高強度螺栓鎖固之原理及應用介紹
【 2007-09-01 / 陳正平 技師】
 
一、前言
    「鉚栓」的應用歷史相當久遠,一直到1950年代仍被廣泛使用〔1〕,但鉚釘施工時須先將鉚栓加熱至火紅(約900℃),再由熟練工人丟到安裝工人之錐形接筒中,然後再由技術工人打擊使錨頭成型。鉚栓施工過程不僅危險,且專業技術工人難覓,施工時又會產生打擊噪音,又因鉚栓之強度及夾緊效率較差,施工品質控制困難。近年來由於銲接技術急速進步及高強度螺栓之生產使用,鉚栓目前已甚少使用而不易購得,而被高強度螺栓完全取代。

    國內鉚栓使用後期的應用代表作應屬用於民國六十二年台塑關係企業捐建之林口體育館圓形屋頂桁架結構(現為國立體育學院)。常用的螺栓分為普通螺栓及高強度螺栓二種。普通螺栓又稱機械螺栓(common bolts或machine bolts),係依據ASTM A307的規定生產,一般使用於與耐震設計無關的輕型結構物、次要結構物,或臨時固定用途(例如欄桿、桁條圍梁等),且不得使用於承受反復載重、震動或疲勞載重之結構物,安裝時螺帽鎖至緊貼狀態即可。高強度螺栓則用於主要結構物,惟大部分設計者鑒於高強度螺栓與普通螺栓價差有限、可用普通螺栓之處又不多,因此為避免施工者採購錯誤或誤用,而全部採用高強度螺栓。本文僅針對高強度螺栓應用之重點介紹。

二、高強度螺栓之規格
    國內常用之高強度螺栓分成ASTM及JIS規格。較常用之ASTM高強度螺栓有A325及A490兩種,其適用情況如表一所示。A325螺栓主要分成TYPE 1及TYPE 3兩種,TYPE 1為一般結構用,有需要時可以熱浸鍍鋅,耐候鋼材應配合使用TYPE 3螺栓,採用TYPE 3螺栓時設計圖上應特別註明。

    A325螺栓的機械性質如表二所示。A490螺栓之材料強度(如表二)比A325高,但是A490螺栓不可熱浸鍍鋅。A490螺栓分成3種TYPE(如表一),耐候鋼材應配合使用TYPE 3螺栓。〔2〕

    A325及A490螺栓的標稱直徑以英吋為單位,以1/8英吋為單位增量,且皆介於1英吋至1又1/2英吋之間,以1英吋左右的直徑較常用。有些較特殊情況,所需螺栓直徑超過1又1/2,此時可採用A449螺栓。A449螺栓適用情況如表一所示,材料強度如表二所示。ASTM高強度螺栓之螺頭及螺帽皆為六角形頭,其中螺帽必須為重型六角形螺帽。
JIS規格的高強度螺栓分成六角螺栓頭的F系列以及為減輕材料用量及美觀需求而發展之圓螺栓頭之S系列(見圖一),圓螺栓頭在安裝後拆卸較困難。依材料強度之不同,F系列又分成F8T、F10T及F11T三種,S系列則分成S8T及S10T二種,其中F11T材質因品質較不易控制,僅部份製造商有製造生產,其材料強度如表三所示。JIS螺栓直徑以mm為單位,一般常用之直徑規格在12mm至24mm之間。 由過去的熱浸鍍鋅經驗可知,高強度螺栓在熱浸鍍鋅前處理酸洗過程中會吸收氫氣,因此會產生延遲破壞現象,延遲破壞就是高強度螺栓鎖固一段時間後發生突然斷裂的現象,此乃金屬結晶內蓄積氫氣壓力過大的結果。延遲破壞在F10T以上之高強度螺栓才會發生,F8T以下不會發生,故摩擦接合用之熱浸鍍鋅高強度螺栓只能用F8T以下。又中國土木水利工程學會所編「熱浸鍍鋅鋼橋設計施工手冊」,亦建議使用F8T螺栓、F10螺帽、F35之華司組合〔3〕。 另鍍鋅試驗片之疲勞強度約比黑皮母材低12kgf/mm2,因此對熱浸鍍鋅之F8T高強度螺栓宜視情況考慮酌增螺栓用量。
