讀圖並整理已知資料(given data)
| 給定或採用的輸入 | 確切來源 |
|---|
| 樓面幾何 | Figure Q2:圖上每條水平 B1/B2 跨 9m;豎向 B3 跨 3+3=6m。樓板(slab)在水平樑之間沿圖上豎向跨度(span)傳力。 |
| 分擔荷載(tributary load)寬度 | 上/下 B1 各分擔一個 3m 樓板(slab)開間的一半,即 1.5m。中央 B2 兩側各收 1.5m,合共 3m。 |
| 樓板(slab)厚度(thickness) | 每個樓板(slab)開間括號中的 130,表示 130mm 鋼筋混凝土(RC)板厚,不是荷載強度。 |
| 面荷載(area load) | Q2 題文:飾面 1、間隔牆 1、屋宇裝備 0.5、外加荷載(imposed load) 5,單位均為 m2kN。 |
| 構件 | B1:406×140×46 UB;B2 及 B3:457×191×67 UB。S355、簡支;Q2 受壓翼緣(compression flange)獲完全約束。 |
| B3 額外支承資料 | 剛性承壓(stiff bearing)長 150mm、ae=75mm、be=0;明確給定兩項局部翼緣(flange)約束。 |
| 用於自重(self-weight)的表列質量 | Data File 第 9 頁:46.0 及 67.1mkg。本數值示範乘假定換算因子 1,0009.81。 |
在資料未提供前,保留 γ(混凝土單位重(unit weight),m3kN)及 g(加速度,s2m)為符號。以下是對缺少輸入資料、由來源支持的一般解:
面恆載:G=0.130γ+1+1+0.5=0.130γ+2.5m2kNB1 極限均佈荷載:1.4[1.5(0.130γ+2.5)+100046g]+1.6×7.5mkNB2 極限均佈荷載:1.4[3(0.130γ+2.5)+100067.1g]+1.6×15mkNB3 中點力=B2 均佈荷載乘 29,得 kN;自身均佈荷載=10001.4×67.1gmkN。把這些荷載代入下方平衡及強度公式。只由外加荷載引起的撓度不受 γ 或 g 影響。
計算前:辨認題型與選擇策略
選公式前先追蹤傳力路徑。B1、B2 均承受樓面均佈荷載(uniformly distributed load, UDL);B3 承受中央 B2 的端反力(reaction)及自身重量。B1 端反力位於 B3 支承處,會增加柱/節點反力,但不增加 B3 跨內彎矩(bending moment)。Q2 完全樓板(slab)約束抑制 LTB,但不會免除剪力(shear force)、撓度(deflection)及腹板(web)局部破壞驗算(check)。
1. 換算樓板(slab)厚度(thickness)並整理面荷載(area load)
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)
樓板恆載:0.130m×24m3kN=3.12m2kNgk=3.12+1+1+0.5=5.62m2kNqk=5m2kN極限面荷載:1.4gk+1.6qk=1.4×5.62+1.6×5=7.868+8=15.868m2kNB1 自重:1,00046.0×9.81=0.45126mkNB2/B3 自重:1,00067.1×9.81=0.658251mkN
自重(self-weight)屬恆載(dead load),所以下方才乘 1.4。只計外加荷載(imposed load)的正常使用驗算(check),不採用任何強度荷載分項系數(partial load factor)。
動畫解說(Animation lab)從特徵荷載到設計荷載(Load factors)2 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。
2. 邊樑 B1:荷載、內力、截面及撓度(deflection)
淺白解說(Simple explanation):夠強與夠硬,是兩個問題
書架可能不會斷,卻彎得太多而不好用。
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。- 極限狀態(ULS)檢查相關破壞模式的安全。
- 正常使用狀態(SLS)檢查指定使用限值。
- 每項驗算都用自己的指定荷載工況(Load case)。
注意(Remember):抗彎承載力(Bending resistance)通過,不代表撓度(Deflection)通過。
相關概念與完整方法(Full method)
