談「耐震結構用鋼材」之選用

一、前言

現行「鋼結構設計規範」,係民國99年9月修正發布,其中第三章對一般結構用鋼材的規定之外,使用於耐震結構的鋼材規定,亦須遵守第十三章的規定。現行「鋼結構設計規範」,發布施行迄今使用10年期間,耐震結構用鋼材規格,已有甚多變化,亦有甚多銲接高入熱影響的實務經驗,以及鋼管結構的應用越來越多,鋼管材料的使用經驗等,均可提供修訂新版規範之參考,因此現行「鋼結構設計規範」,有修訂的必要。

二、耐震結構用鋼材之耐震性能

影響耐震結構用鋼材之耐震性能,可歸納如下:鋼材之降伏強度、抗拉強度、伸長率、降伏比、韌性衝擊值、厚度方向斷面縮率、磷及硫含量,及可銲性與耐高入熱量能力等項目。以下對其中重要性能,簡介如下:

1.降伏強度上、下限:早期之鋼種,僅對鋼材之降伏強度有下限之規定,而無上限之規定;近年來新開發的鋼材,則增加了降伏強度上限之規定。降伏強度上、下限之規定,可控制鋼材降伏強度的變異性,使容量設計及強柱弱梁等設計理念可落實,避免發生鋼材之強度遠高於規範值,致產生弱柱強梁等非預期之破壞模式;或因接合板之強度低於桿件之強度,而致接頭處發生脆性破壊模式。

2.低降伏比(實測降伏強度與實測抗拉強度之比值):鋼材之降伏比,會隨鋼材強度的增加而降低,降伏比會影響鋼材降伏後接頭區應力重分布的能力。實測降伏強度與實測抗拉強度之比值越低,對未進行接頭韌性細部設計之梁柱接頭,可有效延伸其塑性鉸區,提高梁柱接頭之韌性容量;但對於具韌性細部設計之梁柱接頭(如高韌性梯形切削減弱式接頭),降伏比太低會提高梁柱接頭處柱面梁翼板銲道所受之應力,容易造成銲道斷裂,此時使用過低降伏比之鋼材,未必對結構耐震有利。因此為確保韌性剛構架在強震作用下,進入塑鉸行為之接頭,具有足夠的韌性及塑性變形能力,以便力量在構架中重新分配,目前用於Seismic Force-Resisting System (以下簡稱SFRS)之鋼材,其降伏比一般規定在0.80或0.85以下,應為合理之範圍。例如,SN-B及SN-C系列鋼材之降伏比不得大於0.8,CSC之SM570M-B、SM570M-C及SM570M-CHW等鋼材之降伏比不得大於0.80~0.85。

3.韌性衝擊值:鋼材品質若有瑕疵、幾何形狀急劇變化、銲蝕或刻痕,在承受高應力時會産生應力集中現象,因而可能產生裂縫,繼而發生脆性斷裂現象,一般實務上,係以韌性衝擊試驗法,評估鋼材抵抗裂縫延伸的能力。鋼材之韌性衝擊值(Charpy V-notch Impact test,簡稱CVN),越高表示越不容易產生脆性斷裂,對母材、銲接瑕疵與幾何形狀變化所造成之應力集中的容忍度也較高。 韌性衝擊值越高,表示產生相同斷裂面所需的能量越高,韌性衝擊值越高,就越不容易產生不穩定的裂縫成長(或稱脆性斷裂),因此對銲接瑕疵的容忍度也較高。韌性衝擊值,受測試時的溫度及加載速率(loading rate)的影響很大,測試時的溫度越低、加載速率越高,韌性衝擊值越小。一般應視結構體在使用情況下之最低溫度,來規定CVN衝擊試驗的溫度,但是CVN衝擊試驗的加載速率遠高於結構體受力時之加載速率,因此Charpy衝擊試驗的溫度可以稍加提升,補償加載速率不同所造成的差異。以日本為例,日本的最低氣溫低於攝氏零度不少,但是日本規範卻規定鋼材Charpy衝擊試驗的測試溫度為攝氏零度。國內絕大部分的結構物使用的最低溫度約在攝氏10度,因此Charpy衝擊試驗的溫度可以比攝氏10度高,但是目前中國國家標準(CNS)直接引用日本的規定,並未針對國內的實際情況調整,故偏保守。一般情況,為達到鋼材具韌性、抗疲勞性,以及阻止裂縫急速延伸的能力,鋼材在試驗溫度為0oC情况下之衝擊值,須在27J(焦耳)(2.8kgf-m)以上。

