装配式建筑吊装件应用现状分析

翟传明，李晨，王娟娟，张超，王锦森，张达

（中电投工程研究检测评定中心有限公司）

1 引言

1891年，法国最早开始推行装配式混凝土建筑，至今已发展120余年。第二次世界大战破坏了欧洲的大量房屋，同时，城市化快速发展，人口激增，各国为了解决住房问题，开始探究用工业品生产方式建造住宅，形成了一批完整的标准化、系列化和工业化的建筑住宅体系。20世纪60年代，装配式建筑被广泛应用于欧洲，并推广到北美、日本等发达国家。目前，欧美等国家已从工业化专用体系向大规模通用体系发展，形成了以标准化、系列化、通用化建筑构配件与产品为中心，以专业化、社会化生产以及商品化供应为方向的住宅产业化模式。

20世纪50年代，我国提出了建筑工业化发展思路，主要应用在民用住宅。随后出现装配壁板式住宅以及壁板住宅，70年代开始推广大模板住宅、滑升模板住宅以及框架轻板住宅。以装配式建筑为主的工业化建筑更是成为“十三五”（2016—2020年）期间我国建筑业改革发展的方向，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》以及《中共中央 国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》（中发〔2016〕6号）中提出“推广装配式建筑，力争用约10年的时间，使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%”的发展目标与要求。在推进新型城镇化建设过程中，以装配式混凝土住宅为代表的工业化建筑在我国将进入快速发展阶段[1]。

与传统建造方式相比，工业化建筑具有建筑品质好、施工速度快、施工方便、节约成本、节能降耗、绿色环保等诸多优点。目前，我国的装配式住宅发展仍处于初级发展阶段。具体表现有：

1）工业化程度较低，相应的标准体系尚未完全建立；

2）标准化与系列化产品比例不高，配套性和产品本身耐用性较差；

3）功能质量和环境质量不高，住宅成品质量通病多，无法满足住宅商品化发展需求；

4）能源、原材料及土地等资源消耗水平高，为发达国家的3～4倍；

5）科技进步贡献率仅为25.4%，远低于日本、美国等国家50%以上的水平；

6）设备以及制品的模数协调体系不完善，产品尺寸与性能缺乏统一的标准，通用性较差。

我国现有的装配式住宅结构体系多为“拿来主义”，没有建立完善的规范与规程，不利于推动我国住宅产业化的发展。通过对装配式建筑相关质量检测与评价关键技术的研究，可以推动住宅开发模式的转变，解决传统模式下住宅建筑产品的质量参差不齐、维修成本高等问题，并可以更好地利用国家政策法规的推动作用，缩小与国外先进技术的距离，对我国工业化住宅的发展具有巨大的应用前景以及潜在的社会经济效益。

2 吊装件

吊装指将建筑构件吊起并放置到指定场地的动作，也称吊运。在装配式建筑施工过程中，吊装贯穿了施工过程中的所有环节。吊装又分为平吊装、直吊装、翻转吊装等，如图1所示。

图1 吊装分类

预埋吊装件是为了实现吊装过程，预埋在装配式构件中的预埋件。为了节省材料、施工方便、避免外露金属件导致耐久性等问题，当前，常用预埋吊装件主要有预埋锚栓和预埋吊钉2类，如图2所示。

图2 常用吊装件

欧美等地区对预埋吊装件的质量控制重在过程控制，对预制构配件相应的检验、检测相对较少。目前，国内也无相应的吊装设计和检测规范，对其受力机理的研究相对较少，对于较重要、较大型的建筑，大多是设计人员给出吊装配件的最小承载力，施工人员根据生产厂家标示的吊装承载力，乘以一定的安全系数选取相应的吊装配件，对于配件的长度或预埋深度，大多是根据经验。多数建筑在设计阶段并未给出吊装的设计情况，现场施工人员根据经验选取吊点、吊钉及吊钩，这对现场施工带来较大的安全隐患[2]。

