CN1229553C - 金属板桩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属板桩，其有效宽度B[单位是mm]、凸缘宽度Bf[单位是mm]、高度H[单位是mm]和截面惯性矩I[单位是cm⁴/m]满足不等式：800≤B≤1200；280≤Bf≤0.0005×B²-0.05×B；和-0.073×B+0.0043×I+230≤H≤380。该金属板桩提供了优于现有技术金属板桩的横截面性能。

Description

金属板桩

技术领域

本发明涉及一种金属板桩，其在土木工程和建筑工地被用作地面限制结构、基础结构、堤坝保护结构或截水墙。特别地讲，本发明涉及帽型金属板桩的形状。

背景技术

请注意，图1中示出了本发明。然而，该图还在下文中出于解释的目被用于标识根据现有技术的典型金属板桩上的各个元件。此外，应当指出，这种讨论是为了对现有技术进行分析，而不意味着承认图1中的构造属于现有技术。

参看图1，本发明的帽型金属板桩包含一个凸缘2，一对腹板3、3，一对臂4、4，以及一对接头5、5。所述一对腹板3、3中的每个分别连接着凸缘2的相应一端，从而彼此呈线对称。所述一对臂4、4中的每个分别在其一端连接着所述一对腹板3、3的另一端。所述一对臂4、4平行于凸缘2。此外，所述一对接头5、5中的每个分别连接着所述一对臂4、4的另一端。

图1所示的帽型金属板桩的有效宽度为B[mm]，高度为H[mm]，腹板宽度为Bw[mm]，凸缘宽度为Bf[mm]，凸缘厚度为t[mm]。有效宽度B定义为左侧接头5的装配中心与右侧接头5的装配中心之间的距离。所述装配中心定义为一个板桩的接头与相邻板桩的接头彼此搭接区域的中心位置，所述搭接导致所述接头在板桩的宽度方向相互配合或互锁，从而形成一对相互配合或互锁的接头。

帽型金属板桩通常由众所周知的方法制成，即热轧一块金属锭或坯，该金属通常为钢，其预先在炉中加热到大约1250℃。热的矩形钢材多次移动经过具有复杂形状的带槽辊，以形成最终的横截面。具有最终横截面的金属板桩在高温下被切断成具有预定长度的制品，然后被冷却。因轧制程序引起的弯曲和/或翘曲可以利用辊式矫直机或压力校直机消除。

典型的金属板桩是U型金属板桩和帽型金属板桩。图8A和8B中分别示出了U型金属板桩和帽型金属板桩轮廓。为了形成具有特定长度的金属壁，多个金属板桩通过接头5间的相互配合而互锁。因此，通过增加单个金属板桩的有效宽度B[mm]，以减少金属板桩的数量，在经济性上是有利的。然而，根据现有技术的金属板桩的有效宽度最大为600mm。

根据金属板桩的预期用途，要求金属板桩具有特定的横截面刚度。横截面刚度可以由截面惯性矩I[cm⁴/m](＝横截面面积×(至金属板桩的重心轴线的距离)2)表示。通常，截面惯性矩I大于6000[cm⁴/m]。如果两种金属板桩的横截面刚度相等，则单位面积内的重量W[kg/m²]更小的金属板桩，即横截面性能(I/W)更佳的金属板桩，比另一种金属板桩更为经济。

考虑到上述方面，希望提供一种有效宽度超过800mm的金属板桩，以便能够减少所用金属板桩的数量，还希望提供一种横截面性能比现有技术的金属板桩更好的金属板桩。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种帽型金属板桩，其具有超过800mm的有效宽度，并且具有比现有技术的金属板桩更好的横截面性能。

本申请的发明人考察了根据现有技术的U型金属板桩和帽型金属板桩。图2是现有技术的金属板桩的横截面性能图。图中横轴代表金属板桩壁的每单位面积内的金属板桩重量W[kg/m²]，纵轴代表截面惯性矩I[cm⁴/m]。本申请的发明人发现，I＜470W-38000，其中I是根据下面的公式计算的：

