预制装配式混凝土结构预埋吊装技术研究

邵康节 李智斌 张卓群 赵 杰

（1中国建筑科学研究院有限公司，建研科技股份有限公司，北京 100013；2国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095)

0 引言

众所周知，混凝土结构在建筑领域具有主导地位，技术成熟、造价低廉、结实耐用是其有别于其他结构形式的重要优势。随着施工工艺的不断发展与进步，以及企业和社会对于效益的重视与关注，传统的现浇钢筋混凝土的方法已经发生了转变，预制装配式混凝土结构[1-3]逐渐等到了施工单位的广泛认可，据统计，在日本高层集合住宅中的85%使用预制装配式混凝土结构施工工艺，约占住宅总量的50%；瑞典新建工业化住宅中75%～80%采用了该技术；瑞士基于PC结构技术生产的住宅量达到16%；美国在2002年预制化住宅的生产产量为8万套等。虽然我国预制装配式混凝土结构起步较晚，但是发展迅速，目前预制装配式混凝土结构的比重也逐渐加大。与现场浇筑相比，预制构件是在生产车间制造，然后运到建筑现场使用，因此在施工过程中多了脱模、转移、吊装等工序。

鉴于吊装预埋技术在预制装配式混凝土结构中的广泛应用，以及预制混凝土构件质量重、体积大，吊装和移动工序多等特点，国内外开展了大量的预埋吊装技术与性能的研究[4]，并且逐渐成为装配式混凝土结构的重要研究课题和关键技术环节。

1 预埋吊装技术

钢丝绳套管压接索具是德国最早发展的吊具，该项技术当时主要应用在航空业，并逐渐形成了国家标准。随着装配式混凝土技术在国外的广泛推广，预埋吊装技术因其重要的地位得到了研究者和建设者的广泛重视，并形成了一批专业技术、规程规范和国家标准等。由于我国工业建筑在上个世纪前期都比较落后，因此装配式混凝土结构工程和预埋吊装技术都相当落后，长时间沿袭着落后的人工插编和钢丝绳绳夹的固结方法[5,6]。

1.1 国外吊装技术

澳大利亚Reid公司预埋吊装件的设计依据是HSE ACT 1992 和 Approve code of practice for safe handling,transportation and erection of precast concrete；预埋件的设计准则是载荷安全系数不小于3，吊装件的设计准则是载荷安全系数不小于5。根据不同形式、不同尺寸的预埋件的最大允许承载力不同，Reid公司将预埋吊装产品根据施工的需要可以选择1.3吨、2.5吨、5吨、7吨和10吨的预埋件，如图1所示。德国Halfen公司预埋吊装件的设计依据是德国工商业工人保险赔偿协会公布的“Safety rules for transport anchors and systems of prefabricated concrete components”，如图2所示。预埋吊装件的安全系数按以下标准考虑：预埋件钢材破坏安全系数为3，混凝土锥体破坏安全系数为2.5，吊装件安全系数为4。根据载重量的不同，Halfen公司设计了4种负载型号的环形吊钩，负载范围为2.5吨～26吨。根据负载范围和适用范围的不同，Halfen公司设计了多种负载型号的锚钉，负载范围为0.7吨～26吨，可用于柱子、梁、桁架、墙构件、T型板、混凝土构件、天花板等部位。

1.2 国内吊装技术

湖南拯卫建设科技有限公司生产的一款专门为施工方便研制的预埋可拆式受拉装置，如图3所示。它有塑料预埋件（内配钢制螺母）及钢制受拉环（可回收反复使用）组成。主要用作悬挑架上的钢丝绳受拉点。与传统方式相比，该产品的最大优点是所有预埋点都设制在受拉梁的侧面，拆除时不需要动用气割或破坏墙体，直接拆卸即可。该技术不仅可以节省人工费、钢材等，而且具有消除火灾隐患的效果。孙学明等人针对于预制装配式混凝土结构的预埋吊装件研发了一种新型吊装用混凝土预埋件，包括吊装件本体、锚固设备、连接柱等其中，吊装件本体下部设置锚，顶面设置竖直方向的内螺纹孔，用于与吊环上相应的外螺纹连接柱连接实施吊装。该设备不仅可以在起模、转移和安装过程中很方便的安上吊环进行吊装，而且可以在放置时拧下吊环，避免其凸出混凝土预制构件表面导致无法叠放。与现有技术相比，预埋吊装件周围不需要预留用于吊装连接操作的孔洞，提高了混凝土预制构件的结构强度，灵活方便，如图4所示。

