錨栓之螺帽,為何使用重型螺帽?

常有人問起混凝土結構標準圖中,錨定螺栓之螺帽為何使用重型六角螺帽,而不是一般六角螺帽?

一般螺栓之材料標準,不論是中國國家標準CNS、或「美國機械工程師學會」ASME等材料標準,對毎一種材質之螺栓,均有其對應使用之螺帽,且針對各種使用目的,均有提供多種不同型式、不同形狀及不同功能之螺帽,只要符合各該材料標準之螺帽,鎖固後只要螺牙沒有損傷,最好鎖固後螺栓尾端凸出螺帽,應至少1圈完整的螺紋,且不宜超過6圈螺紋,則均可發展出螺栓的強度。惟螺栓採熱浸鍍鋅且承受拉力時,為増加鍍鋅膜厚,使得螺帽須擴孔而影響螺牙之強度,因此須經驗證:於螺栓組達保證荷重時,不會脫牙方可使用。對基礎錨定螺栓之鎖固扭矩,可於柱底板下方的填充砂漿完全固化後,鎖緊螺帽使所有錨栓之拉力大致相等並標記,再進行第二次鎖固作業,使螺帽再旋轉30°,確保均勻鎖固。

當作用於鋼結構柱基板處之柱彎矩與軸拉力,二者合併作用,對基礎錨定螺栓(簡稱錨栓)所産生之上舉力,通常係藉錨栓來與混凝土柱墩及基礎連結錨定。錨栓錨頭之錨定機制,可分為:以直桿 (二端部車牙以螺帽作為錨頭)、彎鉤、錨板(見照片1)、螺帽加錨板(見照片2)、螺帽(見照片3)或擴頭方式錨定,或於錨定端附加機械錨定措施、或錨栓彎鉤錨定鋼筋等錨定型式。

一般在直徑25mm以下之錨栓,其錨定端可採加熱鍜造製造成擴頭型式(有如螺栓之螺頭),惟比較常用的是以直桿二端車牙,並以重型螺帽作為錨定端之錨頭及鎖固端之螺帽。以鍜造擴頭型及直桿二端車牙並以重型螺帽作為錨定端之錨頭,係依據錨栓頭部在忽略錨栓桿身摩擦及握裹強度之貢獻下,錨頭因承壓而發生混凝土壓碎時之強度,而不是將錨栓完全拔出混凝土之強度,因此與錨栓之埋設深度無關,錨栓之埋設深度會影響錨栓之混凝土拉破強度。局部混凝土壓碎時,會大量降低錨定部的勁度,亦是拔出破壞之起始。在錨栓頭部區域,周邊配置緊密螺箍筋,可提高擴頭錨栓之拔出強度,其拔出強度增加量可經由試驗求得。美國混凝土學會出版之「混凝土結構設計規範」(Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-19)」第17章中第17.6.3.2.2節(單根預埋式擴頭錨栓之拔出強度,Np)規定:擴頭錨栓之拔出強度,係與淨承壓面積Abrg成正比,應按1223-3-4 計算。但單根J或L型彎鉤錨定方式之錨栓彎鉤處,局部混凝土壓碎時,會大量降低承壓部的勁度及強度,1223-3-5,其中3da £eh £4.5da。因此以鍜造擴頭或直桿二端車牙並以重型螺帽作為錨定端錨頭之錨栓,其錨定效果較佳。基礎錨栓之底部錨定端,因傳統慣用之彎鉤錨定效果欠佳,新版「混凝土結構設計規範」,建議採用擴頭方式,可得較大之承壓面積及較高的勁度。

因重型六角螺帽之寛度,較一般六角螺帽之寛度大約5mm,可以得到較大的混凝土淨承壓面積,「美國機械工程師學會」 (ASME/ANSI B18.2.2-2010 Nuts For General Applications: Machine Screw Nuts, Hex, Square, Hex Flange, and Coupling Nuts),列出各型一般螺帽與重型螺帽之寛度尺寸 (見表1),為了讓錨栓可以發展出較大的拔出強度,建議採用重型螺帽,國内經濟部重型螺帽國家標準,可採用CNS 4236 ,「美國機械工程師學會」重型螺帽標準,可採用ASME B18.2.2-2010 Table 10 (
Dimensions of Heavy Hex Nuts and Heavy Hex fam Nuts) (英制)及ASME B18.2.4.6M之規定(公制)。一般六角螺帽,可以採用CNS 3130 或ASME B18.2.2-2010 Table 4( Dimensions of Hex Nuts and Hex Jam Nuts)。

1223-3-1

照片1 以銲接錨板作為錨頭

 

1223-3-2

照片2 以錨板加螺帽作為錨頭

 

1223-3-3

照片3 以螺帽作為錨頭

 

 

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