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我国热轧钢板桩标准体系研究

我国热轧钢板桩标准体系研究

分类:
物资常识
作者:
来源:
发布时间:
2017/07/29 15:03

摘   要:作为一种现代基础与地下工程领域的高效节约型金属材料,热轧钢板桩具有高强轻质、耐久性强、止水效果好、施工效率高、可重复利用、使用成本低等优异特性,可满足传统土木、水工、道路交通、环境整治等众多工程领域的应用需求。本文叙述了热轧钢板桩产品国家标准采标情况、编制历程、制修订思路,从品种与规格型号的配置、化学成分、力学性能、尺寸外形与允许偏差等方面阐述了修订的具体内容,并对采标情况进行了展望,此外还提出了以“模质比”衡量钢板桩技术经济指标优劣的方法。热轧钢板桩标准体系的建立与完善必将有效引导热轧钢板桩研发与生产,促进我国钢板桩应用技术进一步发展。

关键词:钢板桩  标准  制修订  研究

作为一种现代基础与地下工程领域的高效节约型金属材料,热轧钢板桩具有高强轻质、耐久性强、止水效果好、施工效率高、可重复利用、使用成本低等优异特性,可满足传统土木、水工、道路交通、环境整治等众多工程领域的应用需求。此外,桩体外表部分裸露结构具有较为美观的视觉效果与长寿命周期;施工取土量和混凝土用量极少,有效保护了土地资源、环保效果显著;具有超强的预防、控制洪涝、泥石流、塌方等突发性自然灾害与救灾抢险功能。

1  生产应用现状

20世纪初欧洲最先生产钢板桩,至上世纪六十年代,西方主要经济发达国家已普遍使用,应用领域包括岸壁、防波堤、护岸、船坞、码头、人工岛、水、船闸、地下隧道、路堤、挡土墙、防渗墙、地基加固等永久性工程以及围堰、基坑围护等临时性工程。亚洲使用钢板桩的历史几乎与欧洲同步,日本于1903年即引进欧洲钢板桩,1931年八幡制铁自行研发成功了钢板桩,目前在钢板桩产品研发、设计应用、施工工法以及桩工设备制造等方面日本均处于世界先进水平。

与发达国家相比,我国钢板桩的生产和应用起步晚、差距明显。上世纪50年代末在武汉长江大桥建设中,由铁道部大桥局首次从原苏联引进U型钢板桩,应用于铁路桥墩围堰施工;60年代在

长江葛洲坝项目中也曾以热轧钢板桩制作围堰。此后几十年,由于受经济实力及价值观的影响、廉价的土地和人力资源成本等因素的制约,同时也受制于工程机械设备的匾乏及施工技术落后,加之国内不具备轧制生产技术,导致热轧钢板桩的应用长时间处于停滞状态。本世纪初,我国基础设施建设力度空前加大,出现了各类快捷、高效、环保的建筑施工方法,钢板桩在国内工程建设领域开始崭露头角,人们对钢板桩的认识逐步加强,热轧钢板桩在相关工程中逐渐得到应用,其高效便捷、绿色环保等综合优势也越来越被国内用户所认同,逐渐摸索并积累了一定的钢板桩设计应用经验,需求量逐年快速增长。

欧美热轧钢板桩主要产地包括德国、卢森堡、美国、西班牙、俄罗斯等国,亚洲主要有日本、韩国。我国严格意义上的热轧钢板桩生产始于2000年,由马钢依据先进的H型钢生产线,通过多轮试制,开发生产了采用欧标的热轧U型钢板桩5000余吨,填补了国内型钢生产领域的一项空白。产品在嫩江大桥围堰、靖江新世纪造船厂30万吨船坞及孟加拉防洪工程等国内外大型工程项

目中得到应用。此后由于工艺装备不尽合理、钢板桩生产技术尚待完善,加之当时H型钢市场需求急速增长,马钢令人遗憾的放弃了这一高端异型材产品的市场。

多年以来,我国热轧U型钢板桩年消费量始终在2~3万吨间徘徊。自GB/T 20933-2007《热轧U型钢板桩》颁布实施后,在产品标准的助力下,热轧U型钢钢板桩市场应用发展势头迅猛,产品消费量得以快速增长。自2009年起,连续数年消费量逾20万吨(目前受内外经济大环境恶劣的拖累,热轧U型钢板桩年消费量有所回落)。在热轧U型钢板桩市场迅速攀升的同时,Z型钢板桩、直线型钢板桩等原先甚少使用的品种也逐渐为我国用户所认识,在一些重大工程中得到了应用。

