鋼結構參考圖-『板件T形接合銲道尺寸』修訂建議

一、前言

各技師公會所製作，供技師會員參考使用之鋼結構參考圖：「板件T形接合銲道尺寸表」，從早期筆者參與製作的適用於ASTM A36(CNS SM400系列)強度等級鋼材開始，接下來房屋結構越蓋越高，便開始使用ASTM A572 Gr.50 (CNS SM490或SN 490系列)鋼材後，筆者在參與「房屋特殊結構委託結構相關專業團體審査」的機會中，發現設計技師所提送的結構參考圖中，仍沿用ASTM A36 (CNS SM400系列)等級鋼材的舊表。為了避免發生『高強度鋼材所用之接合銲道尺寸仍使用中強度鋼材之接合銲道尺寸』，而發生工程災害，於是筆者乃於舊表中，首創增列適用於ASTM A572 Gr.50 (CNS SM490或SN 490系列)之板件T形接合銲道尺寸。

近年由於結構規模不論是高度或跨度均越來越大，再加上鋼材生産技術的進歩，於是CNS SM570系列等級之鋼材應運而生。筆者在協助某位技師校核跨度140m之飛機維修廠房之鋼結構結構設計圖時，發現設計技師為了減輕大跨度屋頂桁架的重量，而採用SM570系列等級之鋼材時，乃將鋼結構參考圖中之ASTM A572 Gr.50(CNS SM490或SN 490系列)「板件T形接合銲道尺寸表」，再及時更正而避了可能發生的工程災害。

鍳於自從CNS SM570系列等級之鋼材開始使用後，板件T形接合所需銲道尺寸亦越來越大，為了提供配合CNS SM570系列強度等級之鋼材，開始使用所需之板件T形接合銲道尺寸表，以及為了合理減小潛弧銲(SAW)滲透能力較強的銲道尺寸，及減小入熱量較大所産生之變形量，提升銲接技術人員趕工效率，減少不必要的資源浪費等考量，筆者接受台中市土木技師公會邀請，參與製訂新版鋼結構參考圖，納入合理經濟的各種鋼材強度等級之「板件T形接合銲道尺寸表」。茲擬藉本文一角提出探討，供工程先進設計及施工參考，不當之處，亦請不吝指正。

圖1 在大尺寸銲道内塞入銲條或鋼筋案例

二、板件T形接合之經濟型式及適用之尺寸

銲道之銲接方法、型式及尺寸，會影響製作成本，包含開槽加工、銲接施工、銲接檢驗及銲接後之矯正等工作。圖2為板件T型接合，在發揮腹板之全板剪力強度條件下，採用三種銲道型式之銲接成本曲線，其成本計算包含開槽加工及銲接施工(銲接量與銲道尺寸之平方成正比)，但不包含背剷、銲接檢驗及銲接後矯正之費用等。

依據該等曲線顯示，銲道型式(a)及(c)之最低成本變換點之板厚度約為20mm，即腹板厚度不超過20mm時，以採用圖2(a)之填角銲道較為經濟，而當腹板厚度超過20mm時，則以採用圖2(c)之部分滲透開槽銲道，外加填角補強銲道較為經濟。由上述比較可知：圖2(b)的銲道型式，在各種腹板厚度下均非為最經濟之銲道型式。相較於圖2(b)，採用全滲透銲開槽銲道，尚會再增加背剷及銲接檢驗之成本，故全滲透開槽銲道成本，將遠高於圖2(a)及2(c)之銲道型式。雖然該成本比較圖表之發行年份距今較久，且各鋼構廠之製作成本稍有不同，但仍不失為設計者良好之參考資料。根據現有銲接設備與製程，評估之最低成本轉換厚度，約介於25mm〜28mm之間。

以上最低成本轉換厚度原側，將應用於本「板件T形接合銲道尺寸表」之製作。

圖2 T型接合不同銲道型式之成本比較

三、部份滲透開槽銲是否可與補強填角銲道組合使用

部份滲透開槽銲是否可與補強填角銲道組合使用呢？某鋼結構參考圖中之「板件T形接合銲道尺寸表」，認為『不可組合使用，若要使用須經設計監造人同意，另行採用程序驗證紀錄(PQR)之銲接型式』。該參考圖亦依據現行「鋼結構施工規範」表4.2-6及表 4.2-8之備註J：「若塡角銲道應用於靜態載重結構件中，以加強角隅及T型接頭之開槽銲道，這些等於1/4T₁，但不可大於10 mm。在反復載重結構件中之角隅及T型接頭之開槽銲道，必須以本1/4T₁(但不大於10 mm)之塡角銲加強」之規定，認為『加強之塡角銲銲脚尺寸，在T₁板厚方向之填角銲，脚長為1/4T₁且小於10mm時，才可計入有效喉厚，垂直T₁板厚方向之填角銲脚長，則無限制可大於10mm』。

