路燈桿底板下那道縫要不要灌漿:FHWA 指南對雙螺帽接頭一般不建議灌,調平螺帽底面離混凝土不超過一個錨栓直徑,上螺帽依直徑與等級從貼緊再轉 1/12 到 1/3 圈
號誌桿、路燈桿和門架標誌的底座,有一種是底板被架在一圈螺帽上,底板和混凝土之間留著一道縫,看起來像還沒做完。但美國聯邦公路總署(FHWA)2005 年出版的安裝與檢查指南,對這種「雙螺帽抗彎接頭」一般不建議灌漿,還規定下面那顆調平螺帽的底面離混凝土不能超過一個錨栓直徑。這份指南已在 FHWA 網站上封存,以下是它的內容,不是現行規範的整理。這篇要談的是這兩顆螺帽怎麼分工、怎麼鎖。依序回答五件事:預力存在哪一段、那道縫為什麼不灌、調平螺帽能架多高、鎖到多緊又怎麼驗證,以及檢查時要看什麼。閱讀約 10 分鐘。
兩種底座:底板坐在灌漿上,或坐在螺帽上
這份指南是 FHWA NHI 05-036,由 Collins Engineers 的 Garlich 與 Thorkildsen 撰寫,2005 年 3 月出版,對象是公路標誌、燈具與號誌的支撐結構。 FHWA 網站上的 PDF 每一頁都蓋著 ARCHIVED(已封存)浮水印,本頁整理的是這份 2005 年指南,沒有核對它和現行 AASHTO 規範、各州與業主的要求是否一致;實際做法以那些規範為準。
§6.7 介紹公路附屬結構幾乎都在用的兩種底座接法。第一種叫 threaded-shear-and-uplift joint:底板直接坐在混凝土或灌漿墊上,上面通常只有一顆螺帽,有時用兩顆。 指南要求這種接頭的底板必須和灌漿直接接觸,不能由調平螺帽或墊片撐著;它也提到,在反覆載重下底板會磨灌漿,錨栓的預力不容易保住。 NCHRP Report 469 因此不建議把它用在大型懸臂支架上,但指南出版時也寫了,許多燈桿和小型號誌仍常用它。
第二種是本篇的主角,double-nut-moment joint(雙螺帽抗彎接頭)。底板離開基礎,坐在每一支錨栓的調平螺帽上,上面再壓一顆上螺帽(或兩顆)。 指南說它可能適用於任何支架,而依 2001 年版 AASHTO 規範設計的懸臂支架必須用這一種。上螺帽與底板之間、調平螺帽與底板之間都要墊圈;底板傾斜超過 1:40 要用斜墊圈。
| 項目 | 底板坐在灌漿上 | 雙螺帽抗彎接頭 |
|---|---|---|
| 底板支撐 | 直接坐在混凝土或灌漿墊上,不可由調平螺帽或墊片撐著 | 坐在調平螺帽上,和基礎之間留空 |
| 螺帽 | 多半是上面一顆,有時兩顆 | 每支錨栓上下各一(上面可以兩顆),兩顆和底板之間都墊墊圈 |
| 壓縮力怎麼傳 | 由底板直接壓在混凝土上,不經過錨栓 | 錨栓要設計成承受全部軸力、彎矩與剪力 |
| 指南的看法 | NCHRP Report 469 不建議用於大型懸臂支架 | 可能適用於任何支架;2001 年版規範設計的懸臂支架必須用 |
預力只存在兩顆螺帽之間
底板既然架在螺帽上,在一般的配置下,鎖緊上螺帽時夾在兩顆螺帽之間的是底板和上下兩片墊圈。指南的原話是:雙螺帽接頭「只在兩顆螺帽之間施加預力,而且預力對強度沒有影響」。 它引 NCHRP Report 412 說,預力讓疲勞表現稍微好一點,但效果不大;調平螺帽以下那一段錨栓沒有這份鎖緊預力,但照樣承受外載與完整的疲勞循環。
那為什麼還要規定特別的鎖法?指南說「更重要的是」,預力確保各支錨栓之間有良好的載重分配。換句話說,指南強調的重點在分配,不在強度;良好的分配不等於每一支受力相同,彎矩本來就會讓兩側的錨栓受力不同。 同一節也說,錨栓的設計要承受全部軸力、彎矩與剪力,即使底板下面有灌漿也一樣。
