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在线压花成形技术开发及应用


新日铁住金公司开在以住宅和低层建筑物为对象的地基改良和基础、城市狭窄地段的打桩施工、山岭隧道工程等受施工空间和工期等制约的环境中,开发了使用小口径钢管的各种施工法。该公司通过充分运用热轧制管工艺生产线,开发了在钢管表面自如地成形压花的技术,从而开发出适用于灌桨和水泥土等水泥系材料的特殊形状的小口径钢管,并成功实用化。从2006年开始生产的带槽管采用在钢管纵向以一定间隔成形的压花(段),提高与水泥系材料的附着强度,在柱状地基改良的芯材和山岭遂道的辅助区工程积累了使用业绩。本文在介绍生产这些特殊形状的小口径钢管的在线压花成形技术的同时,还介绍了2012年开始生产的新产品压花钢管的特征以及要求性能的性能试验结果。

1 新日铁住金的在线压花成形技术

钢管的生产方法大体分为:①将钢板或带钢成形为管状,焊接连接其接头制造的焊接钢管;②用圆坯、方坯或钢坯生产的无缝钢管。根据钢管的成形温度,这些钢管的生产工艺分为热轧生产工艺和冷轧生产工艺。

新日铁住金的在线压花成形技术充分运用焊接钢管和无缝钢管典型的热轧生产工艺的特征。压花成形技术所采用的是焊接钢管生产工艺的连续成形方式和无缝钢管生产方法之一的曼内斯曼制管法。在此,以连续成形方式的焊接钢管的生产方法为例,介绍在线压花成形技术。图1是焊接钢管生产工艺中的成形以及焊接部位模式图。首先,为将带钢连续成形,需用预处理将多个带钢纵向焊接连接。再用隧道式加热炉加热到约1300℃,然后进行成形、接缝、缩径。成形为规定尺寸的钢管剪切成规定长度后,在冷床冷却到常温。

在焊接钢管和无缝钢管生产工艺中,在线压花成形技术采用在辊上设有凸状的突起,转压到钢管上形成凹状,在钢管表面可以自如地形成压花(图2)。类似的技术,有像加强筋钢板和异形钢筋那样的在轧辊上加工沟槽,轧制时使钢材填充到该沟槽内,在钢材表面形成突起的方式。但是,中空断面的钢管,钢材填充不到沟槽部位,流入到半径方向(钢管中心方向),所以,在钢材表面不能成形。在开发本技术时,在确认可充分发挥性能的基础上,转换思路选择压花成形替代原来的突起成形,解决了生产上的问题。

在钢管领域,采用冲压方式和使用多段机架的冷辊轧成形,可以生产具有异形断面钢管。但是,这些制品纵向基本是同一断面形状。本在线压花成形技术随着成功地进行纵向不连续断面成形,可以自由选择连续断面和不连续断面。此外,本在线压花成形技术还可以采用热轧工艺,用少机架进行大断面变形,抑制了购入多个辊的成本增加,还可以采用在线成形以低廉价格生产。


2 运用在线压花成形技术的系列产品

由于利用在线压花成形技术轧制终端产品,可以提供独特形状的钢管。图3是带槽钢管、斜槽钢管和压花钢管的压花配置例。带槽钢管(图3上)的槽是以一定间隔规则地配置在钢管纵向。这些压花也可以像斜槽钢管(图3中)那样与钢管轴向形成角度地配置,而且该压花形状和配置间距也可以自如地控制。这样成形的压花,将水泥系材料充分填到该压花处,可以发挥非常高的附着性。带槽钢管已有许多作为住宅的柱状地基改良的芯材的实绩。在山岭隧道拱脚部位加强中,由于带槽钢管的高附着力,与采用常规钢管加固相比,可以缩短浇灌长度。因此,可以降低施工成本和缩短工期。

另一方面,与带槽钢管相比,压花钢管(见图3)的压花浅,而且小花成形,不仅在钢管轴向配置,在圆周方向也可以规则地配置。如果和带槽钢管相比,明显是表面形状不同的钢管。这种开发的在线压花成形技术,可以自如地控制压花本身的大小和深度,压花的配置等,可以根据用户的需求提供各种钢管。

3 压花钢管

3.1 需求的多样化和压花的规格

作为小规模建筑物的柱状地基改良体芯材开发的带槽钢管,不需要焊接加工等,因可以发挥高附着性,所以对用于各种结构物进行了研究。首先介绍的是用于山岭遂道拱脚部位加强的一个例子。但是,在结构强度方面的改良需求也同时提高了。

在轧制终端,采用在线压花成形技术成形的钢管已经具有初期不规则的压花变形,担心该压花会影响钢管本身的结构强度。也就是说,压花在钢管上成形时,担心钢管以压花为起点发生早期压屈。压花的配置在提高附着性的同时,也伴有降低结构强度的风险。

因此,在提高钢管的拉伸、抗压强度也同时,根据用户要求的形状,新日铁住金公司避开降低结构强度的风险,为了发挥钢管自身具有的结构强度,研究了优化压花形状的结果,成功地开发出图4所示的压花钢管。压花钢管配置的压花是宽度3~4mm、长度20mm的长方形形状,平均压花深度约2.3mm。钢管直径76.3mm时,该压花以圆周方向8个,轴向以25mm间隔配置。压花配置也根据钢管直径变化,还可以根据应用条件变更。


