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我國熱軋鋼板樁標準體系研究

我國熱軋鋼板樁標準體系研究

分類:
物資常識
作者:
來源:
發布時間:
2017/07/29 14:48

摘   要:作為一種現代基礎與地下工程領域的高效節約型金屬材料,熱軋鋼板樁具有高強輕質、耐久性強、止水效果好、施工效率高、可重復利用、使用成本低等優異特性,可滿足傳統土木、水工、道路交通、環境整治等眾多工程領域的應用需求。本文敘述了熱軋鋼板樁產品國家標準采標情況、編制歷程、制修訂思路,從品種與規格型號的配置、化學成分、力學性能、尺寸外形與允許偏差等方面闡述了修訂的具體內容,并對采標情況進行了展望,此外還提出了以“模質比”衡量鋼板樁技術經濟指標優劣的方法。熱軋鋼板樁標準體系的建立與完善必將有效引導熱軋鋼板樁研發與生產,促進我國鋼板樁應用技術進一步發展。

關鍵詞:鋼板樁  標準  制修訂  研究

作為一種現代基礎與地下工程領域的高效節約型金屬材料,熱軋鋼板樁具有高強輕質、耐久性強、止水效果好、施工效率高、可重復利用、使用成本低等優異特性,可滿足傳統土木、水工、道路交通、環境整治等眾多工程領域的應用需求。此外,樁體外表部分裸露結構具有較為美觀的視覺效果與長壽命周期;施工取土量和混凝土用量極少,有效保護了土地資源、環保效果顯著;具有超強的預防、控制洪澇、泥石流、塌方等突發性自然災害與救災搶險功能。

1  生產應用現狀

20世紀初歐洲最先生產鋼板樁,至上世紀六十年代,西方主要經濟發達國家已普遍使用,應用領域包括岸壁、防波堤、護岸、船塢、碼頭、人工島、水、船閘、地下隧道、路堤、擋土墻、防滲墻、地基加固等永久性工程以及圍堰、基坑圍護等臨時性工程。亞洲使用鋼板樁的歷史幾乎與歐洲同步,日本于1903年即引進歐洲鋼板樁,1931年八幡制鐵自行研發成功了鋼板樁,目前在鋼板樁產品研發、設計應用、施工工法以及樁工設備制造等方面日本均處于世界先進水平。

與發達國家相比,我國鋼板樁的生產和應用起步晚、差距明顯。上世紀50年代末在武漢長江大橋建設中,由鐵道部大橋局首次從原蘇聯引進U型鋼板樁,應用于鐵路橋墩圍堰施工;60年代在

長江葛洲壩項目中也曾以熱軋鋼板樁制作圍堰。此后幾十年,由于受經濟實力及價值觀的影響、廉價的土地和人力資源成本等因素的制約,同時也受制于工程機械設備的匾乏及施工技術落后,加之國內不具備軋制生產技術,導致熱軋鋼板樁的應用長時間處于停滯狀態。本世紀初,我國基礎設施建設力度空前加大,出現了各類快捷、高效、環保的建筑施工方法,鋼板樁在國內工程建設領域開始嶄露頭角,人們對鋼板樁的認識逐步加強,熱軋鋼板樁在相關工程中逐漸得到應用,其高效便捷、綠色環保等綜合優勢也越來越被國內用戶所認同,逐漸摸索并積累了一定的鋼板樁設計應用經驗,需求量逐年快速增長。

歐美熱軋鋼板樁主要產地包括德國、盧森堡、美國、西班牙、俄羅斯等國,亞洲主要有日本、韓國。我國嚴格意義上的熱軋鋼板樁生產始于2000年,由馬鋼依據先進的H型鋼生產線,通過多輪試制,開發生產了采用歐標的熱軋U型鋼板樁5000余噸,填補了國內型鋼生產領域的一項空白。產品在嫩江大橋圍堰、靖江新世紀造船廠30萬噸船塢及孟加拉防洪工程等國內外大型工程項

目中得到應用。此后由于工藝裝備不盡合理、鋼板樁生產技術尚待完善,加之當時H型鋼市場需求急速增長,馬鋼令人遺憾的放棄了這一高端異型材產品的市場。

多年以來,我國熱軋U型鋼板樁年消費量始終在2~3萬噸間徘徊。自GB/T 20933-2007《熱軋U型鋼板樁》頒布實施后,在產品標準的助力下,熱軋U型鋼鋼板樁市場應用發展勢頭迅猛,產品消費量得以快速增長。自2009年起,連續數年消費量逾20萬噸(目前受內外經濟大環境惡劣的拖累,熱軋U型鋼板樁年消費量有所回落)。在熱軋U型鋼板樁市場迅速攀升的同時,Z型鋼板樁、直線型鋼板樁等原先甚少使用的品種也逐漸為我國用戶所認識,在一些重大工程中得到了應用。

