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热轧钢板桩的生产研发与工程应用

热轧钢板桩的生产研发与工程应用

分类:
物资常识
作者:
来源:
发布时间:
2017/07/29 15:02

钢板桩的类型

钢板桩(Steel sheet pile)是一种边缘带有联动装置,且这种联动装置可以自由组合以便形成一种连续紧密的挡土墙或挡水墙的钢结构体。

其前身是由木材或者铸铁等材料制作的板桩。钢板桩基本结构包括:钢制板桩和两侧的弯曲锁口结构。

钢板桩作为一种建筑基础施工的高效建筑材料,可分为热轧和冷弯两大类。

冷弯钢板桩(Cold formed steel sheet pile),采用较薄的板材,以冷弯成型机组连续滚压成形。其生产成本较低、定尺控制灵活,可根据工程实际情况,选取最经济合理的截面,实现工程设计上的最优化。

实际生产中冷弯钢板桩锁口联接部位形状难控制,联接处锁扣不严、无法止水;受冷弯加工设备能力制约,只能生产钢种强度级别低、厚度较单薄的产品;且冷弯加工过程中产生的应力较大,桩体使用中易产生撕裂,具有较大的加工、使用局限性,大多作为应用的材料补充。因而目前热轧钢板桩成为钢板桩产品发展的主流。

热轧钢板桩(Hot rolled steel sheet pile)采用连铸连轧工艺,由开坯机及轨梁轧机或万能轧机通过高温轧制成型,具有尺寸规范、性能稳定、截面合理、质量高、止水性好、耐久性强等优点。目前世界上热加工钢板桩的单片宽度最大可达到900mm左右,单片的截面模量可达到4000cm3。从断面形状来分,热轧钢板桩分U型、Z型、H型、AS型和直线型等,如图所示。由于Z型、H型、AS型等钢板桩的生产、加工及安装较为复杂,且价格较U型高出约1/3,主要在欧美应用较多,包括我国在内的整个亚太地区大多使用U型钢板桩。

U型钢板桩代号为:SP-U(SP—sheet pile),有Belval U(BU)形Arbed U(AU)形两类。(1)较常用的BU形钢板桩的宽度一般为600mm;其弹性截面抵抗矩数值可从600cm3/m到3300cm3/m;重复使用率可以达到30次;非常厚密,适合高盐度的相关项目,耐用性强。(2)AU形钢板桩宽度为750mm,弹性截面抵抗矩从1400cm3/m到2600cm3/m;与BU形钢板桩相比,AU形钢板桩更薄,更轻巧但是更结实;另外角度大,便于从土中拔出板桩。

钢板桩的优势

强度高、轻型、防水性能好;

耐久性强,使用寿命达到30~50年;

可重复使用,一般可重复使用10~30次以上;

环保效果显著,在施工中可大大减少取土和混凝土用量,有效保护土地资源;

具有较强的救灾抢险的功能;

施工简单,工期缩短,建设费用较省;

安全可靠。

可满足不同工程领域、不同环境下的应用。近些年,受全球大气影响,各类灾害和次生灾难频发,地震、泥石流、台风、水灾等,国内的防范措施仍处于低标准、低水平阶段。以国内江河筑坝防洪为例,竹棑沙袋属原始古老的手段,挡土止水效果极差,且需要大量的劳动力。用热轧钢板桩做挡水墙,新颖、高效、环保,一次性投入虽大些,却是一劳永逸,还可防止腐败滋生。

标准制定

我国热轧钢板桩生产是先有产品后有标准,21世纪初才酝酿制定该标准。

我国钢板桩标准于2004年3月由马钢和上海瑞马钢铁有限公司联合提出制订计划,并负责编制。

时隔5年,根据钢标委〔2011〕23号文转发“国标委综合〔2011〕57号文”下达的国家标准制修订计划要求,《热轧钢板桩》列入2011年国家标准制订计划。

标准制定计划下达后,相关单位成立编写小组开展了资料收集和相关研究工作,结合国内外热轧钢板桩生产与应用技术的最新发展动态,编制了《热轧钢板桩》国家标准。

该标准新增了Z型和直线型钢板桩两大规格系列,调整了部分U型钢板桩规格系列。然而,该标准何时面世尚未定论。

钢板桩的生产加工

生产钢板桩的一般工艺流程为:铁水脱硫→LD吹炼→氩站→连铸→铸坯检查→铸坯加热→开坯轧制→万能轧制。

1963年鞍钢大型厂试轧制仿ⅢK-1型钢板桩成功,并于1964年8月正式接受订货;

