国家出台大力发展装配式混凝土结构的相关意见文件, 并提出未来装配式建筑占新建建筑数量的30%。装配式混凝土建筑即结构构件在预制构件厂提前生产成型, 然后到施工现场进行安装和节点的有效连接。因此, 预制构件需要的脱模、起吊、吊装、运输及安装就位等一系列过程都会用到预埋吊件。

我国第1次提出预埋吊件的概念在GB 50666—2011《混凝土结构工程施工规范》中, 定义为混凝土浇筑成型前埋入预制构件内用于吊装连接的金属件, 通常为吊钩或吊环形式。但传统光圆钢筋弯成的吊钩已不满足要求, 且十分不经济, 还影响预制构件表面的美观度和自身耐久性。取而代之的是新型预埋吊件。

佛山国际体育文化演艺中心 (见图1) 位于佛山新城核心区, 西至百顺道, 南至裕和路, 东至百合道, 北至天虹路。主体分为体育馆和商业办公楼2个部分, 项目规划占地面积38 911.85m², 总建筑面积155 007.05m²。地下建筑面积78 490.71m², 地下共3层作为地下车库, 地上建筑面积76 516.34m², 其中体育馆部分包含可容纳1.5万人的体育/演艺场馆、场馆辅助功能用房、训练馆、场馆内部商业、外部商业等, 共6层, 建筑高度34.1m, 层高4.10～6.60m;商业办公楼地上10层, 地下3层, 建筑高度50m, 层高4.1～6.6m。结构形式为钢筋混凝土框架-剪力墙结构, 屋面为钢结构。

该工程中看台板有现浇和预制2种结构形式, 其中除首层前2排、2～4层北区餐厅附近局部看台 (不包括踏步板) 采用现浇结构外, 其余看台均采用预制结构。预制看台板吊装施工最大作业高度8.4m, 安装顺序为分跨由每层的最低1排开始, 逐排向上安装。预制看台板构件共约210种、2 184块, 种类包括L, T, U形3种看台板及平板。

脱模用吊钩常采用传统的钢筋弯钩形式, 看台板采用吊带吊装就位, 其整个过程为脱模→吊装→安放→抽吊带。脱模起吊的吊点为带肋钢筋预埋至预制构件中, 看台板在现场安装就位的还需切掉外露在混凝土表面以上的钢筋, 不但影响预制看台板的整体美观度, 也不利于预制构件耐久性, 切掉的钢筋不能作为其他应用的材料, 只能浪费。在整个吊装过程中, 吊带承载力是否满足吊装要求、是否符合我国相关吊装规范, 都未经过严格计算和技术把控。看台板安放就位时, 需多个工人同时操作才能将看台板安放至指定位置。吊装过程中, 吊带需要绕看台板1圈, 进行捆绑式吊装, 则看台板安装就位后, 吊带还压在下方, 需抽出吊带才能进行下步工作, 相当于每个看台板增加1道工序, 整体上减缓施工速度, 延长整体施工时间。

作为国家“十三五”子课题的示范工程, 佛山国际体育文化演艺中心看台板的吊装工程应该更加规范化、操作过程更加简洁、减少劳动资源的消耗。现选用新型的预埋吊件进行吊装, 鉴于该工程预制看台板数量多、种类杂, 所以选用5种不同尺寸形状的看台板作为示例。

看台板在浇筑、脱模、吊装、安放等过程中, 方向始终不变, 因此吊点设于梁和板的上表面。5种看台板均为T形截面, 且吊装的整个过程需要看台板保持水平状态, 绳索与吊件轴线间的夹角应<30°, 此时可忽略预埋吊件受到的水平分力。所有吊装的绳索须有预紧装置, 即在吊装过程中所有绳索均处于拉紧状态, 使每个吊件都发挥作用。

为保证吊装过程的整体平衡性, 并考虑施工的简易性, 梁和板的吊点放在各自部分中间的位置。由于看台板剖面是不规则的T形截面, 根据平衡方程可知, 吊装时分配到梁和板上的合力不相等。同时, 需要准确知道吊装时每个吊件所受到的力, 因此需要准确找到T形截面重心所在位置。以T形截面左下端为坐标原点进行计算, 确定每种看台板的重心位置。且规定分配到梁上的合力为F₁, 分配到板上的合力为F₂, 荷载分项系数取1.2, 计算简图如图2所示。

重心位置的求解通过下式求得:

看台板的自重、重心位置、吊点个数和单个吊点荷载设计值如表1所示。

看台板上梁和板的吊点数量已经确定, 吊点具体位置需满足构造要求, 吊点位置如图3所示。

为简化施工过程, 且防止数量过多造成混淆, 因此5种不同尺寸看台板的梁上选取同种预埋吊件, 板上选取同种预埋吊件, 如表2所示。

国内并没有关于预埋吊件破坏形态和承载力计算公式的规范, 但由于锚栓的受力机理和预埋吊件类似。因此, 参考美国规范ACI318《Building Code Requirements for Structure Concrete and Commentary》中锚栓的规定, 对佛山国际体育文化演艺中心看台板预埋吊件进行合理选择, 此过程为留出足够的安全空间, 根据相关规定, 安全系数取4.0, 混凝土强度等级为C40。

梁上选用的圆头吊钉安放在梁宽方向的中点处, 梁宽200mm, 预埋吊件轴心到边缘的距离为100mm, 因此按有边距进行考虑。承载力如下:

式中:N_b为无边距影响状态下的承载力计算公式, 按下式计算:

板上选用的提升管件构造要求为预埋吊件轴心到混凝土边缘相距250mm。因此按照图3吊点布置, 应按无边距影响的情况计算承载力, 按照式 (3) 进行计算, 结果如表3所示。

由表3可知, 梁上的单个预埋吊件承载力设计值为11.86kN, 大于5种看台板梁上单个吊点的荷载设计值;板上单个预埋吊件的承载力设计值为3.28kN, 大于5种看台板板上单个吊点的荷载设计值。因此, 所选预埋吊件满足要求, 可以应用。

需要注意的是, 板上的提升管件不只是单独使用, 需要附加钢筋辅助进行受力工作, 如图4所示。

经过对佛山国际体育文化演艺中心看台板用预埋吊件的理论分析可知, 预埋吊件的应用不仅减少了原材料的浪费, 且施工简单、操作便捷, 避免了看台板劳动力多的资源浪费;同时, 预制看台板的外表较美观, 不影响构件自身耐久性的使用。经过相关规范的计算可以使预埋吊件的使用更加规范化, 使预制构件的吊装过程更具有保障性、大大提高了安全性。