鋼結構設計入門

「鋼結構設計」乃大專院校土木營建職類科系中不可或缺的科目，由於現代科技和鋼料生產技術的長足進步，加上鋼結構的多種材料優勢及設計師的巧思，讓造型多變及尺寸多元的鋼構建築物及構造物不斷推陳出新。本書是以去蕪存菁、簡單扼要、穿插圖片和照片的方式，介紹鋼結構設計的基本知識，屬實用型的大學用書，共分八章。第一章緒論，旨在說明結構的基本概念、結構如何分類、構件如何受力、分析及設計作業之準則、鋼結構設計之基本規範及方法；第二章鋼材之性質及力學行為，係說明鋼材之化學成分及產製方式、鋼材的力學特性及材料強度、鋼結構如何防火及防蝕、斷面如何表示；第三章軸向拉力構件，說明拉力構件之受力及變形、如何計算斷面積、受力極限，簡要介紹ASD及LRFD之強度、分析及設計內涵；第四章軸向壓力構件，介紹壓力構件之種類及強度極限、柱的彈性挫屈、非彈性挫屈及局部挫屈，以及簡要介紹ASD及LRFD之強度、分析及設計內涵；第五章梁構件，說明梁構件之受力及變形、梁斷面之塑性強度及形狀因子、結實性及側向扭轉挫屈，及簡要介紹結實斷面梁ASD及LRFD之強度、分析及設計內涵；第六章梁柱構件，說明梁柱放大係數、軸力及彎矩互制作用、梁柱構件ASD及LRFD之強度、分析及設計流程；第七章鋼構件接合方式，主要介紹高強度螺栓接合及焊接接合之相關內容；第八章鋼結構其他說明，簡單介紹合成構件及SRC結構、結構隔減震之相關工法及以鋼結構進行結構補強之方式。希望讀者在研讀本書後能獲得鋼結構設計之基本知識，對於有志參加公職及專門職業技師考試者，仍需再精研其他有助於考試的書籍，多多練習例題及演算歷屆考題，則金榜題名之日不遠矣。

許聖富

現職
華勝工程顧問有限公司執業技師
逢甲大學兼任副教授
台北科技大學、逢甲大學及生產力中心工地主任班講座
中華基礎設施研究發展協會共同管道技術委員會主任委員
台中市政府都發局委辦建築物指定勘驗技師
台中市政府建設局道路挖掘施工安全管理人員認證教育訓練班講座
台中市、苗栗縣及新竹縣水土保持服務團成員
公共工程委員會評選會議專家學者

學歷
比利時魯汶大學土木工程碩士、博士
逢甲大學土木工程系學士

經歷
工程顧問公司副理、專案經理、協理、總工程師
明新科技大學土木工程學系專任副教授
逢甲大學交通工程及管理學系專任副教授
考選部命題及閱卷委員

專技考試
土木工程技師高考及格
水土保持技師高考及格

再 版 序

時光飛逝，本書《鋼結構設計入門》自2017年3月初版發行至今，已進入第六個年頭。其間感謝出版社大力推廣、各校師生及業界賢達愛用順利完售。本書最大特色係採用諸多實景照片、圖片穿插在各章節內，藉以平衡學術理論內容的艱澀，同時也加深讀者對各種鋼結構的認識。
初版內容係作者為了趕上逢甲大學2016年度第二學期授課之用，除參酌其他作者成果，將多年蒐集之資料及平日隨身攜帶相機、手機所拍攝各種工程的照片，利用工作剩餘之有限時間（含假日加班），自行打字、繪製圖表、編撰而成。由於自行打字作業，後續提送出版社排版、校稿及印刷，時間均較為倉促，目前已發現初版內容有錯謬誤植之處，本次再版中已予以修正。倘仍有其他不妥或違誤之處，尚祈社會賢達不吝指正，賜教處請參初版自序第2頁。
對於有志參加公職及專門職業技師考試者，在學完本書基本內容後，仍需再精進研讀坊間其他有助於考試的書籍，多多練習例題及演算歷屆考題（可從考選部網站下載），在此亦預祝各位早日榮登金榜。