4.厚度方向斷面縮率:厚度方向斷面縮率,是指拉伸試片在受力下產生頸縮而斷裂後,斷裂面的斷面積縮率。斷面縮率越高,表示鋼材厚度方向的延展性或韌性越高,可避免鋼板受面外力量時產生撕裂現象。鋼板在厚度方向之韌性,通常小於平行軋延方向或垂直軋延方向,若厚度方向之韌性不足時,亦容易產生銲接層狀撕裂現象。另梁柱接頭區,柱翼板與梁翼板交接處,柱翼板在厚度方向承受由梁塑性鉸區傳遞過來的應力,此應力可能超過梁翼板的降伏強度而進入應變硬化階段。此外,柱構材還要另外承受本身的軸向力以及彎矩,因此柱翼板在與梁翼板的交接處,有很嚴重的應力集中現象,其中又以柱翼板厚度方向的應力最大。為調節這種局部區域的應力集中現象,並避免導致脆性斷裂或層狀撕裂,柱翼板厚度方向需要具有良好的延展性或韌性。

5.磷(P)含量:磷在鋼中有常溫脆性,但,磷有增加鋼之耐腐蝕性作用。磷含量多寡,影響鋼材機械性質及銲接性,結構鋼中對於磷(P)含量,須有更嚴格的要求,一般均保持在0.03%以下為宜,若超過0.04%則必須特別處理。

6.硫(S)含量:硫為煉鋼過程無法去除之有害元素,硫與鐵化合成FeS,受熱易熔,故會增加鋼之熱脆性。在H型鋼中硫含量,一般均保持在0.035%以下為宜,若超過0.05%則必須特別處理,其量之多寡,影響鋼材機械性質及銲接性。箱型柱通常會使用到高入熱量之銲接方法,對於硫(S)含量,須有更嚴格的要求。

7.可銲性:鋼材可銲性,一般係以碳當量(Ceq)、或冷裂敏感指數(Pcm)作判別。若要使用經濟而方便的銲接方法進行鋼結構的銲接,母材的碳當量必須受到限制。碳當量主要在反應鋼材銲接後的冷裂敏感性,母材碳當量過高,容易在銲接後的熱影響區,產生組織密緻的麻田散鐵,麻田散鐵會阻擋氫在鋼材內的行動,並進而聚集構成裂縫,造成銲接缺陷。此種裂縫,一般在銲道溫度下降至氣溫後才被發現,因此稱為冷裂;又,這種裂縫肇因於氫的聚集,因此又稱為氫裂。SN鋼材在B級及C級,均有規定碳當量值、或以銲接冷裂敏感指數)替代碳當量值,用以確保鋼材之可銲性。

三、各種規格鋼材之性能介紹

新近開發的高強度鋼,例如:ASTM A913/A913M Grades 65 (4.5 tf/cm2)、及70 (4.85 tf/cm2),被認可使用於僅會發生有限非彈性行為之SFRS柱;因其預期非彈性降伏的程度很低,有些情況允許標稱降伏應力高達4.9 tf/cm2的鋼材,使用於某些SFRS的柱。

CNS 2947之規定,主要沿用JIS G3106「熔接構造用壓延鋼材」,其鋼材編號前兩個字母為SM,一般以SM系列鋼材稱之。CNS 13812之規定,主要沿用JIS G3136「建築構造用壓延鋼材」,其鋼材編號前兩個字母為SN,一般稱SN系列鋼材。鑒於既有建築銲接用SM鋼板的機械性能與銲接性能,無法充分滿足耐震與施工性的需求,例如,以鋼板含碳量標準0.18%、及銲條0.1%的銲接組合進行評估,當入熱量在80 KJ/cm就有銲接熱裂的可能,因此日本規範於1994年推出建築用SN鋼材。推廣初期,因為價格與鋼廠的生產能力等因素而較少使用,但在1995年阪神地震發生後,SM系列鋼材規格,被公認無法適用於所有的建築SFRS之桿件,日本通產省工技所,已於同年11月,公告取消SM鋼材適用範圍中的「建築」項目。