目前我國已有武鋼、瑞馬等多家企業成功開發了熱軋U型樁,產品得到了用戶的基本認同,部分產品已出口香港及東南亞等地。另有攀鋼、包鋼等企業有意著手研發熱軋U型樁,今后我國熱軋

鋼板樁生產必將會有一定的發展機遇,但需要指出的是,畢竟鋼板樁是一個小品種型鋼產品,市場容量相對較小,從目前狀況看,有序引導鋼板樁新品種研發、避免過度競爭挫傷鋼板樁生產企業持續健康發展,已成為無法回避的問題。

2  產品類型

熱軋型鋼板樁由開坯機及軌梁軋機或萬能軋機在鋼的塑性變形區高溫軋制成形,具有尺寸規范、性能優越、截面合理、質量優異等優點。按截面形狀劃分,熱軋鋼板樁主要有以下類型:

不同地區熱軋鋼板樁的使用差異較大,亞洲國家熱軋鋼板樁應用以U型居多,Z型、H型、直線型和管型用量相對較少;而歐美地區Z型、直線型、H型等類鋼板樁用量比例均較高。

3  采標情況

國際上熱軋鋼板樁產品標準主要有歐標、日標、美標等幾大標準體系,包括我國的多數國家日標、歐標等兩大標準體系影響力最大。

日標體系JIS A5528《熱軋鋼板樁》包括U型、Z型、H型、直線型等四類鋼板樁(管型樁另有單獨的標準《鋼管樁》JIS A 5530),標準規定了鋼板樁的牌號、化學成分、力學性能、形狀、尺寸及允許

偏差、單位質量、外觀、試驗、檢驗、標志等內容,標準涵蓋了U型、Z型、H型、直線型等四類鋼板樁產品,但未規定產品具體規格尺寸(前期企業間各自為戰,市場產品規格型號有些混亂,經日本鋼管樁協會協調,已形成了相對統一的規格型號)。

歐標體系

EN 10248-1《熱軋非合金鋼鋼板樁 第1部分:交貨技術要求》及EN 10248-2《熱軋非合金鋼板樁  第2部分:尺寸、外形及允許偏差》,標準分別規定了鋼板樁的牌號、化學成分、力學性能、技術性能、表面質量、檢驗和試驗、標志等內容以及鋼板樁的形狀、尺寸及允許偏差、重量以及鋼板樁的接頭等內容,標準同樣涵蓋了U型、Z型、H型、直線型等四類鋼板樁產品,也未規定產品具體規格型號(各企業自行決定規格型號,其中德國、盧森堡等國鋼板樁各有四個品種數十個規格型號,不同企業產品相互替換較困難)。

美標體系

ASTM A328/A328M《鋼板樁規格》,標準規定了鋼板樁的交貨一般要求、冶煉方法、化學成分、力學性能等內容,涵蓋了熱軋與冷彎兩個大類,也未在標準中列出產品品種、規格型號,生產自由度更大。

我國現行標準體系

GB/T 20933-2007《熱軋U型鋼板樁》,標準僅列出U型鋼板樁一個品種,規定了鋼板樁的訂貨內容、分類、代號、尺寸、外形、重量及允許偏差、技術要求、試驗方法、檢驗規則、包裝、標志及質量證明書等內容,為便于生產及設計應用的選用,選用了日本及歐洲國家部分U型鋼板樁產品規格型號,規定了包含4個系列、20個規格型號的產品具體尺寸。

4  標準制修訂沿革

2004年,作為力主推進我國熱軋鋼板樁市場應用的積極倡導者,上海瑞馬鋼鐵有限公司以“標準先行、引導生產、引領應用”的開拓性理念,倡導并會同馬鞍山鋼鐵股份有限公司提出了《熱軋U型鋼板樁》標準的編制申請。2005年元月由馬鋼向全國鋼標委提出標準制訂申請,2005年7月國標委會以“委計〔2005〕68號”文,將《熱軋U型鋼板樁》列入2005~2006年度國家標準制、修訂計劃,批準起草單位為:馬鞍山鋼鐵股份有限公司、上海瑞馬鋼鐵有限公司、冶金工業信息標準研究院等單位。主要參編單位通過對日、歐、美等國家或地區熱軋鋼板樁產品標準的調研分析與歸納,結合我國市場需求與工藝裝備條件,提出了具有鮮明中國特色的鋼板樁產品標準。2007年5月我國首部熱軋鋼板樁標準《熱軋 U 型鋼板樁》(GB/T 20933-2007)獲得頒布,同年12月1日正式實施。

