根據最新版鋼結構規範 如何設計填角銲

陳純森 技師

前言

鋼結構之電銲以填角銲(fillet weld)最常用，參見圖1。根據學術界的研究，T型接頭填角銲之腹板如承受與銲道垂直之載重時，其破壞面為67.5^o，有效喉深為0.766×腳長，如圖2(a)所示。而腹板承受與銲道平行之載重時，破壞面則為45^o，有效喉深為0.707×腳長，如圖2(b)所示。為了設計之一致性與方便，幾乎有關之規範都規定填角銲之破壞面為45^o。當電銲條強度與鋼料強度相匹配時，簡易之設計方法可令兩側銲道之有效喉深等於腹板之厚度，即t=2×0.707×s，式中t為腹板之厚度，s為填角銲之腳長。在腹板厚度t大於19mm(3/4”)時，常常將腹板開槽，以半滲透銲加強銲道之強度。其實為了銲道之設計更合理，結構設計人必須確實依照規範詳加計算。謹參考近期公布之最新版美國鋼構造協會規範AISC-2016、與美國銲接協會鋼結構規範AWS D1.1-2015，介紹如下。

圖1 T型接頭填角銲		圖2 電銲道之破壞面

銲條與鋼料之匹配

有關銲道之設計，銲條是否與鋼料相匹配十分重要。銲條之適用性除了與鋼料之強度、材質有關外，與鋼料之厚度也有些關連。有關電銲程序預檢定之銲材與鋼料之相稱性，AWS D1.1-2015第3條規定如表1所示：

表1 AWS D1.1-2015鋼料與相稱銲材規格

填角銲之有效強度

有關填角銲之有效強度，如採用極限強度設計法(LRFD)時，AISC-2016規範之規定如表2所示。計算填角銲之剪力強度時，必須比較銲道與構件之剪力強度，選用其較小值。銲道與構件之剪力面如圖3所示，應分別以剖面1-1與剖面3-3，計算材料A與B之剪力強度，並以剖面2-2計算銲道之剪力強度。

表2 AISC(LRFD)-2016規定之填角銲有效強度

圖3 縱向受剪力時填角銲之剪力面

填角銲腳長之設計

參照前述公式可計算各種鋼料填角銲之腳長(Welding Size)，另AISC-2016-J2.2b節規定最小填角銲之腳長如如表4所示。

表4 AISC-2016規定填角銲之最小腳長

彙整前述之計算結果與規範規定之最小腳長，可得填角銲腳長如表5所示。其中S₁為腹板承受與銲道軸向垂直之載重時所需要之腳長，而S₂則為構件承受與銲道軸向平行之載重時所需要之腳長，其示意如圖4所示。

圖4 填角銲之腳長

       表5 依據AISC-2016規定設計之填角銲腳長(LRFD)

電銲方法分為人工電銲(SMAW）與自動電銲(或稱潛弧銲SAW）。由於後者之入熱量較高，可以完成較佳之銲漿滲透，品質也比較穩定，故其電銲之強度亦較高。根據試驗結果，潛弧銲之強度比手銲高出約16%，於設計時可作為電銲強度之計算。所以國內規範10.2.2節參考舊版之AISC規範，規定於採用潛弧銲之填角銲銲道，若腳長等於或小於10mm時，得以腳長為其有效喉深；如果腳長大於10mm時，得以理論喉深外加3mm為其有效喉深。惟，考慮填角銲施工時，其實際銲喉無法以非破壞方式檢查驗證，故新版之AISC-2016規範已將該條文刪除，修正為必須經過確實驗證才能提高潛弧銲之有效銲喉。換言之，在未經實際驗證前之填角銲腳長，其設計值無論採用人工電銲或自動電銲並無差別。

參考文獻

1.  Specification for Structural Steel Buildings, AISC, July 7,2016。

2.  Structural Welding Code – Steel, AWS D1.1, July 28, 2015。

3.  鋼結構工程實務，第四版，陳純森，科技圖書公司。2012年3月。