預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)埋吊裝技術(shù)研究

邵康節(jié) 李智斌 張卓群 趙 杰

（1中國建筑科學(xué)研究院有限公司，建研科技股份有限公司，北京 100013；2國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100095)

0 引言

眾所周知，混凝土結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域具有主導(dǎo)地位，技術(shù)成熟、造價(jià)低廉、結(jié)實(shí)耐用是其有別于其他結(jié)構(gòu)形式的重要優(yōu)勢(shì)。隨著施工工藝的不斷發(fā)展與進(jìn)步，以及企業(yè)和社會(huì)對(duì)于效益的重視與關(guān)注，傳統(tǒng)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土的方法已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)[1-3]逐漸等到了施工單位的廣泛認(rèn)可，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在日本高層集合住宅中的85%使用預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工工藝，約占住宅總量的50%；瑞典新建工業(yè)化住宅中75%～80%采用了該技術(shù)；瑞士基于PC結(jié)構(gòu)技術(shù)生產(chǎn)的住宅量達(dá)到16%；美國在2002年預(yù)制化住宅的生產(chǎn)產(chǎn)量為8萬套等。雖然我國預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)起步較晚，但是發(fā)展迅速，目前預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的比重也逐漸加大。與現(xiàn)場(chǎng)澆筑相比，預(yù)制構(gòu)件是在生產(chǎn)車間制造，然后運(yùn)到建筑現(xiàn)場(chǎng)使用，因此在施工過程中多了脫模、轉(zhuǎn)移、吊裝等工序。

鑒于吊裝預(yù)埋技術(shù)在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，以及預(yù)制混凝土構(gòu)件質(zhì)量重、體積大，吊裝和移動(dòng)工序多等特點(diǎn)，國內(nèi)外開展了大量的預(yù)埋吊裝技術(shù)與性能的研究[4]，并且逐漸成為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的重要研究課題和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

1 預(yù)埋吊裝技術(shù)

鋼絲繩套管壓接索具是德國最早發(fā)展的吊具，該項(xiàng)技術(shù)當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用在航空業(yè)，并逐漸形成了國家標(biāo)準(zhǔn)。隨著裝配式混凝土技術(shù)在國外的廣泛推廣，預(yù)埋吊裝技術(shù)因其重要的地位得到了研究者和建設(shè)者的廣泛重視，并形成了一批專業(yè)技術(shù)、規(guī)程規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)等。由于我國工業(yè)建筑在上個(gè)世紀(jì)前期都比較落后，因此裝配式混凝土結(jié)構(gòu)工程和預(yù)埋吊裝技術(shù)都相當(dāng)落后，長時(shí)間沿襲著落后的人工插編和鋼絲繩繩夾的固結(jié)方法[5,6]。

1.1 國外吊裝技術(shù)

澳大利亞Reid公司預(yù)埋吊裝件的設(shè)計(jì)依據(jù)是HSE ACT 1992 和 Approve code of practice for safe handling,transportation and erection of precast concrete；預(yù)埋件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是載荷安全系數(shù)不小于3，吊裝件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是載荷安全系數(shù)不小于5。根據(jù)不同形式、不同尺寸的預(yù)埋件的最大允許承載力不同，Reid公司將預(yù)埋吊裝產(chǎn)品根據(jù)施工的需要可以選擇1.3噸、2.5噸、5噸、7噸和10噸的預(yù)埋件，如圖1所示。德國Halfen公司預(yù)埋吊裝件的設(shè)計(jì)依據(jù)是德國工商業(yè)工人保險(xiǎn)賠償協(xié)會(huì)公布的“Safety rules for transport anchors and systems of prefabricated concrete components”，如圖2所示。預(yù)埋吊裝件的安全系數(shù)按以下標(biāo)準(zhǔn)考慮：預(yù)埋件鋼材破壞安全系數(shù)為3，混凝土錐體破壞安全系數(shù)為2.5，吊裝件安全系數(shù)為4。根據(jù)載重量的不同，Halfen公司設(shè)計(jì)了4種負(fù)載型號(hào)的環(huán)形吊鉤，負(fù)載范圍為2.5噸～26噸。根據(jù)負(fù)載范圍和適用范圍的不同，Halfen公司設(shè)計(jì)了多種負(fù)載型號(hào)的錨釘，負(fù)載范圍為0.7噸～26噸，可用于柱子、梁、桁架、墻構(gòu)件、T型板、混凝土構(gòu)件、天花板等部位。

1.2 國內(nèi)吊裝技術(shù)

