一、前言

內政部營建署於民國96年6月11日台內營字第0960803495號令修正發布之「鋼構造建築物鋼結構設計規範」第十三章(耐震設計)第13.2.1節(使用材料) 中,可使用於耐震構材之鋼材規格符號,均為以中華民國國家標準CNS之規格符號標示,排除採用國際通行之美國ASTM規格鋼材,加上國內、外鋼材因缺料而漲價,造成鋼材供給市埸寡佔之現象。「中華民國建築開發商業公會全國聯合會」於民國96年11月9日行文營建署,建請修法放寬鋼材規格限制,俾使市場採購機制公平,舒緩購料困難之壓力。因前述鋼結構設計規範係由「中華民國鋼結構協會」協助內政部建築研究所編修,鑒於鋼材規格牽涉建築物之結構安全,因此內政部建築研究所函請「中華民國鋼結構協會」協助研議,將美規ASTM之鋼材規格增列入規範之可行性。

惟因「鋼構造建築物鋼結構設計規範」係屬政府公佈施行之規範,故其採用之鋼材規格應符合我國之國家標準,目前「鋼構造建築物鋼結構設計規範」第十三章(耐震設計)所採用之材料規格(例如CNS 13812(SN系列)、CNS 2947(SM系列)等,皆為我國之國家標準,適用於我國之鋼結構設計規範。由於各國之鋼材規格品質不一,若開放各國鋼材規格納入規範中,其品質參差不齊,恐影響國內鋼結構之安全品質,故宜慎重處理。

「鋼結構協會」目前正在研修該學會所出版之「結構用鋼材選用手冊」,而內政部營建署於97年3月20日所召開之【研商「鋼構造建築物鋼結構設計規範」之鋼材採用ASTM規格事宜】,會議中決議請「中華民國鋼結構協會」研擬「ASTM 結構用鋼使用時機參考表」,公布於該協會網站供設計者參考。目前該參考表已研擬完成,因筆者參與研議,特撰文說明供技師同仁參考。

二、鋼材之耐震性能

2.1 房屋結構「耐震設計」用鋼材種類
「鋼構造建築物鋼結構設計規範」第十三章(耐震設計)規定國家標準建築結構「耐震設計」用鋼材種類如下:
1.用以抵抗地震力之鋼構件應符合下列材料規格
CNS 13812 (SN400B、SN400C、SN490B、SN490C),CNS 2947 (SM400B、SM400C、SM490B、SM490C、SM490YA、SM490YB、SM520B、SM520C),CNS 4435,CNS 4269 (SMA400AW、SMA400BW、SMA400CW、SMA400AP、SMA400CP、SMA490AW、SMA490CW、SMA490AP、SMA490BP、SMA490CP)。
2.銲接組合箱型柱應使用符合CNS 13812( SN400B、SN400C、SN490B或SN490C)規格之鋼材。
3.銲接組合箱型柱斷面之板厚大於或等於40mm時應使用符合CNS 13812 (SN400C或SN490C)規格之鋼材。
4.使用遮護金屬電弧銲接、潛弧銲接、氣體遮護金屬電弧銲接、包藥銲線電弧銲接等銲接方法之全滲透銲接,其相稱銲材於-29℃時,至少具有27焦耳之衝擊韌性值。
2.2 鋼材規格說明