圖一 JIS F10T圓頭型扭矩控制高強度螺栓〔4〕
三、高強度螺栓之標示 螺栓的外觀如圖二所示,螺栓在螺栓頭會標示其種類,如圖三及四所示,以方便使用及施工管理。 螺栓需配合螺帽及墊圈使用,螺栓、螺帽加上墊圈稱為螺栓組,表四及五分別為ASTM及JIS高強度螺栓組之組合。耐候鋼材應該配合耐候型螺栓、螺帽及墊圈使用。另外,墊圈可以避免螺栓或螺帽鎖緊過程中因旋轉而傷及鋼板,亦可分散螺帽所傳來之壓力,此外,將墊圈墊在旋轉端(螺栓頭端或螺帽端)可以降低旋轉面的摩擦力,所以墊圈應置於旋轉端。〔2〕
四、高強度螺栓長度及螺牙之決定 一般只須指定螺栓標稱直徑d及螺栓長度L,螺栓各部尺寸即確定。螺栓所需長度為夾距(鎖緊物厚度)與L1(螺帽厚度加上墊圈厚及螺桿突出長度)之和,如圖五及表六所示。 螺栓安裝所需之長度及螺牙長度在鋼結構設計規範及施工規範中並未規定。若採購長度太短則無法使用;太長則因螺牙長度不足而致螺帽鎖緊時將會卡在螺牙盡頭處而無法夾緊連接之鋼板,或突出太長會影響美觀及行人安全。在2000 RCSC〔1〕對高強度螺栓安裝所需之長度定義為「經妥善安裝完成後之螺栓長度(自螺栓頭內側面至螺栓之尾端間之距離),為螺栓之尾端應延伸至螺帽以外或至少與螺帽之外側面齊平」。一般情況L1大約等於1.5 d+墊圈厚度;或螺帽厚+墊圈厚度+2至3個螺牙距(pitch)之總長度。 至於螺牙長度,市售螺栓所提供之螺牙長度與螺栓之長度無關;相同直徑,不同長度之螺栓其螺牙長度為固定值(見圖六)〔4~6〕。若所採購之螺栓長度太長,則會因螺牙長度不足而致螺帽鎖緊時將會卡在螺牙盡頭處而無法夾緊連接之鋼板(全牙螺栓則無此種疑慮)。故為了使高強度螺栓鎖緊時能有足夠的預張力,具有足夠的螺牙長度是必要之先決條件。
圖六 市售S10T高強度螺栓之螺牙長度及其他尺寸規格
五、螺栓孔 螺栓孔直徑必須比螺栓直徑大才可將螺栓安裝於定位。螺栓可分成標準孔 (standard hole)、超大孔 (oversized hole)、短槽孔 (short slotted hole)及長槽孔 (long slotted hole)等四種,如圖七所示。 標準孔的孔徑比螺栓直徑大1.5 mm,用於標準孔之螺栓強度可較高,最常使用,但是施工精度要求也較高。當施工精度控制較不容易時,可以視情況放大螺栓孔,擴大孔仍然呈圓形但是孔徑加大;短槽孔及長槽孔呈槽狀,寬與標準孔直徑一樣大小,長度則有長短之差別,如表七所示。
六、螺栓軸拉力-軸向變形曲線 螺栓鎖緊過程會先鎖到緊貼(snug tight) 狀態,所謂緊貼狀態係使用衝擊板手鎖至數次衝擊或使用一般板鉗用人力鎖緊,使得接合面接觸至緊密狀態。緊密狀態下的螺栓內已經承受部分預拉力。 圖八為螺栓自緊貼情況開始,螺栓之軸拉力-軸向變形的關係曲線,橫座標為螺帽旋轉圈數,等同於軸向變形,縱座標為螺栓拉力。曲線自緊貼狀態開始先呈線性關係,然後在螺牙處會先降伏,曲線進入非線性階段,接著螺牙處產生頸縮而強度開始下降,最後在螺牙處斷裂。