簡介弧形鋼梁的製作

隨著經濟的發展，各式各樣漂亮的建築造型也越來越多，於是各種不同的彎曲造型的構件就被製造出來(照片1)。這些造型有的只是裝飾性的目的，也有許多本身即是結構的一部分，必須用來承擔各種應力。

弧形鋼梁製作，基本上有兩種方式，第一種是由鋼板組立的方式。這與一般組立BH型鋼的方式一樣，只是利用CNC將鋼鈑切割成弧形，然後再加以組裝起來(照片2)。如果是型鋼強軸方面彎曲，則將腹鈑切割成弧形；若是弱軸方向彎曲，則將翼鈑切割成弧形，再加以組合(照片3)。但是這種方式的缺點有二：1.鋼鈑切割的程序較多、施工費時，且鋼板切割後會造成大量的廢餘料，不僅增加成本也不環保。2.由於銲接長度及銲接順序無法對稱，所以銲後一定會造成變形。由於銲接收縮，外側收縮量一定比內側大，所以一般銲接後，都會使曲率半徑變大，因此必須要再經過一次加熱整形，才能確保弧度的正確性。

第二種弧形鋼梁製作方式，則是採用既有型鋼加以彎曲的方式，相對的簡單許多。但是這種方式，勢必一定要將構件彎曲達到塑性變形的階段，才有可能產生永久變形。由於弧形內側，會產生極大的壓縮應力，因此對於局部挫曲的危險性，必須要加以考慮。

試分析構件彎曲的變位量，略如圖1，基本上，圖1與結構學書本裏的彎矩變形圖是相同的。假設彎曲半徑為R，取一小角度θ，則在中性軸的弧長為Rθ，離開中性軸一小段距離y的弧長為(R+y)θ，所以距離y位置的伸長量，為(R+y)θ-Rθ=yθ；單位變形量ε=yθ/Rθ=y/R。又，假設構件深度為D，則y的極大值為D/2，因此ε_max=(D/2)/R=D/(2R)。以鋼鐵材料的基本性質來說，降伏點大約在0.2%(橫距法)，而應變硬化階段的伸長率，以一般鋼材而言約在1.5%左右。換算起來鋼鐵材料彎曲半徑到達應變硬化時的R，大約為33.33D，這數值並沒有想像中的小。以一支H300的型鋼來說，強軸方向只要小於10米的曲率半徑，基本上都是已經達到應變硬化的階段了。所以採用彎折方式製造弧型構件時，很多都是進入到應變硬化階段，才有辦法完成。

因此，製作弧梁時，設計者對於所採用的型鋼，若需彎折到接近應變硬化程度時，建議一定要檢討其是否符合結實斷面(compact)λ_p的規定(AISC 360-16 B4.1)。如果彎曲半徑要更低時，需進一步檢討其寬厚比，是否能達到高塑性λ_hd的程度(AISC 341-16 D1.1b)。由於降伏強度對於穩定性的影響不大，厚度的影響相對更為重要，因此在做小半徑弧梁時，應盡量採用鈑厚厚一點的型鋼。

根據研究顯示[2]，彎折的弧梁變形量在2%以下時(R≒25D)，對於承受疲勞或反覆應力等，都並未有明顯的影響。變形量到達3%前 (R≒16.7D)，對於材料性質的改變，也尚可不用考慮。但，由於鋼梁上的開孔或連接物件的銲道，會導致彎折時的穩定性下降，因此有開孔或連接物銲件時，以承受靜態載重為宜，且最大變形量不宜超過4%(R≒12.5D)；無開孔或銲件且承受靜態載重時，最大變形量建議不要超過5%(R≒10D)。若超過時，為安全計，以組合型鋼設計較佳。

將型鋼構件彎曲成我們所要的形狀的方法，大概有以下幾種:

1.直接以油壓機做彎折。彎折的方式視情形，將前後兩點固定，中間以油壓機在側面做推彎的動作。有採用一次性的彎曲、或逐次分隔一段距離作彎折的方式。

2.以矯正機彎折。這與BH型鋼製造過程時的矯正方法是一樣的，以矯正機矯正，就是將型鋼以反變形方向彎曲的方式，來將銲接後變形的型鋼彎回來，這與弧形梁製造的方法是一樣的。(照片4)

3.利用模具彎折。與鋼筋的彎曲試驗機有點類似，需有與被彎折構件形狀相符的，且不同彎曲半徑的模具，以夾具兩端夾持後，直接在模具上壓彎成型。這在大量製作的管件上，使用相當的廣泛。

4.加熱。加熱後利用上述任一種方法彎曲。也有特殊的加工設備，在與構件位置接觸處，設置電阻加熱設備。由於溫度升高，鋼鐵材料的E值等物理性質下降，因此可以容易彎出曲率半徑較小的形狀。

以上幾種方法施作時，尚須考慮油壓設備須有一定的握持長度，如果端部無直線段銜接的話，素材準備的長度就必須增加，以利油壓設備握持。該部分於彎折後切除(照片5)。

弧梁製作後，如果曲率比較單純的，可以利用弧長、弦長及弦高等，加以分別量測(照片6、7)。但如果複雜一些的，甚至3D立體的造型，則非藉助專門的儀器不可。另外局部形狀複雜的構件，或S形反折彎曲的弧梁，就要以分段製造，然後連結成整體的方式來製作。

鋼構造由於質量輕、強度大，對於需要特別的造型時，幾乎都是優先考慮的建材。但是能否順利地彎折，還牽涉到很多的工程師經驗判斷、機器設備的特性，以及束制的有無。像有很多設備，可以在翼鈑的內側加上輥輪，使彎曲時可以降低翼鈑挫曲的可能；或是在彎圓鋼管時，先在裡面充填沙等。利用這些方式，可以做到更小的圓弧半徑。因此在設計時，建議要與專業的廠商充分的溝通其可行性。

參考文獻

﹝1﹞劉澤山(民國107年)。「鋼結構施工」。

﹝2﹞AISC「Design Guide 33-Curved Member Design」(2018)。

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