鋼筋續接器銲接在鋼骨上之品質檢驗要點

一、前言

由於鋼筋續接器之製作方法及製作品質不斷的提升,又,不論在鋼筋混凝土結構或鋼骨鋼筋混凝土結構中,其接合之力學效益及總體經濟及安全效益,均分別遠高於傳統之搭接工法,及鋼筋直接通過鋼骨鋼筋混凝土結構之梁-柱接頭之作法。因此續接器之應用越來越廣泛,每一棟鋼結構或鋼筋混凝土結構,或鋼骨鋼筋混凝土結構新建大樓,均會或多或少採用鋼筋續接器。以鋼筋混凝土結構柱為例,柱主筋搭接段所需之長度太長,其上下二端常會進入柱頂及柱底之塑鉸區,且因柱主筋隔根才有繫筋鈎住,搭接段圍束效果欠佳,又缺乏足夠的文獻資料可證明柱鋼筋搭接的安全性,而採用鋼筋續接器;又以鋼筋續銲於鋼骨為例,其銲接動作對鋼骨斷面積及材質幾無影響,但其錨定效果、梁-柱接頭力系平衡所需之力量傳遞,或傳力路徑之力流連續性等,不但不會有中斷或連續性不佳的情況發生,反而其安全效益比鋼筋直通更佳。鋼筋續接器的研究發展演進與銲接技術的進步,使得「鋼骨鋼筋混凝土結構之設計與施工變為安全且輕易可行,但是若鋼筋續接器之施工應用,或製作品質管控不佳,或應用錯誤,均可能會因而產生災害。因此施工過程中必須以適當的檢驗方法,及足夠數量的檢驗頻率予以抽驗,以確保結構物之安全性。國內鋼骨鋼筋混凝土結構工程,其梁-柱接頭,大都經由鋼筋續接器來進行鋼筋與鋼骨之續接,這些續接方法需要分別進行銲道和續接器續接性能之檢驗,本文針對用於鋼骨鋼筋混凝土結構梁-柱接頭,使用鋼筋續接器續接方法之設計注意事項、及檢驗要點進行探討。不當之處,尚請不吝指正。

二、鋼筋續接器品質檢驗要點

1.臥式鋼筋續接器與鋼骨疊接

臥式鋼筋續接器與鋼骨疊接時,續接器需要使用可銲鋼材製作,此種續接器本文稱為臥式續接器。圖1所示為工程上常見的臥式鋼筋續接器與鋼骨之疊接的案例。圖2所示之短型臥式鋼筋續接器的長度不到60 mm,續接器可銲接之銲道很短,因此銲道尺寸需很大,造成續接器銲接後產生熱變形,因而影響續接器續接的性能;且銲接時若沒有將續接器尾端開孔封住,阻止銲接噴濺物或其他雜物進入續接器內,會影響鋼筋續接器之續接品質。圖3所示鋼筋續接器是一個因銲接變形而造成續接器續接性能下降的例子,其性能原已通過SA級(續接器續接等級之相關規定詳文獻[6])的續接器續接,使用在臥式續接器之銲接時,由於續接器銲接變形過大,導致受拉脫牙的破壞模式(如圖3所示),無法達到原有的SA續接等級。

臥式續接器與鋼骨的疊接,一般也是以喇叭形單邊開槽銲道為之,銲道熔填滿至與鋼筋續接器外緣切齊。銲道以承受沿銲軸剪力的方式傳遞力量,根據AWS D1.4[1]的規定,每一邊銲道的有效銲喉為0.2 Dc,其中Dc是鋼筋續接器的外徑。假設使用雙邊銲道,則所需銲道的長度為

lc =αfy(π×D b2/4)÷〔2×(0.2D c) f(0.6 FEXX)〕

=4.36αfy(D b2)÷ (D c × FEXX)

其中,f=0.75。若使用a =1.25、E70系列銲條、SD420W鋼筋及雙邊銲道,所需銲道長度D25鋼筋(使用Dc= 40 mm)為80mm,D32鋼筋(使用Dc= 46mm)為110mm。根據本文提供之計算方式,所計得之臥式鋼筋續接器所需之長度,大於目前工程實務常用之長度,鋼筋續接器過短會導致銲道尺寸加大,鋼筋續接器變形過大,而致鋼筋續接器續接等級下降的現象。

