單一成份，具有抗防氣侯震盪水份臭氧及極度高低溫的卓越性能，適用於玻璃裝配及各種天氣下使用。
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| 設施園藝的定義與其功用： 設施園藝是藉由建築結構設計，並利用裝置設備來控制栽培環境，提供作物生產之適當環境，藉以達到提高產量，改善品質，穩定生產等目的之綜合技術體系。設施園藝通常以玻璃，塑膠農用膜及防蟲網等批覆資材建造成栽培 室，藉以保護室內作物生產，免於氣候災害(風、降雨、高溫及寒害等)，加上自動與半自動化技術控制栽培室內之環境，以達到穩定、優質的作物產量。 | |
 土耕番茄 |  水耕蔬菜 |
斜頂式溫室： 溫室屋頂形狀一般可分為圓拱型、山型及斜頂式，每種形狀各有其優缺點，例如圓拱型屋頂結構抗風性最好、玻璃溫室以山型溫室最為節省成本等等，而在這裡，則是針對以在相對環境(無降溫設備)之下，卻比圓拱型與山型溫室擁有良好的自然通風能力的斜頂式 溫室作介紹 。 利用熱空氣往上升的原理， 當屋頂通風口方向與自然風力相向時，屋頂通風口也會有吸力作用，搭配自然風力的推力，可以將熱空氣排出溫室之外，所以在無風扇水牆等降溫 設備下，斜頂式只要搭配遮陰設備即可以擁有不錯的降溫效果。 | |
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熱累積示意圖： 在陽光下，進入溫室的太陽能轉變成熱能。熱空氣向上，受到屋頂的阻擋而累積在溫室上方，而此熱量又因空氣對流作用向下傳遞，最後溫室內部溫度嚴重地高於外界大氣。相對的要排除熱累積，圓拱型與山型溫室必須時常依靠風扇水牆來降低內部溫度，但也 大大的提高所消耗的電費等能源成本。(當然圓拱型與山型溫室也可以增加天窗等設備) | |
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摘要：
大氣腐蝕環境的區分依據ISO 9223，可採用試片腐蝕速率量測與環境
因子的分類進行。過去台灣各單位研究台灣地區腐蝕環境時，均以試
片佈放的方式進行現場暴露試驗，鮮少採用環境因子分類研究；但因
暴露試驗場址的維護不易，台灣各地區多無10年以上的腐蝕試驗數據。
本文將彙集台灣氣象局公佈之相對濕度資料、環保署公佈之SO2濃度與
過去各單位調查研究之氯離子濃度數據，針對熱浸鍍鋅鋼材進行台灣全
島的大氣腐蝕環境分類。結果顯示，台灣西部以大甲溪為界，大甲溪以
北地區多為C4等級，大甲溪以南多為C3，沿海地區則為C5等級。
關鍵字：台灣、大氣腐蝕、環境因子分類、ISO 9223、熱浸鍍鋅、腐蝕速率
1.前言
金屬材料及其製品與所處自然大氣環境間因環境因素作用而產生材料變質或破壞之現象，稱為大氣腐蝕；而大氣腐蝕產生的原因主要是因金屬受大氣中所含水分、氧氣、和腐蝕性物質(如雨水中的雜質、灰塵、表面沉積物等)聯合作用而產生的破壞，其腐蝕速率是由水、氧在水膜間的擴散率、大氣中的氯離子含量、以及空氣中的污染物質如SO2、灰塵等所控制。因此，金屬在大氣中腐蝕的行為與速率，確有其地域性的區別。
台灣為一海島，四面環海，中央又有中央山脈分隔，高溫、高溼與高鹽份附著的環境，加上台灣工業蓬勃發展造成空氣污染的結果，大氣對金屬腐蝕的影響極巨。歷年來常因引用國外大氣腐蝕數據，且未針對台灣特有的大氣環境研擬適當的防蝕措施，以致金屬結構物之服務壽命未及設計年限就已鏽蝕損壞。
