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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國一○六年三月十一日

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本期主筆:陳少宏
執行編撰:李惠華
文字記者:許素梅

銲接組合型鋼之銲道設計重點

陳正平 技師

一、前言

結構用鋼材因材質均勻、品質穩定,且強度高,故鋼結構在主要構材產生失敗之機率甚低。但其接頭則因力量須在薄板間傳遞,設計及施工均較困難,容易產生應力集中,及銲接或栓接等之設計及施工品質之瑕疵,而致結構整體或局部發生失敗的情形,時有所聞。例如:美國堪薩斯州海雅特旅館空中走廊,因連接屋頂支撑系統與空中走廊間之吊桿接頭設計錯誤,而致空中走廊整體塌落,造成百餘人死亡之案例;以及台中縣立豐原高中禮堂屋頂,因蓄水隔熱,造成鋼桁架屋頂產生水池效應,而於鋼桁架下弦桿在短料續接位置斷裂,產生懸索效應之支承端水平拉力,拉動邊牆倒塌,致造成捌拾餘人受壓死亡之慘重傷亡案例。

該二案例均為鋼結構接頭部份之設計及施工品質欠佳所致,然而鋼結構接頭部份之造價,一般佔建築物結構體總造價的比例約為百分之十。若以廠房建築物整體投資所佔的比例來估計,則鋼結構「接頭部份」之成本所佔之比例就更小了。若再計入建築物或工廠內,生產設備之價值、生產之產品的經濟效益、停工損失,及人員之生命價值等,則鋼結構接頭部份之成本比例就更微不足道,但鋼結構接頭一旦發生破壞,所造成之損害卻是全面性的。總之,接頭中或桿件組立所需之接合銲道部份,對總成本所佔如此之少,却控制結構物整體的安全性及經濟效益,可見鋼結構接頭之板件接合,其設計與施工品質對結構安全的重要性。

國內鋼結構設計圖說中之接頭及鋼板接合之詳圖,一般習慣上只會提供一套各種鋼板接合型式之銲接尺寸的標準圖,及桿件各種常用接頭型式之接合標準圖,供鋼結構施工廠商繪製施工圖。除非遇到標準圖所提供之接頭型式,無法涵蓋之情況,才會單獨另外提供接頭詳圖。又,標準圖中常有集合各種接合方式之共通用表,例如:鋼板T形接合型式中提供了依立板剪力強度與張力強度決定之銲道尺寸,可用於各種不同載重受力情況,選用標準圖中之銲道尺寸時須依受力狀況來決定。若設計單位未於設計圖中,明確標註應使用剪力或張力強度之銲道尺寸時,施工廠商常會因應成本壓力,對標準圖內容常會發生與設計單位有不同解讀的情況。例如,對組合H型鋼(BH)之翼板與腹板間之組合銲道,或剪力接合板與柱板間之接合銲道,若設計者以鋼板拉力全強度做相關接頭集中力之設計檢核,或腹板連接板合併了剪力與偏心彎矩之設計檢核;而施工單位僅以鋼板之剪力全強度施作,此種情形嚴重時有可能造成重大災害。

另外一種情況是早期高樓不多,鋼板一般均採用ASTM A36 CNS SM400材質等較低強度之鋼板,此時鋼板T形接合之銲接尺寸,一般均採用AWS E70XX等級之相稱銲條,以立板厚度尺寸受力達全拉力之全強度來決定銲道尺寸,若採雙邊填角銲其腳長之尺寸約需為立板厚度之70%。但此銲接尺寸並不足以承受高強度鋼材(SN490 Fy=3.52tf/cm2)達張力強度時之全強度,但目前絕大多數結構設計案之標準圖,仍未注意到此問題,而將僅適用於低強度鋼材之銲道尺寸用於高強度鋼材。甚至有用上述之銲道尺寸用於CNS SM570鋼材(Fy=4.6tf/cm2)之情況。

