公路橋梁設計規範規定鋼結構材料規格必須符合AASHTO M270規定,而AASHTO M270規格則等同於ASTM A709。目前ASTM A709/A709M-18 Standard Specification for Structural Steel for Bridges係去(2018)年12月ASTM所公布之最新標準,謹介紹其要點如下。
一、鋼料種類
ASTM A709/A709M-18共制定12種等級、5種降伏強度之鋼料,其相對應一般鋼料之標準,如表1。
表1 A709橋梁鋼料種類
等級 英制[SI] |
降伏強度 ksi[MPa] |
對應之 一般鋼料標準 |
36[250] |
36[250] |
ASTM A36 |
50[345] |
50[345] |
ASTM A572 |
50S[345S] |
同上 |
ASTM A992 |
QST 50[QST 345] |
同上 |
ASTM A913 |
QST 50S[QST 345S] |
同上 |
同上 |
50W[345W] |
同上 |
ASTM A588 |
HPS 50W[HPS 345W] |
同上 |
- |
50CR[345CR] |
同上 |
ASTM A1010 |
QST 65[QST 450] |
65[450] |
ASTM A913 |
QST 70[QST 485] |
70[485] |
同上 |
HPS 70W[HPS 485W] |
同上 |
- |
HPS 100W[HPS 690W] |
100[690] |
- |
橋梁工程對鋼料之性質要求較高,如果未經業主同意,不得由一般鋼料取代。而表1中:
"S"符號者,係針對廢鐵煉鋼之鋼料,准許含有更多種非鐵元素之化學成分,但有限制其含量,以符合強度與韌性要求,且型鋼之降伏/抗拉強度比值,必須小於0.85,如果在型鋼腹板取樣試驗,其強度比值應小於0.87。
"QST"符號係"Quenching and Self-Tempering"之縮寫,即經由淬火與自行回火之熱處理軋製。由於製程特殊,此類鋼材不得在超過600℃時施作電銲之後熱處理。
"W"符號係"Weathering"之縮寫。此類鋼料填加銅及其他特殊合金之成分,鋼料生銹之後形成特殊之保護膜,因而降低鋼料銹蝕之速率,故耐候特性較佳。
"HPS"符號係"High Performance Steel"之縮寫,此種鋼板係將扁鋼胚採用緩慢之低氫降溫作業,再以淬火與回火軋製鋼板,其銲接與韌度之特性,都較一般鋼料為佳。其中HPS 100W之微細奧斯田鐵(Austenitic)顆粒,必須符合ASTM A6之規定。
"CR"符號係"Corrosion Resistance"之縮寫,屬於不銹鋼之材質,其成分含有鎳與鉻,其中鉻之含量為10.5~12.5%。部分橋梁之配件與支承,採用不銹鋼材質者,若與一般碳鋼接觸時,極容易生銹,使用者必須格外謹慎。
二、鋼料之物性與化性
ASTM A709鋼料之物性降伏強度,如表1;化性成分之比較,如表2所示。其中碳含量的多寡會影響電銲的工作性,碳含量愈低者愈適合電銲。鈮與鉬為耐火鋼之主要成分,銅為耐候鋼之主要成分,鎳與鉻則為不銹鋼之主要成分。
表2 鋼料化學成分(max %,厚度單位:mm)
鋼種 |
厚度 |
碳C |
錳Mn |
矽Si |
釩V |
鈮Nb |
磷P |
硫S |
銅Cu |
鎳Ni |
鉻Cr |
鉬Mo |
鋁Al |
氮N |
Gr36 型鋼 |
≦75 |
0.26 |
0.4 |
0.04 |
0.05 |
|||||||||
Gr36 鋼板 寬度> 380 |
≦20 |
0.25 |
0.4 |
0.03 |
0.03 |
|||||||||
>20 ≦40 |
0.25 |
0.8~ 1.2 |
0.4 |
0.03 |
0.03 |
|||||||||
>40 ≦65 |
0.26 |
0.8~ 1.2 |
0.15~ 0.4 |
0.03 |
0.03 |
|||||||||
>65 ≦100 |
0.27 |
0.85~ 1.2 |
0.15~ 0.4 |
0.03 |
0.03 |
|||||||||
Gr50 板厚 翼厚 |
≦40 ≦75 |
0.23 |
1.35 |
0.4 |
另訂 |
另訂 |
0.03 |
0.03 |
另訂 |
|||||
Gr50 板厚 翼厚 |
>40 >75 |
0.23 |
1.35 |
0.15~ 0.4 |
另訂 |
另訂 |
0.03 |
0.03 |
