專利名稱：Z形鋼板樁的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在地下?lián)跬?、河流護岸等中使用的Z形鋼板樁在本說明書中，所謂Z形鋼板樁是指在呈斜向配置的腹板的兩端與該腹板連續(xù)地形成有凸緣的、全體形狀呈大致Z形的鋼板樁。
背景技術(shù)：
作為通過使鋼板樁的接頭嵌合而構(gòu)筑的鋼板樁壁的性能指標之一，存在表示壁的剛性的截面慣性矩(I)。一般來說，如果截面慣性矩(I)大，則當(dāng)作用有土壓、水壓等載荷時的壁體的變形量小。雖然可以通過增加鋼板樁的板厚(t)、高度(H)等而增大截面慣性矩(I)，但從經(jīng)濟性的觀點來看，希望盡可能減小截面積(A)從而減輕鋼重(W)。另一方面，鋼板樁的大型化會導(dǎo)致鋼板樁的貫入阻力(R)增大。貫入阻力(R)是影響鋼板樁的施工性(貫入性)的主要指標，希望貫入阻力(R)盡可能小。即，如果貫入阻力小，則會導(dǎo)致鋼板樁的施工速度、施工效率提高。鋼板樁的貫入阻力(R)主要由基于地基阻力的支承力與接頭阻力構(gòu)成。其中，對于基于地基阻力的支承力(前端+周面摩擦)，通過使用射水沉樁法(water jet method)等輔助施工方法暫時降低地基的強度，能夠人為地使支承力降低一定程度。另一方面，接頭彼此、或者接頭與接頭內(nèi)的砂土之間的摩擦阻力是接頭阻力的重要因素。通常，由于在接頭之間設(shè)置有數(shù)_以下的間隙，因此，在與先行打入的鋼板樁完全保持平行地打入的情況下，理論上應(yīng)該幾乎不會產(chǎn)生接頭彼此之間的摩擦。但是，由于實際上鋼板樁并不是剛體，因此會由于基于地基阻力的支承力而導(dǎo)致鋼板樁的截面變形，產(chǎn)生彎曲。結(jié)果，接頭彼此接觸而產(chǎn)生摩擦。另外，為了減少摩擦阻力，雖然有在接頭涂敷潤滑劑的方法，但潤滑劑會因接頭與砂土之間的摩擦而剝離，因此其效果受到限制。當(dāng)產(chǎn)生接頭阻力時，會發(fā)生如下的惡性循環(huán)鋼板樁傾斜，進而摩擦增加。由于一旦陷入惡性循環(huán)則難以進行修正，因此，在打入鋼板樁時使用引導(dǎo)框，以盡可能避免產(chǎn)生傾斜，在產(chǎn)生了傾倒、偏移的情況下，進行拔出鋼板樁，再次重新打入的作業(yè)。針對鋼板樁的此類傾倒、偏移，雖然也有通過嚴格規(guī)定施工管理的標準來抑制接頭阻力的方法，但同時導(dǎo)致了施工效率的降低。并且存在如下問題并未消除因鋼板樁的截面變形而導(dǎo)致摩擦阻力增加的原因，從而即便拔出鋼板樁并再次重新打入，也無法進行修正。如上所述，雖然需要從經(jīng)濟性與施工性的觀點考察鋼板樁的截面設(shè)定，但在這一點，例如在以下所示的專利文獻I 5中對帽型(hat - type)鋼板樁的截面形狀的設(shè)定方法進行了考察。專利文獻I以及2公開了如下的形狀設(shè)定方法以及帽型鋼板樁，通過同時滿足新定義的凸緣寬度(Bf)與有效寬度(B)之間的關(guān)系式、和截面慣性矩(I)、高度(H)與B之間的關(guān)系式，能夠得到比現(xiàn)有的U型鋼板樁、寬幅型鋼板樁更優(yōu)異的截面性能。另一方面，在專利文獻3中，示出了利用截面慣性矩(I)的關(guān)系式來限定腹板角度Θ的范圍，從而使貫入阻力(R)最小化的帽型鋼板樁。另外，專利文獻5也同樣示出了設(shè)定為滿足I、B以及單位重量(W)的關(guān)系式，從而確保了貫入性的帽型鋼板樁。并且，專利文獻4示出了如下帽型鋼板樁，通過同時滿足設(shè)定為超過現(xiàn)有的U型鋼板樁的單位重量(W)與截面慣性矩(I)之間的線形關(guān)系的帽型鋼板樁的I與W之間的關(guān)系式、有效寬度(B)與凸緣寬度(Bf)之間的關(guān)系式，由此提高了經(jīng)濟性。上述情況均以帽型鋼板樁作為前提，以有效寬度(B)為700 1200mm、高度(H)為約200 350mm、截面慣性矩(I)為10000 20000cm4/m前后的帽型鋼板樁作為對象。專利文獻I:日本特開2008-069631號公報
