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技師報於85年11月18日土木日創刊
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中華民國一○八年八月三日

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公路橋梁鋼料之最新標準介紹

陳純森 技師

公路橋梁設計規範規定鋼結構材料規格必須符合AASHTO M270規定，而AASHTO M270規格則等同於ASTM A709。目前ASTM A709/A709M-18 Standard Specification for Structural Steel for Bridges係去(2018)年12月ASTM所公布之最新標準，謹介紹其要點如下。

一、鋼料種類

ASTM A709/A709M-18共制定12種等級、5種降伏強度之鋼料，其相對應一般鋼料之標準，如表1。

表1  A709橋梁鋼料種類

等級 降伏強度 對應之
英制[SI] ksi[MPa] 一般鋼料標準
36[250] 36[250] ASTM A36
50[345] 50[345] ASTM A572
50S[345S] 同上 ASTM A992
QST 50[QST 345] 同上 ASTM A913
QST 50S[QST 345S] 同上 同上
50W[345W] 同上 ASTM A588
HPS 50W[HPS 345W] 同上 -
50CR[345CR] 同上 ASTM A1010
QST 65[QST 450] 65[450] ASTM A913
QST 70[QST 485] 70[485] 同上
HPS 70W[HPS 485W] 同上 -
HPS 100W[HPS 690W] 100[690] -

橋梁工程對鋼料之性質要求較高，如果未經業主同意，不得由一般鋼料取代。而表1中：

”S”符號者，係針對廢鐵煉鋼之鋼料，准許含有更多種非鐵元素之化學成分，但有限制其含量，以符合強度與韌性要求，且型鋼之降伏/抗拉強度比值，必須小於0.85，如果在型鋼腹板取樣試驗，其強度比值應小於0.87。

”QST”符號係”Quenching and Self-Tempering”之縮寫，即經由淬火與自行回火之熱處理軋製。由於製程特殊，此類鋼材不得在超過600℃時施作電銲之後熱處理。

”W”符號係”Weathering”之縮寫。此類鋼料填加銅及其他特殊合金之成分，鋼料生銹之後形成特殊之保護膜，因而降低鋼料銹蝕之速率，故耐候特性較佳。

”HPS”符號係”High Performance Steel”之縮寫，此種鋼板係將扁鋼胚採用緩慢之低氫降溫作業，再以淬火與回火軋製鋼板，其銲接與韌度之特性，都較一般鋼料為佳。其中HPS 100W之微細奧斯田鐵(Austenitic)顆粒，必須符合ASTM A6之規定。

”CR”符號係”Corrosion Resistance”之縮寫，屬於不銹鋼之材質，其成分含有鎳與鉻，其中鉻之含量為10.5~12.5%。部分橋梁之配件與支承，採用不銹鋼材質者，若與一般碳鋼接觸時，極容易生銹，使用者必須格外謹慎。

二、鋼料之物性與化性

ASTM A709鋼料之物性降伏強度，如表1；化性成分之比較，如表2所示。其中碳含量的多寡會影響電銲的工作性，碳含量愈低者愈適合電銲。鈮與鉬為耐火鋼之主要成分，銅為耐候鋼之主要成分，鎳與鉻則為不銹鋼之主要成分。

表2 鋼料化學成分(max %，厚度單位：mm)