另訂 |
|||||
50CR |
0.03 |
1.5 |
1.0 |
0.04 |
0.01 |
1.5 |
10.5 ~12.5 |
0.03 |
||||||
50W-A |
0.19 |
0.8~ 1.25 |
0.3~ 0.65 |
0.02~ 0.1 |
0.03 |
0.03 |
0.25~ 0.4 |
0.4 |
0.4~ 0.65 |
|||||
50W-B |
0.20 |
0.75~ 1.35 |
0.15~ 0.5 |
0.01~ 0.1 |
0.03 |
0.03 |
0.2~ 0.4 |
0.5 |
0.4~ 0.7 |
|||||
50S |
0.23 |
0.5~ 1.6 |
0.4 |
0.15 |
0.05 |
0.035 |
0.045 |
0.6 |
0.45 |
0.35 |
0.15 |
|||
QST50 ,50S |
0.12 |
1.6 |
0.4 |
0.06 |
0.05 |
0.03 |
0.03 |
0.45 |
0.25 |
0.25 |
0.07 |
|||
QST65 |
0.12 |
1.6 |
0.4 |
0.08 |
0.05 |
0.03 |
0.03 |
0.35 |
0.25 |
0.25 |
0.07 |
|||
QST70 |
0.12 |
1.6 |
0.4 |
0.09 |
0.05 |
0.03 |
0.03 |
0.45 |
0.25 |
0.25 |
0.07 |
|||
HPS50W HPS70W |
≦65 |
0.11 |
1.1~ 1.35 |
0.3~ 0.5 |
0.04~ 0.08 |
0.02 |
0.006 |
0.25~ 0.4 |
0.25~ 0.4 |
0.45~ 0.7 |
0.02~ 0.08 |
0.01~ 0.04 |
0.015 |
|
>65 |
0.11 |
1.1~ 1.5 |
0.3~ 0.5 |
0.04~ 0.08 |
0.02 |
0.006 |
0.25~ 0.4 |
0.25~ 0.4 |
0.45~ 0.7 |
0.02~ 0.08 |
0.01~ 0.04 |
0.015 |
||
HPS 100W |
0.08 |
0.95~ 1.5 |
0.15~ 0.35 |
0.04~ 0.08 |
0.01~ 0.03 |
0.015 |
0.006 |
0.9~ 1.2 |
0.65~ 0.9 |
0.4~ 0.65 |
0.4~ 0.65 |
0.02~ 0.05 |
0.015 |
三、橋梁鋼料之專業術語
A709之標準針對鋼橋材料,有其特殊之專業術語規定,設計與購買時必須明確指定。分述如下:
1.破壞關鍵構材(fracture critical member)
承受載重之拉力構材或撓曲構材之拉力元件,於承受載重後之破壞會造成橋梁崩塌者;或該橋梁未具備多數之贅餘(redundant)載重行徑者,稱為破壞關鍵構材,此種構材在低溫環境所作之衝擊試驗,必須要可吸收更多之能量。
2.非破壞關鍵構材(non-fracture critical member)
反之稱為非破壞關鍵構材,此種構材在低溫環境所作之衝擊試驗吸收較少之能量。
3.拉力元件(tension component)
無論是破壞關鍵構材或非破壞關鍵構材,在各種設計載重下都是承受拉力之元件,稱為拉力元件。拉力元件必須施作衝擊試驗。
4.非拉力元件(non-tension component)
在任何設計載重下,均未承受拉力之構材,稱為非拉力元件。
5.次要構材(secondary member)
並非直接承受主要設計載重,僅作為主要構材之定位、支撐或佩掛其他設施用途之構材,稱為次要構材。
四、工址之溫度區分
由於鋼鐵材料在低溫之環境下其材質容易變脆,溫度愈低時其材質愈脆,所以ASTM A709將橋梁所在地之溫度環境,區分為三區,如表3所示。並個別規定其衝擊試驗所能吸收之能量,設計者須調查橋梁所在地之環境溫度,並註明於設計圖上。台灣位處亞熱帶氣候區,一般之平地可考慮為第1區,但隨著海拔高度增加之山區,設計者必須斟酌適當之溫度區分。
表3 環境溫度區分
溫度區 |
最低環境溫度℃ |
1 |
-18 |
2 |
低於-18至-34 |
3 |
低於-34至-51 |
五、拉力強度與衝擊試驗之規定
A709鋼料之拉力降伏強度,詳如表1所示。至於衝擊試驗之要求,A709之規定介紹如下,設計時應加註或說明於設計圖說,施工者方能依據備料。
