結構用鋼管規格及其桿件接頭設計要點介紹

一、前言由於社會經濟發展迅速，生活品質不斷提升，對結構物美觀的要求日益殷切，而鋼管結構之桿件形狀為圓形、方形或矩形，在外觀上桿件表面平順的外形，使得視覺上較為美觀舒適，且鋼管結構與等效斷面的開口型鋼相比，鋼管結構可以降低材料的使用量、及較少的維護保養表面積及費用，因此，採用鋼管作為結構構材設計的建築物越來越多。例如，車站站體、大型展覧館，及台北大巨蛋等結構。

結構用鋼管(亦稱結構用中空斷面Hollow Structural Section，簡稱HSS)，或採用等厚度鋼板組銲而成之管狀(或箱形)斷面。因結構用鋼管之斷面不大，致內部橫隔板施作困難，因此對於鋼管結構之接頭設計方法，在美國鋼結構協會鋼結構房屋設計規範（American Institute of Steel Construction Specification for Structural Steel Buildings，以下簡稱AISC 360-16設計規範）第K章，及美國銲接協會〔American Welding Society AWS D1.1 part D(specific Requirements for Design of Tubular Connections)〕，均有提供完整的設計方法。此外，在美國鋼結構協會所提供之第24號設計指引(hollow structural section connections)，及歐規BS EN 1993-1-8 (Eurocode 3: Design of steel structures-一Part 1-8: Design of joints) 第7 章(Hollow section joints)等規範，亦有提供大同小異之設計方法及設計例。

其接頭設計方法，均僅將支管以接合板或直接銲接於主管上，然後以檢核接頭之各種極限狀態之最小值，作為接頭之設計強度。因此除非増厚主管管壁戓增設補強板，否則接頭強度難以達到支管之全強度。目前國內現行鋼結構設計規範，尚無鋼管結構之接頭設計方法，而鋼管結構之應用越來越多，因此特將結構用鋼管之構材規格、及設計相關規範，介紹給工程師參考，亦希望未來設計規範修訂時可納入，不當之處，尚請工程先進不吝指正。

二、結構用鋼管規格

目前國內外冷彎成型結構用鋼管，依製造方式主要分為：（1）冷軋成型鋼管（cold roll-formed steel tube），以鋼卷為素材，展平後經過輥輪滾軋後銲接而成，CNS（或JIS）STK、STKN、STKR、BCR（Box Column Roll）、ASTM A500及A1085皆屬於冷軋成型鋼管；（2）冷沖壓成型鋼管（cold press-formed steel tube），以鋼板為素材，油壓機沖壓彎折後銲接而成，BCP（Box Column Press）及ASTM A1065皆屬於冷沖壓成型鋼管。

國內CNS（或JIS）STK規格之圓形鋼管，依強度不同分為STK290、STK400、STK490、STK500及STK540，STK機械性質及化學成分之規定，可參考「鋼結構極限設計法設計手冊（TISC-020-2019）」。CNS（或JIS）STKR規格之矩形鋼管，依強度不同分為STKR400及STKR490，STKR機械性質及化學成分之規定，詳TISC-020-2019。 CNS（或JIS）STK及STKR之規格沒有碳當量之要求，因此可銲性需依實際化學成分含量進行檢討，此外磷與硫之容許含量亦偏高，因此CNS（或JIS）STK及STKR較不適合耐震結構使用。

適合耐震結構使用之圓形鋼管，規格為CNS（或JIS） STKN，STKN，其規格有碳當量之要求，包含STKN400W、STKN400B及STKN490B。其中以CNS STKN400B及STKN490B有降伏比80%以下之要求，CNS（或JIS）STKN機械性質及化學成分之規定詳TISC-020-2019。

適合耐震結構（尤其是柱桿件）使用之矩形鋼管規格，為日本一般社團法人日本鐵鋼連盟JISF(The Japan Iron and Steel Federation)及其下日本鐵鋼認証标准物质(Japanese Iron and Steel Certified Reference Material，通稱JSS)之BCR（Box Column Roll）及BCP（Box Column Press）斷面，BCR及BCP機械性質及化學成分之規定，詳TISC-020-2019。

