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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○八年六月二十二日

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文字記者:許素梅

「談高拉力螺栓接合面的防蝕」之讀後感

陳正平 技師/中華民國鋼結構協會理事

技師報第1167期劉澤山技師「談高拉力螺栓接合面的防蝕」一文,對高強度螺栓接合面所需之摩擦係數提出探討,並與公共工程委員會施工綱要規範,「第05121(鋼橋製作及架設)3.2.3節(鋼橋安裝架設(3)強力螺栓之接合)中,接合構材之接觸面,應保持有0.4以上之摩擦係數,以及歐洲規範規定:「鋼鐵表面噴塗無機鋅粉漆厚度在50μm~80μm時,摩擦係數可到0.4」等比較後,認為在一般螺栓尺寸下,實際考慮的摩擦係數大約僅在0.17~0.23間。

但,筆者認為摩阻型高強度螺栓之設計容許剪力強度,應為由極限強度除以安全係數而得,若施工時直接採用容許剪力強度反推所需之摩擦係數,恐會産生摩擦剪力不足而影響結構安全。又,計算高強度螺栓之設計容許剪力強度,須注意設計規範所提供之剪應力,是否已有納入螺桿車牙後之有效張應力面積折減係數,以免誤用而産生結構安全疑慮。據聞,國内曾有風力發電機塔柱接頭設計時所使用之高強度螺栓,未考慮螺桿車牙後之有效張應力面積折減係數,而致颱風時,風機塔柱接頭斷裂倒塌之案例。

依據現行「鋼結構容許應力設計法規範」第10.3.3(容許張應力及剪應力),表10.3-2(螺栓及螺牙桿件之容許應力)中,規定之摩阻型高強度螺栓滑動係數應在0.33以上,此値大於劉澤山技師文中所採用之摩擦係數0.17~0.23甚多。若鋼結構施工時採用此較低的摩擦係數,與結構設計時所採用之較高的摩擦係數不同,顯然會有安全疑慮。劉技師在文中之表2(CNS 12209 高強度螺栓換算的摩擦係數)中,筆者對其計算摩擦係數的方式存有疑義,其中,以M24尺寸為例:其軸力採用22.2tf30.1tf,經査CNS12209之表4,係屬F10T/S10T控制扭矩之高強度螺栓,依據現行「鋼結構容許應力設計法規範」表10.3-2之規定,其標準孔之摩阻型靜態容許剪力(Fv)應為,(1.41 tf/cm2)×(4.52cm2)6.38tf,其中AISC所提供之容許剪應力fv1.41 tf/cm2 ,是已計入螺桿車牙後之有效張應力面積折減係數約0.75。而此(6.38 tf)値,與劉澤山技師「談高拉力螺栓接合面的防蝕」一文中,採用4.9703tf相差約(6.38 tf÷4.9703 tf)0.78倍,此0.78倍値,應是為螺桿車牙後之有效張應力面積與全斷面積之比値,由此推測劉技師所採用之4.9703tf,多折減了有效張應力面積折減係數0.78倍,而致劉技師所採用之M24摩阻型高強度螺栓容許剪力強度4.9703 tf偏低,導致所反推之摩擦係數0.17~0.23更低。

又,摩阻型高強度螺栓,係藉由螺栓之軸向預拉力來産生摩擦剪力,故與剪力面是否通過螺牙無關,文中表2中第5欄加註「螺紋面」似無必要。此摩阻型靜態容許剪力強度,若要用來反推計算摩擦係數,則尚須計入安全係數。而M24 F10T/S10T之最小預拉力23.7 tf,以最小預拉力23.7 tf乘以摩擦係數0.33,可得摩阻型靜態極限剪力強度7.821 tf,但AISC考量實際施拉預力會略高1.1倍,而提供因數化載重下之摩阻型接合螺栓之剪力強度為(1.96 tf/cm2)×(4.52cm2)8.86 tf,螺栓極限剪力強度與容許剪力強度間才會存有安全係數(8.86 tf÷6.38 tf≒)1.39倍。由此可知摩擦係數0.33是必要的,不能逕自採用0.17~0.23

另外,由於美國鋼結構協會(AISC)所出版之『鋼結構設計規範(AISC 360-16)』,認為實務上,一般接合面之表面粗糙度情況之摩擦係數0.33略有高估,國内民國107年新版「鋼結構極限設計法規範」草案,已依據美國鋼結構設計規範(AISC 360-16),將摩擦係數0.33修改降為0.3,依據摩擦係數0.33修改降為0.3之摩阻型高強度螺栓剪力強度値,可參考中華民國鋼結構協會「鋼結構極限設計法設計手册(TISC-030-2019)」。

美國RCSC根據試驗的方法,將摩阻型高強度螺栓接合面之滑動係數(m),亦修改為:(1) 熱浸鍍鋅後未進行粗糙化處理之表面:0.22(2) A級接合面:0.3(3) B級接合面:0.5。其中,A級接合面為符合下列條件之一者:(1)去除黑皮及鬆散浮銹之未塗裝鋼材表面,鋼材表面須有適當防銹措施,無需進行滑動係數試驗。(2)噴砂後進行無機鋅粉底漆塗裝,無需進行滑動係數試驗;(3)噴砂後進行第(2)項以外之塗料塗裝,施工前須進行滑動係數試驗驗證其值大於0.3(4)熱浸鍍鋅後表面進行粗糙化處理,其表面粗糙度Ry大於50mm,無需進行滑動係數試驗。B級接合面為符合下列條件之一者:(1)噴砂後之未塗裝鋼材表面,其表面潔淨度須滿足Sa 2-之要求,鋼材表面須有適當防銹措施,無需進行滑動係數試驗;(2)噴砂後進行無機鋅粉底漆或其他塗料塗裝,施工前須進行滑動係數試驗驗證其值大於0.5。其中,Sa 2-之要求為表面清潔度標準規範中之國際標準、瑞典標準及日本標準,相當於美國標準之SSPC-SP10( Near White):將鋼材表面之黑皮、銹及其他異物以噴砂除去95%以上。其施工方法與SSPC-SP5相同,依普通程度之噴射將銹及其他異物以噴砂除去之。由以上規定可知,已允許噴砂後進行無機鋅粉底漆塗裝,及去除黑皮及鬆散浮銹之未塗裝鋼材表面,鋼材表面須有適當防銹措施等情況,無需進行滑動係數試驗,即可採用μ0.3

