高強度螺栓預拉力上限值探討

陳正平技師

一、前言

高強度螺栓安裝鎖緊時若所施加之預張力超過鋼結構設計規範所規定之最小預張力時，在使用上是否會影響鋼結構構架接頭之安全性？又為何鋼結構設計及施工規範均未規定「高強度螺栓安裝鎖緊時預拉力值之上限」規定？而這些問題疑惑很多工程師。目前工程上常用之高強度螺栓依螺栓型式有六角形螺頭 (見圖1) 及圓形螺頭 (見圖2) 二種；高強度螺栓鎖緊之方法很多種，依施工方式則可分為扭矩控制 (見圖3及4) 高強度螺栓與一般高強度螺栓 (含直接張力指示器，見圖5及6) 二種。不論那一種型式之高強度螺栓，安裝過程所施加之螺栓預拉力，均很有可能超過鋼結構設計及施工規範之規定。

二、高強度螺栓安裝力學行為

　摩阻型高強度螺栓安裝時必須鎖緊到螺桿產生足夠的預拉力 (Pretension)，使其所接合之鋼板間產生足夠之接觸壓力，以便藉由接合鋼板間之摩擦力來傳遞剪力 (螺栓接合剪力傳遞方式見圖7)；若高強度螺栓不直接用來承受張力，或不會用到摩擦阻力，則預張力就非一定需要。

　當高強度螺栓接合必須用到摩擦阻力時，則預張力 (Pretension) 在不致使高強度螺栓產生永久變形或斷裂失敗之條件下得儘可能加大，使其發揮最大之效益。在鋼結構設計及施工規範中規定，高強度螺栓安裝所需之預拉力為自身抗拉強度之70%（即0.7）(見表1及表2)。

　根據國內鋼結構設計及施工規範，不論是摩阻型或承壓型高強度螺栓接合，螺栓安裝時必須鎖緊到螺栓產生之預拉力大於規範所規定之最小預拉力，但是沒有對預拉力做上限值之規定。而依據〔西元2000 年〕鋼結構接頭研究委員會 (RESEARCH COUNCIL ON STRUCTURAL CONNECTIONS , RCSC ) [1]規範第9.2.1節規定：「高強度螺栓安裝時所施加之預拉力超過表1及表2所規定之預拉力值時，並不須判定為不合格」。

螺栓鎖緊過程會先鎖到「密接狀態」(snug tight)，在「密接狀態」被鎖緊的鋼板間或螺栓與鋼板間皆處於緊密接觸情況，此時螺栓已經承受一些張力。圖8為螺栓自「密接狀態」受力情況開始，螺栓之軸拉力-軸向變形的關係曲線。曲線自「密接狀態」開始先呈線性關係成長，然後會在螺牙處先降伏，曲線進入非線性階段，接著螺牙處產生頸縮而強度開始下降，最後在螺牙處斷裂。螺栓受拉力時，臨界斷面發生在螺牙處，螺栓的最大拉力強度為材料抗拉強度與有效張應力面積（Tensile stress area=7854）的乘積。材料的降伏發生在螺牙的凹痕處，螺牙的降伏會先侷限在局部區域，而螺栓之軸拉力-軸向變形的關係曲線並沒有明顯的降伏平台。螺栓在螺牙處降伏時的載重稱為「標稱張力降伏載重」(Proof load)。A325高強度螺栓之「標稱張力降伏載重」約為自身抗拉強度之70%至80%（即約0.7~0.8）；A490高強度螺栓之「標稱張力降伏載重」約為自身抗拉強度之80%至90%（即約0.8~0.9）。因此AISC規範為簡化，對所有高強度螺栓在安裝時之「預張力」T_b統一定為螺栓抗拉強度之70%。而事實上，依圖8 (螺栓之軸拉力-軸向變形的關係曲線)，A325高強度螺栓之「預張力」T_b值約為「標稱張力降伏載重」之90%；A490高強度螺栓之「預張力」T_b值約為「標稱張力降伏載重」之76%。理論上，二者之最大「預張力」可達「標稱張力降伏載重」之100%。實務上建議不得超過「標稱張力降伏載重」之95%。