BCR鋼管使用鋼卷為原料，其製作流程有兩種，一種是分段製程，另一種是連續製程。分段製程通常分為兩階段製作，第一階段將鋼卷展平成鋼板，並將鋼板滾壓成圓筒狀，然後採用高週波電阻銲接，將圓筒之兩邊連接使其成圓管狀，其後進行外部銲冠刮除、矯直、端部修整、整圓後製成圓管。圓管經超音波檢測合格後，進入第二階段，第二階段將圓管擠壓成方形鋼管。使用連續製程者，可以將鋼卷經一貫作業直接製成方形鋼管，使用連續製程者，其成本比分段製程者低。鋼管斷面尺寸，除了受到鋼卷寬度及板厚之限制外，也受到生產設備容量之限制，國內所能生產的最大BCR斷面為400×400×16 mm。適合使用於柱桿件之鋼管斷面，其斷面寬度通常需達300mm，國內生產適合使用於鋼管柱之斷面尺寸詳TISC-020-2019。斷面寬度小於300 mm之BCR亦可參考TISC-020-2019。

若斷面寬度超過400 mm則可使用BCP。BCP鋼管由鋼板冷沖壓成型後，再以縱向銲道連接鋼板兩邊組成鋼管。依製程的不同，BCP鋼管可分為單直縫BCP鋼管及雙直縫BCP鋼管。單直縫BCP鋼管使用一塊鋼板，首先將鋼板經4次沖壓成形，然後以1道縱向潛弧銲道(SAW)連接鋼板兩邊組成方形斷面。雙直縫BCP鋼管使用兩塊鋼板，先將每塊鋼板經2次沖壓成ㄇ形斷面，然後將兩個ㄇ形斷面以2道縱向潛弧銲道連接成方形斷面。為減少銲接量及銲接變形量，縱向銲道採用雙面開槽之全滲透槽銲道為之。施作時先於鋼管內側以潛弧銲(SAW)施銲，然後於鋼管外側經過背剷後，再以SAW於鋼管外側施銲。目前國內能夠量產的BCP鋼管，其寬度在450mm至600mm之間，其厚度上限為32 mm，可生產之鋼管斷面詳TISC-020-2019。

冷變形成型鋼管斷面，包括圓形HSS鋼管（Circular Hollow Section，簡稱CHS）及矩形HSS（Rectangular Hollow Section，簡稱RHS）。圓形HSS表示方式如 1187-3-1 ，其中CHS後的數字分別代表斷面之外徑（216.3 mm）及管壁厚度（8 mm）。矩形HSS表示方式如 1187-3-2 ，其中RHS後的數字分別代表斷面之深度（200 mm）、寬度（100 mm）及管壁厚度（6 mm）。CHS及RHS之斷面及其斷面性質，詳TISC-020-2019。

CNS（或JIS）之STK與STKR鋼管，以及ASTM A500鋼管，皆規定管壁厚度3 mm以上之鋼管，其管壁厚度容許誤差為±10%。這個規定就現有鋼管製造技術而言偏寬鬆，因此鋼管製造者可以生產厚度明顯比標稱壁厚小10%的鋼管，仍然可以符合規範之要求，因此生產單位一般多以厚度下限值進行製程控制。AISC360-16設計規範第B4.2節中，即述及鋼管實測平均壁厚，僅為標稱壁厚之93%，因此該規範認為，設計時應該使用0.93倍的標稱壁厚進行之，並稱這個厚度為「設計壁厚」。因此TISC-020-2019，STK、STKR及A500鋼管之斷面性質，皆採用設計壁厚（即0.93倍之標稱壁厚）計算之。TISC-020-2019之鋼管尺寸表中，鋼管斷面性質標記星號「*」者，乃根據設計壁厚計算斷面性質（包括A、I、S、Z等），並稱之為「設計斷面性質」。此外CNS（或JIS）STKN規格之厚度容許負公差為-0.5mm；JISF BCP、BCR規格之厚度容許負公差為-0.3mm，故除厚度7mm以下之STKN鋼管外，CNS STKN及JSS BCP、BCR規格之HSS設計壁厚(t)建議比照ASTM A1065而採用標稱壁厚值。因此銲接箱型斷面、鋼板冷彎成型之圓形中空斷面，及符合STKN、BCR、BCP、ASTM A1085及ASTM A1065等鋼管，已調降鋼管壁厚之容許誤差，而實測鋼管平均壁厚也與標稱壁厚較接近，因此設計時不需針對鋼管壁厚折減。

ASTM A500相關之HSS，相同等級之圓形HSS與矩形HSS，其降伏強度有所不同。ASTM A53 Gr. B規格的Pipe（以下稱為管材），被收納於AISC360-16設計規範中，亦被視為CHS之一種。AISC Steel Construction Manual（簡稱AISC鋼構造手冊15th Ed.）中之可用強度(Available Strength)，HSS部分是依據ASTM A500 Gr. B規格之材料強度，而管材部分則是依據ASTM A53 Gr. B規格之材料強度。