該參考圖會産生上述認知的原因，筆者認為係誤解現行「鋼結構施工規範」表4.2-6及表 4.2-8之備註J之意義。筆者認為其真正意涵，應該係針對「承受高週次疲勞載重結構之角隅及T形接合開槽銲道，其表面與待接合之板面成90度交角，為避免因90度交角容易引致應力集中而産生疲勞效應，因而規定須以1/4T₁，但不可大於10 mm之二邊脚長均為10mm以下之等脚塡角銲道填補90度角隅處，使原為90度之交角改變成為2個45度之轉折，以降低應力集中之可能性，避免産生疲勞效應。且該二邊脚長均為10mm之塡角銲道，不計入有效喉厚。若要計入有效喉厚，該二邊脚長均為10mm之塡角銲道可任意加大，但其表面交角，針對承受高週次疲勞載重結構之角隅及T形接合開槽銲道，仍以45度為原則，建議不大於60度。

該參考圖『在T₁板厚方向之填角銲脚長為1/4T₁且小於10mm時，才可計入有效喉厚，垂直T₁板厚方向之填角銲脚長，則無限制可大於10mm』的認知，沒有完全達到改善90度交角的缺點。另依據「鋼結構施工規範(民國111年草案)」第4.1.5節(塡角銲)12.：「部分滲透槽銲道與補強填角銲道組合時，依使用之接合細部及銲接姿勢(詳見鋼結構施工規範圖4.2-2 預檢定之部分滲透槽銲道接合詳細圖)，其有效喉深，應為接合根部至銲道表面之最短距離減去根部未熔透尺寸，如圖3所示。無需經程序驗證紀錄(PQR)，部分滲透槽銲道與補強填角銲道即可組合使用。

圖3 部份滲透開槽銲道與填角銲道組合時之有效喉厚計算原則

四、板件T形接合銲道設計法探討

本板件T形接合銲道尺寸計算，以腹板發揮全拉力強度，以極限設計法(LRFD)探討(以腹板發揮全剪力強度之計算探討，因受限篇幅予以省略)。最小銲道尺寸，須符合第4.1.5.4節(填角銲最小銲道尺寸)及第4.1.7節(部分滲透槽銲道之最小尺寸)之限制。以下計算以單位長度為之，並假設翼板與腹板採相同材質。計算銲道有效喉厚之全斷面以降伏強度(Fy)控制；計算銲道與毋材界面之母材局部強度以淨斷面斷裂強度(Fu)控制。

取腹板全斷面設計拉力強度為銲道設計力：

4.1採填角銲道

銲道尺寸如圖4所示，填角銲道腳長尺寸為S1。

圖4 雙邊填角銲道接合示意圖

若採用之銲接方法，依實際製作方法與銲接程序參數施銲完成，並經試驗證實：可得一致的銲縫根部融透深度，則融透部分之銲道，可計入有效銲喉厚。依據現行「鋼結構設計規範」，若使用潛弧銲接（SAW見圖5），銲道尺寸等於或小於10mm時，以銲道尺寸為其有效銲喉；大於10mm時，有效喉厚可以取理論喉厚加3mm。

圖5 潛弧銲之銲接設備及銲接情況

4.2採部分滲透開槽銲外加填角補強銲道型式一

銲道形狀及尺寸詳圖6。使用GMAW或FCAW選用開槽角度 45°(銲接姿勢採平銲或水平銲)，使用SAW選用開槽角度 60°(銲接姿勢採平銲)，有效喉厚均不須減3mm，詳AWS D1.1 預檢定接頭編號BTC-P5-GF及TC-P5-S。

圖6 部分滲透開槽銲外加填角補強銲道型式一

4.3採部分滲透開槽銲外加填角補強銲道型式二

當採圖6的形式，依據強度需求，開槽無法滿足最小根面之要求時，可以改採圖7的形式來設計銲道，圖7是直接開槽至規範規定之最小根面，GMAW及FCAW時，最小根面為3mm；SAW時最小根面為6mm。

圖7 填角補強尺寸與開槽深度不相等(D11 S1)

五、銲道最小根面

T形雙邊部分滲透開槽銲接合情況T，為免後銲側之入熱，影響先銲側之銲接品質，在AWS D1.1預檢定接頭，編號BTC-P5-GF及TC-P5-S之預檢定T形接合中規定，採用GMAW及FCAW銲接時，最小根面為3mm；採用SAW銲接時，最小根面為6mm。在AISC 358-16(Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications)中指出：AISC
358-16要求BH型鋼梁腹板與翼板間之組合銲道，於柱面至塑性鉸區外一倍梁深間之範圍，應採用全滲透銲道，以確保梁塑性鉸區於翼板發生局部挫屈時，翼板與腹板間能維持其連續性。

但是全滲透銲道施作通常需要背剷，這將增加塑性鉸區梁翼板額外之入熱量及銲接變形，不利於塑性鉸區塑性轉角容量之發展。上述範圍之組合銲道，如採用具最小根面之部份滲透開槽、外加填角補強銲道，而銲道尺寸以發揮腹板全拉力強度進行設計，除可確保梁塑性鉸區於翼板發生局部挫屈時，翼板與腹板間能維持其連續性，又可避免塑性鉸區因額外之入熱量及銲接變形，影響其塑性轉角容量之發展。因此建議：剛接大梁於離柱面二倍梁深或塑鉸區範圍，由腹板全剪力接合(S2)，改為具最小根面之腹板全強力(S1)接合。

六、結語

綜上所述，本文建議：剛接大梁於離柱面二倍梁深或塑鉸區範圍，由腹板全剪力接合(S2)，改為最小根面之腹板全強力(S1)接合。

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