高強度螺栓鎖緊扭力之方式

 

 

現行“建築物鋼結構施工規範”第五章第5.4節(高強度螺栓鎖緊方法),第5.4.1(扭力控制法)規定:「螺栓鎖緊後以扭力扳手檢測,其檢測之容許誤差為設定值之±10%」。然而其中「設定值」是否有規範標準?各種尺寸之高強度螺栓是否有鎖緊扭力之對應值?使用扭力板手檢查時,所需施加之扭力各為多少呢?此些問題常困擾著工程師。

高強度螺栓之鎖緊之鎖緊方法有:校正扳手法(calibrated wrench)、螺帽旋轉法(turn-of-nut)、斷尾扭力控制型(torque control bolts)、或直接拉力指示器(direct tension indicator)。

以扭力板手鎖緊或檢查之原理,係以控制所施加之扭力大小來控制螺栓之預拉力,是一種以力量控制(force control)將螺帽鎖緊的方法,其法為使用校正過之可以顯示所施加扭力大小的扳手(如圖2所示)來鎖緊螺帽,扳手對螺帽或螺栓頭施加扭力的同時也對螺栓施加軸拉力,所需施加之扭力大小與螺栓強度有直接的關係。直徑越大或強度越高的螺栓所需施加之扭力也就越大,施加的扭力越大螺栓軸拉力也就越大。

若欲估計鎖緊鎖螺帽所需之概略扭力值,則在進行接合鎖緊作業之前,須先以下列公式並參考表1之扭矩係數K,以(公式1)估計鎖緊作業所需施加之概略扭矩值T。估計扭矩所用之扭矩係數值K之大小,依螺栓表面處理狀況之不同,大致可區分為如表1兩種不同之數值。

K=1000 T / (d.N) (公式1)

其中,K:扭力係數值

T:扭力 (kgf-m)

d:螺栓標稱直徑 (mm)

N:螺栓張力 (kgf)

表1 扭矩係數值K

區分 扭矩係數種類
A B
同一製造批次之扭矩係數平均值 0.11~0.15 0.15~0.19
扭矩係數標準偏差 0.010以下 0.013以下

註: A類係指螺栓與螺帽接觸面經潤滑處理。
B類係指螺栓與螺帽接觸面無潤滑處理。


扳手所施加的扭力並不是全部轉換成螺栓拉力,由於螺栓鎖緊時會受到螺栓表面或墊圈上之油污或銹蝕程度或有無鍍鋅或溫度高低等因素,有一部份的扭力需用來克服螺帽或螺栓頭旋轉時與墊圈之間的摩擦力,以及螺帽與螺牙間的摩擦力。在相同的扭力下,墊圈、螺栓頭、螺帽及螺牙的表面狀況亦會影響扭矩係數K值,而會影響所估計得之扭矩值及所施加之軸拉力。因此螺帽鎖緊施工時須注意旋轉面的表面情況,當表面過於粗糙時摩擦力會過大而導致預拉力會不足;當表面有油污時摩擦力會較小而導致預拉力過大,其差距可能高達2倍。一般為讓旋轉面能有較穩定的情況,旋轉端鋼板與螺帽間應設置一經過硬化處理之墊圈。此外,當螺牙有損傷時,會產生額外阻力而導致螺栓預拉力不足,因此施工時也要注意螺栓安裝過程不要傷及螺牙。由於螺栓預拉力不易準確掌控,且安裝過程時有敲擊動作,故使用過的螺栓很可能螺牙已受損,建議避免重複使用。

較準確之鎖緊扭矩值,須採「校正扳手法」,其法係以軸力計(見圖1)及已校正準確之扭力扳手(見圖2),測試扭矩值。當高強度螺栓鎖緊至軸力計達到所需軸力 (一般為最小抗拉強度之0.7倍) 時,此時相對應之扭力扳手扭矩值即為高強度螺栓鎖緊所需之正確扭矩。扭矩之試驗為同一製造批號之螺栓,最少取樣5支,求其試驗平均值以為施工之依據。校正扳手上的扭力指示器需要時常校正,以免指示器顯示錯誤致螺帽鎖緊作業失敗。建議校正扳手上的扭力指示器至少每天要校正一次,或扳手連續鎖緊的螺栓數量達一定數量時亦須重新校正。

若使用直接拉力指示器(墊圈)(圖3),其墊圈上的可壓縮凸點是直接以螺栓最小抗拉強度之0.7倍為設計及製造基準,其功能有如一次使用性軸力計的功能,可以任何種類之扭力扳手鎖緊至產生張力壓縮凸點至預埋於凹槽處之矽膠由槽內擠出時,即可達正確預計之螺栓預拉力,亦可確定是否使用正確的螺栓尺寸及材料等級。

參考資料

1.中華民國鋼結構協會(2008)。鋼結構品質管作用標準 (第3版)。
2.中華民國鋼結構協會(2008)。鋼結構建築物鋼結構施工規範。中華民國96年7月5日內政部台內營字第0960803500號。
3.史奎特直接張力指示器型錄。
4.中華民國結構工程學會 (2013)。房屋結構鋼筋施工綱要與品管。

 

 
1  液壓式荷重計   2  扭力扳手示意圖
     
   
直接拉力指示器(墊圈)    

 

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