預制裝配式混凝土結構預埋吊裝技術研究

邵康節 李智斌 張卓群 趙 杰

（1中國建筑科學研究院有限公司，建研科技股份有限公司，北京 100013；2國核電力規劃設計研究院有限公司，北京 100095)

0 引言

眾所周知，混凝土結構在建筑領域具有主導地位，技術成熟、造價低廉、結實耐用是其有別于其他結構形式的重要優勢。隨著施工工藝的不斷發展與進步，以及企業和社會對于效益的重視與關注，傳統的現澆鋼筋混凝土的方法已經發生了轉變，預制裝配式混凝土結構[1-3]逐漸等到了施工單位的廣泛認可，據統計，在日本高層集合住宅中的85%使用預制裝配式混凝土結構施工工藝，約占住宅總量的50%；瑞典新建工業化住宅中75%～80%采用了該技術；瑞士基于PC結構技術生產的住宅量達到16%；美國在2002年預制化住宅的生產產量為8萬套等。雖然我國預制裝配式混凝土結構起步較晚，但是發展迅速，目前預制裝配式混凝土結構的比重也逐漸加大。與現場澆筑相比，預制構件是在生產車間制造，然后運到建筑現場使用，因此在施工過程中多了脫模、轉移、吊裝等工序。

鑒于吊裝預埋技術在預制裝配式混凝土結構中的廣泛應用，以及預制混凝土構件質量重、體積大，吊裝和移動工序多等特點，國內外開展了大量的預埋吊裝技術與性能的研究[4]，并且逐漸成為裝配式混凝土結構的重要研究課題和關鍵技術環節。

1 預埋吊裝技術

鋼絲繩套管壓接索具是德國最早發展的吊具，該項技術當時主要應用在航空業，并逐漸形成了國家標準。隨著裝配式混凝土技術在國外的廣泛推廣，預埋吊裝技術因其重要的地位得到了研究者和建設者的廣泛重視，并形成了一批專業技術、規程規范和國家標準等。由于我國工業建筑在上個世紀前期都比較落后，因此裝配式混凝土結構工程和預埋吊裝技術都相當落后，長時間沿襲著落后的人工插編和鋼絲繩繩夾的固結方法[5,6]。

1.1 國外吊裝技術

澳大利亞Reid公司預埋吊裝件的設計依據是HSE ACT 1992 和 Approve code of practice for safe handling,transportation and erection of precast concrete；預埋件的設計準則是載荷安全系數不小于3，吊裝件的設計準則是載荷安全系數不小于5。根據不同形式、不同尺寸的預埋件的最大允許承載力不同，Reid公司將預埋吊裝產品根據施工的需要可以選擇1.3噸、2.5噸、5噸、7噸和10噸的預埋件，如圖1所示。德國Halfen公司預埋吊裝件的設計依據是德國工商業工人保險賠償協會公布的“Safety rules for transport anchors and systems of prefabricated concrete components”，如圖2所示。預埋吊裝件的安全系數按以下標準考慮：預埋件鋼材破壞安全系數為3，混凝土錐體破壞安全系數為2.5，吊裝件安全系數為4。根據載重量的不同，Halfen公司設計了4種負載型號的環形吊鉤，負載范圍為2.5噸～26噸。根據負載范圍和適用范圍的不同，Halfen公司設計了多種負載型號的錨釘，負載范圍為0.7噸～26噸，可用于柱子、梁、桁架、墻構件、T型板、混凝土構件、天花板等部位。

1.2 國內吊裝技術

湖南拯衛建設科技有限公司生產的一款專門為施工方便研制的預埋可拆式受拉裝置，如圖3所示。它有塑料預埋件（內配鋼制螺母）及鋼制受拉環（可回收反復使用）組成。主要用作懸挑架上的鋼絲繩受拉點。與傳統方式相比，該產品的最大優點是所有預埋點都設制在受拉梁的側面，拆除時不需要動用氣割或破壞墻體，直接拆卸即可。該技術不僅可以節省人工費、鋼材等，而且具有消除火災隱患的效果。孫學明等人針對于預制裝配式混凝土結構的預埋吊裝件研發了一種新型吊裝用混凝土預埋件，包括吊裝件本體、錨固設備、連接柱等其中，吊裝件本體下部設置錨，頂面設置豎直方向的內螺紋孔，用于與吊環上相應的外螺紋連接柱連接實施吊裝。該設備不僅可以在起模、轉移和安裝過程中很方便的安上吊環進行吊裝，而且可以在放置時擰下吊環，避免其凸出混凝土預制構件表面導致無法疊放。與現有技術相比，預埋吊裝件周圍不需要預留用于吊裝連接操作的孔洞，提高了混凝土預制構件的結構強度，靈活方便，如圖4所示。