國内現行「鋼結構設計規範」,對於「高強度螺栓」之設計強度之規定,主要係依據美國鋼結構協會(AISC)所出版之『鋼結構設計規範』制定。然而日本規格之「扭矩控制(Torque Control Bolt)扭斷型高強度螺栓(簡稱T.C.Bolt)」,其施工方式甚為簡便,已為國內鋼結構工程實務上普遍採用,並已取代大部分AISC規格高強度螺栓。但日本規格之「扭矩控制斷尾型」高強度螺栓所採用之安全係數,及接合面間之摩擦係數,均與國內現行規範不同,若未經合理的轉換,就直接採用日本規範所提供之設計值,會影響結構安全性。結構設計除必須遵循相關設計規範外,尚須採行一致性之安全等級及標準,整體結構才能得到經濟及均勻一致的安全性。

日本JIS規格高強度螺栓,分F/S 8T10T11T三種規格,根據日本鋼構造協會,19681972年對延遲破壞所作之研究顯示,螺栓強度在12 tf/cm2以上,安裝時對螺栓以對應於0.2% 永久變形之降伏應力之軸力鎖緊時,即有發生延遲破壞的可能,隨後亦有F11T發生延遲破壞的案例。因此JIS B1186建議,盡可能不要使用F11T螺栓。若有防蝕需求須鍍鋅時,須採用F8T,亦有文獻建議使用鍍鋅螺栓時,因酸洗除銹過程,有可能導致金屬吸收氫原子而產生脆裂或延展性降低的氫脆化現象,故建議設計時宜酌予降低強度。

一般工程實務上,常用之JIS規格高強度螺栓,常用之直徑從M16M20M22M24。在不致使高強度螺栓產生永久變形或斷裂失敗之條件下,應盡可能加大「預張力」,使其發揮最大之效益。

日本「鋼構造設計規準(ASD)」中規定,高強度螺栓係藉安裝鎖緊所產生之摩擦剪力強度來抵抗外力;而「鋼構造限界狀態設計規準(LSD)」,則要求接合處高強度螺栓所能提供之高強度螺栓承受拉力,拉至接合面分離時之抗拉強度與摩擦剪力強度,必須符合使用限界狀態下之需求。而所謂高強度螺栓承受拉力拉至接合面分離之抗拉強度,即為以螺栓預拉力乘以一折減值,其目的在確保接合處,在受到使用限界載重時,仍為密接狀態。因此日本鋼構造規範,均要求高強度螺栓安裝時,必須達以下計算方法所得之最小預張力值:

設計預張力 = 0.85σy*Ae for F8T

      = 0.75σy*Ae for F10T     

其中,

σy = 螺栓試片之最小降伏應力值。

Ae = 螺栓之有效應力斷面積。

日本鋼構造規範之最小預張力計算方法,若與AISC以極限強度標示之規定預張力0.7σu*Ae 相較,則F8T螺栓之設計預張力約為0.68σu*AeF10T則約為0.675σu*Ae。二者皆較AISC之規定稍低。

近年來以可靠度分析為基礎的極限設計法,已成為世界各國鋼結構設計理念的主流,為推導日本規格高強度螺栓,符合國內現行設計規範之設計強度,必須依照可靠度分析步驟推導才能得到。因國內使用之日本規格之高強度螺栓主要為F10T,故可依據日本F10T之統計資料推導。此外,接合部鋼板的摩擦係數與其接合表面的處理情況,與摩擦係數有極大的關係,設計時除非設計者對於接合面的表面處理有特別規定,其摩擦係數可另外決定外,AISC及現行規範,一般均以摩擦係數 m = 0.33(新版規範草案修改為作為m = 0.30)抗滑強度之計算依據。

日本建築學會之試驗統計,表面生銹的鋼板接合面,其摩擦係數平均可達0.61,而螺栓安裝後之平均預張力,約為規定最小預張力的1.1倍。該學會亦認為:對於一般鋼板表面經過適當處理後的接合部,若摩擦係數取0.45為設計值是非常容易達到的,所以日本鋼構設計規範,是以0.45作為摩擦係數設計值。準此,若摩擦係數取0.45作為日本規格螺栓摩擦係數之基本設計值,可得到較保守的設計。因F8TF10T螺栓,依日本規範所規定之安裝法鎖緊時,螺栓平均預張力已達0.75σu*Ae ,並已大於現行規範所規定之0.7σu*Ae螺栓預張力 ,因此F8TF10T螺栓,若依AISC規範所規定之方法安裝時,其標稱抗滑剪力強度,應依現行「鋼結構設計規範」、或AISC設計規範所規定之方法計算。

不同的設計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,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,供設計者參考:

1ASTM A325JIS F8T螺栓,及ASTM A490JIS F10T螺栓之機械性質相近。

2JIS 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。

3、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。各種不同表面摩擦係數之剪力設計強度與其摩擦係數值成正比。

4、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」。

5、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,並無固定的計算式可供作轉換,但仍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。若將F8TFl0T螺栓的容許應力值乘以0.9523,可得A325螺栓及A490螺栓的容許應力之槪略值。

6、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。

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