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预制墙板预埋吊件的安全性与实用性分析研究

 

发布时间:2023-11-28    字号:【

 摘要:预制剪力墙板作为装配式剪力墙结构中的主要竖向构件,从生产、运输到施工现场安装都需要用到吊装埋件,而且预制墙板重量普遍较大,因此预埋吊件的安全性尤为重要。目前行业内常用的吊件有球头弯折吊钉、吊环和内埋式螺栓这3种。本文以典型夹心保温外墙板为例展开分析研究,先容了构件在吊装运输过程中常见的破坏形式,并分别计算了4种破坏形式下3种吊件及吊件区混凝土的破坏荷载。结果表明,吊钉与吊环安全性高于内埋式螺栓,实用性和便利性方面吊钉和内埋式螺栓优于吊环。

 

关键词:预制剪力墙板;吊装埋件;安全性;实用性

 

 

引言

 

随着我国“住宅产业化,建筑工业化”的进程加快,装配式建筑以其质量控制好,施工速度快,节能环保等优点在住宅建筑中得到了广泛应用。装配式住宅中最常用的结构为装配式框架和装配整体式剪力墙结构。剪力墙结构适用于开间较小,布置较规则的高层建筑,在住宅中应用广泛。

 

由DB 11/1003—2013《装配式剪力墙结构设计规程》可知,装配整体式剪力墙结构指的是混凝土结构的部分或全部采用承重预制墙板,通过节点部位的连接形成具有可靠传力机制,并与现场浇筑的混凝土结构形成整体的装配式混凝土剪力墙结构,其整体性能与现浇混凝土剪力墙结构接近。由于北方地区对建筑的外保温要求较高,因此承重预制外墙一般做成预制混凝土夹心保温外墙板,即有内外2层混凝土,内层混凝土作为承重结构,外层混凝土作为装饰面,中间夹有保温材料,并通过 拉结件将3层可靠相连的外墙板,简称为夹心保温外墙板,也称为预制三明治墙板。户内承重墙板拆分为预制构件即为预制内墙板,夹心保温外墙板及内墙板组成装配整体式剪力墙结构的竖向承重构件,即为预制剪力墙板,以下简称为预制墙板。

 

预制墙板在工厂生产时一体成型,生产完成后的倒运、码放、运输、现场安装等都需要用到构件中预埋的吊件。预制墙板单块构件重量较大,一般在4~6.5t之间,在各种吊装环节中预埋吊件的安全性尤为重要。目前市场上常用的预埋吊件主要有球头吊钉、吊环和内埋式螺栓这3种,这3种埋件的选择和使用一直饱受业内争议,本文将从安全性和实用性的角度对3种埋件展开对比分析。

 

1 预埋吊件安全性对比分析


预制剪力墙吊装及运输时使用扁担梁垂直起吊,吊件主要受拉拔力,容易发生的损坏情况有:

(1)吊件拉断破坏;

(2)混凝土侧面劈裂破坏;

(3)吊件拔出破坏;

(4)混凝土椎体破坏。吊件在墙板中预埋的边距较小,因此采用美国规范ACI318附录D中预埋吊件的算法进行各项破坏荷载计算[1]。

本文以一块重量6t,混凝土强度C30的的预制夹心保温外墙板为例,考虑到构件在厂内倒运及翻转时混凝土强度可能未达到100%,偏于安全按照脱模强度,即75%的设计强度进行各项计算。墙板尺寸如图1所示。

 

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图1 预制墙板尺寸(单位:mm)

 

按照常规做法墙板设置2个预埋吊件(吊件多于2个时易因吊索具不平衡产生不均匀受力,因此一般设置2个吊件为宜),吊装和运输过程中的动力系数取1.5[2],每个吊件承受的荷载见式(1):

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依据规范中对吊件截面应力的规定,分别选择5t球头弯折吊钉、A25吊环、M20内埋式螺栓埋件,各吊件的规格尺寸及在墙板中的预埋如图2所示。

 

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图2 吊件规格及在墙板内的预埋(单位:mm)

 

1.1 吊件拉断破坏强度对比

(1)预埋吊钉。

球头吊钉材质为优质合金钢,市场上常见材质为20Mn2锰钢,具有良好的塑性和抗拉性能,吊钉的拉断破坏荷载见式(2):

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(2)预埋吊环。

吊环采用HPB300或者Q235钢材,Φ25的宜选用Q235钢材[3],每个吊环按照2个截面计算抗拉强度,吊环拉断破坏荷载见式(3):

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(3)预埋内埋式螺栓。

内埋式螺栓上部采用优质碳素结构钢35号钢,拉断破坏荷载见式(4):

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由上述结果可见,3种吊件材质拉断破坏荷载均远大于吊件的受拉荷载,可见几种预埋吊件在吊装和运输工况下,材质安全系数足够,不易发生吊件的拉断破坏。

 

1.2 混凝土侧面劈裂破坏对比

预埋吊件沿厚度方向布置时考虑外叶板和保温板对重心的影响,偏心放置于距保温板70mm处,距混凝土侧面边缘较近,易发生混凝土的侧面圆锥体劈裂破坏(如图3所示)。

 

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图3 混凝土侧向破坏

 

依据ACI 318M—05《美国房屋建筑混凝土结构规范》D5.4.1,3种吊件布置于相同位置,混凝土发生侧向破坏的拉力承载力设计值分别如下:

 

