小型水工建筑物吊運裝配與連接設(shè)計研究

金忠良，姜海濤，王 潔，李永波

（1.建華建材（中國）有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212000；2.淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇淮安 223021；3.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，江蘇南京 210029）

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)由于構(gòu)件質(zhì)量可控、施工便捷、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，自20世紀(jì)50年代以來，在全世界范圍內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用，涉及領(lǐng)域包括房屋建筑工程、交通工程、水利水運工程等。近年來，環(huán)保、節(jié)能要求的提高以及勞動力價格上漲等因素進(jìn)一步推動了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展。裝配式混凝土技術(shù)的進(jìn)步主要體現(xiàn)在兩大方面：一是各種新型連接形式的出現(xiàn)，如套筒灌漿技術(shù)、漿錨搭接技術(shù)等使得現(xiàn)代裝配混凝土結(jié)構(gòu)可以具有與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)等同的整體性能和耐久性能；二是隨著吊裝設(shè)備及機具、施工支撐系統(tǒng)、運輸用車等施工設(shè)備和技術(shù)的進(jìn)步，使得現(xiàn)代裝配式混凝土結(jié)構(gòu)能夠滿足工業(yè)化生產(chǎn)和施工的要求。

近年來，小型裝配式水工建筑物的發(fā)展初顯規(guī)模，但也存在較多亟需解決的難題。由于其帶水運行的使用環(huán)境及滲漏出險時往往具有隱蔽性強的特點［1］，小型水工建筑物的連接技術(shù)除滿足一般建筑物的受力及耐久性要求以外，還需密切關(guān)注構(gòu)件拼裝縫處的防滲止水問題。此外，由于小型水工建筑物地處田間，道路狹窄、施工場地受限，會對預(yù)制構(gòu)件的吊運及安裝產(chǎn)生一定影響，故對構(gòu)件的尺寸、重量和吊裝方式也提出了新的要求。

1 小型水工建筑物連接關(guān)鍵技術(shù)

對裝配式結(jié)構(gòu)而言，“可靠的連接方式”第一重要，是結(jié)構(gòu)安全的最基本保障［2］。裝配式小型水工建筑物中，預(yù)制構(gòu)件的連接技術(shù)主要包括以下幾類：套筒灌漿連接、漿錨搭接連接、螺栓連接、焊接連接、承插連接及后澆混凝土連接等。

（1）套筒灌漿連接：是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中目前豎向構(gòu)件連接應(yīng)用最廣泛，也是最安全最可靠的連接方式。套筒按照結(jié)構(gòu)形式分為全灌漿套筒和半灌漿套筒。

套筒灌漿連接的工作原理是將需要連接的帶肋鋼筋插入金屬套筒內(nèi)“對接”，在套筒內(nèi)注入高強、早強且有微膨脹特性的灌漿料［3］，灌漿料在套筒筒壁與鋼筋之間形成較大的正向應(yīng)力，在鋼筋帶肋的粗糙表面產(chǎn)生較大的摩擦力，由此得以傳遞鋼筋的軸向力。在小型水工建筑物中，套筒灌漿連接技術(shù)可以應(yīng)用在對于傳遞彎矩較大或有等強連接要求的豎向連接構(gòu)件中，如擋土墻的側(cè)墻與底板的連接，通過預(yù)制底板預(yù)留鋼筋錨入預(yù)制側(cè)墻預(yù)埋套筒內(nèi)，通過灌漿實現(xiàn)錨固連接和傳力。在底板與側(cè)墻拼縫處應(yīng)預(yù)留鍵槽，并采用防水砂漿等材料座漿，保證構(gòu)件之間的防滲性能，如圖1所示。

圖1 擋土墻與底板連接

（2）漿錨搭接連接：其工作原理是將需要連接的帶肋鋼筋插入預(yù)制構(gòu)件的預(yù)留孔道內(nèi)，預(yù)留孔道內(nèi)壁為螺旋形，鋼筋插入孔道后，在孔道內(nèi)注入高強、早強且有微膨脹特性的灌漿料，從而為插入鋼筋提供錨固。也可在孔道側(cè)邊預(yù)埋預(yù)制構(gòu)件的受力鋼筋，與插入孔道的鋼筋進(jìn)行有一定距離的搭接。