專利文獻2:日本專利第4069030號公報專利文獻3:日本專利第3488233號公報專利文獻4:日本專利第3458109號公報專利文獻5:日本特開2005-213895號公報在上述專利文獻I 5中，在帽型鋼板樁的截面形狀的設(shè)定中，著眼于經(jīng)濟性或者貫入性(施工性)中的任意一個，對其進行了專門考察。但是，上述鋼板樁的形狀設(shè)定方法并不是在同時獲得最佳的經(jīng)濟性與施工性這種明確的概念下的鋼板樁的形狀設(shè)定方法。在發(fā)明者所知范圍內(nèi)，沒有關(guān)于同時獲得最佳的經(jīng)濟性、施工性以及穩(wěn)固性的Z形鋼板樁的公開文獻。為了提高經(jīng)濟性，需要盡可能減少單位截面性能的鋼重，考慮在擴大截面的同時減少板厚的方法。但顯而易見，如果擴大截面，則施工時的貫入阻力增加。并且，如果減薄板厚，則在施工時、搬運時擔(dān)心產(chǎn)生局部彎曲等損傷，在鋼板樁的性能方面產(chǎn)生問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述課題而完成的，其目的在于提供同時獲得最佳的經(jīng)濟性與施工性，并且還確保了穩(wěn)固性的Z形鋼板樁。發(fā)明者考慮將A/I、ff/Ι定義為經(jīng)濟性指標，A/I、ff/Ι通過用每壁寬Im的截面積
(A)或單位壁面積的重量(W)除以每壁寬Im的截面慣性矩(I)而得到。作為經(jīng)濟性，指標越小越理想。即，考慮到制造成本，為了發(fā)揮某個截面慣性矩(I)所必須的截面積(A)、單位重量(W)越小越經(jīng)濟。并且，在現(xiàn)有的400mm寬度的III型U型鋼板樁中，W/I = 150/16800 = 8. 9X 1(Γ3，與此相對，在大型化了的600mm寬度的IIIw型寬幅型鋼板樁中，W/1 = 136/32400 =
4.2 X 10_3，經(jīng)濟性提高至兩倍以上。 如上所述，如果鋼板樁壁的截面性能(截面慣性矩(I)或者截面系數(shù)(Z))相同，則單位壁面積的重量(W)越小越經(jīng)濟(相對于相同截面性能的鋼材重量減少)。即，如果單位重量的制造成本相同，則單位截面性能的重量(W/Ι)越小越經(jīng)濟。另一方面，如果單位截面性能的重量(W/Ι)減小，則鋼板樁的截面尺寸(有效寬度
(B)、高度(H))增大，板厚(t)減少。結(jié)果，施工時的鋼板樁的變形量增大，難以進行打入。因此，w/Ι越大施工性越好，換句話說可以認為貫入阻力(R)越小。因此，如果W/Ι (&制造成本)減少，則貫入阻力(R) (&施工成本)增加。相反，認為如果W/Ι增加，則貫入阻力(R)減少。換句話說，可以認為W/Ι與R存在悖論的關(guān)系。因此，如何平衡作為經(jīng)濟性指標的W/Ι與作為施工性指標的R，對于使經(jīng)濟性與施工性這兩方最佳化來說很重要。本發(fā)明基于上述見解而完成，具體地說由以下結(jié)構(gòu)構(gòu)成。(I)本發(fā)明所涉及的Z形鋼板樁具備腹板；形成在該腹板的兩端的凸緣；以及形成在該凸緣的端部的接頭，上述Z形鋼板樁的特征在于，上述Z形鋼板樁設(shè)定成，形成鋼板樁壁時的每壁寬Im的鋼板樁壁的截面慣性矩I、單位壁面積的重量W、貫入阻力R以及腹板角度Θ之間的關(guān)系滿足下述式組(A)或者(B)，其中，截面慣性矩I的單位為cm4/m，重量W 的單位為kg/m2，角度Θ的單位為°，式組(A):(W/I) XR 彡 O. 004，并且2. 