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由上计算结果可见,侧边距与混凝土强度相同时,混凝土的侧向剪力设计值主要取决于吊件的净受力面积。吊钉底部扩头部分对净受力面积的贡献较大,且考虑弯折对侧边距的影响时,剪力设计值有明显提高。由此可见,夹心保温外墙板使用弯折吊钉对抵抗混凝土的侧向受剪破坏意义明显。

 

1.3 吊件拔出破坏

吊件在拉力作用下,与混凝土粘结力不够时可能发生拔出破坏,吊件没有破坏且混凝土没有断裂,不同吊件的抗拔力如下:

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由上述结果可见,吊钉底部圆脚使得吊钉与混凝土的粘结锚固强度增大,而预埋吊环和内埋式螺栓由于弯钩会减少混凝土的连接刚度,导致抗拔破坏的开始,因此抗拔强度只考虑弯钩部分的作用。内埋式螺栓由于只有单个弯钩且平直段较短,在混凝土强度较低时极易发生拔出破坏,因此在实际应用过程中应通过增大平直段长度或增加附加钢筋与结构主体钢筋可靠连接等措施进行加固处理。

 

1.4 混凝土椎体破坏

构件吊装时吊件通过底部圆脚或弯钩把荷载传递到混凝土上,形成载荷圆锥体(如图4所示),吊件的锚固长度、侧边距和混凝土强度对混凝土的椎体破坏有明显影响。

 

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图4 混凝土载荷圆锥体

 

依据ACI 318M附录D,3种吊件混凝土椎体破坏受拉承载力设计值分别为:

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以上可见,3种吊件均能满足要求,吊钉与吊环性能略优于内埋式螺栓。

 

本节以一块重量6t的预制夹心保温墙板为例,分析了3种吊件在相同条件下几种破坏情况的承载力对比。结果显示,吊环和内埋式螺栓在拉断破坏中有显著优势;混凝土椎体破坏中吊钉与吊环计算结果相当,均略高于内埋式螺栓;但是在吊件拔出破坏及混凝土侧向劈裂破坏时,吊钉相比于吊环和内埋式螺栓有更高的承载力,尤其内埋式螺栓的拔出破坏荷载不能满足构件的吊装运输荷载,易发生吊件拔出的危险。因此,在实际工程应用中,吊件应首选吊钉和吊环,若因特殊情况不得不采用内埋式螺栓时,需采取有效措施防止吊件的拔出破坏。

 

2 预埋吊件实用性对比分析

 

2.1 吊件的安装

 

吊件在构件混凝土浇筑前固定于模具上,球头吊钉在模具上开圆孔,通过玻胶螺栓固定,如图5所示;吊环通过插入模具上预留长槽进行固定,如图6所示;内埋式螺栓通过在侧模上安装螺杆进行紧固固定,如图7所示。吊环尺寸较大,需要在模具上开长槽,吊钉和内埋式螺栓只需在模具上开较小的固定圆孔,相比来说吊环对模具的损坏更大,对侧模的周转利用率有一定影响。

 

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另外,吊环为双肢U型,端头带弯钩且埋深较大,实际使用过程中极易与构件上的预留预埋,如空调洞、电气线盒等发生冲突,设计时需考虑吊环在合理范围内的移动避让。

 

2.2 吊件的使用

 

吊钉使用时,需要配套专门吊具鸭嘴扣进行吊装,先将吊头与吊钉连接,球状结构的开口朝向吊钉下方,然后将球状结构的舌部转向下方,与吊钉靠近并闭锁,如图8所示。吊环使用时配套卸扣或吊钩进行吊装,如图9所示。内埋式螺栓吊装时配套万向吊环,拧紧进行吊装,如图10所示。吊钩及万向吊环为较常用吊具,工人操作熟悉,鸭嘴扣为吊钉专业配套吊具,工人操作前需进行交底培训,保证吊具与吊件的紧固到位,保证起吊的安全。

 

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结论


部温度也不断向混凝土表层散失,直到达到环境温度。距板面0.05m截面的温峰值小于板面2.75m截面温峰值, 可以充分体现木模板的保温效果,表层混凝土温度随环 境温度影响较大。 


本文通过计算4种破坏形式下球头吊钉、吊环和内埋式螺栓对混凝土的破坏荷载可知,预埋吊件的安全性与多种因素有关,不同吊件各有优缺点,结合生产实例,得出以下结论:

(1)吊件的拉断破坏强度为吊环>内埋式螺栓>吊钉;

(2)混凝土的侧面劈裂破坏荷载为吊钉>吊环>内埋式螺栓;

(3)吊件的拔出破坏荷载为吊钉>吊环>内埋式螺栓,内埋式螺栓甚至不能满足构件吊装所需的荷载;

(4)混凝土的椎体破坏荷载为吊钉=吊环>内埋式螺栓;

(5)吊钉和内埋式螺栓在生产阶段只需圆孔及螺栓与侧模固定,对模具破坏较小,操作简单,吊环相对来说破坏较大,操作复杂,易与其他预留预埋冲突。

(6)在实际吊装阶段,吊环和内埋式螺栓选用常用吊具,操作简单易上手,而吊钉需配套专用吊具,对工人进行技术培训和交底。

综上所述,从安全性的角度来看,建议优先选用吊钉或吊环;从实用性及对生产施工阶段的便利性来看,在保证足够安全的前提下建议优先选用吊钉或内埋式螺栓。工程应用中,可根据实际需求选用合适吊件。

 

参考文献

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 文章来源:预制构件网

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