1977年4月,BIV-500槽型钢板桩在包钢轨梁厂试轧成功。

21世纪初,马钢依据欧洲标准生产过宽幅为400mm的热轧U型钢板桩5000余吨,并成功应用于嫩江大桥围堰、靖江新世纪造船厂30万吨船坞及孟加拉防洪工程等项目。

以上三家钢厂走的都是先有产品后有标准这条路,由于试生产期间生产效率低、轧制不稳定、经济效益差、国内需求少及技术经验不足等原因,均未能持续生产。

南京万汇钢板桩有限公司2001年始研制开发冷弯钢板桩产品,已研制出5种类型,20余规格。先后向中铁、中建等部门提供了10余万吨,还出口至荷兰、英国、俄罗斯、中东、非洲等国家(地区);不仅填补了国内市场对钢板桩一些品种的空白,也满足了不少用户对于冷弯钢板桩产品用量的需求。

2010年4月下旬,继12mm厚钢板桩试制成功后,武钢江北公司汉口轧钢厂又研制成功了14mm厚冷弯钢板桩。

热轧钢板桩产品的技术攻关难度比较大,目前,国内还没有一家钢厂能够大批量生产这一高端产品,所用的钢板桩产品还主要依赖于从日本新日铁、阿塞洛米塔尔等国外企业进口,其中以拉森Ⅲ、Ⅳ号钢板桩为主。

目前宝钢、马钢、武钢等国内大型钢铁企业都具有开发生产的硬件实力,也已经将热轧钢板桩项目列入建设日程,实施小批量试轧,实现“本土化”生产。

也有一些公司意欲和外企合作,共同开发,例如全球最大的钢铁产商-阿塞洛米塔尔钢铁集团与东方集团探讨在河北合资建设钢板桩生产公司,已有了实质性进展。

钢板桩工程应用

我国在20世纪50年代末在武汉长江大桥建设中,由铁道部大桥局从前苏联引进,我国首次将U—型钢板桩应用于桥墩围堰水中施工。
20世纪60年代建成的南京长江大桥的管桩基础,也曾使用过钢板桩圆形围堰。

此后数十年,受经济实力的制约,加之国内不具备生产装备与轧制技术,同时限制于工程机械匮乏及施工技术落后等因素,热轧钢板桩的应用一直处于停滞状态。

九八洪灾之后,1999年10月至2000年4月,采用了日本政府提供的援助,在险情比较严重的荆江大堤观音寺闸位和洪湖干堤燕窝堤段实施防渗墙施工,构筑了2.2km钢板桩防洪墙,加固长江干堤。
之后因受使用的价值观影响,加之廉价土地资源及人力资源的作用、国内生产技术的制约,作为高效的金属建材钢板桩,在我国的应用与发展十分缓慢,使用量很少。

在2008之前,中国进口钢板桩还不到5万吨,年消耗量只占世界的1%。

国民经济各个部门采用钢板桩的面还不够大,港口、码头等量大用户还远没有普遍推广使用,使用量并不理想。国内钢板桩应用相对较少,还只用于建桥围堰、船坞建设等工程,在水利工程、码头建设等领域。其开发和应用落后于世界先进水平几十年,与国外具有很大的差距,与我国钢铁总量占世界三分之一的现状,以及钢铁大国的地位极不相称。

目前,全世界热轧钢板桩的年产量约350万吨,2000年前后,日本钢板桩最高产能曾达到120万t/年,目前80万t/年左右。

GB/T20933-2007《热轧U型钢板桩》颁布实施后,国内热轧U型钢板桩消费量呈逐年递增趋势,2009~2010年,国内热轧钢板桩年消费量已逾20万吨,受内外经济大环境恶劣的拖累,目前热型钢板桩年消费量回落到10万吨左右,且主要依靠进口,其中以拉森Ⅲ、Ⅳ号钢板桩为主。

国内热轧钢板桩产品应用已从单一的U型钢板桩,扩展到Z型钢板桩、直线型钢板桩等多个品种。如港珠澳大桥总用钢量约125万吨,其中,钢板桩用量超过10万吨。香港口岸人工岛填海用格型钢板桩,预制场临时码头亦用钢板桩做围堰。

近年来,随着我国经济的快速发展,各类快捷、高效、环保、节能的建筑工法正渐渐得到认可并发展,一些重大的工程项目已开始使用钢板桩及相应的工法,取得良好经济效益。

京沪高铁济南黄河大桥、广珠城际黄埔大桥、2007年完工的杭州湾跨海大桥、2008年合龙的公铁两用天兴洲大桥、2009年贯通的大胜关长江大桥、2011年在建的武汉二七长江大桥等重大工程,都采用了钢板桩围堰作为临时支护,用于桥墩承台的施工中。

这些项目一次性钢板桩用量均达万吨,取得了良好的经济和社会效益。

上海长兴岛船坞、亚洲最大的码头天津新港船厂等重大工程项目,以及2010年汛期之后,长江沿岸多处永久性堤防防渗加固工程,都为钢板桩提供了用武之地,钢板桩施工方法获得了实践舞台。

