（材料加工工程专业论文）钢板桩轧制过程的有限元模拟研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 摘要 钢板桩是一项建筑领域的革命性建材，具有快捷施工、高效安全、环保节约、寿命长 等优点。在发达国家已经普遍推广，广泛应用于国内外建筑基础施工行业中的各种永久性 和临时性工程。 随着钢铁产业发展政策的发布，冷弯钢板桩、热弯钢板桩国家标准颁布实 施了，我国钢板桩的研制从此进步了标准先行，引导生产，推广应用的阶段。这标志着仍 处于起步阶段的我国钢板桩市场的春天即将到来，应用消费量必将大幅上升。 u 型钢板桩尺寸复杂，两侧弯曲锁口形状奇特，属于复杂断面的热弯钢型材，轧件的 变形过程复杂，质量控制难度大，对整个轧制工艺装备要求也高。目前我们国内相关的研 究非常少，还处于起步阶段。 本文主要对钢板桩的轧制工艺进行研究，结合生产现场实测数据，选用a b a q u s 软 件，建立三维有限元分析模型，对现有热轧u 型钢板桩孔型系统进行了弹塑性热力耦合模 拟，计算热轧过程，综合分析模拟得到的轧件填充情况与轧制力情况，通过分析寻找钢板 桩轧制过程中主电机过载跳闸等的原因，并对轧制生产工艺提出了合理的调整优化的建 议。帮助指导钢板桩的生产，缩短开发周期，提高生产效益，并保证产品质量。 关键词：有限元模拟型钢钢板桩孔型 i i武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t e e ls h e e tp i l ei sar e v o l u t i o n a r yb u i l d i n gm a t e r i a lh a st h ea d v a n t a g e so fh i g hs t r e n g t h , d u r a b i l i t y , l o wc o s t ，c o n v e n i e n ta n df a s tc o n s t r u c t i o n i ti sf l e x i b l eo p e r a t i o n , h i g hw o r k i n g e f f i c i e n c ya n dw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n i th a sb e e nw i d e l yu s e di na l lt h ew o r l d ，i n c l u d eb o t h p e r m a n e n tw o r k sa n dt e m p o r a r yw o r k s w i t ht h ep u b l i c a t i o no f t h ep o l i c ya b o u tt h ed e v e l o p m e n to fs t e e li n d u s t r y ，t h en a t i o n a l s t a n d a r da b o u t c o l df o r m e ds t e e ls h e e tp i l i n g a n d h o tr o l l e du - s h e e tp i l e h a db e e ne n a c t e d a n dp e r f o r m e d t h er & da n dp r o d u c t i o no fs t e e ls h e e tp i l et h u se n t e r e dab r a n dn e wp e r i o do f d e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r y ，t h es t a n d a r df i r s t ，p r o d u c t i o ng u i d e ，p r o m o t i o na n da p p l i c a t i o n t h i s c o u l dm a r kab i gi n c r e a s ei nd e m a n do fs t e e ls h e e tp i l ei nt h ef u t u r e ，o u rm a r k e tw i l lu s h e ri nt h e s p r i n go fs p l e n d i d h o tr o l l e du - s t e e ls h e e tp i l ei sak i n do fc o m p l e xs e c t i o ns t e e lw h i c hh a sc o m p l e xs h a p e a n ds t r i c tl i m i ti ni t ss i z ea n dq u a l i t y t h er o l l i n gc o n t r o lp r o c e s si sm o r ec o m p l i c a t e d ，t h e t e c h n o l o g i c a ll e v e lr e q u e s t sh i g h , s oi ti sd i f f i c u l tt op r o d u c e i nc h i n a , t h