為避免銲道端點處產生銲邊燒損(undercut)的瑕疵,銲道兩端與鋼筋續接器端點,最好各保持10 mm的距離不銲接(如圖1所示),因此鋼筋續接器的長度要比銲道長度多出20 mm,所需續接器長度,D25鋼筋(使用Dc= 40 mm)為100 mm,D32鋼筋(使用Dc= 46 mm)為130 mm。臥式鋼筋續接器除了與鋼筋續接所需之長度外,其餘長度盡量保持實心,如此可降低續接器的銲接變形。臥式續接器與鋼骨的銲接,一般為在鋼構廠為之,第一道銲道建議採CO2銲接方法,並使用直徑1.2 mm的銲條,以多層銲道為之。如此不但可以提高熔透量,而且入熱量小,可以減少續接器的銲接變形。

臥式鋼筋續接器與鋼骨之疊接,一般採用單斜喇叭形雙邊開槽銲,其檢驗包括銲接程序的確認、銲工資格檢定及銲道完成後之檢測。銲接程序的確認,需要根據所要檢定的銲接程序,製作拉力試體以及巨觀浸蝕試體,製作試體時之銲接姿勢,應和實際銲接時之姿勢相同,實際施工可能使用的所有銲接姿勢,皆應分別進行銲接程序試驗。由於鋼筋續接器與鋼骨疊接接合受力時會有偏心,會產生額外的彎矩,實際使用於SRC結構時,勁度很大的鋼骨斷面,會控制此偏心所造成之變形,因此拉力試驗試體須採用相同之型式,將續接器銲在鋼骨斷面來模擬實際的情形。

由於測試標的物是銲道,因此原來與續接器接合之鋼筋,應該改用強度較高之鋼棒取代之。鋼棒與續接器之接合型式可以不受原設計之限制。試體之抗拉強度需要能讓95%以上的鋼筋達到其抗拉強度。以SD420熱軋鋼筋(加釩鋼筋)而言,根據文獻[3、4、5]的資料,國內加釩鋼筋抗拉強度之平均值為68.7 kg/mm2,標準差是3.0 kg/mm2,95%信心程度所對應的抗拉強度為68.7+1.65´3.0 = 73.7 kg/mm2,約等於標稱抗拉強度63 kg/mm2之1.2倍。試驗能夠證明試體的強度高於標稱抗拉強度的1.2倍即可,不一定要將試體拉到破壞。根據「鋼筋續接器續接施工規範與解說(草案)」[6](簡稱續接器施工規範)之規定,銲道施工完成後之檢驗,以目視檢驗及磁力探傷非破壞檢測法為之,梁柱接頭區及塑性區應該進行100%的檢驗,非塑性區則進行至少50%之檢驗。

除了銲道的檢驗外,銲接型續接器之續接性能也要檢驗。根據續接器施工規範[6]之規定,鋼筋續接器之抽驗有未組裝試體及已組裝試體兩種,所謂已組裝試體乃是在工地就已經完成續接施工之續接器連鋼筋一併取樣之試體。但是銲接型鋼筋續接器若要進行已組裝試體之抽樣勢必會破壞到鋼骨,此時可採用未組裝試體來取代已組裝試體,惟整體抽樣頻率必須維持不變。

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圖1 臥式鋼筋續接器
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圖2 短型臥式鋼筋續接器


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圖3 以T型鋼筋續接器作為短型臥式之試驗產生脫牙現象[7]


2.鋼筋續接器與鋼骨T型接合

鋼筋續接器與鋼骨T形接合,一般採用開J槽半滲透填角加強銲道,將鋼筋續接器與鋼骨銲接連結在一起。開J槽半滲透係為了提升根部的滲透效率。圖4為此種銲道的幾何形狀,其中b角有使用60o者,但是銲接時鋼筋續接器一般直立放置在鋼骨上,鋼液受到重力的影響而向下流,b角不容易保持60o,b角採用45o較合適,當b = 45o填角銲的垂直與水平腳長相等,以W表示之。J形開槽之形狀根據AWS規範[1]之規定,是由一直線段及一圓弧所組成,圓弧半徑r = 13 mm,直線段與水平線的夾角g = 45o。此銲道承受的是沿著鋼筋(續接器軸向)方向的拉力或壓力,此時其有效銲喉為te。銲道的長度l沿著有效銲喉的中心線計算,即

l=π(Dc-2S+te cos45゜)

其中Dc為續接器之外徑。根據AISC LRFD規範[2]之規定,銲道的設計強度可由下式計算。

fPn=f(0.6 FEXX) l te

其中強度折減係數f = 0.8。

為了確保能達降伏,進而斷裂是發生在鋼筋而不是發生在銲道,應該使用容量設計的觀念,設計載重Pu = afyAs,其中a為鋼筋超額降伏強度係數取1.25,fy為鋼筋標稱降伏強度,As為單根鋼筋之標稱斷面積(= pDb2/4)。銲道尺寸需要滿足fPn ³ Pu之要求。

