簡介重型螺帽

 

有人曾經在高雄市政府的某件工程查核時,問了一個問題:何謂重型螺帽?它又是根據什麼規範?後來這消息輾轉傳到筆者這裡,為了釐清該問題,特地花了一些時間了解後,茲簡介如次供大家參考。

螺絲或螺桿,作為連結的方式,已被大量使用很多年。只要鑽足夠大的孔,再將螺桿置入,再鎖上螺帽就完成固定了。但是由於螺桿使用的性質不同,如何保持螺桿穩定性並發揮作用,成為螺帽很重要的一個功能。所以配合螺桿的各種不同使用的情形,螺帽也發展出非常多的種類,使用上需注意其差異,以免誤用。但由於土木建築幾乎都使用六角螺帽,其他種螺帽尚為罕用,所以本文所稱螺帽,均為六角頭螺帽。

在一般結構上螺帽負有將螺桿固定,並同時將應力傳遞到鋼鈑上的功能。在正常狀況下,螺帽的尺寸規定如CNS4426,其中厚度與寬度的定義如圖1所示。根據螺桿強度的不同,配合的螺帽,依「CNS 4028螺帽之機械性質」,螺栓與螺帽強度的配合,如表2。其強度區分數字,代表的是抗拉強度。例如螺帽強度8,代表強度在800N/mm2以上,而小數點後面的一個數字,代表的是降伏強度為抗拉強度的百分比,例如4.6的螺栓代表降伏強度為400 X 0.6=240 N/mm2。由於螺栓與螺帽固定後,有應力集中在螺帽前面一兩牙的情形[6],因此一般螺帽強度會略低於螺栓。

螺栓與螺帽的強度越高,代表越需要靠金屬的熱處理來達到[5],例如CNS 4208中,型2的螺帽主要是經淬火及回火處理。於是根據現場狀況,可以依照螺桿強度選擇適合的螺帽(表2)。但是當採用高強度螺桿時,如果螺桿剩餘的牙數夠多,如果使用厚度比較厚一點的螺帽,就可以把螺帽材料需要的強度降低,或可以不需淬火及回火處理,增加整體韌性以及鎖固時的方便性(CNS 15928六角厚型螺帽)。但是當螺栓使用甚高的鎖緊力,或是鎖固處鋼鈑強度有顧慮時[5],這時還需要加大螺母與鋼鈑間的接觸面積,也就是平面寬度時,就是一般所稱的重型螺帽了。美國機械工程師學會的規範[4]甚至給出一般螺帽與重型螺帽跟直徑關係的公式(如表1)。一般狀況下,重型螺帽較一般螺帽平面寬度大3mm[4]。

「CNS12209控制扭矩之高強度螺栓、六角螺帽及平墊圈組」,是我們一般鋼結構常用的螺栓規範。雖然稱之為高強度螺栓,以螺帽的保證負載、或稱安全負載值來說,F8螺帽為158000 N,而F10的螺帽217700 N,這值僅相當於強度等級為5的螺帽(參考表3),但以尺寸來說,控制扭矩之高強度螺栓均使用重型螺帽。

螺栓聯接時螺帽將其鎖緊,螺紋間產生的摩擦力使螺栓固定,所以在靜載重下不會自行鬆脫。但是在衝擊、振動、變荷載或是溫度變化較大時摩擦力會減小或消失。這種現象若反覆出現,連接螺栓就會逐漸鬆動。預防的方式可以使用彈簧墊圈、對頂螺帽或鎖固後將螺帽銲接(需符合「CNS 4430六角熔接螺帽」的規定)。其中以對頂螺帽在我們鋼構最為常見(照片1)。所謂對頂係在一個螺桿上同時使用兩個螺母,利用上下兩個螺母均鎖緊產生對頂的方式,產生額外的拉力及摩擦力在兩個螺母間,進而減少螺母鬆脫的可能。這在一般外露的基礎螺栓上,常看到這種規定施作的方式。但對於包裹在混凝土內的螺栓,由於混凝土會制止螺帽的移動,而且主要力量由鋼筋混凝土而非螺栓承受,是否仍需作雙螺帽的設計,尚有討論的空間。

設計螺帽時,若需採用CNS規定時,建議一般螺帽可以採用CNS 3130,重型螺帽可以採用CNS 4236,或者也可以採用ASME B18.2.4.1M與 B18.2.4.6M之規定。

參考資料

1. CNS規範

2. ASME/ANSI B18.2.4.1M Metrix Hex Nuts, Style 1-2005

3. ASME/ANSI B18.2.4.6M Metrix Heavy Hex Nuts-2010

4. ASME/ANSI B18.2.2-2010 Nuts For General Applications: Machine Screw Nuts, Hex, Square, Hex Flange, and
Coupling Nuts

5. 技師報988期「高拉力螺栓的墊圈使用」劉澤山

6. 技師報1091期「漫談螺紋與鋼筋續接器鎖緊」劉澤山

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圖1 ASME/ANSI B18.4.2.1M螺帽示意

 

表1 以M24螺帽為例各規範尺寸比較

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表2 螺栓與螺帽的配合

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表3 各種螺帽的保證負載強度(節錄CNS 4028表7)

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照片1 使用兩個螺帽固定

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