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        預制墻板預埋吊件的安全性與實用性分析研究

        引言
        隨著我國“住宅產業化,建筑工業化”的進程加快,裝配式建筑以其質量控制好,施工速度快,節能環保等優點在住宅建筑中得到了廣泛應用。裝配式住宅中最常用的結構為裝配式框架和裝配整體式剪力墻結構。剪力墻結構適用于開間較小,布置較規則的高層建筑,在住宅中應用廣泛。
        由DB 11/1003—2013《裝配式剪力墻結構設計規程》可知,裝配整體式剪力墻結構指的是混凝土結構的部分或全部采用承重預制墻板,通過節點部位的連接形成具有可靠傳力機制,并與現場澆筑的混凝土結構形成整體的裝配式混凝土剪力墻結構,其整體性能與現澆混凝土剪力墻結構接近。由于北方地區對建筑的外保溫要求較高,因此承重預制外墻一般做成預制混凝土夾心保溫外墻板,即有內外2層混凝土,內層混凝土作為承重結構,外層混凝土作為裝飾面,中間夾有保溫材料,并通過拉結件將3層可靠相連的外墻板,簡稱為夾心保溫外墻板,也稱為預制三明治墻板。戶內承重墻板拆分為預制構件即為預制內墻板,夾心保溫外墻板及內墻板組成裝配整體式剪力墻結構的豎向承重構件,即為預制剪力墻板,以下簡稱為預制墻板。
        預制墻板在工廠生產時一體成型,生產完成后的倒運、碼放、運輸、現場安裝等都需要用到構件中預埋的吊件。預制墻板單塊構件重量較大,一般在4~6.5t之間,在各種吊裝環節中預埋吊件的安全性尤為重要。目前市場上常用的預埋吊件主要有球頭吊釘、吊環和內埋式螺栓這3種,這3種埋件的選擇和使用一直飽受業內爭議,本文將從安全性和實用性的角度對3種埋件展開對比分析。


        01

        預埋吊件安全性對比分析



        預制剪力墻吊裝及運輸時使用扁擔梁垂直起吊,吊件主要受拉拔力,容易發生的損壞情況有:

        (1)吊件拉斷破壞;

        (2)混凝土側面劈裂破壞;

        (3)吊件拔出破壞;

        (4)混凝土椎體破壞。吊件在墻板中預埋的邊距較小,因此采用美國規范ACI318附錄D中預埋吊件的算法進行各項破壞荷載計算[1]。

        本文以一塊重量6t,混凝土強度C30的的預制夾心保溫外墻板為例,考慮到構件在廠內倒運及翻轉時混凝土強度可能未達到100%,偏于安全按照脫模強度,即75%的設計強度進行各項計算。墻板尺寸如圖1所示。


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        圖 1   預制墻板尺寸(單位:mm)

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        圖 2   吊件規格及在墻板內的預埋(單位:mm)

        1.1 吊件拉斷破壞強度對比

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        由上述結果可見,3種吊件材質拉斷破壞荷載均遠大于吊件的受拉荷載,可見幾種預埋吊件在吊裝和運輸工況下,材質安全系數足夠,不易發生吊件的拉斷破壞。


        1.2 混凝土側面劈裂破壞對比

        預埋吊件沿厚度方向布置時考慮外葉板和保溫板對重心的影響,偏心放置于距保溫板70mm處,距混凝土側面邊緣較近,易發生混凝土的側面圓錐體劈裂破壞(如圖3所示)。

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        圖 3   混凝土側向破壞

        依據ACI 318M—05《美國房屋建筑混凝土結構規范》D5.4.1,3種吊件布置于相同位置,混凝土發生側向破壞的拉力承載力設計值分別如下:

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        由上計算結果可見,側邊距與混凝土強度相同時,混凝土的側向剪力設計值主要取決于吊件的凈受力面積。吊釘底部擴頭部分對凈受力面積的貢獻較大,且考慮彎折對側邊距的影響時,剪力設計值有明顯提高。由此可見,夾心保溫外墻板使用彎折吊釘對抵抗混凝土的側向受剪破壞意義明顯。


        1.3 吊件拔出破壞

        吊件在拉力作用下,與混凝土粘結力不夠時可能發生拔出破壞,吊件沒有破壞且混凝土沒有斷裂,不同吊件的抗拔力如下:

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        由上述結果可見,吊釘底部圓腳使得吊釘與混凝土的粘結錨固強度增大,而預埋吊環和內埋式螺栓由于彎鉤會減少混凝土的連接剛度,導致抗拔破壞的開始,因此抗拔強度只考慮彎鉤部分的作用。內埋式螺栓由于只有單個彎鉤且平直段較短,在混凝土強度較低時極易發生拔出破壞,因此在實際應用過程中應通過增大平直段長度或增加附加鋼筋與結構主體鋼筋可靠連接等措施進行加固處理。