分配為什麼重要,同一節的另一段可以接上:指南建議寧可用較多支小錨栓,也不要少數幾支大的;非贅餘且由疲勞控制的結構,錨栓群至少要 8 支。 8 支裡斷一支,相鄰錨栓增加的負擔還承受得了,通常要再過幾週到幾個月才會斷第二支;4 支或 6 支的群組斷一支,可能就立即倒塌。
那道縫要不要灌漿:指南說意見不一,但一般不建議
回到開頭的問題。指南自己寫「是否灌漿,意見不一」,接著說明它的判斷。在設計正確的雙螺帽接頭裡,載重全部由錨栓承受; 錨栓比灌漿剛,灌漿又會收縮(即使是所謂無收縮灌漿,也可能在底板下縮一點點),所以就算設計時假設灌漿會分擔,實際傳過去的載重也很少。 灌得好的灌漿也許能在非常大或預期外的載重下分擔一些;大型燈桿的底板常是環形,要擋住灌漿往環內流、又要把底下填滿,施工並不容易。
指南因此寫明:雙螺帽抗彎接頭「一般不建議灌漿」,並列出三個理由。
- 灌漿可能開裂、留住水分,促進腐蝕。
- 灌了之後,下螺帽就不可能檢查或回鎖。
- 為了在底板就位後灌漿,調平螺帽可能被架得太高,底面到混凝土的距離超過建議的一個錨栓直徑。
不灌漿的底板,指南建議在周圍圍一圈不鏽鋼網,擋住雜物堆積和動物進入,有電線時也順便保護。
州的規範可以比這更明確。德州交通部(TxDOT)的 Highway Illumination Manual 有一頁專講灌漿:約 1975 年以前要求燈桿底板與基礎之間灌漿, 之後判定灌漿會困住水分,造成桿身、底板、錨栓與螺帽的過度腐蝕,所以現有的桿要把灌漿移除,新裝的桿不可灌,錨栓清理後塗富鋅漆。 這是一個州的燈桿手冊,不能代表所有業主;但它和 FHWA 指南第一條理由指向同一件事。
這裡講的都是雙螺帽接頭。底板設計成坐在灌漿墊上的那一種,指南的要求正好相反:底板必須和灌漿直接密接。它舉的一種做法是先用墊片定高度、灌漿、抽掉墊片再補灌留下的空隙,完成支承之後才把錨栓完整預拉。 看到一道縫,先確認它是哪一種接頭,再決定要不要補。
調平螺帽能架多高:底面不超過一個錨栓直徑
第三個理由提到的「一個錨栓直徑」,出處在 §5.4 的吊裝程序。調平螺帽先放上去並調平,底面一般設在混凝土頂面上方約 6 mm(0.25 in); 桿子吊上來之後,把低的那一側的調平螺帽往上轉,讓底板水平。接著是這一句:為了把錨栓承受的剪力與彎曲降到最低,調平螺帽的底面不得高於混凝土頂面一個錨栓直徑。
以本站假設的 1 in(約 25 mm)錨栓為例,調平螺帽底面最高約離混凝土 25 mm;一般設定的 6 mm 是它的四分之一左右。 這段懸空的錨栓周圍沒有東西包住,底板的剪力和彎矩要經過它傳下去;架得越高,這段外露的長度越長。本站把「降低剪力與彎曲」那句話讀成在限制這段外露長度,指南沒有給計算,實際受力也和多支錨栓與底板的束制有關,不能當成單一懸臂來算。
同一份指南對底板本身還有兩條限制:底板一律設計成水平,不可以把底板在錨栓上斜放來做預拱,因為那樣幾乎不可能把錨栓鎖好(§5.3); 錨栓在混凝土達到 28 天規定強度之前,一般不應承受吊裝或使用載重,經業主或其工程師同意,最早可在 7 天後裝桿。
鎖到多緊:先用扭矩定「貼緊」,再用轉角給預力
知道預力只在兩顆螺帽之間,下一個問題是怎麼把它鎖出來。§6.9 的主要方法是轉角法;扭矩只用來定義「貼緊」(snug-tight)、檢查與回鎖。 指南的說法很直接:扭矩是安裝螺栓與錨栓的差勁方法,但除此之外沒有別的方式能定義貼緊、檢查與回鎖。