1971年起，台灣各研究單位如台灣電力公司、工業技術研究院、中華電信研究所、中國鋼鐵公司、台灣大學、成功大學等，均陸續進行現地大氣暴露試驗，即依據ISO 9223[1]，以量測試片腐蝕速率的方式進行台灣大氣腐蝕環境分類，然而因現場暴露試驗維護不易與缺乏相關研究經費，以致台灣各地區多無10年以上的腐蝕試驗數據。
有鑑於此，本文將彙集過去台灣氣象局公佈之相對濕度資料、環保署公佈之SO2濃度與過去各單位調查研究之氯離子濃度數據，進行台灣本島大氣腐蝕環境分類。
2.分析方法
2.1ISO 9223環境因子分類
國際標準化組織-ISO於1985年起於全球13國47處地點進行大氣腐蝕暴露試驗，根據這試驗工作成果，於1992年發佈ISO 9223(大氣腐蝕性分類)、ISO 9224[2] (各腐蝕環境中腐蝕率指標值)、ISO 9225[3] (污染量量測方法)、及ISO 9226[4] (標準試片腐蝕率量測方法)四項標準規範，根據這四項規範，只要在欲工作地點從事一年期之標準試片腐蝕率量測或潤濕時間量測及總污染量量測，根據量測結果，即可定義該處的腐蝕環境區分，再根據對照表即可得到該腐蝕環境區分之腐蝕率指標值。
換句話說，ISO 9223大氣腐蝕性分類標準是根據金屬標準試片在某環境中進行自然暴露試驗所得之腐蝕速率，或綜合某環境中大氣污染物濃度和金屬表面潤濕時間而進行分類，其中，潤濕時間(τ，time of wetness)是以全年中溫度高於0oC，相對濕度大於80%之小時數或百分比來區分，環境中大氣污染物濃度的嚴重性則是以空氣中SO2濃度或沉降量 (P, pollution by sulfur-containing substances represented by SO2)與氯鹽沉積量(S, pollution by airborne salinity)分別進行區分；
之後，將環境之腐蝕性依最初第一年的腐蝕率大小或環境之污染量，分為C1, C2, C3, C4與C5五個等級，C1表示腐蝕性非常低(very low)，C2表示腐蝕性低(low)，C3表示腐蝕性中等(medium)，C4表示腐蝕性高(high)，C5表示腐蝕性非常高(very high)。
表1至表3分別為ISO 9223中針對環境因子，如濕潤時間、氯鹽沉積量與SO2沉積量或含量的分類，表4則為綜合表1至表3各因子，進行大氣腐蝕環境分類之結果。
表1. ISO 9223濕潤時間分類
(資料來源：ISO 9223)
表2. ISO 9223氯鹽沉積量分類
(資料來源：ISO 9223)
表3. ISO 9223二氧化硫(SO2)含量分類
(資料來源：ISO 9223)
表4. ISO 9223-大氣腐蝕環境分類(以環境因子分類)
(資料來源：ISO 9223)
2.2台灣本島環境因子資料
本研究依據ISO 9223採用環境腐蝕因子分類，選擇的參數則包括濕潤時間、空氣中的氯鹽沉積量與二氧化硫含量，各參數之資料來源如下：
(1)濕潤時間：為1971至2000年間台灣氣象局全島各氣象站之相對濕度統計值。
(2)氯鹽沉積量：為1987至1992年間分別由工業技術研究院[5]、台灣大學[6]、
台灣電力公司或成功大學[7]進行大氣暴露試驗時所測得之氯鹽沉積量。
(3)SO2含量：為1998至2000年間環保署於各地空氣品質監測站所測得之SO2在空
氣中的含量。
3.結果與討論
3.1濕潤時間
