前言
「橋梁結構用鋼材」之材料規格原則上應符合國家標準(CNS),惟隨著冶金技術的進步,結構用鋼材均往高性能發展,除強度之提升以減小桿件斷面尺寸及重量外,對於影響鋼橋韌性的沙丕衝擊值(Charpy V-notch簡稱CVN)與影響板厚方向韌性之硫含量之要求,亦漸趨嚴格。我國鋼材之國家標準CNS主要係引用自日本JIS規定,而國內橋梁結構用鋼則多採用美國ASTM鋼材規格,為配合國際合作之工程案件,「橋梁結構用鋼材」之材料規格以ASTM之規格標示亦為實務上所需。因此,本文依據CNS國家標準並參考美國ASTM、日本道路協會「道路橋示方書同解說—共通篇」及「道路橋示方書.同解說—鋼橋篇」等規範,並考量國內鋼結構橋梁設計及施工特性加以介紹,同時為提昇國內鋼結構橋梁設計施工技術,亦將新開發適合鋼結構橋梁之鋼材一併提供設計者參考。
鋼橋之鋼材選用原則
一、鋼材選用考量因素
鋼結構橋梁桿件受力情況,可分為3類:
1. 不承受拉應力之次要桿件
次要桿件為非直接承受設計載重之桿件,如支撐主梁之斜撐、標誌架等。
2. 承受拉應力之非斷裂控制構件(non-Fracture-Critical Member, FCM)
非斷裂控制桿件則為橋梁系統中之受拉桿件破壞後,橋梁結構系統具力量重分配之能力,不會導致橋梁結構倒塌之桿件。
3. 承受拉應力之斷裂控制構件(Fracture-Critical Member, FCM)
斷裂控制構件係指橋梁系統中承受拉桿件破壞後,會導致橋梁結構倒塌之桿件,如軸向受拉桿件、承受撓曲拉應力之主梁等。
鋼結構橋梁上部結構之設計往往為疲勞載重所控制,由於裂縫對受拉構件甚為敏感,為避免鋼橋發生疲勞斷裂問題,對於受拉構件應採用具有沙丕衝擊試驗要求之鋼材。國內橋梁設計以採用鋼板銲接組立而成之型鋼為主,對於鋼板材料之選用應審慎為之。其中,SS 系列鋼材因其材質規範未規定碳含量之限制,並不適用需銲接之構材使用。雖然 SN 系列鋼材目前歸類在「建築結構用軋鋼料」,然因有規定衝擊韌性值,且硫、磷等含量低,鋼材之機械性能佳,故可於鋼結構橋梁。此外,厚板於軋製過程中易有夾層缺陷,對於 25mm 以上之鋼板,應以超音波或其它方法檢測是否有夾層。若鋼材未規定須進行超音波檢驗者,須於設計及施工規範增加此項需求。採用大於 50mm 之鋼板時,除須規定衝擊韌性值外,另應考量板厚方向之韌性需求。須考量板厚方向之韌性需求者可比照 SN-C 系列鋼材之規定選用硫含量低於 0.008,磷含量低於 0.02 ,且有厚度方向斷面縮減率規定之鋼材,或選用ASTM HPS50W、HPS70W、HPS 100W 等高性能鋼材,以避免板厚方向受力可能導致之層狀撕裂脆性破壞;亦或採用 SM570、SMA570、SMA570P 等強度較高鋼材,在強度與機械性能提高之情況下,亦達到減低板厚之目的。此外,鋼橋設計可能由勁度需求所控制,不作為傳遞力量的加勁材亦佔有相當數量與比例,因此,鋼材之選用主要取決於橋梁個別構件設計需求、構材之屬性及控制之載重特性等條件,並非單靠提高鋼材強度皆可獲得改善或提昇功能。
二、鋼材選用基本原則
(1) 依據機械性質包括降伏強度上下限、拉力強度上限、降伏比、延展性、沙丕衝擊值、厚度方向斷面縮率、碳當量、磷含量及硫含量等,選用品質變異性小,符合橋梁構件設計與功能需求之鋼材。對於承受反復載重且為受拉之桿件,須考量工址環境溫度,選用符合衝擊韌性需求之鋼材。
(2) 依據鋼橋構件之製作加工需求選擇適當之鋼材,例如須冷彎加工之主要桿件,可降低內徑與厚度比之限制。
(3) 為提升銲接品質及效率,可選用碳當量較低並採TMCP製程之高強度鋼材。國內鋼橋多採用銲接組立而成,對於鋼板材料選用應考量其銲接性。SS系列之鋼材,由於其材質並無含碳量之限制,故不適用於須進行銲接之桿件。
(4) 橋梁用鋼不可使用高入熱量銲接之接合方式。
(5) 依據橋梁重要性、工址所屬腐蝕環境,考量包括日後維護管理之生命週期成本,慎選鋼材。如位於嚴重腐蝕環境之鋼橋,可選用耐候性鋼材增加耐久性,並降低後續之維護成本。惟亦須考量選用耐候性鋼材之銹蝕顏色對橋梁外觀之影響。
(6) 由於鋼橋設計往往為疲勞載重所控制,對於承受拉應力之斷面應選用具有衝擊試驗需求之鋼材,若選用未規定衝擊韌性值之鋼材,應於設計及施工規範註明此項需求。
(7) 依據市場鋼材供應情形,選用常用尺寸及常用鋼材種類,避免將來購料不易,造成工期延宕或增加成本之情形。
結論
橋梁結構桿件鋼材之選用依結構物重要性、使用年限、鋼材耐震性能參數、結構系統、施工工法及銲接程序等因素,以及前述選用原則來決定構件之鋼材規格。鋼材之使用,可參考表1及表2選用適當的鋼材。由於結構物對材料之需求因結構物之不同而異,設計者應依橋梁結構之特性,選用適合的鋼材。
表 1 橋梁構件適用鋼材一覽表-CNS系列鋼材[1]
桿件型態 | CNS 2473 | CNS 2947 | CNS 13812 | CNS 2947 | CNS 2947 | CNS 13812 | CNS 13812 |
