裝配式建筑吊裝件應用現(xiàn)狀分析

翟傳明，李晨，王娟娟，張超，王錦森，張達

（中電投工程研究檢測評定中心有限公司）

1 引言

1891年，法國最早開始推行裝配式混凝土建筑，至今已發(fā)展120余年。第二次世界大戰(zhàn)破壞了歐洲的大量房屋，同時，城市化快速發(fā)展，人口激增，各國為了解決住房問題，開始探究用工業(yè)品生產(chǎn)方式建造住宅，形成了一批完整的標準化、系列化和工業(yè)化的建筑住宅體系。20世紀60年代，裝配式建筑被廣泛應用于歐洲，并推廣到北美、日本等發(fā)達國家。目前，歐美等國家已從工業(yè)化專用體系向大規(guī)模通用體系發(fā)展，形成了以標準化、系列化、通用化建筑構(gòu)配件與產(chǎn)品為中心，以專業(yè)化、社會化生產(chǎn)以及商品化供應為方向的住宅產(chǎn)業(yè)化模式。

20世紀50年代，我國提出了建筑工業(yè)化發(fā)展思路，主要應用在民用住宅。隨后出現(xiàn)裝配壁板式住宅以及壁板住宅，70年代開始推廣大模板住宅、滑升模板住宅以及框架輕板住宅。以裝配式建筑為主的工業(yè)化建筑更是成為“十三五”（2016—2020年）期間我國建筑業(yè)改革發(fā)展的方向，《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》以及《中共中央 國務院關(guān)于進一步加強城市規(guī)劃建設管理工作的若干意見》（中發(fā)〔2016〕6號）中提出“推廣裝配式建筑，力爭用約10年的時間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達到30%”的發(fā)展目標與要求。在推進新型城鎮(zhèn)化建設過程中，以裝配式混凝土住宅為代表的工業(yè)化建筑在我國將進入快速發(fā)展階段[1]。

與傳統(tǒng)建造方式相比，工業(yè)化建筑具有建筑品質(zhì)好、施工速度快、施工方便、節(jié)約成本、節(jié)能降耗、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點。目前，我國的裝配式住宅發(fā)展仍處于初級發(fā)展階段。具體表現(xiàn)有：

1）工業(yè)化程度較低，相應的標準體系尚未完全建立；

2）標準化與系列化產(chǎn)品比例不高，配套性和產(chǎn)品本身耐用性較差；

3）功能質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量不高，住宅成品質(zhì)量通病多，無法滿足住宅商品化發(fā)展需求；

4）能源、原材料及土地等資源消耗水平高，為發(fā)達國家的3～4倍；

5）科技進步貢獻率僅為25.4%，遠低于日本、美國等國家50%以上的水平；

6）設備以及制品的模數(shù)協(xié)調(diào)體系不完善，產(chǎn)品尺寸與性能缺乏統(tǒng)一的標準，通用性較差。

我國現(xiàn)有的裝配式住宅結(jié)構(gòu)體系多為“拿來主義”，沒有建立完善的規(guī)范與規(guī)程，不利于推動我國住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。通過對裝配式建筑相關(guān)質(zhì)量檢測與評價關(guān)鍵技術(shù)的研究，可以推動住宅開發(fā)模式的轉(zhuǎn)變，解決傳統(tǒng)模式下住宅建筑產(chǎn)品的質(zhì)量參差不齊、維修成本高等問題，并可以更好地利用國家政策法規(guī)的推動作用，縮小與國外先進技術(shù)的距離，對我國工業(yè)化住宅的發(fā)展具有巨大的應用前景以及潛在的社會經(jīng)濟效益。

2 吊裝件

吊裝指將建筑構(gòu)件吊起并放置到指定場地的動作，也稱吊運。在裝配式建筑施工過程中，吊裝貫穿了施工過程中的所有環(huán)節(jié)。吊裝又分為平吊裝、直吊裝、翻轉(zhuǎn)吊裝等，如圖1所示。

圖1 吊裝分類

預埋吊裝件是為了實現(xiàn)吊裝過程，預埋在裝配式構(gòu)件中的預埋件。為了節(jié)省材料、施工方便、避免外露金屬件導致耐久性等問題，當前，常用預埋吊裝件主要有預埋錨栓和預埋吊釘2類，如圖2所示。

圖2 常用吊裝件

歐美等地區(qū)對預埋吊裝件的質(zhì)量控制重在過程控制，對預制構(gòu)配件相應的檢驗、檢測相對較少。目前，國內(nèi)也無相應的吊裝設計和檢測規(guī)范，對其受力機理的研究相對較少，對于較重要、較大型的建筑，大多是設計人員給出吊裝配件的最小承載力，施工人員根據(jù)生產(chǎn)廠家標示的吊裝承載力，乘以一定的安全系數(shù)選取相應的吊裝配件，對于配件的長度或預埋深度，大多是根據(jù)經(jīng)驗。多數(shù)建筑在設計階段并未給出吊裝的設計情況，現(xiàn)場施工人員根據(jù)經(jīng)驗選取吊點、吊釘及吊鉤，這對現(xiàn)場施工帶來較大的安全隱患[2]。