65X10-4X1+22 彡 Θ 彡 2. 80 X 10-4X 1+48，其中，30000 彡 K80000，2. 65X10-4X1+22 彡 Θ 彡 70，其中，80000 彡 K180000 ;式組(B):O. 004〈(W/I) XR 彡 O. 006，并且2. 80X10-4X1+44. 6〈 Θ 彡 80，其中，30000 彡 K80000，67< Θ ( 80，其中，80000 ( K200000(2)并且，本發(fā)明所涉及的Z形鋼板樁具備腹板；形成在該腹板的兩端的凸緣；以及形成在該凸緣的端部的接頭，上述Z形鋼板樁的特征在于，上述Z形鋼板樁設(shè)定成，形成鋼板樁壁時的每壁寬Irn的鋼板樁壁的截面慣性矩I、單位壁面積的重量W、貫入阻力R以及腹板角度Θ之間的關(guān)系滿足上述式組(A)，其中，截面慣性矩I的單位為cm4/m，重量W的單位為kg/m2，角度Θ的單位為°。(3)此外，本發(fā)明所涉及的Z形鋼板樁具備腹板；形成在該腹板的兩端的凸緣；以及形成在該凸緣的端部的接頭，上述Z形鋼板樁的特征在于，上述Z形鋼板樁設(shè)定成，形成鋼板樁壁時的每壁寬Im的鋼板樁壁的截面慣性矩I、單位壁面積的重量W、貫入阻力R以及腹板角度Θ之間的關(guān)系滿足上述式組(B)，其中，截面慣性矩I的單位為cm4/m，重量W的單位為kg/m2，角度Θ的單位為°。(4)此外，本發(fā)明所涉及的Z形鋼板樁的特征在于，在上述(3)所記載的Z形鋼板樁中，上述Z形鋼板樁設(shè)定成，滿足下述式組(C)，式組(C):O. 004< (W / I) XR 彡 O. 006，并且2· 80Χ10_4ΧΙ+48〈 Θ 彡 80，其中，30000 彡 K80000，70< Θ < 80，其中，80000 < K200000。(5)在上述的基礎(chǔ)上，本發(fā)明所涉及的Z形鋼板樁的特征在于，在上述(I) (4)中任意一項所記載的Z形鋼板樁中，上述Z形鋼板樁設(shè)定成，高度(H)與腹板厚度(tw)之間的關(guān)系滿足下式。H / tw ^ 60. O
在本發(fā)明中，由于形成鋼板樁壁時的每壁寬Im的鋼板樁壁的截面慣性矩I、單位壁面積的重量W、貫入阻力R以及腹板角度Θ之間的關(guān)系設(shè)定為滿足上述式組(A)、(B)或者(C)中的任意一項，因此，形成了具有最優(yōu)化了的截面形狀的Z形鋼板樁，該Z形鋼板樁滿足經(jīng)濟性與施工性這兩方、并且提高了施工性，其中，截面慣性矩I的單位為cm4/m，重量W的單位為kg/m2，角度Θ的單位為°。在本發(fā)明中，在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，由于設(shè)定成高度(H)與腹板厚度(tw)之間的關(guān)系滿足下式，因此，能夠抑制因施工時的貫入阻力而導(dǎo)致的鋼板樁的彎曲/變形，由此能夠提供了確保穩(wěn)固性的Z形鋼板樁，H/tw ( 60. O