目前我国已有武钢、瑞马等多家企业成功开发了热轧U型桩,产品得到了用户的基本认同,部分产品已出口香港及东南亚等地。另有攀钢、包钢等企业有意着手研发热轧U型桩,今后我国热轧

钢板桩生产必将会有一定的发展机遇,但需要指出的是,毕竟钢板桩是一个小品种型钢产品,市场容量相对较小,从目前状况看,有序引导钢板桩新品种研发、避免过度竞争挫伤钢板桩生产企业持续健康发展,已成为无法回避的问题。

2  产品类型

热轧型钢板桩由开坯机及轨梁轧机或万能轧机在钢的塑性变形区高温轧制成形,具有尺寸规范、性能优越、截面合理、质量优异等优点。按截面形状划分,热轧钢板桩主要有以下类型:

不同地区热轧钢板桩的使用差异较大,亚洲国家热轧钢板桩应用以U型居多,Z型、H型、直线型和管型用量相对较少;而欧美地区Z型、直线型、H型等类钢板桩用量比例均较高。

3  采标情况

国际上热轧钢板桩产品标准主要有欧标、日标、美标等几大标准体系,包括我国的多数国家日标、欧标等两大标准体系影响力最大。

日标体系JIS A5528《热轧钢板桩》包括U型、Z型、H型、直线型等四类钢板桩(管型桩另有单独的标准《钢管桩》JIS A 5530),标准规定了钢板桩的牌号、化学成分、力学性能、形状、尺寸及允许

偏差、单位质量、外观、试验、检验、标志等内容,标准涵盖了U型、Z型、H型、直线型等四类钢板桩产品,但未规定产品具体规格尺寸(前期企业间各自为战,市场产品规格型号有些混乱,经日本钢管桩协会协调,已形成了相对统一的规格型号)。

欧标体系

EN 10248-1《热轧非合金钢钢板桩 第1部分:交货技术要求》及EN 10248-2《热轧非合金钢板桩  第2部分:尺寸、外形及允许偏差》,标准分别规定了钢板桩的牌号、化学成分、力学性能、技术性能、表面质量、检验和试验、标志等内容以及钢板桩的形状、尺寸及允许偏差、重量以及钢板桩的接头等内容,标准同样涵盖了U型、Z型、H型、直线型等四类钢板桩产品,也未规定产品具体规格型号(各企业自行决定规格型号,其中德国、卢森堡等国钢板桩各有四个品种数十个规格型号,不同企业产品相互替换较困难)。

美标体系

ASTM A328/A328M《钢板桩规格》,标准规定了钢板桩的交货一般要求、冶炼方法、化学成分、力学性能等内容,涵盖了热轧与冷弯两个大类,也未在标准中列出产品品种、规格型号,生产自由度更大。

我国现行标准体系

GB/T 20933-2007《热轧U型钢板桩》,标准仅列出U型钢板桩一个品种,规定了钢板桩的订货内容、分类、代号、尺寸、外形、重量及允许偏差、技术要求、试验方法、检验规则、包装、标志及质量证明书等内容,为便于生产及设计应用的选用,选用了日本及欧洲国家部分U型钢板桩产品规格型号,规定了包含4个系列、20个规格型号的产品具体尺寸。

4  标准制修订沿革

2004年,作为力主推进我国热轧钢板桩市场应用的积极倡导者,上海瑞马钢铁有限公司以“标准先行、引导生产、引领应用”的开拓性理念,倡导并会同马鞍山钢铁股份有限公司提出了《热轧U型钢板桩》标准的编制申请。2005年元月由马钢向全国钢标委提出标准制订申请,2005年7月国标委会以“委计〔2005〕68号”文,将《热轧U型钢板桩》列入2005~2006年度国家标准制、修订计划,批准起草单位为:马鞍山钢铁股份有限公司、上海瑞马钢铁有限公司、冶金工业信息标准研究院等单位。主要参编单位通过对日、欧、美等国家或地区热轧钢板桩产品标准的调研分析与归纳,结合我国市场需求与工艺装备条件,提出了具有鲜明中国特色的钢板桩产品标准。2007年5月我国首部热轧钢板桩标准《热轧 U 型钢板桩》(GB/T 20933-2007)获得颁布,同年12月1日正式实施。

