第十一章 接合設計
11.3 螺栓接合
本節的設計準則乃應用於冷軋型鋼構材螺栓的接合設計，而構材接合部份中 其最薄厚度有小於 4.76 mm 的情形。對於構材接合部份的厚度皆等於或大於 4.76 mm 時，螺栓接合則依「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」的規定而設計之。
螺栓、螺帽與墊片應選用下列規定的材料：
ASTM A194/A194M ASTM A307 (Type A) ASTM A325
ASTM A325M
ASTM A354 (Grade BD) ASTM A449
ASTM A490 ASTM A490M ASTM A563 ASTM A563M ASTM A436 ASTM A436M ASTM F844 ASTM F959 ASTM F959M
使用以上所示之外的材料，在設計圖上須明白的表示清楚接合的型式和尺 寸，以及其設計標稱強度。
螺栓應該牢固的架設在接合處上，以確保安全。
較大的孔徑可允許用在柱基腳，或結構系統與混凝土牆的接合上，一般螺栓
會分離。經實驗顯示螺栓安裝到合適的緊度時，在正常的建造狀態而不是 在振動或疲勞的狀態下，一般不會產生鬆脫的現象。
4. 孔徑尺寸
在表 11.3-1 內所述之最大螺栓孔徑尺寸，對於螺栓直徑大於 12.7 mm 的規 定(除了擴大孔直徑的要求外)，則依據參考文戲[11.12、11.13]內表格一的 內容所定之。
對於螺栓直徑小於 12.7 mm 者，其標準孔直徑乃是以螺栓直徑加上 0.794 mm 規定之。
在表 11.3-1 中對於擴大孔、開槽孔的設計規定，乃是因這些孔在實際上是 為了預留在裝配上尺寸的誤差。然而，在使用擴大孔時，設計者需注意的 是確保滑動所引起的過大變形將不會發生在工作載重上。會發生在開槽方 向上的過大變形，可以使用螺栓的預拉力來預防。
短槽孔通常視為與擴大孔一樣的行為。墊片或覆板應用於擴大孔或短槽孔 的最外層，除非較適當的性能有被實驗所証實。對於長槽孔的接合，規範 11.3.4 節要求使用墊片或覆板，同時，因強度的折減可能會遭遇到，螺栓 的剪力能力需經由實驗測定。
11.3.1 接合部剪力強度、間距及邊距
接合部的標稱剪力強度(Pn)，在受到施力方向的間距與邊距的影響，其強度 依下式計算之：
Pn = teFu (11.3-1) 當 Fu/Fsy≥1.08
φ = 0.70 當 Fu/Fsy<1.08 φ = 0.60 其中
Pn = 單一螺栓的標稱強度 Fu = 接合部材料的抗拉強度 Fsy = 接合部材料的降伏點
e = 沿著受力方向，從基準孔中央點至最鄰近孔邊緣的距離，或至接合 部的邊界距離
t = 接合部最薄的厚度
此外，相鄰兩孔中央點間的最小距離，必須提供足夠的空間予螺栓頭、螺帽、
墊片與螺栓鉗，且不能小於三倍標稱螺栓直徑(3d)。同時，從任一標準孔中央點 到連接構材最邊緣或其他的邊界，不得小於 1.5 倍的標稱螺栓直徑(1.5d)。
對於擴大孔與開槽孔，兩個鄰近孔外緣的距離，以及從孔的邊緣至連接構材 在應力線上最邊緣或其他的邊界的距離，不得小於 e - dh/2 的值，其中 e 為前式 所示，而 dh為表 11.3-1 所定義的標準孔直徑。另外，下列之限制亦必需符合，
兩個鄰近孔的邊緣間的淨間距，不得小於兩倍的標稱螺栓直徑(2d)，以及孔的邊 緣至連接構材的邊緣不得小於標稱螺栓直徑(d)。
解說：在接合部的任一最小邊距 emin，取決於鋼材的抗拉強度(Fu)，以及接合部 的厚度。根據不同的 Fu/Fsy的比值範圍，兩種不同的安全係數來用在所需 要的最小邊距上。這些規定主要是基於由試驗結果所建立的基本方程式：
t F e P
u
= (C-11.3-1)
其中
e = 避免在接合部產生剪力破壞所需之最小邊距 P = 單一螺栓所傳遞的力量
t = 接合部最薄的厚度
公式(C-11.3-1)乃依據 Winter [11.14、11.15]與 Yu [11.16-11.18]的研究成果 所推導得來的。
11.3.2 接合部拉力強度
在接合部淨斷面的標稱拉力強度 Pn，其計算公式如下：
1. 螺栓與螺帽皆使用墊片與構材表面相接合
Pn = (1.0-0.9r+3rd/s)FuAn ≤ FuAn (11.3-2) 若為雙剪力
φ = 0.65 若為單剪力 φ = 0.55
2. 螺栓與螺帽皆無使用墊片，或僅有其一使用墊片與構材表面相接合 Pn = (1.0-r+2.5rd/s)FuAn ≤ FuAn (11.3-3) φ = 0.65