鋼種 厚度 碳C 錳Mn 矽Si 釩V 鈮Nb 磷P 硫S 銅Cu 鎳Ni 鉻Cr 鉬Mo 鋁Al 氮N
Gr36 ≦75 0.26 　 0.4 　 　 0.04 0.05 　 　 　 　 　 　
型鋼
Gr36 ≦20 0.25 　 0.4 　 　 0.03 0.03 　 　 　 　 　 　
鋼板 >20 0.25 0.8~ 0.4 　 　 0.03 0.03 　 　 　 　 　 　
寬度> ≦40 1.2
380 >40 0.26 0.8~ 0.15~ 　 　 0.03 0.03 　 　 　 　 　 　
　 ≦65 1.2 0.4
　 >65 0.27 0.85~ 0.15~ 　 　 0.03 0.03 　 　 　 　 　 　
　 ≦100 1.2 0.4
Gr50 　 0.23 1.35 0.4 另訂 另訂 0.03 0.03 　 　 　 　 　 另訂
板厚 ≦40
翼厚 ≦75
Gr50 　 0.23 1.35 0.15~ 另訂 另訂 0.03 0.03 　 　 　 　 　 另訂
板厚 >40 0.4
翼厚 >75 　
50CR 　 0.03 1.5 1 　 　 0.04 0.01 　 1.5 10.5 　 　 0.03
~12.5
50W-A 　 0.19 0.8~ 0.3~ 0.02~ 　 0.03 0.03 0.25~ 0.4 0.4~ 　 　 　
1.25 0.65 0.1 0.4 0.65
50W-B 　 0.2 0.75~ 0.15~ 0.01~ 　 0.03 0.03 0.2~ 0.5 0.4~ 　 　 　
1.35 0.5 0.1 0.4 0.7
50S 　 0.23 0.5~ 0.4 0.15 0.05 0.035 0.045 0.6 0.45 0.35 0.15 　 　
1.6
QST50 　 0.12 1.6 0.4 0.06 0.05 0.03 0.03 0.45 0.25 0.25 0.07 　 　
,50S
QST65 　 0.12 1.6 0.4 0.08 0.05 0.03 0.03 0.35 0.25 0.25 0.07 　 　
QST70 　 0.12 1.6 0.4 0.09 0.05 0.03 0.03 0.45 0.25 0.25 0.07 　 　
HPS50W ≦65 0.11 1.1~ 0.3~ 0.04~ 　 0.02 0.006 0.25~ 0.25~ 0.45~ 0.02~ 0.01~ 0.015
HPS70W 1.35 0.5 0.08 0.4 0.4 0.7 0.08 0.04
　 >65 0.11 1.1~ 0.3~ 0.04~ 　 0.02 0.006 0.25~ 0.25~ 0.45~ 0.02~ 0.01~ 0.015
　 1.5 0.5 0.08 0.4 0.4 0.7 0.08 0.04
HPS 　 0.08 0.95~ 0.15~ 0.04~ 0.01~ 0.015 0.006 0.9~ 0.65~ 0.4~ 0.4~ 0.02~ 0.015
100W 1.5 0.35 0.08 0.03 1.2 0.9 0.65 0.65 0.05

三、橋梁鋼料之專業術語

A709之標準針對鋼橋材料，有其特殊之專業術語規定，設計與購買時必須明確指定。分述如下：

1.破壞關鍵構材(fracture critical member)

  承受載重之拉力構材或撓曲構材之拉力元件，於承受載重後之破壞會造成橋梁崩塌者；或該橋梁未具備多數之贅餘(redundant)載重行徑者，稱為破壞關鍵構材，此種構材在低溫環境所作之衝擊試驗，必須要可吸收更多之能量。

2.非破壞關鍵構材(non-fracture critical member)

反之稱為非破壞關鍵構材，此種構材在低溫環境所作之衝擊試驗吸收較少之能量。

3.拉力元件(tension component)

無論是破壞關鍵構材或非破壞關鍵構材，在各種設計載重下都是承受拉力之元件，稱為拉力元件。拉力元件必須施作衝擊試驗。

4.非拉力元件(non-tension component)

在任何設計載重下，均未承受拉力之構材，稱為非拉力元件。

5.次要構材(secondary member)

並非直接承受主要設計載重，僅作為主要構材之定位、支撐或佩掛其他設施用途之構材，稱為次要構材。

四、工址之溫度區分

由於鋼鐵材料在低溫之環境下其材質容易變脆，溫度愈低時其材質愈脆，所以ASTM A709將橋梁所在地之溫度環境，區分為三區，如表3所示。並個別規定其衝擊試驗所能吸收之能量，設計者須調查橋梁所在地之環境溫度，並註明於設計圖上。台灣位處亞熱帶氣候區，一般之平地可考慮為第1區，但隨著海拔高度增加之山區，設計者必須斟酌適當之溫度區分。

