裝配式建筑水平構(gòu)件吊裝關(guān)鍵問(wèn)題及措施研究

李宏偉

（中鐵建設(shè)集團(tuán)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(jì)、構(gòu)件工廠化生產(chǎn)、裝配式施工等特點(diǎn)，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(lái)越高、規(guī)模越來(lái)越大、結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，其建造過(guò)程也由單一的施工過(guò)程擴(kuò)展到生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工等項(xiàng)目全過(guò)程。預(yù)制構(gòu)件吊裝運(yùn)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(chǎng)預(yù)制構(gòu)件吊裝相關(guān)安全問(wèn)題也逐漸凸顯。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)預(yù)制構(gòu)件吊裝做了相關(guān)研究，王從鋒等［1］指出對(duì)于吊裝吊點(diǎn)數(shù)量選取，中小型構(gòu)件可采用單點(diǎn)吊裝、結(jié)構(gòu)形狀細(xì)長(zhǎng)且配筋較少預(yù)制構(gòu)件可考慮采用兩點(diǎn)吊裝、針對(duì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的預(yù)制構(gòu)件則要采用多點(diǎn)吊裝方式。楊正賢［2］指出在兩點(diǎn)起吊方式中，根據(jù)吊點(diǎn)處彎矩與跨中最大彎矩相等原則，計(jì)算吊點(diǎn)位置的方法忽略了吊裝次應(yīng)力影響。趙勇等［3］對(duì)預(yù)制梁和樓板的吊點(diǎn)進(jìn)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(jiǎn)單的預(yù)制構(gòu)件最佳吊點(diǎn)計(jì)算公式。孫麗思［4］從脫模、運(yùn)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(jì)算要點(diǎn)及結(jié)果，并依據(jù)結(jié)果針對(duì)性提出加強(qiáng)措施。林安嶺［5］針對(duì)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(jì)算表達(dá)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(guò)工程實(shí)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(duì)裝配式結(jié)構(gòu)研究主要集中在節(jié)點(diǎn)受力性能及結(jié)構(gòu)整體抗震性能等方面，而對(duì)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(gè)施工環(huán)節(jié)，影響預(yù)制構(gòu)件能否精確就位，吊裝過(guò)程中是否會(huì)造成構(gòu)件破壞，是否會(huì)出現(xiàn)安全問(wèn)題。本文以某工程改造項(xiàng)目為例，對(duì)裝配式建筑水平構(gòu)件吊裝施工中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)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(duì)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(shí)可有效縮短工期。統(tǒng)計(jì)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(jìn)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(jìn)行。

3 水平構(gòu)件吊裝關(guān)鍵問(wèn)題分析

3.1 預(yù)制構(gòu)件吊裝時(shí)平衡問(wèn)題

為避免吊裝過(guò)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(wèn)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(diǎn)設(shè)置問(wèn)題

疊合板在吊裝過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)吊點(diǎn)附近混凝土開(kāi)裂及脫落、構(gòu)件開(kāi)裂等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。

（1）當(dāng)疊合板跨度大而吊點(diǎn)布置不合理時(shí)，易使吊點(diǎn)承擔(dān)荷載過(guò)大而超過(guò)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(diǎn)布置離重心位置過(guò)近、與邊緣距離較大時(shí)，吊點(diǎn)位置負(fù)彎矩過(guò)大，易引起吊點(diǎn)附近混凝土開(kāi)裂后脫落。

（3）吊點(diǎn)布置距離重心位置太遠(yuǎn)時(shí)，易發(fā)生由于彎矩過(guò)大，造成疊合板跨中開(kāi)裂。

所以需通過(guò)計(jì)算分析，對(duì)吊點(diǎn)位置進(jìn)行分析，避免構(gòu)件破壞，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wèn)題

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

3.4 錨筋預(yù)埋件安裝問(wèn)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(jí)結(jié)構(gòu)鋼，錨筋采用HRB400級(jí)鋼筋。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）（2015 版）［9］25－35，當(dāng)錨筋直徑不大于 20 mm 時(shí)宜使用埋弧壓力焊。如預(yù)埋件安裝位置設(shè)計(jì)不當(dāng)，錨板在吊裝過(guò)程中受力不平衡，會(huì)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(duì)預(yù)制構(gòu)件吊裝施工的關(guān)鍵問(wèn)題，從可行性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性三個(gè)方面制定吊裝解決措施，見(jiàn)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(guò)裝置內(nèi)部實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，保證吊裝過(guò)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(hù)套筒、限位彈簧、平衡彈簧，及通過(guò)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(shí)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(guò)裝置內(nèi)安全保護(hù)套筒，保護(hù)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(guò)程中吊索擺動(dòng)。吊裝作業(yè)結(jié)束后可松開(kāi)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(guò)程中吊索擺動(dòng)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(diǎn)設(shè)計(jì)

