SN鋼材

**SN 鋼材**，是當代社會用以建築的結構鋼材規範之一，因為具有特殊的工法要求，提升了鋼鐵的「強度」、「韌性」、「銲接性」，而具有較佳的耐震效果，不同於較早期的 SS 系列及 SM 系列鋼材因為沒有規定最高降伏強度或拉力強度，使得建材產生強度可能過高、降伏比的問題，及合金元素規定不足的情形使得不易管制。因此新一代的 SN 系列材料的規範也就因應而生。SN 鋼材目前主要運用在房屋結構、廠房、車站等其他建築物上，因為安全需求高所以在部分先進國家會進行使用 SN 鋼材的要求限制。

## 鋼結構工程的演進

鋼結構的歷史，應始於平爐煉鋼法發明前數十年，1779 年英格蘭塞文河上建造世界首座鑄鐵橋梁。後又採用鐵製作桁架，其中承受拉力的桿件採用鍛鐵。1823 年，發明蒸汽機火車頭的喬治・史蒂芬森建造了第一座鑄鐵造之鐵路橋梁。十八世紀金屬結構漸使用於建築物上，1851 年在英國倫敦博覽會上建造的水晶宮是以鐵作骨架，十九世紀 50 年代隨著平爐煉鋼法的問世，鋼結構得以迅速發展，例如 1874 年美國聖路易斯由 J.B.Eads 設計之伊茲橋是世界上第一座鋼桁橋，跨徑達 152 米，橫跨密西西比河。1889 年英國福斯灣上之福斯橋採用懸臂式桁架橋梁，其懸臂桁架採用直程 3.66 m 之鋼管。但由於鋼結構理論之發展不夠完善，因此在二十世紀初建造的鋼結構橋梁偶有失敗，但採用鋼結構建造的建築結構卻少有失敗之例子。

十九世紀末，各種型鋼的生產進展快速，與各種不同寬度厚度的鋼板組合可製任何規格和強度的鋼結構組件。1885 年生產的最重之型鋼每英尺還不到 100 磅，而到二十世紀 60 年代已超過每英尺 700 磅之巨型型鋼斷面（板厚在 10 公分以上）。第二次世界大戰後，摩天大樓由於鋼材之進步與鋼結構理論的發展而迅速蓬勃起來，二十世紀 20 年代又出現爭向高度發展的趨勢，1931 年在紐約建造的 102 層，381 米高的帝國大廈保持了 40 年的最高紀錄，這座大樓在短短的一年零 45 天內達成，說明鋼結構設計和施工技術均有很大的進步。

第二次世界大戰後，廣泛採用銲接代替螺栓和鉚釘。戰後以來各種鋼材在不同載重下的應力狀況，包括極限強度的研究，有了長足的進展，因而能對鋼結構作更為精確和系統的分析，且可依不同的需要應用不同強度的鋼材，鋼結構已成為工業化國家土木或建築物的主要建材，如日本採用鋼結構或鋼骨鋼筋混凝土結構之建築物佔 80％以上，而鋼橋的比例亦佔 50％以上，SN 鋼材也在追求新技術的時代裡孕育而生。

## SN 鋼材料規範之演進

在鋼材的村料規範上，由於早期 SS 系列及 SM 系列鋼材未規定最高降伏強度或拉力強度之關係，以致產生強度可能過高與降伏比的問題，甚至產生合金元素規定不足的問題。因此新一代的 SN 鋼材料規範也就因應而生，最早由日本 JIS 標準於 1994 年 6 月頒佈了」建築結構用軋延鋼材」的編號 G3136 SN（Steels for New Structure）新規範，其與編號 G3101（一般構造用 SS 鋼材）及編號 G3106（熔接構造用 SM 鋼材）的碳當量及化學成份比較後發現，SN 鋼材規範較為嚴格，如 SM 系列鋼材之 P 及 S 含量為 0.035％以下，但 SN400B 與 SN490B 之 P 須小於 0.030%，而 S 須小於 0.015%， SN400C 及 SN490C 之磷（P）與硫（S）更須分別小於 0.020％及 0.008%，SN 鋼材並規定降伏比須小於 0.8，而降伏強度及拉力強度亦增加上限值的規定以控制強度變異，而為因應銲接設計日趨複雜及鋼板厚度方向韌性較差，容易產生銲接撕裂的現象，因此 SN400C 及 SN490C 更增加厚度方向拉伸試驗的要求，規定厚度方向之斷面縮減率必須大於 25% 。 SN 鋼材更增加碳當量及冷裂敏感度之要求，尤其對於需要較佳銲接性及耐震性能者應採用 SN 之 B 或 C 系列鋼材，銲接施工複雜者更應採用 SN 之 C 系列鋼材。

1995 年日本阪神大地震，造成許多鋼結構建築物損害，其中很多都是鋼材直接撕裂破壞，讓人很難相信，韌性的材料會造成如此嚴重的破壞。所以許多專家學者在阪神大地震後相繼研究破壞的原因，發現只有 SN 鋼材才能符合耐震材料的特性，所以在日本建築規範中明訂將 SS 及 SM 鋼材自建築結構用取消，相信將來重要結構之耐震設計會以 SN 材為主。

## 製程

### 一般軋延

1960 年代以前，沒有微合金添加（Microalloying） 的理念，亦無控制軋延（Controlled Rolling）的技術，強度上完全依賴碳與合金元素，故碳當量 Ceq 非常高，如 SM490 之 Ceq 高達約 0.5%，不適於銲接作業。