3 受力分析

吊装件在施工过程中受力时间较短，主要受力方式为轴心受拉和偏心受拉，《钢筋混凝土结构中预埋件设计》中给出预埋件轴心受拉和偏心受拉的计算方法及影响因素，并给出了最小锚固长度的规定；GB 50010—2010《混凝土设计规范》给出了吊环应采用HPB300级钢筋进行制作，锚入混凝土的深度应不小于30d（d为吊环钢筋直径），并应焊接或绑扎在钢筋骨架上，按2个截面面积计算的钢筋应力不大于65N/mm2；但未给出预埋件的承载力计算方法。北京交通大学王秀娟等[3]给出由锚板和直锚筋所组成的受力预埋件的总截面面积的计算公式和锚板厚度的最小构造要求，提出锚板外边缘的弯矩是决定锚板厚度的重要因素。李嵩[4]通过工程实践总结出工业建筑预埋件施工前的准备工作以及预埋件施工的程序。华南理工大学李康权[5]给出螺栓套管的埋置深度和直径的增大，可以提高极限承载力，而极限承载力与螺栓套管的埋置倾角关系不大。上海宝冶集团有限公司的尹洪冰等[6]通过美国混凝土规范墙体预埋件的计算分析及与中国混凝土规范的比较，对墙体预埋件承载力的各项计算进行对比分析。林安岭[7]针对不同特点的预埋件提出了相应的安装与就位方法。孙丽思[8]从脱模吊装、运输吊装和安装吊装三个方面分析大型预制混凝土墙板的吊装，给出了吊点的计算和吊装过程。同济大学赵勇等[9]给出了预制混凝土构件吊装方式以及相关的施工验算方法。

美国国家标准化学会、美国机械工程协会标准ANSI/ASME对通用预埋栓钉已做过相关试验，并验证了所具有的性能。ACI 318-05《美国房屋建筑混凝土结构规范》中明确给出了受拉、受剪或拉剪复合锚栓的设计要求（不包括高周疲劳、冲击荷载及地震荷载作用下锚栓的设计），指出预埋锚栓的破坏模式有：拉力作用下的破坏模式分为5种：钢材破坏、拔出破坏、混凝土崩裂破坏、侧面爆裂破坏、混凝土劈裂破坏；剪力作用下的破坏模式分为3种：混凝土剥裂后钢材破坏、对于远离自由边的锚栓的混凝土撬起破坏、混凝土崩裂破坏。

3.1 在拉力作用下的设计要求

1）受拉锚栓的钢材强度

当一个受拉锚栓的强度由钢材起控制作用时，其名义强度：

式中，Nsa为锚栓的名义强度，N； Ase为锚栓的有效横截面面积，mm2；futa取不大于1.9fya和862MPa中的较小值，fya为锚栓钢材的规定屈服强度，MPa。

2）受拉锚栓的混凝土抗崩裂强度

对于单个锚栓：

式中，Ncb为混凝土受拉破坏名义强度，N；ANC为混凝土破坏面的投影面积，mm2；ANCO为在对边缘距离和间距没有限制的条件下的混凝土破坏面投影面积，mm2；ψed,N为根据靠近混凝土构件边缘的程度进行调整的系数；ψc,N为根据有无裂缝进行调整的系数；ψcp,N为无附加配筋的未开裂混凝土中后置锚栓进行调整的系数。

已开裂混凝土中，单个锚栓的混凝土基本抗崩裂强度：

式中，Nb为在开裂混凝土中，普通混凝土受拉破坏强度，N；kc为混凝受拉时的基本抗崩裂强度系数；fc'为混凝土的规定抗压强度，MPa；hef为锚栓的有效埋入深度，mm。

3）受拉锚栓的抗拔出强度

单个受拉锚栓的名义抗拔出强度应不超过：

式中，Npn为锚栓名义拉出破坏强度，N；ψc,p为根据混凝土中有无裂缝进行调整的系数；Np为开裂混凝土中锚栓的拉出强度，N。

受拉的单个栓钉或带端锚头的螺栓，其抗拔出强度应不超过：

式中，Abrg为局部承压面积，mm2；fc'为混凝土的规定抗压强度，MPa。

单个尾部带弯勾的螺栓抗拔出强度应不超过：式中， fc'为混凝土的规定抗压强度，MPa；eh为带弯钩螺栓栓杆内表面到J形或L形螺栓末端的距离，mm；d0为栓杆直径，mm。

