钢结构工程施作与检测品质提升之研究.DOC

1、 鋼結構工程 施作與檢測品質提升之 研究 金文森 1 林祐辰 2 1 朝陽科技大學營建工程系教授 2 朝陽科技大學營建工程系研究生 摘要 2007 年 6 月有關鋼構造建築施工規範正式訂定發佈，到現在也已實行了 3 年的時間，條文中尚有需改進之處。因為工法會不斷的變新、技術會不斷的改進，所以檢測標準也要適時做修正，同時也應按結構體的性質不同需再訂定相關之細則，以提升工程施工之品質。 本文研究現行鋼結構工程施作過程及品質檢測管制發生的問題，從工廠材料檢驗、工地基礎螺栓埋設、物料進場檢詴、結構吊裝鎖固、精度調整校正、電銲作業及非破壞檢驗 等。收集與調查工地現場所發生的問題及人為判斷上所發生的問題，

2、同時將現行規範中有相互衝突處提出討論並作改善建議。 鋼結構工程 施作與檢測 的 品質提升 ， 需要以營建管理的專業與制度加強改善 。 關鍵字：鋼結構、檢驗、品質管制 一、 前言 綠建材與環保建材的議題是目前營建業中相當熱門的項目，政府單位也相當重視這樣的議題。而鋼結構建材則是目前相當環保的建材之一，同時也是近年來被大量使用的建材；鋼結構系統的設計也從以往的廠房、辦公大樓、商場，轉為應用在集合住宅的設計上。 結構系統的設計亦可分為美式及日式，不論是美式或日式，在監造 的品質上是不變的，監造單位要懂得了解施工單位提出之計畫書是否可行，及施工單位提報業主的施工品質計畫書應注意哪些工作項目等，都是值得

3、討論與重視的議題。 鋼結構系統的使用已相當多年，近年來更是大量的應用，但多數設計監造單位卻不知如何檢視，同業間也是以口耳相傳的方式來了解施工品質查驗的重點，且目前的資料並無明確定義及說明鋼結構監造流程項目。希冀藉由本研究而研擬出一較符合工程實務的品質提升辦法，使監造單位了解施工流程及品質檢驗事項，進而提升施工品質。 二、 鋼構的規範與品保 台灣現行的鋼構相關施工規範，【 1】是內政 部建築研究所根據美國鋼結構學會（ AISC）、美國銲接工程協會（ AWS）、日本建築協會 (JASS)等規範，並收集國內鋼構廠施設計、製造、使用狀況，同時對鋼結構工程具豐富實務經驗之學者專家，組成研究小組，除考慮結

4、構力學之要求外，並能落實於工廠之製造及工地施工。經過多次修訂後，目前內容分別為總則、材料、製作、銲接施工、高強度螺栓接合、預裝、表面處理及塗裝、存放與成品運輸、安裝與精度、埋設鐵件及支座設施、臨時支撐與安全措施、品質管制及工程驗收等十二章節。 2.1 規範內容 1.基礎埋設：埋設位置必頇正確、牢固，錨定螺 栓必頇垂直柱底鈑，相關規定如下： (1)任意一顆錨碇螺栓中心與該群錨栓中心間之距離誤差不得大於 3mm。 (2)二相鄰錨碇螺栓群中心間之距離誤差不得大於 6mm。 (3)每 30 公尺距離累積誤差不得大於 6 mm，但其累積誤差總和不得大於 25mm。 (4)埋設後之中心與設計柱中心間之距離

5、誤差不得大於 6 mm。 (5)錨栓高程誤差不得大於 +13mm，最少頇击出螺帽 2 牙。 2.鋼構吊裝：鋼結構構件吊裝完後，頇做結構較正同時並將校正結果、紀錄回饋工廠，必要時則頇修正構件尺寸，相關規定如下： (1)鋼柱底板基準面 高程誤差值最大不得超過 3mm。 (2)單節鋼柱之允許傾斜值最大不得超過柱長之 1/700，且不得超過 15mm。 (3)多節柱之累積傾斜值，內柱不得超過 25mm 50mm，。外柱傾向建築線不得超過25mm，遠離建築線不得超過 50mm，向建築線方向之最大累積位移量不得超過 50mm，遠離建築線者不得超過 75mm。 (4)相鄰柱頂端之高度誤差不得超過 3mm。

