专利名称：金属板桩的制作方法
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下土限制结构、基础结构、堤坝保护结构或止水壁。特别地讲，本发明涉及一种轧制钢板桩，其具有强力接头，能够实现高生产率，并且避免出现弯曲和/或翘曲。此外，本发明的金属板桩提供了利用单一种类的金属板桩实现多种互锁方式的选择性。
背景技术：
现有两种钢板桩，其中一种是通过钢板冷压而制成的，另一种称作轧制钢板并且由钢坯热轧制成。轧制钢板桩的厚度一般大于6mm，并被用作地下土限制结构、基础结构、堤坝保护结构和止水壁等要求较高横截面刚度、机械强度和接头互锁强度的场合。
根据现有技术的轧制钢板通常被分类为各种类型，例如U型钢板桩、Z型钢板桩、帽型钢板桩、直腹板式钢板桩等。帽型钢板桩具有类似于U型钢板桩的近似形状，并且具有端部凸缘部分，端部凸缘部分的边沿上形成有接头。端部凸缘部分平行于帽型钢板桩的中央凸缘部分。根据现有技术的钢板桩的接头具有例如图7(a)、图7(b)和图7(c)所示的形状。图7(a)所示的接头10是用在U型钢板桩中的最流行接头形式，因为这种接头可以由相对少量的钢制成。
图7(b)所示的接头11通常被隔栅式结构中的直腹板式钢板桩采用，因为这种接头具有高强度。然而，图7(b)所示的接头由相对大量的钢制成，因此其重量较大且钢材占用效率低。
图7(c)所示的接头12通常被用作Z型钢板桩或帽型钢板桩，因为接头部分的一侧可以是平坦的。然而，接头在板桩的两侧是不对称的。
轧制钢板桩一般是通过轧制矩形实心钢坯制成的。如果形成在左右侧的接头形状和重量不同，则制造过程较为困难，且可能发生弯曲和/或翘曲。因此，图7(c)所示接头的生产率较低。
由于轧制钢板桩通常在土木工程和建筑工地被用作地下土限制结构、基础结构、堤坝保护结构或止水壁，因此其接头需要有高强度。
在钢板桩的实际使用中，如果接头装配在另一相邻钢板桩的接头中，则由于相邻的钢板桩受到彼此强迫分离的作用，因此每个接头均产生应力。考虑到这一点，钢板桩的接头需要足够结实，以承受这种强应力。接头的每个部位的强度取决于力矩和该部位的厚度，该力矩等于预定的负载乘以所述部位与负载矢量点之间的距离。由于在图7(a)、图7(b)和图7(c)所示的接头中，从各隔应力集中部位至负载矢量点之间的距离较大，因此必须通过增加钢材的用量来提高接头的强度。换言之，必须显著增大强度与钢用量的比率。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够解决上述问题的金属板桩。具体地讲，本发明的目的是提供一种金属板桩，其具有高强度接头，且容易制造，能够在制造过程中避免弯曲和/或翘曲，并且能够利用单一种类的金属板桩实现多种互锁方式。
为了达到上述目的，本发明的轧制钢板桩包括形成在轧制钢板桩的相反两侧的端部凸缘和形成在每个端部凸缘的边沿上的接头，其中位于相反端的一对接头的横截面具有相同形状或是线对称的，而且端部凸缘和接头被这样布置，即一对相互配合的接头的点对称中心位于端部凸缘的厚度方向中心线上或附近。
在一个板桩的接头与相邻板桩的接头相互配合以将所述板桩彼此互锁后，所述一对接头形成了一对相互配合或互锁的接头。
此外，接头上设有位于接头与端部凸缘之间的边界附近的防旋转突块。帽型钢板桩或Z型钢板桩优选用作本发明的钢板桩。在采用帽型钢板桩的情况下，位于钢板桩相反端的用于容纳相邻钢板桩的咬合部分的装配槽向着相反的方向敞开，以使两个接头的横截面是点对称的。与此相反，在采用Z型钢板桩的情况下，位于钢板桩相反端的接头被这样布置，即装配槽向着相同的方向敞开。