CNS 2947「熔接結構用軋鋼料」之規定,主要沿用JIS G3106「熔接構造用壓延鋼材」,其鋼材編號前兩個字母為SM,一般以SM系列稱之。CNS 13812「建築構造用軋鋼材」之規定,則主要沿用JIS G3136「建築構造用壓延鋼材」,其鋼材編號前兩個字母為SN,日本規範係鑒於既有建築銲接用SM鋼板的機械與銲接性能,無法充分滿足耐震與施工性的需求,例如以含碳量標準0.18%之鋼板及0.1%之銲條的銲接組合進行評估,當入熱量在80 KJ/cm就有銲接熱裂的可能,因此於1994年推出建築用SN鋼材。SN鋼材推廣初期因為價格與鋼廠的生產能力等因素而較少使用,但在1995年阪神地震發生後,SM鋼板的規格被公認無法適用於所有的建築耐震構材,日本通產省工技所,已於同年11月公告取消SM材適用範圍中的「建築」項目,目前日本鋼構規範則規定耐震構材應使用SN鋼材,其中SN400B及SN490B除基本性質分別與SM400及SM490相近外,還具有狹降伏強度及低降伏比之特性,更適合使用於耐震構材,其中造成層裂原因之一的硫、磷雜質含量標準也較為嚴格,故較適用於使用潛弧銲等高入熱量銲接之組合型鋼;而SN400C及SN490C則對鋼板厚度方向之性質與超音波檢驗有額外之要求,規格中並再降低硫、磷之成分含量,特別適用於鋼板較厚之巨型構材,或需使用高入熱與高束制性銲接之構材。

另外JIS G3101「一般構造用壓延鋼材」亦規定有SS系列鋼材,SS系列鋼材對化學成分之限制不夠明確,無法評估其可銲性,因此應歸類於不可銲鋼材。大部分用以抵抗地震力之鋼構材會使用到銲接,考慮到製作與施工管理之成本並減少錯誤之發生,故排除SS系列鋼材使用於耐震構材;但不使用銲接之非耐震構材(如小梁),可考慮選用SS系列鋼材。

依ASTM之規格,傳統使用於耐震結構之鋼材為A36及A572(Grade 50),因A36鋼板之實際強度與標稱強度的比值較高而導致韌性設計結果變異性較高,故不建議使用於耐震結構。自1994北嶺地震發生後,因既有鋼材的變異性過高,在美國鋼結構協會(AISC)推動下所開發的ASTM A992規格型鋼(不含鋼板規格),因具有降伏強度範圍限制及降伏比要求(0.85),而被建議取代A36及A572(Grade 50)型鋼,由於美國地區以使用熱軋型鋼為主,鋼材的銲接性以滿足低入熱銲接為主,因此鋼板材質的基本規格相對於CNS規格仍然較低,但規範同時要求以較為嚴謹的細部設計與施工配合之。相對於日本地區,雖使用規格較高之鋼板及較大之彈性設計地震力,但因配合較高效率的銲接施工,其細部要求仍漸趨嚴格。若設計時使用美規鋼板,而細部要求採用的日本較寬鬆之施工習慣,則可能會得到不安全的組合結果。國內所使用的構材以組合型鋼為主,銲接方法等則主要參考日本,因此耐震構材應以使用CNS 13812鋼材為原則。

耐震構材所使用鋼材之規定降伏強度Fy,在SN、SM系列最大為3.7 tf/cm2,在ASTM中最大為50ksi(3.5tf/cm2 )。一般Fy大於上述數值之鋼材,其延展性較差(或伸長率較小),而降伏比(降伏強度與抗拉強度之比值)較高,此皆不利於結構之耐震性能,可能產生「弱柱強梁」之現象,故不宜使用於耐震構材。惟若有特殊之設計方法(例如,梁翼梯形切削減弱式梁-柱接頭)及施工方法等,並經充分之分析與試驗可以證明其可提供足夠之耐震韌性,則所採用之鋼材種類亦可不受前述限制。若有新開發之鋼材,其伸長率大於18%(gage length = 200 mm),降伏比小於0.8,用於箱型柱或巨型斷面時,若其衝擊韌性與厚度方向之機械性能及銲接需求,經充分之試驗證明可符合耐震需求,亦可使用於耐震構材,惟使用於新開發鋼材之銲條及銲接方法可能與一般鋼材不同,使用時應特別注意。