大氣腐蝕是一種水膜下的電化學反應，空氣中水分在金屬表面凝聚生成水膜，與空氣中的氧氣是產生大氣腐蝕的基本條件。水膜的形成與大氣中的相對濕度密切相關，相對濕度的定義是指在某一溫度下，空氣中的水蒸氣含量與在該溫度下空氣中所能容納的水蒸氣最大含量之比值。
由於不同物質或同一物質的不同表面狀態，對於大氣中水分的吸附能力不同，因此，當空氣中相對濕度到達某一臨界值時，水分將在金屬表面形成水膜，促使電化學反應產生、腐蝕速率增加，此時的相對濕度值稱為金屬腐蝕臨界相對濕度，如鐵的腐蝕臨界相對濕度為65%。
此外，空氣中相對濕度還影響金屬表面水膜厚度與乾濕交替的頻率；如金屬表面有較薄的水膜存在時，大氣中的氧容易擴散至金屬表面，加速腐蝕；當水膜變厚時，氧的擴散阻力增加，腐蝕速率下降。
依據ISO 9223之定義，濕潤時間是指產生大氣腐蝕的電解質膜，以吸附或液態膜型式覆蓋於金屬表面上的時間，亦可以全年中溫度高於0oC，相對濕度大於80%之小時數或百分比計算；濕潤時間愈長，腐蝕總量愈大。
圖1為台灣本島各地區相對濕度大於80%的月數。圖中，除台北市、台中市與台南市外，大部份測站之相對濕度大於80%的月數均超過3.5個月；因此，各地區濕潤時間(hours)的計算是以RH大於80%的月數與720 hours/month之乘積表示。
圖1. 台灣本島各地區相對濕度大於80%的月數
3.2氯鹽沉積量
環境中相對濕度較低時，金屬表面的氯化物有助於液態膜的形成，且在腐蝕過程中會阻止氧化膜(oxide films)的生成，有助於陰極上氧的還原反應；然而當金屬表面已有氧化膜或鈍態膜存在時，氯離子則會破壞鈍態膜，產生孔蝕。大氣中Cl-與鐵反應之腐蝕產物為FeCl2，但因FeCl2不是緊密結合的化合物，所以Cl-很容易從氯化亞鐵中釋放出來，再與其他的鐵離子作用，進而加速腐蝕反應。
台灣各研究機構過去並未進行長時間的落鹽量調查，以致該參數較為缺乏；今彙整工業技術研究院(1987.7-1992.6)、台灣大學(1989.1-1990.1)、台灣電力公司、成功大學(1998.10-2000.6)之調查研究資料，如圖2所示。
圖2. 台灣地區氯鹽沉積量
3.3 SO2含量
SO2在水溶液中具有極高的溶解度(16.2g SO2/100g H2O)，且SO2與O2作用形成之SO22-會再和鐵循環作用，加速腐蝕反應。換句話說，在含SO2的大氣中，腐蝕反應包括下列步驟：
Fe + H2O → Fe(OH-)ads + H+
Fe(OH-)ads → Fe(OH)ads+ e-
Fe(OH)ads + SO42- → FeSO4 + OH +e-
由於FeSO4會與H2O作用生成FeOOH，而釋放出來的SO42-則再次與FeOH作用：
FeSO4 + H2O → FeOOH + SO42- + 3H+ + e-
因而加速腐蝕反應。圖3為依據環保署於1998至2000年間台灣各地空氣品質監測站所測得之SO2於空氣中濃度(μg/m2)之柱狀圖。
圖3. 台灣地區SO2含量
3.4台灣大氣腐蝕環境分類
過去台灣各研究單位進行大氣腐蝕環境分類均以試片腐蝕速率的量測進行區分，表5與圖4為工業技術研究院[8]與台灣大學[9]分別於1993-1994年與1989年針對熱浸鍍鋅試片進行一年暴露試驗所得之腐蝕速率與環境分類結果；其中，C5+表示熱浸鍍鋅試片的腐蝕速率大於ISO 9223規定C5等級腐蝕速率之上限值。顯然的，台灣大氣環境對於鋅金屬的腐蝕性，除奮起湖為C3外，各地多為C4以上環境，甚至部份地區，包括硫害環境的陽明山與海洋環境的林口電廠、台中港、麥寮等，均為C5至C5+的等級。