在本发明的轧制钢板桩中，用于互锁的接头包含三个部分，即连接部、底部和咬合边沿部。这三个部分形成了一个装配槽，该装配槽具有大致梯形和缩口的横截面，从而通过将一个钢板桩的咬合边沿部分装配在另一钢板桩的装配槽中，可将钢板桩与相邻钢板桩互锁在一起。换言之，形成了一对相互配合或互锁的接头。
由于形成在钢板桩相反端的接头具有相同或线对称的横截面，因此本发明的轧制钢板桩容易制造。在采用帽型钢板桩的情况下，位于钢板桩相反端的用于容纳相邻钢板桩的咬合部分的装配槽向着相反的方向敞开，以使两个接头的横截面是点对称的，而在采用Z型钢板桩的情况下，位于钢板桩相反端的接头被这样布置，即装配槽向着相同的方向敞开。
上述结构可以增加在钢板桩组合方式方面的选择自由度，这使得钢板桩壁能够被构造得具有不同的横截面性能。
如前所述，钢板桩的接头的强度取决于力矩和接头各部位的厚度，该力矩等于预定的负载乘以接头的每个部位与负载矢量点之间的距离。
在本发明的轧制钢板桩中，端部凸缘和接头被这样设置，即一对相互配合接头的点对称中心位于端部凸缘的厚度方向中心线上或附近。这种结构使得接头上的每个弯曲力矩/应力集中部位至负载矢量点的距离最小化。这样，可以使接头具有高强度，并且减少制造钢板桩所需的钢材量。
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。
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(a)是本发明第一实施例的俯视图，示出了通过接头互锁的两个帽型钢板桩；
图1(b)是图1(a)中的接头的放大图；图2(a)和2(b)示出了通过本发明第一实施例的帽型钢板桩之间的组合而形成的钢板桩壁的横截面的实例；图3(a)是本发明第二实施例的俯视图，示出了通过接头互锁的两个Z型轧制钢板桩；图3(b)是图3(a)中的轧制钢板桩的接头的放大图；图4(a)、4(b)和4(c)示出了通过本发明第二实施例的Z型轧制钢板桩之间的组合而形成的钢板桩壁的横截面的实例；图5(a)、5(b)和5(c)示出了本发明的轧制钢板桩的接头的实例；图6(a)、6(b)、6(c)和6(d)是示出了如何减小力矩以提高本发明的钢板桩接头强度的解释图；图7(a)、7(b)和7(c)示出了根据现有技术的钢板桩的接头的实例。
具体实施例方式
图1(a)是本发明第一实施例的俯视图，示出了通过接头互锁的两个帽型钢板桩。图1(b)是图1(a)中的接头的放大图，其中一个轧制钢板桩的接头装配在相邻轧制钢板桩的接头中，以形成相互配合或互锁的接头。
第一实施例中的轧制钢板桩1具有帽形横截面。轧制钢板桩1包括中央凸缘2、端部凸缘3和腹板4。端部凸缘3大致平行于中央凸缘2。每个腹板4的一端在中央凸缘2的相反端之一上连接着中央凸缘2。每个腹板4的相反端连接着一个相应的端部凸缘3。除了接头以外，帽型轧制钢板桩1的横截面相对于一条在中央凸缘的中心垂直于中央凸缘的中心线呈线对称。接头5形成在端部凸缘3上的与腹板4相反的一端上。右侧接头5和左侧接头5具有相同的横截面。然而，左右侧接头5、5上的用于容纳相邻钢板桩接头的装配槽向着相反方向敞开，以使这两个接头的横截面呈点对称。一个钢板桩1的装配槽5d容纳着相邻钢板桩1的咬合边沿部分5c。与此同时，相邻钢板桩1的装配槽5d中也装配着前一钢板桩1的咬合边沿部分5c。根据这一点，相邻的钢板桩1一个一个地互锁起来，以形成由钢板桩1组成的壁。
如图1(b)所示，本发明第一实施例的左右侧接头5分别包括连接部5a、底部5b和咬合边沿部5c，它们形成了具有大致梯形和缩口的横截面的装配槽5d。突块5e在装配槽一侧形成在连接部5a上，以防止接头5旋转。
上述轧制钢板桩1具有设在其两端的两个横截面相同的接头5、5。由于在轧制程序的最终阶段即通过弯折而形成接头之前，被轧制的钢板总可以在宽度方向保持对称形状，因此这种结构使得板桩能够被非常稳定地制造。这样可以防止钢板出现弯曲和/或翘曲。