es t u d yo ns t e e ls h e e t p i l eo ff r u i ts u n b u r ni sv e r yl i m i t e ds of a r , a n dt h ed e v e l o p m e n to f t h i sa r e ai st h ei n i t i a ls t a g e i nt h i sp a p e r , t h er o l l i n gp r o c e s sa n dt h ed e s i g no fp a s so fr o l l i n gm i l lw e r er e s e a r c h e d ， m e a n w h i l e ，t h er o l l i n gp r e s s u r eo fr o l l i n gm i l lw a sa l s oc a l c u l a t e d o nt h eb a s e so fc o m b i n i n g a c t u a ld a t a , at h r e ed i m e n s i o m le l a s t o p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h es t e e ls h e e tp i l ei n u n i v e r s a lh o tr o i l i n gi sp r e s e n t e df o rt h e r r n o m e c h a n i c a lc o u p l e df i n i t ed e f o r m a t i o np r o b l e m s , b y a p p l y i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea b a q u s t h e c a l c u l a t e dr e s u l t so ff i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o nc o n f o r mt ot h em e a s u r e m e n tv a l u ei ns i t u b ya n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ep r o c e s so fr o l l i n gh a do p t i m i z e d ，a n dt h em a i n c a u s eo ft h em a i nm o t o ro v e r l o a dt r i ph a dt r a c e d t h es t u d yi sh e l p f u lf o rg u i d i n ga c t u a l p r o d u c t i o n , o p t i m i z ep r o d u c t i o np r o c e s sa n di m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y k e y w o r d s ：f i n i t ee l e m e n tm o d e l s e c t i o ns t e e ls t e e ls h e e tp i l e ，r o l lp a s s 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章前言 1 1 研究背景 钢铁产业是我国重要的原材料工业，国民经济的重要基础产业，是实现工业化的 支撑产业。是我国经济发展必不可少的物质基础。2 0 0 5 年7 月8 日由国家发展和改革委 员会发布施行钢铁产业发展政策强调生产和推广应用节约环保型钢材，并将其作为钢 铁业发展的方向，这为钢板桩这一新型环保建筑钢材发展提供了良好的契机。 冷弯钢板桩j c t1 9 6 2 0 0 7 标准，于2 0 0 7 年8 月1 日起实施；热轧u 型钢板桩 g b t2 0 9 3 3 2 0 0 7 国家标准，2 0 0 7 年5 月1 4 日通过了国家质量监督检验检疫总局、国家 标准化管理委员会的审核，正式发布，并于2 0 0 7 年1 2 月1 日开始实施。标志着，我国钢 板桩的研制从此进入了标准先行，引导生产，推广应用的阶段。2 0 0 7 年1 2 月8 日，由中 国钢铁工业协会、同济大学主办的热轧u 型钢板桩国家标准宣贯暨钢板桩设计应用 研讨会在上海召开。这标志着我国钢板桩的春天即将到来，它将迎来我国建筑业施工技术 的一次革命，带来钢板桩用钢的大市场。 1 2 研究的意义 经济实力大增的中国，基础设施建设蓬勃发展，地域分布广、地质结构复杂多变，具 有应用钢板桩的特殊而广泛需求。伴随着铁矿石价格的上涨，以及房地产、汽车业、造船 业等的繁荣发展推动钢铁价格上涨，再加上主要依赖进口，目前钢板桩的市场销售价格已 超过1 0 0 0 0 元吨。若用于江河的抗洪防护，每公里将超过1 5 亿元，若仅从一次性投资 来看确实较高，不利于其普及使用推广【l l 我国的钢板桩技术的研发、应用，钢板桩的生产仍处于起步阶段，钢板桩行业在生产 工艺、技术标准、行业规范都处于摸索阶段，存在很多不足和值得探索的地方。