本文探討BH型鋼腹板與翼板間之銲道設計與施工實務應注意的重點,供工程先進設計及施工參考,以避免發生結構物損害及人員傷亡事件,亦藉此提醒設計者儘速修正錯誤之設計圖說。不當之處,尚請工程先進不吝指正。

二、銲接組合H型鋼接合銲接尺寸設計

鋼結構鋼板間之銲接接合設計,應依不同之結構安全需求,來指定銲道接合型式及尺寸,以最有效益之接合方式滿足安全需求。如果不經過通盤檢討,直接指定全滲透開槽銲道,除會增加施工困難度外,亦會增加工時及成本,上述情況,常見於銲接組合H型鋼(BH)之翼板與腹板間之縱向組合銲道。反之,有些結構桿件須採用全滲透開槽銲道時,如僅採用填角銲或部分滲透銲,將會影響結構安全性。

鋼板接合銲道之型式及尺寸大小會影響,包含開槽加工、銲接施工、背剷、銲接檢驗及銲接後矯正等製作成本。鋼板T型接合,若採用以下三種銲道型式比較施作成本:(a)填角銲道;(b)全開槽部分滲透銲;(c)部分開槽滲透填角補強銲等三種接合型式,在發揮腹()板之全板強度條件下(考量包含開槽加工及銲接施工,但不包含背剷、銲接檢驗及銲接後矯正之費用等)三種銲道型式之銲接成本比較:銲道型式(a)(c)之最低成本轉換厚度約為20mm,即腹板厚度不超過20mm時以採用(a)之填角銲道較為經濟,而當腹板厚度超過20mm時則以採用(c)之部分開槽滲透填角補強銲道較為經濟。(b)銲道型式則在各種腹板厚度下,均非為最經濟之銲道型式。相較於型式(b),若採用全滲透開槽銲道(CJP),尚會再增加背剷及銲接檢驗之成本,故全滲透銲道(CJP)之成本,將遠高於型式(a)(b)(c)之銲道型式達數倍之多。儘管各鋼構廠之製作成本稍有不同,但以上探討,仍不失為設計者良好之參考資料。根據現有銲接設備與製作經驗所作之評估,最低成本轉換厚度約介於20~25mm之間。

一般情況下,BH型鋼腹板與翼板間之銲道強度,在梁跨中沒有承受集中載重時,僅需滿足發揮腹板全板剪力強度之需求。當BH型鋼翼板承受面外集中載重或接合板等其他集中力狀況,使得腹板與翼板間之銲道須承受除撓曲剪力(τ=VQ/Ib)以外之額外之面外集中應力,此時局部銲道應檢討其強度及韌性需求。當檢討結果,銲道須滿足發揮腹板全板拉力強度時,除特殊情況下須採全滲透銲道外,可採用較經濟之填角銲道或部分滲透開槽填角補強銲道。

以下僅列舉五種BH型鋼腹板與翼板間銲道,可能承受額外應力及特殊韌性需求之建議處理方式進行說明:

1. BH型鋼柱翼板承受面外地震反復載重之情況

BH型鋼梁柱接頭或BH型鋼梁與耐震間柱間之接頭,柱或梁翼板承受面外地震反復集中載重或高週次疲勞載重之狀況,此時應於BH型鋼柱或梁腹板兩側配置腹板加勁板(連續板),使集中載重可透過連續板傳遞至BH型鋼梁或柱之腹板或其他相連桿件,而腹板與翼板間之銲道強度,僅須滿足發揮腹板全板剪力強度之需求即可。故BH型鋼腹板與翼板間之銲道,可採填角銲道或部分滲透開槽填角補強銲道,但連續板與翼板之接合,則須採全滲透開槽銲道(CJP),且連續板之厚度應配合連續板與翼板之有效接合寬度(扣除翼腹交角銲道之截角,或加勁板在翼板外緣處退縮)進行檢討,使連續板具有足夠之強度,可傳遞翼板所承受之面外反復集中載重。

