銲 接於鋼梁上之剪力釘尺寸限制探討

陳 正平 技師

近 日有技師同仁提問：『現行鋼結構設計規範第9.4.5節(冷軋鋼浪板第1條 基本要求(2)款中規定：「混凝土版須以銲接於鋼梁上之剪力釘與鋼梁連接時，剪力釘之直徑應小於或等 於19mm……」。同款 中亦規定：「……銲接於鋼梁上之剪力釘須銲穿鋼浪板或直接銲接於鋼梁上。安裝 完成之剪力釘，須突出鋼浪板頂部3.8 mm以 上(見圖一)」。但該規範並未提供各種尺寸剪力釘之可用長度，供設計參考，僅舊版之建 築技術規則建築構造編第五章(鋼構造)第271條 有提供剪力釘之長度及容許剪力(見表一) 〔2〕 供設計依據。但表一中之直徑19mm剪力釘僅有76mm長，而一般慣用之3W型 鋼浪板，其浪高為75mm，因此若欲符合突出鋼浪板頂部3.8 mm以上之規定，其長度須達113mm，此時是否須選用更大直徑之剪力釘以符合長度需求之規定？但若選用更大直 徑之剪力釘又會不符合「……剪力釘與鋼梁連接時，剪力釘之直徑應小於或等於19mm……」之規定。另外，現行 鋼結構設計規範為何規定剪力釘與鋼梁連接時，剪力釘之直徑應小於或等於19mm？

表一  各種剪力連接物之容許橫剪力 (公噸) 如下表：

圖一  鋼承板與剪力釘間之尺寸限制〔1〕

含 鋼浪板之合成構造，其剪力釘之設計原則及規定，係依據 Lehigh 大 學之試驗研究成果(Grant et al. 1977)所 制訂

以 上疑問因規範未有系統地詳加說明及提供相關設計資料，致引起技師同仁一連串的疑義及造成設計上之困擾。「鋼結構設計規範」第9.4.5節(冷軋鋼浪板)之 現定中，含鋼浪板之合成構造，其剪力釘之設計原則 及規定，並非依學理計算推導而得，其規定係依據 Lehigh 大 學之試驗研究成果(Grant et al. 1977)所 制訂。該規範9.4.5節〔1〕所列舉之限制參數值，係為了讓所設計之含鋼浪板合成構造物之連結剪力釘 的結構行為可符合既有之研究成果所採用的參數之範圍內。Lehigh 大 學曾完成了17組足尺寸鋼浪板上澆置混凝土之合成梁試驗， 以及其他機構所作之58組試驗結果中，所選用之剪力釘與鋼 浪板尺寸之參數如下：

(1) 剪 力釘尺寸：直徑19 mm×長 度76至178 mm

(2) 肋 條寬：49至184 mm

(3) 肋 條高：22至76 mm

(4) ：1.3至3.33

(5) ：1.5至3.41

(6) 任 一肋條之剪力釘數：1、2 或3

  再 者，鋼浪板之肋條垂直於鋼梁，且鋼浪板為連續通過鋼梁上翼板時，剪力釘須穿過鋼浪板固定於鋼梁上，這種情形下，水平剪力將引致鋼浪板溝槽部分產生迴轉式的 破壞模式，造成剪力釘之抗剪強度降低。規範建 議剪力釘之抗剪強度須以埋入均勻厚度之混凝土版 的標稱剪力強度再乘以式……（參 考文獻〔1〕中之式9.4-1） 之折減係數來作合理的估算。研究結果

(Easterling et al. 1993；Kemp and Trinchero 1997)亦顯示，當鋼浪板之每個肋條與鋼梁交接處僅設置一個剪力釘時，式（9.4-1） 〔1〕可能偏高，因此增加了折減係數不得超過0.75的規定。當鋼浪板之肋條底部範圍內設置有加勁肋突（reinforcing rib）(如圖二所示)時， 剪力釘一般不設置在加勁肋突位置，而設置在加勁肋突的旁邊，此時依剪力作用方向的不同，剪力釘固定的位置可分為弱位與強位。剪力釘固定於弱位會產生過早的 破壞，而降低安全性。因此，當剪力釘的強位可以預知時，可以協調施工者將剪力釘固定在強位，否則剪力釘應隔根換置於「強位」與「弱位」。

