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五峰山长江大桥4#墩钢板桩围堰

五峰山长江大桥4#墩钢板桩围堰

五峰山长江大桥4#墩钢板桩围堰施工工艺

作者:肖亮

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摘 要

随着经济的发展公路、铁路建设的逐步深化,越来越多的建设工作会涉及到跨河流,跨水湾。深水基础的大范围的研究工作也是在这样的背景下展开的,深水基础施工的关键点在于如何经济合理的构造水下临时设施,在各种深水基础中钢板桩围堰是极其重要的一种形式。在钢板桩的选择方面拉森钢板桩以其强度高、抗渗性好、施工便捷、可重复使用、成本低、可操作性强等优点在桥墩围堰施工中得到了广泛的应用。

本文以五峰山长江大桥4#墩围堰为研究背景,通过充分了解工程背景资料为围堰的施工制定了合理的施工方案。主要从围堰的插打施工前的准备工作、插打施工、钢板桩合龙、基坑开挖、内支撑系统的安装、基坑监测的施工这六个方面提出了切实可行的施工方案,为以后的钢板桩施工工艺的制订提供了参考。


关键词: 钢板桩围堰;施工工艺;哑铃型


桥梁深水基础

普通桥梁工程的施I需要修建深水基础,深水基础由于施工难度大、安全风险高、施工周期长,已成为大跨度桥梁施工的关键环节,研究桥梁深水基础施工技术对我国的铁路建设尤其是桥梁建设有着很重要的现实意义。最近几年看来,深水基础建设在我国桥梁方面主要的是采用大型群桩基础,是桥梁深水基础的发展趋势,随之发展起来的必然有各种围堰的施工技术。围堰通常的主要形式有混凝土围堰、钢板桩围堰、钢吊箱围堰、钢套箱围堰、钢~混凝土组合围堰等。其中的钢板桩围堰具有这几个优点:施工速度快、经济效益好、可重复利用,所以才被被广泛应用于桥梁深水基础的修建。

深水基础低桩承台干法施工常用的防水围堰主要有钢筋混凝土围堰、钢套箱围堰、钢板桩围堰等,它们有各自的结构特点和适用范围。不同类型的防水围堰适用条件如下表所示:

五峰山长江大桥4#墩钢板桩围堰

随着我国交通运输需求的增长、基础入水深度的增加以及桥梁跨度的增大,特别是今年来海峡、海湾、跨江河大桥持续不断的新建,深水基础这一课题在各种研究下形式不断更新,由当初的沉井基础形式、沉箱形式,各种形式的桩基础、双承台管柱基础、钟形基础、地下连续墙基础、多柱基础等基本形式的管桩基础及各种组合基础的发展,从而适应纷繁复杂的桥梁墩基础的施工建设条件。根据现有统计数据表明,沉箱、沉井基础应用面十分广泛;桩基础方面的应用也覆盖了大多数国家,其中我国是桩基础应用最多的国家。


钢板桩围堰

钢板桩围堰是深水基础施工中的一种有效地围护结构,靠锁口封水,具有强度高,插打入土方便,防水能力强,可根据围堰的设计组合成设计者需要的形式, 多次重复也是它主要受欢迎的经济性特点。钢板桩围堰有单层和双层之分。双层钢板桩围堰在横向以及纵向连接和锁定,并在两层之间的间隙填入砂石、黏性土或者其他的合适材料。桥梁深水基础钢板桩围堰最常用于管柱基础、沉井顶和明 挖基础以及桩基础承台等各种下部结构的施工,单壁封闭式是应用的最多的形式, 围堰设有内有横、纵向支撑,或者设置圈梁如果有必要的话可以设置斜支撑。单壁钢板桩围堰一般由钢板桩、围堰檩(包括内支撑)、圈梁组成,钢板桩的主要作用是防水、挡土及水下封底混凝土模板,长度一般不超过20m,如需要20m以上的钢板桩,可用同型号的钢板桩接长;下沉定位管柱的导向和悬挂结构主要是 钢围檩,同时它也可以为钢板桩提供支撑作用,钢围檩的顶层也可以作为施工平台为后续施工提供方便。