《熱軋U型鋼板樁》國家標準的頒布實施,很好促進了我國熱軋鋼板樁產品的推廣應用,為近年鋼板樁應用技術的快速普及與發展做出了貢獻,同時在生產制造領域也發揮了積極的作用。可以自豪的說:該標準的出臺,對我國鋼板樁產品生產與應用具有里程碑式的意義。

標準實施以來,國內熱軋鋼板樁市場應用發展變化較大,有關鋼鐵企業工藝裝備配置、生產技術能力得到了較大提升,2010年馬鋼有關部門與上海瑞馬協商后,向全國鋼標委提出了《熱軋U型鋼板樁》標準的修訂申請。根據鋼標委〔2011〕23號文轉發“國標委綜合〔2011〕57號文”下達的國家標準制修訂計劃要求,《熱軋U型鋼板樁》列入2011年國家標準制訂計劃。標準制定計劃下達后,馬鋼即會同上海瑞馬開展了相關研究工作,上海瑞馬結合國內外熱軋鋼板樁生產與應用技術的最新發展動態,提出了將《熱軋U型鋼板樁》標準升級為《熱軋鋼板樁》標準的方案, 2012年8月完成了《熱軋鋼板樁》標準修訂征求意見稿的編制, 2013年5月鋼標委組織召開了《熱軋鋼板樁》標準審定會,現標準即將報批頒布。

5  制修訂思路及主要內容

5.1 調整了部分U型鋼板樁規格型號

本次修訂對U型鋼板樁規格型號調整幅度較大,新增了10個截面更合理、單重更輕或便于生產或截面模量極大等規格產品,同時刪除了12個不盡合理的規格。調整后的U型樁設為四個系列、17個規格型號(其中400系列有3個規格、500系列4個規格、600系列6個規格、700系列4個規格)。U型鋼板樁規格型號的設置調整主要基于以下考慮:

1)適應于我國鋼鐵企業的實際生產能力GB/T 20933-2007標準列出了9個規格的750系列U型樁,由于該系列樁體尺寸較寬,只能以特大型軌梁軋機生產,近期我國尚不具備條件;同時該系列寬樁對打樁設備要求很高,在我國甚少工程實踐。

同樣,以PU500×210×20替代原先的PU500×200×24.3規格型號,軋件壓縮比增大,可使鋼鐵企業的生產難度大大降低。

2)優選性價比更高的規格型號

從應用的角度剖析,鋼板樁技術經濟方面最重要的指標有兩項:一是樁體單位質量,鋼樁墻的質量越輕造價越低;二是截面模量,數值越大表明鋼樁抵抗土或水壓力變形的能力越強。由此,我們提出一個“模質比”的概念(計算方法是:每平米鋼板樁墻的截面模量與其對應的鋼樁單位質量之比,數值越高者性價比越佳),據此,可以簡單而直觀的評價不同規格型號鋼板樁技術經濟指標的優劣。采用模質比方法,分別對GB/T 20933-2007標準、鋼板樁修訂版以及某冷彎樁生產企業U型樁產品進行了計算統計,結果見圖2~圖4。

圖2 GB/T 20933-2007標準U型樁模質比

圖3 國標修訂稿U型樁模質比

圖4 某企業冷彎U型樁模質比

冷彎鋼板樁存在鎖口咬合質量不理想(止水效果差)、打設易發生脆性斷裂(加工硬化、殘余應力大)等問題。但因其采用較薄的鋼板冷彎成型,而冷彎機組的加工面寬度及彎輥深度控制范圍較大。其特有的加工特點決定了冷彎樁模質比相對較大(如目前國內最受用戶歡迎的650×540系列冷彎U型樁產品模質比平均為17.37),而目前國內用量較大的熱軋寬樁PU600×210模質比為15.25。與冷彎鋼板樁相比,模質比偏小是目前國內熱軋樁的軟肋,這里既有受熱軋工藝裝備條件的先天限制,也有外形截面形狀有待于進一步優化的雙重。而本次修訂新增的歐洲熱軋U型樁PU600×226模質比達到16.84,已接近冷彎樁的最好水平。

在GB/T 20933-2007標準基礎上,本次修訂對U型樁規格型號進行了幅度較大的優化選取,模質比即為取舍的主要因素之一。詳見表1。 

表1 U型樁規格型號優選情況

5.2 由單一的U型樁擴展至多個鋼板樁品種

外形結構對稱性好、鎖口聯接緊密、具有極佳靜力學特性的熱軋U型鋼板樁,因施工方便易控制,價格相對便宜,多年來一直是我國鋼板樁應用的主流品種。隨著我國經濟建設的發展,其它品種鋼板樁也逐漸得到應用,如曹妃甸專業碼頭區域Z型樁合計用量超過21000噸,港珠澳大橋橋隧接合部使用直線樁約11萬噸。