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(yùn)。吊裝時(shí)構(gòu)件受力情況與其正常使用階段時(shí)受力情況差異大，故為降低吊裝過(guò)程中構(gòu)件破壞，需根據(jù)正負(fù)彎矩相等原則來(lái)確定構(gòu)件吊點(diǎn)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(yàn)算時(shí)，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(dòng)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(yàn)算時(shí)動(dòng)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(yùn)輸時(shí)只需考慮動(dòng)力系數(shù)，在脫模時(shí)需要同時(shí)考慮動(dòng)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(shí)為最不利工況，所以只需驗(yàn)算脫模工況。

4.2.2 脫模強(qiáng)度驗(yàn)算

對(duì)于單個(gè)吊點(diǎn)的計(jì)算：

式中，GS為單個(gè)吊點(diǎn)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；n為同類吊點(diǎn)個(gè)數(shù)。

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

針對(duì)最大尺寸3 710 mm×2 100 mm×60 mm進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，構(gòu)件容重取β＝25 kN/m3。

兩者取最大值29.2 kN進(jìn)行脫模工況驗(yàn)算。

Gs＝Gsk/n＝7.3 kN

吊點(diǎn)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(duì)吊點(diǎn)設(shè)置要求，吊點(diǎn)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(qiáng)度HRB400；腹筋采用HPB300級(jí)，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(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，抗拉強(qiáng)度為400 kN/mm2，故上弦鋼筋允許荷載為：

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

4.2.3 吊點(diǎn)位置計(jì)算

預(yù)制板起吊時(shí)受吊點(diǎn)向上集中力及預(yù)制板自身的均布重力。起吊時(shí)吊點(diǎn)分兩排在桁架上對(duì)稱布置，根據(jù)吊點(diǎn)布置原則，使吊點(diǎn)處負(fù)彎矩與跨中正彎矩相等，以此來(lái)確定吊點(diǎn)位置。建立四點(diǎn)起吊簡(jiǎn)化力學(xué)計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2 起吊計(jì)算模型

A、C對(duì)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(diǎn)A處左側(cè)彎矩（kN·mm）；MB為墻板跨中B點(diǎn)處彎矩（kN·mm）；MC為吊點(diǎn)C處右側(cè)彎矩（kN·mm）；L為預(yù)制板長(zhǎng)度（mm）；α 為吊點(diǎn)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(guò)程中吊鉤、吊點(diǎn)及構(gòu)件安全，同時(shí)提高構(gòu)件就位質(zhì)量，達(dá)到提高整體結(jié)構(gòu)裝配質(zhì)量，降低安裝誤差，同時(shí)降低構(gòu)件在裝配過(guò)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(jìn)行模擬，制定相應(yīng)措施，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高吊裝精度控制，提高吊裝合格率。

4.3.2 進(jìn)行標(biāo)高復(fù)核，加強(qiáng)吊裝精度管理

構(gòu)件吊裝后就位時(shí)調(diào)平是施工難點(diǎn)，經(jīng)常出現(xiàn)反復(fù)調(diào)平問(wèn)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(shí)的特殊性使其經(jīng)常出現(xiàn)對(duì)位不準(zhǔn)，需反復(fù)調(diào)平。對(duì)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(jiàn)圖3a），通過(guò)調(diào)節(jié)螺母高低實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wú)法調(diào)平問(wèn)題；依據(jù)螺栓定位作用，能提高吊裝后就位質(zhì)量（見(jiàn)圖3b），易于實(shí)現(xiàn)樓梯水平標(biāo)高控制，能達(dá)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(shí)注意及時(shí)清除電板鉗口鐵銹和焊渣等雜物。如發(fā)現(xiàn)焊接時(shí)鋼筋咬邊、裂紋、夾渣、鋼板焊穿等焊接缺陷時(shí)，需及時(shí)清除焊接缺陷，以確保預(yù)埋件受力可靠，避免吊裝過(guò)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(diǎn)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(shí)可在錨板上鉆孔排氣。

4.4.3 預(yù)埋錨筋截面面積計(jì)算

取最大尺寸3 710 mm×2 100 mm的預(yù)制板進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)公式（5）計(jì)算可知：所選用錨筋滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值，錨筋采用HPB300級(jí)，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(xiàng)目的裝配式水平構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，拆裝方便。裝置內(nèi)通過(guò)限位彈簧和平衡彈簧共同作用，有效約束了吊索擺動(dòng)；保證了吊裝中預(yù)制構(gòu)件受力均勻、降低了吊裝過(guò)程中構(gòu)件的破壞，提高了吊裝時(shí)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(diǎn)位置，減小裂縫開(kāi)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(duì)吊裝預(yù)埋件進(jìn)行施工工藝優(yōu)化，采取相應(yīng)構(gòu)造措施，并對(duì)預(yù)埋件進(jìn)行承載力驗(yàn)算，確定最小錨筋截面面積，保證構(gòu)件在吊裝過(guò)程中平穩(wěn)受力，避免吊點(diǎn)處混凝土的局部破壞。