許聖富 謹序
土木技師、水土保持技師
二○二三年歲末於苗栗公館雙月園


自 序

「鋼結構設計」乃大專院校土木相關科系中，除了測量學、工程力學、結構學、材料力學、土壤力學、基礎工程、鋼筋混凝土等專業科目之外，一門不可或缺的科目。由於現代科技的進步、鋼料生產技術的提昇、造型多變及尺寸多元，加上鋼材原本就有的高強度、整體結構自重較輕及施工快速的優勢，使得鋼構的建築物有如雨後春筍般，不斷從地球表面竄出、升起，在其他構造物的應用上亦不斷推陳出新。
然而，鋼結構的分析及設計方法有ASD及LRFD二種主流理論（含不同年分的修正版次），以及2005年二種理論的整合版，加上公制（tf/cm2、tf/m2、kgf/cm2）及英制（ksi、psi）的使用，演繹出許多不同的計算公式；加上臺灣又有自已從ASD及LRFD二種理論基礎，所衍發出來的容許應力法及極限設計法。對於初學者來說，簡直可以用「眼花撩亂、暈頭轉向」來形容；而授課的老師們也會有難以取捨的感覺，一學期不過18週，第一週亦常有不上的情形，再扣除排定的期中考及期末考二週，加上一些國定假日、平常的小考及抽考等，整學期能真正上課的時數非常有限，講授內容的取捨真的不好拿捏。而不同的作者對於整體內容的取捨也十分困擾，讀者也不難發現，不同書籍的內容差異還十分明顯。
筆者自1989年從比利時學成歸國後，先後在逢甲大學及明新科大專任教職共五年多，其餘時間均在國內工程顧問公司服務，累積二十多年的工程實務經驗。2013年度因緣際會回到逢甲大學兼任，並在第二學期有機會在土木系進修部講授「鋼結構設計」課程，因每週僅上二節課，而坊間有關鋼結構設計的書籍，內容豐富詳實卻不盡然適合初學者。有鑑於此，為達提綱挈領、精簡扼要及減輕學子負擔（價格及重量，有些超過1.15公斤）的目的，本書主要以ASD（容許應力法）為主軸，增加少部份LRFD（極限設計法）的扼要介紹，並取名《鋼結構設計入門》。內容共分八章，第一章〈緒論〉、第二章〈鋼料之性質及力學行為〉、第三章〈軸向拉力構件〉、第四章〈軸向壓力構件〉、第五章〈梁構件〉、第六章〈梁柱構件〉、第七章〈鋼構件接合方式〉及第八章〈鋼結構其他說明〉。
為了趕上2016年度第二學期上課之用，作者乃利用有限的時間自行打字、撰寫、編制本書。復因作者隨身攜帶相機、隨時拍攝各種工程的照片。因此本書中才有許多的現地實景照片穿插在各章節內，藉以平衡理論內容的艱澀，也加深讀者對各種鋼結構的認識。由於打字作業、提送出版社排版、校稿及印刷時間較為倉促，錯謬誤植之處在所難免，尚祈社會賢達不吝指正。（賜教處：sanford877@yahoo.com.tw）
對於初學者，作者建議僅先針對ASD（容許應力法）的內容加以研讀，熟知其理論架構及內涵後，若還有興趣，再進一步去了解LRFD（極限設計法）的內容。對於有志參加公職及專門職業技師考試者，在學完本書基本內容後，仍需再精進研讀坊間其他有助於考試的書籍，多多練習例題及演算歷屆考題（可從考選部網站下載），如此方能克盡其功、早日金榜題名。