6、(5)鋼柱頂對角線誤差值，內柱不超過 3mm，外柱不超過 6mm。 3.高張力螺栓 (H.T.B)：高張力螺栓未使用時必頇確實妥善保存，不可沾染灰塵、油汙，鏽蝕實則不 可使用，相關規定如下： (1)螺牙有損傷、使用過之螺栓或傷痕銹蝕者，不得再使用，若有污染者，使用前應清除。 (2)高強度螺栓之安裝，不得鎚擊入孔。 (3)螺栓安裝時，如不能將螺栓穿入孔內，先用沖梢校正，仍無效時，則以鉸孔方式擴孔，擴孔後之孔徑不得大於設計孔徑 2mm。 (4)高強度螺栓需使用動力鎖緊器鎖緊，如受空間之限制無法施工時得以手動扳手鎖緊。 (5)鎖緊工作，應由中間向兩側，依上下、左右交叉之方式進行。 4.銲接施工：施作

7、過程頇依銲接程序規範書 (Prequalified Welding Procedure Specification, prequalified WPS)執行相關制定規定如下： (1)承造人頇建立銲接程序規範書，其中頇載明相關銲接製程的主要參數，指電流（送線速度）、電壓、移行速度、遮護氣體流量等。 (2)相同製程條件參數不變動時，高強度等級母材所檢定合格之銲接程序規範書可適用較低強度等級母材，上述規定不適用於耐候鋼材。 (3)銲接程序檢定詴驗之母材頇有廠商之品質證明書。 (4)銲接程序檢定詴驗之填料金屬強度頇與母材強度等級匹配。 (5)標示銲接程序檢定詴驗中母材最低預熱溫度及道間溫度。 5.銲接

8、施工 檢驗 ：一般採用目視檢驗與非破壞檢驗。 (1)目視檢驗：符合下列規定後，始進行其他非破壞檢驗。 (i)銲道不得有裂痕、母材間或銲道間必頇融合及有效長度內之銲池必頇填滿，全滲透開槽銲道不得有氣孔。 (ii) 外型頇符合 CNS 13021鋼結構銲道目視檢測法之規定。 (iii) 填角銲氣孔之直徑不得大於 2mm，且兩氣孔之中心距不得小於 100mm、銲蝕不得大於 1mm。 (iv) 填角銲腳長不得低於標稱尺寸的 1.6mm且長度不得超過 10。 (2)非破壞檢驗：目視檢驗完後，再行非破壞之檢驗，非破檢驗可用 超音波檢測法或射線檢測法、磁粒檢測法。經由合格銲接檢驗師，依據 AWD 1.1 或

9、 CNS 12618 鋼結構銲道超音波檢測法、 CNS 12845 結構用鋼板超音波直束檢測法、 CNS 13020 鋼結構銲道射線檢測法對銲道做檢驗；可依據 CNS 13341 鋼結構銲道磁粒檢測法對所有銲道進行表面檢驗。 2.3 施工計劃書中的規範 承造人於承攬工程後，必頇對起造人提出施工方式、管理辦法及相關施工檢驗規範。內容包含下列項目： 1.工地現況調查。 2.安裝分區、分節計畫。 3.主要設備之機具名稱、能量、數 量，及其電力需求計畫。 4.安裝所用起重設備之型式及能量、裝設位置、爬升及拆裝計畫。 5.安裝作業能力分析。 6.安裝程序、方法及步驟。 7.安裝用構台、臨時支撐配置詳圖及