湖南拯衛(wèi)建設(shè)科技有限公司生產(chǎn)的一款專門為施工方便研制的預(yù)埋可拆式受拉裝置，如圖3所示。它有塑料預(yù)埋件（內(nèi)配鋼制螺母）及鋼制受拉環(huán)（可回收反復(fù)使用）組成。主要用作懸挑架上的鋼絲繩受拉點(diǎn)。與傳統(tǒng)方式相比，該產(chǎn)品的最大優(yōu)點(diǎn)是所有預(yù)埋點(diǎn)都設(shè)制在受拉梁的側(cè)面，拆除時(shí)不需要?jiǎng)佑脷飧罨蚱茐膲w，直接拆卸即可。該技術(shù)不僅可以節(jié)省人工費(fèi)、鋼材等，而且具有消除火災(zāi)隱患的效果。孫學(xué)明等人針對(duì)于預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)埋吊裝件研發(fā)了一種新型吊裝用混凝土預(yù)埋件，包括吊裝件本體、錨固設(shè)備、連接柱等其中，吊裝件本體下部設(shè)置錨，頂面設(shè)置豎直方向的內(nèi)螺紋孔，用于與吊環(huán)上相應(yīng)的外螺紋連接柱連接實(shí)施吊裝。該設(shè)備不僅可以在起模、轉(zhuǎn)移和安裝過程中很方便的安上吊環(huán)進(jìn)行吊裝，而且可以在放置時(shí)擰下吊環(huán)，避免其凸出混凝土預(yù)制構(gòu)件表面導(dǎo)致無法疊放。與現(xiàn)有技術(shù)相比，預(yù)埋吊裝件周圍不需要預(yù)留用于吊裝連接操作的孔洞，提高了混凝土預(yù)制構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，靈活方便，如圖4所示。

圖2 德國Halfen公司的預(yù)埋件與吊裝件

圖3 可拆式錨固拉桿預(yù)埋裝置

圖4 吊裝用混凝土預(yù)埋件

1.3 CABR預(yù)埋吊裝技術(shù)

CABR預(yù)埋吊裝件，包含錨固預(yù)埋件和吊裝連接件兩部分組成。其中，錨固預(yù)埋件分為Ⅰ型（Ⅰ型按照埋入深度不同分為200型和150型）和Ⅱ型（Ⅱ型按照埋入深度不同分為160型和100型）兩種，如圖5所示。其中，Ⅰ型錨固預(yù)埋件由預(yù)埋套筒、預(yù)埋彎筋、密封圈及密封蓋組成；Ⅱ型160型錨固預(yù)埋件由預(yù)埋套筒、預(yù)埋直筋、錨固板、密封圈及密封蓋組成；Ⅱ型100型錨固預(yù)埋件由預(yù)埋錨頭、密封圈及密封蓋組成。（注：1-混凝土；2-預(yù)埋套筒；3-密封圈；4-密封蓋；5-預(yù)埋彎筋；6-吊裝索具（吊環(huán)）；7-預(yù)埋直筋；8-錨固板；9-預(yù)埋錨頭。）

圖5 CABR預(yù)埋吊裝產(chǎn)品

2 預(yù)埋吊裝技術(shù)試驗(yàn)

考慮到已有吊裝件和連接方式，研究理論基礎(chǔ)和施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，CABR預(yù)埋吊裝產(chǎn)品采用預(yù)埋套筒、預(yù)埋彎筋/鋼筋錨固板/預(yù)埋錨頭作為預(yù)埋件，連接方式采用直螺紋連接這種可靠的機(jī)械連接方式，將預(yù)埋件和吊裝件連接而成。其中，預(yù)埋套筒、預(yù)埋錨頭材料[7]選用45#（GB/T 699《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》）；鋼筋選用HRB400熱軋帶肋鋼筋[8]（GB 1499.2《鋼筋混凝土用剛 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》）；錨固板材料[9]選用QT450（GB/T1348《球墨鑄鐵件》）。預(yù)埋套筒和錨固板采用技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的CABR套筒和錨固板的技術(shù)參數(shù)。直螺紋連接技術(shù)采用CABR剝肋滾軋直螺紋技術(shù)參數(shù)。吊裝環(huán)采用巨力吊裝環(huán)。套筒密封蓋采用鋼材或塑料材料，密封圈采用油氈材料。試驗(yàn)試件及裝置如圖6～7所示。

圖6 CABR預(yù)埋吊裝產(chǎn)品試驗(yàn)產(chǎn)品

圖7 CABR預(yù)埋吊裝產(chǎn)品試驗(yàn)設(shè)備

2.1 材料與產(chǎn)品參數(shù)

