鋼結構殘留應力探討

前言

工程界常耳聞殘留應力(residual stress, Fr)問題,到底殘留應力發生之原因為何?對鋼結構有何影響?應如何避免與預防?可否改善?諸多課題值得探討。

殘留應力發生的原因

鋼料發生殘留應力之原因,不外乎外力作用、高溫作用與鋼料軋製等,分述如下:

1.外力作用

參見圖1,當鋼料受外力彎折時會產生彎曲,如果作用力輕微,於釋放後鋼料會恢復原來之形狀,屬於完全彈性,由於無殘留變形,所以鋼料內部並無殘留應力;若作用力所造成之變形,於外力釋放後無法恢復原來的形狀,成為殘留的變形,鋼料內部就存在殘留應力。由於金屬材料之記憶效應,殘留應力之方向與作用應力之方向,恰恰相反,圖1之左圖為外力作用時之變形,鋼料外側為張力,內側為壓力,右圖則為外力釋放後之殘留變形與鋼料內部之殘留應力,鋼料外側為殘留壓力,內側則為殘留張力。作用力所作的功,除了一部分轉換為熱能消失外,大部分存留在鋼料內部成為應變能(strain energy)。如果鋼料再遭受反向之彎折力量時很容易被折斷。

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圖1 外力作用後之殘留應力

鋼結構採用螺栓接合時,在螺帽鎖固的過程,螺桿之螺紋一直向外增量而伸張,但螺帽卻一直向內壓縮,所以螺桿存有殘留張力,而鋼料與螺帽間、或鋼料與螺頭(bolt head)間,卻存有殘留壓力,如圖2所示。同理,橋梁的鋼索在兩端之錨定處以螺帽鎖緊後,鋼索內部也存有殘留張力。如圖3所示。

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圖2 螺栓鎖固之殘留應力

 

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圖3 橋索錨定後之殘留張力

2.高溫作用

加高溫於鋼料再冷卻之後,其收縮會產生許多殘留應力,而造成鋼料之明顯變形。參見圖4,鋼結構施工中常常用火焰切割,將H型鋼切成兩支T型鋼,切割後由於切割縫之冷卻收縮存有殘留壓力,致T型鋼宛如受到彎折而彎曲如圖5所示。為了避免此種變形,火焰切割時不能連續性直接切斷,必須間歇性切割,最後再將連接點個別切斷,如圖6所示。

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圖4 焰切H型鋼

 

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圖5 焰切後之殘留壓力與變形

 

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圖6 間歇性之焰切法

此外,鋼結構的電銲也是一種高溫的的作用。常用之組合H型鋼,採用銲條在翼板與腹板之間連續性銲接,如圖7,銲接完成後由於銲道的收縮產生殘留壓力,致使翼板翹起而嚴重變形,如圖8。為了矯正此種變形,鋼結構工廠慣用翼板外側之火焰加熱整形,將翼板修整恢復為原來之平整度,如圖9。

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圖7 電銲中

 

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圖8 電銲後

 

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圖9 加熱整形

鋼結構施工中,如果鋼板長度不足而採用對接電銲(butt weld),參見圖10。電銲時高溫之銲道會膨脹,可是冷卻後縱向之銲道,會因為冷卻縮短,而壓抑兩側之鄰近鋼板,造成鋼板存有殘留壓力,而銲道卻存著殘留張力。對接完成之後,除了整體之長度會縮短外,整體之寬度也會變窄,銲道附近之鋼板厚度也會輕微減薄,三個面向都會受到影響。復參見圖11,許多高層建築之鋼柱,於工地對接電銲完成後,由於殘留壓力的關係,於熱影響區(HAZ)之柱子面寬會變窄,整體鋼柱的高度也會略為降低。

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圖10 鋼板對接電銲

 

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圖11 鋼柱對接電銲

在梁柱接頭區,箱型鋼柱內部都設置橫隔板(diaphragm),以傳遞鋼梁翼板之應力,如圖12,隔板與柱面板之銲接常用灌漿銲(俗稱釣魚銲-CES),由於灌漿銲之入熱量甚高,銲道周遭之殘留收縮應力也甚大,當鋼梁翼板承受某種程度之拉應力時,鋼柱之面板常發生層狀撕裂。有些工程採用多片的隔板灌漿銲,集中大量的入熱量,鋼料內部之金相顆粒變粗材質變脆,殘留應力也大,對接頭的強度與韌性是極端負面的。

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圖12 梁柱接頭區之灌漿銲

3.鋼料軋製

所有鋼料從煉鋼廠軋製出廠後,在尚未加工製造前,其實已經存有許多不同的殘留應力,當鋼料厚度愈厚時,此等殘留應力愈明顯,此乃軋製過程之降溫速率(cooling rate)不同所致。學術領域的研究調查,鋼料的殘留應力最大值高達降伏強度的一半,即Fr≒0.5Fy。鋼結構設計規範,也規定於檢討鋼構材之側向支撐長度時,熱軋型鋼之殘留應力為Fr =0.7 tf/cm2,銲接型鋼為 Fr =1.16tf/cm2。