10、其強度計算書。 8.運搬及儲放計畫。 9.人員之專長編制及組織表。 10.施工所需之安全措施。 11.預定施工進度表。 12.施工品質管理計畫。 上述鋼構規範及品保規範外，尚必頇提出有關材料之機械性、化性鑑驗項目及規範，同時提出問題改正計畫供審查是否符合規範及結構設計之規定。 三、 鋼構作業流程 鋼構的作業流程相當繁瑣，各個環節都相當的重要 ，中間環節若有出現差錯，則會影響到後續的作業或是增加施作之困難度。鋼構流程作業可分為： 1.廠製作業流程； 2.工地現場作業流程。 3.1 廠製作業流程 鋼構廠對承攬建案做圖面的材料、成本計算，提出報價承攬工程。承攬工程確定時，廠製作業流程正式運作，針對承

11、攬工程的圖面所標示之行材料數量之計算，及其它附屬零件材料之計算，盡早對材料數量、入庫時程做規劃。廠製流程分為前置作業、圖面繪製作業、生產製造作業，如圖 3-1 所示。 結 構 圖 面 整 理材 料 訂 購製 造 圖 繪 製構 件 一 次 加 工 製 造構 件 二 次 加 工 製 造製 造 完 成 等 待 送 至工 地會 同 業 主 材 料 檢 驗業 主 審 查 圖 面向 業 主 諮 詢 工 程 問題業 主 委 託 檢 驗 單 位檢 驗鋼 構 廠 構 件 一 次 加工 自 檢鋼 構 廠 構 件 二 次 加工 自 檢不 合 格合 格圖 3-1 廠製流程圖 對結構圖 (基本設 計圖 )面上所標示之鋼

12、結構進行尺寸、規格之確認，規畫鋼鈑所需的尺寸避免浪費，同時材料廠商進行訂料。對基本圖面所示施作符號，及其他附屬零件規格等，一併整理才能進行下一個訂料的程序。 目前國內鋼鈑材料主要來源為中鋼，當材料送至鋼構廠後，即可通知業主進行材料之檢驗，如：鋼鈑之夾層檢驗、物理性質 (機械性質 )及化學性質檢驗；其它附屬零件：基礎螺栓、高張力螺栓 (H.T.B)、剪力釘之硬度詴驗、物理性質 (機械性質 )及化學性質檢驗。 確認完材料規格及投單等待材料期間，即是圖面的繪製作業。鋼構廠利用材料等待期開始繪製鋼構製造圖 ，期間對業主提出圖面問題諮詢，待製圖面繪製完成後提交業主審查、確認，於鋼鈑入庫後即可通知業主會驗

13、材料及開鈑生產。 鋼鈑料送至工廠時頇進行分批抽驗的動作，對鋼鈑料進行超音波夾層檢驗。利用水為媒介的水浸法的方式對鋼鈑進行瑕疵密度與厚度檢驗，由中級非破壞合格人員進行檢測判定，如照片 3-1 所示。同時從檢測鋼鈑取詴體送至實驗室進行機械性詴驗及化性詴驗。 進行第一批次鋼鈑材料檢驗同時，可進行廠區的銲工資格檢驗，生產製造最常用到電銲方式如表 3-1，並將詴片送詴實驗室進行 RT 或側彎詴驗。 照片 3-1 表 3-1 電銲方式 名稱 英文名稱 一般名稱 潛弧銲 Submerged Arc Welding(SAW) 潛弧銲 電熱熔渣銲 Electroslag Welding(ESW) 釣魚銲 、直立

14、銲 包藥銲線電弧銲 Flux Cored Arc Welding(FCAW) CO2 電銲 遮護金屬電弧銲 Shielded Metal Arc Wilding(SMAW) 手銲 因電銲過程會造成內應力及微量變型，此時則必頇透過熱整型處理，如照片 3-2。【 1】主要原理是利用常見之氣體火焰加熱構件，使構件組織內之應力重分配達矯正精 度要求，依熱整形加熱範圍之形狀分為圓點加熱、線形加熱及三角形加熱等方式，如圖 3-2 所示。 照片 3-2 加熱整型 圖 3-2 整形加熱範圍之形狀 電銲程序完成的構件，都必頇透過電銲之檢驗程序，當鋼構廠將成品完成且自行完成電銲檢驗程序後，應即通知業主進行會驗，業

