鋼筋續接器之螺紋與鎖緊關係之探討

劉澤山 技師

螺紋的種類有非常多種，一般常見的是山型的螺紋，作為一般鎖緊的用途。也有做為傳動用途的方螺紋或梯形螺紋，例如老虎鉗、或是採用細螺紋的量測工具、或是燈泡上的圓螺紋等。

把螺栓上的螺紋，展開在平面上，如圖1所示。轉一圈所抬高的距離L；行走之圓周長πd，又稱導程；所夾角度α，又稱導角，用三角函數表示，則為tan(α)=L/πd。螺絲旋轉時，即是在斜面上作功，α角越小越省力。當然還有螺紋表面光滑的程度，也就是摩擦係數μ，會影響鎖緊時所需的扭力大小。

螺紋山頂與山頂、或山谷與山谷間的距離，稱為螺距(pitch)。ISO標準的公制螺紋，以M作開頭，代表公制的意思；美國的統一標準螺紋UNC，C代表coarse，為粗螺紋。兩者螺紋角度，皆為60度，如圖2所示。圖2表示公(陽)螺紋的基本尺寸，母螺紋則對稱相反。對螺絲而言，螺距P，在一般單螺紋的螺絲來說，也等於螺紋繞行一圈前進的距離；以陽螺紋來說，未車削前的直徑、或是兩側螺紋頂的距離，又稱外徑、主徑或大徑，以D表示。而當螺紋寬度等於螺距一半位置的直徑，則稱為有效徑，圖中以D1表示。若以波谷的最低點量測的直徑，稱為谷徑，以D2表示。一般螺紋的破壞面，大約位於D1和D2二分之一的位置，所以也以此位置作為估算螺栓強度的依據[4]。但高拉力螺栓規範採用更低一些的位置[3]。若由圖2用60度角的三角函數推算：

H = √3/2×P = 0.866P

∴D2 = D-2×(H-H/8-H/4) = D-1.0825P

D1 = D-2×(H/2-H/8) = D-0.6425P

公母螺紋間的接觸面高度(嚙合高度) = H-H/4-H/8 = 5/8H = 0.5413P

螺栓有效斷面積A=π/4[D-0.866P]² 

高拉力螺栓有效斷面積A = π/4[D-0.9382P]² [3]

以上為公制螺紋的基本公式，只要螺栓直徑及螺距已知，即可推得相關尺寸的數據。以常用的高拉力螺栓直徑，如表1，M代表為公制螺牙(Metric)的意思；若有特別需求，也可以選擇小一級的螺距，例如M24螺栓代表標準螺距為3mm，若有需求標示M24×2，則代表螺距為2mm的公制細螺紋。英制螺栓，則以每英寸有多少螺牙來表示，例如1-8 UNC代表標準的1英吋直徑的螺栓，每英吋牙數有8牙，統一標準螺紋，螺紋角度為60度。若標示為1-12 UNF，代表每英吋牙數有12牙，F為細螺紋fine的意思。螺紋越細，理論上螺栓的有效斷面積越大，強度越高。但是實際上螺牙受力時應力分布並不平均，一般有大約40%的受力由第一個螺紋承受，且這情形因牙數多寡造成的影響不大[4]，因此細螺紋破斷的風險較高。

鋼筋續接器的螺紋，一般統一採用螺距2.5mm的螺紋，螺紋總長度約與直徑相同，如表2[1]。目前市面上絕大多數都使用錐牙續接器，也就是端部較小、較尖，而非等直徑的直牙螺紋(照片1)。因為端部較尖，所以略為傾斜亦可以插入，另外也由於傾斜的關係，續接器鎖緊所需扭轉的圈數，也可以減少。平牙螺絲由於公母接頭的谷徑相同，所以旋緊所需的圈數，等於螺牙的數目。但由於採用錐度的關係，若無螺牙，則公母頭可以直接插入至底部。

實際上，由於螺紋的高度的關係，兩者將有一間隙，這間隙等於嚙合高度，需靠螺牙的旋轉，將此部分逐漸的密合。根據錐度與嚙合高度的比例，可以推算旋緊所需轉動的圈數，如表3所示。由表3可知，可以節省大約三分之一至一半以上的鎖緊圈數，再加上錐牙有一定的可插入深度，因此可利用作為鋼筋臨時固定用，不需像直牙的螺絲，需人力扶持至上下對齊才可旋入(如照片3)，施作上方便很多。但是大家需注意的是，如表3中#10續接器，大約只需轉5圈即可鎖固，也就是每轉一圈公母螺紋的接觸面積增加約20%，與直牙公母螺紋間其接觸面積是固定的，兩者不同。所以施工中只要有一牙未充分鎖緊，接觸面積將減少20%以上，再加上山型螺紋尖端部分的截面積較小，底部截面積較大，其減少的強度將非常可觀。因此施工中務必小心檢視，絕非僅以扭力版手測試，即謂之合格這麼簡單。實務上錐牙螺紋檢查時，還常有頂部虛螺紋的問題，造成判定的困擾。這是由於車床加工入刀時控制的問題，一般以位在錐牙部分、或圓筒部分，即可容易判定。

參考資料

1.蘭州續接器送審資料（106年）。蘭州新銓公司。

2.「SA級摩擦行鋼筋續接器」，金佳昌有限公司，網路照片。

3.「Standard Specification for Structural Bolts, Steel, Heat Treated, 120/105 ksi Minimum Tensile Strength」,ASTM A325, 2010.

4. 賴耿陽（89年）。「現代機械設計輯覽」，復漢出版社。

表1 標準高拉力公制螺紋螺栓的尺寸

表2 續接器相關尺寸[1]

表3  鋼筋續接器的鎖緊圈數粗算

圖1  螺紋的展開圖		圖2  ISO公制螺紋的尺寸示意圖
照片1  錐牙鋼筋續接器及剖面照片		照片2  直牙鋼筋續接器及剖面照片[2]
照片3  直牙續接器鎖固現場情形