具有高效、 快捷、环保等优点的钢板桩产品的研制开发迫在眉睫，质量更高、工时更省、成本更低， 进而实现国产化。 随着热轧u 型钢板桩国家标准的出台，以及一批现代化轧钢工艺装备的投产运 行，以马钢、武钢为代表的一些具备开发生产热轧钢板桩硬件实力的大型钢铁企业，已经 开始了试验研发。预计今后5 - 1 0 年内，我国将形成较大的热轧u 型钢板桩生产能力， 可为我国工程建设提供充足的物资保证。 1 3 课题的提出 具有节能环保、可重复利用等特点的钢板桩符合国家构建节约型和谐社会的发展方 向，我国方兴未艾的基础建设将为热轧钢板桩的应用提供极为广阔的空间，年消耗量持续 增长。如果钢板桩热轧万能成型能够优化工艺、提高质量、降低成本，进而实现国产化， 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 钢板桩的施工工法的普及使用必将能够获得更进一步推广，产生巨大的经济效益和社会效 益。 本文所研究的钢板桩成品断面尺寸如图1 1 所示( 腹板厚1 6 r a m 、有效高度1 6 0m m 、 有效宽度4 0 0 姗、断面面积1 0 3 0 0 r a m 2 ) 。钢板桩断面形状复杂而且轧制前后形状变化大， 金属温度和变形不均匀，轧件的变形过程很复杂。开发该品种轧辊费用较高，一次性投资 较多，实验方法研究周期长。 因而，首先采用a b a q u s 有限元分析软件对钢板桩在设计的孔型系统下的热轧过程 进行综合数值模拟，分析典型道次的应力、应变分布及金属流动规律，优化孔型系统和轧 制参数。可以进一步确定轧制生产的可行性，保证产品质量，从而降低风险，创造最大的 经济效益。 图1 1 钢板桩断面尺寸 f i g 1 1s e c t i o nd i m e n s i o n so fs t e e ls h e e tp i l e 武钢大型分厂技改后，设备条件已达到国内、国际先进水平，轨梁线具备生产各种型 钢的硬件条件。作为重点创效品种，武钢高度关注，将钢板桩的试制生产工作作为近年的 重点工作开展。在国家政策的支持下，经过研究院及厂技术专家多次的努力，先后在2 0 0 9 年和2 0 1 0 年实施过5 次小批量试轧，逐渐摸索并积累出试制生产经验。 2 0 1 1 年2 月2 3 日，国内首批近2 0 0 吨热轧u 型钢板桩在武钢大型分厂成功下线，目 前已经具备生产宽幅为4 0 0 r a m 的热轧u 型钢板桩的能力，可根据用户需要，试轧宽幅为 5 0 0 r a m 、6 0 g r a m 的u 型钢板桩。这标志着武钢已具备这一高附加值、高技术含量、高效 益钢材品种的生产能力，填补了国内空白。 u 型钢板桩尺寸复杂，两侧弯曲锁口形状奇特，属于复杂断面的热弯型材，轧件的变 形过程复杂，质量控制难度大，对整个轧制工艺装备要求也高，给产品开发和生产控制造 成困难。 武汉科技大学与武钢有着非常悠久的历史渊源，材料与冶金学院轧制实验室与之联系 密切，一直长期合作。校企合作，具有新产品开发、轧制过程实验研究的优越条件。 1 a 研究的内容 武钢引进外来技术以及孔型，在现有的多道次万能轧机新生产线进行试生产，在有效 宽幅为4 0 0 r a m 的u 型钢板桩试轧过程中，主要存在以下问题：( 1 ) 万能轧机负荷大，出现 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 主电机过载跳闸现象；( 2 ) 钢板桩两侧弯曲锁口的形状尺寸不稳定。这些问题与材料性能、 型钢连轧关系、孔型中金属三维流动规律等基础理论有关，需要有针对性进行理论研究与 工艺开发。 钢板桩轧制工艺的研究是结合武钢股份大型分厂的实际生产需要立项的科研课题。本 文选取课题中的一部分进行研究。结合现场热轧实测数据，通过实验室轧制实验及有限元 软件模拟分析，本文对钢板桩的轧制工艺进行研究。其主要内容包括： ( 1 ) 通过热模拟实验，研究q 2 9 5 b z 钢的流动应力模型。 ( 2 ) 通过现场实测及有限元模拟分析，研究轧件的温降过程，以及各道次轧件的头尾温 差、断面温差、分析温度变化情况，确定合理的轧制温度制度。 ( 3 ) 利用a b a q u s 有限元分析软件，建立三维有限元分析模型，对现有的热轧u 型钢 板桩孔型系统进行了弹塑性热力耦合模拟，计算热轧过程，综合分析模拟得到的轧件填充 情况与轧制力情况，与实际轧制生产相比较。通过分析寻找钢板桩轧制过程中主电机过载 跳闸的原因，并对轧制生产工艺进行了调整优化。帮助指导钢板桩的生产，缩短开发周期， 提高生产效益，并保证产品质量。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 1 钢板桩 2 1 1 钢板桩简介 钢板桩是一项建筑领域的革命性建材，具有快捷施工、高效安全、环保节约的特点， 其应用领域十分广泛。从水工围堰、码头、船坞，到河道、海岸的防洪堤坝；从建筑物的 基坑支护、挡土、止水，到地质结构失稳的抗灾救险。钢板桩的应用几乎贯穿了整个建筑 基础施工行业的全过程。 钢板桩( s t e e ls h e e tp i l e ) 的前身是由木材或者铸铁等材料制作的板桩，发展到如今广 泛应用的，是通过h 型钢轧机或万能轧机轧制而成的具有特殊结构、规则形状和尺寸的 钢结构体。钢板桩基本结构一是钢制板桩，二是两侧的弯曲锁口结构，三是在土里或水里 构成墙壁。 