《热轧U型钢板桩》国家标准的颁布实施,很好促进了我国热轧钢板桩产品的推广应用,为近年钢板桩应用技术的快速普及与发展做出了贡献,同时在生产制造领域也发挥了积极的作用。可以自豪的说:该标准的出台,对我国钢板桩产品生产与应用具有里程碑式的意义。

标准实施以来,国内热轧钢板桩市场应用发展变化较大,有关钢铁企业工艺装备配置、生产技术能力得到了较大提升,2010年马钢有关部门与上海瑞马协商后,向全国钢标委提出了《热轧U型钢板桩》标准的修订申请。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U型钢板桩》列入2011年国家标准制订计划。标准制定计划下达后,马钢即会同上海瑞马开展了相关研究工作,上海瑞马结合国内外热轧钢板桩生产与应用技术的最新发展动态,提出了将《热轧U型钢板桩》标准升级为《热轧钢板桩》标准的方案, 2012年8月完成了《热轧钢板桩》标准修订征求意见稿的编制, 2013年5月钢标委组织召开了《热轧钢板桩》标准审定会,现标准即将报批颁布。

5  制修订思路及主要内容

5.1 调整了部分U型钢板桩规格型号

本次修订对U型钢板桩规格型号调整幅度较大,新增了10个截面更合理、单重更轻或便于生产或截面模量极大等规格产品,同时删除了12个不尽合理的规格。调整后的U型桩设为四个系列、17个规格型号(其中400系列有3个规格、500系列4个规格、600系列6个规格、700系列4个规格)。U型钢板桩规格型号的设置调整主要基于以下考虑:

1)适应于我国钢铁企业的实际生产能力GB/T 20933-2007标准列出了9个规格的750系列U型桩,由于该系列桩体尺寸较宽,只能以特大型轨梁轧机生产,近期我国尚不具备条件;同时该系列宽桩对打桩设备要求很高,在我国甚少工程实践。

同样,以PU500×210×20替代原先的PU500×200×24.3规格型号,轧件压缩比增大,可使钢铁企业的生产难度大大降低。

2)优选性价比更高的规格型号

从应用的角度剖析,钢板桩技术经济方面最重要的指标有两项:一是桩体单位质量,钢桩墙的质量越轻造价越低;二是截面模量,数值越大表明钢桩抵抗土或水压力变形的能力越强。由此,我们提出一个“模质比”的概念(计算方法是:每平米钢板桩墙的截面模量与其对应的钢桩单位质量之比,数值越高者性价比越佳),据此,可以简单而直观的评价不同规格型号钢板桩技术经济指标的优劣。采用模质比方法,分别对GB/T 20933-2007标准、钢板桩修订版以及某冷弯桩生产企业U型桩产品进行了计算统计,结果见图2~图4。

图2 GB/T 20933-2007标准U型桩模质比

图3 国标修订稿U型桩模质比

图4 某企业冷弯U型桩模质比

冷弯钢板桩存在锁口咬合质量不理想(止水效果差)、打设易发生脆性断裂(加工硬化、残余应力大)等问题。但因其采用较薄的钢板冷弯成型,而冷弯机组的加工面宽度及弯辊深度控制范围较大。其特有的加工特点决定了冷弯桩模质比相对较大(如目前国内最受用户欢迎的650×540系列冷弯U型桩产品模质比平均为17.37),而目前国内用量较大的热轧宽桩PU600×210模质比为15.25。与冷弯钢板桩相比,模质比偏小是目前国内热轧桩的软肋,这里既有受热轧工艺装备条件的先天限制,也有外形截面形状有待于进一步优化的双重。而本次修订新增的欧洲热轧U型桩PU600×226模质比达到16.84,已接近冷弯桩的最好水平。

在GB/T 20933-2007标准基础上,本次修订对U型桩规格型号进行了幅度较大的优化选取,模质比即为取舍的主要因素之一。详见表1。 

表1 U型桩规格型号优选情况

5.2 由单一的U型桩扩展至多个钢板桩品种

外形结构对称性好、锁口联接紧密、具有极佳静力学特性的热轧U型钢板桩,因施工方便易控制,价格相对便宜,多年来一直是我国钢板桩应用的主流品种。随着我国经济建设的发展,其它品种钢板桩也逐渐得到应用,如曹妃甸专业码头区域Z型桩合计用量超过21000吨,港珠澳大桥桥隧接合部使用直线桩约11万吨。

