認識鋼筋之耐震性能

        台灣位處地震帶,結構物在設計與施工時須使結構物具備足夠之耐震能力,為達耐震之目的,鋼筋之機械性質除了須滿足最低限之要求外,根據現行「混凝土結構設計規範」(內政部100年6月9日台內營字第1000801914號令修正)第15.3.5.1節規定:用以承受地震引致之彎矩與軸力之構架構材及結構牆之邊界構件,其主筋應符合CNS 560中 SD 420W及 SD 280W之要求。CNS 560中 SD 420及 SD 280鋼筋亦可使用,惟應符合下列規定。

(1)鋼筋實測降伏強度不得超出規定降伏強度fy達1,200 kgf/cm2以上;

(2)鋼筋實測極限抗拉強度與實測降伏強度之比值(fua/fya)不得小於1.25。

第15.3.5.2節亦規定:橫向鋼筋包括螺箍筋之fyt不得超過4,200 kgf/cm2。(fyt為橫向鋼筋之規定降伏強度)

鋼筋試驗之實測降伏強度不得超出規定降伏強度太多之規定,主要係避免彎矩強度增加,使構材端之塑鉸強度亦隨之增加,會致使構材剪力增加,此時可能產生構材剪力強度不足而產生剪力破壞現象。鋼筋試驗之實測降伏強度增加亦可能導致伸展長度不足而產生握裹破壞。至於實測極限抗拉強度與實測降伏強度之比值,會影響塑性區域的大小,其值越大,塑性區域越長,極限塑性轉角越大。因此,在進行結構韌性耐震設計時,應採用剪力容量設計,以避免構材產生韌性較差之剪力破壞。為滿足剪力容量設計之理念,鋼筋之實測降伏強度及其變異性不可過高。

「熱軋鋼筋」與「熱處理鋼筋」之生產方式

1.熱軋鋼筋

 「熱軋鋼筋」之製程係以平爐、純氧轉爐或電爐製煉之鋼胚經熱軋加工方式製造之,並利用在鋼液中添加合金的方式來提高強度及韌性。所添加之合金元素主要係增高碳(C)、錳(Mn)含量,使鋼材之波來鐵含量增加,其中,碳是影響機械性質最大的元素,隨著碳含量的增加,鋼筋的硬度、抗拉強度、降伏強度皆呈大幅上升,但另一方面,隨著碳含量的增加,鋼材的延展性、銲接性及衝擊韌性等均會下降 (見圖1)。錳在鋼液中可幫助去氧(形成MnO)及減輕硫的有害特性(形成MnS),同時亦可提高強度、硬度及韌性;另一方面錳含量上升有害於可銲性。

添加鈮(Nb)及釩(V) 可強化及細化晶粒。鈮填加少量可使碳鋼的降伏強度顯著增加,但抗拉強度增加幅度較小,鈮可使鋼獲得較佳的晶粒細化效果,但此晶粒細化效果須以特殊的軋延技術才能避免韌性方面有所損失;因此,必須填加釩這種昂貴的合金元素,使得鋼筋之降伏強度及韌性等機械性質能達到要求,釩的填加可強化及細化晶粒,釩含量在1.2%左右不但可使強度提高,對銲接性及韌性的影響不大,故釩多用於需銲接性良好而韌性亦很重要的高強度低合金鋼。由於合金元素填加量要足夠才能顯現效果,所以生產成本也較高,但其優點是鋼筋強度穩定,可用於車牙續接及銲接等用途。此種鋼筋市面上俗稱「加釩鋼筋」。也因為熱軋鋼筋(俗稱加釩鋼筋)成本較高,因而水淬鋼筋應運而生。

2.熱處理鋼筋

「熱處理鋼筋」(俗稱水淬鋼筋)是一種利用製程控制方式生產之高拉力鋼筋,它是在生產鋼筋的最後一道軋延過程剛完成時,在熱軋製程結束前,依線上熱處理原理,利用大量高壓的冷卻水使鋼筋急冷淬火,並利用鋼筋本身餘熱回火,藉淬火、回火使鋼筋表層生成約3~7mm厚的高強度回火麻田散鐵相變態組織,以達到鋼筋物理性質所需之強度要求,但是心部組織十分柔軟(見照片1),這兩種組織合在一起就變成了所謂「水淬鋼筋」 (見照片2及3)。

