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 | ||||
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基礎錨定螺栓鎖固扭力探討 陳正平 技師 一、 前言 鋼結構廠房鋼柱基板通常是採用ASTM A307錨栓鎖緊固定,因錨栓之螺帽係以扳手工具人工鎖固,操作人員施力大小的不同,使得不同位置之螺帽,其鎖緊程度差異甚大。因此產生基礎錨栓螺帽鎖固所需之鎖緊程度,是否有相關規範規定的疑義?這也是施工單位或監造單位常問的問題。 二、基礎錨栓之錨定機制 基礎錨栓主要係用來固定鋼柱,並承受鋼柱軸力、剪力及彎矩等所引致之單一錨栓的拉力與剪力。當錨栓承受拉力時,鋼柱基板需與灌漿層或混凝土承壓面間達緊密接觸程度,否則會產生間隙而增大結構物頂部之側向位移量;當錨栓承受拉力而伸長,亦會因基板轉角變形,而增大結構物頂部之側向位移量;當錨栓承受剪力時,一般係藉鋼柱基板與灌漿層間之正壓力、或藉錨栓之拉力防止脫離,產生剪力摩擦之方式承受剪力;亦有以剪力榫埋入基板下方混凝土內來抵抗水平剪力,不過此種抵抗剪力機制,會因剪力榫抵抗剪力之重心與基板間距離所產生之偏心彎矩,會略為增加錨栓所受的拉力,也會因而增加錨栓的伸長量。因此除了鋼柱基板與灌漿層或混凝土間,須將錨栓鎖至緊密接觸外,甚至錨栓鎖固後存有預拉力更佳,此因錨栓鎖固後存有預拉力,會使錨栓的受拉伸長量預先產生,當錨栓承受水平力所產生之拉力,僅會取代原已存在的預拉力,因此不會增加伸長量,同時也不會再增大結構物頂部之側向位移量。 三、錨栓之鎖固扭力 ASTM A307錨栓為普通強度錨栓,其設計所採用錨栓錨頭型式及錨定長度、或錨栓表面紋節不同,其施工品質甚為不易掌控。以及現行“鋼結構設計規範”,並無如何鎖緊至有部分預拉力之方法的相關規定。採用普通錨栓之鋼結構物,一般均未特別規定鎖緊程序,或錨栓鎖緊預拉力值,當鋼柱安裝完成,錨栓之螺帽須立即鎖緊,尤其是,當結構物必需預先排除錨栓受拉伸長,對結構物頂部側向位移量的影響時,或需降低懸臂結構物之撓度時,或承受反復載重可能因錨栓伸長,而致使錨栓之螺帽逐漸鬆脫等考量時,此時錨栓必需鎖至有預拉力之狀態。普通強度錨栓螺帽至少須鎖緊至「緊貼狀態」,所謂鎖至「緊貼狀態」係指以一般扳手參考美國結構接合協會(RCSC)公佈「Specification Structural Joints Using High-Strength Bolts」(2014) 對高強度螺栓安裝時,第一次鎖固至「緊貼狀態」之規定,也就是使用衝擊扳手鎖至數次衝擊,或使用一般板鉗用人力全力鎖緊,使接合面接觸達緊密狀態;或參考美國 (Portland Bolt & Manufacturing Company)所提供之鎖緊扭力近似值 (見表1) 施加扭力,即可鎖住ASTM A307錨栓,約達錨栓設計軸拉力強度之鎖緊狀態。原則上,在不使螺栓破壞或改變螺栓螺牙永久性變形的前提下,螺栓的預拉力愈高愈好。若基礎錨栓需使用到預拉力,或需使用預力錨栓時,基板、基礎錨栓及混凝土基墩之設計須特別謹慎,尤其是預力錨栓之桿身與混凝土間,不可提供太大的握裹力,在施預力時桿身必須可自由伸長,且其錨頭端之型式須可承受全部的預力拉力。雖然施拉預力之設備型式,在設計階段尚未決定,但錨栓桿身在混凝土內產生之潛變、錨頭滑動等預力損失,亦須納入考量。施拉預力之施工程序及注意事項,須詳細規定於圖說內。另,為免螺帽鬆脱,建議採用二個螺帽鎖固,下方需為重六角形螺帽,上方那個螺帽可用重六角形螺帽或一般六角螺帽。 表1 ASTM A307 鎖緊扭力近似值 (Portland Bolt & Mfg. Co.)