此外，標稱拉力強度不得超過下式之值：
Pn = FyAn (11.3-4) φ = 0.95
其中
An = 接合部的淨斷面積
r = 螺栓在斷面的承受力與構材張力之比值。如果 r 值小於 0.2，則 r 值 應以 0.0 計算之
s = 螺栓間之行距(與應力方向垂直)，若為單一螺栓，則 s 為板之全寬 d = 螺栓標稱直徑
t = 接合部最薄的厚度 Fu = 接合部材料的抗拉強度 Fy = 接合部材料的降伏點 解說：本節的設計規定中的重要特點：
1.規範中所適用的基本條件是接合部材料最薄的厚度必需小於 4.76 mm，對於大於 4.76 mm 厚度的張力問題，則依「鋼構造建築物鋼結構 設計技術規範」的規定而計算之。
2.在連接構材淨斷面處的張力強度(Pn)是根據接合部的抗拉強度(Fu)、r 值與 d/s 值。
3.根據接合部有無墊片的情況，其公式亦有所不同[11.19]。
4.根據接合型式的不同(單剪接頭或雙剪接頭)，連接構材淨斷面處的標稱 張力強度(Pn)亦有所不同。
11.3.3 承壓強度
針對接合部的厚度、Fu/Fsy值，與接合的型式，表 11.3-2 與表 11.3-3 列出標 稱承壓強度(Pn)與適用的φ值。
在表 11.3-2 與表 11.3-3 中符號φ、Pn、d、Fu及 t 已在前節定義。對於在本節 未提供的狀況，其螺栓接合的設計承壓強度應由試驗決定之。
表 11.3-2 螺栓及螺帽皆使用墊片的螺栓接合標稱承壓強度 接合處的厚度
t (mm) 接合的型式 接合處的
Fu/Fsy比值 φ 標稱強度 Pn
≥1.08 0.55 3.33Fudt 雙剪力接合的版
內部 <1.08 0.65 3.00Fudt 0.61≤t<4.76
單剪力及雙剪力
接合的版外部 0.60 3.00Fudt t≥4.76 鋼構造建築物鋼結構設計技術規範
表 11.3-3 螺栓及螺帽皆未使用墊片或僅有一者 有使用墊片的螺栓接合標稱承壓強度 接合處的厚度
t (mm) 接合的型式 接合處的
Fu/Fsy比值 φ 標稱強度 Pn
雙剪力接合的版
內部 ≥1.08 0.65 3.00Fudt 0.61≤t<4.76
單剪力及雙剪力
接合的版外部 ≥1.08 0.70 2.22Fudt t≥4.76 鋼構造建築物鋼結構設計技術規範
解說：依據現有試驗資料顯示，螺栓接合的承壓強度，與以下的情況有關，如：
接合部的抗拉強度、接合部的厚度、單剪力或雙剪力的連接、Fu/Fsy比值、
以 及 墊 片 的 有 無 (Winter[11.14 、 11.15] ， Yu[11.16 、 11.18] ， Chong 與 Matlock[11.19])。接合部的標稱承壓強度，根據不同的情況列於表 11.3-2 及表 11.3-3。
11.3.4 螺栓的剪力及拉力
由剪力、拉力或是由剪力及拉力共同作用的標稱螺栓強度 Pn，計算公式如 下：
Pn = AbF (11.3-5) 其中
Ab=螺栓的全斷面積
當螺栓受剪力或拉力作用時：
F 為表 11.3-4 中的 Fnv或 Fnt
φ值列於表 11.3-4 內
當螺栓受剪力及拉力的組合作用時：
F 為表 11.3-5 內的 F’nt
φ值列於表 11.3-5 內
表 11.3-4 螺栓的標稱拉力及剪力強度
6.4 mm≤d<12.7 mm 0.75 279 0.65 165 A307 螺栓，Grade A 6.4 mm≤d<12.7 mm
螺紋在剪力平面
696 407
A354 Grade BD 螺栓 6.4 mm≤d<12.7 mm
螺紋不在剪力平面
696 621
A449 螺栓 6.4 mm≤d<12.7 mm
螺紋在剪力平面
558 324
A449 螺栓 6.4 mm≤d<12.7 mm
螺紋不在剪力平面
558 496
A490 螺栓 6.4 mm≤d<12.7 mm
螺紋在剪力平面
776 465
A490 螺栓 6.4 mm≤d<12.7 mm
螺紋不在剪力平面
776 621
表 11.3-5 剪力及拉力組合作用的螺栓標稱拉應力 F’nt (MPa) 當 6.4 mm≤d<12.7 mm 當 d ≥12.7 mm (tensile-stress area / gross-area)為 0.68，而 12.7 mm(1/2 in)與 25.4 mm(1 in.) 直徑螺栓的平均拉應力面與全斷面比值為 0.75，兩者間相差約 10%。