自　序
第一章 緒　論
1.1　鋼結構概說
1.2　鋼結構之分類及構件受力
1.3　鋼結構之分析及設計作業準則
1.4　鋼結構之基本規範及設計方法
第二章 鋼材之性質及力學行為
2.1　鋼材之化學成分及產製
2.2　鋼材之力學特性及強度
2.3　鋼材之防火措施及腐蝕防治
2.4　鋼構件之斷面表示法
第三章 軸向拉力構件
3.1　拉力構件之受力及變形
3.2　拉力構件斷面積之計算
3.3　拉力構件之受力極限及塊狀撕裂破壞
3.4　ASD拉力構件之容許強度及分析
3.5　ASD拉力構件之設計
3.6　LRFD拉力構件之標稱強度及分析
3.7　LRFD拉力構件之設計
第四章 軸向壓力構件
4.1　壓力構件之種類及強度極限
4.2　柱之彈性挫屈
4.3　柱之非彈性及局部挫屈
4.4　細長肢壓力構件之容許強度及分析設計
4.5　ASD壓力構件之容許強度及分析
4.6　ASD壓力構件之設計
4.7　LRFD壓力構件之極限強度及分析
4.8　LRFD壓力構件之設計
4.9　柱基板之設計
第五章 梁構件
5.1　梁構件之受力及變形
5.2　梁斷面之塑性彎矩及形狀因子
5.3　梁斷面之結實性及側向扭轉挫屈
5.4　ASD結實斷面梁之容許強度及分析
5.5　LRFD結實斷面梁之標稱強度及分析
5.6　梁構件設計之建議
第六章 梁柱構件
6.1　梁柱放大係數
6.2　軸力與彎矩之互制作用
6.3　ASD梁柱構件之容許強度及分析
6.4　ASD梁柱構件之設計
6.5　LRFD梁柱構件之標稱強度及分析
6.6　LRFD梁柱構件之設計
第七章 鋼構件接合方式
7.1 高強度螺栓接合
7.2　焊接接合
第八章 鋼結構其他說明
8.1　合成構材及SRC結構
8.2　結構隔減震
8.3　鋼結構補強
參考文獻