B1 線恆載:5.62×1.5+0.45126=8.88126mkN線外加荷載:5×1.5=7.5mkNwu=1.4×8.88126+1.6×7.5=24.433764mkN由對稱:R=2wL=224.433764×9=109.951938kNV(x)=R−wx,在 x=2L=4.5m 時 V=0。M(x)=Rx−2wx2所以:Mmax=8wL2=824.433764×92=247.391861kN⋅m
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。
Av=tD=6.8×403.2=2741.76mm2Vc=3pyAv=3×1,000355×2741.76=561.949335kNVmax=109.951938kN<Vc,抗剪通過。
0.6Vc=337.169601kN>Vmax,連峰值剪力也屬低剪力,所以全樑可用低剪力受彎公式。
Mc=min(pySx,1.2pyZx)=min(1,000355×888,1,0001.2×355×778)=min(315.24,331.428)=315.24kN⋅m∣M∣max=247.391861kN⋅m,抗彎通過。
撓度(deflection)用外加均佈荷載(uniformly distributed load, UDL) 7.5mkN=7.5mmN、L=9,000mm、E=205,000mm2N 及 Ix=15,690×104mm4。簡支均佈荷載公式由曲率(curvature)及 EI 關係積分(integration),並代入(substitution)兩端支承位移為零而得。
δmax=384EI5qL4=384×205,000×15,690×1045×7.5×9,0004=19.920181mm脆性飾面限值:360L=3609,000=25mm19.920181<25,撓度通過。
動畫解說(Animation lab)追蹤樓面荷載(3D load path)7 個概念 · 21 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。
3. 內部樑 B2:兩倍樓面分擔荷載(tributary load)寬度
B2 線恆載:5.62×3+0.658251=17.518251mkN線外加荷載:5×3=15mkNwu=1.4×17.518251+1.6×15=48.525551mkNR=2wL=248.525551×9=218.364981kNMmax=8wL2=848.525551×92=491.321208kN⋅m
查表(table lookup):Data File 第 9–10 頁,準確選取 457×191×67 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=453.4、腹板(web) t=8.5、翼緣(flange) T=12.7、角根半徑 r=10.2、淨深 d=407.6,單位全為 mm。 |
| 局部寬厚比(width-to-thickness ratio) | Tb=7.48;td=48。 |
| 強軸(major axis)截面性質(section properties) | Ix=29380cm4=2.938×108mm4;Zx=1296cm3;Sx=1471cm3。 |
| LTB 所需性質 | ry=4.12cm=41.2mm;u=0.872;扭轉指數 x=37.9。 |
S355,翼緣
T=12.7mm,所以
py=355mm2N。
ε=355275=0.880141翼緣:
Tb=7.48<9ε=7.921268受彎腹板:
td=48<80ε=70.411267兩者均屬 Class 1,所以
βW=1,可用塑性彎矩承載力。
td=48<70ε=61.609858按課程限值,不須計算剪切屈曲。
Av=tD=8.5×453.4=3853.9mm2Vc=3pyAv=3×1,000355×3853.9=789.892822kNVmax=218.364981kN<Vc,抗剪通過。
0.6Vc=473.935693kN>Vmax,連峰值剪力也屬低剪力,所以全樑可用低剪力受彎公式。
Mc=min(pySx,1.2pyZx)=min(1,000355×1471,1,0001.2×355×1296)=min(522.205,552.096)=522.205kN⋅m∣M∣max=491.321208kN⋅m,抗彎通過。
外加荷載撓度:384×205,000×29,380×1045×15×9,0004=21.276218mm<3609,000=25mm通過。傳至每條 B3 的特徵外加荷載反力:215×9=67.5kN
每條 B3 承受 B2 總荷載的一半。只計外加荷載(imposed load)撓度(deflection)時,不要代入(substitution) 218.364981kN 極限反力(reaction)。
