ASTM A709橋梁結構用鋼的衝擊試驗規定

ASTM A709在鋼結構橋梁,非常普遍的使用規定,它綜合各種鋼材的規定,將適合橋梁使用的鋼料合併起來,然後再加以特別要求的規範。而所謂特別要求,其中最重要的就是衝擊試驗。

衝擊試驗係將鋼料加工成55mm長、10×10mm方型的試片(照片1),上面刻一2mm深45度的V型凹口(或U型),降溫到規定溫度時置於架台上,釋放擊鎚撞擊凹槽之背面(如圖1),由擊鎚釋放與上升兩邊之高度差,可以計算試體吸收之能量,此外,衝擊試驗尚可計算試體之脆性破面率及側膨脹等。

A709的鋼材種類列如表1[1],這些鋼材的基本要求及取樣,仍依照ASTM A 6[2]的規定。大家可以注意到的是A992的結構鋼材50S已被引入,第二就是50ksi以上的等級,已被A709規定的HPS鋼材取代。所謂HPS(High Performance Steel)是指高性能鋼材,主要針對銲接性(Weldability)和韌性(Toughness)加以改善。早期使用高強度的A514鋼材,雖然現在仍然在橋梁銲接規範內(或許是因為考慮舊橋修補的問題),但由於發現有延遲氫裂的問題,目前已不再列於A709的規定內。

A709鋼材(鋼鈑或型鋼)設計時,如果需要承受張力時,要作衝擊試驗。承受張力的鋼材,根據美國公路與橋梁協會(AASHTO)設計規範規定,分為破壞控制(fracture critical)的構件,也就是該構件破壞會導致倒塌(collapse)後果的構件,與非破壞控制(non-fracture
critical)的構件兩種。其中破壞控制構件鋼材,需採用"P"等級的衝擊試驗頻率;而非破壞控制構件鋼材,採用"H"等級擊試驗頻率。因為試驗頻率不同,設計者必須在設計圖上清楚標示。

H等級的試驗頻率,按照ASTM A673[4]的規定,為每爐號每45T取樣一組(一組三個試片),若為型鋼時,鈑厚小於或等於50mm,鈑厚差10mm以上,或鈑厚大於50mm,鈑厚差25mm以上時,該組試樣需分別在最厚與最薄的部分取樣。該批鋼材鈑厚大於50mm時應優先取樣鈑厚最厚者為原則。P等級的試驗頻率,對於鋼鈑而言,除了淬火與回火鋼材外,需每片鋼鈑取樣一組(一組三個試片)。對於型鋼而言則為每15T取樣一組,淬火與回火鋼材,則為每爐取樣一組,但重量不可大於15T。鋼棒或鋼帶(bar)則為每5T一組試樣。

衝擊試驗之合格標準,如表3及表4,由橋梁使用區域的服務溫度,分為Zone1〜Zone3(表2),由設計者指定之。一般以台灣的氣候,溫度條件設定為Zone1即為足夠。對於HPS等級鋼材而言,規格訂定時考慮的溫度即定在Zone3,所以其衝擊吸收能量Zone1到Zone3均相同。

美國AASHTO於1967年銀橋(Silver Bridge)的脆性破壞,導致倒塌的事件後,即著手研究改善橋梁破壞韌性(fracture toughness)的問題,並在1978年提出相關破壞控制的計畫[5],其中最重要且相關的試驗當屬衝擊試驗(CVN test)。雖然衝擊試驗的加載速率過快,並不符合橋梁活載重的加載模式,但經過修正後(Linear-elastic fracture mechanics, LEFM)可以用來推估鋼鐵材料內部產生的裂隙尺寸,並已收錄於ASTM的規範內[6][7]。

雖然衝擊試驗,在橋梁材料上是很重要的試驗項目,但實務上很多設計者,並未確實依照規範規定,在圖面作清楚的指示,導致施工時無法落實,值得大家注意。

參考資料

1.「Standard Specification for Structure Steel for Bridges」ASTM A 709/709M-13a

2. 「Standard Specification for General Requirements for Rolled Structure Steel Bars, Plates, Shapes and Sheet Piling」ASTM A6/A6M -05ɛ1

3. 「Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products」ASTM A 370-09

4. 「Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel」ASTM A673-04

5.「Steel Bridge Design Handbook」Federal Highway Administration 2015

6. 「Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness KIc of Metallic Materials」ASTM E399-12

7.「Test Method for Measurement of Fracture Toughness」ASTM E1820-01

 

表1 A709規範的材料[5]

1129-3-1

 

表2 各區的使用溫度

Zone

使用之最低溫度(℃)

1

高於-18

2

< -18 to -34

3

<-34 to -51

 

表3 非破壞控制(non-fracture critical)的鋼材衝擊試驗合格標準

等級(Ksi)

厚度

(mm)

使用區域

Zone1

Zone2

Zone3

36T

≦100

20 J at 21

20 J at 4

20 J at -12

50T 50ST,50WT

≦50

20 J at 21

20 J at 4

20 J at -12

50<t≦100

27 J at 21

27 J at 4

27 J at -12

HPS 50WT

≦100

27 J at -12

27 J at -12

27 J at -12

HPS 70WT

≦100

34 J at -23

34 J at -23

34 J at -23

HPS 100WT

≦65

34 J at -34

34 J at -34

34 J at -34

65<t≦100

48 J at -34

48 J at -34

48 J at -34

 

註:等級代號的T代表承受拉力

 

表4 破壞控制(fracture critical)的鋼材衝擊試驗合格標準

等級(Ksi)

厚度

(mm)

最小試驗吸收能量(J)

使用區域

Zone1

Zone2

Zone3

36F

≦100

27

34 J at 21

34 J at 4

34 J at -12

50F 50SF,50WF

≦50

27

34 J at 21

34 J at 4

34 J at -12

50<t≦100

33

41 J at 21

41 J at 4

41 J at -12

HPS 50WF

≦100

33

41 J at -12

41 J at -12

41 J at -12

HPS 70WF

≦100

38

48 J at -23

48 J at -23

48 J at -23

HPS 100WF

≦65

38

48 J at -34

48 J at -34

48 J at -34

65<t≦100

不可使用

不可使用

不可使用

 

註:等級代號的F代表承受拉力破壞控制(fracture critical)

 

1129-3-2

照片1 衝擊試驗試體

 

1129-3-3

照片2 衝擊試驗施作情形

 

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圖1 衝擊試驗示意圖

 

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