钢板桩围堰适用于水深4~8m,甚至更深的水中;覆盖层较厚;河床为砂质土、半干硬粘土、砾石土等土层,并可打入较软岩层。一般基底为砂层和较密实的黏土层均可应用。近年来,有地下室是风化花岗岩的应用。然而,围堰也有其局限性。首先,由于其模块化结构,整体刚度小。因此,它对水流和冲刷阻力很小,不适合在更大的流动条件下使用。刚度有限,在承台较深时,支撑的合理设置比较困难。近年来钢板桩围堰施工更灵活,大大节省了施工时间和工程投资。这些因素综合作用使得钢板桩围堰成为当前极具优势的深水围堰施工技术。下面介绍一下部分已经应用了钢板桩围堰技术的桥梁,如下表。 

五峰山长江大桥4#墩钢板桩围堰

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工程概况

1 主桥概况

1.1 线路概况

新建铁路连云港至镇江线位于江苏省中北部的中轴线上。该线位于连云港市 北部,沿宁连高速公路引入淮安市,平行于京杭运河、北京上海高速公路、扬州市南部、镇江长江后,南北方向为北,主干线为 304.883 公里。这条线连接北至龙海铁路,南连接上海至南京铁路。形成了北境省与江苏省中部、南部、苏南省、江苏省北 部、中南部的主要铁路线。桥距润扬大桥上游约 30 公里。距下游泰州长江公路大桥约 29 公里。

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五峰山长江特大桥项目地理位置图

1.2 主桥概况

长江五峰大桥主桥为(84 84 1092 84 84)m 钢桁梁悬索桥。加劲梁由板桁和钢桁架组成。桁架的高度为16m,节距为14m,主桁架的横向中心为30m,各主索股的长度约为2000 米,重量约为47.8t,主缆挤压后直径为1300 毫米。吊索和电缆夹是销连接 的,电缆夹由上下匹配结构组成。4号主塔墩位于城镇岸边,采用群桩基础,平台为哑铃型,圆帽直径40m,钻孔直径67m 2.8 m,桩底入微风岩层,桩长50~115米,帽厚9.5米,顶高7.0m;E 型中心梁厚 9.4 米。主塔高191米,桥塔上、下横梁为预应力混凝土箱形结构。下部梁为单箱双室段,长 43.9 米,宽12,高13m。上横梁长约34.4m,宽10m,高度从中心10m 到两侧变化到23.2m,单室单室截面。南锚采用扩大基础。持力层为弱风化的凝灰质砂岩。


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主跨 1092m 悬索桥方案主桥立面 布置图


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墩基础

镇江侧铁路引桥由 40 孔 32.7m 简支梁、2 孔 24m 简支梁、一联 4×57.2m 连续梁、一联(40.7+64+40.7)m连续梁以及一联(50.25+80+50.25)m 连续梁组成, 总长 1914.198m。公路引桥单幅由两联(3×32.7)m+两联(4×32.7)m 连续梁以及一联(4×57.2)m 连续梁组成。 


2 基础结构概况

连镇铁路五峰山长江大桥南岸主桥 4 号主塔墩基础采用左右塔柱分离式承台(中间设系梁连接)、群桩基础形式,合计布置 67 根φ2.8m 钻孔灌注桩,采用水下C35 混凝土。承台直径 40m,顶面高程+7.0,底面高程-2.5m。承台上游侧采用 35根桩,下游侧采用 32 根桩,桩基呈梅花式布置,纵向 7 排,横向 13 排,行间距 为 5.1m 和 5.8m,桩长 50~115m。钢护筒有 15m 参与受力,设计外径 3.2m、壁厚 25mm。 


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主塔墩基础结构图


3 钢板桩围堰工程概况

承台围堰采用拉森VI型钢板桩。围堰轮廓尺寸为 100.22m×44.28m×24m,其中承台区钢板桩中心分布于直径 44.28m 的圆上,系梁区围堰外轮廓为 23.61m×19.72m;整个承台部分共需钢板桩 438 根(不含改制钢板桩),单根长度为24m, 整套钢板桩围堰总重约1486.3t。