表5. 以熱浸鍍鋅試片第1年之腐蝕速率進行鋅金屬在台灣之大氣腐蝕環境分類
註：
1.資料來源：工業技術研究院[8]，*台灣大學[9]
2.試片：依據ISO 9226[4]製作之熱浸鍍鋅平板試片
3.試片尺寸：150x100x5 mm
4.暴露時間：1993.08-1994.07,*1989.01-1989.12
圖4.台灣大氣腐蝕環境分類- 以熱浸鍍鋅試片第1年之腐蝕速率進行區分
(資料來源：工業技術研究院[8],1993-1994，台灣大學[9], 1989)
表6為依據環境因子統計數據，將台灣西部地區，如基隆、陽明山、台北市、土城、樹林、林口市、蘆竹、新竹、苗栗、通霄、台中港、台中市、彰化市、崙背、奮起湖、嘉義市、台南市、興達港、高雄市等19個位置之濕潤時間、氯鹽沉積量與二氧化硫含量進行分類。
表6. 以環境因子進行鋅金屬在台灣之大氣腐蝕環境分類
資料來源：
工業技術研究院[5] (1987.7- 1992.6)
* 台灣電力公司
** 台灣大學[6] (1989.1-1990.1)
*** 推測值
****成功大學[7] (1998.10-2000.6)
由於部分地區無相對的參數數據(如濕潤時間、氯鹽沉積量或二氧化硫含量)，故未知參數值依地區之地理位置、距海岸線的距離與城市特性，以相臨地區之相對參數數據推估。圖5為大氣腐蝕環境分類結果
圖5. 台灣大氣腐蝕環境分類- 以環境因子區分
圖中，濱海區域的台中港為腐蝕最嚴重的C5，而通霄以北之苗栗、新竹、蘆竹、林口市與基隆為C4，樹林、土城與陽明山為C3 or C4，台北市則為C3；至於台中市以南，除沿海地區之興達港為C4外，其餘地區多為C3。
綜合言之，台灣西部大氣腐蝕環境分類可以大甲溪為界，大甲溪以北地區多為C4等級，大甲溪以南多為C3，沿海地區則為C5等級。
比較圖4與圖5，顯示若採用環境因子分類(圖5)，分類的結果與採用試片腐蝕速率之分類(圖4)有些許差異；即針對鋅金屬之大氣腐蝕環境，使用環境因子的分類結果較採用腐蝕速率之分類結果和緩。
主要原因是因圖4所示的大氣腐蝕環境區分是採用鍍鋅試片，而試片之大氣暴露與腐蝕速率的測量僅為1年期間；由於鋅與大氣接觸，鋅易氧化為氫氧化鋅，氫氧化鋅又易與空氣中的污染物：CO2、SOx、Cl-等氣體反應，在氫氧基與空氣介面間產生鹼性鋅鹽，這些氫氧化鋅與鹼性鋅鹽(俗稱為鋅白)，有保護鋅金屬抗蝕的功能。因此，當鋅白形成後，長期暴露鋅的腐蝕速率會較早期(第一年)暴露時的腐蝕速率為低，故若以第一年的腐蝕速率來推估鋅長期的腐蝕速率，可能會有過於估算的可能。
然而，環境因子分類的觀點是綜合長時間環境因子的考量，大氣腐蝕環境分類的結果可用以推估金屬長期的腐蝕速率，因此針對鋅金屬之大氣腐蝕環境而言，使用環境因子分類的等級較採用第一年腐蝕速率之分類等級和緩。但值得注意的是，在同一腐蝕等級的分類中，金屬的腐蝕速率為一範圍，有一最大值與一最小值(如鋅在C3等級之腐蝕速率為5＜rcorr 15g/m2/yr，rcorr為腐蝕速率)；因此藉由金屬所處腐蝕環境之等級推估腐蝕速率，進而計算金屬服務壽命時，必須考慮金屬所在位置距海岸線的距離與是否位於硫害之工業區內；若是，應選擇較大的腐蝕速率進行服務壽年評估。
3.5熱浸鍍鋅服務壽命評估
根據JIS H8641，熱浸鍍鋅的服務年限為鍍鋅量的消耗達90%以上的情況，如下方程式所示。
