斜華司的 8% 和 14%,是型鋼的數字不是華司的數字

閱讀約 9 分鐘。型錄用斜度標斜華司:DIN 434 是 8%、DIN 435 是 14%、ASTM F436 是 1 比 6。沒有一頁說這個數字打哪來,也沒有一頁說什麼時候需要它。這兩個答案都在免費文件裡,而四個斜度之中有一個,正好落在門檻上。

三個數字,沒有一個被解釋過

斷面是楔形的方形華司有好幾種叫法:斜華司、斜度華司、楔形墊圈。經銷商的頁面用楔形的斜度 來標它,而會出現的是這三個數字:

編號斜度頁面上寫的用途
DIN 4348%U 型槽鋼
DIN 43514%I 型鋼
ASTM F436 斜華司1:6美規 American Standard 工字樑與槽鋼

賣它的頁面到這裡就停了。沒有說為什麼是 8 而不是 10,沒有說為什麼美規那個寫成比值而德規 那兩個寫成百分比,也沒有說你眼前這個面到底需不需要一片。最後那個問題才是現場要決定的, 而它有一個公開的答案。

門檻是 1:20,而且免費讀得到

Research Council on Structural Connections 發行《Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts》。2020 年 6 月 11 日這一版是免費 PDF。它的第 3.1 條在講到 華司之前,先對幾何本身設了限制:

與螺栓頭及螺帽接觸的零件表面,其斜度相對於垂直螺栓軸的平面,應小於或等於 1:20。

第 6.1.1 條才替超過這個限制的情況指定辦法:

當接合外側面相對於垂直螺栓軸的平面的斜度大於 1:20 時,應使用 ASTM F436 斜華司, 以補償該處的不平行。

兩條並排讀,界線是清楚的。第 3.1 條允許斜度等於 1:20;第 6.1.1 條要斜度大於 1:20 才 觸發。正好落在那個數字上的面,在允許範圍內,什麼都不用加。這個讀法在本頁後面會變成 重點,因為有一種量產型鋼正好落在那裡。

在彎的是螺栓

第 3.1 條的 Commentary 給了理由,而那句話的主詞值得注意:

結構螺栓組件在施加預力時,其延性一般足以讓它變形去順從斜度小於或等於 1:20 的表面。 更大的斜度並不理想,因為由此產生的局部彎曲會同時降低螺栓的強度與延性。

這一段可以推出兩件事。淺的斜面由扣件自己吸收:上預力的時候組件會變形去貼合那個面, 所以沒有任何華司被要求做事。而超過限制之後壞的不是「少了一片華司」,是螺栓正在被局部 彎曲,而 Commentary 列的後果有兩項而不是一項——強度與延性一起掉。

延性是被摘要掉的那一項。強度掉了的螺栓,是一個比較小的數字;延性掉了的螺栓,失去的是 它本來會在失效之前給出的預告。只有其中一種會出現在計算裡。

斜度是從哪裡來的

會有好幾個數字而不是一個,是因為華司在抄東西。早期的熱軋型鋼,翼緣內側做成錐形, 因為那個錐度對軋延有幫助。ArcelorMittal 現行的型鋼目錄把斜度直接印在每個系列的頁面上, 數字是這些:

型鋼翼緣內側斜度對得上的華司
IPN 工字鋼14%DIN 435(14%)、DIN 6917(14%)
UPN 槽鋼,h ≤ 3008%DIN 434(8%)、DIN 6918(8%)
UPN 槽鋼,h > 3005%DIN 6918 的 5% 型
美規 S 型工字樑1/6ASTM F436 斜華司(1:6)
美規 C 型槽鋼約 16⅔%ASTM F436 斜華司(1:6)
IPE、HEA、HEB、UPE平行不需要

把中間那一欄由上往下讀,華司編號就不再像是幾份各有主張的標準。每一個都是一片早就存在的 翼緣的配對半邊。華司上的數字,就是型鋼上的數字。

第三列打破了這個故事的整齊版本,值得停下來看。UPN 槽鋼系列不是只有一個斜度: 高度 300 mm 以下是 8%,300 mm 以上是 5%,在同一張目錄頁上印成兩欄。 「UPN 是 8%」這句話,對系列的大部分是對的,在系列的頂端是錯的。

華司標準在型鋼轉彎的地方跟著轉

REYHER 的緊固件技術手冊有一張方形華司的識別表,列出斜度與每一種在面上銑的溝槽數:

DIN斜度溝槽數
4360%—(平的方華司)
4348%2
43514%1
691714%1
69188% / 5%2 / 0(„Form A“)

DIN 6918 被列了兩個斜度,8% 與 5%,而那正是 UPN 槽鋼系列的那兩個斜度。 華司標準在型鋼標準分岔的地方跟著分岔。這是本篇這個說法能拿到最直接的證據, 而它出現在一本講華司的手冊裡,不是在任何講型鋼的資料裡。

溝槽數是現場識別用的。幾公厘厚的零件,8% 跟 14% 用眼睛分不出來,所以標準在面上放了 一個數得出來的特徵:8% 的兩道,14% 的一道。

拿尺寸去驗那個斜度

同一頁的尺寸表把厚度寫成兩個值,厚端與薄端,旁邊也給了兩個邊長。這樣就足以不靠表頭 自己把斜度算回來。斜度 =(厚端 − 薄端)÷ b,本站把表上印的每個尺寸都算了一次:

尺寸DIN 434 算出來DIN 435 算出來
M88.18%14.09%
M128.00%14.00%
M168.06%13.89%
M207.95%14.09%
M228.00%14.00%
M248.04%13.93%
M308.06%14.03%

算術在整個尺寸範圍上都重現了那兩個標題數字,離散的幅度就是尺寸取到 0.1 mm 該有的樣子。 M8 在兩欄裡都是最鬆的一個,它被列在這裡而不是被拿掉,因為一張只放對得上的尺寸的表, 不能算是驗算。

這個驗算做得成,是因為那本手冊定義了它的欄位。另一份 DIN 434 的經銷商規格書同樣附了 M8 到 M27 的完整尺寸表,卻一個欄位都沒有定義;用三種讀法在它上面試算,得到 5% 到 9% 之間的答案,那量到的是缺席的欄位定義而不是這個零件。

把斜度與門檻換成同一個單位

門檻寫成比值,大部分斜度寫成百分比,光是這件事就足以讓比較看不出來。換算是任何人都能 重做一次的算術:

斜度換成百分比對照 1:20 的門檻
1:20(門檻)5%
UPN,h > 3005%正好等於
8%(DIN 434、UPN h ≤ 300)8%超過
14%(DIN 435、IPN)14%超過
1:6(ASTM F436、S 型)16.7%超過

錐形翼緣的那幾個系列都在門檻之上,這是整套安排的合理性檢查:這些華司會存在,是因為 它們要去的那些面,超出了螺栓自己吸收得掉的範圍。有意思的是第二列。UPN 320 或 UPN 400 的翼緣是 5%,也就是 1:20 整,而第 6.1.1 條要大於 1:20 才觸發。

兩份來自不同國家、不同體系的文件落在同一個數字上,而本站沒有任何證據說其中一份是 看著另一份寫的。能講的是各自寫了什麼,以及它們對「螺栓到哪裡就撐不住了」有一致的看法。

這篇沒有確定的事

  • 沒有讀到任何一份 DIN 華司標準。DIN 434、435、436、6917、6918 全部 要付費。斜度、溝槽數與尺寸來自 REYHER 的技術手冊,那是緊固件商的文件而不是標準本文。 它與本站查過的其他經銷商資料一致。
  • ASTM F436 沒有讀。1:6 與適用型鋼來自型鋼目錄與供應商。本頁沒有出現 那份標準裡的任何硬度、尺寸或材料數值。
  • 斜度不是 EN 10365 給的。百分比是 ArcelorMittal 印在自己的目錄頁上 的,同頁註明尺寸依 EN 10365:2017、公差依 EN 10279:2000。斜度那個數字是鋼廠的。
  • 2024 年版本本站沒有自己確認。交叉查核回報 DIN 434:2024-10 與 DIN 435:2024-10 是現行版、沒有被 EN 或 ISO 取代。發行方的目錄頁要付費才看得到內容, 所以本站沒有親自確認,這裡把它當線索寫出來而不是當事實。
  • 1:20 屬於結構螺栓。那是高強度結構接合的規範,沒有理由就不該把它 搬到一般機械組裝上。能搬的是機制:不垂直的座面會把扣件彎掉。

有一個更正值得記下來。本頁的初稿寫「UPN 系列錐形、約 8%」,就這樣。交叉查核把它挑 出來,型鋼目錄證實了那個質疑,而那個例外後來比原本的概括更有意思。

同一個幾何,小一號

上面沒有一段在講小螺絲,結構型鋼也不是我們做的東西。會跟著走的是機制而不是數字。 座面只要不垂直於螺絲軸線,頭部就會偏一邊受力,而螺絲越小,需要的偏差就越少—— 一個毛邊或一個成型脫模斜度,在 M2 的頭下就可以是全部的誤差預算。 本站的華司規格那篇寫了平華司做得到與做不到 的事;華司該放哪一側那篇處理的是另一個 一直被問、而只有一份文件真的回答了的問題。

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

什麼時候才真的需要斜華司?