表3 環境溫度區分

溫度區 最低環境溫度℃
1 -18
2 低於-18至-34
3 低於-34至-51

五、拉力強度與衝擊試驗之規定

A709鋼料之拉力降伏強度，詳如表1所示。至於衝擊試驗之要求，A709之規定介紹如下，設計時應加註或說明於設計圖說，施工者方能依據備料。

　1.破壞關鍵之拉力構材或拉力元件，購料時須指名為”F ”，其衝擊試驗之吸收能量如表4。破壞關鍵之拉力元件有最小能量之規定。

　2.非破壞關鍵之拉力構材或拉力元件，購料時需指名為”T ”，其衝擊試驗之吸收能量如表5。破壞關鍵之拉力元件並無最小能量之規定。

　3.如果設計之圖說或備料單未指名”F ”或”T ”之鋼料，則不需要施作衝擊試驗，該等鋼料只能做為非拉力元件或次要構材。

表4 破壞關鍵之拉力元件衝擊試驗需求

鋼種 厚度, 最小能量, 最低平均能量,J
Mm J 1區 2區 3區
36-F ≦100 27 34於21℃ 34於4℃ 34於-12℃
50-F ≦50 27 34於21℃ 34於4℃ 34於-12℃
50S-F
50W-F >50,≦100 33 41於21℃ 41於4℃ 41於-12℃
QST50-F ≦50 27 34於21℃ 34於4℃ 34於-12℃
QST50S-F >50,≦100 33 41於21℃ 41於4℃ 41於-12℃
50CR-F ≦50 27 34於21℃ 34於4℃ 34於-12℃
HPS50W-F ≦100 33 41於-12℃ 41於-12℃ 41於-12℃
QST65-F ≦50 33 41於10℃ 41於-7℃ 41於-23℃
>50,≦100 38 48於10℃ 48於-7℃ 48於-23℃
QST70-F ≦50 33 41於10℃ 41於-7℃ 41於-23℃
>50,≦76 38 48於10℃ 48於-7℃ 48於-23℃
HPS70W-F ≦100 38 48於-23℃ 48於-23℃ 48於-23℃
HPS100W-F ≦65 38 48於-34℃ 48於-34℃ 48於-34℃
>65,≦100 NA 不允許 不允許 不允許

 

表5 非破壞關鍵之拉力元件衝擊試驗需求

鋼種 厚度, 最低平均能量,J
Mm 1區 2區 3區
36-T ≦100 20於21℃ 20於4℃ 20於-12℃
50-T ≦50 20於21℃ 20於4℃ 20於-12℃
50S-T
50W-T >50,≦100 27於21℃ 27於4℃ 27於-12℃
QST50-T ≦50 20於21℃ 20於4℃ 20於-12℃
QST50S-T >50,≦100 27於21℃ 27於4℃ 27於-12℃
50CR-T ≦50 20於21℃ 20於4℃ 20於-12℃
HPS50W-T ≦100 27於-12℃ 27於-12℃ 27於-12℃
QST65-T ≦50 27於10℃ 27於-7℃ 27於-23℃
>50,≦100 34於10℃ 34於-7℃ 34於-23℃
QST70-T ≦50 27於10℃ 27於-7℃ 27於-23℃
>50,≦100 34於10℃ 34於-7℃ 34於-23℃
HPS70W-T ≦100 34於-23℃ 34於-23℃ 34於-23℃
HPS100W-T ≦65 34於-34℃ 34於-34℃ 34於-34℃
>65,≦100 48於-34℃ 48於-34℃ 48於-34℃

六、總結

綜合言之，一般橋梁工程之鋼料，除了設計時須考慮反復振動之疲勞強度外，尚須考慮低溫環境之消能功用，其材料特性有別於一般之建築鋼結構材料，設計與施工者均必須謹慎為之。

 【參考文獻】

1.聯邦公路工程，道路與橋梁施工標準規範，美國交通部聯邦公路管理局。

2.ASTM A709/A709M-18，美國材料試驗學會。

3.鋼結構工程實務(第五版)，陳純森，科技圖書公司。  

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