翟傳明，李晨，王娟娟，張超，王錦森，張達(dá)

（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(biāo)準(zhǔn)化、系列化和工業(yè)化的建筑住宅體系。20世紀(jì)60年代，裝配式建筑被廣泛應(yīng)用于歐洲，并推廣到北美、日本等發(fā)達(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)為方向的住宅產(chǎn)業(yè)化模式。

20世紀(jì)50年代，我國提出了建筑工業(yè)化發(fā)展思路，主要應(yīng)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(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強城市規(guī)劃建設(shè)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(dá)到30%”的發(fā)展目標(biāo)與要求。在推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)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(jìn)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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系尚未完全建立；

2）標(biāo)準(zhǔn)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(dá)國家的3～4倍；

5）科技進(jìn)步貢獻(xiàn)率僅為25.4%，遠(yuǎn)低于日本、美國等國家50%以上的水平；

6）設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)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(yīng)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(yù)埋吊裝件是為了實現(xiàn)吊裝過程，預(yù)埋在裝配式構(gòu)件中的預(yù)埋件。為了節(jié)省材料、施工方便、避免外露金屬件導(dǎo)致耐久性等問題，當(dāng)前，常用預(yù)埋吊裝件主要有預(yù)埋錨栓和預(yù)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(yù)埋吊裝件的質(zhì)量控制重在過程控制，對預(yù)制構(gòu)配件相應(yīng)的檢驗、檢測相對較少。目前，國內(nèi)也無相應(yīng)的吊裝設(shè)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(shè)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(biāo)示的吊裝承載力，乘以一定的安全系數(shù)選取相應(yīng)的吊裝配件，對于配件的長度或預(yù)埋深度，大多是根據(jù)經(jīng)驗。多數(shù)建筑在設(shè)計階段并未給出吊裝的設(shè)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(yù)埋件設(shè)計》中給出預(yù)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(shè)計規(guī)范》給出了吊環(huán)應(yīng)采用HPB300級鋼筋進(jìn)行制作，錨入混凝土的深度應(yīng)不小于30d（d為吊環(huán)鋼筋直徑），并應(yīng)焊接或綁扎在鋼筋骨架上，按2個截面面積計算的鋼筋應(yīng)力不大于65N/mm2；但未給出預(yù)埋件的承載力計算方法。北京交通大學(xué)王秀娟等[3]給出由錨板和直錨筋所組成的受力預(yù)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(yù)埋件施工前的準(zhǔn)備工作以及預(yù)埋件施工的程序。華南理工大學(xué)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(yù)埋件的計算分析及與中國混凝土規(guī)范的比較，對墻體預(yù)埋件承載力的各項計算進(jìn)行對比分析。林安嶺[7]針對不同特點的預(yù)埋件提出了相應(yīng)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(yù)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(xué)趙勇等[9]給出了預(yù)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(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會、美國機械工程協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ASME對通用預(yù)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(fù)合錨栓的設(shè)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(shè)計），指出預(yù)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(yuǎn)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(shè)計要求

1）受拉錨栓的鋼材強度

當(dāng)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(jìn)行調(diào)整的系數(shù)；ψc,N為根據(jù)有無裂縫進(jìn)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(jìn)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(yīng)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(jìn)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(yù)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(yù)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(jìn)行調(diào)整的系數(shù)；ψc,V為根據(jù)有無裂縫以及是否設(shè)有附加配筋進(jìn)行調(diào)整的系數(shù)。

對于平行于邊緣的剪力，應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yù)埋件的施工安全系數(shù)，如表1所示。

表1 吊裝預(yù)埋件的施工安全系數(shù)表

4.2 脫膜吸附系數(shù)

預(yù)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。基于國內(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(dāng)增減。復(fù)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(shè)計手冊和我國香港的《預(yù)制結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》。上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ/CT 082—2010《潤泰預(yù)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(biāo)準(zhǔn)，

要求脫模荷載除構(gòu)件自重外，應(yīng)考慮構(gòu)件脫模時模具的吸附力，且附加吸附力應(yīng)按1.5kN/m2計算。目前，我國國內(nèi)缺少預(yù)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(jìn)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(yù)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(shè)計要求以及吊裝系數(shù)的選取進(jìn)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(yù)埋錨栓與預(yù)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(yù)埋件承載力的影響情況等方面仍亟待研究，為吊裝件的設(shè)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。