鋼筋混凝土建築用竹節鋼筋,以平爐、純氧轉爐或電爐製煉之鋼胚熱軋加工製造,稱為熱軋鋼筋;ㄧ般中拉(SD 280)鋼筋,均以此方式製作,欲使鋼筋提高物理性質所需強度要求,可於鋼胚熱軋過程添加較多的碳(C),錳(Mn),鈮(Nh),釩(V)等微量元素析出強化,晶粒細化的元素來提高鋼筋的強度,成為高拉鋼筋;除加釩鋼筋外,尚有俗稱高碳(Gr60)、高錳、高矽等非水淬高拉力鋼筋,唯在耐震設計上加釩鋼筋比任何一種材質穩定許多。加釩鋼筋之抗拉/降伏比可達1.25以上,地震發生時可以吸收較多之能量。由於強度穩定,組織結構紮實可用於焊接及車牙續接,其鋼種規格註記SD420W。高拉力鋼筋製作亦可於鋼胚軋延製程結束前依線上熱處理原理進行控制冷卻,並利用鋼筋本身餘熱回火,造成鋼筋表面淬火後之回火組織,此種回火麻田散鐵相變態,使鋼筋表層非常硬淬,成為高拉力鋼筋,但其心部組織柔軟,這種外硬內軟兩種組織合在一起就成俗稱的「水淬鋼筋」。也就是線上熱處理鋼筋。鋼種規格註記SD420。(圖1) 水淬鋼筋斷面照片:利用硝酸酒精溶液進行蝕刻,金相組織之斷面有兩光環。

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圖1 水淬鋼筋斷面照片

進行水淬鋼筋機械性質試驗及調查得知:(1)鋼筋表層之回火麻田散鐵與內層之低碳鋼材料皆有良好之衝擊韌度(fracture toughness),而鋼筋亦具有良好之延展性,絕大部分可以符合SD 420鋼筋之要求。(2)鋼筋之降伏強度,抗拉強度,伸長率以及彎曲等性質可達CNS 560規範之最低要求;惟降伏強度偏高,抗拉與降伏強度比(拉降比)偏低。(3)鋼筋加熱至600℃以上再自然降溫(如火害,瓦斯壓接,對接焊接等)鋼筋表層材質改變,鋼筋強度會下降。(4)由於鋼筋主要強度在外層麻田散鐵組織(表層3-7mm厚),其內部為肥粒+波來鐵,組織柔軟,強度低,是故不適用於車牙續接。採用水淬鋼筋,其續接方式不可用續接器或焊接應採用搭接依規定來施作。(5)鋼筋製程控制複雜(如水溫,水量,水的流速,鋼筋壓軋速度等之控制),其產品的變異性高,品質不穩定,即水淬鋼筋常發生實際降伏強度過高及拉降比過低情形,產生無法滿足耐震設計對鋼筋力學性質之要求。

依據內政部混凝土結構設計規範有關耐震設計之特別規定,鋼筋實測降伏強度不得超出規定降伏強度fy達1,200kgf/cm2,實測極限抗拉強度與實測降伏強度之比值不得小於1.25。鋼筋試驗之實際降伏強度不得超出規定降伏強度太多之規定,其原因係避免彎距強度增加,致使剪力增加,可能產生剪力破壞。此外,鋼筋降伏強度增加,易可能導致握裹破壞。至於極限抗拉強度與降伏強度的比值,會影響塑性區之大小,其值越大,塑性區越長,極限塑鉸轉角越大。樑柱接頭之設計剪力採用塑鉸產生後引致之剪力,係因此剪力為最大者,可保證塑鉸產生時樑不致產生脆性剪力破壞。由於鋼筋實際的降伏強度大於規定降伏強度,且塑鉸一旦產生,鋼筋可能進入應變硬化階段,因此鋼筋極限抗拉強度不得少於實際降伏強度的1.25倍。