螺栓受拉力時,臨界斷面發生在螺牙處,螺栓的最大拉力強度 為材料抗拉強度與張應力面積(tensile stress area)As的乘積。 其中,As = = 0.75~0.79 Ab n = 每公分螺牙數 d = 螺栓標稱直徑(cm) Ab = 螺栓標稱斷面積 (cm2)=d/4 材料的降伏發生在螺牙的凹痕處,螺牙的降伏會先侷限在局部區域,而螺栓之軸拉力-軸向變形的關係曲線並沒有明顯的降伏平台。螺栓在螺牙處降伏時的載重稱為proof load,等於螺栓材料之降伏強度與張應力面積之乘積 ,A325螺栓之proof load約為自身抗拉強度之70%(即0.7 ),A490螺栓之proof load約為自身抗拉強度之80%(即0.8 )。 所有高強度螺栓在安裝時需要施加一預拉力Tb,此預拉力為螺栓抗拉強度之70%,表八為A325及A490螺栓之最小預拉力,表九為JIS螺栓之最小預拉力。 A572螺栓之最小預拉力約等於其proof load,A490螺栓之最小預拉力也很當接近proof load,實際施工時預拉力會高於最小預拉力,因此螺栓在施加預拉力後基本上已經降伏。 原則上,在不使螺栓破壞,且不致使螺栓產生永久塑性變形致易產生鬆弛現象的前提下,螺栓的預拉力愈大愈好。
七、螺栓鎖固方法、 普通螺栓之鎖緊程度並無明確的規定,鎖緊時所施加之力一般只要達密接狀態即可。但因鎖緊時未施加預拉力,因此容易出現螺帽鬆脫之現象。防止鬆脫之方法可用彈簧墊圈;或採用雙螺帽由外螺帽將內螺帽迫緊以防二螺帽同步旋轉而鬆脫。採用雙螺帽時,內螺帽須為重型六角螺帽,外螺帽可用一般六角螺帽或鋼板沖壓成型之簡易彈簧螺帽(見圖九)。 一般高強度螺栓不論承壓型或摩阻型因鎖緊後存有預張力,此預張力引致之接觸面正壓力可產生抗扭轉摩擦阻力,因而可使螺帽不易產生鬆脫現象,故可不必附加防止鬆脫之裝置。但若是用於特殊用途(例如振動機械或捷運車體、動力車輛等較重要結構)須採用特殊夾頭防止螺帽鬆脫之情況時,則須依夾頭需求來決定螺栓及螺牙長度或型式,以便附防止鬆脫之螺帽夾緊裝置,(見圖十)〔7〕。
圖九 鋼板沖壓成型之簡易彈簧螺帽。 圖十 螺栓附鬆脫夾緊裝置之螺帽〔7〕
高強度螺栓施加預拉力的方法有校正扳手法(calibrated wrench)、螺帽旋轉法(turn-of-nut)、斷尾扭力控制型(torque control bolts)、或直接拉力指示器(direct tension indicator)。玆說明如下: 1、校正扳手法   校正扳手法為以控制所施加之扭力大小來控制螺栓之預拉力,是一種以力量控制(force control)的螺帽鎖緊法,其法為使用校正過之可以顯示所施加扭力大小的扳手(如圖十一所示)來鎖緊螺栓。 校正扳手法之扳手對螺帽或螺栓頭施加扭力的同時也對螺栓施加拉力,所需施加之扭力大小與螺栓強度有直接的關係,直徑越大或強度越高的螺栓所需施加之扭力也就越大,施加的扭力越大螺栓拉力也就越大。校正扳手上的扭力指示器需要時常校正,以免指示器顯示錯誤致螺帽鎖緊作業失敗。建議校正扳手上的扭力指示器至少每天要校正一次,或扳手連續鎖緊的螺栓數量達一定數量時亦須重新校正。
