鋼筋續接器之螺紋與鎖緊關係之探討

螺紋的種類有非常多種,一般常見的是山型的螺紋,作為一般鎖緊的用途。也有做為傳動用途的方螺紋或梯形螺紋,例如老虎鉗、或是採用細螺紋的量測工具、或是燈泡上的圓螺紋等。

把螺栓上的螺紋,展開在平面上,如圖1所示。轉一圈所抬高的距離L;行走之圓周長πd,又稱導程;所夾角度α,又稱導角,用三角函數表示,則為tan(α)=L/πd。螺絲旋轉時,即是在斜面上作功,α角越小越省力。當然還有螺紋表面光滑的程度,也就是摩擦係數μ,會影響鎖緊時所需的扭力大小。

螺紋山頂與山頂、或山谷與山谷間的距離,稱為螺距(pitch)。ISO標準的公制螺紋,以M作開頭,代表公制的意思;美國的統一標準螺紋UNC,C代表coarse,為粗螺紋。兩者螺紋角度,皆為60度,如圖2所示。圖2表示公(陽)螺紋的基本尺寸,母螺紋則對稱相反。對螺絲而言,螺距P,在一般單螺紋的螺絲來說,也等於螺紋繞行一圈前進的距離;以陽螺紋來說,未車削前的直徑、或是兩側螺紋頂的距離,又稱外徑、主徑或大徑,以D表示。而當螺紋寬度等於螺距一半位置的直徑,則稱為有效徑,圖中以D1表示。若以波谷的最低點量測的直徑,稱為谷徑,以D2表示。一般螺紋的破壞面,大約位於D1和D2二分之一的位置,所以也以此位置作為估算螺栓強度的依據[4]。但高拉力螺栓規範採用更低一些的位置[3]。若由圖2用60度角的三角函數推算:

H = √3/2×P = 0.866P

∴D2 = D-2×(H-H/8-H/4) = D-1.0825P

D1 = D-2×(H/2-H/8) = D-0.6425P

公母螺紋間的接觸面高度(嚙合高度) = H-H/4-H/8 = 5/8H = 0.5413P

螺栓有效斷面積A=π/4[D-0.866P]2

高拉力螺栓有效斷面積A = π/4[D-0.9382P]2 [3]

以上為公制螺紋的基本公式,只要螺栓直徑及螺距已知,即可推得相關尺寸的數據。以常用的高拉力螺栓直徑,如表1,M代表為公制螺牙(Metric)的意思;若有特別需求,也可以選擇小一級的螺距,例如M24螺栓代表標準螺距為3mm,若有需求標示M24×2,則代表螺距為2mm的公制細螺紋。英制螺栓,則以每英寸有多少螺牙來表示,例如1-8 UNC代表標準的1英吋直徑的螺栓,每英吋牙數有8牙,統一標準螺紋,螺紋角度為60度。若標示為1-12 UNF,代表每英吋牙數有12牙,F為細螺紋fine的意思。螺紋越細,理論上螺栓的有效斷面積越大,強度越高。但是實際上螺牙受力時應力分布並不平均,一般有大約40%的受力由第一個螺紋承受,且這情形因牙數多寡造成的影響不大[4],因此細螺紋破斷的風險較高。

鋼筋續接器的螺紋,一般統一採用螺距2.5mm的螺紋,螺紋總長度約與直徑相同,如表2[1]。目前市面上絕大多數都使用錐牙續接器,也就是端部較小、較尖,而非等直徑的直牙螺紋(照片1)。因為端部較尖,所以略為傾斜亦可以插入,另外也由於傾斜的關係,續接器鎖緊所需扭轉的圈數,也可以減少。平牙螺絲由於公母接頭的谷徑相同,所以旋緊所需的圈數,等於螺牙的數目。但由於採用錐度的關係,若無螺牙,則公母頭可以直接插入至底部。

實際上,由於螺紋的高度的關係,兩者將有一間隙,這間隙等於嚙合高度,需靠螺牙的旋轉,將此部分逐漸的密合。根據錐度與嚙合高度的比例,可以推算旋緊所需轉動的圈數,如表3所示。由表3可知,可以節省大約三分之一至一半以上的鎖緊圈數,再加上錐牙有一定的可插入深度,因此可利用作為鋼筋臨時固定用,不需像直牙的螺絲,需人力扶持至上下對齊才可旋入(如照片3),施作上方便很多。但是大家需注意的是,如表3中#10續接器,大約只需轉5圈即可鎖固,也就是每轉一圈公母螺紋的接觸面積增加約20%,與直牙公母螺紋間其接觸面積是固定的,兩者不同。所以施工中只要有一牙未充分鎖緊,接觸面積將減少20%以上,再加上山型螺紋尖端部分的截面積較小,底部截面積較大,其減少的強度將非常可觀。因此施工中務必小心檢視,絕非僅以扭力版手測試,即謂之合格這麼簡單。實務上錐牙螺紋檢查時,還常有頂部虛螺紋的問題,造成判定的困擾。這是由於車床加工入刀時控制的問題,一般以位在錐牙部分、或圓筒部分,即可容易判定。

參考資料

1.蘭州續接器送審資料(106年)。蘭州新銓公司。

2.「SA級摩擦行鋼筋續接器」,金佳昌有限公司,網路照片。

3.「Standard Specification for Structural Bolts, Steel, Heat Treated, 120/105 ksi Minimum Tensile Strength」,ASTM A325, 2010.

4. 賴耿陽(89年)。「現代機械設計輯覽」,復漢出版社。

表1 標準高拉力公制螺紋螺栓的尺寸

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表2 續接器相關尺寸[1]

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表3 鋼筋續接器的鎖緊圈數粗算

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圖1 螺紋的展開圖

 

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圖2 ISO公制螺紋的尺寸示意圖

 

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照片1 錐牙鋼筋續接器及剖面照片

 

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照片2 直牙鋼筋續接器及剖面照片[2]

 

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照片3 直牙續接器鎖固現場情形

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