围堰设计时取地面标高为+6.5m,钢板桩顶标高+7.0m,底标高-17.0m,承台分两次浇筑(4.0m+5.5m,系梁区 4.0m+5.4m)。

围堰方案设计基坑底铺 20cm 碎石+浇筑 50cm 厚 C30 混凝土垫层,基坑底标 高为-3.2m;于+2.5m 处设置一道圈梁及内支撑,圈梁截面采用焊接箱型梁(1000×800mm,板厚 30mm 和 24mm),对撑采用Φ1000×20mm 钢管,材质均为 Q345B。 

五峰山长江大桥4#墩钢板桩围堰

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4 地质条件

4 号主塔墩位于长江岸边,墩位处原状为砂石码头,根据补充勘探揭示,场地地基土层的性状在钢板桩围堰插打范围内描述如下,4 号主塔墩承台钢板桩施工区域地层分布:

(1)①-1 杂填土:层厚 1.4-6.0m,层底埋深 1.4m-6.0m,杂色,松散-稍密,稍湿-很湿,以粘性土为主,局部夹碎砖、碎石,直径 1-10cm 不等,个别大于 15cm, 含量 5-15%不等。

(2)①-2 素填土:层厚 2.4m-3.6m,层底埋深 4.4m-5.0m,灰黄色为主,局部灰褐色,松散,很湿-饱和,以软可塑状粉质粘土为主,局部夹少量粉土或砂,偶见碎砖,碎石等建筑垃圾。

(3)①-3 块石:层厚 0m-1.2m,层底埋深 5.6m-7.2m,填石灰岩块,砂岩块。是用于治理江滩时抛填的抛石,粒径较大,一般 30-50cm 不等,最大可达 80cm 以上,块石间充填软、流塑状粘性土或砂土团。

(4)②-1 粉质粘土夹粉土:层厚 1.2-3.7m,层底埋深 7.3m-8.5m,灰色-灰褐色, 软塑,局部流塑。属高压缩土层。

(5)② -2 粉细砂:层厚 1.1m-3.5m,层底埋深 9.5m-11.5m,灰色,饱和,具层理,局部夹薄层粉土或薄层粘性土。

(6)② -3 粉质粘土:层厚 4.0m-5.7m,层底埋深 14.9m-16.2m,灰色,软塑。(7)② -4 粉质粘土:层厚 0m-9.0m,层底埋深 21.0m-24.2m,灰色-灰褐色,

局部灰绿色,软塑为主,局部可塑偏软,含少量铁锰锈斑,局部含粉粒较高,土质欠均匀。该土层分部不连续,但层厚变化较大,场地南侧局部缺失。

(8)③-1 粉质粘土:层厚 4.3m-5.0m,层底埋深 19.9m-25.3m,灰黄色,可塑, 局部偏硬,含少量灰白色高岭土条带及少量褐色铁锰质结核。

(9)③-2 粉质粘土:补勘期未揭穿,褐黄色-棕黄色,硬塑,局部坚硬,含较


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4 号主塔墩承台钢板桩施工区域地层分布图

4#墩承台钢板桩底基本均位于②-4 粉质粘土和③-1 粉质粘土层中,局部位于③-2 粉质粘土层中。其中②-1、②-3 层土均为弱透水层,②-4  层为微透水层;①-1、① -2、① -3 、②-2 层为良透水层;③-1、③-2 层为相对隔水层。


5 工程特点、控制和重难点工程

5.1 工程特点

(1)建设规模宏大,工程量巨大五峰山长江特大桥为四线铁路+八车道高速公路合建桥梁,主桥跨度 1092m。主桥采用跨度为(84+84+1092+84+84)m 的钢桁梁悬索桥,桥梁规模宏大;桥梁主体结构混凝土及钢材用量巨大。

(2)桥梁设计标准及施工技术含量高

主桥结构采用板桁结合的方式,整体焊接方式是主桁节点所采用的。桥面系采用正交异性结构,这样的整体构造就对钢桁架系统的制造、安装造成了更大的压力;主电缆的直径和长度也是巨大的挑战,安装和调试要求也十分严格。