為避免接頭處之腹板加勁板 (連續板) ,角隅與BH型鋼組合銲道發生衝突,通常須於腹板加勁板角隅處截角,截角可為圓弧或三角斜切。採用圓弧截角時,圓弧半徑通常為30 ~ 35mm;採用三角斜切截角時,其兩直角邊截角尺寸則通常為 30mm。此截角會造成連續板(腹板加勁板),與翼板之接合寛度減少,設計者應依據實際截角尺寸,計算連續板與BH型鋼翼板之有效接合寬度及強度。當BH型鋼梁或柱之翼板寬度,大於接合桿件(梁或耐震間柱)之翼板寬度時,計算連續板之有效接合寬度,可自接合桿件鋼板外緣延伸,不超過一倍BH型鋼柱或梁翼板厚度之距離。當接合強度無法滿足需求時,應調整連續板厚度,以符合外接板之強度需求。此種情況亦應注意連續板角隅截角處、及連續板外縁處之銲接品質及銲接有效性。

 2. BH型鋼翼板承受非地震力引致之面外集中載重之情況

與第1種情況相同之接頭,但BH型鋼梁或柱之翼板承受非地震力造成之面外集中載重,且不承受高週次疲勞載重的狀況,此時可於腹板兩側,配置不小於BH型鋼深度一半之腹板加勁板(連續板)、或不配置加勁板。當腹板兩側有配置加勁板時,BH型鋼組合銲道,可採滿足發揮腹板全板剪力強度之銲道即可,但加勁板與翼板之接合,則須採滿足發揮加勁板全板拉力強度之銲道,且加勁板之厚度,應配合加勁板與翼板之有效接合寬度(扣除翼腹交角銲道之截角,或加勁板在翼板外緣處退縮)進行檢討,使加勁板具有足夠之強度可傳遞翼板所承受之面外集中載重,其有效接合寬度之計算同前述。當腹板兩側無加勁板時,為確保集中載重可傳遞至BH型鋼之腹板,此時除應依規範檢核翼板局部彎曲、腹板局部降伏、腹板壓皺及腹板側向挫屈強度等檢核項目外,組合銲道之強度除承受撓曲剪力外,亦應足以承受因翼板面外載重產生之拉力。

 3. BH型鋼用於天車道梁之情況

一般常見之天車有單軌及雙軌天車。使用於雙軌天車之天車道梁,常因天車軌道載重對腹板之偏心、以及天車行駛時產生之側向衝擊載重,會造成BH型鋼組合銲道之一側,承受垂直於銲軸之拉應力;叧側則承受極大之壓應力。若組合銲道未採用全滲透銲道,則除組合銲道之強度不足以承受此拉、壓力與撓曲剪力產生之合應力外,腹板與翼板間之縫隙,有如一道初始裂縫,將更會大幅降低銲道之抗疲勞能力。為避免組合銲道產生高週次疲勞破壞,除須增設腹板加勁板外,亦須於腹板與上翼板間之組合銲道,採用全滲透開槽銲道。

使用於單軌天車之天車道梁時,通常會採用熱軋I型鋼。若有設計者選用BH型鋼、或因特殊情況而採用BH型鋼時,因其腹板與下翼板間之組合銲道,會承受垂直於銲軸之拉應力,若該組合銲道未採用全滲透開槽銲道,則除組合銲道之強度,不足以承受此拉力與撓曲剪力產生之合應力外,腹板與下翼板間之縫隙,有如一道初始裂縫,亦將大幅降低銲道之抗疲勞能力。為避免組合銲道產生高週次疲勞破壞,腹板與下翼板間之組合銲道,應採用全滲透開槽銲道。

 4. BH型鋼用於偏心斜撐構架連桿梁之情況

於設計地震力作用下,偏心斜撐構架之連桿梁,預期會發生剪力降伏、撓曲降伏或兩者同時發生。為確保連桿梁之塑性變形能力,梁腹板與翼板間之組合銲道,於連桿梁段及斜撐接合段之附近,應使用全滲透開槽銲道。