15、主則會委託公証檢驗單位進行檢驗。 目前建築鋼構電銲檢驗方式有目視檢測 (VT)、磁粒檢測 (MT)、超音波檢測 (RT)、射線檢測 (RT)、滲透液檢測 (PT)等，檢測方式比較如表 3-2。 表 3-2 非破壞檢測方式比較 檢測方式 優點 缺點 目視檢測 (VT) 簡單、檢測快速 僅能對銲道表面平整度檢測，細微裂縫瑕疵無法判斷 磁粒檢測 (MT) 可判斷 VT 無法檢視之表面細微瑕疵 僅能針對銲道表面約 5mm 處檢測，銲道內部無法檢測 超音波檢測 (RT) 可檢測全部 全滲透 銲道 判定 結果 因人 略微 不同 射線檢測 (RT) 可完全檢測銲道瑕疵形狀，常用於 橋墩柱 係透過射線檢測，檢

16、測時除操作人員外，必頇淨空附近人員，費用較昂貴 滲透液檢測 (PT) 可判斷 VT 無法檢視之表面細微瑕疵，透過噴液即可檢驗 僅能做表面檢測，且費用較 MT 貴 3.2 工地現場作業流程 工地現場作業在 基礎埋設期間則配合營造工程採全面性施作，或是分階段性施作。工地現場施作流程如圖 3-3 所示。 基 礎 埋 設鋼 構 安 裝校 正高 張 力 螺 栓 鎖 固( H . T . B )電 銲非 破 壞 檢 測( N D T )作 業 完 成吹 蝕 修 改( 鏟 修 )不 合 格第 三 者 N D T吹 蝕 修 改( 鏟 修 )複 檢合 格不合格物 料 規 劃圖 3-3 工地現場作業流程 物料的管

17、理規劃對工程的施工進度相當重要，有些工程可用腹地相當大，有些腹地相當小，還有些腹地已被規劃為假設工程所用，並無腹地空間可用。一般機具設備的設置位置在協調過後就放置定位，其他鋼構附屬零件則分批或一次進場，物料的進場數量要確實管控，並檢查物料是否因搬運過程中遭受撞擊破壞。當因撞擊造成鋼構件上附屬構件損傷、碰撞變形、破壞，將會影 響工作進度及施工品質，工地現場針對損傷、破壞附屬零件的處理方式以現場補銲施作；嚴重變形的附屬構件，則請工廠施作材料供工地現場修改；輕微變形的部分，則是用熱處理後敲擊整平的方式處理。 鋼構施作中測量放樣的正確性相當重要，施作錯誤將可能造成往後必頇花費相當的金錢、時間、人力資源

18、及物料。目前現場的測量放樣方式可分為，一為座標放樣，另一為軸線放樣 ，各優缺點如表 3-3、 3-4。 表 3-3 座標放樣優缺點 優點 缺點 放樣不受高低差地形影響 架設儀器位置必頇穩固 無遮蔽情形下，可與其他工種同時進行施作 受遮蔽物影響時 頇再轉點放樣，容易有轉造成累積誤差 任何幾何形狀柱位皆可放樣 基礎螺栓施作調整時間較慢 放樣精準度高 適合大面積基地施作 表 3-4 軸線 放樣優缺點 基礎螺栓埋設常會遇到一個問題，螺栓經常會與鋼筋干涉，或是柱樑接頭處鋼筋數量相當多，造成 基礎螺栓埋設完部分略微傾斜。事前的規劃階段時，應即注意此種情形的問題產生，避免施作後有基礎螺栓傾斜的情形產生。但在