漿錨搭接有兩種方式，一是漿錨孔用金屬波紋管，二是兩根搭接的鋼筋外圈有螺旋鋼筋，螺旋箍筋約束預(yù)制構(gòu)件內(nèi)受力鋼筋和后插入鋼筋。漿錨搭接連接技術(shù)原理與套筒灌漿技術(shù)類似，但漿錨搭接的錨固長度相對更大，其應(yīng)用范圍與套筒灌漿類似，但不適用于水平連接。

（3）螺栓連接：指在預(yù)制構(gòu)件上預(yù)埋鋼板和螺栓組合件，通過螺栓將鋼板壓緊，鋼板之間通過摩擦力實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件與預(yù)制構(gòu)件、預(yù)制構(gòu)件與結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行連接。螺栓連接是全裝配混凝土結(jié)構(gòu)中梁、柱的主要連接方式，屬于干式連接，具有裝配速度快，無需養(yǎng)護(hù)的優(yōu)點。螺栓連接在小型水工建筑物中主要用于受力要求不高的部位或構(gòu)造連接，但需特別注意在浸水環(huán)境或臨水環(huán)境中的防腐處理，常涂抹防銹涂層或采用砂漿進(jìn)行現(xiàn)場封閉。

（4）焊接連接：是指在預(yù)制混凝土構(gòu)件中預(yù)埋鋼板，構(gòu)件之間通過預(yù)埋鋼板進(jìn)行焊接連接來傳遞構(gòu)件之間作用力的連接方式。但由于焊接連接存在水下可靠度和耐久性不足的局限性，大多只應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非潮濕環(huán)境的連接處。

（5）承插連接：一般是指預(yù)制混凝土構(gòu)件之間通過承口和插口相互連接，多用于非受力構(gòu)件之間的連接，如箱涵或溝渠等節(jié)段構(gòu)件的連接，這類連接可進(jìn)一步采用預(yù)應(yīng)力張緊，承口與插口之間一般采用遇水膨脹膠條進(jìn)行止水，如圖2所示。

圖2 承插口結(jié)合預(yù)應(yīng)力連接

（6）后澆混凝土連接：一般用于構(gòu)件之間傳力要求較高的部位，節(jié)點強度可視為等同現(xiàn)澆。若連接部位防滲要求較高，應(yīng)采取增加止水鋼板等防水措施；若連接部位相對變形較大，則可采用柔性材料進(jìn)行止水。

根據(jù)不同類型小型水工建筑物的受力、功能特點和使用條件，對相應(yīng)的構(gòu)件連接技術(shù)要求進(jìn)行總結(jié)，如表1所示。

表1 小型水工建筑物中構(gòu)件連接技術(shù)要求

2 小型水工建筑物吊運裝配關(guān)鍵技術(shù)

小型水工預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計需考慮吊裝運輸?shù)南嚓P(guān)要求。其主要體現(xiàn)在，出廠的預(yù)制構(gòu)件要能夠滿足當(dāng)?shù)氐缆返南迣?、限高、限重等運輸要求，一般來說，運輸超寬限制為2.2～2.45 m，扣除車體高度后的運輸超高限制為2.8 m，運輸車輛限重一般為20～30 t；同時，也要考慮施工現(xiàn)場的環(huán)境、吊裝機械設(shè)備的能力、施工現(xiàn)場作業(yè)空間等問題，這在小型水工建筑物中尤為突出。運輸路線一般較為偏僻和狹窄，大型運輸車輛及吊裝機械無法進(jìn)入現(xiàn)場時，需嚴(yán)格限制單體構(gòu)件的重量，一般控制小型單體構(gòu)件重量不宜超過10 t。

此外，預(yù)制構(gòu)件還需滿足裝配安裝的相關(guān)要求，在設(shè)計環(huán)節(jié)里主要體現(xiàn)在為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)正常功能及安裝要求所需的各類埋配件的布置。同時，施工的可行性也不容忽視，在現(xiàn)場施工前務(wù)必做好水文、地質(zhì)等環(huán)境條件的核查，并出具完善的考慮季節(jié)性施工的構(gòu)件安裝以及施工偏差控制的方案，且需會同設(shè)計方、施工方等共同交底，以免后期出現(xiàn)返工現(xiàn)象。

