我們歡迎您!! …為服務大台北地區技師朋友,省公會台北辦公室成立了,開辦帶案技師各項業務掛件審查等服務,可在辦公室前臨時停車掛件,或通知會務至門口取件,交通便捷,請多加利用。台北辦公室位於台北市復興南路2段160巷8號1樓,近『科技大樓捷運站』,步行約 3 分鐘。…

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○八年五月二十五日

廣告專線 :(02)8961-3968轉142
傳真:(02)2964-1159,2963-4076
地址:新北市板橋區三民路二段37號A3
網址:http://www.twce.org.tw
E-mail:mail@twce.org.tw

NO.
1172

發  行 人:張錦峰
社務委員:鄭明昌、巫垂晃、莊均緯、伍勝民、陳錦芳、黃科銘、朱弘家
     呂震世、陳菁雲、張長海、梁詩桐、黃清和、陳永成、陳清展
監  察 人:施義芳、周子劍、蔡震邦、陳玫英、賴建宏
社  長:莊均緯

副  社 長:朱弘家、黃清和

總  編 輯:賴建宏

副  總 編:朱煌林
營運總監:陳玫英

總  主 筆:周子劍
本期主筆:洪明瑞
執行編撰:李惠華
文字記者:許素梅

鋼結構接頭傳力模式與設計方法探討

陳正平  技師

一、前言

近年來建築産業蓬勃發展,高樓大厦如雨後春筍般矗立,其中鋼筋混凝土結構房屋佔約90%,但因砂石資源經多年來大量開採已漸沽竭,鋼筋混凝土結構的優勢已不若往昔。再加上都市人口集中建地取得不易,建築物必須向上發展,台灣又處環太平洋地震火環帯上,高層鋼筋混凝土結構不易符合耐震韌性要求。反之,鋼造結構物重量輕,材質具有高強度,高韌性,材質穩定,適用於大跨度結構,可提供大面積作業空間、可預製節省工期、以及符合綠能可回收、降低環境破壞、耐震性能優良等優點。另外,鋼結構建造之工業廠房,廠商可在最短之時間內快速投入生產,加速成本回收。且鋼結構擴建或增添設備、改修、補強均甚容易,因此深受建商歡迎。國內各種鋼結構建築物林立,廠房建築內之生產設備,動輒數百、數仟億之情況。

然而工業廠房結構體之安全性,受接頭之安全與否影響很大,一旦廠房結構接頭發生破壞,將造成屋頂桁架或天車等搬運設備掉落,致其下方之生廠設備損害,造成生產中斷及傷及人員,甚至更造成不能營運損失。尤其是高科技廠房之品質需求高,生產環境管制嚴格,一旦開始生產,就很難有停工修繕之機會,若在生產運作中,即使發現鋼結構廠房有接頭方面之瑕庛,也無法承受為了作結構補強,而停止生產作業所造成之損失,因此常出現:在無適當時機可停機維修的情況下,冒著危險,繼續生產之窘境。

二、鋼結構接頭之傳力模式及重要性

鋼結構因材質均勻、品質穩定,且強度高,故在主要桿件產生失敗之機率甚低;但接頭則因力量在薄板間傳遞,致受挫屈強度所控制,以及容易產生應力集中、銲接、栓接品質瑕疵等問題。以廠房結構之接頭為例,接頭部分之造價,一般約佔廠房總造價的比例為百分之十,若以整體投資所佔的比例來評估,則鋼結構廠房「接頭部份」之成本就更小了,若再計入廠內生產設備之價值以及所生產之產品的經濟效益,則更微不足道了。但其破壞所造成之損害却是全面性的,而且是毫無韌性的瞬間破壞。因此,接頭部份所佔如此少的成本,却控制整廠的安全性,可見鋼結構接頭的重要性。