3 受力分析

吊裝件在施工過程中受力時間較短，主要受力方式為軸心受拉和偏心受拉，《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中預埋件設計》中給出預埋件軸心受拉和偏心受拉的計算方法及影響因素，并給出了最小錨固長度的規(guī)定；GB 50010—2010《混凝土設計規(guī)范》給出了吊環(huán)應采用HPB300級鋼筋進行制作，錨入混凝土的深度應不小于30d（d為吊環(huán)鋼筋直徑），并應焊接或綁扎在鋼筋骨架上，按2個截面面積計算的鋼筋應力不大于65N/mm2；但未給出預埋件的承載力計算方法。北京交通大學王秀娟等[3]給出由錨板和直錨筋所組成的受力預埋件的總截面面積的計算公式和錨板厚度的最小構(gòu)造要求，提出錨板外邊緣的彎矩是決定錨板厚度的重要因素。李嵩[4]通過工程實踐總結(jié)出工業(yè)建筑預埋件施工前的準備工作以及預埋件施工的程序。華南理工大學李康權(quán)[5]給出螺栓套管的埋置深度和直徑的增大，可以提高極限承載力，而極限承載力與螺栓套管的埋置傾角關(guān)系不大。上海寶冶集團有限公司的尹洪冰等[6]通過美國混凝土規(guī)范墻體預埋件的計算分析及與中國混凝土規(guī)范的比較，對墻體預埋件承載力的各項計算進行對比分析。林安嶺[7]針對不同特點的預埋件提出了相應的安裝與就位方法。孫麗思[8]從脫模吊裝、運輸?shù)跹b和安裝吊裝三個方面分析大型預制混凝土墻板的吊裝，給出了吊點的計算和吊裝過程。同濟大學趙勇等[9]給出了預制混凝土構(gòu)件吊裝方式以及相關(guān)的施工驗算方法。

美國國家標準化學會、美國機械工程協(xié)會標準ANSI/ASME對通用預埋栓釘已做過相關(guān)試驗，并驗證了所具有的性能。ACI 318-05《美國房屋建筑混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范》中明確給出了受拉、受剪或拉剪復合錨栓的設計要求（不包括高周疲勞、沖擊荷載及地震荷載作用下錨栓的設計），指出預埋錨栓的破壞模式有：拉力作用下的破壞模式分為5種：鋼材破壞、拔出破壞、混凝土崩裂破壞、側(cè)面爆裂破壞、混凝土劈裂破壞；剪力作用下的破壞模式分為3種：混凝土剝裂后鋼材破壞、對于遠離自由邊的錨栓的混凝土撬起破壞、混凝土崩裂破壞。

3.1 在拉力作用下的設計要求

1）受拉錨栓的鋼材強度

當一個受拉錨栓的強度由鋼材起控制作用時，其名義強度：

式中，Nsa為錨栓的名義強度，N； Ase為錨栓的有效橫截面面積，mm2；futa取不大于1.9fya和862MPa中的較小值，fya為錨栓鋼材的規(guī)定屈服強度，MPa。

2）受拉錨栓的混凝土抗崩裂強度

對于單個錨栓：

式中，Ncb為混凝土受拉破壞名義強度，N；ANC為混凝土破壞面的投影面積，mm2；ANCO為在對邊緣距離和間距沒有限制的條件下的混凝土破壞面投影面積，mm2；ψed,N為根據(jù)靠近混凝土構(gòu)件邊緣的程度進行調(diào)整的系數(shù)；ψc,N為根據(jù)有無裂縫進行調(diào)整的系數(shù)；ψcp,N為無附加配筋的未開裂混凝土中后置錨栓進行調(diào)整的系數(shù)。

已開裂混凝土中，單個錨栓的混凝土基本抗崩裂強度：

式中，Nb為在開裂混凝土中，普通混凝土受拉破壞強度，N；kc為混凝受拉時的基本抗崩裂強度系數(shù)；fc'為混凝土的規(guī)定抗壓強度，MPa；hef為錨栓的有效埋入深度，mm。

3）受拉錨栓的抗拔出強度

單個受拉錨栓的名義抗拔出強度應不超過：

式中，Npn為錨栓名義拉出破壞強度，N；ψc,p為根據(jù)混凝土中有無裂縫進行調(diào)整的系數(shù)；Np為開裂混凝土中錨栓的拉出強度，N。

受拉的單個栓釘或帶端錨頭的螺栓，其抗拔出強度應不超過：

式中，Abrg為局部承壓面積，mm2；fc'為混凝土的規(guī)定抗壓強度，MPa。

單個尾部帶彎勾的螺栓抗拔出強度應不超過：式中， fc'為混凝土的規(guī)定抗壓強度，MPa；eh為帶彎鉤螺栓栓桿內(nèi)表面到J形或L形螺栓末端的距離，mm；d0為栓桿直徑，mm。