在基坑围护防渗施工等一些工程中临时性应用也得到尝试,如浦东国际机场二期工程、上海世博园项目、温福铁路等工程,钢板桩临时围护用量也较大。

广州大凌河污水泵站工程、广东增城市城区排水管网改造工程、安徽马钢新区地下排水管网建设中,钢板桩的施工发挥了重要作用,较好地满足了我国经济建设对科技创新、环保与可持续发展的需求。

钢板桩的应用前景

近年来,随着我国经济的迅猛发展,以及国家基础设施建设力度逐渐加大,各类新颖、高效、环保的工程施工技术与材料渐渐得以推广发展。

因其高强轻质、止水性好、耐久性强、施工效率高、占地少等独特性能,热轧U型钢板桩已逐渐在堤防加固、截流围堰、构筑船坞码头及挡水墙等水工工程以及构建挡土墙、山体护坡、筑造基坑支护等基础工程中得到应用,解决了我国若干大型工程建设的施工难题。

随着南水北调中线工程的需要,以及国家加大交通工程建设的投入,桥梁、地铁、高速铁路、城际客专等一些项目中已开始大量使用钢板桩和相应的施工方法。

2006年11月施工的河南北平泉特大桥项目是郑西铁路的重点工程,一改过去钢板焊接沉箱围堰的传统方法,采用先进的钢板桩围堰施工,提高了施工效率,保证了架梁的工期。所采用了9米长的SP-IV型拉森钢板桩,施工过程中所需要的打桩机均是租赁的,而且84号、85号墩共一套围堰周转使用,节省了资源和成本,并且也大大降低了对水库周围环境的污染、破坏。

江河流域甚至跨海大桥建设的高潮,即是我国未来钢板桩市场的强有力支撑。据报道,南水北调中线工程沿途将穿越五个省(市),这些地区路网发达,为保证调水水质并恢复因施工截断的交通,国家将在总长约一千五百公里的总干渠沿线修建跨渠公路桥761座。

“长江干流桥梁建设规划方案座谈会”透露,为了让国家的高速公路网、沿江省区的各级公路网发挥出应有效益,长江沿岸还将拟建大约70座桥梁。

毫无疑问,未来几十年,建桥围堰必将是主攻目标,钢板桩特别是复合加工型钢板桩和组合型钢板桩,这一建筑领域的革命性的材料,在我国应用前景广阔,大有可为。

据世界钢铁协会的可信市场分析预测,未来10年内,世界钢板桩需求将大幅上升,尤其是中国、东南亚以及中东等国家与地区,我国热轧钢板桩的年消费量可望超过50万吨,成为钢板桩消费的大国。

我国推广应用中的问题

热轧钢板桩在我国虽然受到一定认可,但至今使用的范围和用量都不大。究其原因,主要有:

(1)其作为一种新型的环保建筑钢材还没有被国内用户普遍认同,许多建筑工程中设计、施工单位对钢板桩的性能、用途、优势等都不甚了解,甚至没有使用过;

(2)国产钢板桩的品种、规格等有限,用户选择余地不大,且一次性投入较高;

(3)钢板桩生产工艺复杂,产量低,效益差,钢厂缺乏生产的积极性, 如与生产H型钢相比,在相同的时间,H型钢可生产3000t,而钢板桩只能生产500t,因此缺乏竞争性。

(4)与钢板桩施工相配套的设施跟不上。例如在防洪大堤的施工中,钢板桩插打施工的技术性要求高,必须对钢板桩的轴向、法向倾斜度严格加以控制。否则,不仅会增加钢板桩的用量,增加合陇的难度,而且会损坏钢板桩,影响打桩速度,甚至影响工程的防渗效果。国内生产的打桩锤一般很难满足要求,施工中对钢板桩锁口等关键部位容易造成损坏,从而增加了钢板桩的使用成本,而进口桩机成本又高(目前的市场价格为30万美金),小型桩基企业很难承受。

钢板桩的推广应用

钢板桩是环保、节能、高效和可重复利用的材料,推广应用钢板桩符合科学发展观,符合经济社会可持续发展的理念。

广大科研工作者应加大钢板桩的研究工作,积极改良其生产工艺,推进钢板桩的应用研究,促进钢板桩生产、设计、施工等有关规范的编制出台,为工程应用提供有力支撑。

加大钢板桩的宣传力度,加强科研单位、高等院校与加工、设计、施工等生产单位的技术交流与合作,科研与生产相结合,增加钢板桩的实际需求,积极开发国内潜在市场。

丰富国产钢板桩的规格种类,设计研发适合不同用户需求的钢板桩类型。

尽快完善钢板桩施工配套技术,改进国产打桩机的质量。

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