圖2 德國Halfen公司的預埋件與吊裝件

圖3 可拆式錨固拉桿預埋裝置

圖4 吊裝用混凝土預埋件

1.3 CABR預埋吊裝技術

CABR預埋吊裝件，包含錨固預埋件和吊裝連接件兩部分組成。其中，錨固預埋件分為Ⅰ型（Ⅰ型按照埋入深度不同分為200型和150型）和Ⅱ型（Ⅱ型按照埋入深度不同分為160型和100型）兩種，如圖5所示。其中，Ⅰ型錨固預埋件由預埋套筒、預埋彎筋、密封圈及密封蓋組成；Ⅱ型160型錨固預埋件由預埋套筒、預埋直筋、錨固板、密封圈及密封蓋組成；Ⅱ型100型錨固預埋件由預埋錨頭、密封圈及密封蓋組成。（注：1-混凝土；2-預埋套筒；3-密封圈；4-密封蓋；5-預埋彎筋；6-吊裝索具（吊環）；7-預埋直筋；8-錨固板；9-預埋錨頭。）

圖5 CABR預埋吊裝產品

2 預埋吊裝技術試驗

考慮到已有吊裝件和連接方式，研究理論基礎和施工現場的實際情況，CABR預埋吊裝產品采用預埋套筒、預埋彎筋/鋼筋錨固板/預埋錨頭作為預埋件，連接方式采用直螺紋連接這種可靠的機械連接方式，將預埋件和吊裝件連接而成。其中，預埋套筒、預埋錨頭材料[7]選用45#（GB/T 699《優質碳素結構鋼》）；鋼筋選用HRB400熱軋帶肋鋼筋[8]（GB 1499.2《鋼筋混凝土用剛 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》）；錨固板材料[9]選用QT450（GB/T1348《球墨鑄鐵件》）。預埋套筒和錨固板采用技術成熟、應用廣泛的CABR套筒和錨固板的技術參數。直螺紋連接技術采用CABR剝肋滾軋直螺紋技術參數。吊裝環采用巨力吊裝環。套筒密封蓋采用鋼材或塑料材料，密封圈采用油氈材料。試驗試件及裝置如圖6～7所示。

圖6 CABR預埋吊裝產品試驗產品

圖7 CABR預埋吊裝產品試驗設備

2.1 材料與產品參數

材料參數包括：1.CABR預埋吊裝技術適用性試驗中，預埋錨頭材料選用45#。2.HRB400熱軋帶肋鋼筋，參照GB 1499.2-2007《鋼筋混凝土用剛 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》。3.QT450參照GB/T1348《球墨鑄鐵件》。4.混凝土試塊采用C30素混凝土，考慮預埋件距混凝土試塊邊緣300mm，試件間最小間距550mm，確定混凝土試塊尺寸為1900 mm *1200 mm *300mm。

考慮設計工程應用，設定預埋吊裝件的承載力為10kN和20kN，標準拉力值為允許載荷的4倍。埋入深度為100mm～200mm。CABR鋼筋機械連接設備由于具有結構簡單、機型小巧、經濟、維修方便的特點，得到了國內外市場的認可。因此，預埋件中的預埋套筒和錨固板選用CABR剝肋滾軋直螺紋套筒和CABR錨固板，吊裝環的直螺紋技術參數選用CABR剝肋滾軋直螺紋技術參數。

1.預埋套筒：標準型預埋套筒的規格為M20.5×2.5，套筒外徑30mm，套筒長度60mm，套筒外徑允許偏差為±0.5mm，長度允許偏差為±1.0mm。

2.錨固板：錨固板坯料采用鑄造工藝加工，其生產方法和外觀質量應符合JGJ256和GB/T 1348的規定；錨固板的幾何尺寸、公差應滿足表1的要求；錨固板螺紋尺寸也應符合表1的規定；螺紋公差宜滿足GB/T 197中6H級精度要求。

表1 錨固板的尺寸、公差要求

3.鋼筋絲頭：鋼筋端部不得有彎曲，出現彎曲時應調直；絲頭加工時應使用水性潤滑液，不得使用油性潤滑液；絲頭螺紋尺寸應滿足表2的要求，螺紋尺寸公差宜滿足GB/T 197中6f級精度規定的要求；標準絲頭螺紋長度應滿足表2的要求。當螺紋長度有特殊要求時，其長度可由使用單位和技術提供單位商定。

表2 鋼筋絲頭尺寸

4.吊裝環絲頭：絲頭螺紋尺寸應滿足表3的要求，螺紋尺寸公差宜滿足GB/T 197中6f級精度規定的要求；標準絲頭螺紋長度應滿足表3的要求。當螺紋長度有特殊要求時，其長度可由使用單位和技術提供單位商定。