如图1(b)所示，一对相互配合或互锁的接头相对于点对称中心26呈点对称，该点对称中心位于端部凸缘3的厚度方向中心线20上或附近。这种结构使得接头5上的每个弯曲力矩/应力集中部位至负载矢量点的距离最小化，以使接头5具有高强度。
图2(a)和2(b)示出了通过第一实施例的帽型钢板桩之间的组合而形成的钢板桩壁的横截面的实例。轧制钢板桩1具有一对被构造得呈点对称的接头。因此可以如图2(b)所示构造钢板桩壁6，其中板桩以交替翻转的方式组合。此外，可以如图2(a)所示构造钢板桩壁6，其中所述板桩朝向相同方向。图2(b)所示的钢板桩壁6比图2(a)所示的钢板桩壁6具有更好的横截面刚度，但会形成更大的厚度。由于可以利用板桩1的两种互锁方式形成，因此墙壁可以被构造得具有不同的横截面性能，以满足特定条件的需要。还应当指出，本发明的钢板桩还可以根据特定的应用而以图2(a)所示结构与图2(b)所示结构相组合的方式互锁。
根据现有技术的U型钢板桩和帽型钢板桩不具有由彼此呈点对称的接头构成的一对接头。这样，只能以一种方式组合钢板桩，即所有钢板桩朝向一个方向。因此，传统类型的钢板桩制品只能提供一种墙壁横截面性能。本发明的钢板桩1使得能够构造成具有不同横截面性能的墙壁，而不需要使用不同类型的钢板桩。例如，在图2(b)所示的板桩以交替翻转方式组合的钢板桩壁6中，可以获得更高的墙壁横截面刚度，最高可达图2(a)所示墙壁的2.5倍。然而，这种结构在某些建筑场合可能会受到限制。
图3(a)是本发明第二实施例的俯视图，示出了通过接头互锁的两个Z型轧制钢板桩。图3(b)是图3(a)中的轧制钢板桩的接头的放大图，其中一个接头装配在相邻轧制钢板桩的接头中。图3(b)中所示的第二个实施例的接头与图1(b)中所示的第一个实施例的接头相同。
第二实施例的Z型轧制钢板桩1a包括一个腹板4、分别连接着腹板4的相反端并由此伸出的两个端部凸缘3以及分别形成在端部凸缘的边沿上的左右侧接头5、5。
在Z型轧制钢板桩1a中，两个端部凸缘3彼此平行，并且除了接头以外，钢板桩的整个横截面是点对称的。左右侧接头被这样设置，即两个桩配槽朝向同一方向敞开，而且两个接头是线对称的。
图4(a)、4(b)和4(c)示出了通过采用了本发明接头的Z型轧制钢板桩1a之间的组合而形成的钢板桩壁6的横截面的实例。Z型轧制钢板桩1a使得，可以通过选择相邻轧制钢板桩1a的互锁方式，构造出具有不同横截面性能的钢板桩壁6。例如，在图4(a)所示的钢板桩壁6中，钢板桩1a以交替翻转的方式组合；在图4(b)所示的钢板桩壁6中，成对的钢板桩1a互锁，各对钢板桩之间交替翻转；在图4(c)所示的钢板桩壁6中，所有板桩朝向相同的方向，以将横截面的厚度限制为最小。
除图4(a)所示钢板桩壁以外的其它钢板桩壁6能够提供出横截面刚度为图4(a)所示的壁的0.2至2.5倍的壁。
图5(a)、5(b)和5(c)示出了本发明的轧制钢板桩的接头的实例。所有实例中的接头5均包括连接部5a、底部5b和咬合边沿部5c，它们形成了大致梯形和缩口的装配槽5d。突块5e在装配槽一侧形成在连接部5a上，以防止接头旋转。
钢板桩的接头是在轧制操作的最终阶段利用轧辊形成的，所述轧辊咬住钢板边沿部分的并从外侧向该边沿部分施加压力，所述边沿部分是在前一阶段通过轧制形成的。考虑到这一点，接头的长度(连接部、底部和咬合边沿部的长度之和)越小，制造过程中的生产率越高。图5(b)示出了图5(a)中的接头的一种改型例，其中接头配合角度即咬合部方向被改变的更为竖直，以使制造钢板桩所需的钢材量最小化。图5(c)示出了图5(a)中的接头的另一种改型例，其中接头的重量减小而强度提高。图5(c)中的接头具有突块5e，以取代图7(b)所示现有接头中的爪，以使轧制精度要求不必像以前那样严格。