日本鋼構規範規定SFRS之桿件應使用SN鋼材,其中SN400B及SN490B系列,除標稱強度分別與SM400及SM490相近外,還具有狹降伏強度(降伏強度上、下限)及低降伏比之特性,更適合使用於SFRS之桿件;同時訂定碳當量之限制,以提供更明確的可銲接性指標,而造成層裂原因之一的磷、硫雜質含量標準,也較為嚴格,故較適用於使用潛弧銲等高入熱量銲接之組合型鋼。而SN400C系列及SN490C系列,則對鋼板厚度方向之性質與超音波檢驗有額外之要求,規格中並再降低磷、硫之成分含量,特別合適用於鋼板較厚之巨型斷面、或需使用到高入熱量與高束制性銲接接合之桿件。SN鋼材之標稱降伏應力會隨板厚而改變,造成設計上的困擾,為了解決此困擾,CNS增列SN-YB及YC規格之鋼材,此鋼材之標稱降伏應力不隨板厚而改變。設計者如欲使用SN-YB及YC規格之鋼材,應於設計圖說中明確標示清楚。

強度較高的SM520及SM570鋼材,因無相對應強度等級的SN制式鋼材,如使用於SFRS之桿件時,尚須增訂合適的規格。另外CNS
2473及JIS G3101「一般構造用壓延鋼材」,規定有SS系列鋼材,SS系列鋼材對化學成分之限制不夠明確,無法評估其可銲性,因此應歸類於不可銲鋼材。目前大部分用以抵抗地震力之鋼材,皆會使用到銲接,考慮製作與施工管理之成本,並減少錯誤之發生,排除SS系列鋼材使用於SFRS之桿件。

ASTM A36及A572 (Grade 50),因其實際強度與標稱強度的比值較高,而導致韌性設計結果變異性較高,故不建議使用。此外亦可選用ASTM A529 (Grade 50、55)、A572 (Grade 42、55)、A588、A913 (Grade 50、60、65及70)、A500 (Grade B及C)、A501、A1085及A53。美國自1994北嶺地震發生後,因既有鋼材的變異性過高,建議使用AISC推動下所開發的ASTM A992規格型鋼(不含鋼板規格),因具有降伏強度範圍限制及降伏比要求(0.85以下),如今已取代相較於A36及A572(Grade 50)型鋼,成為主流。

由於美國地區以使用熱軋型鋼為主,鋼材的銲接性以滿足低入熱銲接為主,且規範同時要求以較為嚴謹的細部設計與施工配合之,因此鋼板材質的基本規格,相對於JIS及CNS規格仍然較低。相對於日本地區,因配合較高效率的銲接施工,雖使用規格較高之鋼板、及較大之彈性設計地震力,但其細部之韌性要求較不嚴格。如設計時使用美規鋼板;而細部要求採用日本寬鬆施工習慣,則會得到不安全的組合結果。

國內所使用的構材以組合型鋼為主,銲接方法等則主要參考日本,因此,SFRS之桿件應以使用CNS 13812規格為原則。ASTM之鋼材規格,相較於CNS及JIS之鋼材規格寬鬆,CNS及JIS規格中,則以SN-C系列 最為嚴格。

SM570系列鋼材化性及機械性質之比較,SM570M系列較為特殊之規定,包括降伏強度上、下限、降伏比、厚度方向斷面縮減率外,尚有較嚴格之磷、硫含量規定。各項規格影響鋼材之耐震性能,除銲接性外,降伏應力及拉力強度之範圍、降伏比及厚度方向(Z方向)之性質,但傳統之鋼材對此並無明確規定。