$I_x={\∫}_A{y}^2\mathrm{dA}$

在上面的公式中，y＝至重心轴线的距离，A＝金属板桩的横截面面积。

考虑到上述因素，本发明的另一个目的是提供一种帽型金属板桩，其具有超过800mm的有效宽度，并且具有大于470W-38000的截面惯性矩I[cm⁴/m]。

本申请的发明人还通过改变帽型金属板桩的高度来考察具有预定截面惯性矩I[cm⁴/m]和预定有效宽度B[mm]的帽型金属板桩的形状，从而找到了截面惯性矩I[cm⁴/m]大于470W-38000的帽型金属板桩形状。

发明人现已发现，下面描述的帽型金属板桩满足上述条件，因而能够实现本发明的目的。

一种金属板桩，包括：

一凸缘；

一对腹板，所述一对腹板中的每个分别在其一端连接着所述凸缘的相反两端中的一个，从而彼此呈线对称；

一对臂，所述一对臂中的每个分别在其一端连接着所述一对腹板的另一端；及

一对接头，所述一对接头中的每个分别连接着所述一对臂的另一端；

所述金属板桩的横截面尺寸满足所有下面不等式：

800≤B≤1200；

280≤Bf≤0.0005×B²-0.05×B；和

-0.073×B+0.0043×I+230≤H≤380；

其中B是所述金属板桩的有效宽度[mm]，Bf是所述凸缘的宽度[mm]，H是所述金属板桩的高度[mm]，I是所述金属板桩的截面惯性矩[cm⁴/m]。

通过后面的详细描述，可以清楚地看出本发明的其它可行应用范围。然而，应当理解，后面的详细描述和特定实例仅以解释的方式展示了本发明的优选实施例，因为本领域的普通技术人员可以详细描述中得知本发明的精神和范围内的各种变化和修改。

附图说明

通过下面的详细描述和附图，可以更全面地理解本发明。附图仅是解释性的，而非对本发明构成限制。

图1是本发明的帽型金属板桩的横截面图；

图2是显示现有技术中的金属板桩在单位面积内的重量W[kg/m²]与截面惯性矩I[cm⁴/m]之间关系的曲线图。

图3中示出了两种不同形状的帽型金属板桩，它们具有不同的高度，但具有几乎相同的截面惯性矩I[cm⁴/m]和相同的有效宽度B[mm]。

图4是显示一种帽型金属板桩的有效宽度B[mm]与(凸缘宽度Bf[mm])/(有效宽度B[mm])之间关系的曲线图，该帽型金属板桩具有预定截面惯性矩I[cm⁴/m]和预定有效宽度B[mm]，且满足不等式I＞470W-38000；

图5是显示一种帽型金属板桩的有效宽度B[mm]与高度H[mm]之间关系的曲线图，该帽型金属板桩具有预定截面惯性矩I[cm⁴/m]和预定有效宽度B[mm]，且满足不等式I＞470W-38000；

图6中示出了一种帽型金属板桩和装卡着该帽型金属板桩的振动打桩机；

图7中示出了各种帽型金属板桩形状的横截面性能评估值；

图8A和8B中示出了一种U型金属板桩和一种帽型金属板桩轮廓；

图9中示出了多个帽型金属板桩的轮廓，这些板桩一个接一个地互锁起来而形成了连续的金属壁。

具体实施方式

参看图1，本发明的一种帽型金属板桩包含一个凸缘2，一对腹板3、3，一对臂4、4，以及一对接头5、5。所述一对腹板3、3中的每个分别连接着凸缘2的相应一端，从而彼此呈线对称。所述一对臂4、4中的每个分别在其一端连接着所述一对腹板3、3的另一端。所述一对臂4、4平行于凸缘2。此外，所述一对接头5、5中的每个分别连接着所述一对臂4、4的另一端。