3.2 压花钢管的结构性能

在压花钢管的结构性能中,最担心的是由于压花成形导致压屈强度降低。特别是压花配置多时担心强度降低,所以,以钢管直径76.3mm,圆周8个、轴向以25mm间隔配置压花的钢管为评价对象进行了性能评价。

首先,进行了以压花成形影响局部压屈的短柱压缩试验,与没有压花的普通钢管比较的结果示于图5。图中纵坐标是用材料屈服强度将作用压缩应力无量纲化,横坐标是用试验体长度无量纲化的轴向应变。从图中可知,板厚3.2mm时,因钢管壁厚较薄,最大荷载后强度急剧下降,但板厚4.5mm时没有发生强度急剧下降的情况,具有充分的变形性能。如果与图7所示的常规钢管的情况比较,荷载-变位关系有很大差异,但确认所有板厚均具有超过材料屈服强度的抗压强度,确认了压花导致的抗压强度降低是可以忽略的程度。

还实施了四点弯曲试验的弯曲性能评价,试验结果示于图6。试验钢管与短柱压缩试验一样,配置压花的钢管直径是76.3mm,板厚为4.7mm。由荷载-变位关系明确最大强度稍有降低,但与常规钢管相比仍具有充分的弯曲性能。

3.3 压花钢管的附着性

压花钢管的应用方是以柱状地基改良和山岭遂道加固、边坡加固为代表的地基加固结构为主。在该领域为了确保附着强度,以前使用在钢管表面焊接加工突起的钢管。

我们知道地基其强度和刚性极大地依存于应力水平,考虑该边界条件非常重要。因此,压花钢管和水泥系材料的附着强度也根据周边地基的拘束条件变化,所以,试验时应该考虑地基刚性的拘束条件。

为此,准备了将试验体的压花钢管等试验用管配置在中央,在其周围配备有其他模框用管材,两种管材之间填充了水泥土或砂桨的试验体。这样,基础桩和地基固定构件周围地基拘束的刚性条件已经确定,所以,可以用地基刚性条件和模框用管材的结构性内压引起刚弹性,评价附着性是否符合要求的使用条件。本试验中,为调查拘束条件的影响,模框用管材配备了钢管(管径216.3mm、板厚5.8mm)和PVC管(管径216.3mm、板厚10.3mm)两种管,分别模拟拘束强时和较弱时两种情况。此外,拘束弱时的径厚比为约20,这是与D级地基相同程度拘束效果。

附着试验的试验体与结构性能评价相同,钢管直径76.3mm,圆周方向8个、轴向以25mm间隔配置压花的钢管。作为比较材,是没有压花的常规钢管(钢管直径76.3mm)、钢筋D51。试验是在模框用管材和填充材下端的同时,对试验钢管上部向下施加荷载的冲压试验。根据试验材料的结构,施工方法,使用的水泥系材料强度差异很大,所以,试验材料是2~5MPa的水泥土和20MPa及36MPa的砂桨材料和广范围的强度水平的材料。

首先,作为强拘束条件,将钢管作为模框管材使用,以强度36MPa的灌桨料为对象时的3种试验材的附着试验结果示于图7。确认无压花的常规钢管附着强度低,峰值荷载后发生滑移断裂。钢筋D51虽显示比压花钢管高的附着强度,但峰值荷载后强度降低大,呈脆性断裂模式。而压花钢管最大附着强度虽然比钢筋低,但最大附着强度后的强度几平没有降低,确认呈稳定性极高的附着性。

图8是对象材的单轴抗压强度和由附着试验获得的最大强度。纵坐标是钢管单位长度的附着强度。首先,与常规钢管相比,确认压花钢管发挥着非常大的附着强度。即使对象材的强度上升,常规钢管的附着强度也没有大幅度改善。另一方面,压花钢管,根据对象材的强度,附着强度大大提高。如果简单比较,压花钢管的附着强度由常规钢管的约3倍提高到约7倍以上。该改善比率与钢管每1m长度在4处(25cn间隔)设突起的已往的试验结果比较,确认压花钢管附着强度的改善效果与带突起钢管相同或高于。

3.4 对压花钢管的总结

综上所述,确认了利用在线压花成形技术,在表面进行压花的压花钢管可以保证与无压花的常规钢管相同水平的结构性能。确认了尽管压花小,但使用的水泥系材料填充到压花部分,形成一体化,同时发挥非常高的附着性。与传统的带突起钢管相比,其特点是不需要后焊接加工,可以发挥高附着性。本试验中,以直径76.3mm钢管为对象,根据适用结构,以各种规格钢管(直径、板厚)为基础,可以实现压花个数的最佳化等。

压花钢管在附着性的基础上,还可以改善结构性能,在太阳能板的应用实绩中可适用于桩-柱构件。此外,并

 

不只限于目前所用的柱状改良体和山岭遂道拱脚部加固,还可以期待用于基础加固中的微型桩和边坡加固、山岭遂道的加固等类似结构和施工法。

4 结语

新日铁住金公司独自开发的利用钢管热轧工艺的在线压花成形技术,特别是将提高与水泥系材料附着强度的压花钢管产品化,压花形状根据使用方可以自如地控制。在以住宅和低层建筑物为对象的地基改良和基础、城市狭窄地段的打桩施工和山岭遂道施工等施工空间和工期等制约的环境下,采用改善附着强度和结构强度的小口径钢管,可以改善各种施工法和结构技术。


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