(3)工期紧张、施工安全风险高

本标段总工期为 1341 日历天,工期紧张。

本标段高墩、大跨、结构型式多,施工技术要求高,施工组织难度大,施工安全风险高。

(4)环境保护、水土保持要求高

本标段混凝土方量大,开挖土石方量大,必须妥善处理好施工对环境的影响, 特别是桥梁钻孔桩泥浆排放等,必须满足环保要求,施工中做好生活垃圾处理等, 避免对地下、地表水、河流、环境造成影响。做好环保、水保工作,将本工程修建为绿色、环保工程是工程实施过程中的一项重要工作。


5.2 工程重难点分析

1、4 号主塔墩现状为砂石码头,表层为抛石及块石填土,钢板桩插打前需考虑清障措施。钢板桩需自地面下沉约24m 至-17.0m 高程,桩长长、下沉过程中桩身垂直度控制是重难点,需设置导向并在插打过程中加强观测。

2、基坑开挖深度达到 9.7m,属于深基坑工程,基坑开挖是安全控制的重难点。合理规划开挖方案和开挖顺序,严格按照设计要求及时安装圈梁和内支撑,安装内支撑前严禁出现超挖现象。开挖过程中加强基坑变形监测,及时采取应对措施。

3、围堰施工正处于汛期后段,天气因素对工期影响巨大;且围堰距离岸线仅约 20m,围堰施工期间需做好气象、水位监测及排水措施准备。


钢板桩围堰施工工艺

1 方案概述

钢板桩的插打过程很大程度上影响到了围堰的结构安全和稳定,同时也影响到结构的防水性能,在整个钢板桩围堰的施工过程中的重要性不言而喻。下面主要从钢板桩围堰的施工工艺和步骤着手,结合五峰山长江大桥24m长的拉森IV型钢板桩围堰的实际施工经验,总结了一下超长钢板桩围堰在插打施工中的要点和质量控制的关键措施。

施工前对钢板桩围堰施工范围内场地进行清理,测量放样围堰位置,先破除钻孔平台硬化混凝土层,再安装钢板桩围堰插打导向装置。钢板桩运至施工现场后,采用50t履带吊+振动锤组合逐根吊装、插打钢板桩,插打顺序为分别从上、下游圆弧顶点开始,在系梁中部合龙。

钢板桩插打完成后,采用挖掘机+自卸汽车组合进行基坑开挖以及土方外运, 基坑开挖按照竖向分层、横向分块的方式进行开挖,严格按照设计图纸施工步骤、及时快速安装圈梁和内支撑。开挖至基坑底、破除桩头、清理基坑、铺20cm厚碎石层、浇筑垫层混凝土,待混凝土达到设计强度后,进入下一工序承台施工。

承台厚9.5m,竖向分两次浇筑(4m+5.5m),按照承台施工方案完成承台施工后及时进行基坑回填(过程中通过体系转换后拆除内支撑及圈梁),最后拔除钢板桩,进入下一工序塔座施工。


2 钢板桩围堰施工

2.1 施工步骤


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钢板桩围堰施工步骤

2.2 工艺流程

五峰山长江大桥4#墩钢板桩围堰

钢板桩围堰施工工艺流程图

2.3施工场地准备

清理 4 号主塔墩钢板桩围堰范围内场地,实施钢板桩插打前的清障措施,即利用切割机切割钢板桩插打范围内钻孔平台混凝土地坪,并采用挖掘机机械臂+液    压破碎锤组合对混凝土予以破除(包含破除地面以下 60cm左右原码头20cm厚混凝土地坪),破除宽度0.42m、深度1.0m  以满足钢板桩插打导向需求;规划施工机械设备站位(包含履带吊、挖掘机及混凝土泵车等布置)。


2.4导向安装与钢板桩插打

1、导向安装

钢板桩长度为24m、且围堰平面线型为圆哑铃形,为确保围堰平面位置的线型及钢板桩竖向垂直度,插打前先安装导向架。导向架根据围堰线型设计,与混凝土地坪切槽形成上、下两层限位。导向架为片段式,沿围堰中心圆周移动、每次移动后可插打8片钢板桩,导向架先采用直径 30 螺栓临时定位后通过型钢和钢护筒焊接固定。导向架初始定位必须准确(沿圆弧偏差不超过±50mm、沿半径偏差-20mm~0mm、确保钢板桩插打过程在竖直方向倾斜度不大于1%),完成初始段钢板桩插打后导向架和钢板桩之间互为导向沿圆周移动,该导向架的设置确保了钢板桩插入精度和极大减少了单根钢板桩的定位难度。