按生产工艺划分钢板桩产品有热轧和冷弯两种类型。 热轧钢板桩( h o tr o l l e ds t e e ls h e e tp i l e ) 采用连铸连轧工艺，由开坯机及轨梁轧机或 万能轧机通过高温轧制成型，具有尺寸规范、性能稳定、截面合理、质量高优点。目前世 界上热加工钢板桩的单片宽度最大可达到9 0 0 r a m ，单片的截面模量可达到4 0 0 0 c m 3 。如 见下图2 1 ，其中w 为总宽度，w l 为有效宽度，h 为总高度，h l 为有效高度，t 为腹板 厚度。 ： 一。1 w 图2 1 热轧u 型钢板桩截面图 f i 9 2 1s e c t i o nc o n f i g u r a t i o no f h o tr o l l e du - t 卯es t e e ls h e e tp i l e a ) b u 型 b ) b z 型 图2 2 标准型冷弯钢板桩的形状 f i 9 2 2s e c t i o nc o n f i g u r a t i o no f c o l df o r m e ds t e e ls h e e tp i l e 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 冷弯钢板桩( c o l df o r m e ds t e e ls h e e tp i l e ) ，采用较薄的板材，以冷弯成型机组连续滚 压成形。其生产成本较低、定尺控制灵活，可根据工程实际情况，选取最经济合理的截面， 实现工程设计上的最优化。如图2 2 所示为标准型冷弯钢板桩的形状，其中b 为公称宽度， b l 为截面宽度，t 为厚度，h 为公称高度。 实际生产中冷弯钢板桩锁口联接部位形状难控制，联接处卡扣不严、无法止水；受冷 弯加工设备能力制约，只能生产钢种强度级别低、厚度较单薄的产品；且冷弯加工过程中 产生的应力较大，桩体使用中易产生撕裂，具有较大的加工、使用局限性，大多作为应用 的材料补充。因而热轧钢板桩成为钢板桩产品发展的主流。1 2 - 3 3 近些年，市场上出现了许多复合加工型钢板桩。某些生产厂家在将钢板桩冷加工成型 后，利用焊接方式将特制的锁扣焊接至钢板桩，实现了钢板桩连接的灵活性和更高的防水 性能。此外，还出现了许多组合式的钢板桩结构，即采用截面模量较大的h 型桩或管桩 和钢板桩的组合结构，大大提高了整片桩墙的承载能力，已成为大型重载或深水码头采用 的一种重要结构形式。睁习 圆圈 泥形劬h 形 图2 3 钢板桩的基本断面类型 f 瞄3t h et m l l l i b w l l o fs t e e ls h e e tp i l e 从断面形状来分，热轧钢板桩产品有u 型、z 型、直线型、h 型和管型等基本类型 及其组合形式，如上图2 3 所示。由于z 型、h 型等钢板桩的生产、加工及安装较为复杂， 且价格较u 型高，因而主要应用于欧美，包括中国在内的整个亚洲大多使用u 型钢板桩 u 型钢板桩代号为：s p - u ( s h o c tp n e ) ，有b e l v a lu u ) 形a r b e du ( a u ) 形两类， 如图2 4 所示。( 1 ) 较常用的b u 形钢板桩的宽度一般为6 0 0 m m ；其弹性截面抵抗矩数值可 从6 0 0 e m 3 m 到3 3 0 0 e m 3 m ) 重复使用率可以达到3 0 次；非常厚密，适合高盐度的相关项 目，耐用性强。( 2 ) a u 形钢板桩宽度为7 5 0 m m ，弹性截面抵抗矩从1 4 0 0 e m 3 m 到2 6 0 0 e m 3 m ) 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 与b u 形钢板桩相比，a u 形钢板桩更薄，更轻巧但是更结实；另外角度大，便于从土中 拔出板桩。【6 1 如下表2 1 所示为目前应用较多的几种u 型钢板桩的主要尺寸。 1 9 7 8b e l v a lu ( b u )2 0 0 0a r b e du a u ) 图2 4 两种u 型钢板桩的基本断面 f i 9 2 4s e c t i o nc o n f i g u r a t i o no ft w ou - t y p es t e e ls h e e tp i l e 表2 1 常见的几种u 型钢板桩尺寸 t a b l e 2 1s i z e so fu - t y p es t e e ls h e e tp i l e 单根材 型号有效宽度有效高度腹板厚度 截面面积理论重量截面模量 ( 宽度高度) w l r a mh i m m t m m c m 2 ( k g m ) w x e m 3 4 0 0 1 0 04 0 0l o o1 0 56 1 1 84 8 01 5 2 4 0 0 1 2 54 0 01 2 51 3 o7 6 4 26 0 o2 2 3 4 0 0 1 6 0 4 0 01 6 01 6 o9 6 97 6 13 3 4 5 0 0 2 0 05 0 02 0 02 4 31 3 3 81 0 5 o5 2 0 5 0 0 2 2 55 0 02 2 52 7 61 5 3 01 2 0 16 8 0 6 0 0 1 3 06 0 01 3 01 0 37 8 7 06 1 82 0 3 6 0 0 x 1 8 06 0 01 8 01 3 41 0 3 98 1 63 7 6 6 0 0 2 1 06 0 02 1 01 8 o1 3 5 31 0 6 25 3 9 2 1 2 钢板桩应用简介 由结构可知应用，钢板桩可以用打桩机打( 压) 入地基，通过锁口可连续性搭 接以形成一种板桩墙的钢结构体，用来挡土和挡水，从而在堤防加固、截流围堰等 防渗止水，以及挡土墙、挡水墙、建筑基坑支护等结构基础工程中大显身手。 