图1所示的帽型金属板桩的有效宽度为Bmm，高度为Hmm，腹板宽度为Bwmm，凸缘宽度为Bfmm，凸缘厚度为tmm。有效宽度B[mm]定义为左侧接头5的装配中心与右侧接头5的装配中心之间的距离。所述装配中心定义为一个板桩的接头与相邻板桩的接头彼此搭接区域的中心位置，所述搭接导致所述接头在板桩的宽度方向相互配合。

可以备置两种不同形状的帽型金属板桩，它们具有不同的高度和不同的凸缘宽度，但具有相同的截面惯性矩I[cm⁴/m]和相同的有效宽度B[mm]，这两种板桩的关系是，一个板桩的高度H[mm]比另一个大，但凸缘宽度Bf[mm]和腹板角度(臂4与腹板3之间的角度θ(度))比另一个小。图3中示出了一个实例。

具有预定截面惯性矩I[cm⁴/m]和预定有效宽度B[mm]的帽型金属板桩的多种横截面形状通过下面的步骤确定出来。首先，一种形状被临时确定，基于该形状计算I[cm⁴/m]，第二步，如果I[cm⁴/m]的计算值小于预定值，则增加该形状的高度和/或增加腹板角度，再重新计算I[cm⁴/m]。如果计算值大于预定值，则减小该形状的高度和/或减小腹板角度，再重新计算I[cm⁴/m]。上述计算过程反复进行，直至计算值充分接近预定值，从而确定出最终的逼近形状。作为预定的截面惯性矩I[cm⁴/m]，10000[cm⁴/m]、25000[cm⁴/m]和45000[cm⁴/m]被选用。作为预定的有效宽度B[mm]，800mm、850mm、900mm和1000mm被选用。更精确地讲，首先，预定截面惯性矩I为10000[cm⁴/m]和预定有效宽度B为800mm的帽型金属板桩被设计成具有多种高度，以确定出满足不等式I＞470W-38000的形状条件。其次，预定截面惯性矩I为10000[cm⁴/m]和预定有效宽度B为800mm的帽型金属板桩被设计成具有多种高度，以确定出满足不等式I＞470W-38000的形状条件。对前述其它选定的I[cm⁴/m]和B[mm]重复进行这种操作，从而获得所有满足不等式I＞470W-38000的形状条件(所有形状)。

图4是显示一种帽型金属板桩的有效宽度B[mm]与(凸缘宽度Bf[mm])/(有效宽度B[mm])之间关系的曲线图，该帽型金属板桩具有预定截面惯性矩I[cm⁴/m]和预定有效宽度B[mm]，且满足不等式I＞470W-38000。图4中示出了I＝10000[cm⁴/m]时的情况。图中位于近似线下方的区域满足不等式I＞470W-38000。换言之，现已发现，如果有效宽度B[mm]和凸缘宽度Bf[mm]满足不等式Bf/B≤0.0005B-0.05，即Bf≤0.0005B²-0.05B，则帽型金属板桩同根据现有技术的帽型金属板桩相比具有优异的横截面形状；即能够获得超过(470W-38000)的截面惯性矩I。

满足不等式I＞470W-38000的有效宽度B[mm]和凸缘宽度Bf[mm]之间的关系与截面惯性矩I[cm⁴/m]的值无关。这一关系结果是未曾预料到的。

有效宽度B[mm]和凸缘宽度Bf[mm]之间的上述关系是通过改变帽型金属板桩的高度以检验具有预定截面惯性矩I[cm⁴/m]和预定有效宽度B[mm]的帽型金属板桩的形状而获得的。只要高度大于某个特定值，就能满足不等式I＞470W-38000，而且B和Bf之间的关系是Bf/B≤0.0005B-0.05即Bf≤0.0005B²-0.05B。

在具有给定有效宽度B[mm]的帽型金属板桩中，如果在保持金属板桩高度不变的情况下减小凸缘宽度Bf和腹板角度(臂与腹板之间的角度θ(度))，则截面惯性矩I[cm⁴/m]会变小，这样即使满足B和Bf之间的关系是Bf/B≤0.0005B-0.05即Bf≤0.0005B²-0.05B，横截面性能也会变差。