麻田散鐵,是純金屬或合金從某一固相轉變成另一固相時的產物;在轉變過程中,原子不擴散,化學成分不改變,但晶格發生變化,同時新舊相間維持一定的位向關係並且具有切變共格的特徵。由於水淬鋼筋的強度主要係靠鋼筋外層麻田散鐵組織,所以鋼的合金元素用量可較少,製造成本也較低。但是鋼筋的機械性質穩定度及耐震性能較差。另外,銲接和車牙續接的使用也必須特別審慎。這種生產方式稱作「線上熱處理鋼筋」,簡稱「熱處理鋼筋」 (俗稱水淬鋼筋)。

 水淬鋼筋在成本上比加釩高拉力鋼筋便宜許多,但在耐震設計上,加釩鋼筋比任何一種材質穩定許多,可以吸收較多之地震能量,較易符合耐震需求。

從加釩鋼筋與水淬鋼筋的橫切面作出之金相圖(見照片2及3[4])可看出,加釩鋼筋的內外是紮實的組織結構,然而水淬鋼筋可看到外部是回火麻田散鐵結構組織,心部則為強度較差的一般鋼筋組織。水淬鋼筋表層的麻田散鐵置放於空氣中過久或在高溫環境下,容易產生化學變化使得硬度降低。

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圖1 含碳量與機械性質的關係[4]   

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照片1 水淬鋼筋金相與硬度分布      

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  照片2 加釩鋼筋與水淬鋼筋金相圖比較[4]  

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照片3 水淬鋼筋金相微觀[4]

水淬鋼筋之機械性質

87年陳正誠等人[1、2]進行水淬鋼筋機械性質的試驗及調查,圖2所示為水淬鋼筋及SD42加釩鋼筋機械性質之統計分佈圖。比較兩者之數據可得到較明確的結論有。

(1)水淬鋼筋之伸長率之平均值為17.0%,不比加釩鋼筋之16.8%低;

(2)水淬鋼筋實測降伏強度(fya)普遍偏高,平均值高達5,500 kgf/cm2,顯示有半數超過「混凝土結構設計規範」之耐震要求(1,200 kgf/cm2);

(3)水淬鋼筋fua/fya普遍偏低,其平均值僅1.27,其中約有半數低於現行「混凝土結構設計規範」之耐震要求;

(4)水淬鋼筋各種機械性質之變異性皆偏高,無法滿足規範對剪力容量設計之要求。這些數據顯示水淬鋼筋不宜使用在耐震結構。

 

 

 

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圖2 水淬鋼筋機械性質之統計分佈

「熱處理鋼筋」用於結構耐震設計之疑義

 一般混凝土結構設計時皆以鋼筋的降伏強度為設計的依據,而忽略了必須加以考慮的鋼筋耐震特性,諸如:是否需要銲接,可銲接之鋼筋須考慮什麼特性?是否可用於耐震結構?耐震結構鋼筋續接須採用之鋼筋種類?「熱處理鋼筋」(俗稱水淬鋼筋)在混凝土結構耐震設計理念存有下列疑義:

1.「混凝土結構設計規範」之設計超額強度係數為α=1.25,熱處理鋼筋經查研究資料其超額強度係數約為α=1.49,嚴重影響規範“強柱弱梁”之設計觀念[1、2];另因部份熱處理鋼筋屈服強度fy特別高,使原設計為拉力破壞控制之構材轉為壓力破壞控制(脆性破壞),致整體建築結構系統在強震中失去韌性效用。

2.熱處理鋼筋因淬火過程內外冷縮不一致而導致殘餘應力,至表層形成張力,容易產生應力腐蝕,另外其腐蝕速率對建築結構安全性(尤其對沿海地區鹽分重者)之影響均未研究清楚。

3.因熱處理鋼筋經瓦斯壓接後,其外層回火麻田散鐵經加熱而改變組織,強度下降約10%;又因熱處理鋼筋與熱軋鋼筋外觀相同,一般民眾無法分辨,使建築結構遭遇強震時破壞之風險提高。

4.目前國內使用之「混凝土結構設計規範」主要條文係參考美國規範,因此熱軋鋼筋之設計參數,是否可適用於熱處理鋼筋,其研究資料目前均付之闕如,使用熱處理鋼筋之風險亦無法評估,將來一旦大地震,倒塌建築物發現有使用熱處理鋼筋者,其設計監造、施工廠商、販賣熱處理鋼筋業者與業主之間責任分擔將牽扯不清,而允許使用熱處理鋼筋之行政單位亦難逃責任追究。