7 - 1 0 1 如图2 5 所示为钢板桩应用时的护墙示意图。 固囝 墨一 图2 5 钢板桩护墙样图 f i 9 2 5g u a r dw a l lo fs t e e ls h e e tp i l e 因其结构，钢板桩具有其独特的优点：1 、高强度，钢板桩结构轻盈，承载力强、 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 单体抗震性好。2 、隔水性能好，可使构造物快速止水或堵漏、防渗透且易于施工。 3 、施工环保，取土量及混凝土用量大幅减少，有效保护土地资源。4 、作业快捷， 运输方便、操作灵活简单，施工速度快工期短，具有较强的时效性，尤其体现在防 洪、塌方、塌陷、流沙的抢险救灾中。5 、耐久性强，适应各种作业环境，互换性好， 在临时性工程中可反复使用3 5 次，永久性工程的一般可使用寿命达到2 0 - - 一5 0 年。 6 、可采用租赁的形式，节省成本。【l l 】 钢板桩施工并不复杂，一般采用租赁的打桩船或者打桩机打桩，在水中以及陆 地土壤，利用振动锤完成钢板桩的埋设、拔除工作。 例如钢板桩施工围堰一般通用的施工流程是1 6 个环节，分别是：测量放线 一清理钢板桩一设置导桩框架一插打定位钢板桩一插打钢板桩一抽水一设置第l 、2 道内支撑叶水下吸泥_ 水下砼封底_ 等砼封底强度_ 继续抽水一设置第3 、4 道内支 撑- 堵漏一承台和墩身施工- 拆除内支撑一拔除钢板桩。0 2 - 3 如下图2 6 所示为钢板桩 在水中围堰施工的示意图。 圈2 6 钢板桩篪工示意图 m 匦6s t e e ls h e e tp i l ei r ea tw o r k 钢板桩作为一种现代基础与地下工程领域的重要施工材料，可满足传统水利、土木、 道路交通，环境污染整治及突发性灾害控制等很多很多工程领域的施工需求，可缩短施工 工期、经济节约成本、环保减少水泥等的污染环境，广泛的应用于国内外建筑行业中的各 种永久性和临时性工程。如图2 7 所示为钢板桩在水中施工效果示意图。 圈2 7 钢板桩应用示意圈 2 7a p p l i c a t i o n so fs t e e ls h e e tp i l e 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 2 2 钢板桩的发展在国内外的应用 2 2 1 国外应用 早在二十世纪初，欧洲就首先进行了研制和开发，并推广使用。1 9 0 2 年，德国不来 梅港的工程师拉森先生( t r y g g v el a r s s e n ) 开发出了世界上第一块u 型有铆接装置的钢板 桩，并将之命名为拉森钢板桩。在1 9 1 4 年，拉森先生又有了两边连锁的构思，即是目前 常用的u 型拉森钢板桩，作为主流的钢板桩结构，应用到全世界。 1 9 3 3b e l v a tz ( b z ) 1 9 1 1r a n s o m e 1 一9 1 。2 t e r r er o u g e 鲨_ 厂弋一尸 图2 8 早期钢板桩的形状 f i 9 2 8t h es h a p eo fe a r l ys t e e ls h e e tp i l e 在亚洲，日本最先使用钢板桩。1 9 0 3 年首次采用进口钢板桩，应用在三井本馆的挡 土施工中，1 9 2 3 年又大量的进口应用在关东大震灾修复工程。钢板桩高效、便捷、安全 的特殊性能很快显现出来，1 9 3 1 年，日本开始研制，并很快在八幡制铁公司投入生产。 1 9 6 0 年后出现了5 0 0 r a m 宽钢板桩，1 9 9 7 年开发了6 0 0 r a m 宽幅，2 0 0 5 年新日铁开发出 目前世界上最宽的9 0 0 r a m 新型宽幅热轧u 型钢板桩。经近8 0 年的发展，日本在钢板桩 产品研发、设计研究、施工方法、桩工设备制造以及租赁应用等方面均达到了世界先进 水平。【1 4 】 图2 9j r 武藏野线地基耐震补强 f i 9 2 9t h eu s eo fs t e e ls h e e tp i l ei nt h ej rm u s a s h i n ol i n e 日本瓜东武藏野线、东海道新干线的地基耐震补强( 土质液化) 施工中，通过在基 础地基中设置钢板桩，如上图2 9 所示。拉森u 型钢板桩的弯曲刚度可抑制地基的变形， 从而减轻上部建筑结构的破坏。有效避免地震时基础地基发生液化，承载力下降，无法承 受上部荷载，会发生滑移破坏、沉降、开裂等异状现象，加固地基，延长铁路线的使用寿 命。【1 5 】 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 0 0 0 年前后日本钢板桩最高的产能曾经达到1 2 0 万吨年，出口1 5 2 0 万吨年。 但，目前日本年产钢板桩仅有8 0 万吨左右，出口份额也在缩减。