介紹

Hilti 的鋼構釘固定技術廣泛應用於建築、結構、機電等系統，作為將各類設備牢固連接至鋼材基材的解決方案。其中，X-BT 鋼構釘是一種需先對基材進行預鑽孔的固定方式，以確保鋼構釘能穩固安裝。如下圖所示（圖1），左側為利用 X-BT 鋼構釘將管道支架固定於鋼梁的實例，右側則為鋼構釘與基材連接的剖面示意圖。



圖1 - 管道支架以 X-BT 鋼構釘固定於鋼梁（左），以及鋼構釘與基材連接的剖面示意圖（右）

本文整理了 Hilti 所進行的分析研究，旨在評估預鑽孔及鋼構釘（本研究以 X-BT 鋼構釘為例）對建築用結構鋼材在靜態應力－應變特性上的影響。

結構鋼材的性能與設計原則

結構鋼的主要性能包括降伏強度(yield strength)、極限強度(ultimate strength)與延展性(ductility)。

• 降伏強度（fy）：指材料開始產生永久變形的應力值。在鋼材中，這是彈性行為轉變為塑性行為的臨界點，代表當外力移除後，材料將無法恢復原狀。
• 極限強度（fu）：是材料在頸縮（局部變薄）開始前所能承受的最大應力，代表應力－應變曲線的最高點，之後材料將逐漸破壞。
• 延展性：是材料在破壞前能承受顯著塑性變形的能力。具延展性的鋼材能在動態或極端載重條件下有效分散應力並吸收能量，確保結構具備足夠的變形能力與安全性[1]。

下圖 2 展示了結構鋼材的應力－應變曲線示意圖，標示出其屈服強度與極限強度。

圖 2 - 結構鋼材的應力－應變曲線示意圖

根據 Eurocode 3 [1]，在設計帶有孔洞的鋼構截面時，拉力承載力應取以下兩者的最小值：



其中，表示表鋼材的總斷面積，代表淨斷面積（即扣除孔洞面積後的截面）,和分別代表部分安全係數（分別為 1.00 和 1.25)而 k 是一個係數，當孔洞平滑（如 X-BT）時為 1.0，若孔洞粗糙或結構承受疲勞時則為 0.9。圖 3 顯示了兩個鋼構釘安裝在同一截面（左）與安裝在不同截面（右）的範例。



圖 3 - 鋼材截面（IPE 型鋼）安裝兩個鋼構釘的範例：左圖為同一截面上有兩個孔（垂直方向），右圖為同一截面上僅有一個孔 (水平方向)

分析這兩個公式可以看出，公式 1並未考慮鋼材斷面面積的減少，而公式 2則考慮了如孔洞等造成的斷面削減。透過這兩個公式，我們可以初步了解預鑽孔對鋼材斷面抗拉強度的影響。若預鑽孔要對抗拉強度產生影響，則必須有足夠數量的孔，使得公式 2 成為主導公式（即其計算出的抗拉強度低於公式 1）。

為此，Hilti 進行了分析，檢查在鋼材截面 IPE 180、IPE 200 和 IPE 220（鋼材等級為 S235 和 S275）中，每個截面需要安裝多少顆 X-BT 鋼構釘，才能使公式 2 成為主導公式。相關資訊顯示於圖 4 中。



圖4 - 不同鋼材截面與鋼材等級下，影響抗拉強度所需的 X-BT 鋼構釘數量。

從這裡可以看出，影響鋼材截面抗拉強度所需的鋼構釘數量，會隨著截面面積增加而增加，並且隨著鋼材等級提高而減少（影響更顯著）。

Hilti 的安裝方案每個截面最多允許安裝 3 顆鋼構釘，因此 X-BT 對所分析的型鋼截面不會產生影響，因為至少需要在一個截面（如 IPE 180，鋼材等級 S275）安裝 9 顆螺柱，並移除約 12% 的截面面積，才會對抗拉強度產生影響。IPE 180 型鋼（S275 鋼材）的詳細計算顯示於表 1。

表 1 - IPE 180 型鋼（S275 鋼材）抗拉強度的詳細計算。

透過測試進行分析

為了補充前一章的資訊，Hilti 也進行了靜態拉伸測試，以評估預鑽孔（用於安裝 X-BT 鋼構釘）對鋼材截面的影響 [2]

測試採用平板鋼試片（見圖 5），並變化以下參數：

• 基材厚度：8 mm 和 10 mm；
• 基材強度：S235JR 和 P355NL1；
• 鋼構釘數量：在試片截面上安裝一顆鋼構釘於中心，或安裝兩顆鋼構釘於截面內（見圖 5）；
• 鋼構釘安裝狀態：已安裝或已拔除。

共進行了 16 組測試系列。



圖 5 - 拉伸試片的幾何形狀、鑽孔幾何形狀及安裝狀態。

以 10 mm 厚的 S235 鋼板為例，共進行了 4 組測試：

• 一組為對照組(Control)（完全未安裝 X-BT 鋼構釘）；
• 一組在中心安裝 1 支 X-BT 鋼構釘；
• 一組安裝 2 支 X-BT 鋼構釘；
• 最後一組在中心安裝後再拔除 1 支 X-BT 鋼構釘。

此配置的應力–應變曲線顯示於圖 6。其他配置在比較 X-BT 鋼構釘對鋼材基材影響時，結果趨勢類似。



圖 6 - 10 mm 厚 S235 鋼板的應力–應變行為比較。

根據測試結果，可以得出以下結論：

• 對降伏強度沒有影響；
• 由於試片幾何形狀（截面非常小），預鑽孔對截面面積有顯著影響（安裝 1 支鋼構釘約減少 6%，安裝 2 支約減少 12%）。因此，極限強度略有降低；
• 整體行為仍保持延展性，在最大受力時的應變約為 10%。

本文探討預鑽孔安裝鋼構釘對鋼材的影響，採用兩種方法：

• 理論分析（依據 Eurocode 3）
• 測試方法

理論分析顯示，必須有相當數量的 X-BT 鋼構釘，才會對基材的抗拉強度產生影響。
測試結果證實，即使因預鑽孔導致鋼材截面顯著減少（最高達 12%），降伏強度並未受到影響，且基材仍保持延展性。

參考資料

[1] EN 1993-1-1:2022-11 - Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings
[2] H. Beck, M. Siemers, M. Reuter, and E. Schoeffendt, “Stahlbau Kalender – Powder-actuated fasteners and fastening screws in steel construction,” John Wiley & Sons, 2019.