第一章緒　論
1.1鋼結構概說
「結構」係由一個或二個以上固體構件，經適當安排結合在一起的構造物，使能承受及傳遞荷重或作用力，且在加載或載過程中仍能維持穩固，不致發生明顯的變形。廣義的結構應包括：橋樑、房屋建築、廠房、庫房、塔架、棚架、門架、版、殼、牆、壩體、管體（含隧道）、槽體、機體（飛行器、船舶及車輛）、軌道、看板及標識牌架、燈具構件、人體骨架及器械、圍護欄阻設施等，其中部分偏屬機械工程範圍（如車輛及器械），部分不需特別經過力學分析來設計（如圍護欄阻設施及燈具構件），採用設計標準圖即可。而「鋼結構」則是由鋼料製成的固體構件（含鋼索）所組裝或建構而成的構造物，一如「鋼筋混凝土結構」（以下簡稱RC結構）係用鋼筋混凝土作為固體構件所施築而成的構造物。只是施工方法有所不同，前者多用銲接或螺栓或球節方式，直接快速的將鋼料構件接合起來，而後者則是用預拌或場拌混凝土逐步澆置在配有鋼筋的構件（梁、柱、版、殼、墻、桿、基礎等）斷面空間內，經過一定時間的養護，待強度達到容許值時拆模及表面處理而成。
愈來愈多的鋼材構造物（非僅限於鋼構高層大樓）出現在我們生活的週遭環境，鋼料構件之所以被建築師、技師及設計師們大量選用，必定有它的道理。
一、鋼結構的優點
1.總重量較輕、強度較大
不同於RC構件（混凝土抗拉強度僅約其抗壓強度的十分之一），鋼材則具有相同的抗拉及抗壓強度，且隨著煉鋼技術的提昇，目前的鋼材強度已經可以達到7000kgf/cm2，即使是一般的鋼材強度也有2500kgf/cm2，這已是一般混凝土強度（210kgf/cm2）的11.9倍。
鋼材的單位重（7850kgf/m3）雖然比RC構件（2400kgf/m3）約重3.3倍左右，但因鋼構材不像RC構件大都是實心全斷面，不論是I型、H型、口字型、中空圓型或其他組合型斷面，鋼構材的斷面積僅佔全斷面的10～20%之間。因此，鋼結構的總重量要比RC結構來得輕，更適合用於大跨徑及高樓層的結構物或建築物，一般RC結構的深跨比（梁深與柱間梁跨徑之比值，d/L）大約是1：12，鋼結構的跨深比可提高到1：24。因構件斷面大（尤其是柱子，常見RC結構大樓地下室極大斷面尺寸的柱子），空間的使用性就愈低、經濟性也愈低；鋼結構之總重量較輕，對抵抗地震力作用也更為有利，因為總橫向作用力與建築物的總自重成正比。
2.材料韌性高
由於鋼材韌性高，能夠吸收較大作用力所產生的能量（如車輛超載或動力載重所產生者），即使發生較明顯的變形，構件也不會有突然斷裂的情形發生。
3.結構造型可以多變
隨著現代科技的突飛猛進，鋼鐵廠已能精準的生產出造型多變、尺寸多元的鋼構件（包括3D曲線），這項生產技術讓建築師或設計者能有更廣闊的揮灑空間（如圖1-1），予人增添賞心悅目的感覺，也擺脫過去結構物給人生冷及呆板的印象；加上RFID技術（無線射頻）的應用，再多的複雜構件運到現場經讀取器（Reader）掃描構件上的晶片（Tag），就能清楚判讀它們的組裝樓層及位置，迅速進行吊裝組合。
4.材料均質性高、品質容易管控
鋼材工廠通常有電腦化控制的標準作業流程，在生產製造過程品質容易管控，故具有極高的等向性及均質性，而且在降伏應力的範圍內材料呈現幾乎完美的彈性現象。因此，鋼結構的實際受力行為較能符合事前力學分析的預期結果，不致出現過大的落差。
5.施工組裝容易、工期短
相較於RC結構，鋼結構的施工顯得快速簡便許多，因混凝土材質澆置時需要振動搗實，澆置後需要養護且要等28天（或使用早強水泥）強度才會達到預期的結果，較高樓層的澆置作業需要好的流動性及強力的泵浦車，否則一旦預拌混凝土在輸送管中途卡住，要花許多時間找出卡點、排除障礙及清理殘料等，倘若現場作業工人任意加水，又會影響混凝土的品質及強度。
鋼的構件可以大量預製，尺寸精確且快速，必要時可以在工廠完成「假組裝」，以確認所有構件都符合設計需求，之後再行拆並運至工地，吊運至各樓層以銲接方式或用高強度螺栓正式進行快速組裝。
6.構件拆解容易、可回收再利用
RC構件一旦凝固就很難拆除，通常需要動用破碎機械，甚至使用炸藥或爆裂物，而且拆除後剩餘的殘料除了鋼筋之外，無法回收再利用，多數混凝土塊只能棄置或敲的更碎後當作臨時性的填土材料。而鋼料的拆除就方便許多，原來用銲接的或是高強度螺栓日久生鏽彼此沾黏，都可用乙炔進行切割拆解，之後進回收場處理，或是全組鋼結構完整拆解後運至他處完整的組裝再使用，例如位於台中市后里區麗寶樂園的摩天輪，即為購自日本福岡的中古摩天輪（高120m，圖1-2），號稱全臺灣及亞洲最大的摩天輪。