目前國內大學所教授之鋼結構課程中,過於注重桿件之理論設計,而有關接頭設計,明顯不足。且教科書所採用之接頭型式,未配合施工方法進歩及經濟條件改變等因素,致所教授的接頭型式,已不合時宜,與目前業界常用之接頭型式,常有甚大的差異存在。另外接頭之設計,並非限於單純的個別力學行為考量,其設計尚須融入整體結構系統之行為中,以及須考量接頭施工中產生之束制現象,對接頭安全性之影響等。因此接頭設計之養成教育,亟待加強。

另一個容易造成鋼結構接頭失敗的因素,為國內有甚多小型鐵工廠,有些業主不了解鋼結構接頭對廠房安全的重要性,而將建廠事宜交給鐵工廠辦理。而這些鐵工廠最在意的是如何以最快速最省錢的方法將廠房安裝完成,至於是否符合結構安全性,似乎不關他們的事。因此他們所採用的接頭型式,僅能達到半剛性的程度,因而常出現在僅承受垂直載重下已有安全疑慮,何況是承受風力及地震力就更不用說了。目前以這種方式建造的廠房,存在非常多。

筆者最近應一家衛浴設備廠商之邀請,為其所擬承租之倉庫評估,是否可承受預期之貨物載重之安全性。但在現場所發現之接頭型式,除無法符合受力需求外,其主要接頭亦均採用普通螺栓接合,以及用點銲作為小梁接合等情況,令人觸目驚心,且構架在弱軸方向之穩定需求,未配置立面斜撑系統,其安全性幾乎可用「危樓」形容。

此外,鋼結構製造圖的繪製也是一項重點,目前不論國內外業界,均存在一種對鋼結構安全極為不利的成規,就是主要結構之桿件尺寸及接頭型式設計,係由技師負責設計,亦有結構設計人,只提供桿件受力,交由承造鋼構廠設計接頭,並繪製接頭之施工圖。因此鋼構廠為節省成本,作接頭製造圖時便會付出較少的心力,或交由非技師之繪圖人員設計。然而,接頭設計所須考量之條件甚多,其困難度實不亞於構架之桿件設計,但此種成規,已成為目前鋼構業界之執行繪製製造圖之典型模式。此種成規,甚不合乎結構安全原則,雖然鋼構廠會將繪製完成之製造圖送至設計單位審查,但審查人因無額外之審查費用,常會草率行事,或審查人常非設計技師本人,甚至設計技師本人,亦不甚了解接頭之設計重點,因而造成接頭瑕疵的案例甚多。

三、設計方法探討

鋼結構接頭之傳力機制甚為複雜,若是設計或施工稍有不慎,對結構物安全之影響甚大,由美國北嶺地震與日本阪神地震中,鋼結構接頭的損壞情況,可了解接頭對鋼結構安全的重要性。鋼結構接頭之設計,首先必須充分了解下列接頭之力學傳力模式及設計方法,才能把握接頭設計之要領:

1、鋼材材質耐震需求

為確保鋼結構之安全性,所選用的鋼材,除需具備無輻射污染的基本要求之外,鋼鐵材料的物性及化性,必須滿足耐震性能及韌性設計的需求。所承載之力量,亦須低於鋼材及接合材料之強度範圍內。對構材之全斷面以降伏強度控制,對接頭之構材則以有效淨斷面以拉斷強度控制。鋼材宜選用碳當量較低的可銲性佳之結構用鋼,可有效改善一般鋼材的切割、鑽孔及銲接等加工性能。

2、施工方法決定

鑒於現場銲接品質不易控制,鋼結構接頭一般採用在工廠製作時,將連接板銲接於柱構材上,於現場吊裝時利用高強度螺栓,將連接板與梁腹板以栓接接合,再以銲接方式接合上、下翼板,以減少現場銲接之工作量。日本亦常採用工廠内,柱先預接一小截托梁(拱頭),工地將梁腹板以栓接方式接上托梁腹板,然後再以栓接或銲接方式接合上、下翼板,惟此種方式運輸困難。其他接頭亦以工廠銲接,現場栓接為原則,現場栓接亦可減少吊裝時間及費用。設計時避免使用太多種類或不常用的接頭型式,可方便備料及組裝作業之順利進行,並可縮短工期及避免誤用之情形發生。接頭設計應採用易於保養之接頭型式。