桿件類別 | SS系列 | SM-A系列 | SN-A系列 | SM-B系列 | SM-C系列 | SN-B系列 | SN-C系列 |
不需銲接且不承受 | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ |
拉應力之桿件 | |||||||
需銲接但不承受 | X | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ |
拉應力之桿件 | |||||||
承受拉應力之非FCM | X | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ |
承受拉應力之FCM | X | X | X | ○ | ○ | ○ | ○ |
板厚> 50 mm | X | X | X | X | X | X | ○ |
表 2 橋梁構件適用鋼材一覽表-ASTM系列鋼材[1]
桿件型態 | ASTM | ASTM A709 | ASTM | ASTM | ASTM |
A709 | Gr.50, 50S, 50W | HP.50W | HP.70W | HP.100W | |
桿件類別 | Gr.36 | ||||
不承受拉應力之桿件 | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ |
承受拉應力之非FCM | X(36) | X(50,50S) | X(50W) | X(70W) | X(100W) |
○(36T、36F) | ○(50T,50ST,50F,50SF) | ○(50WT、50WF) | ○(70WT、70WF) | ○(100WT、100WF) | |
承受拉應力之FCM | X(36,36T) | X(50,50T) | X(50W,50WT) | X(70W,70WT) | X(100W,100WT) |
○(36F) | ○(50F) | ○(50WF) | ○(70WF) | ○(100WF) | |
板厚> 50 mm(3) | X | X | X(50W,50WT) | X(70W,70WT) | X(100W,100WT) |
○(50WF) | ○(70WF) | ○(100WF)(2) |
註:(1)「○」表示經設計者同意後使用者;「X」表示不適合使用者。
(2)板厚65mm~100mm不適用。
(3)選用厚板之桿件當板厚方向受力時,應考慮鋼材硫含量、板厚方向斷面縮減率等,以確保板厚方向之韌性。
【名詞釋意】
ASTM:American Society for Testing Material (美國試驗材料學會)。
Gr:鋼材抗拉強度等級。
HP、HPS 50W:ASTM High Performance Steel (高性能鋼材),降伏強度為50ksi等級耐候鋼。
SS系列:國家標準(CNS)2473 G3039-92/JIS G3101-95 (一般結構用鋼)。
SM-A、SM-B、SM-C系列、SM570:國家標準(CNS)2947 G3057-92/JIS G3106-95 (銲接結構用鋼) 抗拉強度為570 N/mm2。其中,A級鋼:未規定衝擊值;B級鋼:規定0℃衝擊值為2.8kgf‧m以上;C級鋼 :規定0℃衝擊值為4.8kgf‧m以上 (韌性最佳級)。
SMA570:國家標準(CNS)24269 G3099-92/JIS G3114-88 (耐候性銲接結構用鋼) 抗拉強度為570 N/mm2。
SMA570P:國家標準(CNS)24269 G3099-92/JIS G3114-88 (耐候性銲接結構用鋼) 抗拉強度為570 N/mm2,“P”表示鋼板通常經塗裝防銹後使用。
SN、SN-A、SM-B、SN-C系列:國家標準(CNS)13812 G3262-97/JIS G3136-94(房屋結構用鋼)。其中,A級鋼:未規定衝擊值;B級鋼:規定0℃衝擊值為2.8kgf‧m以上,且硫含量0.015以下,磷含量0.03以下;C級鋼 :規定0℃衝擊值為2.8kgf‧m以上,且硫含量0.008以下,磷含量0.02以下(韌性最佳級)。
TMCP:熱機處理 (TMCP,Thermo Mechanical Control Process) 鋼材,是一種以控制軋延以及加速冷卻技術所生產之鋼材,一般鋼板厚度超過40mm時,不增加碳當量(Ceq)就會影響其降伏強度,但運用TMCP之軋延-冷卻技術製程,則不增加碳當量就能使鋼材(尤其是厚板)具有足夠的強度與韌性,並且同時保有良好的銲接性。
參考資料
【1】中華民國鋼結構協會(2011)。結構用鋼材之規格與性能手冊。
【2】陳正平(2011)。房屋結構用鋼材介紹。結構工程,26(1)。
【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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