表3 吊裝環絲頭尺寸

5.組裝：彎折鋼筋與預埋套筒、直筋與預埋套筒、鋼筋錨固板與直筋連接時，應用扳手將其相互擰緊；組裝件擰緊力矩應符合，鋼筋公稱直徑20mm，組裝件擰緊力矩值160N.m。

2.2 預埋吊裝件試驗

預埋件試驗中，預埋套筒、預埋彎筋試件3根，預埋套筒、預埋直筋和錨固板連接試件3根，預埋彎筋錨固深度為200mm，鋼筋錨固板錨固深度為160mm。將預埋件與連接直徑為20mm的鋼筋采用直螺紋連接的形式連接好后，采用標準拉力值80kN的千斤頂張拉，具體預埋件試件LT20Ⅰ和LT20Ⅱ試驗結果見表4所示。吊裝環連接試件3根。將吊裝環的絲頭端通過直螺紋機械連接方式與20mm預埋套筒和20mm直鋼筋連接；將吊裝環的鋼絲繩端與焊接而成的20mm環形鋼筋連接。采用拉力試驗機，將吊裝件進行單向拉伸試驗，標準拉力值為80kN。具體吊裝環連接試件試驗結果見表5所示。

表4 預埋件試件LT20Ⅰ和LT20Ⅱ試驗結果

表5 吊裝件試件LT20試驗結果

2.3 試驗結論

根據試驗結果表明：預埋件試件LT20Ⅰ和LT20Ⅱ試驗結果表明：不同類型的產品在標準拉力值下錨固端均狀未見異常，產品抗拉拔性能優異。吊裝件試件LT20試驗結果表明：吊裝件在標準拉力值承載力滿足設計要求，產品抗拉拔性能優異。此外，CABR預埋吊裝件的設計理念滿足構件吊裝的性能要求，但需進一步明確和產品的類型、生產加工和使用要求。

3 工程應用

我國方家山核電和昌江核電項目中，采用了本文提出CABR預埋吊裝技術以及相關產品。工程應用實踐證明，本文提出的技術與工藝是可行的，相比于傳統的吊裝方式，CABR吊裝預埋件技術不僅安全可靠、簡單實用、加工方便，而且易于在結構的安裝和搬運過程中使用。對于保證預制裝配式混凝土結構工過程中結構安裝與轉移的安全性與可靠性有著非常重要的作用，不僅連接質量穩定可靠，而且可以大大提高現場裝配工作效率，節省大量人員、設備、材料等費用，效果顯著。該技術的應用具有非常良好的經濟效益和較大的市場推廣價值。由于預制混凝土構件用預埋吊件種類繁多，應用數量大，應用范圍廣。但目前國內并沒有預埋吊件相關標準，因此工程應用設計參數不統一，設計選用不確定性大，且缺乏統一的檢驗標準，導致預埋吊件在使用過程中存在著較多問題。根據中國土木工程學會的要求，由中國建筑科學研究院有限公司、沈陽建筑大學等編制學會于2018年1月正式啟動《預制混凝土構件用金屬預埋吊件》和《預制混凝土構件用金屬預埋吊件應用技術規程》的標準化編制工作。作為首次編制的預埋吊件領域的專用標準，不僅需要總結現有工程應用經驗、對照參考國外相關標準，和制定出適合我國國情的金屬預埋吊件的產品標準與工程標準，而且CABR預埋吊裝件產品大量的試驗數據和工程應用情況也將作為相關標準編制的重要數據提供給編委會。這兩項標準的編制不僅得到了國家科技項目的支持，也是我國“十三五”國家重點研發計劃項目“裝配式混凝土工業化建筑高效施工關鍵技術研究與示范”的重要標準化成果之一。

4 結論

本文在探討國內、外已有預埋吊裝技術在預制裝配式混凝土結構應用現狀的基礎上，詳細論述了CABR吊裝預埋件技術的性能和吊裝適用性試驗，試驗數據表明：CABR預埋吊裝件的設計理念滿足構件吊裝的性能要求，且預埋件試件和吊裝件在試驗中抗拉拔性能優異。此外，通過實際工程的使用表明：CABR錨固預埋件性能可靠，質量有保障，且發展前景非常良好。綜上所述，相比于傳統的吊裝方式，CABR吊裝預埋件技術不僅安全可靠、簡單實用、加工方便，而且易于在結構的安裝和搬運過程中使用。預制裝配式混凝土結構采用該技術后，不僅可以保證施工過程中結構安裝與轉移的安全性與可靠性，而且該技術的應用具有非常良好的經濟效益和較大的市場推廣價值。