材料參數(shù)包括：1.CABR預(yù)埋吊裝技術(shù)適用性試驗(yàn)中，預(yù)埋錨頭材料選用45#。2.HRB400熱軋帶肋鋼筋，參照GB 1499.2-2007《鋼筋混凝土用剛 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》。3.QT450參照GB/T1348《球墨鑄鐵件》。4.混凝土試塊采用C30素混凝土，考慮預(yù)埋件距混凝土試塊邊緣300mm，試件間最小間距550mm，確定混凝土試塊尺寸為1900 mm *1200 mm *300mm。

考慮設(shè)計(jì)工程應(yīng)用，設(shè)定預(yù)埋吊裝件的承載力為10kN和20kN，標(biāo)準(zhǔn)拉力值為允許載荷的4倍。埋入深度為100mm～200mm。CABR鋼筋機(jī)械連接設(shè)備由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)型小巧、經(jīng)濟(jì)、維修方便的特點(diǎn)，得到了國內(nèi)外市場(chǎng)的認(rèn)可。因此，預(yù)埋件中的預(yù)埋套筒和錨固板選用CABR剝肋滾軋直螺紋套筒和CABR錨固板，吊裝環(huán)的直螺紋技術(shù)參數(shù)選用CABR剝肋滾軋直螺紋技術(shù)參數(shù)。

1.預(yù)埋套筒：標(biāo)準(zhǔn)型預(yù)埋套筒的規(guī)格為M20.5×2.5，套筒外徑30mm，套筒長度60mm，套筒外徑允許偏差為±0.5mm，長度允許偏差為±1.0mm。

2.錨固板：錨固板坯料采用鑄造工藝加工，其生產(chǎn)方法和外觀質(zhì)量應(yīng)符合JGJ256和GB/T 1348的規(guī)定；錨固板的幾何尺寸、公差應(yīng)滿足表1的要求；錨固板螺紋尺寸也應(yīng)符合表1的規(guī)定；螺紋公差宜滿足GB/T 197中6H級(jí)精度要求。

表1 錨固板的尺寸、公差要求

3.鋼筋絲頭：鋼筋端部不得有彎曲，出現(xiàn)彎曲時(shí)應(yīng)調(diào)直；絲頭加工時(shí)應(yīng)使用水性潤滑液，不得使用油性潤滑液；絲頭螺紋尺寸應(yīng)滿足表2的要求，螺紋尺寸公差宜滿足GB/T 197中6f級(jí)精度規(guī)定的要求；標(biāo)準(zhǔn)絲頭螺紋長度應(yīng)滿足表2的要求。當(dāng)螺紋長度有特殊要求時(shí)，其長度可由使用單位和技術(shù)提供單位商定。

表2 鋼筋絲頭尺寸

4.吊裝環(huán)絲頭：絲頭螺紋尺寸應(yīng)滿足表3的要求，螺紋尺寸公差宜滿足GB/T 197中6f級(jí)精度規(guī)定的要求；標(biāo)準(zhǔn)絲頭螺紋長度應(yīng)滿足表3的要求。當(dāng)螺紋長度有特殊要求時(shí)，其長度可由使用單位和技術(shù)提供單位商定。

表3 吊裝環(huán)絲頭尺寸

5.組裝：彎折鋼筋與預(yù)埋套筒、直筋與預(yù)埋套筒、鋼筋錨固板與直筋連接時(shí)，應(yīng)用扳手將其相互擰緊；組裝件擰緊力矩應(yīng)符合，鋼筋公稱直徑20mm，組裝件擰緊力矩值160N.m。

2.2 預(yù)埋吊裝件試驗(yàn)

預(yù)埋件試驗(yàn)中，預(yù)埋套筒、預(yù)埋彎筋試件3根，預(yù)埋套筒、預(yù)埋直筋和錨固板連接試件3根，預(yù)埋彎筋錨固深度為200mm，鋼筋錨固板錨固深度為160mm。將預(yù)埋件與連接直徑為20mm的鋼筋采用直螺紋連接的形式連接好后，采用標(biāo)準(zhǔn)拉力值80kN的千斤頂張拉，具體預(yù)埋件試件LT20Ⅰ和LT20Ⅱ試驗(yàn)結(jié)果見表4所示。吊裝環(huán)連接試件3根。將吊裝環(huán)的絲頭端通過直螺紋機(jī)械連接方式與20mm預(yù)埋套筒和20mm直鋼筋連接；將吊裝環(huán)的鋼絲繩端與焊接而成的20mm環(huán)形鋼筋連接。采用拉力試驗(yàn)機(jī)，將吊裝件進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)拉力值為80kN。具體吊裝環(huán)連接試件試驗(yàn)結(jié)果見表5所示。