圖I是本發(fā)明的一個實施方式所涉及的Z形鋼板樁的說明圖。圖2是在本發(fā)明的一個實施方式中推導(dǎo)最佳截面的過程的說明圖，是示出使B =700mm、tf = 16mm、tw = 8. 5mm且恒定,并使高度(H)、腹板角度(Θ )變化時的每壁寬Im的截面慣性矩與單位壁面積的重量之間的關(guān)系的圖表。圖3是在本發(fā)明的一個實施方式中推導(dǎo)最佳截面的過程的說明圖，是示出使B =700mm、H = 600mm且恒定，并使凸緣板厚(tf)與腹板厚度(tw)變化時的每壁寬Im的截面慣性矩與單位壁面積的重量之間的關(guān)系的圖表。圖4是在本發(fā)明的一個實施方式中推導(dǎo)最佳截面的過程的說明圖，是在I =100000的情況下示出經(jīng)濟性指標與腹板角度之間的關(guān)系的圖表。圖5是在本發(fā)明的一個實施方式中推導(dǎo)最佳截面的過程的說明圖，是在I =100000的情況下示出施工性指標與腹板角度之間的關(guān)系的圖表。圖6是在本發(fā)明的一個實施方式中推導(dǎo)最佳截面的過程的說明圖，是在I =100000的情況下示出考慮了施工性以及經(jīng)濟性的指標與腹板角度之間的關(guān)系的圖表。圖7是示出將本發(fā)明的一個實施方式中的Z形鋼板樁形成為鋼板樁壁時的每壁寬Im的截面慣性矩與腹板角度之間的關(guān)系的圖表。圖8是示出將本發(fā)明的一個實施方式的其他形態(tài)的Z形鋼板樁形成為鋼板樁壁時的每壁寬Im的截面慣性矩與腹板角度之間的關(guān)系的圖表。圖9是示出將本發(fā)明的一個實施方式的其他形態(tài)的Z形鋼板樁形成為鋼板樁壁時的每壁寬Im的截面慣性矩與腹板角度之間的關(guān)系的圖表。圖10是示出將本發(fā)明的一個實施方的其他形態(tài)的Z形鋼板樁形成為鋼板樁壁時的每壁寬Im的截面慣性矩與腹板角度之間的關(guān)系的圖表。圖11是示出標準化了的施工時貫入阻力(最大載荷)P / P45°與施工性指標R/R45°之間的關(guān)系的圖。圖12是示出標準化了的施工時貫入阻力(最大載荷)P / P45°與腹板角度Θ (° )之間的關(guān)系的圖。圖13是示出標準化了的施工時貫入阻力(最大載荷)P / P67°與施工性指標R /R67°之間的關(guān)系的圖。圖14是示出標準化了的施工時貫入阻力(最大載荷)P / P67°與腹板角度Θ (° )之間的關(guān)系的圖。圖15是示出試樣的變形量與高度/腹板厚度之比、亦即H / tw之間的關(guān)系的圖。圖16是示出施工時貫入阻力P與高度/腹板厚度之比、亦即H / tw之間的關(guān)系的圖。
具體實施例方式對圖I所示的本發(fā)明的一個實施方式所涉及的Z形鋼板樁的形狀確定方法進行說明。限定Z形鋼板樁的截面形狀的參數(shù)包括有效寬度(B)、高度(H)、腹板角度(Θ )、凸緣寬度(Bf)、凸緣板厚(tf)以及腹板厚度(tw)。如果確定了上述參數(shù)，則單位壁面積的重量(W)以及每壁寬Im的截面慣性矩(I)能夠由下式唯一確定。I = I0+ Σ AXy2W=YXA(I0 :截面慣性矩、A :截面積、y :到形心軸(centroid)的距離、Y :單位體積重量)通常，鋼板樁的截面慣性矩(I)使用鋼板樁截面的CAD數(shù)據(jù)，利用上式算出包含接頭部的精確解。但是，在進行本實施方式這樣的截面形狀研究、參數(shù)研究時，每次都在制作CAD數(shù)據(jù)后算出I，作業(yè)非常繁瑣。因此，在鋼板樁壁的截面慣性矩(I)的計算中考慮采用以下方法。另外，該方法不僅能夠應(yīng)用于Z形鋼板樁，還能夠應(yīng)用于帽型鋼板樁。如圖I所示，使用將Z形鋼板樁截面分割成上下凸緣和腹板這三個部分的雖然是估算但能夠簡便地算出I的方法。然而，由于該方法未考慮到接頭部，因此所計算的I的值相應(yīng)地減小。通過試算，計算值約為精確解的80 90%，但由于這一點在通過擬合求出對形狀進行限定的直線時加以考慮，因而不存在問題。如上所述，一般來說，截面慣性矩(I)利用下式表示。I = I0+ Σ AXy2在此，如圖I所示那樣將Z形鋼板樁分割成三個長方形((i) (ii) (iii))，并推導(dǎo)各部分的I，結(jié)果如下。(i) (iii) I = {BfXtf3/12+BfXtfX (h/2)2} X2= BfX tf/2 X (tf2/3+h2)