鋼板Z方向之斷面縮減率規定,則係在於避免鋼板受面外力量時產生撕裂現象,抗撕裂性能受硫含量(硫化物)影響,因此對於採高入熱銲接之銲接箱型柱,應採用SN-C或CSC SM570M-C HW之鋼板。依據研究結果顯示(梁宇宸,2012),當箱型柱柱板厚度為22 mm,而搭配銲道寬度為25 mm之ESW銲道,或柱板厚度為28 mm並搭配銲道寬度為50 mm之ESW銲道時,銲道外的柱面溫度已達約1000℃。為減緩高入熱銲接對於柱面材質脆化之影響,同時考慮一般ESW銲道之最小施工寬度為25 mm,建議當箱型柱柱板厚度為22 mm以下、及柱板厚度為28 mm而施作寬度為50 mm之ESW銲道時,應配合水冷式降溫設備,以控制ESW施作時之柱面溫度。此外受較大塑性變形之桿件,如梁桿件,則應採用SN-B或SN-C之鋼材。

近年來鋼材亦逐漸往高強度發展,因應耐震與施工需求而提升性能規格的CSC SM570M-C及CSC SM570M-C HW等高性能鋼材漸受重視。但使用高強度鋼時,應注意採用匹配銲材,其銲接程序亦較嚴格,如較小板厚即需預熱,預熱溫度也通常較高,因此,高強度鋼使用於厚板較具效益。

若特殊狀況,需採用不同於國家標準規格之鋼材或採用新開發之鋼材,則需比照前述之鋼材規定,考量其物性與化性厚度方向特性、加工、銲接性能與銲接後之機械性能,經充分試驗驗證:其結構行為皆等同或優於現行之鋼材、而其構件及接頭之強度與變形能力,均符合耐震需求時方可使用。

圓形鋼管CNS STKN規格,主要針對耐震結構而訂定;至於矩形鋼管,CNS目前還沒有針對耐震結構使用訂定規格,而JIS目前也沒有相關規定可供參考。結構用矩形鋼管,依製作方式,可分成冷軋鋼管(BCR,box column rolled)及冷沖壓鋼管(BCP,box column pressed)兩種。BCR,由鋼卷經過冷軋後銲接製作而成;BCP,則由鋼板經過沖壓後銲接製作而成。日本之日鐵住金建材株式會社,研發適合耐震結構使用之BCR及BCP方形鋼管,BCR鋼管方面有BCR295及UBCR 365矩形鋼管,並經過日本國土交通大臣之認可。BCR 295及UBCR 365的材料規範,在機械性質方面,規定了降伏應力及抗拉強度之上、下限值,也有降伏比之規定;化學性質方面,對於磷、硫含量有較嚴格的規定,適合耐震結構使用。BCP鋼管方面,基本上係使用耐震用鋼板進行冷彎加工,BCP235之強度基本上等同於SN400鋼板,而BCP325之強度則等同於SN490鋼材。依鋼材材質之不同,使用於耐震結構的鋼板,有SN-B及SN-C兩個等級,因此BCP也會有B及C兩個等級。

ASTM A1085為一中空斷面的新材料標準,可用於抵抗地震力結構系統。此鋼材的特色為允許製造公差較小,有降伏應力上、下限及衝擊韌性下限的要求。其降伏應力和抗拉強度允許變異性,較ASTM A500 Grades B及C及ASTM A53 Grade B低。

文獻證明經輥輪矯直(rotary-straightened) 之RH型鋼,在腹板與翼板交界處的鄰近區域會的衝擊韌性降低,AISC依據一連串研究成果,對此提供一些設計和細部之建議。

四、抵抗地震力結構系統用鋼之建議

綜上探討,AISC 341規範,提出適用於抵抗地震力結構系統(SFRS)之結構用鋼材,須符合下列特性:

(1)在降伏應力有明顯之應力-應變平台;

(2)非彈性應變容量大(例如,標距50 mm之伸長率³ 20%);

(3)良好之銲接性。

無法滿足上述規定之鋼材不得使用。

使用於抵抗地震力結構系統(SFRS)之鋼材,建議除應符合「鋼結構設計規範」第三章,對一般結構用鋼材之規定外,並建議應符合下列國家標準之規定:

(a)熱軋鋼板及型鋼

CNS 13812:SN400B、SN400C、SN400YB、SN400YC、SN490B、SN490C、SN490YB、SN490YC。

(b) 中空斷面(HSS)

CNS 15727:STKN400B、STKN490B。

(c)用於銲接組合箱型柱之鋼板

CNS 13812:SN400C、SN400YC、SN490C、SN490YC。

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