本发明的轧制钢板桩具有由左右侧接头组成的一对接头，它们在横截面上呈点对称或线对称。换言之，轧制钢板桩的相反端上的接头具有相同的横截面形状；然而，接头可以朝向相同或相反的方向敞开。
在多个本发明的轧制钢板桩互锁的情况下，一个板桩的接头与相邻板桩的接头相互配合，以形成一对在横截面上呈点对称的相互配合或互锁的接头。本发明的轧制钢板桩具有一对接头，二者被这样设置，即一对相互配合接头的点对称中心位于端部凸缘3的厚度方向中心线20上或附近。这种结构使得接头上的每个弯曲力矩/应力集中部位至负载矢量点的距离最小化，以使接头具有高强度。此外，在轧制程序的最终阶段即通过弯折而形成接头之前，本发明的钢板桩在被轧制时在宽度方向上保持对称形状。这样可以防止钢板出现弯曲和/或翘曲，并且能够非常稳定地制造钢板桩。本发明的轧制钢板桩通过具有相同横截面形状的接头而互锁，从而可以增加在钢板桩组合方式方面的选择自由度。这使得钢板桩壁能够被构造得具有不同的横截面性能，而传统的钢板桩制品只能提供一种墙壁横截面性能。
本发明的轧制钢板桩具有一对接头，二者被这样设置，即一对相互配合接头的点对称中心位于端部凸缘3的厚度方向中心线20上或附近。下面参照图6(a)、6(b)、6(c)和6(d)解释为何这种结构能够使接头上的每个弯曲力矩/应力集中部位至负载矢量点的距离最小化。应当指出，图6(a)-6(d)只是为了解释的目的。因此本发明的其它元件例如形成在接头部分与凸缘部分之间的边界附近的用于防止旋转的突块未被示出。
在图6(a)和6(b)所示的接头中，咬合边沿部分具有相同的横截面形状，但在不同位置连接在端部凸缘上。虚线20表示端部边缘的厚度方向中心线，点22表示易断裂点即应力集中部位，箭头24表示负载矢量，La和Lb表示易断裂点与负载矢量之间的距离。
图6(c)中示出了根据本发明实施例的一对接头，二者被这样设置，即一对相互配合接头的点对称中心位于端部凸缘的厚度方向中心线20上或附近。同图6(a)中的La、图6(b)中的Lb、图6(d)中的Ld相比，距离Lc最小。
在相邻钢板桩互锁而形成一对相互配合或互锁的接头后，每个接头上的各个部位均因相邻板桩之间被拉离的力而产生应力。为了增加接头承受应力的强度，建议以使力矩最小化的方式设计接头，这一点可以通过如此构造一对接头而实现，即一对相互配合的接头的点对称中心位于端部凸缘的厚度方向中心线20上或附近。图6(C)中所示的接头具有最小的力矩，因此优选采用。应当指出，在这种特定的结构中，连接在一对相互配合接头上的端部凸缘是基本上同轴的。
应当指出，在整个说明书中讨论的是轧制钢板桩。然而，本发明并不局限于轧制钢板桩。其它金属板桩也包含在本发明的范围内。
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。
权利要求
1.一种轧制钢板桩，包括第一端部凸缘；第二端部凸缘；形成在所述第一端部凸缘的边沿上的第一接头；及形成在所述第二端部凸缘的边沿上的第二接头，所述第一和第二接头中的每一个分别包含一连接部、一底部和一咬合边沿部，所述连接部、底部和咬合边沿部形成了一装配槽，一突块在装配槽一侧形成在连接部上，咬合边沿部用于容纳在相邻轧制钢板桩的装配槽中，以形成一对相互配合的接头；其中，所述第一和第二接头的横截面形状是线对称或点对称的，而且所述第一和第二接头被这样设计，即所述一对相互配合接头的点对称中心位于所述第一和第二端部凸缘各自的厚度方向中心线上或附近。
2.如权利要求1所述的轧制钢板桩，其特征在于，所述咬合边沿部分的横截面向着其端部逐渐加宽。
3.如权利要求1所述的轧制钢板桩，其特征在于，所述第一和第二接头的装配槽向着相反的方向敞开，所述第一和第二接头被这样安置，即它们的横截面呈点对称，所述第一和第二端部凸缘分别连接着第一和第二腹板，所述第一和第二腹板通过位于它们之间的中央凸缘而彼此相连。