熱浸鍍鋅鋼橋之防蝕服務年限因所處之環境條件不同而異，目前台灣本土資料尚未完整，若採國外數據，應審慎評估。以林口高架橋為例，其螺栓六年鍍鋅平均消耗量約為120 g/m2/yr，若以日本地區之熱浸鍍鋅耐用年限評估(圖6)，在海岸地區鍍鋅消耗量約為13.2 g/m2/yr，其值遠小於林口高架橋所處海洋環境之消耗量，所以若採日本數據標準，將有誤導可能。
資料來源：日本鍍鋅協會
圖6. 日本地區之熱浸鍍鋅耐用年限
但以ISO 9223之環境腐蝕分類(圖7)，林口高架橋屬於C5+等級，若原始鍍鋅量為650 g/m2，則鍍鋅層約在8年左右會完全消耗，與實際情況類似；所以台灣熱浸鍍鋅鋼橋設計壽命計算建議應採ISO 9224之steady state腐蝕速率數據為宜。
圖7. 鋅在ISO 9224 steady state 之耐用年限
此外，依ISO 9224之腐蝕分類進行熱浸度鋅之防蝕設計時，如在C5腐蝕環境，鍍鋅鋼橋設計壽命為50年，則所需之鍍鋅量最大約為3967g/m2，由於所須之鍍鋅量過高而有實際上施工困難，所以構件除經熱浸鍍鋅外宜再予塗裝，塗裝系統之選擇可參考ISO 12944-5「熱浸度鋅於各腐蝕環境建議使用塗裝系統」，如表7所示。
表7. ISO 12944-5熱浸度鋅於各腐蝕環境建議使用塗裝系統
註：1)機械或化學方式之表面處理請參考ISO 12944-4。
2)耐久性與油漆塗料或熱浸鍍鋅表面有關。
3)若要求顏色及光澤維持率建議最後一道使用脂肪族PUR。
3.6台灣地區大氣腐蝕研究現況
隨著氣候變遷與工業的發展，為達到結構物耐久性防蝕設計的目的，目前若仍引用過去腐蝕因子之調查數據，腐蝕速率的估算恐會產生過與不及的虞慮。
因台灣過去缺乏整體性的大氣腐蝕研究，故自2007年3月起，工業技術研究院執行「台灣地區大氣腐蝕劣化因子調查研究」研究計畫，針對台灣全島地區進行大氣腐蝕劣化因子調查，完成台灣大氣腐蝕環境分類，並根據調查結果建立電腦查詢資料庫，規劃一適合台灣環境「本土化」需求的大氣腐蝕劣化因子查詢系統，以作為日後新建與既有金屬結構物之防蝕設計與維護管理的依據。
針對大氣腐蝕劣化因子調查，因相對溼度屬於氣象因子數據，可由氣象局與相關研究單位之調查資料蒐集分析，但氯鹽(Cl-)與二氧化硫(SO2)的沉積量屬於空氣污染物之調查，過去並無固定測站進行監測，故參考ISO 9225金屬及合金之腐蝕-大氣腐蝕性(污染之測定)規範，安裝氯鹽與二氧化硫沉積量採集裝置。
氯鹽沉積量採集裝置是以濕燭法進行，其原理為使用一個濕纖維織物表面，在已知面積的條件下暴露一段時間，再以化學分析法測定其氯鹽沉積量，並計算所得之氯鹽沉積率，以mg/m2•day表示。二氧化硫沉積量採集裝置是以二氧化硫在二氧化鉛硫酸化平板之沉積速率測定，其原理為大氣中二氧化硫與二氧化鉛會反應形成硫酸鉛，暴露一段時間後回收該平板，並針對平板上的附著物進行硫酸鹽分析以測定二氧化硫之含量，二氧化硫的沉積量以mg/m2•day表示。
此外，本研究將針對碳鋼、鋅、銅、鋁四種金屬，選擇適當位置進行現地暴露試驗並以重量損失法計算其腐蝕速率，試片製作的方式參考ISO 9226大氣腐蝕性測定標準試片製作，採用螺旋狀標準試片，試片的材料如下：
1)鋼：非合金碳鋼(Cu=0.03~0.10%, P < 0.07%)，2)鋅：98.5%以上之純度， 3)銅：99.5%以上之純度，4)鋁：99.5%以上之純度；
將以上金屬之線材，線材直徑2~3 mm，剪取約1000 mm長度，纏繞在直徑為24 mm的圓棒上，製成螺旋試片。