本指南對錨栓的貼緊另有定義(和 RCSC 規範對螺栓的定義不同):把螺帽鎖到驗證扭矩 Tv 的 20~30%。Tv = 0.12 × db × FI,db 是錨栓公稱直徑, FI 是安裝預力(單位是力):F1554 Grade 36 取規定最小拉伸強度的 50%,其他取 60%。係數 0.12 引自 Till 與 Lefke 的研究,指南說它適用於常見尺寸與鍍層。 潤滑是必要條件:錨栓的牙、螺帽的牙和螺帽的承壓面都要上潤滑,指南舉的是蜂蠟和馬桶密封蠟。
| 錨栓直徑 | F1554 Grade 36(端部塗藍) | F1554 Grade 55(塗黃)、105(塗紅);A615、A706 Grade 60 |
|---|---|---|
| 小於 1½ in | 1/6 圈(60°) | 1/3 圈(120°) |
| 大於 1½ in | 1/12 圈(30°) | 1/6 圈(60°) |
表下三條註:轉角是相對於錨栓量的,公差是 +20°(可以比規定角度多轉,最多 20°,不可少轉);只適用雙螺帽抗彎接頭;螺帽沒有密接底板,或底板外面斜度超過 1:40,要用斜墊圈。 端部塗色出自同一份指南的 Table 5,是 F1554 用來分辨等級的顏色。角度換算是本站算的。
順序是先上後下:上螺帽潤滑、以星形順序鎖到貼緊,再把調平螺帽以星形順序鎖到貼緊;這時檢查要不要加斜墊圈(步驟 11 寫的門檻是斜度大於 1:20),要加就拆開重來。 然後在每一支上螺帽的一個平面和底板上做對位記號,以星形順序分次轉,至少兩輪,轉到 Table 8 的角度,轉完再確認一次轉角。 懸臂式的標誌與號誌支架,指南要求分兩件吊裝(先立柱,再裝懸臂),因為整組組好吊在吊車上時,雙螺帽「幾乎不可能」鎖好(§5.3)。
假設一支 1 in(1-8UNC)的 F1554 Grade 55 錨栓。把規定最小拉伸強度(應力)換成力要乘哪一個截面積,那段公式沒有寫;這裡用螺紋的應力截面積 As = 0.7854 ×(1 − 0.9743/8)² ≈ 0.606 in² 試算: 規定最小拉伸強度 75 ksi × 0.606 ≈ 45.4 kips,FI 取 60% ≈ 27.3 kips,Tv ≈ 0.12 × 1 × 27.3 ≈ 3.27 in-kips,約 273 ft-lb、370 N·m。 貼緊是它的 20~30%,約 74~111 N·m;接著上螺帽再轉 1/3 圈,也就是 120° 到 140° 之間。這組數字是本站依指南公式的試算,不是指南列出的值,實際案子以設計圖與業主規範為準。
直徑大於 1 in 時,指南說扭矩可能大到要 3 m 長的加長桿;上螺帽可能要用油壓扭力扳手,或梅花(閉口)敲擊扳手接 3 m 加長桿,用大鎚敲或幾個人一起推。 鎖不夠會讓錨栓在反覆載重下疲勞、螺帽繼續鬆;比較少見的另一頭是鎖過頭,錨栓塑性變形或滑牙,可能要拆掉換新。
吊車放手之後,還有兩次扭矩驗證
轉角法給了預力,但轉完不代表牙沒有壞。§6.9 在吊車放手之後安排了兩次驗證,看的都是「再往下鎖需要多少扭矩」。Tv 和 1.1 Tv 是驗證門檻,不是用來取代 Table 8 轉角的安裝扭矩。
| 時間點 | 要確認什麼 | 做不到時 |
|---|---|---|
| 吊車放手後 | 再鎖上螺帽與調平螺帽,需要至少 Tv | 視為滑牙,通報設計者 |
| 至少 48 小時後 | 再鎖需要至少 1.1 Tv | 視為滑牙,通報設計者 |