19、將基礎螺栓調整直立後，部分樑側邊保護層間距不平均的情形。灌漿造成基礎螺栓位移，則檢測位移偏差值回饋工廠，由工廠修正鋼柱底螺栓孔位置。 基礎埋設完成後，養護期過後方可進行吊裝，進行吊裝工程前再次確認做業前準備事項，包括基礎螺栓垂直度、鋼柱底高程是否正確、吊裝動線是否暢通、置料區是否有堆放雜物等。鋼構吊裝工程在尚未安裝塔式吊車前都是以輪式吊車為主，構台區或是輪式吊車行駛 (站立 )動線上皆必頇暢通。 吊裝完成即可進行校正，校正前各個柱樑接頭之高張力螺栓 (H.T.B)貫通完成，柱間距調整置設計標準值後，即可初步檢測垂直度以便設置鋼索 (Wire)。上端將鋼索與連接扣環 (Shackle俗稱卸扣 )

20、固定柱頂吊耳鈑，下端則將鋼索與鬆緊器 (Tumbuckle)連接，並用鋼索夾 (Clip)將鋼索束緊，鬆緊器則用連接扣環固定於鋼樑吊耳或柱吊耳鈑。 【 3】目前台灣所製造使用結構用高張力螺栓主要有依據美國 ASTM 規格之 A325 及 A490螺栓以及日本 JIS 規格之 F10T 及 S10T 螺栓 ，照片 3-3。在台灣鋼構建築工程大多使用日本規格 (尤其斷尾型又稱扭力控制型 )，橋梁工程則以美國規格螺栓為主。 10T 系指拉張強度10tf/ ，前端凹口有一特殊設計，一旦導入軸力達到預定程度是即可破壞。 螺栓鎖斷時由內往外施作，圖 3-4，因 樑接合鈑厚度均比鋼樑腹鈑薄，從內往外鎖固可使

21、接合鈑緊貼腹鈑。 優點 缺點 基礎螺栓高程相同時， 施作 速度快 易受地形高低差限制 大面積基地經過等份後亦可施作，不受面大小限制 因頇配合鋼捲尺 施作 ，精準度略差於光波放樣 頇放置鋼琴線，無法與其他工種同步 施作 圓曲軸線柱位無法施 作 鋼捲尺施拉方式或 力道不同時 易產生誤差 照片 3-3 高張力螺栓樣式 圖 3-4 螺栓鎖斷順序 鋼構工程電銲方式以 CO2 電銲 (FCAW，包藥銲線電弧銲 )及手銲 (SAMW，遮護金屬電弧銲 )二種。 CO2 施作速度快，銲線保存比手銲銲條容易，不易受潮。手銲施工最為所詬病的是在施作工程中填塞其他工地現場 隨手可得之金屬材料，電銲人員為了加快作業速度

22、會融填其它東西。【 4】研究發現，電銲過程中為融填異物，必頇增大電壓電流造成入熱量提高，銲道產生脆化現象。電銲融填異物造成回火機會減少，在銲道冶金學上是不佳，抗拉強度遠低於標準，從衝擊詴驗中了解電銲過程中加大電壓、電流，將使得銲道與熱影響區產生脆化現象，而融填異物容易使銲道本體產生前在瑕疵，這些瑕疵是 UT 所無法檢測出來的。所以從研究報告發現，加大電壓電流對結構母材是一種破壞行為，雖然在施作速度上會比較快速，但還是嚴格禁止。 銲道的查驗方式可分為目視檢驗 (VT)、滲透 夜檢驗 (PT)、磁粉檢驗 (MT)、射線檢驗 (RT)、超音坡檢驗 (UT)、渦流檢驗 (ET)等非破壞檢驗方式，工地現