因而,仅设置单一U型桩品种的钢板桩标准已不能充分满足应用之需。欧标、日标的采标均设置了U型、Z型、H型和直线型等4大类品种,但鉴于我国目前尚无H型钢板桩的应用实践(有工程采用热轧H型钢简单替代),且H型桩需与我国尚不能生产的楔型卡口条配套使用,进口价格相当昂贵,故本次修订暂不考虑H型钢板桩,仅新增Z型和直线型2个品种,其中Z型钢板桩设置了575×260一个系列3个规格型号,直线型钢板桩设置了4个规格型号。具体设置见表2。

表2 新增钢板桩品种规格型号设置

5.3 尺寸及允许偏差做了适度调整与完善

本次修订综合了日标JIS A5528及欧标EN 10248之长,兼顾了我国的生产应用实际,尺寸及允许偏差具体设置见表3。

表3 尺寸、外形及允许偏差采标情况

5.4 化学成分及性能的设置

在化学成分及力学性能上,做了如下调整:

1)钢种(化学成分)增设了Q345、Q420强度等级,形成一个合理强度等级梯度,并与我国低合金钢牌号规定保持一致。

2)在一些特定的工作场合,钢板桩需要长时间裸露在地表、水中,对耐候性有较高的要求,国外生产企业基本采用添加适量耐候元素保证钢的耐腐蚀性能,考虑到我国的使用习惯,以建议而非强制的方式,提出了添加适量的Mo、Cu等耐蚀元素、以保证一定耐候性能的要求。

3)钢种牌号后缀的标记由:“bz”(分别为“板”、“桩”两字的汉语拼音首位字母)更名为“P”(钢板桩英文名称Pile的缩写)。

表4 钢种牌号设置及力学性能国内外标准对比

5.5 其它修订内容

1)对分类、代号进行了修订

从便于书写、记忆出发,热轧钢板桩品种及其代号修改如下:

U型钢板桩,代号为:PU;

Z型钢板桩,代号为:PZ;

直线型钢板桩,代号为:PI。

注:其中P为钢板桩英文名称Pile的缩写,U、Z、I代表钢板桩截面形状。

2)提出相关尺寸测量方法

钢板桩有效宽度、有效高度等相关尺寸的测量一直困扰着用户乃至生产商,为此,根据我们的多年的使用经验,特在标准中规定具体测量方法:

a 有效宽度尺寸测自钢板桩两端锁口中心点间的距离;

b U型钢板桩及Z型钢板桩有效高度尺寸为锁口中心点至腹板上表面的高度差,直线型钢板桩有效高度尺寸测自两块钢桩锁口连接表面的高度差。

3)新增Z型钢板桩及直线型钢板桩取样规则。

5.6 修订遗留问题

1)从使用的可靠性、耐久性出发,硬性规定钢板桩钢种的耐候性要求更合理。

2)由于部分企业的坚持,Z型钢板桩仅设置了575×260一个系列的规格型号,截面模量更优越的700×420系列的规格型号未能列入,Z型钢板桩设置尚不全面。此外,随着应用的发展,H型钢

板桩最终应予列入。

3)提出双桩供货要求。

为提升钢板桩打设效率、提高锁口连接强度并减少锁口连接处水体渗漏,有条件的生产商可据用户需求,供应预先组装的双桩(或三桩)结构组合桩。预装具体措施包括:桩间锁口处采取止水处理后相互锁扣连接,同时沿着锁口间隔一定距离采用锁口加强钉进行加强。

4) 作为钢板桩使用的重要配套产品,今后可以考虑将独立的锁口卡头列入。

6  标准实施展望

GB/T 20933《热轧钢板桩》修订、颁布实施后,热轧钢板桩产品将形成一个相对完整的体系,可给我国型钢产品升级换代带来一定的契机,促使热轧钢板桩系列产品更好、更全面的实现国产化,通过热轧钢板桩产品生产的有效发展,必将我国促进热轧钢板桩生产制造与设计、施工技术不断进步。

处于经济快速发展期而地域分布广、地质结构复杂多变的我国,具有应用钢板桩的广泛需求。在《热轧钢板桩》国家标准采标的推动下,钢板桩的生产与应用必将迎来一个发展的良好机遇。

我们相信,不需多久热轧钢板桩年消费量将大幅攀升至百万吨以上,由此必将开创我国建筑、水利、交通等工程领域基础施工的新篇章,引发我国建筑施工的新技术革命。

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