鋼管斜撐端部之接頭設計介紹


一、前言

鋼管結構由於其形狀為圓形、方形或矩形,外觀平順的外形使得視覺上較美觀,因此使用鋼管結構的案件越來越多,例如,台灣高速鐵路各車站站體結構及月台結構(照片1)、大樓及人行道遮雨棚(照片2),以及台北大巨蛋(照片3)等結構。

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照片1 車站站體結構及月台結構案例

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照片2 人行道遮雨棚案例

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照片3 台北大巨蛋鋼管結構案例

圓形、矩形及方形鋼管,除較美觀外,其斷面性質亦較佳,因此常用來作為鋼結構之斜撐桿件,這些桿件可能會承受拉力或壓力載重,而斜撐桿件端部與結構構架之接頭強度,至少必須足以傳遞斜撐所承受之軸力。通常非耐震結構之斜撐桿件,所承受之力量往往小於鋼管的設計強度。例如,細長型受壓斜撐桿件之受壓強度,常會受到挫屈強度所控制,而小於鋼管的受拉設計強度。

鋼管用來做斜撐桿件用途時,其端部接頭型式主要分成三種,第一種為端部T型接頭(圖1),此種T型接頭可以是CT型鋼或鋼板銲接組合成T型鋼。T型鋼翼板與鋼管端部採連續全周銲道接合,而T型鋼腹板與結構構架間則是以單排或多排螺栓連接。第二種為接合板插(嵌)入鋼管端部槽縫並銲接之接頭型式(圖2),再以螺栓來與結構構架上之接合板接合,此種型式端部突出的連接用的部分類似T型鋼之腹板。第三種亦為接合板插(嵌)入鋼管端部槽縫並銲接之接頭型式(圖3),再以銲接來與結構構架上之接合板接合之接頭。

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圖1 端部T型接頭示意圖

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圖2 接合板插入鋼管接頭型式示意圖

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圖3 接合板插入鋼管並銲於構架接頭型式示意圖

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矩形及方形鋼管通常使用雙邊側板式接頭,採用兩片接合板銲於鋼管側邊來提高接頭強度。此種增加接合板數量的方式,可以有效分散力量及減少剪力遲滯效應的影響,但是組裝上較單片接合板插入式接頭困難。此外,雙邊側板式接頭之接合板與鋼管間需要採用單斜喇叭形開槽銲道,此種銲道之有效喉厚較小,設計時須注意安全性。

鋼管端部可以採用圓形端板式對接接頭,來續接達到全斷面降伏強度。圓形端板與鋼管間採全周銲道,圓形端板周圍承受拉力之螺栓,均勻分布在圓形端板周圍,以避免剪力遲滯現象的發生,亦須考慮螺栓對管壁外緣上偏心彎矩所能分散的有效寛度,以及槓抬效應產生之螺栓軸力放大現象。在壓力載重下,力量可透過圓形端板內周,直接承壓均勻傳遞軸壓力,而毋需透過端板偏心彎矩傳遞,亦與螺栓之軸力無關。

二、端部T型接頭型式

端部T型接頭型式,其T型鋼翼板的長度及寬度,必須延伸到鋼管全斷面以外,使翼板與鋼管端部之外周,有足夠的空間施作全周長填角銲道。

在拉力載重作用下,端部T型接頭應考慮之極限狀態包括:

1. 鋼管管壁局部降伏對應之強度。

2. T型鋼翼板與鋼管連接之銲道強度。

3. T型鋼翼板與腹板之銲接接合強度(適用於組合T型鋼)。

4. T型鋼腹板之全斷面積降伏、有效淨斷面積斷裂及塊狀剪力破壞強度。

5. T型鋼翼板之剪力降伏及剪力斷裂強度。

6. T型鋼腹板之螺栓接合強度。

在壓力載重作用下,還有兩個極限狀態需要考慮。

1.鋼管管壁之壓皺強度(矩形、方形及圓形鋼管)。

2.T型鋼腹板之挫屈強度(T型鋼腹板之長細比,KL/r,計算,建議取K=2)。

T型鋼腹板之挫屈強度,係根據桿件承受偏心壓力載重狀況下,產生挫屈模式設計之。斜撐在整體構架中,一般係將兩端均假設為鉸接。為配合整體構架之分析模式,斜撐接合板之外端亦應假設為鉸接,才能與整體構架之分析模式一致,因此連接板之有效長度係數KL/r中之K值建議取等於2,惟L範圍內有一部分是銲於構架上之連接板,與斜撐端部之T型鋼腹板重曡,此部分旋轉半徑r值,可取決於T型鋼腹板或接合板之較薄者,或可依二接合板之組合厚度,酌予提高r值或降低K值。此外,增設加勁板可以提升T型鋼腹板或接合板挫屈強度,亦可使用較厚的T型鋼腹板或接合板。若於T型鋼腹板單側增設加勁板,則筆者建議L可取最外一顆接合螺栓至構架間之平均距離,且偏心距可減小為接合板厚度之一半,或可予忽略偏心距。

三、接合板插入鋼管式接頭

以接合板插入鋼管端部之槽溝內時,槽溝之寬度應較接合板厚度略大,以方便組裝施工。依照AWS
D1.1之規定,當鋼管槽溝內緣與接合板間之縫隙,未超過2 mm時,可不必增加銲道尺寸,否則必須增加銲道尺寸補強。銲道尺寸增加量,必須大於或等於與間隙大小相同之無效尺寸。為了避免造成接合板產生銲蝕,AISC建議銲道不要在接合板端部處(鋼管槽溝底部)進行回繞銲,但應注意接合板端部處之淨斷面積減少,鋼管之極限狀態可能為有效淨斷面積斷裂控制。此時應進行淨斷面積斷裂臨界斷面之貼板補強設計。此外,當鋼管與接合板採用現場銲接時,鋼管槽溝長度通常會加長以便組裝施工。接合板寬度必須大於鋼管總寬度,以便提供足夠的邊距寬度施作填角銲道。亦有於鋼管不開槽溝,而於接合板上切割出略大於鋼管寛度之凹槽,再將整根鋼管插入接合板上切割出之凹槽內,再於外側銲接,此種做法須注意接合板會因切割出略大於鋼管寛度之凹槽,而大幅減少淨斷面積,且接合板淨斷面積除須考慮軸向拉、壓力外,亦會伴隨產生偏心彎矩。

在接頭設計時至少須考慮之極限狀態包括:

1. 鋼管之全斷面積降伏強度(拉力桿件)。

2. 鋼管之有效淨斷面積斷裂強度(拉力桿件)。

3. 接合板之全斷面積降伏強度(拉力桿件及壓力桿件)。

4. 接合板之有效淨斷面積斷裂強度(拉力桿件)。

5. 銲道接合之剪力強度(拉力及壓力桿件)。

6. 接合板之塊狀剪力破壞強度(拉力桿件)。

7. 接合板之螺栓接合強度(拉力及壓力桿件)。

8. 接合板之挫屈強度(壓力桿件)。

AISC規範隱含銲道長度應不小於H或D,其中H為矩形鋼管平行於接合板之斷面高度(通常使用矩形斷面之長邊),D為圓形鋼管之外徑。AISC 360-16中表D3.1所示之剪力遲滯係數U並無較短銲道的相關規定,如同鋼板以縱向銲道傳遞拉力載重之情況,並未針對較短縱向銲道規定U值。但較短銲道會產生剪力遲滯效應,應予考慮。

四、鋼管端板螺栓對接式接頭

圓形鋼管端板螺栓對接式接頭(圖4),螺栓應沿端板周長等距配置。端板之厚度與螺栓間距或數量有關。螺栓數量越多,則鋼管管壁外緣與螺栓中心間之距離所產生之偏心彎矩,分散在鋼管管壁外緣之有效寛度之總長度可越長,端板所需之厚度就可越小(有效寛度建議最大可取鋼管管壁外緣與螺栓中心間之偏心距之2倍+螺帽寛度)。此外,螺栓附近的銲道會有應力集中現象,建議以有效寛度檢核銲道之局部應力,及應考慮鎖固時板手的施作空間、及墊片放置空間(鎖固作業或墊片寛度,可能會與銲道衝突,必須預估銲道尺寸納入考量),螺栓間距並應符合AISC 360-16中J3.3節最小間距之限制。螺栓中心與端板外緣之距離為a,在端板式螺栓對接接頭設計時通常採用螺栓至端板外緣之邊距b=a。圓形鋼管端板式螺栓對接接頭極限狀態包括:

1. 端板降伏之強度。

2. 包括槓抬作用之螺栓拉力強度。

3. 端板與圓形鋼管連接之銲道局部強度。

4.端板尚須檢核螺栓槓抬作用。

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圖4 圓形鋼管端板螺栓對接式接頭示意圖

五、矩形鋼管端板二側以螺栓對接式接頭

本節之破壞模式,並未考量螺栓配置於矩形鋼管角隅外側之情況(圖5)。矩形鋼管端板二側螺栓對接式接頭之極限狀態包括:

1. 端板降伏之強度

2. 包括槓抬作用之螺栓拉力強度

3. 端板與矩形鋼管連接之銲道強度

由於槓抬作用與端板降伏線位置之分析較複雜,因此難以直接根據AISC規範現有公式進行設計。Packer and Henderson (1997)所提出之修正T-stub設計方法可用於本接頭之設計。惟Packer and Henderson (1997)之建議僅適合使用於螺栓有合理配置之接頭(即螺栓間距不可太大,或彎矩消散之有效寛度建議最大可取鋼管管壁外緣與螺栓中心間之偏心距之2倍+螺帽寛度,且彎矩消散之有效寛度超出管寛之範圍建議保守視為無效)。

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圖5 矩形鋼管端板二側以螺栓對接式接頭示意圖

六、矩形鋼管端板四周螺栓對接式接頭

矩形鋼管端板四周螺栓對接式接頭較矩形鋼管端板二側螺栓對接式接頭常見。矩形鋼管端板四周螺栓對接式接頭之極限狀態包括:

1. 端板降伏之強度。

2. 包括槓抬作用之螺栓拉力強度。

3. 端板與矩形鋼管連接之銲道強度。

另須考慮槓抬作用,考慮槓抬作用下,端板所需厚度可降低,但螺栓所需強度會提高。

七、結語與建議

鋼管斜撐端部之接頭設計與一般鋼結構桿件接頭之設計,所需遵守之原則均相同,下列現象均為常見之設計疏失,建議工程師應特別注意:

1.若是採用法蘭(中空環形)端板四周螺栓對接式接頭,不論法蘭環板是向管外突出或向管內突出(風力發電機塔柱及空由纜車塔柱常用),其接合螺栓之設計,均必須考慮槓抬作用產生之螺栓軸力放大現象,否則鋼管管壁外緣與螺栓中心間之偏心距所產生之彎矩,必須由管壁之彎矩強度平衡,但通常管壁之厚度較小,且承受螺栓之面外拉力後會產生撓曲變形,亦會影響管壁承受軸力之能力。因此偏心彎矩必須藉由在法蘭(環形)端板之外緣互相頂住,而產生槓抬作用來平衡。特別提醒工程師:對鋼管桿件整體而言,在管周上,管壁外緣與螺栓中心間之距離所產生之偏心彎矩,雖可與對側平衡,但二對側之偏心彎矩要達平衡抵消前,局部力系必須先能達到穏定平衡,因此一定必須考慮槓抬作用。

2.接合螺栓須採用車牙後之有效張力面積承受,不能採用標稱直徑之全斷面積承受。

3.各種斜撐端部之接合型式所產生的變形量多寡不一,各接頭累積之變形量,或多或少會影響整體結構之總變形量。尤其是懸臂桁架累積到桁架外端之總變形量,可能造成使用不便或外觀不佳的情形,因此設計及施工時,必須評估其影響程度,酌予調整預拱量,或預先設想撓度不如預期時之應變措施。

4.斜撐之接合板所佔之工程造價甚微,但曾有廠房屋頂桁架,因接合板挫屈而引發屋頂結構塌陷的案例,因此考量挫屈行為毫無韌性可言,建議接頭之設計宜偏保守審慎為當。

5.斜撐桿件中心線與接合板中心線之相關位置,會影響斜撐桿件或構架產生額外偏心彎矩,且此偏心彎矩亦會加大位移量,而增大P-δ效應。因此接頭設計時,須盡量避免產生額外之次應力;若無法避免時,須設法予以補強或檢討評估其影響程度。

【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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