動畫解說(Animation lab)追蹤樓面荷載(3D load path)7 個概念 · 17 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。
4. 支承樑 B3:一個中點反力(reaction)加自重(self-weight)
給定跨度 L=3+3=6m。極限跨中集中力 P=RB2=218.364981kN。極限自重:w=1.4×0.658251=0.921551mkN由樑跨內荷載產生的支承反力:R=2P+2wL=2218.364981+20.921551×6=111.947145kNMmax=4PL+8wL2=4218.364981×6+80.921551×62=331.694453kN⋅m
B3 與 B2 同用 457×191×67 截面,所以前面已證明的 Class 1 及不須剪切屈曲(buckling)計算結果同樣適用。每個角位的柱另接收 B1 的 109.951938kN 端反力(reaction);該力在支承處,不產生 B3 跨內彎矩(bending moment)。
Av=tD=8.5×453.4=3853.9mm2Vc=3pyAv=3×1,000355×3853.9=789.892822kNVmax=111.947145kN<Vc,抗剪通過。
0.6Vc=473.935693kN>Vmax,連峰值剪力也屬低剪力,所以全樑可用低剪力受彎公式。
Mc=min(pySx,1.2pyZx)=min(1,000355×1471,1,0001.2×355×1296)=min(522.205,552.096)=522.205kN⋅m∣M∣max=331.694453kN⋅m,抗彎通過。
此正常使用驗算只計跨中的外加集中力 P=67.5kN。δ=48EIPL3=48×205,000×29,380×10467,500×6,0003=5.043252mm限值 3606,000=16.666667mm,通過。
跨中(midspan)集中力公式含 L3。Data File 第 2 頁印出的集中力公式 L4 量綱(dimension)不對;課程例題用 L3。mm2N×mm4N×mm3 得 mm。
動畫解說(Animation lab)追蹤樓面荷載(3D load path)7 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。
5. B3 支承處腹板承壓(web bearing)
淺白解說(Simple explanation):力集中在小地方,會怎樣?
同一個力壓在窄接觸面,局部會比攤開施力更吃力。
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。- 找實際剛性承壓長度(Stiff bearing length)及距端部位置。
- 局部壓潰(Bearing)與腹板屈曲(Web buckling)分別驗算。
- 每條公式都要滿足其約束條件(Restraint conditions)。
注意(Remember):缺少接觸尺寸(Contact dimensions)時,不能靠圖面比例猜測。
相關概念與完整方法(Full method)
題目給定剛性承壓(stiff bearing)長 b1=150mm、ae=75mm、be=0。端部承壓(bearing)按課程擴散系數 n=2。k=T+r 是翼緣(flange)厚加角根半徑的距離。本模型局部作用力為 B3 跨內荷載產生的反力(reaction) 111.947145kN。
k=12.7+10.2=22.9mmb1+nk=150+2×22.9=195.8mmPbw=(b1+nk)tpy=1,000195.8×8.5×355=590.8265kN111.947145<590.8265,腹板承壓通過。
B1/柱角位接合的傳力細節未標明。若 B1 反力(reaction)亦進入同一 B3 腹板承壓(web bearing)區,可保守採用 111.947145+109.951938=221.899083kN;此替代需求亦低於下列承壓(bearing)及屈曲(buckling)承載力(resistance)。不要自行虛構另一種實際承壓構造。
動畫解說(Animation lab)集中力如何傳入腹板(Web bearing)1 個概念 · 7 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。
- 集中反力先經承壓/接觸範圍傳入。
- 翼緣及根部幾何使荷載在進入腹板前擴散。
- 相同力下,較闊的有效承壓範圍可降低局部應力。
- 端距、剛性承壓長度及約束條件必須來自原題;滑桿只供示意。
6. B3 支承處腹板屈曲(web buckling)及結論
淺白解說(Simple explanation):題目少了一個數,怎麼辦?