        1.4 混凝土椎體破壞

        構件吊裝時吊件通過底部圓腳或彎鉤把荷載傳遞到混凝土上,形成載荷圓錐體(如圖4所示),吊件的錨固長度、側邊距和混凝土強度對混凝土的椎體破壞有明顯影響。


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        圖 4   混凝土載荷圓錐體

        依據ACI 318M附錄D,3種吊件混凝土椎體破壞受拉承載力設計值分別為:

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        以上可見,3種吊件均能滿足要求,吊釘與吊環性能略優于內埋式螺栓。

        本節以一塊重量6t的預制夾心保溫墻板為例,分析了3種吊件在相同條件下幾種破壞情況的承載力對比。結果顯示,吊環和內埋式螺栓在拉斷破壞中有顯著優勢;混凝土椎體破壞中吊釘與吊環計算結果相當,均略高于內埋式螺栓;但是在吊件拔出破壞及混凝土側向劈裂破壞時,吊釘相比于吊環和內埋式螺栓有更高的承載力,尤其內埋式螺栓的拔出破壞荷載不能滿足構件的吊裝運輸荷載,易發生吊件拔出的危險。因此,在實際工程應用中,吊件應首選吊釘和吊環,若因特殊情況不得不采用內埋式螺栓時,需采取有效措施防止吊件的拔出破壞。


        02

        預埋吊件實用性對比分析



        2.1 吊件的安裝

        吊件在構件混凝土澆筑前固定于模具上,球頭吊釘在模具上開圓孔,通過玻膠螺栓固定,如圖5所示;吊環通過插入模具上預留長槽進行固定,如圖6所示;內埋式螺栓通過在側模上安裝螺桿進行緊固固定,如圖7所示。吊環尺寸較大,需要在模具上開長槽,吊釘和內埋式螺栓只需在模具上開較小的固定圓孔,相比來說吊環對模具的損壞更大,對側模的周轉利用率有一定影響。


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        圖 5   球頭吊釘在側模上的固定

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        圖 6   吊環在側模上的固定

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        圖 7   內埋式螺栓在側模上的固定


        另外,吊環為雙肢U型,端頭帶彎鉤且埋深較大,實際使用過程中極易與構件上的預留預埋,如空調洞、電氣線盒等發生沖突,設計時需考慮吊環在合理范圍內的移動避讓。


        2.2 吊件的使用

        吊釘使用時,需要配套專門吊具鴨嘴扣進行吊裝,先將吊頭與吊釘連接,球狀結構的開口朝向吊釘下方,然后將球狀結構的舌部轉向下方,與吊釘靠近并閉鎖,如圖8所示。吊環使用時配套卸扣或吊鉤進行吊裝,如圖9所示。內埋式螺栓吊裝時配套萬向吊環,擰緊進行吊裝,如圖10所示。吊鉤及萬向吊環為較常用吊具,工人操作熟悉,鴨嘴扣為吊釘專業配套吊具,工人操作前需進行交底培訓,保證吊具與吊件的緊固到位,保證起吊的安全。


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        圖 8   鴨嘴扣與吊釘

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        圖 9   吊鉤、卸扣

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        圖 10   萬向吊環


        結  論


        本文通過計算4種破壞形式下球頭吊釘、吊環和內埋式螺栓對混凝土的破壞荷載可知,預埋吊件的安全性與多種因素有關,不同吊件各有優缺點,結合生產實例,得出以下結論:

        (1)吊件的拉斷破壞強度為吊環>內埋式螺栓>吊釘;

        (2)混凝土的側面劈裂破壞荷載為吊釘>吊環>內埋式螺栓;

        (3)吊件的拔出破壞荷載為吊釘>吊環>內埋式螺栓,內埋式螺栓甚至不能滿足構件吊裝所需的荷載;

        (4)混凝土的椎體破壞荷載為吊釘=吊環>內埋式螺栓;

        (5)吊釘和內埋式螺栓在生產階段只需圓孔及螺栓與側模固定,對模具破壞較小,操作簡單,吊環相對來說破壞較大,操作復雜,易與其他預留預埋沖突。

        (6)在實際吊裝階段,吊環和內埋式螺栓選用常用吊具,操作簡單易上手,而吊釘需配套專用吊具,對工人進行技術培訓和交底。

        綜上所述,從安全性的角度來看,建議優先選用吊釘或吊環;從實用性及對生產施工階段的便利性來看,在保證足夠安全的前提下建議優先選用吊釘或內埋式螺栓。工程應用中,可根據實際需求選用合適吊件。



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