參見圖13,軋鋼廠於軋延厚板時,由於鋼板內外之降溫速率不同,外側降溫快,而內部降溫慢,所以厚板之外側存有殘留壓力,內部則存有殘留張力。斷面之殘留應力分布圖,有如測量地形之等高線圖。復參見圖14,熱軋型鋼於軋製後也有殘留應力分布於整個斷面,型鋼外表為殘留壓力,而內部則為殘留張力,特別是翼板與腹板交界之核心區(core),因為冷卻速率最慢,殘留張力也最大。

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圖13 鋼板之殘留應力

 

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圖14 熱軋型鋼之殘留應力

學術研究對殘留應力之檢測係採用精細切割法,參見圖15,將固定長度(L)之型鋼,於縱向以精密機械切割成條狀鋼棒,理論上每支鋼棒應長度均應相同,實測值於殘留張力區之鋼棒長度會縮短,而殘留壓力區之鋼棒長度則增長,此乃切割後將殘留應力解除後所致,復根據個別縮短或增長之應變值,推算其相對之殘留應力值(Fr)。

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圖15 鋼棒單元之切割

殘留應力對鋼結構之影響

具體言之,殘留應力對鋼結構之影響,不外乎加速腐蝕、構材變形與鋼材斷裂,分述如下。

1. 加速腐蝕

鋼料內部如果隱藏殘留應力,會促成快速銹蝕。最常見之鋼絲網(wire mesh)送到工地現場後,大約兩星期就嚴重生銹,因為將鋼線材(wire rod)抽細後之鋼絲網,其內部隱藏大量之殘留應力,所以快速生銹,詳照片1。鋼筋混凝土的箍筋四個角落,因受彎折的殘留應力也都率先生銹;摩擦阻銲型的鋼筋續接器,也都比鋼筋本體提早生銹,詳照片2。

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照片1 鋼絲網銹蝕

 

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照片2 箍筋與續接器銹蝕

鋼結構銲道之部位,因殘留應力之影響常促成局部快速生銹,詳照片3。鋼結構鎖螺栓部位之殘留應力,都比其他部位提早生銹,詳照片4。橋梁工程的鋼纜因存在殘留張力,如果缺少防護措施與適度保養,生銹速度極快,詳照片5。部分橋梁鋼索採用熱浸鍍鋅、或高密度聚乙烯(HDPE)裹覆,當裹覆失效又疏於保養,同樣快速腐蝕容易造成損害,詳照片6之紅色圈註。

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照片3 銲道部位銹蝕

 

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照片4 鎖螺栓部位銹蝕

 

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照片5 鋼纜銹蝕補漆

 

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照片6 HDPE損壞鋼索銹蝕

2. 構材變形

鋼結構要求之精度較高,一般設計的標準孔徑比螺栓直徑大1.5mm,常常因為電銲的收縮變形造成安裝的困難。除了前述於鋼構工廠加工製造之變形外,工地常發生之變形參考圖16,於高層建築之安裝,當每節鋼構材的梁柱接頭電銲完成之後,因為鋼梁長度的縮短,累積為整層面寬的縮小,雖然減少的面積不大,卻造成各節鋼構安裝的困難與嚴重瑕疵,且上下樓層之鋼柱中心無法對齊。此種殘留應力所造成的變形,如果不事先預防,事後是無法修改的。

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圖16 鋼架電銲收縮的變位

 

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圖17 殘留應力引致斷裂

3. 構材斷裂

殘留應力最嚴重的後果是構材斷裂。北美西海岸某巨型展示大樓,曾經發生鋼結構梁柱接頭,因殘留應力而斷裂之事件。參見圖17,美式之鋼結構建築,常採用二元抗震系統,以H型鋼之梁柱框架搭配斜撐抵抗地震力,而且採用多種超厚型鋼。當工地之梁柱接頭銲接完成後,在梁端之核心區產生明顯之斷裂,無論如何剷修再銲,都無濟於事。最後只好加強後熱處理,以消除鋼料內部之殘留應力,才勉強完成鋼構的安裝。該大樓之所以產生鋼梁斷裂,起因於鋼梁內部之既有殘留應力,與電銲完成後之殘留張力累加,超過鋼料的抗拉強度。至於鋼橋的吊索,如果殘留應力銹蝕明顯,會減少有效斷面,加上反復應力之疲勞作用,進而發生無預警的破壞。

結論與建議

為了減少殘留應力之影響,比較厚的鋼料不宜作拉力構材,特別是厚度1½吋以上的鋼料,或美規型鋼第VI種類與第V種類。且厚鋼料之銜接,盡量採用栓接少用銲接。有必須電銲之部位,除了應嚴格遵照銲接程序(WPS)外,更應該確實施作後熱處理,以消除殘留應力,一般後熱之時間為2小時以上。某些特殊之鋼管對接,於電銲後,採用耐熱棉被包覆,亦不失為良好的消除應力方法。如果採用敲擊法,在實務之操作與認定比較困難。至於橋索之殘留應力的影響,則應管制鋼纜外表的防銹、鍍鋅或HDPE之施作品質,同時使用中應確實檢查或維護。

參考文獻

1. 陳純森(2019)。鋼結構工程實務(五版)。科技圖書公司。

2. 陳純森(2015)。工程事件之鑑識預防與法務。科技圖書公司。

 

【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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