二、鋼結構的缺點
1.不耐高溫及低溫
鋼材表面溫度在200℃時，強度的變化不太顯著，但溫度上升至 300～400℃時，其強度及彈性模數即明顯下降，到400℃時強度幾乎消失。反之在極低溫的環境下，鋼材很容易發生脆性破壞。因此，對於耐火性要求較高之鋼構造物，必須注意加強保護措施，如在鋼構件外面包一層混凝土或其他防火材料（石膏板、防火塗料、蛭石板或化學隔熱塗料等）。相對地，鋼料在極低溫的環境下會有脆化之傾向，因此，在寒帶地區或酷冷環境下建造鋼結構須另外考量脆化行為，避免造成無預警的瞬間解體。
2.耐腐蝕性較差
鋼質構件經過完整的除鏽處理，並在其表層塗裝合格的防鏽材料，可以減緩鋼材腐蝕的問題。但臺灣地區空氣環境中常帶有侵蝕性的物質，尤其是鄰近海域的鋼結構，須特別注意其潮濕且具有腐蝕性的作用，加強構件之防鏽處理，或採用熱浸鍍鋅及耐候型的鋼料，以免造成鋼結構嚴重的腐蝕，影響其使用品質及結構壽命。
3.構件有挫屈風險
結構構件中細長構件承受軸向壓力作用時，在束制條件及細長比達到一定的情況下（如第4章所述）會有挫屈（buckling）的風險，其中一種就是在垂直於作用力（構件）的方向上突然產生很大的側向位移，造成構件之破壞；另外H型鋼的梁構件在無足夠側向支撐及非結實斷面的條件下承受彎矩作用時，也可能會產生彈性及非彈性側向扭轉挫屈（lateral torsional buckling）現象。
4.焊接作業技術需求高
愈來愈多的鋼結構採用高強度螺栓進行接合，因為品質容易受到控制。但仍有不少的鋼結構是使用焊接方式將構件進行接合，此時，焊接作業的工人必需由受過一定時間之操作訓練，並經過政府機關委託或指定或授權的專業機構檢測合格、領有技術士證照者擔任；而且焊接作業完成後還需經過目視及儀器的檢測，確定焊接品質無虞。
5.有殘餘應力問題
鋼構件在生產製造過程中或焊接加工、冷作時，因內外溫度的冷卻速度不同，以及受力過程中所產生的非彈性變形，容易留下較高的殘餘應力，從而改變鋼構件之強度及鋼結構之整體力學行為。（註：巨積混凝土也有因內外溫度的冷卻速度不同所產生的後續問題）
6.構件需要定期維護
鋼構件為了避免環境造成的鏽蝕，表層需要定期刷漆保養，如臨海港、臨河道的鋼構大橋，每3～7年就要重新清理表層脫漆，再重新塗裝防鏽漆。因此，有些鋼構大橋就有固定的維護工人，他們的工作就是從大橋的一邊開始、漸次移動到另一邊，每天的工作就是清理鋼構件的表面、塗漆，週而復始，一輪下來就是一個保養週期，甚至有工人在同一座大橋工作一輩子直到告老還鄉為止。
1.2鋼結構之分類及構件受力
在進入鋼結構分類之前，吾人須先對結構及構件之力學行為、束制條件、作用力及接合方式有一整體的初步認識，將有助於後續內容之了解。
1. 靜力和動力：靜力即結構所承受之作用力大小與時間無關者（通常是定值），反之動力則是結構所承受之作用力大小會隨時間的改變而有所不同，如地震力（作用力方向、正負值及大小隨地震波的到達而改變）、風力（颱風或颶風作用期間風向及作用力大小隨時改變）、機械力（置於廠房版梁上面的動力機械常會產生週期性的反復作用力）等。
2. 平面及立體結構：平面結構係指所在的位置屬於二度空間（2D，X-Y、Y-Z、X-Z軸），而立體結構所在的位置則屬於三度空間（3D，X-Y-Z軸）。
3. 束制條件：一般結構端部及非端部的束制條件可分為自由端、輥端、鉸端、固定端及彈簧端（線性彈簧及旋轉彈簧）。
4. 構件作用力：拉力或張力（沿構件軸向施拉，鋼索只能受拉）、壓力（沿構件軸向施壓）、扭力（繞著構件軸向旋轉）、彎矩（繞著垂直於構件軸向旋轉，可有二向作用力）、剪力（順著垂直於構件軸向剪切，可有二向作用力）、溫差（溫度不同所產生的構件軸向伸縮）。
5. 節點接合方式：較常用的鋼構件節點接合方式為螺栓接合及焊接，對於鋼桁架結構，早期尚有鉚釘接合（現在已少用），近代的鋼桁架及鋼棚架結構另有使用鋼球作為節點之接合（簡稱球節接合，如圖1-3所示）。
6. 線性及非線性：結構在受力情況下如果構件材料維持在彈性範圍內，則屬於線性結構，構件不會產生永久變形；反之，構件材料已進入塑性範圍時則屬於非線性結構，亦即構件將產生永久變形，無法回復原來的形狀及尺寸。