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        裝配式建筑水平構(gòu)件吊裝關(guān)鍵問題及措施研究

        2021-07-27 02:43:12李宏偉
        鐵道建筑技術(shù) 2021年7期

        李宏偉

        (中鐵建設(shè)集團有限公司 北京 100040)

        1 引言

        裝配式建筑具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、構(gòu)件工廠化生產(chǎn)、裝配式施工等特點,在“十三五”期間得到大力推廣。隨著裝配式混凝土建筑的發(fā)展,預(yù)制率和裝配率也越來越高、規(guī)模越來越大、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,其建造過程也由單一的施工過程擴展到生產(chǎn)、運輸和施工等項目全過程。預(yù)制構(gòu)件吊裝運輸作業(yè)成為影響裝配式建筑裝配效率的主要因素,而與施工現(xiàn)場預(yù)制構(gòu)件吊裝相關(guān)安全問題也逐漸凸顯。

        國內(nèi)學(xué)者對預(yù)制構(gòu)件吊裝做了相關(guān)研究,王從鋒等[1]指出對于吊裝吊點數(shù)量選取,中小型構(gòu)件可采用單點吊裝、結(jié)構(gòu)形狀細(xì)長且配筋較少預(yù)制構(gòu)件可考慮采用兩點吊裝、針對結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的預(yù)制構(gòu)件則要采用多點吊裝方式。楊正賢[2]指出在兩點起吊方式中,根據(jù)吊點處彎矩與跨中最大彎矩相等原則,計算吊點位置的方法忽略了吊裝次應(yīng)力影響。趙勇等[3]對預(yù)制梁和樓板的吊點進行了理論分析,并給出了預(yù)制混凝土構(gòu)件吊裝方式及較為簡單的預(yù)制構(gòu)件最佳吊點計算公式。孫麗思[4]從脫模、運輸和安裝三種工況分析了混凝土墻板吊裝,給出了吊裝相應(yīng)計算要點及結(jié)果,并依據(jù)結(jié)果針對性提出加強措施。林安嶺[5]針對不同預(yù)埋件提出了相應(yīng)安裝與就位方法。王秀娟等[6]等給出由錨板和直錨筋組成的預(yù)埋件直錨筋所需總面積計算表達式和錨板厚度及構(gòu)造,并指出錨板外邊緣彎矩決定了錨板厚度。李嵩[7]、高維權(quán)[8]通過工程實踐總結(jié)出工業(yè)建筑及構(gòu)筑物預(yù)埋件施工前準(zhǔn)備工作及預(yù)埋件施工程序。

        目前對裝配式結(jié)構(gòu)研究主要集中在節(jié)點受力性能及結(jié)構(gòu)整體抗震性能等方面,而對預(yù)制構(gòu)件吊裝方面研究卻很少。吊裝貫穿了裝配式建筑工程的各個施工環(huán)節(jié),影響預(yù)制構(gòu)件能否精確就位,吊裝過程中是否會造成構(gòu)件破壞,是否會出現(xiàn)安全問題。本文以某工程改造項目為例,對裝配式建筑水平構(gòu)件吊裝施工中的關(guān)鍵問題進行分析,并提出相應(yīng)解決措施。

        2 工程概況

        以某高層裝配式混凝土(PC)結(jié)構(gòu)房屋為研究對象,主體結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu),水平構(gòu)件包括預(yù)制的疊合板、預(yù)制樓梯和空調(diào)板等,這些構(gòu)件的吊裝裝配,提高裝配率同時可有效縮短工期。統(tǒng)計表明每棟住宅樓預(yù)制疊合板1 713塊,預(yù)制樓梯184塊,空調(diào)板共458塊,其中預(yù)制板最大尺寸為3 700 mm×2 310 mm×60 mm,單塊預(yù)制板最大重量為1.28 t。大量預(yù)制構(gòu)件需進行吊裝作業(yè),故吊裝成功與否及吊裝就位質(zhì)量決定了裝配式建筑整體施工工程能否順利進行。