 5. BH型鋼梁腹板於梁柱接頭處施作扇形孔之情況

梁柱接頭處常於工地梁腹板採栓接,翼板採銲接接合,此時鋼梁腹板須設置扇形孔(weld access hole),以利銲接施工,但因BH型鋼梁腹板與翼板間,係非以全滲透開槽銲道連接,因此銲道之施作方式及順序,會影響BH型鋼梁扇形孔幾何形狀之平順度及梁柱接頭韌性之發展,以下僅針對三種施作方式之影響程度進行說明:

(1)自動銑刀加工

BH型鋼梁之扇形孔,如於銲接組合完成後採自動銑刀設備施作,則扇形孔幾何形狀之準確度及平順度甚高,此作法為目前最佳之加工方式。惟BH型鋼梁腹板與翼板間之組合銲道,係採填角銲道或部分滲透開槽外加填角補強銲道施作,於扇形孔銑孔完成後,BH型鋼梁之扇形孔切割面,在腹板與翼板相接面處會存在一間隙;雖然此隙縫與主要應力方向平行,對裂縫之發展及梁柱接頭之韌性影響較小,但梁柱接頭承受反復載重之情況下,會有較大之變形(例如腹板接合板承受偏心載重而有轉動現象),恐有引發腹板與翼板相接面處隙縫開裂之疑慮。此隙縫若以圍繞銲道修補,一方面會造成扇形孔幾何形狀不平順,另一方面圍繞銲道與主要應力方向垂直,將更容易引致裂縫之發展。因此建議鄰近扇形孔處腹板與翼板間之組合銲道,建議採最小根面之部份滲透()開槽銲道施作,或採全滲透開槽銲道,將腹板與翼板間縫隙填滿,其範圍建議至少為扇形孔根部向內100mm之範圍,或自鋼梁端部向內150mm

 (2)先組銲後火焰切割

BH型鋼梁尺寸,超過自動銑刀設備可施作之範圍(太厚或太大),或特殊接頭(例如,斜接)BH型鋼梁之扇形孔可於銲接組合完成後,採火焰切割方式施作。當BH型鋼梁腹板與翼板間之組合銲道,採填角銲道或部分滲透開槽外加填角補強銲道施作時,焰切過程中之高溫會將局部腹板熔蝕,可能造成扇形孔幾何形狀之不平順,後續即便採銲道修補,仍難以排除缺陷,且易造成銲道與主要應力方向垂直,此種現象將更容易引致裂縫之發展。故採此種方式施作之扇形孔,鄰近扇形孔處腹板與翼板間之組合銲道,建議採最小根面之部份滲透()開槽銲道施作,或採全滲透開槽銲道將腹板與翼板間縫隙填滿,以避免上述局部腹板熔蝕現象,其範圍建議至少為扇形孔根部向內100mm之範圍,或自鋼梁端部向內150mm

 (3)先火焰切割後組銲

BH型鋼梁之扇形孔如於銲接組合完成前,先採NC設備於腹板進行切割,切割完成後再進行銲接組合,此種施作方式於施作組合銲道過程中,會將局部腹板熔蝕,將造成扇形孔幾何形狀之不平順,後續即便採用銲道修補,仍難以排除缺陷,且易造成銲道與主要應力方向垂直,將更容易引致裂縫之發展,故建議應避免採用此種方式施作扇形孔。

三、結語

綜上討論,筆者認為,以熱軋型鋼翼腹板完全連續之情況、或銲接組合型鋼之銲道為以全渗透開槽銲(CJP)接合,則可適用鋼結構設計規範第11.2(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。

以標準圖S2(腹板之全板剪力強度)銲道尺寸銲接組合H型鋼,因組合銲道強度已用於抵抗撓曲剪力所需,恐無強度餘裕供傳遞集中載重,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(連續板),來承受全部外側之集中載重,以確保接頭之結構安全性。

梁柱接頭承受反復載重之情況下,會有較大之變形,建議採最小根面之部份滲透()開槽銲道施作,或採全滲透開槽銲道將腹板與翼板間縫隙填滿,其範圍建議至少為扇形孔根部向內100mm之範圍,或自鋼梁端部向內150mm

 

【參考資料】

1.鋼結構協會技術備忘錄第3(2017)

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