通过进一步研究发现，为了获得优于现有技术帽型金属板桩的横截面形状，除了要满足B和Bf之间的关系Bf/B≤0.0005B-0.05即Bf≤0.0005B²-0.05B以外，金属板桩的有效宽度B[mm]和高度H[mm]之间还存在另一特定关系。

图5是在预定截面惯性矩I[cm⁴/m]和预定有效宽度B[mm]之间满足不等式I＞470W-38000时的有效宽度B[mm]与高度H[mm]下限之间的关系的曲线图。

如果金属板桩的高度H[mm]满足不等式-0.073×B+0.0043×I+230≤H，同时另一不等式Bf/B≤0.0005B-0.05得到满足，则可以获得获得横截面形状优于现有技术帽型金属板桩的帽型金属板桩。换言之，如果满足不等式I＞470W-38000，则可以获得改进的帽型金属板桩。还已证实，在凸缘厚度t[mm]在10mm至28mm的范围内，上述结果几乎保持不变。

下面描述导致更好横截面性能的帽型金属板桩的其它形状因素。在帽型金属板桩中，只要横截面面积保持不变，则如果板桩被设计成其重心轴线位于金属板桩高度中央，就能够获得最大的截面惯性矩。考虑到这一点，下面的不等式给出了近似解，其根据板桩接头的重量的不同而略有变化：

Bf×0.6≤B-Bf-Bw×2≤Bf×1.1，其中Bf是凸缘宽度，B是有效宽度。

图9中示出了多个帽型金属板桩的轮廓，这些板桩一个接一个地互锁起来而形成了连续的金属壁。如果满足不等式Bf×0.6≤B-Bf-Bw×2≤Bf×1.1，则重心轴线就会位于金属板桩的高度中央。

由于金属板桩是通过轧制坯料而制成的，而且轧制设备的有效辊径受到限制，因此金属板桩的高度H[mm]通常限制在小于380mm。此外，由于轧制负载的限制，有效宽度B[mm]和凸缘厚度t[mm]分别限制在小于1200mm和28mm。

在被驱动着插入其它金属板桩时，金属板桩的凸缘部分需要被振动打桩机装卡。图6中示出了一种帽型金属板桩和装卡着该板桩的振动打桩机。通常，振动打桩机的装卡装置为200-250mm宽。因此，凸缘宽度应当大于280mm，以便能够装卡振动打桩机，同时在两侧留有间隙。

如果凸缘宽度Bf[mm]/凸缘厚度t[mm]的值较大，则用于驱动帽型金属板桩所施加的负载会导致金属板桩在被用作壁时出现局部鼓起，以使壁坍塌。为了避免鼓出，凸缘宽度Bf[mm]/凸缘厚度t[mm]的值应当小于32.4。

满足所有上述要求或理想条件的帽型金属板桩的形状可以通过下面的方式确定，其中该帽型金属板桩的截面惯性矩为9500-10500[cm⁴/m]，有效宽度B为890-920[mm]。即，如果凸缘宽度Bf[mm]满足条件280≤Bf≤350，则条件280≤Bf≤0.0005×B²-0.05×B总被满足，而如果高度H大于210mm，则条件-0.073×B+0.0043×I+230≤H≤380总被满足(高度H的上限是380mm，但为了容易制造，实际上推荐350mm)，然后，确定凸缘宽度Bf和高度H的临时值，以满足不等式Bf×0.6≤B-Bf-Bw×2≤Bf×1.1，然后，截面惯性矩I可以计算出来。如果截面惯性矩I的计算值小于9500-10500，则临时确定的高度和/或腹板角度可以加大，以反复进行相同的计算。如果截面惯性矩I的计算值大于9500-10500，则临时确定的高度和/或腹板角度可以减小，以反复进行相同的计算。上述操作重复进行，直至I的计算值落在9500-10500的范围内。这样可以确定板桩的最终形状。

考虑到上述因素，本发明人发现，通过设计板桩的形状，以使有效宽度B为800至1200mm，凸缘宽度Bf满足不等式280≤Bf≤0.0005×B²-0.05×B，高度H满足不等式-0.073×B+0.0043×I+230≤H≤380，则能够获得有效宽度大于800mm且具有优异的横截面性能的从未在市场上出现的帽型金属板桩。