5.由耐火性試驗得知,熱處理鋼筋經700℃×30分鐘及600℃×180分鐘回火後,會呈現劣化現象,而一般熱軋鋼筋則較不受影響,因此使用熱處理鋼筋之建築物若遭受火災後,其結構安全評估相對較為困難。

國家標準之修訂

 由於水淬鋼筋的問世造成是否可用於耐震結構的爭論,標準檢驗局依各方建議對國家標準(CNS)亦作了多次修訂。

1.民國89年CNS560修訂版

民國89年對CNS560鋼筋的規定作了一些調整,其中與本文較有關的有。

  (1)將水淬鋼筋稱為熱處理鋼筋並認定其為被認可的鋼筋製造方法之一,且買方若沒有指定,賣方可以自行決定鋼筋之製造方法;

  (2)對水淬鋼筋的化性作明確的規定;

  (3)SD280W及SD420W鋼筋納入耐震相關規定(實測降伏強度之上限以及fua/fya之最低限)。

2.民國94年CNS560修訂版

民國94年對CNS560鋼筋之規定及其使用有如下之意見與建議。

(1)對水淬鋼筋的化性作明確的規定有助於控制鋼筋的品質,但是應該再進行客觀的調查,以評估水淬鋼筋之品質是否有改善;

(2)耐震結構應該指明使用SD280W 或SD420W 鋼筋;

(3)使用者若不要使用水淬鋼筋需要在訂定合約時指定;

(4)線上熱處理鋼筋有一額外之「水淬」(或熱處理)的程序,這個程序需要複雜的製程控制(如水溫、水量、水的流速、鋼筋壓軋速度等之控制),其產品的變異性較高,產品之抽樣頻率應該提高。

3.未來修訂建議

 鑒於地震對於人民生命財產所造成之重大危害,規範對於建築物特別規定要求須做耐震設計,對於耐震設計所使用之鋼筋材質,規範亦有嚴謹之規定,目前CNS 560「鋼筋混凝土用鋼筋」之種類,包含不適用於規範耐震設計之線上熱處理鋼筋(俗稱水淬鋼筋)。中華民國結構技師公會全國聯合會發函請經濟標準檢驗局,略以:「由於國內外「鋼筋混凝土用鋼筋」之施工規範,對於建築結構物確有須耐震設計之要求,且對於耐震設計使用之鋼筋材質亦有嚴謹規定。目前CNS 560「鋼筋混凝土用鋼筋」規定之鋼筋種類中包含不適用於耐震設計之線上熱處理鋼筋,容易讓坊間形成可用於耐震設計之誤解。為避免建築結構設計或營建工地施工人員錯用鋼筋種類之情形,確保人民居家生命財產安全,刪除CNS 560中關於線上熱處理鋼筋之相關規定,並另制定「鋼筋混凝土用熱處理鋼筋」國家標準,以利相關業者遵循及區別使用」等由,建請修訂。目前已由臺灣區鋼鐵同業公會參酌業界意見起草完成,由經濟標準檢驗局擇期審議中。

 除了耐震問題外,水淬鋼筋亦不宜以加熱的方式進行彎紮加工,且在火害後有強度降低之虞。入熱量較大之電腦瓦斯壓接(對接銲接應該屬於類似情況)其抗拉強度平均下降約5%[3]。入熱量較小的摩擦銲接強度下降約5~10%,但由於水淬鋼筋的機械性質變異性較大,研議修訂中之國家標準擬將水淬鋼筋獨立編號,以資與加釩鋼筋有所區別,讓欲使用水淬鋼筋的工程師有明確的認識,以避免認知不足而誤用。並擬將水淬鋼筋之符號改為SD280Q及SD420Q。筆者建議線上熱處理鋼筋宜加註:「鋼筋需銲接加工及抵抗往復載重能力時,宜選用SD 280W及SD 420W,並依其化學成分,選擇合適之銲接程序」等警語,以協助設計者判斷使用。

【參考文獻】

[1]  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,12(2) ,pp.233-238。

[2]  陳正誠、黃世建、李宏仁(2000)。台灣水淬鋼筋在耐震結構之應用探討。中華民國建築學會建築學報,33,pp.119-131。

[3]  吳錫侃、王文雄、高健章(1998)。水淬鋼筋物理性能檢測及應用之探討。內政部建築研究所專題研究計畫成果報告(編號86-S-028),台北。

[4]何長慶(2011)。水淬鋼筋物理性能檢測及應用之探討,東和鋼鐵股份有限公司。

 [5]吳長明(2012年10月13日)。水淬鋼筋釋疑。技師報,827。

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