鋼結構構材栓接續接板塊狀剪力設計探討

    陳正平技師

鋼梁、鋼柱等構材以高強度螺栓續接時，其續接板須檢核各種可能發生之破壞模式，其中，在檢核塊狀剪力撕裂破壞模式時，圖1(c)所示位於接合螺栓所包絡區域之二外側塊狀剪力撕裂模式，亦為可能發生的破壞模式之一，且除須檢核受張之破壞模式外，亦須檢核受壓及受剪之破壞模式。若可能發生之破壞模式為明顯不會控制設計結果者，設計者得以槪算說明方式取代詳細檢核工作。鋼構件接頭之續接板須檢核之破壞模式彙整說明如下：

1. 受張破壞模式檢核項目如下：

(1)接合螺栓所包絡之塊狀剪力撕裂模式(見圖1b)。

(2)接合螺栓所包絡區域二外側之塊狀剪力撕裂模式(見圖1c)。

(3)作用於有效斷面積之容許張應力不得大於0.5F_u (見圖1d)。

(4)作用於以30˚擴散角在通過最後一排螺栓之斷面上，所含蓋之斷面積上之最大張應力不得大於0.6F_y (見圖1e)。

  　以圖1所示H型鋼腹板栓接續接板之情況為例，項目(1)至(3)與塊狀剪力撕裂有關，雖均須檢核，惟以容許應力設計法而言，因為塊狀剪力撕裂在張力有效斷面上之容許張應力為0.5F_u，剪力有效斷面上之容許剪應力為0.3 F_u，由圖1之幾何尺寸關係可明顯看出(1)至(3)項中，項目(3)之臨界斷面積最小，會控制設計。故本例只須檢核(3)及(4)項即可符合受張情況之安全需求。

2. 受壓破壞模式檢核項目如下：

(1) 受壓破壞模式檢核以30˚擴散角在通過最後一排螺栓之斷面上所含蓋之斷面積上，所產生之最大壓應力不得大於0.6 Fy (見圖2)。

(2) 最內側螺栓間續接板無支撐長度間之挫屈強度檢核(見圖3及圖4)。

3. 受剪破壞模式(見圖5所示)檢核項目如下：

 (1)接合螺栓所包絡之塊狀剪力撕裂模式(見圖5a)。

(2) 作用於有效斷面積之容許剪應力不得大於0.3Fu (見圖5b)。

(3) 作用於全斷面積之容許張應力不得大於0.4Fy (見圖5c)。

(4) 構材接合面二側螺栓組重心間距所產生之偏心二次彎矩。

【計算例】

以圖1所示H型鋼單側腹板續接板以ASD(容許應力設計法)為例作檢核，腹板續接板(t=10mm)承受軸力=16.5 tf 之張力或壓力，及剪力=3.0 tf；

　接合板 t=10mm， F_y=2.5 tf /cm² ，F_u=4.1 tf /cm²；

　高強度螺栓M20  ASTM A325。

　(1) 張力之情況

　　由塊狀剪力撕裂塊之剪力邊淨長與張力邊淨長之關係如下：

　　2 (4 + 6)×(0.3Fu/0.5Fu)= 12 cm > (3.2× 2 cm)

故通過續接板橫斷面之有效斷面積之容許張應力控制設計。

    (a)作用於有效斷面積之容許張力

      (3.2 × 2 + 6 ) - 2 (2 + 0.15 ) = 8.1 cm2

      8.1×0.5Fu =16.6 tf  > 16.5 tf  （O.K.） (控制 )

    (b)作用於以30˚擴散角在通過最後一排螺栓之斷面上，所含蓋之斷面積之容許張力

    (3.2 × 2 + 6 ) × 0.6 Fy= 18.6 tf > 16.5 tf（ O.K.）

 (2) 壓力之情況

   作用於以30˚擴散角在通過最後一排螺栓之斷面上，所含蓋之斷面積之容許壓應力

       = 16.5 tf /(1 x 12.4) = 1.33 tf /cm2  < (0.6Fy=1.5 tf /.cm2)。

   挫屈檢核 KL∕r =0.65(7x2+0.5)/0.3 t = 31.4

     Fa = 1.38 tf /cm2 > 1.33 tf/cm2   （O.K.）

 (3) 剪力之情況

    塊狀剪力破壞模式 = [4 + 6-1.5 (2 + 0.15 )] ×1×0.5Fu + [3.2 + 6-1.5 (2 + 0.15 )] ×1×0.3Fu

= 13.89+8.67=22.6tf >3 tf（ O.K.）

    作用於有效淨斷面積之容許剪應力=[12.4-2 (2 + 0.15 )] ×1×0.3Fu

             = 9.96 tf >3 tf（ O.K.）

    作用於全斷面積之容許剪應力=12.4×1×0.4Fy

= 12.4 tf＞3 tf  （O.K.）

  (4)構材接合面二側螺栓組重心間距所產生之偏心二次彎矩，假設70%作用於一側，則

     M=3 tf (7x2+0.5+6) x0.7 = 61.5 tf-cm

     σ=  61.5 tf-cm ÷〔1 cm ×(12.4 cm)2/6〕=2.4 tf＞(0.6 Fy= 1.5 tf) （N.G.）

     建議改用二側各一片(t=10mm)腹板續接板。

〔結論〕

 鋼結構栓接接合之續接板，設計時除須檢核各種可能的破壞模式外，在規劃續接板及螺栓尺寸時，更須考量螺栓鎖固之施工空間及螺栓之間距、邊距、承壓強度等之規定，且須使螺栓及續接板可發揮最大效益。螺栓之配置以單排排滿構材全深為原則(見圖6)，並採對稱規則配置，以免產生額外之偏心彎矩或扭力。梁、柱於接合處以避免承受繞構材縱軸之扭力為原則，若有繞構材縱軸之扭力時，更須考量接合方式對扭力抵抗效率折減之問題。另外，高強度螺栓因須以預張力鎖緊，故無鬆脫之疑慮，亦不須以隔根交互改變方向穿進螺栓孔之方式鎖固。

    栓接接合板受壓時有產生挫屈的可能，故接合面二側螺栓間之間距應儘可能減小，以免發生圖3所示之挫屈模式，若有挫屈疑慮時須增大續接板厚度。

【參考資料】

[1] 營建署 (1998) “鋼結構容許應力設計法設計規範及解說”，內政部87.10.29.台(87)內營字第8773121號函頒佈。

[2] 中華民國結構工程學會 (2003) “鋼結構容許應力設計法設計手冊”， (CSSE 91-05)。

[3]  AISC (1986) “Manual of  Steel　Construction ”，Allowable Stress Design,9 ^th  Edition,American　Institute　of　Steel　Construction.　Inc.

	圖2 壓力擴散模式   圖3 續接板挫屈模式
圖1 續接板張力破壞模式[2]
圖5 續接板剪力破壞模式	圖4 續接板無支撐長度過長之情況
圖6 續接板螺栓配置示意圖