2.3 鋼材之耐震性能

影響鋼材之耐震性能之主要因素如下:
1. 降伏強度上、下限
降伏強度上、下限的規定可以控制鋼材降伏強度的變異性。鋼材降伏強度變異性過大時會導致如下的顧慮:(1)強柱弱梁的設計理念無法落實;(2)三維構架在非彈性階段可能產生額外的地震力偏心或扭矩;(3)可能引致接合強度不足;(4)容量設計的理念無法落實。
2. 降伏比
鋼材之降伏比為實測降伏強度與實測抗拉強度之比值。鋼材降伏比較低,可使梁柱接頭的塑性鉸區增長,增加塑性轉角容量,提升梁-柱接頭之延展性及消能容量。日本JIS規定降伏比不得大於0.8、美國ASTM則規定不得大於0.85。另一個影響梁-柱接頭延展性及消能容量的重要因素為梁-柱接頭型式,美國對梁-柱接頭型式有明確的規定(如切削式或補強式梁柱接頭),鋼材降伏比則採用比日本稍微寬鬆的規定,不得大於0.85。
3. Charpy衝擊值
Charpy衝擊值越高,表示產生相同斷裂面所需的能量越高,Charpy衝擊值越高就越不容易產生不穩定的裂縫成長(或稱脆性斷裂),因此對母材、銲接瑕疵與幾何形狀變化,所造成之應力集中的容忍度也較高。一般情況為達到鋼材具韌性、抗疲勞性,以及阻止裂縫急速延伸的能力,鋼材在所需試驗溫度下之衝擊值,須有27J(焦耳)或(2.8kgf-m)以上。
4. 厚度方向斷面縮率
厚度方向斷面縮率指的是拉伸試片受力後,在厚度方向上產生頸縮、斷裂後,斷裂面的斷面積縮率。斷面縮率越高表示鋼材厚度方向的延展性或韌性越高。梁-柱接頭區柱翼板與梁翼板交接處,柱翼板在厚度方向承受由梁塑性鉸區傳遞過來的應力,這應力可能超過梁翼板的降伏強度而進入應變硬化階段。此外柱構材還要承受本身的軸向力以及彎矩,因此柱翼板在與梁翼板的交接處有很嚴重的應力集中現象,其中又以柱翼板厚度方向的應力最大。為調節這種局部區域的應力集中現象,並避免導致脆性斷裂或層狀撕裂,柱翼板厚度方向需要具有良好的延展性或韌性。
5. 碳當量
若要使用經濟而方便的銲接方法進行鋼結構的銲接,母材的碳當量必須受到限制。碳當量主要在反應鋼材銲接後的冷裂敏感性,母材碳當量過高容易在銲接後的熱影響區產生脆硬的麻田散鐵,麻田散鐵很容易補捉氫原子,加上殘留應力的牽引,氫原子聚集形成氫分子(氫氣)進而構成裂縫,造成銲接缺陷。此種裂縫一般在銲道溫度下降至室溫後才產生,因此稱為冷裂;又這種裂縫肇因於氫的聚集,因此又稱為氫裂,此種缺陷往往在銲後一段時間才產生,所以又稱為延遲破裂(delayed fracture)。
6.磷(Phosphorus)
結構鋼中磷的含量一般均保持在0.03%以下為宜,若超過0.04%則必須特別處理。其量之多寡影響鋼材機械性質如下:
(1) 磷有極佳的肥粒鐵強化(Ferrite Strengthening)效應,使鋼材之硬度及強度增加。但在延展性及韌性方面却相對不利。
(2) 適量的磷(如0.1%)有助鋼材之切削性、抗蝕性及耐磨性(Wear Resistance),但因其偏析傾向極大,不易以熱處理消除,且和氧之親和力較強,不利於鋼之銲接性。