        3 水平構(gòu)件吊裝關(guān)鍵問題分析

        3.1 預(yù)制構(gòu)件吊裝時平衡問題

        為避免吊裝過程中,構(gòu)件搖擺和升降使構(gòu)件自身受力狀態(tài)發(fā)生改變,造成構(gòu)件表面混凝土出現(xiàn)部分細(xì)微裂紋等問題。雖吊裝拉力變?yōu)檎J芰蠹?xì)微裂紋消失,表面上預(yù)制構(gòu)件狀態(tài)良好,但內(nèi)部已有隱傷,混凝土耐久性將降低。

        3.2 疊合板吊點設(shè)置問題

        疊合板在吊裝過程中常會出現(xiàn)吊點附近混凝土開裂及脫落、構(gòu)件開裂等嚴(yán)重質(zhì)量問題。

        (1)當(dāng)疊合板跨度大而吊點布置不合理時,易使吊點承擔(dān)荷載過大而超過預(yù)埋件的承載能力,發(fā)生預(yù)埋件拉拔破壞現(xiàn)象。

        (2)當(dāng)?shù)觞c布置離重心位置過近、與邊緣距離較大時,吊點位置負(fù)彎矩過大,易引起吊點附近混凝土開裂后脫落。

        (3)吊點布置距離重心位置太遠(yuǎn)時,易發(fā)生由于彎矩過大,造成疊合板跨中開裂。

        所以需通過計算分析,對吊點位置進行分析,避免構(gòu)件破壞,實現(xiàn)對構(gòu)件吊裝及就位安裝質(zhì)量的有效控制。

        3.3 吊裝精度問題

        吊具長度尺寸是固定的,而鋼絲繩鋼索長度需要根據(jù)不同預(yù)制構(gòu)件進行調(diào)整來適應(yīng)構(gòu)件。吊裝過程中定位不準(zhǔn)確,軸線、標(biāo)高位置可能會出現(xiàn)偏差,影響吊裝安裝效率。

        3.4 錨筋預(yù)埋件安裝問題

        錨筋預(yù)埋件采取由錨固鋼筋和錨固區(qū)的混凝土共同工作承受外部荷載力的方式,兩種性能不同的材料能夠共同受力是因它們間的粘結(jié)錨固作用,即鋼筋混凝土間膠結(jié)力、摩阻力和咬合力。預(yù)埋件錨板采用Q235B級結(jié)構(gòu)鋼,錨筋采用HRB400級鋼筋。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015 版)[9]25-35,當(dāng)錨筋直徑不大于 20 mm 時宜使用埋弧壓力焊。如預(yù)埋件安裝位置設(shè)計不當(dāng),錨板在吊裝過程中受力不平衡,會導(dǎo)致預(yù)埋件發(fā)生偏移,降低構(gòu)件使用壽命。

        4 解決措施

        針對預(yù)制構(gòu)件吊裝施工的關(guān)鍵問題,從可行性、經(jīng)濟性和可靠性三個方面制定吊裝解決措施,見表1。

        表1 施工措施

        4.1 吊索平衡裝置

        起吊工具選用一種新型的吊索平衡裝置[10],其能夠通過裝置內(nèi)部實時調(diào)節(jié),保證吊裝過程中構(gòu)件處于平衡狀態(tài)。該裝置由焊接側(cè)板、六邊形頂板、六邊形底板,配套的安全保護套筒、限位彈簧、平衡彈簧,及通過焊接定位在吊索上的限位板組成。

        如圖1所示,裝置在使用時可根據(jù)吊索根數(shù)不同,利用限位鋼板上的吊索孔合理排布,后將限位鋼板焊接固定于吊索上。將吊索穿過裝置內(nèi)安全保護套筒,保護套筒中設(shè)有穿束位置。裝置內(nèi)部限位彈簧與平衡彈簧提供多自由度約束,限制起吊過程中吊索擺動。吊裝作業(yè)結(jié)束后可松開固定螺母,重復(fù)用于下一次吊裝作業(yè)。裝置能有效抑制吊裝過程中吊索擺動及吊件升沉,提高施工質(zhì)量和效率。