3、銲接設計考量

接合方式須儘可能選用入熱量較小的銲接型式,以減小入熱量對母材的影響的影響,若無法避免則須配合使用高韌性接頭,以減小對接頭熱影響區母材材質的衝擊。

4、栓接設計考量

接合螺栓若採用日本規格之扭矩控制斷尾螺栓,因不同的規範之設計理念與設計方法略有不同,結構設計時若使用與設計規範不同規格之螺栓時,應按同一設計規範之計算方法,推導相關設計強度。鑒於現行鋼結構設計為以AlSC設計規範為依據,使用日本規格高強度螺栓時,因此不可直接採用日本規範所提供之設計剪力強度值。日本規格高強度螺栓,應用於國內現行鋼結構設計規範,所應注意的事項及高強度螺栓設計剪力強度之特性,整理歸納如下供參考:(1)JIS F8TF10T螺栓依AISC規範安裝時,其設計預張力、摩阻型及承壓型之標稱剪力強度,均可採用AISC規範相同之計算公式。(2)高強度螺栓之設計及施工時,其「預張力」均以抗拉強度之70%為基準,因此計算高強度螺栓剪力接合強度之摩擦阻力時,亦須以「預張力」乘以摩擦係數,再乘以螺栓之有效應力面積而得。(3)日本工作應力法規範中所使用之高強度螺栓的剪力強度,不可直接應用於國内現行「鋼結構設計規範」。(4)因為AISC工作應力法規範,對於高強度螺栓的設計強度,並未使用明確的安全係數;而僅以圖表列舉螺栓之容許應力,因此對於F8TFl0T螺栓,使用於工作應力法時之容許應力值,可依該圖表的容許應力值,作適當的修正,以作為F8TFl0T螺栓的容許應力值。(5)鋼結構接頭設計理念,應以承壓型螺栓強度抵抗極限載重;而以抗滑型螺栓強度,作為工作載重下之使用性檢核。設計檢核時,尤應瞭解鋼板不同表面處理後之力學性質,並標示所需之鋼板表面處理方式,以確保可得到預期的摩擦係數。

5、經濟性

採用易於安裝、節省吊裝設備滯留時間之工法。接頭之型式,須採製作簡單、安裝容易、造價低廉、保養容易之接頭型式。另接頭設計應力求各接頭構件之有效性,以減少接頭鋼料之使用量,以減低結構體之重量,可降低成本。一般主構架之設計人,常漏計接頭鋼料之重量,其實應預估接頭可能增加之重量,列入設計考量。

6、耐震設計

除選用銲接性及延展性佳之鋼材以外,亦須具有低降伏比之特性(鋼材之降伏比為實測降伏強度Fu與實測抗拉強度Fy之比值)。並避免採用超過40mm以上之厚板,以免因增加銲接量,導致入熱量太大,於銲接熱影響區之範圍,容易產生脆性斷裂現象。接頭型式,亦盡可能使鋼板沿軋製方向受力,避免使鋼板承受板厚方向之力量,以減低產生銲接層狀撕裂之可能性。

接頭設計時,螺栓與銲道不得共同承擔接合中的同一分力。當摩阻型螺栓與銲道共用時,地震反復載重作用與非線性變形需求下,摩阻型螺栓可能已經超出滑動的強度界限,如果滑動面上的銲道無法提供足夠的變形能力,則銲道必須'擔所有載重。基於此原則,傳遞軸力之斜撐接頭,其翼板與腹板,應採用螺栓或銲接其中一種接頭方式。而承受彎矩與剪力的梁接頭中,主要用於彎矩傳遞的梁翼板接合,亦僅可單獨選擇螺栓或銲接方式接合,惟可與梁腹板接合方式不同。高強度螺栓可單獨用以傳遞地震力,惟應使用標準孔、或受力方向垂直於槽孔長向之短槽孔,且安裝時均應鎖至規定預張力,設計時並應考慮螺栓滑動、及螺栓孔承壓變形對接頭及使用性的影響。