### 正常化處理

1960 年以後有了正常化處理（Normalizing），即鋼板加熱至約 900°C，停留一段時間，再空冷下來，可藉此而細化晶粒提高強度，因此 SM490 之 Ceq、由過去的 0.5% 降到約 0.42％水準，鋼構才能由鉚接的時代過渡到銲接時代。

### 控制軋延

1970 年代又發展了微合金添加（如 Nb、V...… 等）及控制軋延的技術，50kg/mm2 等級鋼板之 Ceq。因此可降低到 0.38％左右的水準，更提升鋼板銲接性。

### 熱機控制軋延

1980 年代開發了鋼板線上加速冷卻系統（On-Line Accelerated Cooling System），生產 50kg/mm2 等級鋼板，其碳當量更可降低到 0.33％左右的水率。該生產製程簡稱 TMCP（ Thermo-mechanical controlled process）。

## 特性

SN 系列鋼材在機械性質方面有下列特性。

### 降伏強度

降伏強度之上、下限的規定可以控制鋼材降伏強度的變異性。鋼材降伏強度的變異性過大時會導致如下的顧慮：（a）強柱弱梁的設計理念無法落實；（b）三維構架在非彈性階段可能產生額外的地震偏心力或扭矩；（c）容量設計的理念無法落實。

SN 系列鋼材厚度在 12mm 以上之 B 級鋼板及厚度在 16mm 以上之 C 級鋼板，其降伏強度即有上限及下限之規定。

### 降伏比

鋼材之降伏比為實測降伏強度與實測抗拉強度之比值。鋼材降伏比較低可使梁柱接頭的塑性鉸區範圍擴增，這樣除可減少應力集中現象外，亦可增加塑性轉角容量，提升梁柱接頭之延展性及消能容量。日本 JIS 的 SN 系列規定降伏比不得大於 0.8；美國 ASTM A992 建築結構用鋼則規定降伏比不得大於 0.85。另一個影響梁柱接頭延展性及消能容量的重要因素為梁柱接頭型式，美國對梁柱接頭型式有明確的規定（例如：切削式或補強式梁柱接頭），故鋼材降伏比採用比 SN 系列鋼材稍微寬鬆的規定（不得大於 0.85）。

### 衝擊值

Charpy 衝擊值越高表示產生相同斷裂面所需的能量越高，Charpy 衝擊值越高就越不容易產生不穩定的裂縫成長（或稱脆性斷裂），因此對銲接瑕疵的容忍度也較高。Charpy 衝擊值受測試時的溫度及加載速率（loading rate）的影響很大，測試時的溫度越低、加載速率越高 Charpy 衝擊值越小。一般應視結構體在使用情況下之最低溫度來規定 Charpy 衝擊試驗的溫度，但是 Charpy 衝擊試驗的加載速率遠高於結構體受力時之加載速率，因此 Charpy 衝擊試驗的溫度可以稍加提升，補償加載速率不同所造成的差異。以日本為例，日本的最低氣溫低於攝氏零度不少，但是日本規範卻規定鋼材 Charpy 衝擊試驗的測試溫度為攝氏零度。國內絕大部分的結構物使用的最低溫度約在攝氏 10 度，因此 Charpy 衝擊試驗的溫度可以比攝氏 10 度高，但是目前中國國家標準（CNS）直接引用日本的規定，並未針對台灣地區的實際情況調整，尚待修正。

### 化學成分改變

SN 鋼材對化學成分的控制相當嚴謹，如降低碳、磷及硫等不利於鋼結構銲接含量，增加銲接性，尤其是高入熱量銲接，故較適用於使用潛弧銲等高入熱量銲接之組合型鋼。

## SN 鋼材特性

SN 鋼材目前主要是用在房屋結構、廠房、車站等其他建築物，大樓及大型建築物已經使用普遍，使用等級為 SN490B 或 C 等級，如興建中的雲林高鐵，採用 SN490B、C 系列鋼材。但低矮層使用之 SN400 系列鋼材，國內雖有鋼鐵廠生產，但只有少數消費者知曉，以前都是以 SS400、SM400 或 ASTM A36 興建，在日本低矮層建築使用鋼結構比例不低，但在阪神地震中，前述鋼材已被證實不具耐震能力，且之後設計之低矮層建築物都已 SN 鋼材，目前國內生產鏈已供應，將來設計者應優先採用 SN 等級之鋼材。

## 耐震建築結構鋼材規範國家標準

台灣內政部營建署自 1997 年起即參考日本 SN 鋼材標準，建立我國耐震建築結構鋼材規範國家標準（標準編號 CNS 13812 G3262）。並自 2003 年起逐漸研修，擬對建築物之重要鋼骨結構，逐步引導使用 SN 等級的鋼材。在 2014 年，CNS 13812 增添了降伏強度 250 N/mm2 等級的 SN400YB、SN 400YC 及降伏強度 325 N/mm2 等級的 SN490YB、SN 490YC 鋼材選項，作為耐震鋼材的標準。

## 另見

## 參考來源

## 延伸閱讀

* 從建築結構設計的角度談鋼板規格的訂定，張敬昌、謝紹松、王正雄、莊憲正，中華民國鋼結構協會，2005.
* 鋼板 TMCP 製程與產品品質特性介紹，王錫欽，謝榮淵，工程，1994
* SN 鋼材談鋼結構鋼材，陳茂松，鋼結構會刊第 5 期，1996.
* 【2014.09.24】台灣處地震帶 鋼材得挑耐震款（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 東和鋼鐵 SN 鋼材介紹（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 道路橋の予防保全に向けた有識者會議（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（日語）
* 2001 年 3 月 24 日芸予地震被害調查報告（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（日語）
* 大規模地震に対する長大吊橋主塔の耐震性能照査法に関する研究（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（日語）
* 建築構造設計基準の資料（日語）