鋼結構『開槽銲與填角銲』接合之選用原則探討
陳正平技師
前言
鋼結構接頭同一接合銲道之型式選用可依其力量傳遞之效果、冷縮變形嚴重性、入熱量、施工條件、保養方便性、邊界束制剛度及安全性等考量,選用不同的銲道形式-全滲透開槽銲 (見圖1) 或填角銲 (或部分滲透開槽銲+填角銲) (見圖2)。全滲透開槽銲與填角銲之銲道尺寸,均可以經妥善設計,使之達到銲接部位母材之全強度,但二者之耐震性能並不相同,其製作所需工時與費用亦不同,因此二者各適用於那些位置?其優劣點為何?及選用原則之考量因素為何?頗為繁複。為讓鋼結構設計者能有進一步的認識,筆者嘗試探討並比較二者之結構性能及優劣點供設計者參考。
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圖1(a) 單邊全滲透開槽銲T型接合 | | 圖1(b) 雙邊邊全滲透開槽銲T型接合 |
圖1 全滲透開槽銲T型接合示意圖[6] |
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圖2 填角銲T型接合示意圖[6] | | 圖3 部分滲透開槽銲+填角銲之T型接合示意圖[6] |
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開槽銲與填角銲之結構性能
有關全滲透開槽銲與填角銲(或部分滲透開槽銲+填角銲)之結構性能大致可分為1、強度,2、韌性,3、抗疲勞性,玆分別說明如下:
1.全滲透開槽銲接
全滲透開槽銲接不論是用在鋼板間之對接接頭,還是T形或L形接頭,由於與母材相稱之銲材,其強度均高於母材,銲材金屬經均勻填滿被連接構件邊緣之開槽銲口處,全滲透開槽銲便可視為構件母材的延續部份,因此銲道中的應力可分佈均勻、傳力路徑簡捷直接。故在一般情況下,當全滲透開槽銲之銲接施工品質控管良好,銲道之內部沒有嚴重缺陷,並經以非破壞檢測方法檢驗合格後,因全滲透開槽銲所熔填之相稱銲材金屬之強度均高於母材,其強度基本上可視為與原有構件相同。且若銲道表面經機械加工成平順外形,與母材原樣差異不大,應力集中現象不顯著,因此其承受反復載重的性能亦較好,抗疲勞性明顯較填角銲為佳,其銲材的耗用量也較少。但全滲透開槽銲於銲接前,對於銲口處須開槽加工,其開槽尺寸及組裝精度須較準確,且對銲接起、收弧處須有導銲板且銲接完成須切除並磨平,起始銲層亦須背剷重銲,重銲時若須用到仰銲之銲姿,因銲接技藝需求較高,較易產生銲接瑕疵。銲接起始銲層背剷時亦易產生母材燒蝕凹痕,而易產生應力集中現象,容易引發裂縫產生於該處而影響抗疲勞性。全滲透開槽銲須以射線檢測法(RT)或超音波檢測法(UT)作全數(100%)檢測。全滲透開槽銲除製造較費工費時外,銲接技藝等級要求需較高,品質檢驗費用亦較高,但其各項結構安全性能均較佳,故全滲透開槽銲適用於耐震韌性需求較高之梁柱構架接頭處。
2.填角銲 (或部分滲透開槽銲+填角銲)
