第1420期- 談扭矩控制型螺栓遇擴孔時之鎖固二三事

設計上，高拉力螺栓使用接觸面的摩擦力抵抗外力，取代以螺栓剪應力抵抗的方式來避免疲勞的問題。高拉力螺栓依照鎖固的方式，又有迴轉螺帽法和扭矩控制法兩種。扭矩控制法的螺栓一般稱斷尾螺栓，當鎖緊扭矩達到時，尾部即會斷裂脫落，因而得名。但也由於是間接的以扭力來當作控制軸力的手段，因此兩者間一定要以軸力試驗做驗證[1]。驗證後方可一定程度上相信，當達到要求的扭力時，螺栓的軸力可以確保。

一般正常狀態下螺栓接頭是對稱的，因此螺栓鎖固的方向，對於螺栓的軸力並無什麼影響。但實務上工地偶而會遇到接頭有誤差，導致螺栓穿孔鎖不上，因此需要擴孔處理的。當然依照設計規範[2][3]，設計之容許應力值必須降低，且須注意墊圈應適當的加厚、加大。

但，如果僅單側有擴孔情形時，這時從哪一側鎖固會是較佳的選擇呢?考慮鎖固時，扭矩的分配(抵抗)大約可分為三個部分：1、鎖固時螺帽與鋼板面的摩擦力造成的扭矩。2、螺帽內螺牙間的摩擦力造成的扭矩。由於螺栓拉伸時，在螺帽與螺牙間產生正向力，由摩擦力造成的力矩。3、螺栓本體扭轉的抵抗。如果以擴孔的情形來說，似乎只有第一項的部分受到影響。

因此筆者嘗試分析第一項差異的大小，給大家作為參考。

依照CNS 12209扭斷型高拉力螺栓[4]，以F10T M20螺栓為例，依據CNS標準，斷尾時軸力為15,400~20,900kg，取中間值為(15,400+20,900)/2=18,150。扭力值以CNS或鋼結構施工規範中，扭矩常數k之合格標準k=0.11~0.15反算，由公式k=T/(d×N)×1,000，k一樣取中間值(0.11+0.15)/2=0.13，因此總扭力約為T=0.13×20×18,150/1,000=47.19 kg-m=4,719 kg-cm。

由軸力12,950kg作用在墊圈上，根據廠商型錄，墊圈內徑21mm外徑為32mm，假設墊圈上受力是均勻的，因此計算形心的半徑約為13.43mm。又螺帽與墊圈為一平滑的表面，採用無潤滑的摩擦係數0.15，所以螺帽的抵抗力矩為12,950×13.43×0.15=26,087.8kg-mm=2,608.8kg-cm。

由以上的計算可以討論幾件事：

一、墊圈中點位置為(21/2+32/2)/2=13.25與計算形心位置13.43差距不大。加上墊圈受力時應該內緣要比外沿較多些，所以計算時，實際計算應該可以直接取中點即可。

二、摩擦力造成的扭矩占全部扭轉力矩的2,608.8/4,719=55.3%。也就是螺帽與墊圈消耗鎖緊扭矩的二分之一以上。較實際其他二部分消耗的力量都大的多。而螺帽與墊圈間扭矩與力臂有關。因此擴孔側鎖固時，由於需加大墊圈，因此形心位置後退，力臂加大，產生更大的抵抗扭矩。因此單側擴孔時，扭矩控制型螺栓應該以未擴孔側做為螺栓鎖斷側較佳。

總之，扭矩控制型螺栓扭轉時螺帽與墊圈間消耗鎖緊扭矩最大，因此兩者間的摩擦係數對於螺栓的鎖緊影響巨大。一但兩者間生鏽了，鎖緊軸力即有可能不足；但若是兩者間仍然充滿了油脂，摩擦係數減小時，螺栓很容易因軸力過大而斷裂。因此使用扭矩控制型螺栓時務必注意摩擦係數的變化情形。

參考文獻

1.劉澤山(107年)。「鋼結構施工」。

2.內政部(96年)。「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範—鋼結構容許應力設計法規範及解說」。

3.內政部(96年)。「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範—鋼結構極限設計法規範及解說」。

4.CNS 12209「控制扭矩之高強度螺栓、六角螺帽及平墊圈組」(77年)。

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