| 之後 | 每 4 年至少確認一次 1.1 Tv 的維護計畫;沒有的話要防止螺帽鬆脫 | 可用鎖緊螺帽或其他防鬆裝置 |
用上面的假設試算,48 小時後的門檻約 407 N·m(本站試算)。驗證的對象是「上螺帽與調平螺帽」兩顆,不只是看得到的那一顆。
指南也談到點焊。把上螺帽上側點焊在錨栓上,有人用來防鬆或防竊,但 AWS D1.1 不允許,所以指南不能建議;真的要用,只限 F1554 Grade 36、55 或 A706 鋼筋。 任何螺帽都不可點焊在墊圈或底板上,調平螺帽也不可點焊。在混凝土裡面那一端,指南談的是另一件事:埋入端用螺帽當錨頭時,鎖錨栓時要防止它跟著轉, 方法是 Grade 36、55 在螺帽不受力的下側點焊,或任何等級的 F1554 錨栓都可以再鎖一顆鎖緊螺帽。
這套程序在錨栓埋進混凝土之前就先試一次:每批錨栓至少取一支,在 Skidmore-Wilhelm 軸力計,或等級、厚度與表面處理相當的模擬底板上,照鎖付步驟 2~14 調整後的做法,至少轉到 Table 8 的角度。試完拆下螺帽檢查牙,再由一個人用普通扳手、不加長桿,把螺帽轉過試驗時的位置再退出;需要的力超過「極小」就算牙受損。 牙有損傷,或達不到驗證扭矩,整批拒收(§6.8)。指南也承認小案子不一定做得到,建議在經濟上合理的大案子做。
檢查時看什麼:兩顆螺帽都要查
鎖好的接頭在使用中可能會鬆,這也是不灌漿的第二個理由的用處。§12.3.1 說,上螺帽和調平螺帽鬆掉,都會讓載重重分配、讓錨栓過載,檢查方式是用槌子敲聽或用大扳手確認。 §16.2.2 講得更具體:許多舊的懸臂支架總共只有 4 支錨栓,一顆螺帽鬆掉或不見,就可能讓剩下 3 支過載。
燈桿另有一條提醒(§12.3.3):高度不大的燈桿(指南舉例約 40 呎以下),查錨栓可能要先拆螺帽蓋;桿子在小風下也會微微擺動,所以建議在檢查開始和結束時各查一次錨栓螺帽, 調平螺帽可以碰到的話也要查。指南的 Figure 28 就是一張高桅燈桿調平螺帽鬆脫的照片。
這裡回到開頭那道縫。底板下留空,調平螺帽才有機會被敲到、轉到(指南的條件是「可以碰到的話」);灌了漿,指南的說法是下螺帽無法檢查、也無法回鎖。 相關的鎖付順序與回鎖,見本站為什麼要照順序鎖,以及為什麼有些接合要回頭再鎖一次; 「貼緊」這個詞在 RCSC 規範裡的原意,見最可靠的預拉方法,起算點是「一個鋼構工人使出全力」; 錨栓在柱腳的位置偏差,見鋼柱腳的錨栓有一半偏出 ±3 mm。
這一頁不能下的結論
指南是 2005 年的版本,FHWA 網站上標為封存;現行的 AASHTO 標誌、燈具與號誌支撐結構規範本站沒有讀到全文,沒有核對兩者是否一致,不在本頁範圍。 台灣的路燈與號誌規範也不在本頁範圍。原文有兩處沒寫清楚:斜墊圈的門檻在 §6.7 與 Table 8 註 c 是 1:40,在 §6.9 步驟 11 是 1:20; Table 8 印成「小於 1½」與「大於 1½」,恰好 1½ in 歸哪一列沒有寫。Tv 的試算假設了應力截面積,指南沒有指定截面積。 「架得越高、外露越長」是本站對指南一句話的讀法,指南沒有給計算。錨栓與基礎的設計強度、錨栓群要幾支,屬於結構設計,本頁不提供設計建議。 TxDOT 那一頁只代表德州的燈桿手冊。
這一篇不屬於六步中的任何一步。它橫跨各步,或者發生在組裝之後。導致它的那些決定是在哪裡做的,見指定一顆螺絲,那篇寫的是順序,以及為什麼順序做反了是重工。
常見問題
路燈桿底板和混凝土之間有縫,要補灌漿嗎?