因而,僅設置單一U型樁品種的鋼板樁標準已不能充分滿足應用之需。歐標、日標的采標均設置了U型、Z型、H型和直線型等4大類品種,但鑒于我國目前尚無H型鋼板樁的應用實踐(有工程采用熱軋H型鋼簡單替代),且H型樁需與我國尚不能生產的楔型卡口條配套使用,進口價格相當昂貴,故本次修訂暫不考慮H型鋼板樁,僅新增Z型和直線型2個品種,其中Z型鋼板樁設置了575×260一個系列3個規格型號,直線型鋼板樁設置了4個規格型號。具體設置見表2。

表2 新增鋼板樁品種規格型號設置

5.3 尺寸及允許偏差做了適度調整與完善

本次修訂綜合了日標JIS A5528及歐標EN 10248之長,兼顧了我國的生產應用實際,尺寸及允許偏差具體設置見表3。

表3 尺寸、外形及允許偏差采標情況

5.4 化學成分及性能的設置

在化學成分及力學性能上,做了如下調整:

1)鋼種(化學成分)增設了Q345、Q420強度等級,形成一個合理強度等級梯度,并與我國低合金鋼牌號規定保持一致。

2)在一些特定的工作場合,鋼板樁需要長時間裸露在地表、水中,對耐候性有較高的要求,國外生產企業基本采用添加適量耐候元素保證鋼的耐腐蝕性能,考慮到我國的使用習慣,以建議而非強制的方式,提出了添加適量的Mo、Cu等耐蝕元素、以保證一定耐候性能的要求。

3)鋼種牌號后綴的標記由:“bz”(分別為“板”、“樁”兩字的漢語拼音首位字母)更名為“P”(鋼板樁英文名稱Pile的縮寫)。

表4 鋼種牌號設置及力學性能國內外標準對比

5.5 其它修訂內容

1)對分類、代號進行了修訂

從便于書寫、記憶出發,熱軋鋼板樁品種及其代號修改如下:

U型鋼板樁,代號為:PU;

Z型鋼板樁,代號為:PZ;

直線型鋼板樁,代號為:PI。

注:其中P為鋼板樁英文名稱Pile的縮寫,U、Z、I代表鋼板樁截面形狀。

2)提出相關尺寸測量方法

鋼板樁有效寬度、有效高度等相關尺寸的測量一直困擾著用戶乃至生產商,為此,根據我們的多年的使用經驗,特在標準中規定具體測量方法:

a 有效寬度尺寸測自鋼板樁兩端鎖口中心點間的距離;

b U型鋼板樁及Z型鋼板樁有效高度尺寸為鎖口中心點至腹板上表面的高度差,直線型鋼板樁有效高度尺寸測自兩塊鋼樁鎖口連接表面的高度差。

3)新增Z型鋼板樁及直線型鋼板樁取樣規則。

5.6 修訂遺留問題

1)從使用的可靠性、耐久性出發,硬性規定鋼板樁鋼種的耐候性要求更合理。

2)由于部分企業的堅持,Z型鋼板樁僅設置了575×260一個系列的規格型號,截面模量更優越的700×420系列的規格型號未能列入,Z型鋼板樁設置尚不全面。此外,隨著應用的發展,H型鋼

板樁最終應予列入。

3)提出雙樁供貨要求。

為提升鋼板樁打設效率、提高鎖口連接強度并減少鎖口連接處水體滲漏,有條件的生產商可據用戶需求,供應預先組裝的雙樁(或三樁)結構組合樁。預裝具體措施包括:樁間鎖口處采取止水處理后相互鎖扣連接,同時沿著鎖口間隔一定距離采用鎖口加強釘進行加強。

4) 作為鋼板樁使用的重要配套產品,今后可以考慮將獨立的鎖口卡頭列入。

6  標準實施展望

GB/T 20933《熱軋鋼板樁》修訂、頒布實施后,熱軋鋼板樁產品將形成一個相對完整的體系,可給我國型鋼產品升級換代帶來一定的契機,促使熱軋鋼板樁系列產品更好、更全面的實現國產化,通過熱軋鋼板樁產品生產的有效發展,必將我國促進熱軋鋼板樁生產制造與設計、施工技術不斷進步。

處于經濟快速發展期而地域分布廣、地質結構復雜多變的我國,具有應用鋼板樁的廣泛需求。在《熱軋鋼板樁》國家標準采標的推動下,鋼板樁的生產與應用必將迎來一個發展的良好機遇。

我們相信,不需多久熱軋鋼板樁年消費量將大幅攀升至百萬噸以上,由此必將開創我國建筑、水利、交通等工程領域基礎施工的新篇章,引發我國建筑施工的新技術革命。

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