橋梁結構用鋼材簡介

陳正平技師

前言

「橋梁結構用鋼材」之材料規格原則上應符合國家標準（CNS），惟隨著冶金技術的進步，結構用鋼材均往高性能發展，除強度之提升以減小桿件斷面尺寸及重量外，對於影響鋼橋韌性的沙丕衝擊值(Charpy V-notch簡稱CVN)與影響板厚方向韌性之硫含量之要求，亦漸趨嚴格。我國鋼材之國家標準CNS主要係引用自日本JIS規定，而國內橋梁結構用鋼則多採用美國ASTM鋼材規格，為配合國際合作之工程案件，「橋梁結構用鋼材」之材料規格以ASTM之規格標示亦為實務上所需。因此，本文依據CNS國家標準並參考美國ASTM、日本道路協會「道路橋示方書同解說—共通篇」及「道路橋示方書．同解說—鋼橋篇」等規範，並考量國內鋼結構橋梁設計及施工特性加以介紹，同時為提昇國內鋼結構橋梁設計施工技術，亦將新開發適合鋼結構橋梁之鋼材一併提供設計者參考。

鋼橋之鋼材選用原則

一、鋼材選用考量因素

鋼結構橋梁桿件受力情況，可分為3類： 

1.  不承受拉應力之次要桿件

次要桿件為非直接承受設計載重之桿件，如支撐主梁之斜撐、標誌架等。

2.  承受拉應力之非斷裂控制構件（non-Fracture-Critical Member, FCM）

非斷裂控制桿件則為橋梁系統中之受拉桿件破壞後，橋梁結構系統具力量重分配之能力，不會導致橋梁結構倒塌之桿件。

3.  承受拉應力之斷裂控制構件（Fracture-Critical Member, FCM）

斷裂控制構件係指橋梁系統中承受拉桿件破壞後，會導致橋梁結構倒塌之桿件，如軸向受拉桿件、承受撓曲拉應力之主梁等。

鋼結構橋梁上部結構之設計往往為疲勞載重所控制，由於裂縫對受拉構件甚為敏感，為避免鋼橋發生疲勞斷裂問題，對於受拉構件應採用具有沙丕衝擊試驗要求之鋼材。國內橋梁設計以採用鋼板銲接組立而成之型鋼為主，對於鋼板材料之選用應審慎為之。其中，SS 系列鋼材因其材質規範未規定碳含量之限制，並不適用需銲接之構材使用。雖然 SN 系列鋼材目前歸類在「建築結構用軋鋼料」，然因有規定衝擊韌性值，且硫、磷等含量低，鋼材之機械性能佳，故可於鋼結構橋梁。此外，厚板於軋製過程中易有夾層缺陷，對於 25mm 以上之鋼板，應以超音波或其它方法檢測是否有夾層。若鋼材未規定須進行超音波檢驗者，須於設計及施工規範增加此項需求。採用大於 50mm 之鋼板時，除須規定衝擊韌性值外，另應考量板厚方向之韌性需求。須考量板厚方向之韌性需求者可比照 SN-C 系列鋼材之規定選用硫含量低於 0.008，磷含量低於 0.02 ，且有厚度方向斷面縮減率規定之鋼材，或選用ASTM HPS50W、HPS70W、HPS 100W 等高性能鋼材，以避免板厚方向受力可能導致之層狀撕裂脆性破壞；亦或採用 SM570、SMA570、SMA570P 等強度較高鋼材，在強度與機械性能提高之情況下，亦達到減低板厚之目的。此外，鋼橋設計可能由勁度需求所控制，不作為傳遞力量的加勁材亦佔有相當數量與比例，因此，鋼材之選用主要取決於橋梁個別構件設計需求、構材之屬性及控制之載重特性等條件，並非單靠提高鋼材強度皆可獲得改善或提昇功能。

二、鋼材選用基本原則

(1)     依據機械性質包括降伏強度上下限、拉力強度上限、降伏比、延展性、沙丕衝擊值、厚度方向斷面縮率、碳當量、磷含量及硫含量等，選用品質變異性小，符合橋梁構件設計與功能需求之鋼材。對於承受反復載重且為受拉之桿件，須考量工址環境溫度，選用符合衝擊韌性需求之鋼材。