目前台灣全島已建置氯鹽沉積量調查77個試驗點，二氧化硫沉積量調查54個試驗點，現地暴露試驗調查88個試驗點，而取樣頻率均為每季與每年一次，以探討季節與區域之大氣腐蝕因子與金屬腐蝕速率變化。
4.結論
(1)依據過去環境因子分類，台灣西部大氣腐蝕環境可以大甲溪為界，大甲溪以
北地區多為C4等級，大甲溪以南多為C3，沿海地區則為C5等級。
(2)針對鋅金屬的大氣腐蝕環境，使用環境因子分類的等級較採用第一年腐蝕速
率之分類等級和緩；且以環境因子分類的結果，可推估金屬長期的腐蝕速率
與服務年限。
(3)浸鍍鋅鋼結構設計壽命計算建議應採ISO 9224之steady state腐蝕速率數據
為宜。
(4)自2007年3月起，台灣全島已建置氯鹽沉積量調查77個試驗點，二氧化硫沉
積量調查54個試驗點，現地暴露試驗調查88個試驗點，取樣頻率均為每季與
每年一次，以探討季節、年期與區域之大氣腐蝕因子及金屬腐蝕速率的變
化。
參考文獻
[1]ISO 9223/1992: Corrosion of metals and alloys-Corrosivity of
atmospheres-Classification.
[2]ISO 9224/1992: Corrosion of metals and alloys-Corrosivity of
atmospheres-Guiding values for the corrosivity categories.
[3]ISO 9225/1992: Corrosion of metals and alloys-Corrosivity of
atmospheres-Measurement of pollution.
[4]ISO 9226/1992: Corrosion of metals and alloys-Corrosivity of
atmospheres-Determination of corrosion rate of standard
specimens for the evaluation of corrosivity.
[5]蔡克群，“台灣地區大氣腐蝕環境分類與金屬材料腐蝕性”，鋼材大氣腐蝕
與焊接技術研討會論文集，防蝕工程學會，台北，p.3-20,1995.
[6]鄭福田、莊東漢、杜悅元、林勝南，”台灣地區大氣腐蝕環境因子調查”，
材料大氣腐蝕研討會論文集，防蝕工程學會，台北，p.17, 1991.
[7]“台南科技工業區結構物腐蝕及防治研究期末報告”，經濟部工業局委託，
國立成功大學材料防蝕研究中心執行，p.102-106,2003.
[8]楊巨平、陳天賜、陳新北、王燦耀，”台灣區大氣腐蝕調查與評估”，防蝕
工程學會八十四年度年會論文集，台北，p.201,1995.
[9]鄭福田、莊東漢、杜悅元、林勝南，”酸雨及大氣對金屬腐蝕之關係研
究”，材料大氣腐蝕研討會論文集，防蝕工程學會，p.101, 1991.
http://www.tiscnet.org.tw/readtech.php?pr_type=6&no=148
高強度螺栓鎖固之原理及應用介紹
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】
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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
