根據最新版鋼結構規範

如何設計T型接頭之部分滲透銲（上）

陳純森  技師

前言

筆者曾於1062期技師報撰文介紹鋼結構填角銲之設計，於鋼結構之T型接頭，除了常用之填角銲外，對於較厚之鋼料亦常採用部分滲透銲(partial joint penetration-pjp)，特別是20mm以上之厚度。其實鋼料厚度20mm為關鍵性之厚度，厚度20mm以上之鋼料有許多施工上之要求，例如必須採用超音波檢查有無夾層缺陷、電銲前必須事先預熱、A36之材質必須採用E70級之銲條不得採用E60級之銲條、腹板採雙邊單斜槽之部分滲透銲時，潛弧銲之預檢定接合(prequalified joint)之腹板厚度必須20mm以上。

T型接頭部分，滲透之單斜槽銲接(bevel groove welds)如圖1所示。其中(a)為基本之單斜槽部分滲透銲，(b)與(c)則為單斜槽部分滲透銲外加補強填角銲。

圖1 T型接頭部分滲透銲

依照AWS D1.1-2015規定，於T型接頭雙邊均部分滲透電銲，如採用預檢定(prequalified)接頭BTC-P5之徒手電銲(SMAW)時，腹板厚度t最少須8mm；預檢定BTC-P5-GF之包藥電銲(FCAW)、與CO₂(GMAW)電銲之腹板厚度t至少須12mm；預檢定TC-P5-S之潛弧銲之腹板厚度t至少須20mm。而翼板之厚度則無限制。復依照AWS D1.1-2015之規定，熔填銲材之等級與強度，必須與鋼料相匹配，其詳細內容參考1062期技師報。

部分滲透銲之有效喉深

AISC-2016規範規定，預檢定T型接頭之部分滲透單斜槽電銲，其有效喉深如表1所示。

表1  部分滲透電銲之有效喉深

如考慮部分滲透銲外加填角銲補強，其有效喉深之決定，AWS D1.1-2015建議如圖2所示。其中圖(a)為未採用填角銲補強之單斜槽部分滲透電銲，E為依表1規定必須扣除3mm之有效尺寸，S為開槽深度或不須扣除3mm之有效尺寸。圖(b)與圖(c)，為單斜槽部分滲透電銲外加填角銲補強，T為銲喉總深度，係從開槽跟部至電銲表面之最短距離，E為依表1規定必須扣除3mm之有效喉深。

圖2 部分滲透電銲之有效喉深

部分滲透電銲之設計除了須傳遞有關之應力外，AISC-2016規範另規定其最小有效喉深如表2所示。

表2  部分滲透電銲之最小有效喉深

部分滲透電銲之有效強度

有關部分滲透電銲之有效強度，如採用極限強度設計法(LRFD)時，AISC-2016規範之規定，如表3所示。

        表3 AISC(LRFD)-2016規定之部分滲透開槽銲有效強度

開槽角度之選用

AWS預檢定之部分滲透電銲，手銲之開槽角度為45^o，自動銲之開槽角度為60^o。如以相同銲接尺寸S比較兩種開槽角度之銲材熔填量，並以填角銲之銲道斷面積做為基數1.0，則各種銲道斷面積計算如圖3所示，顯見以開槽45^o之銲接型式面積較小，既經濟又合理，效果較佳。如採用60^o之開槽銲，則以外加補強之銲接型式效果較佳，如圖3 (e)~(g)所示。

圖3 各種開槽角度之電銲型式與填角銲之比較

手銲與半自動銲之部分滲透電銲斷面(採用AWS預檢定型式)

依照AWS D1.1-2015預檢定銲接型式之規定，雙邊單斜槽之徒手電銲、包藥銲與CO₂電銲，開槽角度均應為45^o，如須外加填角銲補充時，填角銲之尺寸為腹板厚度之四分之一(t/4)，惟不必大於10mm。其跟面尺寸(root face)於徒手電銲、包藥銲與CO₂電銲最少應為3mm。另於徒手電銲，包藥銲與CO₂電銲採立銲或仰銲姿勢時，每邊之有效喉深需各扣減3mm；如於包藥銲與CO₂電銲採平銲或橫銲姿勢時，有效喉深不需扣減，詳表1之規定。

參考圖4(a)~(d)之單斜槽接合型式，AWS D1.1-2015 Fig.A.3建議電銲之喉深T係從根部到電銲表面之最短距離計算，各種不同腳長F之填角銲有其相對之喉深。當單斜槽之部分滲透銲之強度不足時，比較合理之方式為先採用45^o等腰角銲補強，如果強度仍然不足，再逐漸加強角銲之高度達到需求之強度。

圖4 開槽45^o外加填角銲

上述部分滲透銲外加填角銲補強之作法，如果銲道之熔填量太大，或開槽深度D+角銲腳長F≦總需求喉深T，或角銲之高度大於開槽之高度時，可直接採用全滲透電銲較為合理且經濟，惟採用背墊之全滲透電銲時，銲材必須具備衝擊韌性。（待續）