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技師報於85年11月18日土木日創刊
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中華民國一○七年七月二十八日

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文字記者：許素梅

ASTM A709橋梁結構用鋼的衝擊試驗規定

劉澤山  技師

ASTM A709在鋼結構橋梁，非常普遍的使用規定，它綜合各種鋼材的規定，將適合橋梁使用的鋼料合併起來，然後再加以特別要求的規範。而所謂特別要求，其中最重要的就是衝擊試驗。

衝擊試驗係將鋼料加工成55mm長、10×10mm方型的試片(照片1)，上面刻一2mm深45度的V型凹口(或U型)，降溫到規定溫度時置於架台上，釋放擊鎚撞擊凹槽之背面(如圖1)，由擊鎚釋放與上升兩邊之高度差，可以計算試體吸收之能量，此外，衝擊試驗尚可計算試體之脆性破面率及側膨脹等。

A709的鋼材種類列如表1[1]，這些鋼材的基本要求及取樣，仍依照ASTM A 6[2]的規定。大家可以注意到的是A992的結構鋼材50S已被引入，第二就是50ksi以上的等級，已被A709規定的HPS鋼材取代。所謂HPS(High Performance Steel)是指高性能鋼材，主要針對銲接性(Weldability)和韌性(Toughness)加以改善。早期使用高強度的A514鋼材，雖然現在仍然在橋梁銲接規範內(或許是因為考慮舊橋修補的問題)，但由於發現有延遲氫裂的問題，目前已不再列於A709的規定內。

A709鋼材(鋼鈑或型鋼)設計時，如果需要承受張力時，要作衝擊試驗。承受張力的鋼材，根據美國公路與橋梁協會(AASHTO)設計規範規定，分為破壞控制(fracture critical)的構件，也就是該構件破壞會導致倒塌(collapse)後果的構件，與非破壞控制(non-fracture critical)的構件兩種。其中破壞控制構件鋼材，需採用”P”等級的衝擊試驗頻率；而非破壞控制構件鋼材，採用”H”等級擊試驗頻率。因為試驗頻率不同，設計者必須在設計圖上清楚標示。

H等級的試驗頻率，按照ASTM A673[4]的規定，為每爐號每45T取樣一組(一組三個試片)，若為型鋼時，鈑厚小於或等於50mm，鈑厚差10mm以上，或鈑厚大於50mm，鈑厚差25mm以上時，該組試樣需分別在最厚與最薄的部分取樣。該批鋼材鈑厚大於50mm時應優先取樣鈑厚最厚者為原則。P等級的試驗頻率，對於鋼鈑而言，除了淬火與回火鋼材外，需每片鋼鈑取樣一組(一組三個試片)。對於型鋼而言則為每15T取樣一組，淬火與回火鋼材，則為每爐取樣一組，但重量不可大於15T。鋼棒或鋼帶(bar)則為每5T一組試樣。

衝擊試驗之合格標準，如表3及表4，由橋梁使用區域的服務溫度，分為Zone1〜Zone3(表2)，由設計者指定之。一般以台灣的氣候，溫度條件設定為Zone1即為足夠。對於HPS等級鋼材而言，規格訂定時考慮的溫度即定在Zone3，所以其衝擊吸收能量Zone1到Zone3均相同。

美國AASHTO於1967年銀橋(Silver Bridge)的脆性破壞，導致倒塌的事件後，即著手研究改善橋梁破壞韌性(fracture toughness)的問題，並在1978年提出相關破壞控制的計畫[5]，其中最重要且相關的試驗當屬衝擊試驗(CVN test)。雖然衝擊試驗的加載速率過快，並不符合橋梁活載重的加載模式，但經過修正後(Linear-elastic fracture mechanics, LEFM)可以用來推估鋼鐵材料內部產生的裂隙尺寸，並已收錄於ASTM的規範內[6][7]。

雖然衝擊試驗，在橋梁材料上是很重要的試驗項目，但實務上很多設計者，並未確實依照規範規定，在圖面作清楚的指示，導致施工時無法落實，值得大家注意。

 

參考資料

1.      「Standard Specification for Structure Steel for Bridges」ASTM A 709/709M-13a

2.   「Standard Specification for General Requirements for Rolled Structure Steel Bars, Plates, Shapes and Sheet Piling」ASTM A6/A6M -05ɛ1

3.  「Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products」ASTM A 370-09

4.      「Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel」ASTM A673-04

5.      「Steel Bridge Design Handbook」Federal Highway Administration 2015

6.      「Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness KIc of Metallic Materials」ASTM E399-12

7.      「Test Method for Measurement of Fracture Toughness」ASTM E1820-01

 

表1  A709規範的材料[5]

 

表2  各區的使用溫度

Zone 使用之最低溫度(℃)
1 高於-18
2 < -18 to -34
3 <-34 to -51

 

表3  非破壞控制(non-fracture critical)的鋼材衝擊試驗合格標準

等級(Ksi) 厚度 使用區域
(mm) Zone1 Zone2 Zone3
36T ≦100 20 J at 21℃ 20 J at 4℃ 20 J at -12℃
50T ≦50 20 J at 21℃ 20 J at 4℃ 20 J at -12℃
50ST,50WT 50<t≦100 27 J at 21℃ 27 J at 4℃ 27 J at -12℃
HPS 50WT ≦100 27 J at -12℃ 27 J at -12℃ 27 J at -12℃
HPS 70WT ≦100 34 J at -23℃ 34 J at -23℃ 34 J at -23℃
HPS 100WT ≦65 34 J at -34℃ 34 J at -34℃ 34 J at -34℃
65<t≦100 48 J at -34℃ 48 J at -34℃ 48 J at -34℃

註：等級代號的T代表承受拉力

 

表4  破壞控制(fracture critical)的鋼材衝擊試驗合格標準

等級(Ksi) 厚度 最小試驗吸收能量(J) 使用區域
(mm) Zone1 Zone2 Zone3
36F ≦100 27 34 J at 21℃ 34 J at 4℃ 34 J at -12℃
50F ≦50 27 34 J at 21℃ 34 J at 4℃ 34 J at -12℃
50SF,50WF 50<t≦100 33 41 J at 21℃ 41 J at 4℃ 41 J at -12℃
HPS 50WF ≦100 33 41 J at -12℃ 41 J at -12℃ 41 J at -12℃
HPS 70WF ≦100 38 48 J at -23℃ 48 J at -23℃ 48 J at -23℃
HPS 100WF ≦65 38 48 J at -34℃ 48 J at -34℃ 48 J at -34℃
65<t≦100 無 不可使用 不可使用 不可使用

註：等級代號的F代表承受拉力破壞控制(fracture critical)

 

 
照片1  衝擊試驗試體   照片2  衝擊試驗施作情形
     
   
圖1  衝擊試驗示意圖    

 

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