日本因是岛国，钢板桩 应用方向主要集中在港湾系统、河川和交通建设方面，其中8 0 万吨产能中有2 5 进入租 赁市场，而工程建设中一次性使用6 0 万吨年。1 1 6 目前日本钢板桩生产企业主要有5 家，分别是新日铁、j f e 、住友金属、东京制铁和 大和，其中新日铁年产量约占日本钢板桩总产能的5 0 ，j f e 占2 5 、住友金属占1 5 、 东京制铁和大和占l o 。2 0 0 7 年日本新日铁赢得投产来最大的一张订单，为马来西亚铁 路公司k t m b 供应总计1 6 万吨的钢板桩。【l 。7 】 随着其在工程界的广泛应用，欧美等其他国家，以及韩国、新加坡也都积极开发、推 广应用，使钢板桩的设计、制造和安装技术水平得到快速发展，钢板桩成为国外工程界的 一种重要产品，消耗量逐年增加。到上世纪6 0 年代，西方主要经济发达国家已将之列入 工具性材料，普及使用钢板桩施工工法。 国外热轧钢板桩的消费结构大致是：6 0 用于一次性使用的永久性结构，约4 0 在 临时结构中反复使用。钢板桩的重复使用业务由专业打桩租赁公司经营，如德国的蒂森克 虏伯在德国有十三家连锁经营的专业打桩与租赁公司，基本覆盖了德国国内市场。日本目 前钢板桩租赁与打桩量逾1 0 0 万吨年，钢板桩年周转次数超过3 次( 整个应用周期按8 次摊销折旧1 。除日本外，新加坡与韩国的钢板桩租赁与打桩行业也非常的兴旺发达。 目前，国际上大型的钢板桩生产企业有：e s c 钢铁、觚e 1 0 r 钢铁、s k y l i n e 钢铁、o d 钮t a l 钢铁等。全球钢板桩年消费量超过3 0 0 万吨，其中欧洲5 0 万6 0 万吨，北美也达5 0 万 吨以上。在亚洲地区，日本年消费量5 0 万6 0 万吨、韩国约2 0 万吨、新加坡、中国香 港、中国台湾的年消费量均在5 万吨以上。【l s 】 2 2 2 国内应用 国外钢板桩应用相当普及，我们国内的应用情况却不尽人意。我国在2 0 世纪5 0 年代 末在武汉长江大桥建设中，由铁道部大桥局从前苏联引进，我国首次将u 一型钢板桩应用 于桥墩围堰水中施工。2 0 世纪6 0 年代建成的南京长江大桥的管桩基础，也曾使用过钢板 桩圆形围堰。此后数十年，受经济实力的制约，加之国内不具备生产装备与轧制技术，同 时限制于工程机械匮乏及施工技术落后等因素，热轧钢板桩的应用一直处于停滞状态。 九八洪灾之后，1 9 9 9 年1 0 月至2 0 0 0 年4 月，采用了日本政府提供的援助，在险情 比较严重的荆江大堤观音寺闸位和洪湖干堤燕窝堤段实施防渗墙施工，构筑了2 2 k m 钢 板桩防洪墙，加固长江干堤。之后因受使用的价值观影响，加之廉价土地资源及人力资源 的作用、国内生产技术的制约，作为高效的金属建材钢板桩，在我国的应用与发展十分缓 慢，使用量很少。 1 9 - 2 0 1 在2 0 0 8 之前，中国进口钢板桩还不到5 万吨，年消耗量只占世界的1 ，远远低于 日韩、新加坡、港澳台地区的用量。国民经济各个部门采用钢板桩的面还不够大，港口、 码头等量大用户还远没有普遍推广使用，使用量并不理想。国内钢板桩应用相对较少，还 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 只用于建桥围堰、船坞建设等工程，在水利工程、码头建设等领域。其开发和应用落后于 世界先进水平几十年，与国外具有很大的差距，与我国钢铁总量占世界三分之一的现状， 以及钢铁大国的地位极不相称。 2 3 我国钢板桩现况和应用前景 2 3 1 生产现状 我国钢板桩目前已无需再完全依靠进口，但市场开发落后，产能几乎为零，仍处于应 用起步阶段。 1 9 6 3 年鞍钢大型厂试轧制仿k 1 型钢板桩成功，并于1 9 6 4 年8 月正式接受了订货； 1 9 7 7 年4 月，b 5 0 0 槽型钢板桩在包钢轨梁厂试轧成功。2 l 世纪初，马钢依据国内市 场需求，凭借自国外引进万能轧机生产线的工艺装备条件，生产过宽幅为4 0 0 m m 的热轧 u 型钢板桩5 0 0 0 余吨，并成功应用于嫩江大桥围堰、靖江新世纪造船厂3 0 万吨船坞及孟 加拉防洪工程等项目。 以上三家钢厂走的都是先有产品后有标准这条路，仅有根据经验制定的自己的钢板桩 企业标准，产量和规格十分的有限。而且，由于试生产期间生产效率低、轧制不稳定、经 济效益差、国内需求少及技术经验不足等原因，未能持续生产。【2 1 2 2 】 南京万汇钢板桩有限公司2 0 0 1 年始研制开发冷弯钢板桩产品，至今已先后研制出5 种类型，2 0 余规格。先后向中铁、中建等部门提供了1 0 余万吨，还出口至荷兰、英国、 俄罗斯、中东、非洲等国家( 地区) ；不仅填补了国内市场对钢板桩一些品种的空白，也 满足了不少用户对于冷弯钢板桩产品用量的需求。 2 0 1 0 年4 月下旬，继1 2 r a m 厚钢板桩试制成功后，武钢江北公司汉口轧钢厂又研制 成功了1 4 r a m 厚冷弯钢板桩。江北公司向打造国内一流冷弯型钢生产基地迈出了关键一 步，为汉n # l 钢厂进一步优化产品结构，提高核心竞争力，建设具有国际竞争力的大型冷 弯型基地奠定了坚实的基础。 钢板桩产品的技术攻关难度比较大，目前，国内还没有一家钢厂能够大批量生产这一 高端产品，所用的钢板桩产品还主要依赖于从日本新日铁、阿塞洛米塔尔等国外企业进口。 目前宝钢、马钢、武钢等国内大型钢铁企业都具有开发生产的硬件实力，也已经将热 轧钢板桩项目列入建设日程，实施小批量试轧，实现“本土化 生产。