水淬鋼筋之製程由歐洲國家開發完成,主要產品為降伏42 kgf/mm2級之高強度鋼筋,由於所使用之原料較便宜,出廠時效上比較快,同時是被認可的鋼筋製造方法之ㄧ,買方若沒有指定,賣方ㄧ般均以水淬鋼筋供及;使用者若不要使用水淬鋼筋,需要在訂定合約時特別指定。由於水淬鋼筋充斥,其使用率佔鋼筋市場大半;水淬鋼筋之辨識,除取樣在試驗室中進行金相組織判定測試外尚可由鋼筋成品鑄記鋼印得知,一般耐震鋼筋大多以加釩鋼筋鑄記鋼印SD 420W,而水淬鋼筋鑄記鋼印SD 420,見圖2。又可以鋼筋出廠品質證明書承定規格及鋼筋進入工地後觀察,水淬鋼筋表面易鏽蝕之特性來作簡易判別。

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圖2 水淬鋼筋鑄記鋼印SD 420

台灣位處地震帶,大部分結構物採用韌性設計之理念進行耐震設計。所謂韌性設計是指建築物受力後的延展,探討的是建築物受力後達降伏應力(塑性狀態)到極限應力(即結構破壞應力)前的能力,也就是韌性越佳的建築物,預警的效果越好;建築物的樑柱接續處是應力最大的地方,接頭處破壞即整棟建築物有立即倒塌的危險,要確保建築物受力後,樑柱接續處不得先行破壞,因此,耐震設計著重於梁柱抗彎距韌性構架,(一般結構設計小梁及懸臂梁作用是將樓版載重傳遞至大梁或柱結構,它們只抵抗垂直力,對於地震力並無作用,不屬梁柱抗彎距韌性構架,它的破壞僅局部無法使用影響小梁兩側兩塊樓版,並不影響結構耐震能力),構件的破壞控制為撓曲破壞而非剪力破壞。是故樑柱抗彎距韌性構架如採用水淬高拉力鋼筋,熱處理的製程控制,應嚴加把關,產品之抽樣頻率提高,同時依據內政部混凝土結構設計規範耐震設計之特別規定:實測降伏強度不得超出規定降伏強度fy達1,200 kgf/cm2以上,即降伏應力不得超過5,400 kgf/cm2 (=4,200 kgf/cm2+1,200 kgf/cm2),且實測極限抗拉強度與實測降伏強度之比值不得小於1.25。此外在進行結構韌性耐震設計時,為滿足剪力容量設計之理念,鋼筋之實測降伏強度及其變異性不可過高。

綜合以上所述,水淬鋼筋釋疑如下:(1)水淬鋼筋主要產品為降伏42kgf/mm2之高強度竹節鋼筋D19(#6)、D22(#7)、D25(#8),D32(#10)等粗料鋼筋。竹節細料鋼筋D10(#3)、D13(#4)、D16(#5),除特別設計鋼筋細料鋼筋用於焊接結構物採用SD280W加釩鋼筋;梁柱箍筋加強圍束力,採用SD420外,一般採用中拉力SD280是為熱軋鋼筋。(2)水淬鋼筋機械性質均能符合SD420鋼筋之要求;惟因鋼筋製程控制複雜,產品變異性高,在韌性設計理念之耐震結構中應謹慎使用,並提高抽樣頻率。(3)水淬鋼筋之辨識除於試驗室進行金相組織測試外尚可,由出廠證明書、鋼筋鑄記及易鏽蝕特性作簡易判別。(4)水淬鋼筋續接方式應採用搭接,不可用於車牙續接或焊接。(5)耐震設計著重於梁柱抗彎距韌性構架(一般結構設計小梁及懸臂梁,只抵抗垂直力,對於地震力無作用,不屬梁柱抗彎距韌性構架),水淬鋼筋應用於此韌性構架必須符合內政部混凝土結構設計規範第十五章耐震設計之特別規定15.3.5耐震構材之鋼筋規定。(6)公共工程鋼筋混凝土結構,除合約另有規定外,禁止使用水淬鋼筋,但若符合CNS 560 A2006相關規定且經監造人同意者除外。

 

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