图2 德国Halfen公司的预埋件与吊装件

图3 可拆式锚固拉杆预埋装置

图4 吊装用混凝土预埋件

1.3 CABR预埋吊装技术

CABR预埋吊装件，包含锚固预埋件和吊装连接件两部分组成。其中，锚固预埋件分为Ⅰ型（Ⅰ型按照埋入深度不同分为200型和150型）和Ⅱ型（Ⅱ型按照埋入深度不同分为160型和100型）两种，如图5所示。其中，Ⅰ型锚固预埋件由预埋套筒、预埋弯筋、密封圈及密封盖组成；Ⅱ型160型锚固预埋件由预埋套筒、预埋直筋、锚固板、密封圈及密封盖组成；Ⅱ型100型锚固预埋件由预埋锚头、密封圈及密封盖组成。（注：1-混凝土；2-预埋套筒；3-密封圈；4-密封盖；5-预埋弯筋；6-吊装索具（吊环）；7-预埋直筋；8-锚固板；9-预埋锚头。）

图5 CABR预埋吊装产品

2 预埋吊装技术试验

考虑到已有吊装件和连接方式，研究理论基础和施工现场的实际情况，CABR预埋吊装产品采用预埋套筒、预埋弯筋/钢筋锚固板/预埋锚头作为预埋件，连接方式采用直螺纹连接这种可靠的机械连接方式，将预埋件和吊装件连接而成。其中，预埋套筒、预埋锚头材料[7]选用45#（GB/T 699《优质碳素结构钢》）；钢筋选用HRB400热轧带肋钢筋[8]（GB 1499.2《钢筋混凝土用刚 第2部分：热轧带肋钢筋》）；锚固板材料[9]选用QT450（GB/T1348《球墨铸铁件》）。预埋套筒和锚固板采用技术成熟、应用广泛的CABR套筒和锚固板的技术参数。直螺纹连接技术采用CABR剥肋滚轧直螺纹技术参数。吊装环采用巨力吊装环。套筒密封盖采用钢材或塑料材料，密封圈采用油毡材料。试验试件及装置如图6～7所示。

图6 CABR预埋吊装产品试验产品

图7 CABR预埋吊装产品试验设备

2.1 材料与产品参数

材料参数包括：1.CABR预埋吊装技术适用性试验中，预埋锚头材料选用45#。2.HRB400热轧带肋钢筋，参照GB 1499.2-2007《钢筋混凝土用刚 第2部分：热轧带肋钢筋》。3.QT450参照GB/T1348《球墨铸铁件》。4.混凝土试块采用C30素混凝土，考虑预埋件距混凝土试块边缘300mm，试件间最小间距550mm，确定混凝土试块尺寸为1900 mm *1200 mm *300mm。

考虑设计工程应用，设定预埋吊装件的承载力为10kN和20kN，标准拉力值为允许载荷的4倍。埋入深度为100mm～200mm。CABR钢筋机械连接设备由于具有结构简单、机型小巧、经济、维修方便的特点，得到了国内外市场的认可。因此，预埋件中的预埋套筒和锚固板选用CABR剥肋滚轧直螺纹套筒和CABR锚固板，吊装环的直螺纹技术参数选用CABR剥肋滚轧直螺纹技术参数。

1.预埋套筒：标准型预埋套筒的规格为M20.5×2.5，套筒外径30mm，套筒长度60mm，套筒外径允许偏差为±0.5mm，长度允许偏差为±1.0mm。

2.锚固板：锚固板坯料采用铸造工艺加工，其生产方法和外观质量应符合JGJ256和GB/T 1348的规定；锚固板的几何尺寸、公差应满足表1的要求；锚固板螺纹尺寸也应符合表1的规定；螺纹公差宜满足GB/T 197中6H级精度要求。

表1 锚固板的尺寸、公差要求

3.钢筋丝头：钢筋端部不得有弯曲，出现弯曲时应调直；丝头加工时应使用水性润滑液，不得使用油性润滑液；丝头螺纹尺寸应满足表2的要求，螺纹尺寸公差宜满足GB/T 197中6f级精度规定的要求；标准丝头螺纹长度应满足表2的要求。当螺纹长度有特殊要求时，其长度可由使用单位和技术提供单位商定。

表2 钢筋丝头尺寸

4.吊装环丝头：丝头螺纹尺寸应满足表3的要求，螺纹尺寸公差宜满足GB/T 197中6f级精度规定的要求；标准丝头螺纹长度应满足表3的要求。当螺纹长度有特殊要求时，其长度可由使用单位和技术提供单位商定。