先確認是哪一種接頭。若底板坐在調平螺帽上(雙螺帽抗彎接頭),FHWA 2005 年指南一般不建議灌漿,理由是灌漿可能開裂留水、促進腐蝕,灌了就無法檢查與回鎖下螺帽,而且可能讓調平螺帽底面高出混凝土超過一個錨栓直徑。若底板本來設計成坐在灌漿墊上,指南反而要求底板和灌漿密接。實際做法以業主與設計圖為準。
調平螺帽可以離混凝土多高?
FHWA 指南 §5.4 說調平螺帽底面一般設在混凝土頂面上方約 6 mm,而且不得高於一個錨栓直徑,目的是降低錨栓承受的剪力與彎曲。1 in 的錨栓,上限約 25 mm。
雙螺帽錨栓要鎖多緊?
指南用轉角法:上、下螺帽先以星形順序鎖到驗證扭矩 Tv 的 20~30%(貼緊),再把上螺帽轉 Table 8 的角度,例如直徑小於 1½ in 的 F1554 Grade 55 轉 1/3 圈,公差 +20°。吊車放手後與至少 48 小時後,各用扭力扳手確認再往下鎖需要至少 Tv 與 1.1 Tv。
為什麼下面那顆螺帽也要檢查?
調平螺帽鬆掉,和上螺帽鬆掉一樣會讓載重轉到其他錨栓。指南提到許多舊懸臂支架只有 4 支錨栓,一顆螺帽鬆就可能讓其餘 3 支過載;它的 Figure 28 就是高桅燈桿調平螺帽鬆脫的例子。
參考資料
- Garlich MJ、Thorkildsen ET(2005)—— Guidelines for the Installation, Inspection, Maintenance and Repair of Structural Supports for Highway Signs, Luminaires, and Traffic Signals,FHWA NHI 05-036(FHWA 網站標為 ARCHIVED)
- TxDOT —— Highway Illumination Manual,Grout(線上版,Manual Notice 2018-1)
- 為什麼要照順序鎖,以及為什麼有些接合要回頭再鎖一次
- 最可靠的預拉方法,起算點是「一個鋼構工人使出全力」
- 鋼柱腳的錨栓有一半偏出 ±3 mm:12 個案子實測,間柱 23% 偏超過 10 mm
- 吊車鬆手之前,兩根螺栓
FHWA 指南全文由本站讀過,頁碼為印刷頁碼;Table 8 由頁面影像核對。NCHRP Report 412、469 與 Till、Lefke 的研究經指南轉引,本站未讀原文。角度換算、一個錨栓直徑的公釐換算與 Tv 的試算(含應力截面積的假設,公式 As=0.7854(D−0.9743/n)²)是本站算的。
詢價
若需要同一案中的螺帽、墊圈或小規格螺絲,請在詢價寫上螺紋規格、強度等級、表面處理與數量;錨栓本身的規格請依設計者指定,我們會依那些條件回覆。
詢價
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