所有高強度螺栓在安裝時需要施加一預拉力T_b，預拉力可以讓鋼板密接、防止螺栓鬆脫、防止鋼板在使用狀態滑動、減少變形量及提升螺栓孔之承壓強度。此預拉力最小值定為螺栓抗拉強度之70%，即0.7，表1為A325及A490螺栓之最小預拉力，表2為JIS螺栓之最小預拉力。A325螺栓之最小預拉力約等於其Proof load，A490螺栓之最小預拉力也接近Proof load。實際施工時絕大部分螺栓的預拉力會高於最小預拉力，因此大部分螺栓在施加預拉力後螺牙處已經降伏。螺栓降伏後軸力還可以增加，在軸力達到後會下降(如圖8所示)。就剪力接合 (如圖7所示) 而言，只要螺栓的預拉力大於規範規定的最小預拉力，螺栓即可發揮預期的功能；換句話說，只要螺栓的軸力或軸向變形狀態介於圖8中E₁與E₂之間（A325）或F₁與F₂之間（A490），螺栓即可發揮預期的功能。就拉力接合而言，施加預拉力後，螺栓的軸力或軸向變形狀態應介於圖8中E₁與之間（A325）或F₁與之間（A490），如此方能讓螺栓發揮最大的拉力強度。

三、結語

由上述的討論可以看出，無須對螺栓預拉力做上限的規定，倒是必要時要對螺栓的軸向變形有所控制。2000年的RCSC規範[1]第9.2.1節即規定：「高強度螺栓安裝時所施加之預拉力超過表1及表2所規定之預拉力值時，並不須判定為不合格」。施工時只要螺栓的鎖緊作業按照規定施作，鎖緊後絕大部分螺栓的軸拉力或軸向變形狀態應介於圖8中E₁與之間（A325）或F₁與之間（A490）。

依過去的工程實務經驗，承受剪力之接合(見圖7)，只要高強度螺栓鎖緊時不發生明顯變形或斷裂的現象，通常即認定螺栓可以發揮預期的功能。因為鎖緊時螺栓會承受拉力及扭力之共同作用，在螺栓安裝完成後扭力全部解除，螺栓進入卸載情況，此時螺栓僅剩下承受張力，亦即此時之受力永遠低於安裝鎖緊時所承受之張力及扭力之合應力；因此只要鎖緊時不發生明顯變形或斷裂的現象，螺栓的軸向變形量大多不會超過圖8中E₂（A325）或F₂（A490）所對應的軸向變形量。因此即使高強度螺栓安裝鎖緊時之受力已達失敗破壞之邊緣，安裝完成使用時破壞失敗之可能性已大幅降低。因此高強度螺栓安裝鎖緊時之預拉力不需要規定上限值。惟在實務上為避免超鎖太緊，致螺栓之預張力超過材料之降伏應力，使螺栓產生塑性變形而鬆弛，建議鎖緊之扭矩不得使高強度螺栓產生大於最小預拉力值10%以上或螺栓「標稱張力降伏載重」(Proof load)之95%之預拉力，若有超過則應更換螺栓；若有不足應補鎖至規定最小預拉力[6]。

因高強度螺栓之設計及施工時，其「預張力」均以抗拉強度之70%(0.7)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」乘以摩擦係數而得。雖然實際施工時所施加之預張力常高於最小「預張力」，而常致螺栓在施加預拉力後基本上已經降伏，但仍不能以「標稱張力降伏載重」取代最小「預張力」使用。因此工程實務上，「標稱張力降伏載重」甚少在設計時被採用。另因使用過之高強度螺栓在施加「預張力」後很可能已經降伏，故建議不要回收重複使用。常用高強度螺栓之最小預張力見表1及表2所示，供設計參考

圖7　螺栓接合剪力傳遞方式〔2〕		圖8  螺栓之軸拉力-軸向變形的關係曲線

【參考資料】 

[1]“SPECIFICATION FOR STRUCTURAL JOINTS USING ASTM A325 OR A490 BOLTS”, RESEARCH COUNCIL ON STRUCTURAL CONNECTIONS,2000。

[2]“鋼結構設計講義”。陳正誠，國立台灣科技大學教授。

[3]“GUIDE TO DESIGN CRITERIA FOR BOLTED AND RIVITED JOINTS”, GEOFFREY  L,  KULAK ,  JOHN  W, FISHER , JOHN  H. A. STRUIK,SECOND EDITION.

[4]“ “鋼結構設計手冊容許應力設計法”。陳正誠、陳正平，中華民國結構工程協會，2003年2月。

[5]“鋼結構建築物鋼結構技術設計規範(二)鋼結構極限設計法及容許應力設計法規範及解說”，內政部營建署。

[6]“鋼結構疑難釋義”。劉聲揚，中國建築工業出版社。