水工預(yù)制構(gòu)件脫模、吊運與翻轉(zhuǎn)的吊點必須由結(jié)構(gòu)設(shè)計師經(jīng)過設(shè)計計算確定，需給出位置和結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計。在施工現(xiàn)場進(jìn)行吊裝時，應(yīng)優(yōu)先考慮構(gòu)件直接從運輸車上吊裝，采用“來一車吊裝一車”的方式，如此不用二次運轉(zhuǎn)，不需要過多的存放場地，既減少了汽車裝吊的工作量，也節(jié)省了場地空間。

常見的吊點形式主要有吊環(huán)、內(nèi)螺紋套筒以及吊釘3類。吊環(huán)設(shè)置最為方便，但外露于構(gòu)件表面，切除后仍會對美觀性有一定影響，且構(gòu)件重量較大時需求的吊環(huán)直徑較大，錨固長度較難滿足要求；內(nèi)螺紋套筒設(shè)置較為簡單，且埋在構(gòu)件內(nèi)部對整體外觀無影響，但需要匹配相應(yīng)的吊裝螺栓；吊釘設(shè)置最為繁瑣，且在構(gòu)件表面形成較大凹洞，也需要匹配相應(yīng)的鴨嘴扣吊具，但起吊重量最大，對于預(yù)制箱體構(gòu)件一般宜采用吊釘。設(shè)計人員可根據(jù)不同構(gòu)件的特點合理選擇吊點設(shè)置方式。

考慮到場地空間受限，小型水工建筑物的起吊設(shè)備大多采用汽車，運輸設(shè)備大多采用汽車平板運輸車，宜根據(jù)構(gòu)件大小選擇運輸車長度及載重。運輸時要充分考慮現(xiàn)場道路的寬度、轉(zhuǎn)彎半徑和雨后通行能力，車上要配置枕木、橡膠墊等［4］。

3 小型水工建筑物深化實例

以某現(xiàn)澆箱涵為例，現(xiàn)需調(diào)整為預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行裝配式深化設(shè)計，如圖3所示，主要深化設(shè)計步驟如下：

圖3 預(yù)制箱涵結(jié)構(gòu)斷面及配筋（單位：mm）

（1）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核計算，將混凝土強度等級由C30提升至C50，箱涵壁厚由200 mm減少至150 mm，減輕構(gòu)件重量。

（2）優(yōu)化后構(gòu)件每延米重量約為1.88 t，故將預(yù)制構(gòu)件每個節(jié)段長度控制在5 m，單個構(gòu)件總重9.4 t，不超過10 t。

（3）由于箱涵主要功能為過水，故節(jié)段之間的連接形式應(yīng)主要滿足防滲要求，擬采用承插式結(jié)構(gòu)，并結(jié)合預(yù)應(yīng)力張拉和雙膠圈接頭來保證構(gòu)件之間的防滲性能。箱涵和其余構(gòu)件之間如翼墻等存在變形縫，在預(yù)留變形縫位置采用現(xiàn)澆接頭，見圖4。

圖4 預(yù)制箱涵接縫形式（單位：mm）

（4）為使箱涵吊裝便捷可靠，擬采用構(gòu)件側(cè)邊預(yù)留內(nèi)螺紋套筒起吊的形式，在構(gòu)件制作時對吊裝孔進(jìn)行預(yù)埋并進(jìn)行洞口加強，同時設(shè)計專用的“一字形”吊具起吊，如圖5所示。

圖5 預(yù)留吊裝孔及專用吊具

4 結(jié)論

本文從小型水工建筑物的結(jié)構(gòu)和受力特點出發(fā)，指出其在結(jié)構(gòu)裝配和連接上與一般裝配式建筑的區(qū)別，即需重點考慮防滲止水效果，并給出了不同連接類型水工建筑物的節(jié)點連接要求。

小型水工建筑物目前正走向大規(guī)模推廣階段，而涉水性是它工作時的最主要特征，如何處理好節(jié)點的防滲效果尤為重要。在進(jìn)行小型水工建筑的設(shè)計過程中，本文提出的相關(guān)防水構(gòu)造可為設(shè)計人員提供相應(yīng)參考。