計算機不能替圖紙補出從未給過的尺寸。
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。- 分開已知值(Given)、查表值(Lookup)及計算值(Calculated)。
- 先完成資料足夠的驗算。
- 在有條件結果(Conditional result)旁列明欠缺輸入。
注意(Remember):示範假設(Illustrative assumption)不可悄悄變成原題已知值。
相關概念與完整方法(Full method)
d=407.6mm;
0.7d=285.32mm。
ae=75<285.32,所以用端部折減腹板公式。端部系數:
1.4dae+0.7d=1.4×407.675+285.32=570.64360.32=0.631431腹板系數:
(b1+nk)d25εt=195.8×407.625×355275×8.5Px=[570.64360.32]×195.8×407.625×355275×8.5×590.8265=246.986831kN 題目指定的兩項局部翼緣(flange)約束均存在,所以不用額外 Pxr 折減。111.947145kN 低於 246.986831kN;即使保守合併角位需求 221.899083kN 亦低於它。在明確採用的荷載常數下,Q2 所要求的樑驗算(check)全部通過。
動畫解說(Animation lab)腹板如短柱般屈曲(Web buckling)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。
- 集中力使兩翼緣之間的局部腹板受壓。
- 薄腹板可能先向側面屈曲,早於局部壓潰。
- 原教材分開考慮轉動約束及相對側向位移約束。
- 腹板承壓及腹板屈曲是獨立驗算;須選假設條件已符合的原公式。
精簡考試答案(exam answer)
| 樑 | 極限剪力(shear force) V/彎矩(bending moment) M | 外加荷載(imposed load)撓度(deflection) δ/限值 | 結果 |
|---|
| B1 | 109.952kN/247.392kN⋅m | 19.920/25mm | 通過 |
| B2 | 218.365kN/491.321kN⋅m | 21.276/25mm | 通過 |
| B3 | 111.947kN/331.694kN⋅m | 5.043/16.667mm | 通過 |
gk=5.62、qk=5m2kN;包括表列樑重量,採 g=9.81。截面屬 Class 1。B3:Pbw=590.8265kN、Px=246.9868kN,局部約束已給定。完全樓板(slab)約束表示 Q2 不須 LTB 驗算(check)。
應避免的錯誤
- 9m 是 B1/B2 跨度(span),不是 B3 跨度。
- B2 分擔荷載(tributary load)寬度為 3m,B1 為 1.5m。
- 外加荷載(imposed load)撓度(deflection)不乘 ULS 分項系數。
- 跨中(midspan)集中力用 L3,均佈荷載(uniformly distributed load, UDL)用 L4。
處理陌生變式的程序
- 從來源讀取樓板(slab)跨度(span)方向、分擔荷載(tributary load)寬度、樑跨度及約束位置。
- 分開特徵恆載(dead load)/外加荷載(imposed load),只對強度用荷載乘分項系數。
- 把被支承樑的反力(reaction)傳給支承樑,不是傳其全部荷載。
- 畫樑自由體圖(free-body diagram),求反力(reaction)及剪力(shear force)/彎矩圖(bending moment diagram, BMD)各點數值。
- 讀準確型鋼表列、作截面分類(section classification),選受彎公式前先驗算(check)剪力(shear force)。
- 外加荷載(imposed load)撓度(deflection)驗算(check)統一用 N 及 mm。
- 題目要求時,分別驗算(check)承壓(bearing)/腹板屈曲(web buckling)及每段無約束長度(unrestrained length)。
獨立自我測試
自己試一試。自擬變式:面外加荷載(imposed load)由 5 增至 6m2kN。哪條 9m 樑先超過脆性(brittleness)飾面撓度限值(deflection limit)?
顯示答案及解釋
撓度(deflection)隨外加荷載(imposed load)線性增加。B1:519.920181×6=23.904217mm<25mm;B2:521.276218×6=25.531461mm>25mm,不通過。B3:6.051902mm<16.666667mm。極限荷載(ultimate load)已改變,強度驗算(check)須另外重算。
動畫解說(Animation lab)觀察剛度與撓度(Deflection)2 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。
- 選用指定 SLS 荷載、跨度及支承條件;此示意採全跨均布荷載。
- 樑受荷後彎曲;圖中變形放大,以便觀察。
- 簡支樑全跨均布荷載:δ=384EI5wL4。保持 w、E、I 不變,L 加倍便使 δ 增至 16 倍。
- 讀數示意採 w=10mmN、E=205000mm2N、I=200000000mm4;容許值須按原表的飾面及支承類別選取。