(2)     依據鋼橋構件之製作加工需求選擇適當之鋼材，例如須冷彎加工之主要桿件，可降低內徑與厚度比之限制。

(3)     為提升銲接品質及效率，可選用碳當量較低並採TMCP製程之高強度鋼材。國內鋼橋多採用銲接組立而成，對於鋼板材料選用應考量其銲接性。SS系列之鋼材，由於其材質並無含碳量之限制，故不適用於須進行銲接之桿件。

(4)     橋梁用鋼不可使用高入熱量銲接之接合方式。

(5)     依據橋梁重要性、工址所屬腐蝕環境，考量包括日後維護管理之生命週期成本，慎選鋼材。如位於嚴重腐蝕環境之鋼橋，可選用耐候性鋼材增加耐久性，並降低後續之維護成本。惟亦須考量選用耐候性鋼材之銹蝕顏色對橋梁外觀之影響。

(6)     由於鋼橋設計往往為疲勞載重所控制，對於承受拉應力之斷面應選用具有衝擊試驗需求之鋼材，若選用未規定衝擊韌性值之鋼材，應於設計及施工規範註明此項需求。

(7)     依據市場鋼材供應情形，選用常用尺寸及常用鋼材種類，避免將來購料不易，造成工期延宕或增加成本之情形。

結論

橋梁結構桿件鋼材之選用依結構物重要性、使用年限、鋼材耐震性能參數、結構系統、施工工法及銲接程序等因素，以及前述選用原則來決定構件之鋼材規格。鋼材之使用，可參考表1及表2選用適當的鋼材。由於結構物對材料之需求因結構物之不同而異，設計者應依橋梁結構之特性，選用適合的鋼材。

表 1 橋梁構件適用鋼材一覽表-CNS系列鋼材[1]

表 2 橋梁構件適用鋼材一覽表-ASTM系列鋼材[1]

註：（1）「○」表示經設計者同意後使用者；「X」表示不適合使用者。

（2）板厚65mm~100mm不適用。

（3）選用厚板之桿件當板厚方向受力時，應考慮鋼材硫含量、板厚方向斷面縮減率等，以確保板厚方向之韌性。

【名詞釋意】

ASTM：American Society for Testing Material (美國試驗材料學會)。

Gr：鋼材抗拉強度等級。

HP、HPS 50W：ASTM High  Performance Steel (高性能鋼材)，降伏強度為50ksi等級耐候鋼。

SS系列：國家標準（CNS）2473 G3039-92／JIS G3101-95 (一般結構用鋼)。

SM-A、SM-B、SM-C系列、SM570：國家標準（CNS）2947 G3057-92／JIS G3106-95 (銲接結構用鋼) 抗拉強度為570 N/mm²。其中，A級鋼：未規定衝擊值；B級鋼：規定0℃衝擊值為2.8kgf‧m以上；C級鋼 ：規定0℃衝擊值為4.8kgf‧m以上 (韌性最佳級)。

SMA570：國家標準（CNS）24269 G3099-92／JIS G3114-88 (耐候性銲接結構用鋼) 抗拉強度為570 N/mm²。

SMA570P：國家標準（CNS）24269 G3099-92／JIS G3114-88 (耐候性銲接結構用鋼) 抗拉強度為570 N/mm²，“P”表示鋼板通常經塗裝防銹後使用。

SN、SN-A、SM-B、SN-C系列：國家標準（CNS）13812 G3262-97／JIS G3136-94(房屋結構用鋼)。其中，A級鋼：未規定衝擊值；B級鋼：規定0℃衝擊值為2.8kgf‧m以上，且硫含量0.015以下，磷含量0.03以下；C級鋼 ：規定0℃衝擊值為2.8kgf‧m以上，且硫含量0.008以下，磷含量0.02以下(韌性最佳級)。

TMCP：熱機處理 (TMCP，Thermo Mechanical Control Process) 鋼材，是一種以控制軋延以及加速冷卻技術所生產之鋼材，一般鋼板厚度超過40mm時，不增加碳當量(Ceq)就會影響其降伏強度，但運用TMCP之軋延-冷卻技術製程，則不增加碳當量就能使鋼材（尤其是厚板）具有足夠的強度與韌性，並且同時保有良好的銲接性。 

參考資料

【1】中華民國鋼結構協會(2011)。結構用鋼材之規格與性能手冊。

【2】陳正平(2011)。房屋結構用鋼材介紹。結構工程，26（1）。