        圖1 吊索平衡裝置

        4.2 吊點設(shè)計

        結(jié)構(gòu)中如疊合板類預(yù)制構(gòu)件一般采用平吊方式吊運。吊裝時構(gòu)件受力情況與其正常使用階段時受力情況差異大,故為降低吊裝過程中構(gòu)件破壞,需根據(jù)正負(fù)彎矩相等原則來確定構(gòu)件吊點位置。

        4.2.1 最不利工況分析

        根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1—2014)[11]的規(guī)定,脫模驗算時,等效靜力荷載標(biāo)準(zhǔn)值取構(gòu)件自重標(biāo)準(zhǔn)值乘以動力系數(shù)后與脫模吸附力之和且不小于構(gòu)件自重的1.5倍,脫模吸附力取1.5 kN/m2。而吊裝驗算時動力系數(shù)取1.5。

        式中,Gsk為等效靜力荷載(kN);βd為脫模吸附系數(shù),βd為 1.5;GK為構(gòu)件自重(kN);qs為脫模吸附力,取1.5 kN/m2;A為脫模吸附面積(m2)。

        在吊裝運輸時只需考慮動力系數(shù),在脫模時需要同時考慮動力系數(shù)與吸附系數(shù),且不宜小于構(gòu)件自重標(biāo)準(zhǔn)值的1.5倍。而脫模時為最不利工況,所以只需驗算脫模工況。

        4.2.2 脫模強度驗算

        對于單個吊點的計算:

        式中,GS為單個吊點的荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN);n為同類吊點個數(shù)。

        根據(jù)設(shè)計圖集《桁架鋼筋混凝土疊合板(60 mm厚底板)》(15G336—1)[12]25-28,項目所用疊合板都滿足四點起吊力學(xué)性能要求。

        針對最大尺寸3 710 mm×2 100 mm×60 mm進行強度驗算,構(gòu)件容重取β=25 kN/m3。

        兩者取最大值29.2 kN進行脫模工況驗算。

        Gs=Gsk/n=7.3 kN

        吊點布設(shè)至關(guān)重要,依據(jù)《桁架鋼筋混凝土疊合板(60 mm 厚底板)》(15G336—1)[12]12-16對吊點設(shè)置要求,吊點布設(shè)在鋼筋桁架上弦與腹筋交接處。上弦鋼筋為主受力鋼筋,直徑為8 mm,強度HRB400;腹筋采用HPB300級,直徑為4 mm。由于腹筋直接焊到上弦筋上,上弦筋承受主要荷載,故用其進行強度驗算,抗拉強度為400 kN/mm2,故上弦鋼筋允許荷載為:

        計算結(jié)果遠(yuǎn)大于不利工況下單個吊點的荷載標(biāo)準(zhǔn)值,故采用該桁架作為吊點以及采用鋼筋滿足脫模工況承載力要求。

        4.2.3 吊點位置計算

        預(yù)制板起吊時受吊點向上集中力及預(yù)制板自身的均布重力。起吊時吊點分兩排在桁架上對稱布置,根據(jù)吊點布置原則,使吊點處負(fù)彎矩與跨中正彎矩相等,以此來確定吊點位置。建立四點起吊簡化力學(xué)計算模型,如圖2所示。

        圖2 起吊計算模型

        A、C對稱布置,根據(jù)力矩平衡條件可列出公式(3)及公式(4):

        令|MA|= |MC|= |MB|,解(3)、(4)聯(lián)立方程可求得:

        a≈0.207L

        式中,MA為吊點A處左側(cè)彎矩(kN·mm);MB為墻板跨中B點處彎矩(kN·mm);MC為吊點C處右側(cè)彎矩(kN·mm);L為預(yù)制板長度(mm);α 為吊點距邊緣距離(mm)。

        4.3 吊裝精度控制

        4.3.1 提前模擬,提高吊裝合格率

        為確保吊裝過程中吊鉤、吊點及構(gòu)件安全,同時提高構(gòu)件就位質(zhì)量,達到提高整體結(jié)構(gòu)裝配質(zhì)量,降低安裝誤差,同時降低構(gòu)件在裝配過程中由于施工受力與就位安裝后受力差異性造成的破壞,提前采用BIM技術(shù)進行模擬,制定相應(yīng)措施,進而實現(xiàn)提高吊裝精度控制,提高吊裝合格率。