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钢板桩围堰施工导向架布置图


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钢板桩围堰施工导向架结构图一


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钢板桩围堰施工导向架结构图二


2、钢板桩插打施工


(1)钢板桩整理

钢板桩运到工地后,应进行检查、分类、编号及登记。整修后钢板桩应符合下列技术要求:

①每组钢板桩的宽度允许偏差为±20mm;

②锁口内外应光洁、并呈一直线;

③锁口在拼装处的高低偏差均不得大于2mm;

④锁口拼接处应尽量紧密,间隙不得大于3mm;

⑤锁口整修后应用同类型3m长的短钢板桩作通过性试验,以 2~3 人拉动通过为宜,或以电动绞车牵动,最大牵引力不超过 5kN;

⑥全长不得有焊瘤、钢板或其他突出物,应保持平滑,两端均应切割整齐,上端按拔桩需要开圆孔(千斤绳眼)并焊钢板加固圆孔;每组长度误差相对中间一块长度应在2mm以内;

⑦钢板桩的扭曲及弯曲应符合施工规范要求;

⑧钢板桩在垫层混凝土以上部分的锁口,必须进行捻缝并嵌油灰增强防水性;

⑨钢板桩不够长时,可用同类型的钢板桩等强度焊接接长,焊接时先对焊或将接口补焊合缝,再焊加固板,相邻板桩接长缝应注意错开。


(2)机械设备配置

①振动锤配置

振动锤应按激振力 P>土的动摩擦阻力 R 进行选择。

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li :钢板桩在不同土层中的入土深度;Up:钢板桩周边长度;

f k :各土层的动侧摩阻力,依据土层性质取为 0.4 倍极限侧摩阻力;

DZ90 型电动打桩锤的频率为:f=1100/60=18.3Hz,属于低频,取土壤弹性系数为 0.8。Tv=704.5×0.8=563.6 kN。

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DZ90型振动锤参数表


选用 DZ90 型液压振动锤:激振力 P =666kN >Tv=563.6kN,DZ90 型振动锤可将钢板桩插打至-17.0m 设计高程,满足要求。

②吊机配置

钢板桩吊装及插打选用 50t 履带吊+DZ90 振动锤,单根钢板桩重约 2.5t,振动锤重约 7.05t,50t 履带吊机吊幅 10m、臂长 34m,最大吊重 11.5t,满足要求。


(3)钢板桩插打

①插打钢板桩前应在锁口处涂以黄油,以便锁口滑润易插;在垫层及混凝土圈梁部位涂沥青,以便拔除。

②插打钢板桩前全面检查钢板桩插打导向系统及插打所用的振动锤,确保导向定位准确、振动锤功能正常。

③利用履带吊机+振动锤配合起吊插打钢板桩,使用吊机的主副两个吊钩组合, 将振动锤及钢板桩吊起(主钩吊起振动锤、钢板桩上端开φ30 孔栓通过穿保险绳挂在振动锤上),然后运用两个吊钩起吊和下放,使钢板桩成垂直状态后将振动锤夹持钢板桩,脱出副钩将钢板桩移向导向架安插位置,插入已就位的钢板桩锁口中(第一根钢板桩插打时为在导向架上测量定位的位置)。

④插桩顺序:分别从上、下游圆弧顶点开始,在系梁中间合拢。

A、钢板桩入土约 23.5m,可分成二次打入,即第一次将已插好的钢板桩打入18~20m,第二次再打到设计标高。钢板桩现场接高时相邻钢板桩必需错开。

B、打钢板桩时应尽量分组分次打入,并防止插打一组钢板桩时将相邻一组的一块带下,以免扰动已捻缝嵌灰的锁口。

C、在插桩过程中,应做到“插桩正直、分散偏差、有偏即纠、调整合拢”的 要点。具体操作如下:

为了避免钢板桩倾斜,应随时用导梁导引钢板桩,检查钢板桩位置准确,垂直度合格,及时进行纠偏。在钢板桩插入时,必须“竖桩、分散偏、纠偏、调校”。在沉陷过程中,第一钢板桩是整个围堰桩的参考。应严格控制其垂直度,准确设置桩底坐标, 准确定位桩底,并用吊车提升吊桩的四个角度,利用全站仪和经纬仪观测和监测垂直度。Y 的垂直度为 90 度角,从而保证角度和垂直度。另一桩是以插入桩组为基础, 在自锁后插入自重,在自重作用下不能顺利插入时,可使用振动锤加压。插至设计高程。当钢板桩在振动锤的作用下依然难以插打下去时,有必要停止和分析原因。检查锁口的变形和形状,钢桩内是否有任何坚硬的障碍物,以免对钢板桩造成损坏。其他钢板桩可以采用经纬仪和卷扬机带缆绳控制锁口钢板桩的轴向偏差

⑤钢板桩合拢:在合拢前剩最后 5~7 片钢板桩未插打时,开始测量并计算钢板桩底部的直线距离,再根据钢板桩的宽度计算所需钢板桩的片数。钢板桩围堰在合拢时会出现上大下小、上小下大及左右偏移等情况,可采用特制型桩合拢。

3基坑开挖与内支撑安装

3.1基坑开挖

钢板桩插打完成后,清理围堰范围内及周边的场地,开始准备基坑开挖工作。基坑开挖采用竖向分层、横向分块的方式进行开挖,遵循对称、均衡的原则。


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圈梁及内支撑安装后基坑开挖方案图


五峰山长江大桥4#墩钢板桩围堰

4#墩围堰内排水沟布置图

基坑开挖过程中若发现钢板桩锁口漏水应及时采用粗砂、锯沫粉、水泥调和后塞进漏水的钢板桩锁口缝隙中将其填充密实达到止水效果。

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五峰山长江特大桥4#墩钢板桩围堰


动画视频


总结与展望

本文通过对五峰山长江大桥 4#墩围堰的施工工艺和不同工况下围堰的力学性能进行分析,得出了如下结论:

1、钢板桩围堰作为传统的围堰形式,在桥梁承台施工阶段运用很广泛,但是由于其体量大,对承台施工质量和人员安全有着极大的关系,所以对钢板桩围堰的研究还是很有必要的。

2、钢板桩围堰的施工中前期的准备工作很重要,主要有钢板桩的焊接、热变化处理、调直。钢板桩的插打施工中应该按照插桩正直、分散偏差、有偏即纠、调整合龙的原则来指导施工。基坑开挖过程中基于围堰安全考虑应该采用中心开挖法,在开挖过程中如果发现钢板桩密封性不好时应该进行封堵。安装内支撑的时候要注意杆件的焊接质量,而且严密的监控是保障内支撑安装工作安全进行的关键工序。。钢板桩的拆除工作最重要的一点就是最后几根钢板桩要一起拆,整个拆除工作要尽力保证钢板桩不损坏,便于循环利用。

3、钢板桩围堰的施工过程根据不同的工程背景而有所不同,本文所总结的施工工艺也不完整,需要后续研究人员进行补充和修改。


五峰山长江大桥4#墩钢板桩围堰

编辑整理:项 敏

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小知识

关于钢板桩的代号


  • 国标《GB/T 20933-2007 热轧U型钢板桩》

    分类代号:
    U型钢板桩代号为:SP U
    (其中SP为钢板桩英文名称 sheet pile 的缩写) 

  • 国标《GB/T 20933-2014 热轧钢板桩》
    (新标准代替2007标准)

    热轧钢板桩包括三类,具体品种及其代号如下:

    U型钢板桩,代号为:PU

    Z型钢板桩,代号为:PZ

    直线性钢板桩,代号:PI

    注:其中P为钢板桩英文(Pile)的首字母,U、Z、I 代表钢板桩截面形状
    ▶ 《热轧钢板桩》国标 GB/T 20933-2014

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