剪 力釘除須有足夠的錨定長度才能發展達其全張應力強度外，尚須有足夠的堅實周邊混凝土圍束，才能發展達其剪力摩擦行為之全剪力強度

由 上述文獻資料可知，剪力 釘除須有足夠的錨定長度才能發展達其全張應力強度外，尚須有足夠的堅實周邊混凝土圍束，才能發展達其剪力摩擦行為之全剪力強度。故 若採用較大直徑之剪力釘，設計結果恐無法符合試驗參數的需求，致無法發展達其全剪力強度，而可能會影響結構安全。因此現行鋼 結構設計規範「混 凝土版須以銲接於鋼梁上之剪力釘與鋼梁連接時，剪力釘之直徑應小於或等於19mm……」之 規定，與目前可參考之試驗資料不多有關。故在未獲得更多的佐證資料之前，仍應依照現行規範之規定作設計。

圖 二 含加勁肋突鋼浪板上剪力釘之弱位與強位〔1〕

特別提醒 設計者在選用剪力釘之長度時須預留3至5 mm左右之長度餘裕，以備剪力釘植銲時會因壓接而略為縮短

  又 依現行鋼結構設計規範第9.5.1節(剪力釘材料)第(2)款之規定：「剪力釘之長度應大於4倍 剪力釘之直徑。」因此舊 版之建築技術規則僅提供剪力釘之最小長度值及其容 許剪力供設計參考。事實上，市售剪力釘之工程慣用長度甚多種(見 表二)，可供設計者依規範之規定及個案之設計需求選用。在 此特別提醒設計者在選用剪力釘之長度時須預留3至5 mm左右之長度餘裕， 以備剪力釘植銲時會因壓接而略為縮短。設計者選用剪力釘之長度時，直接參照表一〔2〕 之4倍剪力釘直徑之長度值，並非正確之用法。選 用剪力釘之長度時，除須考量結構安全所需之長度外，應另酌 加植銲壓接縮短所需之餘裕。 

表二  各種剪力釘之長度與重量對照表〔3〕

備註：本表為熔接前長度，銲接後長度 約減少3至5 mm。

    另外，剪力釘之配置有下列限制(見圖 三) 〔3〕亦一併列出供設計參考：

1、在最大正彎矩或最大負彎矩至零彎矩間之剪力釘，可依其所需數目以等間距配 置。但在任一集中載重至臨近零彎矩間之剪力釘數目，須足以發展出集中載重處所需之最大彎矩。

2.、剪力釘側向應最少有2.5cm厚之混凝土保護層， 但設置在鋼浪板肋梁上之剪力釘除外。

3、除非直接配置在腹板正上方之翼板，否則剪力釘之直徑不得大於2.5倍鋼骨翼板之厚度。

4、兩剪力釘間之最小中心間距，在梁之軸方向為6倍釘直徑，在橫方向為4倍 釘直徑；但鋼浪板肋梁上之剪力釘，兩方向之最小間距均為4倍 剪力釘直徑。兩剪力釘間之最大中心間距為8倍混凝土版總 厚。

圖三  剪力釘配置圖〔4〕

當鋼浪板之肋條平行於鋼梁，或鋼浪板 為單跨不連續通過鋼梁上翼板時，鋼骨梁 上之鋼浪板可以沿鋼梁之縱向切開並橫向拉開配置，將肋條加寬成一混凝土托肩，剪力釘不論是穿過鋼浪板或直接植銲固定於鋼梁上，根據有 限的試驗結果(Grant et al. 1997)顯示 剪力釘受肋條之影響並不顯著，惟對 比小於1.5之窄肋條在缺乏試驗資料之情況下，規範仍建議剪力釘之抗剪強度須以埋入均勻厚度之混凝土版的標稱剪力強度再乘 以

……（參 考文獻〔1〕式中之式9.4-2)之剪力 折減係數。

另 外，舊 版之建築技術規則建築構造編第五章(鋼構造)第271條 另有提供「剪力槽鋼」之容許剪力值供設計參考，但因剪力槽鋼承受剪 力時須配合槽鋼之開口方向，因有方向性致容易產生誤用之情形，又因剪力釘植釘機的快速(依 植釘機機種不同，每分鐘約可植釘3至8只)、 方便，致使剪力槽鋼完全被剪力釘所取代，因此現行規範已不予列入，惟設計者若有特例須用到時仍可使用。

【參 考文獻】

〔1〕內政部營建署(2007) ，“鋼結構容許應力設計法規範及解說”。

〔2〕內政部營建署(1991) ，“建 築技術規則”建築構造編第五章(鋼構造)。

〔3〕春雨工廠股份有限公司 ，“電 弧熔接式剪力釘”型錄。

〔4〕中華民國結構工程學會(2003)  ，“鋼 結構容許應力法設計手冊”。