前言
鋼結構之電銲以填角銲(fillet weld)最常用,參見圖1。根據學術界的研究,T型接頭填角銲之腹板如承受與銲道垂直之載重時,其破壞面為67.5o,有效喉深為0.766×腳長,如圖2(a)所示。而腹板承受與銲道平行之載重時,破壞面則為45o,有效喉深為0.707×腳長,如圖2(b)所示。為了設計之一致性與方便,幾乎有關之規範都規定填角銲之破壞面為45o。當電銲條強度與鋼料強度相匹配時,簡易之設計方法可令兩側銲道之有效喉深等於腹板之厚度,即t=2×0.707×s,式中t為腹板之厚度,s為填角銲之腳長。在腹板厚度t大於19mm(3/4")時,常常將腹板開槽,以半滲透銲加強銲道之強度。其實為了銲道之設計更合理,結構設計人必須確實依照規範詳加計算。謹參考近期公布之最新版美國鋼構造協會規範AISC-2016、與美國銲接協會鋼結構規範AWS D1.1-2015,介紹如下。
圖1 T型接頭填角銲
圖2 電銲道之破壞面
銲條與鋼料之匹配
有關銲道之設計,銲條是否與鋼料相匹配十分重要。銲條之適用性除了與鋼料之強度、材質有關外,與鋼料之厚度也有些關連。有關電銲程序預檢定之銲材與鋼料之相稱性,AWS D1.1-2015第3條規定如表1所示:
表1 AWS D1.1-2015鋼料與相稱銲材規格
類別 |
鋼料規格 |
銲條(線)規格 |
I |
ASTM A36 (≦20mm) ASTM A709 Gr.36 (≦20mm) |
SMAW E60XX,E70XX SAW F6XX-EXXX,F7XX-EXXX |
II |
ASTM A36 (>20mm) ASTM A572 Gr.42,50,55 ASTM A709 Gr.36(>20mm) Gr.50,50W,50S Gr.HPS50W |
SMAW E7015,E7016,E7018,E7028 SAW F7XX-EXXX,F7XX-ECXXX F7XX-EXXX-XX,F7XX-ECXXX-XX |
III |
ASTM A572 Gr.60,65 |
SMAW E8015-X,E8016-X,E8018-X SAW F8XX-EXXX-XX,F8XX-ECXXX-XX |
IV |
ASTM A709 Gr.HPS70W |
SMAW E9015-X,E9016-X,E9018-X,E9018M SAW F9XX-EXXX-XX,F9XX-ECXXX-XX |
填角銲之有效強度
有關填角銲之有效強度,如採用極限強度設計法(LRFD)時,AISC-2016規範之規定如表2所示。計算填角銲之剪力強度時,必須比較銲道與構件之剪力強度,選用其較小值。銲道與構件之剪力面如圖3所示,應分別以剖面1-1與剖面3-3,計算材料A與B之剪力強度,並以剖面2-2計算銲道之剪力強度。
表2 AISC(LRFD)-2016規定之填角銲有效強度
圖3 縱向受剪力時填角銲之剪力面
填角銲腳長之設計
參照前述公式可計算各種鋼料填角銲之腳長(Welding Size),另AISC-2016-J2.2b節規定最小填角銲之腳長如如表4所示。
表4 AISC-2016規定填角銲之最小腳長
連接構材之較薄厚度(mm) |
填角銲最小腳長(mm) |
6以下(含6) |
3 |
超過6到13 |
5 |
超過13到19 |
6 |
超過19 |
8 |
彙整前述之計算結果與規範規定之最小腳長,可得填角銲腳長如表5所示。其中S1為腹板承受與銲道軸向垂直之載重時所需要之腳長,而S2則為構件承受與銲道軸向平行之載重時所需要之腳長,其示意如圖4所示。
圖4 填角銲之腳長
表5 依據AISC-2016規定設計之填角銲腳長(LRFD)
鋼料腹板厚度t(mm) |
A36鋼料 (或SN400Y) 配E70銲條 |
A572Gr50 (或SN490Y) 配E70銲條 |
A572Gr60 (或SM570) 配E80銲條 |
|||
S1(mm) |
S2(mm) |
S1(mm) |
S2(mm) |
S1(mm) |
S2(mm) |
|
6 |
5 |
3 |
6 |
4 |
8 |
5 |
9 |
7 |
5 |
9 |
6 |
11 |
7 |
10 |
8 |
5 |
10 |
7 |
12 |
8 |
12 |
9 |
6 |
12 |
8 |
15 |
9 |
14 |
11 |
7 |
14 |
9 |
17 |
10 |
16 |
12 |
7 |
16 |
10 |
19 |
11 |
18 |
13 |
8 |
18 |
11 |
21 |
12 |
19 |
14 |
9 |
19 |
12 |
22 |
14 |
20 |
15 |
9 |
20 |
13 |
24 |
14 |
22 |
16 |
10 |
22 |
14 |
26 |
16 |
25 |
18 |
11 |
25 |
15 |
29 |
18 |
28 |
21 |
13 |
28 |
17 |
33 |
20 |
30 |
22 |
13 |
30 |
18 |
35 |
21 |
電銲方法分為人工電銲(SMAW)與自動電銲(或稱潛弧銲SAW)。由於後者之入熱量較高,可以完成較佳之銲漿滲透,品質也比較穩定,故其電銲之強度亦較高。根據試驗結果,潛弧銲之強度比手銲高出約16%,於設計時可作為電銲強度之計算。所以國內規範10.2.2節參考舊版之AISC規範,規定於採用潛弧銲之填角銲銲道,若腳長等於或小於10mm時,得以腳長為其有效喉深;如果腳長大於10mm時,得以理論喉深外加3mm為其有效喉深。惟,考慮填角銲施工時,其實際銲喉無法以非破壞方式檢查驗證,故新版之AISC-2016規範已將該條文刪除,修正為必須經過確實驗證才能提高潛弧銲之有效銲喉。換言之,在未經實際驗證前之填角銲腳長,其設計值無論採用人工電銲或自動電銲並無差別。
參考文獻
1. Specification for
Structural Steel Buildings, AISC, July 7,2016。
2. Structural Welding
Code – Steel, AWS D1.1, July 28, 2015。
3. 鋼結構工程實務,第四版,陳純森,科技圖書公司。2012年3月。
【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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