填角銲不論用於那一種型式的連接,由於銲道熔填之銲材金屬都是填充在被接合構件相互組成的直角或斜角部位,故傳力路徑不直接,會有繞道現象。對中繼板之二側,若為不同之銲道型式,則對中繼板會產生偏心彎矩,且因二側填角銲間,因未銲接而形同存在一道初始裂縫,故應力集中現象較嚴重,容易引發疲勞裂縫。因填角銲銲道內的應力傳遞行為極為複雜,因此有效喉厚之容許強度比全滲透開槽銲為低。單邊填角銲亦易產生冷縮變形,且填角銲銲道之熔填金屬之截面積與腳長之平方有關,因此銲材消耗量亦較全滲透開槽銲為多。但填角銲對銲口邊緣不須開槽加工,製造較省工省時,對組裝之精度要求亦不高,一般銲工之銲接技藝等級即可滿足需求。主要構件及其接合處之填角銲道至少應施予5%以上的磁粒檢測法(MT)。因此填角銲仍然是最常用之一種銲道型式。
全滲透開槽銲與填角銲 (或部分滲透開槽銲+填角銲)優劣點比較
綜上分析可見,工程師在作銲道設計時,究是應該採用全滲透開槽銲或是填角銲亦或與部分滲透開槽銲組合應用,須針對接合部位之受力情況、接合銲接之施工性、構件安裝方便性、保養可行性、經濟性及耐久性、抗疲勞性及安全性等條件來選擇決定選用何種銲道型式,其優劣點比較如下。
項目 | 全滲透開槽銲。 | 填角銲或 (部分滲透開槽銲+填角銲) 。 |
加工成本 | 需開槽加工,成本較高。 | 不需開槽加工或局部開槽加工,成本較低。 |
傳力路徑力學行為 | 簡捷直接。 | 傳力路徑不直接,會有繞道現象。 |
抗疲勞性 | 銲接完成面平整,形同母材的延續,應力集中現象不顯著,抗疲勞性較佳。 | 形同存在一道初始裂縫,故應力集中現象較嚴重,容易引發疲勞裂縫。 |
銲材用量 | 較少。 | 與銲腳尺寸之平方成正比,銲材用量較多。 |
銲道熱影響區入熱量 | 銲層疊置次數較多,銲道熱影響區入熱量較高。 | 銲層疊置次數較多,銲道熱影響區入熱量較低。 |
施工品質控管及銲道檢測費用 | 較高。 | 較低。 |
組裝精度及銲工銲接技藝等級 | 較高。 | 較低。 |
安全性 | 較佳。 | 較低。 |
經濟性 | 綜合成本較高。 | 綜合成本較低。 |
結語與建議
在一般情況下,若韌性及抗疲勞需求不高之接合部位,為節省工時及製造費用,可採用填角銲,例如需要大量銲接之組合H型鋼,其翼板與腹板間之接合銲道或工地安裝用之銲道等。但在鋼板工廠續接、梁或柱等有耐震韌性需求之重要受力構件之連接、承受吊車軌條集中輪重之天車道梁腹板與上翼板之連接、錨栓之錨板、銲道兼有承受繞銲軸之彎矩、耐疲勞需求、使用空間上的需求及鋼板厚度大於20mm以上之鋼板全應力傳遞接合等接合部位,則建議採用全滲透開槽銲。韌性立體剛構架於梁-柱接頭之螺栓接合用剪力連接板,因承受剪力外尚有剪力螺栓組偏心接合產生之彎矩,及腹板分擔一部分總梁彎矩,以及梁之軸力等多種力量之組合,受力行為頗為複雜,設計考量不易周全含蓋,且此部位悠關梁-柱接頭是否能發展塑性鉸,故建議此部位之剪力連接板與柱面間之接合銲道儘可能採用全滲透開槽銲或可達剪力連接板之全張力強度的接合銲道〔填角銲 (或部分滲透開槽銲+填角銲)〕,以滿足多種力量之組合應力需求。
【參考資料】
[1] 中國工程師學會。中國工程師手冊,土木類,鋼結構篇。
[2] 劉聲揚(2000年3月)。鋼結構疑難釋義,中國建築工業出版社。
[3] 內政部營建署。鋼結構建築物鋼結構技術設計規範,容許應力設計法及鋼結構極限設計法設計規範。
[4] 陳正誠、陳正平(2003年2月),中華民國結構工程學會。鋼結構設計手冊容許應力設計法。
[5] 結構技師公會及土木技師公會。鋼結構設計常用接合參考圖。
[6] 中華民國鋼結構協會。鋼結構接合設計手冊。