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圖4 開J槽半滲透填角加強銲道之幾何尺寸


鋼筋續接器與鋼骨T型接合之接合的檢驗要點,包括銲道及續接器續接性能。除了試驗試體型式不同外,其他皆與疊接接合雷同。續接器與鋼骨T形接合使用開J槽半滲透填角加強銲道,製作試體時應特別注意銲接姿勢是否與實際施工時相同。實際施工時,鋼筋續接器放置在鋼骨上,銲條需要圍繞續接器移動,製作試驗試體時續接器與一小塊鋼板銲接在一起,此時可以轉動試體來進行銲接,此與實際施工之銲接姿勢不相符,應該避免之。銲道若充滿嚴重之銲接缺陷,試驗結果不易合格。

續接器續接性能試驗之試體,可採鋼板兩邊皆使用續接器與鋼筋,試驗時強度較小的一邊會先破壞,雖然另一邊強度較高,但是並不表示其延展性也較高,此外破壞邊屬不合格的情況時,另外一邊卻不知如何判別,因此該試體僅能算一個試體,不可視為兩個試體,且非測試邊的強度需要高於測試邊的強度。

三、 結論

鋼骨鋼筋混凝土結構是將鋼骨結構與鋼筋混凝土結構加以組合而成的構造,在921大地震之後SRC構造之建築物使用日增,因此有關SRC構造之耐震性能,值得注意與關心。

銲接型鋼筋續接器之檢驗,包括銲道檢驗以及續接器續接性能檢驗,不同的檢驗項目要使用不同的試體型式,如此方能針對檢驗項目進行實質的檢驗。續接器與鋼骨之接合,其銲道檢驗試體之製作需要採用實際施工時之銲接姿勢,如此方能反應實際工程之需求,尤其是T形接合應該特別注意。由於現行“鋼骨鋼筋混凝土設計規範與解說”第8.5.1.1節規定:「鋼骨鋼筋混凝土梁柱接頭處之主筋應以直接通過接頭為原則,宜儘量避免以鋼筋續接器銲於鋼柱翼板上以續接主筋」。又,規範第4.2.3.3節復規定:「鋼骨鋼筋混凝土柱之鋼骨斷面之腹板,於必要時得設置鋼筋貫穿孔」。以上條文之規定,似未了解到「梁-柱接頭力系平衡及耐震系統傳力路徑完整性」之內涵。筆者認為此種觀念不符合『合成結構力系平衡及耐震系統傳力路徑完整性的安全基本要求』,若不明就裡而盲目依該二條規定設計梁-柱接頭,恐致傳力不順,發生災害恐是遲早的事。筆者亦見有國內重大工程之鋼骨與RC梁接頭,採大部分梁主筋由二側直線通過接頭區,而造成傳力路徑弱點的嚴重缺陷的案例。本文針對鋼骨鋼筋混凝土結構梁-柱接頭中,鋼骨與鋼筋續接之型式、結構細部、設計方法、施工要點,進行探討與說明,期能對鋼骨鋼筋混凝土結構結構耐震性能之提升有所助益。

【參考文獻】

[1]ANSI/AWS D1.4-92(1992).“Structural Welding Code-Reinforcing Steel”, Amerian Welding Society.
[2]AISC, “Load and Resistance Factor Design Specification for Structural Steel Buidings,” Chicago, American Institude of Steel Construction, 2001.
[3]陳正誠、黃世建、李宏仁(2000)。「台灣竹節及水淬鋼筋之之機械性質與結構耐震設計」,鋼筋工程技術發展,陳正誠主編,科技圖書公司。
[4]陳正誠、黃世建、李宏仁(2000)。「台灣熱軋竹節及水淬鋼筋之機械性質與超額降伏強度係數」,中國土木水利工程學刊,第十二卷 第二期,pp. 233-238。
[5]黃世建、陳正誠、李宏仁(2000)。「台灣熱軋竹節鋼筋之力學性質與耐震韌性設計可行性探討」,中華民國結構工程學會,結構工程,第15卷第1期,pp. 23-38 。
[6] 陳正誠(2000)。「附錄B:鋼筋續接器續接施工規範及解說」,鋼筋工程技術發展,編,科技圖書公司,pp. B-1~B-31,2000。
[7] 陳正誠、梁宇宸、王錦華(2003)。SRC構造梁鋼筋與鋼骨柱續接之設計與檢驗。

【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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