鋁結構接合設計

美國鋁結構之接合設計主要分為鉚釘接合、螺栓接合、自攻螺絲 接合(Tapping Screw connections)以及銲接接合，依序簡述如下:

(一)鉚釘接合

就鋁結構而言，早期以鉚釘接合為主，但由於施工易產生噪音且 施工品質難以控制，故鉚釘接合已漸漸被淘汰，而由螺栓或銲接等取 代，但有些結構仍使用鉚釘接合。常用於鉚釘的材料有鋁合金、碳鋼、

不銹鋼等，其具有良好之塑性以便鉚合。美國鋁結構尚保留鉚釘接合 之規定，其規定容許剪應力為F_su /



1.2n_u



，F_su為極限剪力強度，如 表4.15所示。

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表4.15 鉚釘之設計應力(ksi)(AA 2005)

表4.15 鉚釘之設計應力(MPa)(AA 2005) (續)

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(二)螺栓接合

自螺栓發明後，結構物除了使用銲接以外大部分皆使用螺栓接 合。目前美國鋁結構所採用之螺栓材料主要為鋁合金、碳鋼以及不銹 鋼，若使用鋁合金材料應符合ASTM F468且為2024-T4、6061-T6或 7075-T73之合金。

螺栓接合可能產生之破壞模式，基本上有三類：(1)拉力破壞(2) 剪力破壞以及(3)支承破壞。當螺栓受拉力時應考慮螺牙處發生應力集 中之影響，故美國鋁結構規範規定容許拉應力為F_tu/



1.2n_u



，如表 4.16。 而 容 許 拉 力 即 容 許 拉 應 力 乘 以 其 有 效 面 積 ， 有 效 面 積 為



1.191/



²

4

/ D n

 ，其中D為螺栓之標稱直徑(英吋)，n為每英吋之 螺紋數。

若構材搭接時載重超過螺栓之容許應力，且構材接觸面發生剪斷 之情況，稱為剪力破壞。為避免發生剪力破壞，故規定容許剪應力為



_u



su n

F /1.2 ，如表4.16。另外，計算容許剪力時，應注意螺紋在剪力 面與螺紋不在剪力面之差異，螺紋在剪力面須計算有效面積，若螺紋 不在剪力面則使用螺栓斷面標稱面積計算即可。

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表4.16 螺栓之設計應力(ksi)(AA 2005)

表 4.16 螺栓之設計應力(MPa)(AA 2005) (續)

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(三)自攻螺絲接合

美國鋁結構也允許使用自攻螺絲做接合，所謂自攻螺絲即在預鑽 孔之構材自行攻鑽出所配合之螺紋，使構件間相互緊密配合，主要常 用於較薄之版件連接。由於其自行攻出其配合螺紋，因此在接合上具 有高防鬆能力，且可以除卸。其破壞模式可分為：(1)拔出破壞，(2) 拉破破壞，(3)剪力破壞。

(四)銲接接合

所謂銲接接合係構材間藉由銲材及局部加熱使表面熔融而接 合，其也是鋁結構常用的方法之ㄧ。採銲接接合之優點為不需鑽孔、

節省材料以及能擁有較連續之結構，但由於高溫之影響易發生殘留應 力。銲接接合承受外力時之破壞不外乎銲道破壞與母材(即構材本身) 破壞兩種，而銲道破壞之破壞模式為剪力破壞、拉力破壞等。

美國鋁結構之銲接方法主要分為兩種，第一種為TIG (Tungsten

Inert Gas )，稱為惰性鎢氣體銲接，其使用非消耗性之鎢電極及保護

性之惰氣(氦氣，氬氣或混合氣)作為屏蔽，一般較常使用氬氣，亦稱 氬銲，如圖4.9(a)；第二種為MIG ( Metal Inert Gas )，稱為惰性金屬 氣體銲接，係可自動供應銲線並由氣體保護熔池的銲接法，一般使用 CO2氣體，亦稱CO2銲，如圖4.9(b)。此兩種銲接方法甚為穩定，且

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品質良好。

圖4.9 鋁結構銲接方法(Mazzolani 1995)

鋁結構之銲接型式，依銲材在欲銲接母材上形成之形狀，大致分 為開槽銲(grove weld)、填角銲(fillet weld)以及塞槽銲(Plug and Slot