權(quán)利要求
1.一種Z形鋼板樁， 該Z形鋼板樁具備腹板；形成在該腹板的兩端的凸緣；以及形成在該凸緣的端部的接頭， 所述Z形鋼板樁的特征在于， 所述Z形鋼板樁設(shè)定成，形成鋼板樁壁時的每壁寬Im的鋼板樁壁的截面慣性矩I、單位壁面積的重量W、貫入阻力R以及腹板角度Θ之間的關(guān)系滿足下述式組(A)或者(B)，其中，截面慣性矩I的單位為cm4/m，重量W的單位為kg/m2，角度Θ的單位為°， 式組(A) (W / I) XR ≤ O. 004，并且2.65X IO^4X 1+22≤Θ < 2. 80 X KT4X 1+48，其中，30000 < K80000，2. 65Χ1(Γ4Χ 1+22 < Θ≤ 70，其中，80000 ≤K180000 ; 式組(B)O. 004〈 (W / I) XR ≤ O. 006,并且2. 80X 1(Γ4Χ 1+44. 6〈 Θ≤ 80，其中，30000 ( K80000, 67< Θ < 80，其中，80000 < K200000。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的Z形鋼板樁，其特征在于， 所述Z形鋼板樁設(shè)定成，滿足所述式組(A)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的Z形鋼板樁，其特征在于， 所述Z形鋼板樁設(shè)定成，滿足所述式組(B)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的Z形鋼板樁，其特征在于， 所述Z形鋼板樁設(shè)定成，滿足下述式組(C)， 式組(C)O. 004〈 (W / I) XR ≤ O. 006,并且 2.80X10_4XI+48≤ Θ ≤ 80，其中，30000 ( K80000, 70< Θ < 80，其中，80000 < K200000。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4中任意一項所述的Z形鋼板樁，其特征在于， 所述Z形鋼板樁的高度(H)與腹板厚度(tw)之間的關(guān)系滿足下式，H/tw ≤ 60. O。
全文摘要
本發(fā)明提供同時具有最佳的經(jīng)濟性、施工性及穩(wěn)固性的Z形鋼板樁。本發(fā)明的Z形鋼板樁具備腹板、形成與其兩端的凸緣、及形成在該凸緣的端部的接頭，其特征在于，形成鋼板樁壁時的每壁寬1m的截面慣性矩I(cm4／m)、單位壁面積的重量W(kg／m2)、貫入阻力R以及腹板角度θ(°)之間的關(guān)系設(shè)定為滿足下述式組(A)或者(B)。式組(A)(W／I)×R≤0.004，且2.65×10-4×I+22≤θ≤2.80×10-4×I+48，其中，30000≤I<80000；2.65×10-4×I+22≤θ≤70，其中，80000≤I<180000。式組(B)0.004<(W／I)×R≤0.006，且2.80×10-4×I+44.6<θ≤80，其中，30000≤I<80000；67<θ≤80，其中，80000≤I<200000。
文檔編號E02D5/04GK102656319SQ20108005590
公開日2012年9月5日 申請日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者宇佐美俊輔, 恩田邦彥, 河野謙治 申請人:杰富意鋼鐵株式會社