7.硫(Sulphur))
硫在鋼中為有害元素,在煉鋼過程中無法完全去除。硫在結構鋼中的含量一般均保持在0.035%以下為宜,若超過0.05%則必須特別處理。在高級結構鋼中含硫量之規定有低於0.008%以下者。其量之多寡影響鋼材機械性質如下:
(1) 硫在鋼中有利於切削性(machinability) ,在快削鋼中常用到。
(2) 硫為容易偏析元素,含量太高對鋼材的韌性有不利的影響。硫一般多以MnS(硫化錳)存在於鋼材中,其中MnS則屬有害之夾雜物,MnS在鋼板軋延過程當中,會延軋延方向伸長成長條狀,因此對於鋼板機械性質之影響會有方向性。一般而言,軋延後之鋼板,鋼板的橫向延展性(transverse ductility),和衝擊值(notched impact value)受MnS危害較大,因而降低;但對縱向機械性質(longitudinal mechanical properties)的影響則較輕微。如果鋼材中硫含量太高,則會形成FeS,FeS是低熔點夾雜物,當鋼材溫度高於985℃時,此低熔點夾雜物先熔融而形成晶粒間液態薄膜,以致造成熱脆性(Hot Shortness)。
(3) 随著含硫量增加,鋼材的銲接性(weldability)會随著下降。
美國ASTM與我國CNS鋼板之耐震性能比較表v如表1所示:(表中○代表有制式規格,X代表無規定或需協商)

表1 結構鋼材耐震性能比較表

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註:(1):表中規格值係以抗拉強度為50KG級40mm以下之鋼材為代表。
三、結構構件適用之鋼材

結構構件鋼材之選用依結構物重要性、使用年限、鋼材耐震性能參數、結構系統、施工工法及銲接程序、梁-柱接頭消能效果等因數,以及前述選用原則來決定構件之鋼材規格。表2為經鋼結構協會工程技術委員會研議之成果。

表2 ASTM 結構用鋼使用時機參考表

605-2-2

附註:(1)「○」表示經設計者同意後使用者;「△」表示滿足附加條件下,經設計者同意後使用者;「X」表示不適合使用者。
(2)熱軋型鋼之衝擊值須滿足21oC、27J的要求,且試片取樣位置須符合ASTM A6 Supplementary Requirement S30之規定。
(3)使用銲接組合H型鋼(即BH)斷面時,鋼板之衝擊值亦須滿足21oC、27J的要求,且試片取樣位置須符合ASTM A673之規定。
(4)ASTM結構用鋼材之使用,可參考本表選用適當的鋼材,但使用前須經設計者同意。由於結構物對材料之需求因結構物個別耐震需求之不同而異,設計者應該本著所設計結構之特性,選用適合的鋼材。使用本表所產生之一切責任,使用者均須自行負責。
四、結語

本文之參考表提供ASTM鋼材規格,可使用於房屋結構之部份耐震構材,可大幅減低購料困難之壓力。鑒於各種鋼材都僅具其獨有之耐震特性,故無法很明確地比較其性能之優劣性,故僅能個別就耐震性能評估其可適用之構件。表中ASTM A709原為橋梁結構用碳鋼,其物理性質及化學性質與ASTM A572相近,惟其製程較嚴謹,有經過堆冷脫氫處理,可減低銲接氫脆的可能性,因此ASTM A709及A992建議增列「使用銲接組合H型鋼(即BH)斷面時,鋼板之衝擊值亦須滿足21oC、27J的要求」之附加條件,則可使用於熱軋H梁、銲接組合H梁及熱軋H柱。ASTM A992為建築結構用熱軋型鋼規範,目前經濟部標準檢驗局已計畫將其納入CNS中,並擴充可適用於鋼板,以適應國內大量採用銲接組合型鋼的問題。另經濟部標準檢驗局已著手進行將「結構用鋼使用時機參考表」之ASTM鋼材全納入CNS標準。

為確保鋼結構之安全性,結構耐震鋼材的選用除需依鋼鐵材料的物理性質及化學性質、最小抗拉強度、降伏強度上下限、降伏比上限、延展性、衝擊韌性、厚度方向韌性、最大碳當量規定,及尺寸公差需求等,來選用適用的鋼材,以滿足設計的需求外,亦應配合結構系統、接合設計(例如高韌性梁翼梯形切削減弱式梁-柱接頭)、銲接程序及施工方法之考量,將可能影響耐震能力之因素降至最低,使所選用之鋼材發揮最大之經濟及安全效益。

 

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