RCSC《Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts》2020 版第 6.1.1 條規定:當接合外側面相對於垂直螺栓軸的平面的斜度大於 1:20 時,應使用 ASTM F436 斜華司。第 3.1 條把同一個 1:20 訂為與螺栓頭及螺帽接觸的表面的限制,而且允許斜度等於它。這是結構螺栓的規則,不是通用的機械設計規則。

為什麼門檻是 1:20?

第 3.1 條的 Commentary 是用螺栓而不是華司來解釋的:結構螺栓組件在施加預力時,延性一般足以變形去順從斜度小於或等於 1:20 的表面;更大的斜度並不理想,因為由此產生的局部彎曲會同時降低螺栓的強度與延性。要注意它列了兩項損失,而延性是這條規則被轉述時最常被省略的那一項。

UPN 槽鋼的翼緣是 8% 嗎?

高度 300 mm 以下是。300 mm 以上是 5%。ArcelorMittal 把兩個數字印在同一張目錄頁上,分成兩欄,分界就在 h = 300。華司那一側也反映了這件事:REYHER 把 DIN 6918 列成兩個斜度,8% 與 5%。「UPN 是 8%」這句話對系列的大部分是對的,在系列頂端是錯的。

DIN 434 跟 DIN 435 差在哪?

REYHER 的識別表列:DIN 434 是 8%、兩道溝槽;DIN 435 是 14%、一道溝槽;DIN 6917 是 14%、一道;DIN 6918 是 8% 或 5%。溝槽數是現場識別用的,因為幾公厘厚的零件上,8% 跟 14% 用眼睛分不出來。這幾份標準本站都沒有讀到,都要付費。

EN 14399-6 是不是取代了 DIN 434 與 DIN 435?

不是,而且這個混淆值得指出來。EN 14399-6 是預拉高強度結構螺栓用的 plain chamfered washers——孔口有倒角的圓形平華司,不是整片帶 8% 或 14% 楔形斜度的斜華司。預拉結構這一族裡的硬化楔形華司是 DIN 6917 與 DIN 6918。

現在的型鋼還需要斜華司嗎?

IPE、HE 系列、UPE 這些平行翼緣型鋼,翼緣內側沒有錐度,平華司本來就貼平,就型鋼本身的幾何而言 1:20 這個問題不會出現。斜華司對早期的錐形翼緣型鋼仍然有意義,所以它常常是維修品項而不是常備庫存。

可以用平華司代替嗎?

超過 1:20 之後,那份規範沒有給這個選項,它要求的是用斜華司去補償不平行。平華司放在斜的座面上,頭部會落在一個邊上受力,那正是 Commentary 警告的局部彎曲,而那個彎曲就是降低螺栓強度與延性的原因。

參考資料

本頁下載並讀過全文的文件有三份:RCSC 規範(第 3.1 條、第 6.1.1 條與 3.1 的 Commentary 逐字引用)、ArcelorMittal 型鋼目錄(在 IPN、UPN、S、C 四個系列頁上定位到 flange slope 那一行)、REYHER 技術手冊(方形華司的識別表與尺寸表)。DIN 的華司標準與 ASTM F436 一份都沒有讀到,全部要付費;本頁歸給它們的斜度、溝槽數與尺寸,是那些供應商文件印的內容。斜度的算術是本站做的:斜度 =(厚端 − 薄端)÷ b,REYHER 表上每個尺寸都算過並全部列出,包含 M8 那兩個最鬆的結果。同樣的算術在 Aspen Fasteners 那份規格書上做不成,它一個欄位都沒有定義,依讀法不同會得到 5% 到 9% 的答案。1:20 換成 5%、1:6 換成 16.7% 這兩個換算是本站做的。DIN 434:2024-10 與 DIN 435:2024-10 是現行版這個說法來自交叉查核,發行方頁面要付費,本站無法確認,正文已標明。

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如果一顆螺絲必須坐在不垂直於它軸線的面上,把角度與座面的材質一起告訴我們。 在小尺寸上,那個幾何會先改變頭型、有時候先改變華司,然後才輪到牙。

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