也有一些公司意欲 和外企合作，共同开发，例如全球最大的钢铁产商阿塞洛米塔尔钢铁集团( 缸c d o rm i t t a l ) 与东方集团探讨在河北合资建设钢板桩生产公司，已有了实质性进展。 2 3 2 应用现状及前景 近年来，随着我国经济的迅猛发展，以及国家基础设施建设力度逐渐加大，各类新颖、 高效、环保的工程施工技术与材料渐渐得以推广发展。 因其高强轻质、止水性好、耐久性强、施工效率高、占地少等独特性能，热轧u 型 钢板桩已逐渐在堤防加固、截流围堰、构筑船坞码头及挡水墙等水工工程以及构建挡土墙、 武汉科技大学硕士学位论文第11 页 山体护坡、筑造基坑支护等基础工程中得到应用，解决了我国若干大型工程建设的施工难 题。 如在河北唐山曹妃甸煤码头工程中，首次采用h z ”组合型钢板桩沉桩施工工艺，以 新的码头结构形式，建成了目前国内最大的钢板桩结构码头。还有，上海长兴岛船坞、亚 洲最大的码头天津新港船厂等重大工程项目，以及2 0 1 0 年汛期之后，长江沿岸多处永久 性堤防防渗加固工程，都为钢板桩提供了用武之地，钢板桩施工方法获得了实践舞台。【2 3 埘】 此外，在基坑围护防渗施工等一些工程中临时性应用也得到尝试，如浦东国际机场二 期工程、上海世博园项目、温福铁路等工程，钢板桩临时围护用量也较大。广州大凌河污 水泵站工程、广东增城市城区排水管网改造工程、安徽马钢新区地下排水管网建设中，钢 板桩的施工发挥了重要作用，较好地满足了我国经济建设对科技创新、环保与可持续发展 的需求。【2 弛8 】 随着南水北调中线工程的需要，以及国家加大交通工程建设的投入，桥梁、地铁、高 速铁路、城际客专等一些项目中已开始大量使用钢板桩和相应的施工方法。 如2 0 0 6 年1 1 月施工的河南北平泉特大桥项目是郑西铁路的重点工程，一改过去钢板 焊接沉箱围堰的传统方法，采用先进的钢板桩围堰施工，提高了施工效率，保证了架梁的 工期。所采用了9 米长的s p l - 型拉森钢板桩，施工过程中所需要的打桩机均是租赁的， 而且8 4 号、8 5 号墩共一套围堰周转使用，节省了资源和成本，并且也大大降低了对水库 周围环境的污染、破坏。1 2 9 】 京沪高铁济南黄河大桥、广珠城际黄埔大桥、2 0 0 7 年完工的杭州湾跨海大桥、2 0 0 8 年合龙的公铁两用天兴洲大桥、2 0 0 9 年贯通的大胜关长江大桥、2 0 11 年在建的武汉二七 长江大桥等重大工程，都采用了钢板桩围堰作为临时支护，用于桥墩承台的施工中。这些 项目一次性钢板桩用量均达万吨，取得了良好的经济和社会效益。 江河流域甚至跨海大桥建设的高潮，即是我国未来钢板桩市场的强有力支撑。据报道， 南水北调中线工程沿途将穿越五个省( 市) ，这些地区路网密杂，为保证调水水质并恢复 因施工截断的交通，国家将在总长约一千五百公里的总干渠沿线修建跨渠公路桥7 6 1 座。 “长江干流桥梁建设规划方案座谈会”透露，为了让国家的高速公路网、沿江省区的各级公 路网发挥出应有效益，长江沿岸还将拟建大约7 0 座桥梁。毫无疑问，未来几十年，建桥 围堰必将是主攻目标，钢板桩特别是复合加工型钢板桩和组合型钢板桩，这一建筑领域的 革命性的材料，在我国应用前景广阔，大有可为。 3 0 3 5 】 据世界钢铁协会的可信市场分析预测，未来1 0 年内，世界钢板桩需求将大幅上升， 尤其是中国、东南亚以及中东等国家与地区，我国热轧钢板桩的年消费量可望超过5 0 万 吨，成为钢板桩消费的大国。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章热力耦合有限元法 3 1 弹塑性理论 弹性和塑性理论是现代变形固体力学的分支，弹性和塑性理论的任务，一般就是在实 验所建立的关于材料变形的力学规律基础上，用严谨的数学方法来研究各种形状的变形固 体在外载荷作用下产生的应力、应变和位移。 当作用在物体上的外力去掉以后，物体中没有完全恢复的那部分永久性变形称为塑性 变形。研究塑性变形和作用力之间的关系，以及在塑性变形后物体内部应力分布规律的学 科称塑性力学。塑性力学和弹性力学有着密切的联系。弹性力学中所使用的平衡方程和几 何方程，在塑性力学中都将可以继续使用，但在物理关系方面两者却有较大的差别。在弹 性力学中，使用的是广义的虎克定律，而在塑性力学中，使用的是屈服条件以及塑性本构 方程。对于不同的材料，塑性本构方程有不同的非线性性质，所以其变形规律也是不同的。 弹性理论研究的对象是弹性体，指的是一种物体在每一给定温度下，存在着应力和应 变间的单值关系，与时间无关。通常这一关系是线性的，当外力取消后，应变即行消失， 物体能够完全恢复原来的形状，同时物体内部的应力也能够完全消失。塑性理论研究物体 塑性状态的形成及应力和变形规律，塑性状态是指物体应变足够大时，卸去外载后，物体 不能恢复其原有形状而产生残余变形，塑性变形是能量的不可逆过程。当物体产生塑性变 形后，塑性区内的应力和应变为非线性关系，而且由塑性理论可知，它们之间已不再是一 一对应的，塑性应变的大小，不仅决定于当时的应力状态，而且还决定于物体塑性变形的 历史。 由于塑性应力一应变关系的这些特点，从理论上进行解析三维轧制有很大难度。 3 2 弹塑性有限元法 弹塑性有限元法是在结构分析中的弹性有限元的基础之上，于2 0 世纪6 0 年代由 p v m a r c a l 和山田嘉昭推导出的弹塑性矩阵而发展起来的。