表4 預(yù)埋件試件LT20Ⅰ和LT20Ⅱ試驗(yàn)結(jié)果

表5 吊裝件試件LT20試驗(yàn)結(jié)果

2.3 試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明：預(yù)埋件試件LT20Ⅰ和LT20Ⅱ試驗(yàn)結(jié)果表明：不同類型的產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)拉力值下錨固端均狀未見異常，產(chǎn)品抗拉拔性能優(yōu)異。吊裝件試件LT20試驗(yàn)結(jié)果表明：吊裝件在標(biāo)準(zhǔn)拉力值承載力滿足設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品抗拉拔性能優(yōu)異。此外，CABR預(yù)埋吊裝件的設(shè)計(jì)理念滿足構(gòu)件吊裝的性能要求，但需進(jìn)一步明確和產(chǎn)品的類型、生產(chǎn)加工和使用要求。

3 工程應(yīng)用

我國方家山核電和昌江核電項(xiàng)目中，采用了本文提出CABR預(yù)埋吊裝技術(shù)以及相關(guān)產(chǎn)品。工程應(yīng)用實(shí)踐證明，本文提出的技術(shù)與工藝是可行的，相比于傳統(tǒng)的吊裝方式，CABR吊裝預(yù)埋件技術(shù)不僅安全可靠、簡(jiǎn)單實(shí)用、加工方便，而且易于在結(jié)構(gòu)的安裝和搬運(yùn)過程中使用。對(duì)于保證預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)工過程中結(jié)構(gòu)安裝與轉(zhuǎn)移的安全性與可靠性有著非常重要的作用，不僅連接質(zhì)量穩(wěn)定可靠，而且可以大大提高現(xiàn)場(chǎng)裝配工作效率，節(jié)省大量人員、設(shè)備、材料等費(fèi)用，效果顯著。該技術(shù)的應(yīng)用具有非常良好的經(jīng)濟(jì)效益和較大的市場(chǎng)推廣價(jià)值。由于預(yù)制混凝土構(gòu)件用預(yù)埋吊件種類繁多，應(yīng)用數(shù)量大，應(yīng)用范圍廣。但目前國內(nèi)并沒有預(yù)埋吊件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此工程應(yīng)用設(shè)計(jì)參數(shù)不統(tǒng)一，設(shè)計(jì)選用不確定性大，且缺乏統(tǒng)一的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致預(yù)埋吊件在使用過程中存在著較多問題。根據(jù)中國土木工程學(xué)會(huì)的要求，由中國建筑科學(xué)研究院有限公司、沈陽建筑大學(xué)等編制學(xué)會(huì)于2018年1月正式啟動(dòng)《預(yù)制混凝土構(gòu)件用金屬預(yù)埋吊件》和《預(yù)制混凝土構(gòu)件用金屬預(yù)埋吊件應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)化編制工作。作為首次編制的預(yù)埋吊件領(lǐng)域的專用標(biāo)準(zhǔn)，不僅需要總結(jié)現(xiàn)有工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、對(duì)照參考國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，和制定出適合我國國情的金屬預(yù)埋吊件的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)與工程標(biāo)準(zhǔn)，而且CABR預(yù)埋吊裝件產(chǎn)品大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程應(yīng)用情況也將作為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制的重要數(shù)據(jù)提供給編委會(huì)。這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的編制不僅得到了國家科技項(xiàng)目的支持，也是我國“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“裝配式混凝土工業(yè)化建筑高效施工關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”的重要標(biāo)準(zhǔn)化成果之一。

4 結(jié)論

本文在探討國內(nèi)、外已有預(yù)埋吊裝技術(shù)在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述了CABR吊裝預(yù)埋件技術(shù)的性能和吊裝適用性試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：CABR預(yù)埋吊裝件的設(shè)計(jì)理念滿足構(gòu)件吊裝的性能要求，且預(yù)埋件試件和吊裝件在試驗(yàn)中抗拉拔性能優(yōu)異。此外，通過實(shí)際工程的使用表明：CABR錨固預(yù)埋件性能可靠，質(zhì)量有保障，且發(fā)展前景非常良好。綜上所述，相比于傳統(tǒng)的吊裝方式，CABR吊裝預(yù)埋件技術(shù)不僅安全可靠、簡(jiǎn)單實(shí)用、加工方便，而且易于在結(jié)構(gòu)的安裝和搬運(yùn)過程中使用。預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)采用該技術(shù)后，不僅可以保證施工過程中結(jié)構(gòu)安裝與轉(zhuǎn)移的安全性與可靠性，而且該技術(shù)的應(yīng)用具有非常良好的經(jīng)濟(jì)效益和較大的市場(chǎng)推廣價(jià)值。