7、疲勞效應

影響結構物之疲勞現象,除在接合處之銲道尺寸設計、及接合構件之斷面變化,幾何形狀應盡量保持平順漸變,避免產生斷面突然變化外,其鋼材及銲材之耐衝擊值,須足以阻止裂縫急速延伸的能力。若有疲勞疑慮則須加大構材斷面,降低應力差値,另外銲接程序與銲接品質之管控,亦非常重要。栓接接頭有振動及疲勞疑慮之結構,不得採用承壓型螺栓,須採用摩阻型高強度螺栓。

8、挫屈設計

挫屈現象為桿件未達其本身之強度之前,產生瞬間側潰挫屈現象,此種現象嚴重影響結構系統之穩定性。為避免產生接合構件之挫屈現象,所採用之各構件,均須符合寛厚比之需求。斜撐接合板設計時所採用之受壓構材有效長度係數K値,應配合斜撐在整體構架中分析時之端部束制情況,若分析時採用鉸接,則斜撐接合板之K値至少取2。否則萬一有一處斜接接合板發生挫屈,可能導致整體構架倒塌,因此接合板的長度,應盡可能減短。

9、接頭偏心問題

結構分析模式之節點位置,與實際接合之工作點(Working point)之間,常因安裝方便性考量而有偏離現象。此種情形,會造成桿件額外承受偏心彎矩,此額外產生之偏心彎矩,須分配予各相接桿件,並配合納入桿件設計補強之。栓接續接構材亦會在接合面二側螺栓組間産生傳遞剪力所衍生之彎矩,此二次彎矩(或扭力)均須納入接頭設計考量。

10、接頭局部結構系統與整體結構系統之相合(一致)

接頭本身即為一個小結構系統,接頭之受力模式應簡單明確,使各構件能充分發揮材料之最大效果。各構件間之受力分佈,必須依接頭內部構件之勁度分配承受力量。另外此局部結構系統與整體結構系統間,亦必須考量其相合性。例如:構材端部接頭型式及剛度之假設,應與整體構架之分析模型一致,以及高樓結構系統與地下室鋼筋混凝土結構之轉接,即有明顯的相合性需求。

11、應力傳遞必須緩和漸變,避免應力集中

接合之傳力方式宜緩和漸變,以避免產生應力集中之現象。鋼結構為板構件組合而成,接頭位置常會在不同方向之板構件間傳遞力量,或經由螺栓或銲材傳遞力量,因此必須考量應力傳遞緩和漸變,避免應力集中。

12、調整安全係數

依接頭所在位置之重要性,或結構物之重點位置,視其局部構件若發生損害,對結構物之影響程度或可修復性等因素,酌予局部調整安全係數,使重要性較高之接頭具有較高之安全性。

四、結論與建議

接頭設計除對力系平衡模式及使用性之考量外,因國內人工成本所佔之比例逐漸提高,因此尚須考量施工性、安裝性,及與主構架模型分析時所設定之接頭勁度一致性,並儘可能配合採用國內施工習慣之接頭型式,如此才能確保鋼結構接頭之有效性、經濟性及安全性。另外,國内全部屬地震帶,梁柱構架接頭均須符合韌性的規定,但因銲接高入熱量,會造成熱影響區材質脆化而降低韌性,因此為保有足夠的接頭韌性,須選用梯形切削高韌性接頭。對有抗疲勞需求之接頭,尚須配合銲道幾何形狀之應用。另外,接頭之受力模式宜簡單明確,傳力方式宜緩和漸變,以避免產生應力集中之現象。接頭型式之選用以製作簡單、維護容易為原則,而接頭設計在必要時,應依接頭所在位置對整體結構安全之影響程度,酌予提高其設計之安全係數。

返回上一畫面

    Top   Back