高拉力螺栓 墊圈的使用

劉澤山 技師

高拉力螺栓是由三個部分組成：螺栓、螺帽(或稱螺母)及墊圈。常用的規範，有ASTM系列的A325螺栓、或JSS II的S10T螺栓兩種。其中在建築結構的使用上，以扭矩控制型或稱斷尾的S10T的螺栓居多(照片1)。

不論是何種螺栓，基本上螺栓鎖固施工的基本步驟，都是以套筒來旋轉螺帽或螺栓頂部，迫使旋轉，於是螺帽便會順著螺牙向內轉進。當螺帽接觸鋼鈑後，螺栓成為初步鎖緊的狀態(tight)；但高拉力螺栓則再進一步旋轉，使螺帽與螺栓頂部間的長度逐漸的變短，但由於螺帽已頂住鋼鈑，於是螺栓被迫逐漸的伸長產生拉力。為了使用上能達到經濟的效果，拉力達到約為0.7倍抗拉強度的程度(0.7Fu)；至於斷尾的螺栓，在達到預期拉力時，扭力將使螺尾脫落，同時螺帽將螺栓固定在接合鈑上，於是完成了高拉力螺栓的鎖固動作。

在整個鎖固過程中，墊圈使用的目的或扮演的角色為何呢？首先，墊圈使高拉力螺栓在鎖固過程中，當螺帽以極大的應力下旋轉時，不致傷及周邊的鋼材。由於高拉力螺栓，均經過熱處理的程序，因此，表面的硬度均大於鋼鈑，當螺帽在迴轉的過程中，螺帽將與鋼鈑間產生極大的摩擦，因而損傷了接觸面的鋼鈑，導致磨損及疲勞應力的問題。

事實上，承受剪力的螺栓接頭，疲勞破壞發生的位置，一般都在螺栓周邊的鋼材上，而非螺栓本身[1]。因此墊圈的安裝，需注意其位置，墊圈必須安裝在鎖緊的那一侧。也就是說，如果鎖緊方式是由螺帽側的話(如S10T)，墊圈需安裝於螺帽側，以避免磨耗的問題；如果由兩側鎖緊時(例如六角頭的F10T可由兩側鎖緊)，則兩側均需使用墊圈；但如果只是純粹抗剪力的螺栓(承載型)，螺帽只要靠緊鋼鈑(tight)即可，不一定要使用墊圈。

其次，高拉力螺栓對鋼鈑造成的局部應力非常的高。嘗試分析一下，以常用的S10T螺栓而言，直徑22mm的螺栓(M22)鎖緊軸力T，根據規範約為25,187~26,105公斤左右，而螺帽的接觸面外圈直徑為36mm[2]，根據內政部「建築物鋼結構施工規範」的規定，螺栓孔徑大於螺栓1.5mm誤差可以0.5mm，所以螺栓穿孔也就是中心鋼鈑的空洞直徑為22+2=24mm。因此螺帽位置與鋼鈑接觸面積等於A=π(36²-24²)/4=565.487mm²=5.65cm²，因此計算接觸區域的接觸應力，為T/A=25,187/5.65=4,458kg/cm²，大家應發覺這個應力事實上已超過大多數的鋼鈑的降伏應力(以SN490規定而言 Fy≧3,500 kg/cm²)。這時如果加上表面有硬化處理的墊圈，由於直徑較大(M22的墊圈直徑44)，可以降低接觸面的應力，至平均約為2,400 kg/cm²左右。

而實務上，當有需要使用超大孔或長條孔(slot hole)鎖固螺栓的需求時，由於螺栓頭尾與鋼板接觸的面積更小，因此不僅兩側均要使用墊圈，甚至包括墊圈的厚度、大小都應詳加規定，以使螺栓周邊的鋼材受力面積增加。可是縱使加上了墊圈，不難想像螺栓仍將導致鋼鈑的壓縮，因此接合應力將集中在螺栓孔的附近，而非大家認為均勻的在作用平面上（只是為了方便，認定為均勻而已）。這在使用的連接鈑較薄時(一般認為在3/4”也就是20mm以下)，其集中效果較為顯著[3]。

參考文獻

1.「A Fatigue Primer for Structure Engineer」,Fisher, J.W., Kulak, G.L. and Smith, I.F.C, A Steel Bridge Alliance, AISC,1998.

2.高拉力螺栓型錄（2009）。春雨工廠股份有限公司。

3.「Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts」,RCSC,2014.

照片1 S10T高拉力螺栓外觀		照片2  現場斷尾高拉力螺栓鎖固情形
照片3 螺栓的組成		照片4  螺栓的組成的情形