1 9 6 5 年m a r c a l 引用刚度的概 念，用位移表示平衡方程，提出了用数值法解弹塑性问题。1 9 6 7 年山田嘉昭在m a r c a l - e 作的基础上利用m i s e s 屈服条件和p r a n d t l r e u s s 应力应变关系，推导了弹塑性问题的刚度 矩阵。 随后，有些科研工作者利用此计算工件内部的残余应力，利用此对挤压、锻压、平辊 轧制板材等塑性问题进行了研究，得到了有关于塑性变形区应力、应变以及变形等等信息。 3 2 1 有限元法简介 有限元模型是真实系统理想化的数学抽象。有限单元法是将一个连续的结构体离散成 若干个有限单元，这些单元只在结点处有联系，并将结点位移、耶“，、1 ，取为基本未 知量，按静力等效原则将载荷移置到结点，根据虚位移原理建立包含劲度矩阵隧】、未知 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 位移列阵 万) 与等效结点载荷列阵担) 的平衡方程组。 有限单元法平衡方程的一般表达式为：【k 】 研= r 公式( 3 1 ) 各单元的应力分量计算公式是： o r ) = 【d 】p ) 一【s 】 j ) = 【d 】【明p 公式( 3 2 ) 其中，【d 是弹性矩阵，【跚是应力矩阵，陋】是应变矩阵，忙) 是应变列阵，舻) 是位 移列阵。 在弹塑性有限元方程中，对任一单元e 由虚功率方程建立有限元方程，所有单元方程 的集合即可形成整体有限元方程。 对任一单元e ，我们选取其形函数矩阵为e n ，单元内任一点的位移向量是t u ) ， 速度向量是 。 动力分析的有限元方程的一般形式是：【m 】 矽) “c 】 d ) = p ) 一f ) 公式( 3 4 ) 其中： 移) 是整体节点加速度列阵； 【7 ) 是整体节点速度列阵；【m 】是整体质量矩阵； 【c 】是整体阻尼矩阵； 一是外力节点力列阵；伊) 是内力节点力矩阵，即是由内应力计算 的整体节点列阵。 j 丁j 均 匕 口 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 r m = zl s , m 1 n a v 【c 】：工。7 加2 川d y f 】- 工。【曰r a d v p ) = l 【朋r b d v + l 【川r p a s + m r q d s 在动力学有限元分析中，其系统的求解方程是： 脚( f ) + c 3 ( t ) + k a = q ( f ) 公式( 3 5 ) 公式中：占( f ) 是节点速度向量和；a ( f ) 是节点速度向量： m 是质量矩阵；c 是阻尼矩阵；k 是刚度矩阵；q ( t ) 是节点载荷向量。分别是有各 自的单元矩阵和向量组成。和静力分析相比较之下，在动力分析中，由于惯性力和阻尼力 出现在平衡方程中，因此引入了质量矩阵和阻尼矩阵，最后得到的求解方程是常微分方程 组，而不是代数方程组。 3 6 - 3 7 有限单元法是解决工程问题的有效工具之一，它已被广泛应用于土木工程、机械航天 航空、电磁场等多个领域。从2 0 世纪8 0 年代开始，数值分析技术和计算机的迅速发展为 孔型轧制过程的分析和模拟提供了一种有效的手段，数值分析方法成为7 车l n 理论研究工 具的主流。有限元作为数值分析方法的一种，在国际上以其作为研究工具的课题大大的超 过其他理论分析方法。 3 2 2 有限元法的基本思想 有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结 在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不 同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。【3 8 】 ( 1 ) 假想将连续体分割成数目有限的微小单元，而且各微小单元只在数目有限的指定点 处相互连接，形成一个单元集合体来代替原来的连续系统。并用节点等效载荷代替原有外 载荷。 ( 2 ) 对每个单元由分块近似的思想，按一定的规则选择一个简单的函数建立求解未知量 与节点相互作用之间的关系。 ( 3 ) 把所有单元的这种特性关系按一定的条件集合起来，引入边界条件，构成一组以节 点变量为未知量的代数方程组并求解。解出方程后，再用插值函数和有关公式就可以求得 物体内部各点所要求的多种物理量。 3 2 3 有限元法的分析步骤 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 公式推导和运算求解不同。如下图3 1 所示为有限元分析一般选用的流程。有限元求解问 题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义。根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 第二步：求解域离散化。将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限 个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小( 网络越细) 则离散域 的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算