690×104mm4δB2=48EIPL3=48×205,000×15,690×10439375×5,0003=3.187958mm脆性飾面限值:3605,000=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。
- 內部剪力使切口兩側保持垂直平衡。
- 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。
- 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。
- 在課程適用條件下使用 Vc=3pyAv;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(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×B 為 203×133 至 914×419;UC D×B 為 152×152 至 356×406;槽鋼 D×B 為 76×38 至 432×102;等邊角鋼 A×A 為 25×25 至 250×250;不等邊角鋼 A×B 為 40×25 至 200×150;T 形 B×A 為 133×102 至 305×457;圓形空心 D 為 21.3 至 457;正方形空心 D×D 為 20×20 至 400×400;矩形空心 D×B 為 50×30 至 450×250。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。
- 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。
- 同一截面沿兩個主軸的剛度及承載力不同。
- I 控制彈性彎曲;Z=ymaxI 是彈性截面模數;塑性模數 S 由塑性應力區塊求得。
- 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 | B1 | B2 |
|---|
| 極限自重(self-weight)/樓面線荷載(line load)模型 | w=35.382400mkN | P=123.838400kN;w=0.644mkN |
| 最大剪力(shear force) | 123.838400kN | 63.529200kN |
| 最大彎矩(maximum bending moment) | 216.717200kN⋅m | 156.810500kN⋅m |
| 截面類別(section class) | 1 | 1 |
| 外加荷載(imposed load)撓度(deflection)/限值 | 16.869750/19.444444mm | 3.187958/13.888889mm |
| 題目要求的適用性結論 | 通過 | 通過 |
樓板(slab) gk=4.81、qk=4.5、極限面荷載(area load) 13.934m2kN。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 I(cm4)、Z(cm3)及 S(cm3)。
- 抗彎通過,不代表撓度(deflection)也通過。
處理陌生變式的程序
- 標出樓板(slab)跨向箭嘴、支承點及構件跨度(span)。
- 分別求恆載(dead load)/外加面荷載(area load)及線荷載(line load)。
- 每條被支承樑的反力(reaction)只傳遞一次。
- 求承載能力極限狀態(ULS)內力,並按每個準確截面分類(section classification)。
- 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)。
- 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)乘 1.2:B1 變為 20.243700mm,B2 變為 3.825549mm。分別比較 19.444444 及 13.888889mm,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。