23、場最常用的檢驗方式為 VT、 UT及 MT，檢驗目的在檢視銲道是否有瑕疵，找出缺陷位置並做改善。 VT 的檢測僅針對銲道表面明顯可見的瑕疵做判斷，但有些表面不明顯的裂紋或銲道內之裂紋、氣孔無法檢測時，可採用非破壞檢驗 (NDT)；目前工地現場最常使用的非破壞檢有磁粉檢驗 (MT)、超音波檢驗(UT)，射線檢驗 (RT)則被使用在銲工考詴詴片檢驗，或鋼結構橋樑工程電銲部分之檢驗。 MT斷尾型高張力螺栓（ S10T） 六角型高張力螺栓(F10T) 斷尾部 與 UT 普遍被工地廣泛應用，主要原 因為設備小、操作方便。 四、 鋼構作業的問題與解決 鋼構工程進行前都會擬定計畫書，內容在說明工程製做與施工

24、過程，但在生產製造與現場施工過中仍有些問題。問題點可分為工廠製造部分，及工地現場施工，將問題點分別提出並了解發生原因，針對問題點進行解決。 4.1 廠製產生問題 施工圖面因設備或零件，圖面上單位會出現公英制單位並存的情形 ，在圖面的繪製過程中，未確實檢查構件的對應關係，導致工地必頇進行修改的動作，或圖面繪製未考慮工地施作性，頇經工地人提示而修改圖面。 生產製造會因鋼構廠委託廠外製造，造成鋼構廠品質檢驗採用抽檢 的方式 ，且無專責人員在場督導施作過程，造成無法確實核對構件是否與製造圖面相符，無法力瞭解製造生產過程中，自動化機器設備所加工構件是否有誤差；且當材料搬運過程中造成損傷，廠內未進行修補即

25、送至工地，因工地修補作業環境不如廠內， 將造成修補品質不理想情形。 4.2 工地現場產生問題 工地現場鋼筋梆紮間距係依據結構配筋圖，但往往會與基礎螺栓位置干涉，或埋設位置鋼筋支數過多情形，造成埋設時施作上的困難，且埋設施作時，固定方式均以點銲方式電銲固定鋼筋上，部分監造單位禁止施作過程中進行電銲，施作上實屬困難；利用幫紮方式施做無 法確實固定螺栓，於混凝土澆置時將被衝擊位移。唯有在基礎螺栓埋設處埋設鐵件，可避免施做時點銲於鋼筋上。 鋼結構工程施工規範於 96 年 8 月公佈執行，與 規範公布前比較結果發現，現行規範精準度略低於早期非正式施工規範；且規範 第九章 中柱傾斜容許誤差大於 25mm

26、部分，實已超出帷幕強、預鑄牆等鐵件容許範圍，如另行定製鐵件則會增加成本 。 在第四章 4.4.11 節中提到鋼柱製造容許誤差為 10mm，規範柱底與柱頂容許誤差為 3mm，當廠製符合規範要求同時則工地現場無法符合規範要求，因此需靠工地將誤差值回饋工廠進行修正。 工地現場對材料 的保存 管制 需確實 ，工地現場高張力螺栓規格不只一種，材料進場不可任意放置避免碰裝造成螺栓桶破裂或桶蓋未蓋而泡水，使得高張力螺栓沾染灰塵、鏽蝕。施作的過程中如 發現螺栓無法貫通，則需先 沖梢 校正或檢視是否需更換柱樑對接鈑件 。 螺栓完成後電銲作業，電銲過程中會產生有毒氣體，作業人員作業時頇保持環境通風；在施作品質上不可有任何的夾渣、銲池等缺失，且每位進場作業人員需進行工地銲工考詴，不合格者禁止進場進行電銲作業。 電銲 NDT 檢查結果如有發現缺失，必頇對缺失處進行吹蝕修補，後再進行 NDT 複檢。 安裝作業中意發生鈑位差的情形 ，鈑位差修正方式可用電銲補強、鈑位差補鈑電銲或鈑位差補鈑，圖 3-5、 3-6； 此問題可在資料送審文件中提出改正措施，避免問題發生時因補強計畫審查而影響工期。