3.2 在剪力作用下的設計要求

1）受剪錨栓的鋼材強度

一個受剪錨栓的名義強度受鋼材控制時，對于預埋錨栓：

式中，Vsa為由鋼筋強度控制的錨栓名義抗剪強度，N；Ase為錨栓的有效橫截面面積，mm2；futa取不大于1.9fya和862MPa中的較小值，fya為錨栓鋼材的規(guī)定屈服強度，MPa。

對于預埋的帶端錨頭的螺栓、尾部帶彎勾的螺栓：

2）受剪錨栓的混凝土抗崩裂強度

對于垂直于邊緣作用在單個錨栓的剪力計算公式為：

式中，Vcb為在受剪條件下混凝土的名義破壞強度，N；AVC為混凝土破壞面的投影面積，mm2； AVCO為不受角部影響限制、不受間距限制和不受構(gòu)件厚度限制的條件下的混凝土破壞面投影面積，mm2；ψed,V為根據(jù)靠近混凝土構(gòu)件邊緣的程度進行調(diào)整的系數(shù)；ψc,V為根據(jù)有無裂縫以及是否設有附加配筋進行調(diào)整的系數(shù)。

對于平行于邊緣的剪力，應允許取上式所確定剪力值的2倍。將平行于邊緣的剪力值假定為式中垂直于邊緣的剪力值，并取ψed,V等于1.0。

對于角部錨栓，混凝土名義抗崩裂強度應分別對每個邊確定，并取其中的較小值。

單個錨栓在已開裂混凝土中受剪時混凝土的基本抗崩裂強度應不超過：

式中， Vb為在開裂混凝土中錨栓受剪條件下，混凝土的破壞強度，N；le為錨栓受剪時作用力的局部擠壓長度，mm；d0為栓桿直徑，mm；fc'為混凝土的規(guī)定抗壓強度，MPa；ca1為沿一個方向從錨栓栓桿中心到混凝土邊緣的距離，mm。

4 吊裝系數(shù)

在吊裝施工過程中，應考慮安全系數(shù)、脫膜吸附系數(shù)及動力系數(shù)。

4.1 安全系數(shù)

施工現(xiàn)場技術(shù)人員對于吊裝埋件的安全系數(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)重要性一般取3～5，GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》中規(guī)定了吊裝預埋件的施工安全系數(shù)，如表1所示。

表1 吊裝預埋件的施工安全系數(shù)表

4.2 脫膜吸附系數(shù)

預制構(gòu)件脫模起吊時，構(gòu)件和模板間會產(chǎn)生吸附力，施工規(guī)范通過引入脫模吸附系數(shù)來考慮吸附力?；趪鴥?nèi)工程實踐經(jīng)驗，施工規(guī)范規(guī)定脫模吸附系數(shù)取1.5，同時，規(guī)定可根據(jù)構(gòu)件和模具表面狀況適當增減。復雜情況的脫模吸附系數(shù)可通過試驗來確定。

施工規(guī)范采用脫模吸附系數(shù)來考慮脫模吸附力的方法源自美國PCI設計手冊和我國香港的《預制結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》。上海市地方標準DBJ/CT 082—2010《潤泰預制裝配整體式混凝土房屋結(jié)構(gòu)體系技術(shù)規(guī)程(附條文說明)》參考了日本和我國臺灣的相關(guān)標準，

要求脫模荷載除構(gòu)件自重外，應考慮構(gòu)件脫模時模具的吸附力，且附加吸附力應按1.5kN/m2計算。目前，我國國內(nèi)缺少預制構(gòu)件脫模吸附力的實測數(shù)據(jù)，對脫模吸附力的計算方法值得進一步研究。

4.3 動力系數(shù)

各規(guī)范中對動力系數(shù)的規(guī)定有所不同，如表2所示。

表2 動力系數(shù)表

5 結(jié)語

隨著國家的大力推廣，裝配式建筑處于快速發(fā)展階段。吊裝件作為貫穿了裝配式建筑各個施工環(huán)節(jié)的預埋配件，現(xiàn)有的相關(guān)研究還較少。吊裝件的選取與施工質(zhì)量確是保障施工安全的重要環(huán)節(jié)，本文針對吊裝件的受力分析與設計要求以及吊裝系數(shù)的選取進行了總結(jié)，為保障裝配式建筑中吊裝過程的施工安全提供一定的經(jīng)驗。但針對預埋錨栓與預埋吊釘?shù)鹊跹b件的受力機理、極限承載力狀況、混凝土配筋對預埋件承載力的影響情況等方面仍亟待研究，為吊裝件的設計提供更多的依據(jù)，并提出現(xiàn)場檢測方法，最大程度地降低裝配式建筑吊裝施工過程中的安全隱患。