本发明的实例与对比例的评估

一些帽型金属板桩被设计出来，它们满足下面的三个条件。其它不满足这三个条件中的一些条件的帽型金属板桩被设计出来用于比较。

这三个条件是：

(1)对于有效宽度B[mm]，

800≤B≤1200；

(2)对于凸缘宽度Bf[mm]，

280≤Bf≤0.0005×B²-0.05×B，和

Bf×0.6≤B-Bf-Bw×2≤Bf×1.1；

(3)对于高度H[mm]，

-0.073×B+0.0043×I+230≤H≤380。

本发明的实例与对比例的评估数据显示于图7中。图7表明，满足上述三个条件的帽型金属板桩(实例1-9)相对于现有技术金属板桩具有优异的横截面性能，不满足上述三个条件中的一些条件的帽型金属板桩(对比例10-16)在横截面性能方面劣于现有技术金属板桩。

尽管前面描述了本发明，但本发明可以以多种方式改变。不能认为这些改变脱离了本发明的精神和范围，而且对于本领域普通技术人员而言的所有显而易见的改型具备认为包含在权利要求书中限定的范围内。

Claims (10)

1.一种金属板桩，包括：

一凸缘；

一对腹板，所述一对腹板中的每个分别在其一端连接着所述凸缘的相反两端中的一个，从而彼此呈线对称；

一对臂，所述一对臂中的每个分别在其一端连接着所述一对腹板的另一端；及

一对接头，所述一对接头中的每个分别连接着所述一对臂的另一端；

所述金属板桩的横截面尺寸满足所有下面不等式：

800≤B≤1200；

280≤Bf≤0.0005×B²-0.05×B；和

-0.073×B+0.0043×I+230≤H≤380；

其中B是所述金属板桩的有效宽度[单位是mm]，Bf是所述凸缘的宽度[单位是mm]，H是所述金属板桩的高度[单位是mm]，I是所述金属板桩的截面惯性矩[单位是cm⁴/m]。

2.如权利要求1所述的金属板桩，其特征在于，所述金属板桩的横截面尺寸还满足不等式Bf×0.6≤B-Bf-2×Bw≤Bf×1.1，其中Bf是所述腹板在平行于所述凸缘的方向上的宽度[单位是mm]。

3.如权利要求2所述的金属板桩，其特征在于，凸缘厚度小于28mm。

4.如权利要求1所述的金属板桩，其特征在于，所述金属板桩由钢制成。

5.如权利要求1所述的金属板桩，其特征在于，所述一对臂平行于所述凸缘。

6.一种金属板桩，包括：

一凸缘；

一对腹板，所述一对腹板中的每个分别在其一端连接着所述凸缘的相反两端中的一个，从而彼此呈线对称；

一对臂，所述一对臂中的每个分别在其一端连接着所述一对腹板的另一端；及

一对接头，所述一对接头中的每个分别连接着所述一对臂的另一端；

所述金属板桩的截面惯性矩I为9500-10500[单位是cm⁴/m]，且横截面尺寸满足所有下列不等式：

890≤B≤920；

280≤Bf≤350；和

210≤H≤350；

其中B是所述金属板桩的有效宽度[单位是mm]，Bf是所述凸缘的宽度[单位是mm]，H是所述金属板桩的高度[单位是mm]。

7.如权利要求6所述的金属板桩，其特征在于，所述金属板桩的横截面尺寸还满足不等式Bf×0.6≤B-Bf-2×Bw≤Bf×1.1，其中Bf是所述腹板在平行于所述凸缘的方向上的宽度[单位是mm]。

8.如权利要求7所述的金属板桩，其特征在于，凸缘厚度小于28mm。

9.如权利要求6所述的金属板桩，其特征在于，所述金属板桩由钢制成。

10.如权利要求6所述的金属板桩，其特征在于，所述一对臂平行于所述凸缘。

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