扳手所施加的扭力並不是全部轉換成螺栓拉力,有一部份的扭力須用來克服螺帽或螺栓頭旋轉時與墊圈之間的摩擦力,以及螺帽與螺牙間的摩擦力。在相同的扭力下,墊圈、螺栓頭、螺帽及螺牙的表面狀況會影響所施加之預拉力,因此螺帽鎖緊施工時須注意旋轉面的表面情況,當表面過於粗糙時摩擦力會過大而導致預拉力會不足,當表面有油污時摩擦力會過小而導致預拉力過大。一般為讓旋轉面能有較穩定的情況,旋轉端鋼板與螺帽間應設置一經過硬化處理之墊圈。   此外,當螺牙有損傷時,會產生額外阻力而導致螺栓預拉力不足,因此施工時也要注意,螺栓安裝過程不要傷及螺牙。由於螺栓預拉力不易準確掌控,且安裝過程時有敲擊動作,故使用過的螺栓很可能螺牙已受損,建議避免重複使用。    2、螺帽旋轉法   螺帽旋轉法為先將螺栓鎖至密接(snug tight)狀態,然後再施加一螺帽旋轉量(如圖十二所示),螺帽旋轉等同於對螺栓施加一軸向伸長量,來對螺栓施加預拉力。螺帽旋轉量越大螺栓的軸向變形也越大,螺栓的拉力也就越大。   螺栓的伸長量除以螺栓夾握(grip)長度即為螺栓之平均應變,若欲對螺栓施加相同的應變,則螺栓越長所需的伸長量也就越大,表十所示為螺帽旋轉法所需施加之旋轉量。當兩個鋼板面皆垂直於螺栓軸時,如圖十三(a)所示,所需螺帽旋轉量較小,當鋼板面不垂直於螺栓軸且未使用不等厚墊圈時,如圖十三(b)所示,螺帽或螺栓頭與鋼板間或墊圈間會產生一縫隙,使所需螺帽旋轉量增加。使用不等厚墊圈來填滿上述之縫隙,則所需旋轉量視同無縫隙者。當螺栓長度超過12倍螺栓直徑時,所需旋轉量應該由與實際情況相同之試驗決定之。   螺帽旋轉法之旋轉端可以是螺帽端或螺栓頭端,螺栓在鎖至密接時應做一記號劃過螺頭、墊圈及鋼板,如圖十二所示,方便鎖緊時旋轉量之量測或鎖緊後旋轉量之檢查。螺帽旋轉法是一種位移控制的方法,其精確度不會受到鋼材表面或螺牙情況之影響。
3、斷尾扭力控制型螺栓 斷尾扭力控制型螺栓(torque control bolts或TC bolts)簡稱斷尾螺栓,螺栓尾端有一特別設計之突出物,如圖十四所示,當施加於螺栓之扭力達到所需值時,此突出物會斷裂,突出物成為一種扭力指示器。斷尾扭力控制型螺栓除方便施工外也方便螺栓是否鎖緊之判斷與檢查依據。 此型螺栓需使用專用之電動扳手鎖緊,旋轉端都在螺帽端,因此墊圈置於螺帽端。由於螺栓頭不旋轉因此可以使用圓頭螺栓,S系列(例如S10T)螺栓為圓頭螺栓,F系列(例如F10T)螺栓為六角頭螺栓。斷尾螺栓為扭力控制型螺栓,鋼板表面及螺牙情況會影響鎖緊作業的精確度,施工時應注意。
4、直接張力指示器   直接張力指示器(direct tension indicator)為經特別設計、具有局部突起的墊圈,並配合厚度規或縫隙寬度規(feeler gage)使用,如圖十五所示。 在鎖緊的過程,螺栓的拉力逐漸增加,而墊圈的突起處受到壓力而逐漸變形(被壓扁),當變形量達到一定值時表示螺栓的拉力即達到所需之預拉力,如圖十六所示。變形量之量測以縫隙寬度規為之,當縫隙寬度規無法置入螺栓頭與墊片間之縫隙時,表示墊圈突起處之變形達到所需之量,亦即螺栓預拉力亦達到所需之大小。 