然而，ASTM A501最近新增了B級規格，為經過熱處理之產品。製造過程類似冷彎成型HSS，惟最後成形是在鋼材加熱至完全正常化溫度之後完成。這些由歐洲製造商生産之圓形、方形、矩形及橢圓形斷面（Packer, 2008），基本上是依照歐洲標準EN10210 Part 1及Part 2所生產，其中橢圓中空斷面之長軸及短軸長度比為2：1。另外美國石油協會（American Petroleum Institute，簡稱API）之規範收納直徑非常大的鋼管斷面，其外徑範圍在10.3 mm（0.405英吋）至2134 mm（84英吋）之間，且有許多不同等級之材料可以選用。

三、結構用鋼管之優點

1.斷面性質：HSS是抵抗扭力及軸向壓力載重（簡稱軸壓），非常有效率的斷面。在軸壓下桿件通常繞弱軸產生挫屈，由於HSS斷面對開放形型鋼斷面之弱軸，有相對較高迴轉半徑，因此可以較有效率的提升軸壓強度。因為價格會隨著不同的時間、用途及地理位置而變動，吾人無法直接與其他斷面形狀比較成本，不過，重量及表面積為兩項影響成本關鍵因素。

2.維護保養：以寬翼型鋼斷面作為比較之基準，並將其重量及表面積指定為100%，HSS的重量比相對應之寬翼型鋼桿件輕10~20%，而且表面積則減少三分之一甚至到一半。表面積減少可大幅降低塗裝之成本、及延長後續維護保養的週期及成本。若使用ASTM A500 Gr. C的材料（降伏強度較高）來進行比較，HSS之優勢會更加顯著。

四、鋼管結構設計考量

1.衝擊韌性

ASTM A500沒有衝擊韌性之要求，不過ASTM A500提到一個重點，「...依照此規範製造的產品，可能不適合應用在承受動態載重之銲接結構中，因為這類結構中，材料之低溫衝擊韌性，可能是很重要的性質。」新的ASTM A501 Gr. B規定要進行CVN衝擊試驗（Charpy V-notch Test），且在 1187-3-3 下，衝擊值不得小於27J（20 ft-lb）。

2.熱浸鍍鋅問題 ASTM A500標準規定，正方形及矩形HSS角隅外側彎轉半徑需小於或等於3t，其中t為壁厚。ASTM A143/A143M-03標準中提到「斷面厚度3倍的冷彎彎轉半徑...通常可以確保最後產品具有所需之性質」。ASTM A500 HSS角隅外側彎轉半徑的上限，其實是熱浸鍍鋅所建議的最小彎轉半徑。但是，所有在北美洲生產的正方形及矩形HSS，其角隅外側彎轉半徑的平均為2t，因此，這些正方形及矩形HSS，很有可能在熱浸鍍鋅的過程中，角隅出現裂痕。Kinstler's（2005）的報告中也指出：「...彎轉半徑大小與冷作變形量直接相關，而冷作變形量（或彎轉半徑），是影響材料冷作後進行熱浸鍍鋅時，是否會產生脆性破壞最重要的因素。」ASTM A143/A143M-03繼續建議：「...經歷大量冷作變形（如冷軋）之鋼材，...應進行溫度介於 1187-3-4 之次臨界點退火。」

考慮熱浸鍍鋅之施工性，桿件需要設置開孔以利鋅液之流入、氣體之排出及鋅液之流出。此外，需使用適當開孔尺寸，以減少桿件在進行熱浸鍍鋅時，所產生的溫差熱應力。所建議之排氣孔最小直徑為13 mm，鋅液流通孔（洩鋅孔）之最小直徑為25 mm。