表1中之名詞定義及補充注意事項如下: 1.驗證載重 (Proofload):螺栓鎖緊過程會先鎖到「緊貼狀態」(snug tight),在被鎖緊的鋼板間或螺栓與鋼板間,皆處於緊密接觸情況,此時螺栓已經承受一些張力。螺栓自「緊貼狀態」受力情況開始,螺栓之軸拉力-軸向變形的關係曲線,自「緊貼狀態」開始呈線性關係發展,降伏現象會先在螺牙處發生,然後曲線進入非線性階段,接著螺牙處產生頸縮而強度開始下降,最後在螺牙處斷裂。螺栓受拉力時,臨界斷面發生在螺牙處,螺栓的最大拉力強度為材料抗拉強度與有效張應力面積(Tensile stress area=0.7854)的乘積。材料的降伏發生在螺牙的凹痕處,螺牙的降伏會侷限在局部區域,因而螺栓之軸拉力-軸向變形的關係曲線,並沒有明顯的降伏平台。螺栓在螺牙處降伏時的載重,稱為「驗證載重」(Proof load)。A325高強度螺栓之「驗證載重」,約為自身抗拉強度之70%至80%(即約0.7~0.8);A490高強度螺栓之「驗證載重」,約為自身抗拉強度之80%至90%(即約0.8~0.9)。若未經驗證載重試驗,通常可取降伏強度之92%作為驗證載重。 2.夾緊力 (Clampload),或錨栓容許拉力:係為取0.33Fu或驗證載重之75%以預留安全餘裕,避定錨栓受力太接近驗證載重,而致錨栓破壞失敗。若錨栓受力超過驗證載重,則有斷裂的風險,錨栓之夾緊力(Clampload)或容許拉力,僅為一估計值,不同設計者所訂之容許拉力可能不同。 3. 超過150mm之長螺桿,扭矩損失甚為顯著,表1之鎖緊扭力不適用。 4. 表1中之鎖緊扭力估計值,係以錨栓容許拉力值估計,並以表 2 中之扭力係數值K,依下式估算: T=K d N 其中,K:扭力係數值。鍍鋅+潤滑(亦即,如同高強度螺栓潤滑方式), K=0.10;鍍鋅K=0.25;未塗裝K=0.20。 T:扭力 (kgf-m)。 d:螺栓標稱直徑 (mm)。 N:螺栓拉力 (tf)。 表2 扭力係數值K
上述公式僅適用粗螺牙系列,其中: 扭矩係數種類:A類,係指螺栓與螺帽接觸面經潤滑處理;B類,係指螺栓與螺帽接觸面無潤滑處理。 由於影響螺栓鎖緊扭力與螺栓軸力間之變數甚多,例如:環境因素、人為操作錯誤、施力的大小、扭力扳手的精度、螺牙表面粗糙度、潤滑程度、螺栓表面(鍍鋅或其他防蝕)塗裝等,因此決定正確的扭力值,唯有經由安裝前之驗證試驗。本文所提供之ASTM A307錨栓固定扭力值僅供參考,使用者須依個別需求先行驗證並自行負責。除契約圖說指定無需預拉力外,錨栓安裝前應進行施工程序與檢驗之驗證試驗,以確認錨栓可達其圖說規定之預拉力,試驗經監造工程師核可後,錨栓方可安裝使用。驗證試驗之執行方式,應包含於安裝計畫書內,並提送監造工程師核可。 錨栓鎖緊扭力驗證試驗,應於工地現場進行並使用軸力計確認預拉力大小,軸力計須每年校準。試驗前應確認整個螺栓組之潤滑狀態、鎖緊設備、鎖固方法及程序等均與實際施工時相同。扭力扳手法試驗執行方式如下: (1)試驗應於當日螺栓鎖固工作安裝前執行。 (2)試驗取樣以每一直徑、強度及批號之螺栓組進行分類,每一類試體至少取3個螺栓組進行試驗。 (3)試驗結果應確認此鎖緊方法可發展出驗證試驗所需之預拉力,且建立施工時之扭力標準並據以施工。 若任一螺栓組試驗所得預拉力,未達驗證試驗所需之預拉力,必須在現場安裝前,找出原因及解決方法後重新進行試驗,惟不可於重新試驗前,任意清潔或潤滑螺栓組。驗證試驗建議以設計拉力之1.05倍,作為驗證試驗預拉力之標準。 螺栓鎖固後之檢驗:鎖固後應先檢驗螺栓餘長,螺栓尾端螺紋應凸出螺帽至少1個完整的螺牙,且不可超過6個螺牙。扭力扳手法時除應進行目視檢驗外,須另進行扭力確認檢驗,扭力確認檢驗之檢驗頻率至少為螺栓組數量之10%,且每五個梁柱接頭至少抽檢一處,每處則至少抽驗三個螺栓組。上述扭力確認檢驗,應於螺栓鎖固後三日內及接頭電銲前完成,若遇不可抗力之因素而無法於螺栓鎖固後三日內完成檢驗,則其檢驗方法及頻率應另經工程師核可。扭力扳手法之鎖固後檢驗之程序如下: 1.完成鎖固後,應由第一次鎖緊後標記之參考線進行目視檢驗,檢查墊圈是否旋轉、螺帽旋轉量是否異常。 2.目視檢驗如發現螺栓組旋轉量明顯不足時,可採扭力扳手再次鎖固,鎖固完成後並應確認其扭力值是否合乎標準。 3.除目視檢驗外,另應以扭力扳手確認螺栓組鎖固後之扭力值是否合乎要求,若無法符合則應更換該螺栓組。鎖固後之扭力值,應不小於當日驗證試驗結果所對應於規定最小預拉力之扭力值。 4.針對每一螺栓組群,若有任一螺栓組須更換,於該螺栓組更換並鎖固完成後,該群所有的螺栓組,均應再次檢查並確認其扭力值。 四、結語 實務上,施工廠商常以基板下方預置一螺帽,作為調整水平及高程之用途(見圖1及圖2),此種情況基板上方之螺帽鎖緊時,鎖緊力只是與基板下方之螺帽互相抵抗,而無法鎖緊至錨栓產生預拉力。甚至為了方便上部結構容易吊裝或方便調整精度,錨栓未鎖緊(見圖3)。因此基礎錨栓若須鎖緊達存有預拉力之情況時,不能採用高程調整螺帽的方式施作。工程界對於基礎用之ASTM A307普通強度錨栓,至今甚少有正確鎖緊之觀念,此點施工品質尚待提升加強。
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