直接張力指示器法是一種位移控制法,不會受到鋼材表面及螺牙情況之影響,A325螺栓使用F959 TYPE 325張力指示器,A490螺栓使用F959 TYPE 490張力指示器。直接張力指示器可裝置於螺頭端或螺帽端,原則上裝置於非旋轉端並於旋轉端加一墊圏;但直接張力指示器若裝置於旋轉端,則直接張力指示器與旋轉端之螺頭或螺帽間必須增設一普通墊圏;若螺栓孔為超大孔或槽孔時亦須於直接張力指示器與夾緊鋼板間再增設一普通墊圏。無論如何直接張力指示器之凸起物均須朝夾緊鋼板之外側。直接張力指示器亦有於表面塗裝樹脂或鍍鋅保護層的產品供選用。
八、結語 選用適當的螺帽鎖緊方法並配合妥善控制鎖緊界面之摩擦條件,才能使螺栓發揮正常之功能。惟螺帽之鎖緊程度不易準確控制的問題一直困擾工程界,螺帽若鎖緊程度不足,則無法產生預期之張力及摩阻力,容易產生滑動現象,或導致被接合之結構物變形較大;若所施加之預張力超量,則很可能導致螺桿及螺牙部位之應力超過彈性界限而易產生鬆弛現象。 因此高強度螺栓在安裝或折卸過程均可能會有受損之傷痕或螺牙變形,或因受載重致螺桿已有變形之情況,此些現象均可能導致不可預期之效能折損或破壞,故使用過之高強度螺栓不宜再重複使用。   雖然對於未施載最小預拉力之承壓型高強度螺栓則較不受限,但國內幾乎不使用承壓型,且目前鋼結構建築物大量採用JIS F10T斷尾螺栓,其安裝事實上已加入預拉力,尤其是圓頭之扭矩控制高強度螺栓因拆卸困難而易受損,且已經斷尾,無法安裝,亦無法重複使用。有些時候縱使可以重複使用,但是重複的次數也要受限。   【參考資料】 〔1〕“鋼構造建築物鋼結構施工規範”(草案)內政部營建署。 〔2〕“鋼結構設計講義”國立台灣科技大學營建系 陳正誠教授。 〔3〕 中華民國熱浸鍍鋅協會網站。 〔4〕 晉禾企業股份有限公司型錄。 〔5〕 高旺螺絲工業有限公司型錄。 〔6〕 春雨工廠股份有限公司型錄。 〔7〕Geoffrey L. kulak ,J.W. Fisher and John H. A. Struik, “Guide Design Criteria for Bolted and Riveted Joints”AISC 〔8〕AI SC“Specification for StructuralJoints Using ASTM A325  or A490 Bolts”。 〔9〕R.J.Christopher,G.L. kulak and J. W. Fisher,“Calibration of Alloy Steel Bolts”,Journal of the Structural Division,ASCE,Vol.92,ST2.April 1966   〔10〕J.L.Rumpf and J.W. Fisher,“Calibration of A325 Bolts”, Journal  of the Structural Division,ASCE,Vol.89,ST6.April 1963   〔11〕“鋼結構建築物鋼結構技術設計規範(二)鋼結構極限設計法及容許應力設 計法規範及解說”內政部營建署。 〔12〕 “鋼結構設計手冊容許應力設計法”陳正誠、陳正平,中華民國結構 工程協會,民國92年2月。 註:本文刊登於鋼結構會刊第二十八期