3.內部腐蝕

AISC 360-16設計規範解說第B3.13節主要討論HSS內部腐蝕。彙整如下：

（1）封閉式建築物基本上不會發生腐蝕，只需要考慮曝露在大氣環境的室外HSS。

（2）密封的HSS並不會發生內部腐蝕。

（3）在水受重力情況下無法直接流入區域，設置壓力平衡孔，可以避免水透過毛細現象、或水氣透過溫差呼吸現象，經由如桿件或鋼板間採用密接而未銲接處理之縫隙滲入管內。

（4）鋼管只有在下列情況下，才需要考慮內部防蝕：(a)氣體和水可以直接流通之開口鋼管；(b)當HSS曝露在可能會造成水氣凝結為水滴的溫度梯度。

在施工期間或施工結束後，應注意避免水分留在HSS裡面，因為水結冰引起的體積膨脹，可能足以讓HSS脹裂。

4.接頭變形産生額外撓度

AISC 360-16之接頭強度計算，僅考慮各種強度極限狀態，而未考慮變形的限制。國際銲接協會(IIW, 2012)建議於係數化載重下，圓管與矩形管接頭處，主桿件接合面的面外變形，應分別小於0.03D（D=方管主桿或弦桿之外徑）及0.03B（B=圓管主桿或弦桿之寬度），在此限制下所對應之工作載重接頭變形約為1/100。若接頭的變形過大，而有引致使用性或穩定性之疑慮時，設計強度應予以折減。設計方法可參考IIW( 2012)或CIDECT(Wardenier et al., 2008; Packer et al., 2009)。因RHS主(弦)桿接頭接合面，承受支桿之力量會產生面外變形之故，以及支桿或接合板並非全寬度有效，而所造成之斷面力量分布不均狀況，可能導致壓力支桿局部挫屈、或拉力支桿提前降伏。由於毎一接頭均戓多或少會産生額外變形，累積多個接頭之額外變形，會産生較大之結構整體撓度。

5.接頭之設計考量

鋼管結構接頭區，對結構設計者來說，一直都具有相當高的挑戰性。AISC 360-16 設計規範第K章，提供多種接頭型式之設計方法。讀者應注意，在許多情況下，鋼管結構接頭之局部強度檢核，也是整個結構設計的一部分，而且也時常是控制結構強度的主控因素。此外，使用加勁元件加強鋼管結構接頭在力學上是可行的方法，但是外加勁可能會影響建築外觀，內加勁可能會影響施工性，往往不是一個可行的選擇。接頭強度通常受HSS的尺寸控制，而須於最初設計時予以考慮，特別是桁架弦桿的壁厚，為確保接頭設計的經濟性與可靠性，桿件設計時就必須併入接頭的設計考量。例如弦桿與支桿間的角度小於30度時，銲接施工與檢驗均有困難而應避免。

適用於中空斷面與等厚度箱型斷面之接頭強度計算，相關內容主要係依據AISC 360-10第K章之條文與解說，並參考AISC 360-16之內容訂定之。其中箱型斷面於接頭區之組合銲道，必須為全滲透銲道，以確保箱型斷面於不同接頭型式、幾何條件與載重條件下，各肢材於各種破壞模式下都能發揮全部強度。符合此規定之箱型斷面，其接頭於各種破壞模式之行為與中空斷面類似。各桿件之接頭區長度，係由各桿件所有可能之接頭破壞模式的最大影響範圍所決定。前述破壞模式針對RHS桁架接頭與RHS彎矩接頭，可參考Wardenier (1982)。通常接頭區可保守的定義為接合面外一倍桿件寬度的範圍。

AISC 360-10第K章適用範圍的限制，係反映所引用試驗資料的驗證範圍。其中部分極限狀態於適用範圍內，因不控制設計強度而未予檢核。例如符合使用範圍限制的接頭，其強度不受局部挫屈破壞模式控制，因此不必檢核此破壞模式。當使用超過表列限制範圍之接頭，原先被忽略的極限狀態即須納入設計考量，而設計者必須考慮所有可能的潛在破壞模式後，進行合理分析與設計。

採用AISC 360-16設計規範第K章設計之接頭，其銲接接合、螺栓接合以及連接元件，則採用第J章之相關規定。HSS接頭設計中，某些設計時應注意的問題，不會直接出現在AISC 360-16設計規範（如槓抬作用），而是出現在AISC鋼構造手冊15th Ed.或是已發表之期刊論文。AISC 360-16設計規範，僅適用於如下所述之情況：（1）靜力設計，（2）平面構架設計，（3）對稱於構架平面（不含錯位配置之桿件或元件），（4）不使用混凝土及鋼筋之純HSS桿件。

超出AISC 360-16設計規範範圍以外的設計準則，請參考其他規範及設計手冊，如：（1）結構疲勞（AWS, 2008; Zhao et al., 2001），（2）耐震設計（Kurobane et al., 2004），（3）多平面接頭（AWS, 2008; Packer and Henderson, 1997），（4）桿件錯位配置之接頭（AWS, 2008），（5）混凝土填充HSS之接頭（Kurobane et al., 2004）。

AISC 360-16之接頭強度計算，係假設主桿件在接頭的兩端具有足夠的端部距離 1187-3-5 。接合板或支桿與弦桿連接，弦桿之端部距離不在規定之適用範圍內時，可以採用端部設置端板加勁或強度折減的方式處理。強度折減的比例未必與端部距離呈線性變化，可保守以表A3.1及表A3.2計得之強度，折減50%估算弦桿端未加勁時的接頭強度。承受載重的鋼板或支桿，必須具有足夠的側向束制。