談「銲接組合H型鋼」之斷面性質

陳正平技師

最近有技師先進提到「銲接組合H型鋼」(亦簡稱BH型鋼)，在銲接組合後是否需考量殘留應力？又，銲接組合後其斷面性質是否可等同熱軋H型鋼之斷面性質？

第二個問題，先前在特殊結構審查會上，亦常發現有設計工程師未注意到，大多「銲接組合型鋼」所採用的接合銲道尺寸之強度，並未能達到「熱軋型鋼」完全連續軋壓而成之強度，而在檢核翼板承受集中載重時 (例如梁-柱接頭或斜撐連接板接合處)，常會以鋼結構設計規範第11.2節 (承受集中載重之腹板及翼板) ，所列之集中載重檢核公式作設計之情況。

要探討「銲接組合H型鋼，在銲接組合後是否可等同熱軋型鋼之斷面性質的問題，須先了解銲接組合H型鋼的設計與施工方法。銲接組合H型鋼係由2片翼板及1片腹板，經採潛弧銲接 (Submerged Arc Welding，SAW)銲法 (見圖1) 連續銲接組合而成。為減少銲接變形及受力偏心，一般均會採用雙邊對稱配置銲道。腹板與翼板間之組合銲道型式，一般在腹板厚度小於19mm時，為節省開槽加工成本而採用雙邊填角銲 (見圖2及4)；腹板厚度在19mm以上時，則為了省略雙邊開槽全滲透銲的背剷動作及減少銲材用量，一般會採用「部份滲透開槽填角補強」銲道(見圖3及5)。

又，為了節省銲接組合施工成本，若設計圖未特別註明需依腹板受拉強度決定銲道尺寸，一般均會以滿足BH型鋼受撓時所需之腹板剪力來決定銲道尺寸，因此當BH型鋼翼板承受集中載重時，翼板與腹板間之組合銲道，就沒有足夠的強度餘裕，供傳遞集中載重力量所需。

銲接組合型鋼與熱軋型鋼相較，其斷面性質雖差別不大，惟其銲接組合之銲道，若為連續之全滲透開槽銲道，且腹板角隅趾部之銲道形狀與熱軋型鋼相近，則其接合設計可適用鋼結構設計規範第11.2節 (承受集中載重之腹板及翼板) 所列之集中載重檢核公式，來檢核梁翼板接合或連接板之接合對H型鋼組合銲道的影響。若銲接組合型鋼之銲道為採用雙邊填角銲 (見圖2)，或雙邊部份滲透開槽銲填角銲補強之銲道 (見圖3)，且其銲道尺寸僅為以腹板所需剪力強度決定，則其接合設計，不適用鋼結構設計規範第11.2節所列之集中載重檢核公式，此時必須將作用在翼板上之集中載重全數，以設置於腹板二側之加勁板來承受。

至於銲接組合H型鋼在銲接組合的過程，或多或少會產生受熱或冷卻不平均而產生變形，通常只要將變形量，控制在容許公差範圍內即可，若銲接組合後之變形量超過容許公差值，必須經由加熱或冷彎加工，整平至其變形量控制在容許公差範圍內。惟銲接或整形加工，只要其入熱量不致產生改變材質的情形，所產生之殘留應力，對鋼結構耐震斷面及結實斷面，於達極限降伏時之韌性行為，尚不致造成顯著影響。

另外，銲接組合型鋼承受扭矩時，其剪力流的傳力路徑亦會受到銲接型式及尺寸的影響。

綜上討論，筆者認為，建築結構用之「銲接組合型鋼」，可不需考慮銲接組合後所產生殘留應力之影響。銲接組合型鋼之銲道尺寸，若為以H型鋼之拉力強度決定全滲透開槽銲道尺寸，且銲接後腹板角隅處之銲道形狀與熱軋型鋼相近，則可適用鋼結構設計規範第11.2節 (承受集中載重之腹板及翼板)所列之集中載重檢核公式，來檢核梁翼板接合或連接板之接合，對H型鋼組合銲道的影響。否則，因組合銲道強度已用於抵抗撓曲剪力所需，已無強度餘裕供傳遞集中載重所需，及承受扭矩時傳遞剪力流，因此接合設計時應忽略銲道之貢獻，全部以腹板二側之加勁板，來承受全部外側之集中載重，以確保接頭之結構安全性。 

圖1  弧銲施銲狀況		圖2  邊填角銲道示意圖
圖3  邊部份滲透開槽填角補強銲道示意圖		圖4  用填角銲道潛弧銲施銲狀況
圖5  用雙邊部份滲透開槽銲填角銲補強之銲道施銲狀況