Welds)等，另外，由於開槽銲所需之加工成本較高，故通常採填角銲。

就設計而言，銲材所承受之應力不外乎拉力、壓力及剪力等，故若此 三項應力值符合容許應力範圍，則接合處之強度即滿足要求。

美國鋁結構銲接接合之強度均假設作用在銲材之有效斷面積 上，隨著銲接型式不同，其容許應力及有效斷面積皆有不同之規定，

分別說明如下：

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一、 開槽銲

開槽銲之有效斷面積為有效銲長與銲接尺寸S (_w 如圖 4.10)之乘 積，而有效銲長為垂直拉、壓力方向或平行剪力方向之長度。

圖4.10 開槽銲示意圖(AA 2005) 其容許拉、壓力強度P_gw為

u we tuw

n A

F (4-27)

其中，F_tuw為母材拉力極限強度與銲材拉力極限強度兩者之小值；母 材拉力極限強度參照表4.16，銲材拉力極限強度則參照表4.17所示。

Awe為銲接有效斷面積，n_u安全係數則與前述相同為1.95。 容許剪力強度V_gw為

u we suw

n A

F (4-28)

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其中，F_suw為母材銲接剪力極限強度與銲材剪力極限強度兩者之小 值；母材銲接剪力極限強度參照表4.17，銲材剪力極限強度則參照表 4.18所示。A_we、n_u定義同上。

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表4.17 銲接鋁合金之機械性質(ksi)(AA 2005)

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表4.17 銲接鋁合金之機械性質(MPa)(AA 2005) (續)

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表4.18 各銲材之強度表(ksi)(AA 2005)

表4.18 各銲材之強度表(MPa)(AA 2005) (續)

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二、 填角銲

填角銲亦稱為角銲，主要使用於構材搭接或 T型接頭之銲接，其 有效斷面積等於有效銲喉與有效銲長之乘積，而有效銲喉之決定乃基 於實驗證明填角銲之抗拉與抗壓比抗剪強度大，故填角銲理論上破壞 模式應為沿著與載重呈45°之平面破壞，如圖4.11。因此，有效銲喉 即銲道根部至銲道表面之最短距離，故有效銲喉t_e為

2 Sw

(4-29)

其中S_w為銲接尺寸。

圖 4.11 填角銲有效銲喉之示意圖(AA 2005)

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美國鋁結構規定其容許剪力強度V_w為

u we sw

n L

F (4-30)

式中，F_sw之值取下列三者之小值：(1)銲材剪力極限強度與有效銲喉 之乘積，(2)母材銲接剪力極限強度與銲接尺寸之乘積，(3)母材銲接 拉力極限強度與銲接尺寸之乘積。母材銲接剪力與拉力極限強度參照 表4.17，銲材之剪力極限強度則參照表4.18所示。

三、 塞槽銲

塞槽銲通常用於彌補構材搭接採用填角銲之接合處剪力強度不 足，較少使用於主要傳力機制。美國鋁結構規定其槽孔不得大於銲接 厚度之十倍。設計上，其有效斷面積A_we為其接合面上槽孔之標稱面 積，如圖4.12所示。

圖 4.12 塞槽銲之平面示意圖(AA 2005)

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其容許剪力強度V_w為

u we sw

n A

F (4-31)

其中，F_sw取銲材與母材兩者剪力極限強度之小值。

此外，經由上述接合方式組合之結構，亦可能因構件承受拉力及 剪力而發生塊狀剪力撕裂，其破壞模式可能沿著螺栓孔周圍或沿著銲 接接合。美國鋁結構計算塊狀剪力撕裂之強度P_sr，乃採直接判斷剪 力撕裂強度與張力撕裂強度大小，再依破壞模式選擇適用公式。

螺栓接合：

若F_tuA_nt F_suA_nv，

 



ty gv tu nt



u

sr F A F A n

P  / 3  / (4-32)

否則，



_{su nv tu nt}



_u

sr F A F A n

P   / (4-33)

銲接接合：

若F_tuA_nt F_suA_nv，

 



ty gv tu gt



u

sr F A F A n

P  / 3  / (4-34)

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否則，



su nv tu gt



u

sr F A F A n

P   / (4-35)

其中，A_gv為剪力全斷面積，A_gt為張力全斷面積，A_nv為剪力淨斷面 積，A_nt為張力淨斷面積。

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在文檔中 鋁結構容許應力設計規範之研究 (頁 83-98)