        4.3.2 進行標(biāo)高復(fù)核,加強吊裝精度管理

        構(gòu)件吊裝后就位時調(diào)平是施工難點,經(jīng)常出現(xiàn)反復(fù)調(diào)平問題,甚至由于誤差累積,造成較大安裝誤差的情況。

        樓梯安裝時的特殊性使其經(jīng)常出現(xiàn)對位不準(zhǔn),需反復(fù)調(diào)平。對其安裝工藝深入研究,在梯梁處預(yù)留預(yù)埋可調(diào)螺栓(見圖3a),通過調(diào)節(jié)螺母高低實現(xiàn)對預(yù)制樓梯標(biāo)高的調(diào)節(jié),可解決相鄰梯段樓梯標(biāo)高經(jīng)常出現(xiàn)無法調(diào)平問題;依據(jù)螺栓定位作用,能提高吊裝后就位質(zhì)量(見圖3b),易于實現(xiàn)樓梯水平標(biāo)高控制,能達到預(yù)制樓梯清水混凝土面免裝修做法的良好效果。保證施工質(zhì)量和施工安全,降低成本縮短了施工工期。

        圖3 可調(diào)螺栓設(shè)置

        4.4 預(yù)埋件施工處理

        4.4.1 預(yù)埋件焊接

        預(yù)制構(gòu)件內(nèi)預(yù)埋件焊接質(zhì)量至關(guān)重要,可采用埋弧壓力焊,易于保證焊接質(zhì)量,焊接效率高;焊接時注意及時清除電板鉗口鐵銹和焊渣等雜物。如發(fā)現(xiàn)焊接時鋼筋咬邊、裂紋、夾渣、鋼板焊穿等焊接缺陷時,需及時清除焊接缺陷,以確保預(yù)埋件受力可靠,避免吊裝過程中預(yù)埋件的破壞。

        4.4.2 預(yù)埋件固定

        為保證施工安全,在采用錨筋固定基礎(chǔ)上,還需在上部點焊適當(dāng)規(guī)格角鋼,能有效避免預(yù)埋件發(fā)生位移,必要時可在錨板上鉆孔排氣。

        4.4.3 預(yù)埋錨筋截面面積計算

        取最大尺寸3 710 mm×2 100 mm的預(yù)制板進行強度驗算。

        根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015 版)[9]36-37規(guī)定,錨筋截面面積As:

        該工程中預(yù)埋錨筋直徑d為8 mm。通過公式(5)計算可知:所選用錨筋滿足強度設(shè)計要求。

        式中,ab為錨板彎曲變形折減系數(shù),取ab=1.0;fy為錨筋抗拉強度設(shè)計值,錨筋采用HPB300級,fy取300 MPa;ar為錨筋層數(shù)的影響系數(shù),該工程中錨筋層數(shù)為三層,ar取0.9;z為沿剪力作用方向最外層錨筋中心線間距離,取30 mm。

        5 結(jié)論

        本項目的裝配式水平構(gòu)件現(xiàn)場吊裝,采取以上四大措施后,施工質(zhì)量更高,更安全、高效,并得到以下結(jié)論:

        (1)優(yōu)化了吊索平衡裝置,保證平穩(wěn)吊裝同時,拆裝方便。裝置內(nèi)通過限位彈簧和平衡彈簧共同作用,有效約束了吊索擺動;保證了吊裝中預(yù)制構(gòu)件受力均勻、降低了吊裝過程中構(gòu)件的破壞,提高了吊裝時構(gòu)件穩(wěn)定性。

        (2)依據(jù)彎矩相等原則,設(shè)置預(yù)制構(gòu)件吊點位置,減小裂縫開裂;提高焊接質(zhì)量,降低焊接質(zhì)量缺陷,避免預(yù)埋件破壞,提高吊裝質(zhì)量。

        (3)對吊裝預(yù)埋件進行施工工藝優(yōu)化,采取相應(yīng)構(gòu)造措施,并對預(yù)埋件進行承載力驗算,確定最小錨筋截面面積,保證構(gòu)件在吊裝過程中平穩(wěn)受力,避免吊點處混凝土的局部破壞。

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