1.破壞關鍵之拉力構材或拉力元件,購料時須指名為"F ",其衝擊試驗之吸收能量如表4。破壞關鍵之拉力元件有最小能量之規定。
2.非破壞關鍵之拉力構材或拉力元件,購料時需指名為"T ",其衝擊試驗之吸收能量如表5。破壞關鍵之拉力元件並無最小能量之規定。
3.如果設計之圖說或備料單未指名"F "或"T "之鋼料,則不需要施作衝擊試驗,該等鋼料只能做為非拉力元件或次要構材。
表4 破壞關鍵之拉力元件衝擊試驗需求
鋼種 |
厚度, Mm |
最小能量, J |
最低平均能量,J |
||
1區 |
2區 |
3區 |
|||
36-F |
≦100 |
27 |
34於21℃ |
34於4℃ |
34於-12℃ |
50-F 50S-F 50W-F |
≦50 |
27 |
34於21℃ |
34於4℃ |
34於-12℃ |
>50,≦100 |
33 |
41於21℃ |
41於4℃ |
41於-12℃ |
|
QST50-F QST50S-F |
≦50 |
27 |
34於21℃ |
34於4℃ |
34於-12℃ |
>50,≦100 |
33 |
41於21℃ |
41於4℃ |
41於-12℃ |
|
50CR-F |
≦50 |
27 |
34於21℃ |
34於4℃ |
34於-12℃ |
HPS50W-F |
≦100 |
33 |
41於-12℃ |
41於-12℃ |
41於-12℃ |
QST65-F |
≦50 |
33 |
41於10℃ |
41於-7℃ |
41於-23℃ |
>50,≦100 |
38 |
48於10℃ |
48於-7℃ |
48於-23℃ |
|
QST70-F |
≦50 |
33 |
41於10℃ |
41於-7℃ |
41於-23℃ |
>50,≦76 |
38 |
48於10℃ |
48於-7℃ |
48於-23℃ |
|
HPS70W-F |
≦100 |
38 |
48於-23℃ |
48於-23℃ |
48於-23℃ |
HPS100W-F |
≦65 |
38 |
48於-34℃ |
48於-34℃ |
48於-34℃ |
>65,≦100 |
NA |
不允許 |
不允許 |
不允許 |
表5 非破壞關鍵之拉力元件衝擊試驗需求
鋼種 |
厚度, Mm |
最低平均能量,J |
||
1區 |
2區 |
3區 |
||
36-T |
≦100 |
20於21℃ |
20於4℃ |
20於-12℃ |
50-T 50S-T 50W-T |
≦50 |
20於21℃ |
20於4℃ |
20於-12℃ |
>50,≦100 |
27於21℃ |
27於4℃ |
27於-12℃ |
|
QST50-T QST50S-T |
≦50 |
20於21℃ |
20於4℃ |
20於-12℃ |
>50,≦100 |
27於21℃ |
27於4℃ |
27於-12℃ |
|
50CR-T |
≦50 |
20於21℃ |
20於4℃ |
20於-12℃ |
HPS50W-T |
≦100 |
27於-12℃ |
27於-12℃ |
27於-12℃ |
QST65-T |
≦50 |
27於10℃ |
27於-7℃ |
27於-23℃ |
>50,≦100 |
34於10℃ |
34於-7℃ |
34於-23℃ |
|
QST70-T |
≦50 |
27於10℃ |
27於-7℃ |
27於-23℃ |
>50,≦100 |
34於10℃ |
34於-7℃ |
34於-23℃ |
|
HPS70W-T |
≦100 |
34於-23℃ |
34於-23℃ |
34於-23℃ |
HPS100W-T |
≦65 |
34於-34℃ |
34於-34℃ |
34於-34℃ |
>65,≦100 |
48於-34℃ |
48於-34℃ |
48於-34℃ |
六、總結
綜合言之,一般橋梁工程之鋼料,除了設計時須考慮反復振動之疲勞強度外,尚須考慮低溫環境之消能功用,其材料特性有別於一般之建築鋼結構材料,設計與施工者均必須謹慎為之。
【參考文獻】
1.聯邦公路工程,道路與橋梁施工標準規範,美國交通部聯邦公路管理局。
2.ASTM A709/A709M-18,美國材料試驗學會。
3.鋼結構工程實務(第五版),陳純森,科技圖書公司。
【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】
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