4.如权利要求1所述的轧制钢板桩，其特征在于，所述第一和第二接头在相同方向敞开，所述第一和第二端部凸缘基本上相互平行并且通过一个不与它们平行的腹板相连。
5.如权利要求1所述的轧制钢板桩，其特征在于，所述轧制钢板桩具有帽形横截面，并且包含一中央凸缘及第一和第二腹板，所述第一腹板延伸并连接在所述中央凸缘的一端与所述第一端部凸缘之间，所述第二腹板延伸并连接在所述中央凸缘的相反端与所述第二端部凸缘之间。
6.如权利要求1所述的轧制钢板桩，其特征在于，所述轧制钢板桩具有Z形横截面，并且包含一腹板，所述腹板的一端连接着所述第一端部凸缘，所述腹板的相反端连接着所述第二端部凸缘。
7.如权利要求1所述的轧制钢板桩，其特征在于，在所述轧制钢板桩与相邻轧制钢板桩咬合而形成了成对的相互配合接头后，所述第一和第二端部凸缘的中心线大致上与相邻轧制钢板桩的各端部凸缘同轴。
8.一种金属板桩，包括第一和第二端部凸缘；及分别形成在所述第一和第二端部凸缘的边沿上的第一和第二接头，所述第一和第二接头中的每一个分别包括一个形成在其中的装配槽和一个伸向装配槽中的突块；所述第一和第二接头的横截面形状是线对称或点对称的，而且所述第一和第二接头被这样设计，即在所述金属板桩与相邻金属板桩咬合而形成了成对的相互配合接头后，所述一对接头的点对称中心位于所述第一和第二端部凸缘各自的厚度方向中心线上或附近。
9.如权利要求8所述的金属板桩，其特征在于，每个所述第一和第二接头分别包含一连接部、一底部和一咬合边沿部，所述连接部、底部和咬合边沿部形成了所述一装配槽，且所述突块在装配槽一侧形成在连接部上。
10.如权利要求8所述的金属板桩，其特征在于，所述咬合边沿部分的横截面向着其端部逐渐加宽。
11.如权利要求8所述的金属板桩，其特征在于，所述第一和第二接头的装配槽向着相反的方向敞开，所述第一和第二接头被这样安置，即它们的横截面呈点对称，所述第一和第二端部凸缘分别连接着第一和第二腹板，所述第一和第二腹板通过位于它们之间的中央凸缘而彼此相连。
12.如权利要求8所述的金属板桩，其特征在于，所述第一和第二接头在相同方向敞开，所述第一和第二端部凸缘基本上相互平行并且通过一个不与它们平行的腹板相连。
13.如权利要求8所述的金属板桩，其特征在于，所述金属板桩具有帽形横截面，并且包含一中央凸缘及第一和第二腹板，所述第一腹板延伸并连接在所述中央凸缘的一端与所述第一端部凸缘之间，所述第二腹板延伸并连接在所述中央凸缘的相反端与所述第二端部凸缘之间。
14.如权利要求8所述的金属板桩，其特征在于，所述金属板桩具有Z形横截面，并且包含一腹板，所述腹板的一端连接着所述第一端部凸缘，所述腹板的相反端连接着所述第二端部凸缘。
15.如权利要求8所述的金属板桩，其特征在于，在所述金属板桩与相邻金属板桩咬合而形成了成对的相互配合接头后，所述第一和第二端部凸缘的中心线大致上与相邻金属板桩的各端部凸缘同轴。
全文摘要
本发明公开了一种金属板桩，其具有更高的强度，并且适合于以高生产率制造。左右侧端部凸缘形成在轧制钢板桩的相反两侧。接头形成在左右侧端部凸缘的边沿上。接头的横截面形状是点对称或线对称的。端部凸缘和接头被这样布置，即一对相互配合的接头的点对称中心位于端部凸缘的厚度方向中心线上或附近。此外，接头上设有位于接头与端部凸缘之间的边界附近的防旋转突块。
文档编号E02D5/02GK1500941SQ0316023
公开日2004年6月2日 申请日期2003年9月28日 优先权日2002年11月15日
发明者妙中真治, 西海健二, 龙田昌毅, 三浦洋介, 前田书孝, 江田和彦, 二, 介, 孝, 彦, 毅 申请人:新日本制铁株式会社