表3 吊装环丝头尺寸

5.组装：弯折钢筋与预埋套筒、直筋与预埋套筒、钢筋锚固板与直筋连接时，应用扳手将其相互拧紧；组装件拧紧力矩应符合，钢筋公称直径20mm，组装件拧紧力矩值160N.m。

2.2 预埋吊装件试验

预埋件试验中，预埋套筒、预埋弯筋试件3根，预埋套筒、预埋直筋和锚固板连接试件3根，预埋弯筋锚固深度为200mm，钢筋锚固板锚固深度为160mm。将预埋件与连接直径为20mm的钢筋采用直螺纹连接的形式连接好后，采用标准拉力值80kN的千斤顶张拉，具体预埋件试件LT20Ⅰ和LT20Ⅱ试验结果见表4所示。吊装环连接试件3根。将吊装环的丝头端通过直螺纹机械连接方式与20mm预埋套筒和20mm直钢筋连接；将吊装环的钢丝绳端与焊接而成的20mm环形钢筋连接。采用拉力试验机，将吊装件进行单向拉伸试验，标准拉力值为80kN。具体吊装环连接试件试验结果见表5所示。

表4 预埋件试件LT20Ⅰ和LT20Ⅱ试验结果

表5 吊装件试件LT20试验结果

2.3 试验结论

根据试验结果表明：预埋件试件LT20Ⅰ和LT20Ⅱ试验结果表明：不同类型的产品在标准拉力值下锚固端均状未见异常，产品抗拉拔性能优异。吊装件试件LT20试验结果表明：吊装件在标准拉力值承载力满足设计要求，产品抗拉拔性能优异。此外，CABR预埋吊装件的设计理念满足构件吊装的性能要求，但需进一步明确和产品的类型、生产加工和使用要求。

3 工程应用

我国方家山核电和昌江核电项目中，采用了本文提出CABR预埋吊装技术以及相关产品。工程应用实践证明，本文提出的技术与工艺是可行的，相比于传统的吊装方式，CABR吊装预埋件技术不仅安全可靠、简单实用、加工方便，而且易于在结构的安装和搬运过程中使用。对于保证预制装配式混凝土结构工过程中结构安装与转移的安全性与可靠性有着非常重要的作用，不仅连接质量稳定可靠，而且可以大大提高现场装配工作效率，节省大量人员、设备、材料等费用，效果显著。该技术的应用具有非常良好的经济效益和较大的市场推广价值。由于预制混凝土构件用预埋吊件种类繁多，应用数量大，应用范围广。但目前国内并没有预埋吊件相关标准，因此工程应用设计参数不统一，设计选用不确定性大，且缺乏统一的检验标准，导致预埋吊件在使用过程中存在着较多问题。根据中国土木工程学会的要求，由中国建筑科学研究院有限公司、沈阳建筑大学等编制学会于2018年1月正式启动《预制混凝土构件用金属预埋吊件》和《预制混凝土构件用金属预埋吊件应用技术规程》的标准化编制工作。作为首次编制的预埋吊件领域的专用标准，不仅需要总结现有工程应用经验、对照参考国外相关标准，和制定出适合我国国情的金属预埋吊件的产品标准与工程标准，而且CABR预埋吊装件产品大量的试验数据和工程应用情况也将作为相关标准编制的重要数据提供给编委会。这两项标准的编制不仅得到了国家科技项目的支持，也是我国“十三五”国家重点研发计划项目“装配式混凝土工业化建筑高效施工关键技术研究与示范”的重要标准化成果之一。

4 结论

本文在探讨国内、外已有预埋吊装技术在预制装配式混凝土结构应用现状的基础上，详细论述了CABR吊装预埋件技术的性能和吊装适用性试验，试验数据表明：CABR预埋吊装件的设计理念满足构件吊装的性能要求，且预埋件试件和吊装件在试验中抗拉拔性能优异。此外，通过实际工程的使用表明：CABR锚固预埋件性能可靠，质量有保障，且发展前景非常良好。综上所述，相比于传统的吊装方式，CABR吊装预埋件技术不仅安全可靠、简单实用、加工方便，而且易于在结构的安装和搬运过程中使用。预制装配式混凝土结构采用该技术后，不仅可以保证施工过程中结构安装与转移的安全性与可靠性，而且该技术的应用具有非常良好的经济效益和较大的市场推广价值。