3.2 在剪力作用下的设计要求

1）受剪锚栓的钢材强度

一个受剪锚栓的名义强度受钢材控制时，对于预埋锚栓：

式中，Vsa为由钢筋强度控制的锚栓名义抗剪强度，N；Ase为锚栓的有效横截面面积，mm2；futa取不大于1.9fya和862MPa中的较小值，fya为锚栓钢材的规定屈服强度，MPa。

对于预埋的带端锚头的螺栓、尾部带弯勾的螺栓：

2）受剪锚栓的混凝土抗崩裂强度

对于垂直于边缘作用在单个锚栓的剪力计算公式为：

式中，Vcb为在受剪条件下混凝土的名义破坏强度，N；AVC为混凝土破坏面的投影面积，mm2； AVCO为不受角部影响限制、不受间距限制和不受构件厚度限制的条件下的混凝土破坏面投影面积，mm2；ψed,V为根据靠近混凝土构件边缘的程度进行调整的系数；ψc,V为根据有无裂缝以及是否设有附加配筋进行调整的系数。

对于平行于边缘的剪力，应允许取上式所确定剪力值的2倍。将平行于边缘的剪力值假定为式中垂直于边缘的剪力值，并取ψed,V等于1.0。

对于角部锚栓，混凝土名义抗崩裂强度应分别对每个边确定，并取其中的较小值。

单个锚栓在已开裂混凝土中受剪时混凝土的基本抗崩裂强度应不超过：

式中， Vb为在开裂混凝土中锚栓受剪条件下，混凝土的破坏强度，N；le为锚栓受剪时作用力的局部挤压长度，mm；d0为栓杆直径，mm；fc'为混凝土的规定抗压强度，MPa；ca1为沿一个方向从锚栓栓杆中心到混凝土边缘的距离，mm。

4 吊装系数

在吊装施工过程中，应考虑安全系数、脱膜吸附系数及动力系数。

4.1 安全系数

施工现场技术人员对于吊装埋件的安全系数根据结构重要性一般取3～5，GB 50666—2011《混凝土结构工程施工规范》中规定了吊装预埋件的施工安全系数，如表1所示。

表1 吊装预埋件的施工安全系数表

4.2 脱膜吸附系数

预制构件脱模起吊时，构件和模板间会产生吸附力，施工规范通过引入脱模吸附系数来考虑吸附力。基于国内工程实践经验，施工规范规定脱模吸附系数取1.5，同时，规定可根据构件和模具表面状况适当增减。复杂情况的脱模吸附系数可通过试验来确定。

施工规范采用脱模吸附系数来考虑脱模吸附力的方法源自美国PCI设计手册和我国香港的《预制结构施工规范》。上海市地方标准DBJ/CT 082—2010《润泰预制装配整体式混凝土房屋结构体系技术规程(附条文说明)》参考了日本和我国台湾的相关标准，

要求脱模荷载除构件自重外，应考虑构件脱模时模具的吸附力，且附加吸附力应按1.5kN/m2计算。目前，我国国内缺少预制构件脱模吸附力的实测数据，对脱模吸附力的计算方法值得进一步研究。

4.3 动力系数

各规范中对动力系数的规定有所不同，如表2所示。

表2 动力系数表

5 结语

随着国家的大力推广，装配式建筑处于快速发展阶段。吊装件作为贯穿了装配式建筑各个施工环节的预埋配件，现有的相关研究还较少。吊装件的选取与施工质量确是保障施工安全的重要环节，本文针对吊装件的受力分析与设计要求以及吊装系数的选取进行了总结，为保障装配式建筑中吊装过程的施工安全提供一定的经验。但针对预埋锚栓与预埋吊钉等吊装件的受力机理、极限承载力状况、混凝土配筋对预埋件承载力的影响情况等方面仍亟待研究，为吊装件的设计提供更多的依据，并提出现场检测方法，最大程度地降低装配式建筑吊装施工过程中的安全隐患。